Литиевый химический источник тока с рулонной электродной сборкой
Владельцы патента RU 2335828:
Закрытое акционерное общество Инженерная фирма "Орион-ХИТ" (RU)
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении литиевых химических источников тока (ХИТ). Техническим результатом изобретения является повышение мощности и взрывобезопасности литиевых ХИТ. Согласно изобретению литиевый ХИТ с рулонной электродной сборкой содержит металлический корпус, металлическую крышку, гермовывод положительного электрода, проходящий сквозь крышку, и рулонный блок электродов, включающий по две и более ленточной пластины положительного и отрицательного электродов. Токосборник положительного электрода выполнен в виде ленточной металлической пластины, часть которой свернута в цилиндр и расположена в сердцевине рулона, а остальная часть расположена криволинейно по толщине рулона электродов. По криволинейной части токосборника располагаются внутренние концы всех пластин электродной сборки, а внешние концы пластин располагаются по периферии рулона. Внутренние концы пластин положительного электрода электрически соединены с токосборником, а внешние концы отрицательных пластин - с крышкой ХИТ, при этом последняя пластина отрицательного электрода удерживается захватом из изоляционного материала, соединенным с криволинейной частью токосборника положительного электрода, и охватывает рулон по периметру. 3 ил., 4 табл.
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении литиевых химических источников тока.
Повышение мощности и взрывобезопасности является важной задачей совершенствования литиевых химических источников тока. Увеличение мощности ХИТ обеспечивается использованием рулонной электродной сборки, содержащей по одной или более ленточных пластин положительного и отрицательного электродов. Такая конструкция позволяет развивать рабочую поверхность электродов, что дает возможность ХИТ выдерживать большие токи нагрузки. Однако при этом усложняется система электрической коммутации электродных пластин с выводами источника тока. Это приводит к ограничению мощности и взрывобезопасности литиевых ХИТ.
Известны конструкции рулонных литиевых источников тока, электрическое соединение электродных блоков которых с выводами ХИТ осуществляют токовыводы электродных пластин, выходящие из торцов рулона, токосборник, с которым соединяют токовыводы, и гермовывод, проходящий сквозь крышку источника тока. Токовыводы коллектора тока часто выполняют в виде узких металлических полосок, расположенных по концам пластин или по всей их длине через определенные интервалы (Пат. 6376121 (США), МПК7 Н01М 6/10. Литиевый аккумулятор со спиральными электродами, имеющий множество токоснимающих полосок и метод его изготовления. Spirally wound lithium secondary cell having a plurality of current collector tabs and method of manufacture / Inomata Hideyki, Nakanishi Naoya, Nogami Mitsuzo, Yonezu Ikuo, Nishio Koji; Sanyo Electric Co., Ltd. - №09/485172; Заявл. 28.09.1998; Опубл. 23.04.2002; Приор. 30.09.1997, №9-266171 (Япония); НПК 429/94). В качестве токовыводов используют также и края ленточных пластин, выступающие по торцам рулонного блока (Пат.4322484 (США), МКИ H01M 6/10, НКИ 429/94. Аккумулятор большой емкости со свернутыми в рулон электродами. Spiral wound electrochemical cell having high capacity / Sugalski Raymond K.; General Electric Co. - №187743; Заявл. 16.09.80; Опубл. 30.03.82). Токосборники располагают над рулонным блоком под крышкой или под электродным блоком у дна корпуса ХИТ или токосборником одного из электродов является внутренняя поверхность корпуса или крышки источника тока. Токосборники соединяют с выводами ХИТ, одним из которых может быть корпус источника тока, а другой гермовывод, проходящий сквозь крышку источника тока.
Наиболее близким по технической сути является патент США №3393095 (Пат. №3393095 (США), кл. 136 - 14. Cylindrical battery cells / Phillipp Fritz; Varta Akt. - Ges.; Заявл. 12.05.65; Опубл. 16.07.68). Изобретение касается цилиндрических ХИТ со свернутыми в рулон электродами противоположной полярности, содержащими по несколько ленточных электродных пластин. Электродные пластины разделены сепараторами. Токовыводами являются выступающие над краями пластин и расположенные по их длине ушки: у положительною электрода в верхней части рулонного блока, у отрицательного - в нижней. Токосборниками являются металлические диски, наложенные на выступающие из рулона токовыводы (ушки) электродных пластин. Токовыводы приварены к ребрам, имеющимся на токосборниках. Токосборники соединены с положительным и отрицательным выводами ХИТ.
Однако описанная конструкция ХИТ с рулонной сборкой электродов имеет ряд недостатков, ограничивающих мощность источников тока и способствующих взрывам ХИТ при их переразрядах, особенно при больших токах нагрузки.
Ограничение мощности связано с тем, что токовыводы и токосборники пластин электродов, расположенные над рулоном под крышкой и под рулоном у дна ХИТ, уменьшают свободный от блока электродов внутренний объем источника тока. Это ограничивает количество электролита, заливаемого в ХИТ, его доступ к рабочим поверхностям электродов снижает высоту электродов и в конечном итоге приводит к возрастанию потерь мощности.
Взрывы при переразрядах с переполюсовкой рулонных литиевых ХИТ, в первую очередь литий-тионилхлоридных, лимитируемых емкостью положительных электродов, связаны с тем, что большое количество токовыводов и токосборники, расположенные вне рулонного блока электродов, увеличивают вероятность внутренних коротких замыканий электродов как вследствие механических контактов, так и вследствие развития на их поверхностях литиевых дендритов.
Перед авторами стояла задача повышения мощности и взрывобезопасности литиевых ХИТ с рулонной электродной сборкой.
Поставленная задача решена тем, что в химическом источнике тока рулонного типа, состоящем из корпуса, крышки, выводов противоположной полярности, положительных и отрицательных электродов из двух или более ленточных пластин, ленточных сепараторов и токосборника, токосборник положительного электрода выполнен в виде ленточной металлической пластины. Часть токосборника свернута в цилиндр и расположена в сердцевине рулона коаксиально его продольной оси, а остальная часть токосборника расположена криволинейно по толщине рулона электродов. По криволинейной части токосборника располагаются внутренние концы всех пластин (и положительных, и отрицательных) электродной сборки, а внешние концы располагаются по периферии рулона. Внутренние концы пластин положительного электрода электрически соединены с токосборником, а внешние концы отрицательных пластин - с крышкой ХИТ. При этом последняя пластина отрицательного электрода удерживается захватом из изоляционного материала, соединенным с внешним концом криволинейной части токосборника, и охватывает рулон по периметру.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг.1 представлен литиевый ХИТ в сборе (разрез);
на фиг.2 показана рулонная электродная сборка (разрез);
на фиг.3 представлено расположение пластин электродов и токосборника положительного электрода перед сворачиванием в рулон.
Предлагаемый литиевый ХИТ рулонного типа (фиг.1) состоит из металлического цилиндрического корпуса 1, в котором расположена рулонная электродная сборка 2, изолированная от дна 3 и крышки 4 прокладками 5 из изоляционного материала. Цилиндрическая часть токосборника 6 положительного электрода соединена с гермовыводом 7, проходящим сквозь металлическую крышку 4 и изолированным от нее вплавленной стеклянной шайбой 8. Токовыводы 9, расположенные на внешних концах пластин отрицательных электродов, соединены с внутренней поверхностью крышки 4.
Рулонная электродная сборка 2 состоит (фиг.2, 3) из свернутых токосборника 6 положительного электрода, ленточных пластин 10 положительного электрода и ленточных пластин 11 отрицательного электрода, обернутых ленточными сепараторами 12.
Токосборник 6 положительного электрода представляет собой ленточную металлическую пластину, к одной части которой присоединяют токовыводы пластин 10 положительного электрода, расположенные на внутренних, направленных к сердцевине рулона, концах электродных лент (в виде флажков, полосок или обнаженных участков коллекторов тока), а другая часть остается свободной. Соотношение размеров указанных частей токосборника зависит от суммарного количества электродных пластин и диаметра свободной от электродов сердцевины рулона. Между пластинами 10 положительного электрода располагают соответствующее количество пластин 11 отрицательного электрода, обернутых лентами сепаратора 12. Токовыводы пластин 11 отрицательного электрода располагают на их внешних, периферийных по отношению к рулону, концах. Электроды располагают так, что последней от свободной части токосборника 6 является одна из пластин 13 отрицательного электрода. Ее конец, обращенный к токосборнику 6 положительного электрода, удерживается захватом 14 из изоляционного материала, прикрепленным к концу токосборника.
Электродную сборку 2 сворачивают в рулон так, что свободная от электродов часть токосборника 6 положительного электрода образует цилиндр, расположенный в сердцевине рулона коаксиально его продольной оси. Остальная часть токосборника располагается криволинейно по толщине рулона. Пластины электродов располагаются по спирали, причем последняя пластина отрицательного электрода 13, удерживаемая захватом 14 из изоляционного материала с внешним концом криволинейной части токосборника 6, охватывает рулон по периметру.
Схемы, представленные на фиг.1-3, позволяют отметить достоинства предложенной конструкции литиевого химического источника тока.
Наличие у токосборника положительного электрода криволинейного участка, расположенного в толще рулона от его сердцевины до периферии, позволяет равномерно распределить в объеме рулона начальные, прилегающие к токовыводам, участки пластин положительного электрода и соответствующие им концы пластин отрицательного электрода. При разряде ХИТ именно на этих участках наиболее интенсивно протекают электродные реакции с соответствующим тепловыделением и дендритообразованием лития при переразрядах с переполюсовкой. Более равномерное распределение начальных участков пластин электродов в рулоне уменьшает теплонагруженность центральной части рулона, понижает вероятность создания литиевыми дендритами коротких замыканий, локальных перегревов и взрывов. Ленточная конструкция токосборника положительного электрода и его расположение в рулоне позволяют уменьшить потери мощности на омических сопротивлениях, а также осуществить отвод тепла из центральных частей рулона к его периферии и более охлаждаемому корпусу ХИТ.
Предложенная конструкция токосборника положительного электрода позволяет также избежать выхода токовыводов пластин электрода из торцов рулона и загромождения внутреннего пространства ХИТ над рулоном или под рулоном токовыводами и токосборником. Это уменьшает вероятность внутренних коротких замыканий, ведущих к взрывам ХИТ, а также облегчает доступ электролита к рабочим поверхностям электродов, что способствует уменьшению внутренних омических сопротивлений и увеличению мощности ХИТ. Подбором материала токосборника, его толщины и линии расположения в толще рулона (от прямой линии до кривой сложной формы - дуги, окружности, спирали, части эллипса, экспоненты, эвольвенты, параболы и др.) можно регулировать потери мощности на омических сопротивлениях ХИТ, теплоотвод из рулона электродов, распределение концов пластин электродов по периметру рулона. Это расширяет возможности использования предложенной конструкции рулонной электродной сборки для повышения мощности и взрывобезопасности ХИТ.
Использование захвата из изоляционного материала позволяет с помощью сцепки "токосборник положительного электрода - захват из изоляционного материала - последняя пластина отрицательного электрода" эффективно регулировать плотность рулона, что обеспечивает устойчивое состояние электродов, равномерность их проработки по поверхности и толщине и, в конечном итоге, уменьшает потери мощности и вероятность локальных перегревов и взрывов при переразрядах с переполюсовкой ХИТ.
Варьируя материал, размеры и форму расположения токосборника в рулонном блоке электродов, размеры и количество пластин электродов противоположной полярности можно регулировать емкость, разрядное напряжение и мощность при сохранении взрывобезопасности ХИТ в широком диапазоне их значений.
Эффективность предлагаемого изобретения подтверждается приведенными ниже примерами.
Примеры. Испытали контрольную партию рулонных литий-тионилхлоридных элементов типоразмера R14, конструкция рулонных электродных сборок которых полностью соответствовала прототипу (обозначение К).
Рулонные блоки этих элементов содержали по две ленточные пластины положительного и отрицательного электродов, разделенные сепараторами из стекловолокна (БСА). Пластина положительного электрода представляла собой ленту коллектора тока из гальванопластической никелевой сетки толщиной 100 мкм, с нанесенной с обеих сторон углеродной массой, содержащей смесь сажи со связующим веществом (фторопластом). Отрицательный электрод представлял собой такой же коллектор тока с накатанными с двух сторон лентами из металлического лития. Толщина пластины положительного электрода составляла 0,3 мм, отрицательного - 0,28 мм.
Каждая пластина имела по три токовывода в виде ушек, выполненных из узких никелевых полосок, соединенных с коллектором тока и расположенных по длине ленточных пластин с определенными интервалами. Рулон электродов сворачивали так, что внешней была пластина отрицательного электрода. Дисковые токосборники выполняли из фольги никеля, корпус и крышку элементов выполняли из нержавеющей стали.
Элементы заливали электролитом, представляющим собой раствор тетрахлоралюмината лития (LiAlCl4) в тионилхлориде (SOCl2). Заливочные отверстия заваривали лазерной сваркой.
Испытали три партии экспериментальных элементов, рулонные электродные сборки которых соответствовали описанию предлагаемого изобретения. Различия между партиями заключались в количестве ленточных пластин положительных и отрицательных электродов в ХИТ. Были изготовлены элементы, содержащие по 4 пластины положительного и отрицательного электродов (Э1), по 5 пластин (Э2) и по 6 пластин (Э3). Толщина пластин соответствовала толщине пластин электродов контрольных элементов. Длина ленточных пластин зависела от их количества в элементе - с увеличением количества пластин их длину уменьшали так, чтобы диаметр рулонного блока электродов соответствовал внутреннему диаметру цилиндрического корпуса ХИТ. Ленточный токосборник положительного электрода выполняли из пластины никеля толщиной 100 мкм.
Все остальные детали экспериментальных элементов были такими же, как и у контрольных элементов.
Контрольные и экспериментальные элементы испытаны по программе, включающей:
1. Разряд при температуре окружающей среды 40°С током 3 и 5 А до напряжения 2,5 В. Определяли отданную электрическую емкость, разрядное напряжение и температуру корпуса ХИТ в конце разряда.
2. Разряд при температуре окружающей среды 0°С током 3 и 5 А до напряжения 2,5 В. Определяли отданную электрическую емкость, разрядное напряжение и температуру корпуса ХИТ в конце разряда.
3. Переразряд при нормальных климатических условиях (НКУ) током 1 А до «взрыва» или до достижения после переполюсовки ХИТ напряжения «минус 5 В».
При каждом из отмеченных токовых и температурных режимов разряжали по 3 элемента из каждой партии. Переразряду подвергали все элементы после их разрядов. Значения токов разряда и переразряда соответствуют режимам эксплуатации высокомощных литий-тионилхлоридных элементов типоразмера R14. Указанное значение напряжения «минус 5 В», ограничивающее время переразряда, отвечает природе процессов, протекающих в литий-тионилхлоридных ХИТ. В частности, при таком «отрицательном напряжении» в источнике тока происходит полное разложение компонентов электролита и его переразряд необходимо прекращать с помощью стандартных устройств - термопрерывателей, электронных средств защиты и др.
В табл.1-3 приведены результаты испытаний, полученные для каждой точки усреднением характеристик не менее трех ХИТ.
В табл.1 приведены значения напряжения разряда через 30 с после включения ХИТ и в середине разрядной кривой при разных значениях тока разряда и температуры окружающей среды.
| Таблица 1 | ||||||
| Напряжение разряда испытанных ХИТ | ||||||
| Обозначения элементов | Ток, А | Разрядное напряжение при различной температуре, В | Заявляемый эффект | |||
| на 30-й секунде разряда | в середине разрядной кривой | |||||
| 0°С | 40°С | 0°С | 40°С | |||
| К | 3,0 | 2,79 | 3,20 | 2,87 | 3,31 | Нет |
| 5,0 | 2,64 | 3,06 | 2,69 | 3,08 | Нет | |
| Э1 | 3,0 | 2,97 | 3,27 | 3,14 | 3,47 | Есть |
| 5,0 | 2,81 | 3,16 | 3,01 | 3,35 | Есть | |
| Э2 | 3,0 | 3,09 | 3,27 | 3,15 | 3,50 | Есть |
| 5,0 | 2,88 | 3,17 | 3,01 | 3,37 | Есть | |
| Э3 | 3,0 | 2,99 | 3,27 | 3,21 | 3,44 | Есть |
| 5,0 | 2,92 | 3,20 | 3,09 | 3,37 | Есть |
Представленные в табл.1 данные показывают, что ХИТ с рулонной электродной сборкой, отвечающей заявленному изобретению, по мощности превосходят контрольные элементы с известной конструкцией рулона электродов и его электрической коммутации с отрицательным и положительным выводами источника тока. Если сравнивать значения напряжения в середине разрядной кривой, то напряжение разряда экспериментальных элементов превышает напряжение разряда контрольных элементов при температуре окружающей среды 0°С на 270...400 мВ, а при температуре 40°С - на 130...290 мВ.
Повышение мощности экспериментальных элементов по сравнению с элементами известной конструкции связано с тем, что предложенный токосборник положительного электрода уменьшает потери напряжения на внутренних омических сопротивлениях ХИТ. Соединенные вместе пластина отрицательного электрода и токосборник положительного электрода уплотняют рулон, что способствует равномерной проработке электродов и также уменьшает омические падения напряжения.
В табл.2 и 3 приведены значения отданной при разрядах емкости, достигнутой при этом максимальной температуре корпуса, и результаты переразряда всех испытанных ХИТ. Для режима «Разряд» указаны температура окружающей среды, ток разряда, отданная электрическая емкость и температура корпуса ХИТ в конце разряда. Для режима «Переразряд» указаны условия переразряда, соответствующие НКУ, ток переразряда и конечный результат - «Взрыв» или достижение после переполюсовки ХИТ напряжения минус 5 В.
По результатам испытаний, представленным в табл.2-3, необходимо отметить следующее.
Испытанные контрольные элементы выдержали разряды токами 3 и 5 А, но их переразряд во всех случаях привел к взрывам (табл.2).
Экспериментальные элементы выдержали как разряды токами 3 и 5 А, так и переразряды (табл.3). Не было отмечено ни одного случая взрыва.
Сравнение значений электрической емкости, отданной испытанными ХИТ, показывает, что практически при всех реализованных условиях разряда источники тока с конструкцией рулонной электродной сборки, отвечающей заявленному изобретению, отдали более высокую емкость, чем контрольные элементы. В табл.4 приведены значения превышения емкости, отданной экспериментальными элементами, над емкостью, отданной контрольными элементами (ΔQ).
| Таблица 4 | ||||
| Значения превышения разрядной емкости экспериментальных элементов над емкостью контрольных элементов | ||||
| Обозначения элементов | Температура окружающей среды, °С | Ток, А | ΔQ, % | Заявляемый эффект |
| Э1 | 40 | 3,02 | 27,0 | Есть |
| 5,00 | -8,3 | Нет | ||
| 0 | 3,00 | -2,1 | Нет | |
| 5,03 | 18,6 | Есть | ||
| Э2 | 40 | 3,00 | 23,8 | Есть |
| 5,01 | 7,0 | Есть | ||
| 0 | 3,02 | 23,6 | Есть | |
| 5,01 | 26,6 | Есть | ||
| Э3 | 40 | 3,00 | 41,7 | Есть |
| 5,02 | 14,9 | Есть | ||
| 0 | 3,01 | 83,6 | Есть | |
| 5,01 | 80,0 | Есть |
Приведенные в табл.4 данные подтверждают преимущество источников тока заявляемой конструкции по электрической мощности по сравнению с рулонными ХИТ известной конструкции. Это преимущество достигнуто за счет того, что рулонная электродная сборка, отвечающая заявленному изобретению, по сравнению с известными конструкциями обладает более низкими внутренними омическими сопротивлениями и обеспечивает более равномерную проработку электродов.
Длительные переразряды всех контрольных элементов привели к их взрывам (табл.2). Взрывы элементов происходили в момент или после полного израсходования заложенного лития. Во всех случаях взрывам предшествовал тепловой разгон, температура корпуса резко (за 10-30 с) поднималась от 50...60°С до 200°С и выше, напряжение - от минус 1...1,5 В до минус 9...10 В.
У экспериментальных элементов, отвечающих заявленному изобретению, при длительных переразрядах ни одного случая взрыва не отмечено. После израсходования заложенного количества лития наблюдалось плавное (в течение 1-2 ч) повышение температуры корпуса от 50...60°С до 90...110°С и напряжения от минус 1,0...1,5 В до минус 5 В.
Повышение взрывобезопасности при длительных переразрядах ХИТ с рулонной электродной сборкой, отвечающей заявленному изобретению, объясняется тем, что предлагаемые токосбррник положительного электрода и система уплотнения рулона электродов уменьшают вероятность внутренних коротких замыканий электродов литиевыми дендритами и внутреннего перегрева источников тока. Это достигается за счет отсутствия токовыводов пластин положительных и отрицательных электродов над или под рулонным блоком, отводом тепла из центральной части электродной сборки, равномерным распределением электродных процессов по всей рабочей площади электродов.
Приведенные примеры изготовления литиевых химических источников тока с рулонной электродной сборкой в соответствии с признаками, изложенными в формуле изобретения, а также сравнительные испытания изготовленных источников тока подтверждают возможность практической реализации заявленного изобретения с достижением указанного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение о соответствии заявляемого изобретения критерию - «промышленная применимость».
Таким образом, проведенный анализ уровня техники дает нам право утверждать, что заявленная нами совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна, что отвечает критерию - «новизна».
Изучение технических решений с целью выявления существенных признаков нашего изобретения, совпадающих с признаком прототипа, показало, что заявленное нами изобретение не следует явно для специалиста в данной области из известного уровня техники. Считаем, что предлагаемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
На основании вышеизложенного считаем, что предлагаемое нами техническое решение может быть признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.
Литиевый химический источник тока с рулонной электродной сборкой, содержащий цилиндрический металлический корпус, металлическую крышку, гермовывод положительного электрода, проходящий сквозь крышку, и рулонный блок электродов, включающий положительный электрод из двух и более ленточных пластин, внутренние концы которых электрически соединены с токосборником, отрицательный электрод из двух и более ленточных пластин, ленточные сепараторы и токосборник положительного электрода, отличающийся тем, что токосборник положительного электрода выполнен в виде металлической ленты, часть которой свернута в цилиндр и расположена в середине рулона коаксиально его продольной оси, а остальная часть токосборника расположена криволинейно по толщине рулона электродов, а все токовыводы пластин отрицательного электрода находятся на периферии блока и соединены с крышкой, при этом один конец ленточного токосборника положительного электрода соединен с гермовыводом, а другой - с захватом из электроизоляционного материала, удерживающего пластину отрицательного электрода, охватывающую рулон по периметру.
