ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР И ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН ДЛЯ НЕГО

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Предлагаемое техническое решение касается полезной модели как объекта промышленной собственности и относится к перезаряжаемым химическим источникам тока, а точнее к литий-ионным аккумуляторам, и может быть использовано в качестве накопителя энергии в энергетических системах, в качестве источника энергии на транспорте, например, в электромобилях, в системах энергообеспечения зданий, а также в бытовой электронной технике.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов, разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Электроды помещены в герметичный корпус и подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации.
Из уровня техники известны литий-ионные аккумуляторы призматической формы (см. RU №81381, RU №103375; RU №99247 и др.).
В литий-ионном аккумуляторе, согласно полезной модели RU №99247, МПК Н01M 10/0525, корпус выполнен в виде прямоугольной призмы. Корпус указанного аккумулятора может быть выполнен из материалов, способных выдержать химические реакции, протекающие внутри него, а также удерживать форму и не допускать деформации устройства. При этом корпус выполнен с обеспечением возможности размещения в нем анода, катода, сепаратора, электролита, схемы управления и датчика температуры. Возможно выполнение в корпусе соответствующих отверстий для выводов от катода и анода.
При этом в литий-ионных аккумуляторах, имеющих призматический корпус существует проблема деформации корпуса, которая происходит под воздействием межэлектродного давления, обусловленного утолщением электродов в процессе циклирования (RU №99323).
Для надежной работы литий-ионного аккумулятора также является важным поддержание благоприятного температурного режима, т.к. при температуре выше 40°С снижается эффективность заряда, ускоряется деградация аккумулятора. Литий-ионный аккумулятор, по сравнению с аккумуляторами других электрохимических систем, имеет высокий коэффициент полезного использования энергии (90%), тем не менее, при условии эксплуатации в составе аккумуляторной батареи и в условиях, близким к адиабатическим (в замкнутом объеме) появляется необходимость искусственного охлаждения, в связи с чем желательно, чтобы аккумулятор обладал, возможно более высокой теплоотдачей.
При эксплуатации литий-ионных аккумуляторов на транспорте и в других условиях они поддаются различным динамическим нагрузкам, что может повлечь протечку электролита, а также возникновение короткого замыкания.
При циклировании литий-ионных аккумуляторов его электроды изменяют свою толщину в зависимости от состояния заряженности, при этом в течение нескольких десятков начальных циклов наблюдается постепенное приращение толщины электродных блоков, достигающее 10-15% первоначального размера. Это явление приводит к возрастанию межэлектродного давления, или к деформации корпуса. Особенно ярко это наблюдается на призматических аккумуляторах крупных размеров, имеющих плоские стенки. Стенки становятся выпуклыми, что обуславливает неравномерность распределения межэлектродного давления по поверхности электродов и, соответственно, неравномерную их работу. Во избежание сказанного, блок электродов выполняют заведомо меньшей толщины и производят свободную сборку аккумулятора. Такой способ хоть и позволяет избежать деформации корпуса, однако не обеспечивает равномерного распределения межэлектродного давления, особенно при большом числе электродов в блоке, когда абсолютный прирост толщины блока в десятки раз превышает толщину электродной пары.
Известна конструкция литий-ионного призматического аккумулятора, в котором для предотвращения деформации стенок корпуса электроды расположены параллельно крышке и дну (патент на полезную модель RU №69323). При таком расположении электродного блока обеспечивается направление межэлектродного давления нормально ко дну и крышке, т.е. к наименьшим по размерам и наиболее жестким поверхностям призматического корпуса. Однако, при большом количестве электродов в аккумуляторе (десятки, сотни) абсолютная величина приращения толщины достигает 10 мм и более. В этом случае слишком «рыхлая» сборка создает неравномерности межэлектродного давления, как в разных частях межэлектродных зазоров, так и в разных частях электродного блока, а слишком «жесткая» сборка приводит к росту межэлектродного давления, что, в свою очередь, требует увеличения прочности корпуса, т.е. увеличения его массы и снижения энергетических характеристик.
Известен также аккумулятор, содержащий в своем составе упругий компенсационный элемент, который выбирает сборочный зазор и обеспечивает электрический контакт между крышкой и одним из электродов блока, а также прижатие электродов разного знака через сепаратор друг к другу (Ю.П.Хранилов «Электрохимическое преобразование энергии» 1979, стр.44-45, Горьковский университет»). При этом упругий элемент, например, волнообразная кольцевая пружина, или звездчатая выштамповка, изменяет свои размеры только в пределах действия упругой деформации, а абсолютная величина возможного изменения соизмерима с толщиной материала, из которого элемент выполнен.
Полезной моделью RU №81381 защищен литий-ионный аккумулятор с корпусом призматической формы, который имеет в своем составе «компенсатор утолщения». Компенсатор располагается между корпусом и блоком электродов, опираясь через изоляционную прокладку на блок электродов, а упругими элементами на корпус аккумулятора, при этом плоскость компенсатора и рабочие плоскости электродов параллельны. Межэлектродное давление уравновешивается упругими свойствами компенсатора. Если давление возрастает, то компенсатор сжимается за счет остаточной деформации, обеспечивая тем самым компенсацию увеличения размера электродного блока.
Недостатком перечисленных аналогов является то, что они не обеспечивают постоянного по величине и равномерного по площади электродов межэлектродного давления в случае, если прирост толщины электродного блока на порядок и более превышает толщину материала упругого элемента. Недостатком известных технических решений является также обязательный электрический контакт с электродом и относительно небольшая площадь этого контакта. Последнее обстоятельство требует применения жесткого электрода, каковыми электроды литий-ионного аккумулятора не являются.
Наиболее близким из перечисленных аккумуляторов к заявляемому объекту является литий-ионный аккумулятор, состоящий из катода и анода, размещенных в герметичном корпусе, представляющим собой прямоугольную призму, в основании которой лежит прямоугольник, и крышки, в отверстиях которой установлены предохранительный клапан, предназначенный для сброса избытка внутреннего давления в аккумуляторе, и присоединенные к катоду и аноду клеммы (RU №81381).
Такое техническое решение, при всей его простоте, не позволяет обеспечить надежную работу батареи, особенно в условиях экстремальных механических и токовых нагрузок.
Общими недостатками вышеперечисленных аналогов являются:
- недостаточно полно используемый внутренний объем, что снижает емкость аккумулятора;
- не решены вопросы, связанные с возникающим межэлектродным давлением;
- не решены вопросы по охлаждению корпуса (теплосъему);
- не решен вопрос безопасности и надежности при возникновении короткого замыкания.
Все перечисленные недостатки снижают надежность и безопасность работы аккумулятора.
-1
-1
-1
Рост внутреннего давления в аккумуляторе, ведущий к его вздутию, может быть вызван выделением газов внутри корпуса аккумулятора, когда влагосодержание раствора электролита, находящегося в аккумуляторе, превысит допустимое значение. Например, для литиевого аккумулятора по патенту RU №2107360 влагосодержание раствора органического электролита должно находиться в пределах от 5 млн (частей на миллион) до 450 млн, предпочтительно 15-300 млн. Взрывоопасность аккумулятора также связана и с выделением тепла внутри корпуса аккумулятора, во время его перезарядки.
Ряд конструкций литиевых аккумуляторов содержат сложные предохранительные устройства, так называемые, ПТК-элементы (НТК -элементы, имеющие положительный температурный коэффициент) - это элементы, которые срабатывают при температуре 80-140°С (RU №2107360).
Более надежным и простым решением является использование в аккумуляторах предохранительного клапанного устройства, обеспечивающего сбрасывание внутреннего давления при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации.
В зависимости от той или иной конструкции предохранительных клапанов, обеспечивающих эффективный сброс давления, превышающего допустимое, внутри камеры аккумулятора, они могут обеспечить исключение из конструкции так называемых компенсаторов и, тем самым, более полно использовать внутренний объем аккумулятора и повысить его емкость.
Из уровня техники известны конструкции предохранительных клапанов для герметичных аккумуляторов (SU №864388; SU №1383454; RU №2030819; RU №2082260; RU №2107360; RU №2402838 и др.).
Принцип работы многих предохранительных клапанов в герметичных аккумуляторах, в т.ч. литий-ионных, основан на деформирующих свойствах упругих элементов, используемых в качестве запорных элементов клапана, которые обеспечивают открытие или закрытие клапана и сброс избыточного давления газов, образовавшихся в герметичном корпусе аккумулятора (например, SU №1383454; RU №2030819; RU №2402838).
Кроме этого недостатком литий-ионных аккумуляторов со свободным электролитом является то, что они подвержены риску потери электролита. Это может возникнуть, например, во время манипуляций с аккумулятором при его транспортировке или из-за аварии, в которую попадает транспортное средство, в котором установлен такой аккумулятор. Такой недостаток легко проявляется также, если аккумулятор принимает наклонное или перевернутое положение.
Вышеперечисленные известные клапаны не решают проблем, связанных с утечкой электролита из аккумулятора, а также связанных с влиянием на его работу вредных атмосферных воздействий, а именно повышенного влагосодержания в воздухе. Все эти проблемы увеличивают взрывоопасность аккумулятора и снижают его надежность и безопасность.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, заключается в повышении надежности и безопасности работы аккумулятора.
Поставленная задача, в части первого объекта, литий-ионного аккумулятора, состоящего из катода и анода, размещенных в герметичном корпусе, представляющим собой прямоугольную призму, в основании которой лежит прямоугольник, и крышки, в отверстиях которой установлены предохранительный клапан, предназначенный для сброса избытка внутреннего давления в аккумуляторе, и присоединенные к катоду и аноду клеммы, решается за счет того, что корпус аккумулятора изготовлен из упрочненного огнестойкого стеклопластика, а его стенки выполнены в виде сотовой конструкции, при этом стенки, соответствующие большим сторонам основания, и их вертикальные стыки имеют ребра жесткости, а предохранительный клапан и клеммы закреплены в крышке с помощью резьбовых соединений.
При этом клеммы могут крепиться к крышке корпуса аккумулятора с помощью накидных гаек, а между клеммами и крышкой могут быть установлены уплотняющие кольцевые прокладки, изготовленные из резины с повышенным содержанием силикона и каучука, обеспечивающие герметичность соединения.
Кроме этого катодная клемма может быть выполнена из алюминия и/или алюминиевого сплава, а анодная клемма выполнена из медно-цинкового сплава
При этом материал, из которого изготовлены клеммы, может иметь никелевое покрытие.
Материал и конструкция корпуса могут обеспечить работу аккумулятора в диапазоне температур от -25°С до +50°С.
Также на крышке аккумулятора может быть установлена идентификационная метка, указывающая на анодную клемму.
Поставленная задача, в части второго объекта, предохранительного клапана литий-ионного аккумулятора, содержащего корпус с каналом для входа газов, образованных внутри аккумулятора, и перекрывающий канал упругий запорный элемент, решается за счет того, что канал выполнен в виде цилиндрического патрубка, расположенного на входе газов в корпус, а упругий запорный элемент выполнен в форме колпачка, установленного сверху на цилиндрический патрубок; над упругим запорным элементом, на выходе газов из корпуса клапана, расположен мембранный фильтр, изготовленный из микропористого гидрофобного полимерного материала, с размером пор от 1 до 10 микрон, который зафиксирован в корпусе клапана прижимной пластиной и прикрыт крышкой с центральным вентиляционным отверстием.
При этом корпус предохранительного клапана может быть расположен в отверстии крышки аккумулятора и снабжен наружной резьбой, а между корпусом клапана и крышкой аккумулятора может быть установлена уплотняющая кольцевая прокладка, изготовленная из резины с повышенным содержанием силикона и каучука, обеспечивающая герметичность соединения.
Кроме этого, колпачок может быть выполнен из упругого материала, устойчивого к коррозионному действию электролита.
Также конструкция и материал мембранного фильтра могут обеспечить его разрыв при резком повышении давления внутри корпуса аккумулятора, защищая последний от разрушения.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков, состоит в повышении надежности и безопасности аккумулятора за счет:
- геометрии и материала корпуса аккумулятора, а также наличия плоских ребер жесткости на стенках корпуса, что повышает его прочность и исключает воспламенение или оплавление корпуса; сотовая конструкция корпуса не только повышает его прочностные свойства, но и увеличивает его теплоотдачу, что снижает перегрев корпуса и делает возможным работу аккумулятора в более широком диапазоне температур (от -25°С до +50°С);
- использования клапанного устройства с возможностью предотвращения утечки электролита, а также с возможностью сброса газов, образующихся внутри аккумулятора, что снижает коррозию окружающих деталей, и вероятность разрушения корпуса аккумулятора и позволяет создать эффективный и простой в обслуживании аккумулятор;
- наличия гидрофобного мембранного фильтра в конструкции предохранительного клапана, что защищает аккумулятор от проникновения влаги внутрь корпуса и тем самым снижает его взрывоопасность;
- использования никелевого покрытия для материала клемм, что снижает разогрев клемм, а также препятствует их окислению;
- использования уплотняющих прокладок, изготовленных из резины с повышенным содержанием силикона и каучука, обеспечивающих герметичность соединения.
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность полезной модели поясняется чертежами, представленными на фигурах 1-4.
На фиг.1 - изображен литий-ионный аккумулятор (схема сборки конструкции корпуса);
На фиг.2 - изображен литий-ионный аккумулятор в разрезе;
На фиг.3 - изображен предохранительный клапан литий-ионного аккумулятора в сборе;
На фиг.4 - изображена схема сборки деталей предохранительного клапана литий-ионного аккумулятора.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Заявляемое устройство состоит из катода и анода (на чертежах не обозначены), размещенных в герметичном корпусе 1. В отверстиях крышки 5 установлены присоединенные к аноду и катоду клеммы 2 и 4, соответственно, и предохранительный клапан 8 для сброса избытка внутреннего давления в аккумуляторе (Фиг.1 и 2).
Корпус 1 выполнен в виде прямоугольной призмы, в основании которой лежит прямоугольник. Корпус 1 аккумулятора изготовлен из упрочненного огнестойкого стеклопластика, а его стенки выполнены в виде сотовой конструкции. Стенки корпуса, соответствующие большим сторонам основания, и их вертикальные стыки имеют ребра жесткости (на чертеже не обозначены).
Клеммы 2 и 4 и предохранительный клапан 8 закреплены в крышке 5 с помощью резьбовых соединений. При этом клеммы крепятся к крышке корпуса аккумулятора с помощью накидных гаек 7. Гайки изготовлены из алюминиево-магниевого сплава и обладают высокой механической прочностью, а также обеспечивают хорошо пригнанное соединение винтовой резьбы. Между клеммами и крышкой установлены уплотняющие кольцевые прокладки 3, изготовленные из резины с повышенным содержанием силикона и каучука, обеспечивающие герметичность соединения.
Катодная клемма 4 выполнена из алюминия и/или алюминиевого сплава. Анодная клемма 2 выполнена из медно-цинкового сплава. Это обеспечивает более высокую механическую прочность по сравнению с чистой медью, а также хорошо пригнанное резьбовое соединение. Материал, из которого изготовлены клеммы, имеет никелевое покрытие.
На крышке 5 аккумулятора установлена идентификационная метка 6, указывающая на анодную клемму. Идентификационная круглая метка используется для разграничения катодной и анодной клемм так, чтобы они не были перепутаны в процессе установки.
Корпус литий-ионного аккумулятора представляет собой сотовую конструкцию, что повышает его прочностные свойства и теплосъем с поверхности корпуса, а огнестойкие свойства материала, из которого изготовлен корпус, защищают его от воспламенения. Материал и конструкция корпуса 1 обеспечивают работу аккумулятора в диапазоне температур от -25°С до +50°С.
Предохранительный клапана 8 литий-ионного аккумулятора, содержит корпус 10 с каналом 9 для выхода газов из аккумулятора и перекрывающий канал упругий запорный элемент 12. Канал образован цилиндрическим патрубком 11, расположенным на входе газов в корпус клапана, а упругий запорный элемент 12 выполнен в форме колпачка, установленного сверху на цилиндрический патрубок 11 (Фиг.3 и 4).
Корпус 10 предохранительного клапана 8 вместе с колпачком контролирует давление при открытии и закрытии клапана, в сочетании с крышкой 5 аккумулятора обеспечивает герметичность клапана.
Над упругим запорным элементом 12, на выходе газов из корпуса клапана, расположен мембранный фильтр 13, который зафиксирован в корпусе клапана прижимной пластиной 14. Прижимная пластина 14 служит для плотного скрепления корпуса предохранительного клапана.
Сверху мембранный фильтр 13 прикрыт крышкой 15 с центральным вентиляционным отверстием 16. Крышка 15 предохранительного клапана предназначена для защиты мембранного фильтра от попадания пыли, а также в качестве декоративного элемента. Крышка 15 изготовлена из твердого каучука.
Мембранный фильтр 13 изготовлен из микропористого гидрофобного полимерного материала, с размером пор от 1 до 10 микрон.
Корпус 10 предохранительного клапана 8 аккумулятора расположен в отверстии крышки 5 аккумулятора и снабжен наружной резьбой. Между корпусом клапана 8 и крышкой 5 аккумулятора установлена уплотняющая кольцевая прокладка 17, изготовленная из резины с повышенным содержанием силикона и каучука, обеспечивающая герметичность соединения.
Запорный элемент 12 клапана, выполненный в форме колпачка, изготовлен из упругого материала, устойчивого к коррозионному действию электролита.
Конструкция и материал мембранного фильтра 13 обеспечивают его разрыв при резком повышении давления внутри корпуса аккумулятора, защищая последний от разрушения.
Принцип работы предохранительного клапана:
Колпачок в естественном состоянии герметично закрывает клапанный канал, предотвращая попадание воздуха извне внутрь. Когда внутреннее давление аккумулятора становится больше внешнего и достигает определенного значения (давление при открытом клапане 20-30 кПа), газ преодолевает упругость резины, вызывает увеличение диаметра нижнего канала резинового колпачка, и выпускается через открытую щель. При понижении внутреннего давления до определенного значения (давление при закрытом клапане 10-15 кПа), резина тесно запечатает клапанный канал, и выпуск газа прекратится. Тогда давление внутри аккумулятора определяется как давление закрытого клапана резинового колпачка. Даже, если давление внутри аккумулятора меньше, чем внешнее давление (т.е. отрицательное давление) резиновый колпачок также заблокирует приток воздуха снаружи.
Ввиду естественной гидрофобности материала, из которого изготовлен мембранный фильтр 13, а также благодаря диаметру отверстий в размере 1-10 микрон, можно достичь эффекта вентиляции и водоизоляции аккумулятора. Предохранительный клапан с мембранным фильтром позволяет предотвратить вытекание электролита. Несмотря на то, что мембранный фильтр тонкослойный и обладает свойствами особой механической прочности, при возникновении короткого замыкания или другой причины, которая может вызвать резкое повышение давления внутри аккумулятора, фильтр может прорваться, и вызвать отсоединение сердечника клапана для выпуска газа. Это приведет к исключению взрывоопасной ситуации.
Прочный невоспламеняемый корпус заявляемого литий-ионного аккумулятора позволяет свести к минимуму возможность воспламенения или оплавления батареи.
Новая батарея предназначена для работы в различных климатических условиях с температурой окружающей среды от -25°С до +50°С и влажностью окружающей среды 96%.