Электрохимический аккумулятор
ELECTROCHEMICAL BATTERY

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрохимическому аккумулятору (электрохимическому устройству), и предназначено для использования в технологии построения блоков питания.
В последнее время в области вторичных батарей интенсивно ведутся исследования и разработки новых электродов и батарей, которые могут улучшить удельную емкость и удельную энергию.
Из уровня техники известен никель-цинковый аккумулятор, содержащий корпус, раствор щелочного электролита, положительный и отрицательный электроды, разделенные многослойным сепаратором, и вспомогательный электрод. Вспомогательный электрод выполнен пористым и размещен между слоями сепаратора (RU 2069924, 27.11.1996).
Недостатками данного аккумулятора является отсутствие обратной связи, т.е. когда при изменении прямых выходных параметров аккумулятора (напряжения, ток зарядки/разрядки или косвенных параметров (температура, давление и т.п.) сверх заданных критических значений, не изменяются параметры управления (напряжение на управляющем электроде не увеличивается или не уменьшается), что приводит аккумулятор к выходу из строя. Кроме того, наличие пористого электрода, имеющего некалиброванные отверстия, снижает эффективность работы аккумулятора.
Известен электрохимический генератор, содержащий электролит и контактирующие с ним анод и катод. Между анодом и катодом в электролит помещен дополнительный электрод, который соединен с источником управляющего напряжения. К катоду и аноду подключена нагрузка электрохимического генератора. Дополнительный электрод выполнен из электропроводного химически нейтрального материала, например из углеродной ткани с изолированным токоподводом (RU 2249886, 10.04.2005).
Недостатками данной конструкции устройства являются то, что анод и катод в нем разнесены на значительное расстояние, чтобы предотвратить короткое замыкание между катодом и анодом из-за отсутствия сепаратора, в связи с чем данная конструкция не является оптимальной из-за значительного увеличения размеров аккумулятора и изменения конструкции устройства, так как необходимо сделать дополнительное устройство закрепления электродов. Кроме того, из-за применения в качестве дополнительного (управляющего) электрода углеродной ткани и отсутствия сепаратора может возникнуть ситуация (в каком-то одном пространственном положении устройства), когда углеродная ткань будет касаться одновременно катода и анода, то есть может произойти короткое замыкание и, соответственно выход устройства из строя
Кроме того, источник питания, используемый в указанном патенте, не имеет возможности автоматически регулировать управляющее напряжение, т.е. отсутствует обратная связь, что уменьшает эффективность работы аккумулятора.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании электрохимического аккумулятора, который устранял бы указанные выше недостатки.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении эффективности работы аккумулятора и увеличение ресурса его работы т.к. при проведении процесса зарядки/разрядки, и в процессе штатной работы аккумулятора, происходит поддержание необходимого тока/напряжения, которые поддерживаются в заданных параметрах за счет наличия обратной связи и при помощи управляющего электрода, на который подается управляющее напряжение, таким образом, что предотвращается перезарядка и переразрядка аккумулятора, не прекращая процесс путем автоматического изменения управляющего напряжения. В настоящее время в известных устройствах процесс зарядки прекращается полностью (по достижению критических значений), а затем процесс зарядки начинается сначала), кроме того возможно получить на выходных клеммах переменное напряжение за счет подачи переменного (гармонического или импульсного) напряжения любой формы и соответствующих значений напряжения, частоты, амплитуды и формы на управляющий электрод, обеспечивающих функционирование аккумулятора, с применением соответствующего источника напряжения. Кроме того появляется возможность использовать электрохимическое устройство в качестве источника напряжения и/или в качестве источника тока.
Технический результат достигается тем, что в электрохимическом аккумуляторе, содержащем корпус, в котором размещены отрицательный и положительный электроды основного аккумулятора, взаимодействующие с электролитом, при этом между отрицательным и положительным электродами основного аккумулятора установлен металлический управляющий электрод с проницаемыми калиброванными отверстиями, связанный с источником управляющего напряжения.
Источник напряжения представляет собой внешний источник постоянного или переменного напряжения, или дополнительный аккумулятор, отрицательный и положительный электроды которого расположены в корпусе и взаимодействуют с электролитом.
Управляющий электрод расположен в корпусе в окружении сепаратора или без сепаратора и может быть покрыт химически стойким изолятором.
Также управляющий электрод может быть выполнен в виде металлической сетки или намотки из металлической проволоки и покрыт химически нейтральным изолятором.
На управляющий электрод подают постоянное управляющее напряжение при использовании коммутирующей схемы, обеспечивающее функционирование основного аккумулятора.
На управляющий электрод подают переменное напряжение от источника напряжения.
На управляющий электрод подают переменное напряжение с использованием устройства обратной связи.
Выводы управляющего электрода могут быть расположены внутри или с наружи корпуса. Выводы коммутируются через разъем, для подключения зарядного устройства.
Кроме того, при работе аккумулятора используется устройство обратной связи, управляющее подачей соответствующего сигнала на управляющий электрод (постоянного положительного или отрицательного, или переменного напряжения) любой формы и любой длительности и установленное вне зоны взаимодействия с электролитом.
Устройство обратной связи содержит необходимые измерительные датчики (датчик температуры и/или шунт для измерения тока, а также другие датчики, например, давления, и т.п.) и электронное устройство, преобразующее выходные сигналы датчиков в управляющее напряжение (в сигнал управления) для подачи его на управляющий электрод. Устройство обратной связи служит для стабилизации выходных параметров.
Аккумулятор состоит из основного и дополнительного аккумуляторов, расположенных в одном корпусе, с ним и/или вне корпуса с основным аккумулятором, и выводы которого могут быть расположены и/или внутри и/или с наружи корпуса. Дополнительный аккумулятор используется в качестве источника напряжения, предназначенного для подачи его на управляющий электрод. Для увеличения продолжительности функционирования основного аккумулятора дополнительный аккумулятор может функционировать одновременно с внешним дополнительным источником.
Аккумулятор выполнен с возможностью зарядки от другого аккумулятора.
В качестве электролита возможно использование любого материала, обеспечивающего функционирование электрохимического устройства. Например, электролит может быть выполнен твердым или представлять собой раствор, в котором расположены отрицательный и положительный электроды, управляющий электрод и сепаратор.
Кроме того, возможна работа аккумулятора при подаче на управляющий электрод переменного напряжения от источника напряжения, который может находиться как вне зоны взаимодействия с электролитом, так и вне корпуса аккумулятора.
Кроме того на управляющий электрод возможна подача переменного напряжение от устройства обратной связи, источник напряжения которого может находиться в корпусе аккумулятора или вне корпуса аккумулятора.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена примерная схема сборки электрохимического аккумулятора.
Пример осуществления заявленного изобретения.
Электрохимический аккумулятор содержит в корпусе электродную сборку, имеющую отрицательный (катод) 1 и положительный (анод) 2 электроды, раствор электролита, управляющий электрод 3, связанный с источником напряжения, сепаратор 4 и устройство обратной связи (не показано), которое предназначено для стабилизации выходных параметров аккумулятора и находится вне зоны взаимодействия с электролитом.
Управляющий электрод 3 находится между отрицательным 1 и положительным 2 электродами и отделен от них сепаратором 4 или диэлектриком (покрыт химически нейтральным изолятором).
Устройство обратной связи соединено при помощи электронной схемы с управляющим электродом 3.
Управляющий электрод 3 выполнен металлическим и проницаемым (с проницаемыми калиброванными отверстиями) для прохождения заряженных частиц. К нему подключаются соответствующие сигналы, необходимые для регулирования выходных параметров аккумулятора.
Кроме того, в момент зарядки/разрядки или циклирования, а также в штатном режиме, применение управляющего электрода 3 позволяет управлять функциональной основой аккумулятора - потоком заряженных частиц, создающих ток заряда или разряда, что не допускает изменения температуры, тока, напряжения, давления и т.п. То есть появляется возможность не прерывать ток, заряда или разряда, а управлять им, и не доводить до критических значений заданные параметры, что сохраняет работу аккумулятора на более длительный срок. Кроме того, управляющий электрод 3 может быть покрыт химически нейтральным изолятором.
Устройство обратной связи может содержать необходимые датчики измерения температуры, давления, силы тока и т.п. и электронное устройство, преобразующее выходные сигналы датчиков в управляющее напряжение и подачи его на управляющий электрод.
Описание работы аккумулятора в динамике.
В электрохимический аккумулятор между отрицательным и положительным электродами устанавливается управляющий металлический, проницаемый (дополнительный) электрод.
Управляющий электрод отделяется от отрицательного и положительного электродов сепаратором (как один из вариантов изготовления аккумулятора).
По окончании сборки аккумулятора, при проведении процесса зарядки, на управляющий электрод подается напряжение и, при помощи устройства обратной связи, будут поддерживаться заданные параметры аккумулятора путем управления потоком заряженных частиц, ускоряя их или замедляя их. Таким образом, появляется возможность регулировать ток заряда/разряда и осуществлять более равномерное осаждение частиц на поверхности электрода.
Управлять подачей входных сигналов во время зарядки/разрядки будет зарядное устройство (как один из вариантов). Принципиально аккумулятор может работать и без устройства обратной связи.
Дополнительный аккумулятор предназначен для обеспечения подачи напряжения на управляющий электрод.
Кроме того в предлагаемом аккумуляторе возможно получить на выходных клеммах переменное напряжение за счет подачи переменного (гармонического или импульсного) напряжения на управляющий электрод от отдельного источника.
Указанное выше удостоверяет, что заявленный аккумулятор обладает повышенным ресурсом, надежностью и длительностью эксплуатации при использовании управляющего электрода с отверстиями для протекания заряженных частиц, дополнительного аккумулятора и устройства обратной связи, т.е. автоматической регулировкой управляющего напряжения.