ПЕРВИЧНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве батарей из первичных химических источников тока (ИТ), предназначенных для основного и резервного обеспечения электроэнергией систем телемеханики и аварийной сигнализации, автономной аппаратуры внутритрубных диагностических устройств и приборов нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных источников питания других различных электронных устройств и приборов.
Таким образом, в настоящее время литиевые батареи широко применяются для электропитания различных объектов. Выход из строя химических источников тока может привести к отказу дорогостоящих систем и комплексов. Одной из проблем, препятствующей широкому применению литиевых ИТ, является проблема обеспечения взрывобезопасности данных элементов, обладающих большой емкостью и мощностью.
2
Например, при внутренних коротких замыканиях в источниках тока может развиваться давление до 80-120 кгс/см, а температура повышаться свыше 350°С. Это приводит к взрыву ИТ, повреждению соседних ИТ, включая возникновение в них внутренних коротких замыканий, и разрушению (взрыву) батареи в целом.
2
Из уровня техники известны первичные литиевые батареи, в конструкции которых предусмотрена возможность сброса избыточного давления из источников тока, что исключает перегрев и возгорание источника и, как следствие, батареи в целом. При этом предохранительное средство для сброса избыточного внутрикорпусного давления в источнике тока может срабатывать при давлении в ИТ порядка 20-25 кгс/сми температуре ИТ порядка 100-120°С.
Например, известна первичная литиевая батарея (см. патент РФ на полезную модель №48111, МПК: Н01М10/48, опубл. 10.09.2005 г.), содержащая источники тока цилиндрической формы, снабженные контактным выводом на одном из оснований и закрепленные относительно друг друга. Корпус каждого ИТ снабжен предохранительным средством для сброса избыточного давления, при этом пространство внутри корпуса каждого ИТ и пространство, окружающее батарею, сообщаются друг с другом при срабатывании предохранительного средства для сброса избыточного давления через, по крайней мере, одну полость, выполненную в батарее.
Однако за счет наличия данной полости, при сбросе избыточного давления из ИТ давление внутри батарейного отсека сразу будет повышено вследствие прохождения продуктов выброса из ИТ в окружающее батарею пространство. Таким образом, может создаться ситуация, когда негативные продукты выброса, например, химически агрессивный электролит, сразу покинет батарею, и окажет негативное влияние на батарею извне, вызывая, например, нарушение контактов, разрушение снаружи корпуса батареи, что приведет к выходу батареи из строя, а также выходу из строя электронных и электротехнических устройств батарейного отсека в целом. Кроме того, при изготовлении батареи полость, через которую пространство внутри корпуса ИТ при сбросе избыточного давления сообщается с пространством, окружающим батарею, может быть залита компаундом полностью или частично, что приведет к ситуации, при которой предохранительное средство для сброса избыточного давления не сработает (так как линия ослабления прочности корпуса не раскроется), продукты сброса останутся внутри корпуса ИТ, что приведет к его взрыву и разрушению соседних ИТ. Таким образом, батарея также окажется выведенной из строя.
Наиболее близкой к предложенному техническому решению является первичная литиевая батарея (см. патент РФ на полезную модель №60792, МПК: Н01М10/48, опубл. 27.01.2007 г.), содержащая источники тока в количестве, необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости, по крайней мере, один каркас с установочными местами для размещения источников тока с зазором относительно друг друга, при этом каждый из источников тока расположен в соответствующем установочном месте каркаса и закреплен относительно других источников тока, имеет корпус цилиндрической формы и снабжен контактным выводом, расположенным на одном из оснований корпуса и предохранительным клапаном для сброса избыточного давления, расположенным на противоположном основании корпуса. В области размещения клапана для сброса избыточного давления каждого источника тока выполнена цилиндрическая полость для размещения в ней химически активных продуктов выброса из корпуса источника тока при срабатывании клапана, а клапан представляет собой зону ослабления прочности основания корпуса источника тока, разрушающуюся при избыточном давлении внутри источника тока.
Однако известное техническое решение не гарантирует полное раскрытие клапана и исключение касания кромок клапана стенок полости при его раскрытии, что может привести к короткому замыканию источника тока и, как следствие, его взрыву. Кроме того, возможно неустойчивое расположение элементов в посадочных местах каркаса, что также может привести к короткому замыканию между ИТ.
Форма и геометрические параметры полости имеют важное значение для обеспечения безопасности ИТ. Выполнение полости недостаточного объема или неправильной конфигурации может привести к несрабатыванию клапана для сброса избыточного давления. В частности, из-за недостаточной глубины, полость может не обеспечить полное раскрытие клапана (не позволит полностью разрушиться материалу корпуса в зоне ослабления прочности), вследствие чего может не произойти выброс продуктов из корпуса ИТ и, как следствие, не приведет к уменьшению давления и температуры внутри корпуса ИТ, что, в конечном итоге, может привести к взрыву ИТ. Излишнее увеличение глубины полости может привести к необоснованному увеличению габаритных размеров батареи. Кроме того, чтобы давление внутри корпуса ИТ снизилось ниже избыточного, объем полости должен быть достаточным для перераспределения давления из корпуса ИТ в полость. Выполнение полости большого диаметра может привести к неустойчивому расположению ИТ в посадочном месте, что увеличивает вероятность короткого замыкании при соприкосновении ИТ между собой.
Технической проблемой настоящей полезной модели является создание первичной литиевой батареи с повышенной взрывобезопасностью, исключающей возможность возникновения короткого замыкания источников тока и, как следствие, предотвращающей возникновение аварийных ситуаций в процессе эксплуатации батареи.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является повышение взрывобезопасности литиевой батареи.
Технический результат достигается тем, что первичная литиевая батарея содержит источники тока в количестве, необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости; корпус с посадочными местами для размещения источников тока с зазором относительно друг друга, при этом каждый из источников тока имеет корпус цилиндрической формы, одно из оснований которого снабжено контактным выводом, а другое - предохранительным клапаном для сброса избыточного давления, при этом каждый из источников тока закреплен относительно других источников тока в соответствующем посадочном месте корпуса с обеспечением расположения в посадочном месте основания корпуса источника тока с клапаном для сброса избыточного давления; в области размещения клапана для сброса избыточного давления каждого источника тока выполнена полость для размещения в ней химически активных продуктов, высвобождающихся из корпуса источника тока при срабатывании клапана, а клапан представляет собой зону ослабления прочности основания корпуса источника тока, разрушающуюся при избыточном давлении внутри источника тока; полость выполнена цилиндрической формы высотой 1,5-2,5 мм, при этом диаметр полости составляет 24-26 мм, а отношение диаметра полости к диаметру источника тока выполнено равным 3/4, с допустимым отклонением до 5%.
Клапан может быть расположен в центральной области основания источника тока, при этом диаметр зоны ослабления прочности составляет не более 23 мм.
Корпус может быть снабжен перегородкой, а источники тока расположены по разные стороны от перегородки симметрично относительно нее, при этом цилиндрические полости для размещения химически активных продуктов попарно симметричных источников тока расположены соосно соответствующим посадочным местам корпуса данных источников тока.
Батарея может содержать крышку.
Выполнение в области размещения клапана для сброса избыточного давления каждого ИТ полости с оптимальной конфигурацией и геометрическими параметрами исключает касание кромками клапана стенок полости при его раскрытии, при этом сохраняется устойчивость положения ИТ в посадочном месте каркаса батареи (с сохранением ее габаритных размеров и емкости), что снижает вероятность возникновения короткого замыкания и выхода батареи из строя.
В результате проведенных исследований были определены оптимальные размеры полости, обеспечивающие достижение технического результата.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен пример конструктивного выполнения предложенной батареи, продольный разрез; на фиг.2 – фрагмент батареи с одним ИТ; на фиг.3 – фрагмент батареи с двумя ИТ и полостью для возможного размещения химически активных продуктов из корпуса ИТ, на фиг.4, 5 - примеры выполнения зоны ослабления прочности на основании корпуса ИТ (клапана для сброса избыточного давления).
Позициями на чертежах обозначены: 1 - корпус ИТ; 2 - герметичный контактный вывод ИТ; 3 – клапан для сброса избыточного давления (зона ослабления прочности основания ИТ); 4 - посадочное место в корпусе для размещения ИТ; 5 - полость; 6 - корпус батареи; 7 – крышка батареи; 8 – перегородка корпуса батареи; 9 – полимерный материал.
Первичная литиевая батарея содержит первичные литиевые источники тока в количестве, необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости (энергии). Каждый из ИТ включает корпус 1, выполненный цилиндрической формы из нержавеющей стали толщиной 0,3-0,4 мм, заполненный электролитом на основе тионилхлорида. При этом каждый из ИТ снабжен герметичным контактным выводом 2, расположенным на одном из оснований ИТ, и клапаном 3 для сброса избыточного давления, возникающего внутри корпуса 1 ИТ, например, при его коротком замыкании (Фиг.1-3). При этом корпус каждого ИТ закреплен относительно корпусов других ИТ. Батарея снабжена, по крайней мере, одним корпусом 6 с посадочными местами 4 для размещения ИТ с образованием зазоров между боковыми стенками корпусов соседних ИТ и с образованием полостей 5 между основаниями соседних ИТ. Корпус 6 содержит боковую стенку, перегородку 8, закрепленную на боковой стенке с ее внутренней стороны и разделяющей корпус 6 батареи на две части. При этом посадочные места 4 корпуса представляют собой гнезда под ИТ в виде цилиндрических полостей, расположенных с обеих сторон перегородки 8, каждая из которых предназначена для размещения в ней источника тока. Гнезда, расположенные с разных сторон перегородки 8, размещены попарно и соосно друг напротив друга. Корпус 6 может быть выполнен из полимерного материала. Боковая стенка корпуса 6 в поперечном сечении может иметь любую форму (например, форму круга или ромба), продиктованную необходимым количеством и взаимным расположением источников тока, располагаемых внутри корпуса 6 литиевой батареи, а также формой места для размещения заявляемого устройства внутри потребителя электроэнергии.
Клапан 3 для сброса избыточного давления представляет собой зону ослабления прочности корпуса ИТ 1, т.е. область корпуса, в которой уменьшена толщина материала в поперечном сечении по сравнению с общей средней толщиной корпуса ИТ 1 и которая разрушается при избыточном давлении внутри ИТ. При этом зона ослабления прочности выполнена непересекающимися линиями (фиг.5).
В каждом посадочном месте 4 корпуса 6 в области основания ИТ с клапаном 3 для сброса избыточного давления (в области зоны ослабления прочности около каждого ИТ) выполнена полость 5 цилиндрической формы, обеспечивающая размещение в ней химически активных продуктов из корпуса ИТ 1 при срабатывании клапана для сброса избыточного давления. Полость 5 расположена соосно двум смежным отверстиям посадочных мест корпуса 6 батареи, расположенных с разных сторон от перегородки 8 и, при этом, выполнена сообщающейся с ними. Полость 5 имеет высоту 1,5-2,5 мм и диаметр 24-26 мм, при этом диаметр полости и диаметр источника тока соотносятся как 3:4, с допустимым отклонением до 5%. Указанная глубина полости 5 обеспечивает беспрепятственное разрушение (надрыв) материала корпуса ИТ 1 в зоне ослабления прочности, при котором кромочные края материала в области надрыва отклоняются в сторону полости 5, при этом не касаясь ее стенок и не создавая препятствий для выхода химически активных продуктов из корпуса ИТ 1 в полость 5. Уменьшение соотношения диаметра полости 5 и диаметра источника тока приведет к тому, что будет перекрыт клапан. Увеличение данного соотношения приведет к неустойчивому положению ИТ в батареи.
Полость 5 выполнена свободной (например, от токопроводящих элементов батареи, проводов) и изолированной от внутреннего и окружающего батарею внешнего пространства.
Батарея может иметь корпус 6 с крышкой 7, который может быть выполнен из полимерного материала и сформирован способом отливки после закрепления ИТ относительно друг друга в корпусе 6 с посадочными местами 4. Зона внутрисхемных соединений ИТ может быть расположена сверху и снизу корпуса батареи 6 и также залита полимерным материалом 9 (Фиг.1).
В качестве полимерного материала может быть использована либо эпоксидная смола К-153 (ТУ 2225-509-00203521-94), либо термореактивная кремнийорганическая смола, либо термореактивная фенольная смола, либо термореактивная эпоксидная смола, а также другие аналогичные по физико-химическим свойствам полимерные материалы.
Предложенная первичная литиевая батарея может быть изготовлена следующим образом.
Предварительно осуществляют отливку корпуса 6 батареи из полимерного материала, обеспечив при этом в процессе отливки необходимые полости 5 между ИТ для сброса давления.
В готовый корпус 6 вклеивают последовательно: панель, держатель предохранителя и плату. Затем в верхнюю часть корпуса 6 в посадочные места 4 устанавливают первичные литиевые ИТ цилиндрической формы с контактными выводами 2 и клапанами 3. Производят пайку электрических цепей и установку блока защиты. Следующим этапом производят заливку верхней части собранной батареи полимерным материалом 9. После заливки производят ту же последовательность действий с нижней частью батареи. После установки ИТ производят пайку электрических цепей и заливку нижней части батареи полимерным материалом 9. ИТ устанавливают в корпус 6 таким образом, чтобы основания ИТ с клапанами 3 для сброса избыточного давления располагались в посадочных местах 4 корпуса 6, при этом между корпусами ИТ 1 благодаря перегородке 8 корпуса 6 обеспечиваются полости 5. Заливка полимерным материалом 9 обеспечивает герметизацию в верхней и нижней частях батареи, проливаясь на 10÷20 мм от края корпуса 6.
В процессе работы батареи, при возникновении избыточного давления внутри корпуса ИТ 1, происходящего, например, при его коротком замыкании, срабатывает клапан 3 для сброса избыточного давления внутри ИТ, в результате чего корпус ИТ 1 беспрепятственно разрушается в зоне ослабления прочности (разрывается материал в области зоны ослабления прочности) и кромки материала корпуса ИТ 1 открываются наружу в полость 5. За счет оптимально подобранных геометрических параметров, полость 5 способствует беспрепятственному раскрытию клапана 3, исключая при этом его касание стенок самой полости 5, предотвращая тем самым возникновение короткого замыкания. Продукты, выделяющиеся из ИТ (газы и химически активные вещества, например, электролит), попадают в полость 5. В результате давление внутри ИТ и батареи в целом снижается, исключается возможность взрыва корпуса ИТ 1 и механического повреждения соседних ИТ, т.е. разрушения (взрыва) батареи в целом, что приводит к повышению пожаро - и взрывобезопасности батареи.
Выполнение полости 5 свободной, например, от токопроводящих элементов приводит к тому, что токопроводящие элементы батареи не разрушатся под действием химически активных веществ, и протекание тока по батарее может быть продолжено. Кроме того, выполнение полости 5 изолированной от пространства, окружающего батарею, обеспечивает целостность электрических соединений внутри отсека, благодаря задержке химически активных веществ внутри корпуса батареи 6.
Таким образом, предложенная батарея может быть использована в качестве источников энергии, предназначенных для основного и резервного обеспечения электроэнергией различных электронных устройств и приборов. Батарея состоит из первичных химических ИТ, например, литий-тионилхлоридных или литий-сульфурил-хлоридных, и обладает повышенной надежностью.
2
3
Была изготовлена первичная литиевая батарея высотой 122,4 мм, содержащая 42 источника тока высотой 60 мм и диаметром 33,9 мм, расположенных в посадочных местах корпуса в два ряда, по 21 источнику в каждом ряду (в две параллельные цепи, внутри каждой из которых расположено 21 источник тока, соединенных последовательно). При этом в качестве ИТ были применены литиевые источники тока типа SW-D02 (изготовитель VITZROCELL Co., Ltd, Korea) типоразмера D (ER20) с рулонными электродами (спиральный) на основе системы литий-тионилхлорид (Li-SOCl), имеющие металлостеклянный герметичный контактный вывод, невоспламеняемый электролит, номинальное напряжение 3,6 В и номинальную емкость 14 А•ч. В поперечном сечении боковая стенка корпуса имела форму круга. У каждого посадочного места корпуса была выполнена цилиндрическая полость объемом 1227,185 ммпри высоте 2,5 мм и диаметре 25 мм. Были проведены испытания изготовленной батареи, которые показали ее высокую надежность и взрывобезопасность, установлено соответствие батареи ГОСТ Р МЭК 60086-4-2009.