БАТАРЕЯ РУЛОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Изобретение относится к электротехнике, к той ее части, которая касается производства химических источников тока, в частности, стартерных аккумуляторных батарей для тяжелых режимов работы.
Развитие современной и специальной техники создало необходимость увеличения энергоемкости и мгновенной разрядной мощности аккумуляторов. Удачным и перспективным решением этой проблемы стала разработка аккумуляторов рулонного типа с тонкими электродами. У таких аккумуляторов электроды свернуты в спираль, что позволяет сохранять стойкость к вибронагрузкам при существенно меньшей толщине электродов и, естественно, при существенно большей площади их поверхности. Однако, практика эксплуатации таких аккумуляторов на транспортных средствах выявила проблему рационального использования объема отсека энергоблока. Отсек рассчитан на заполнение прямоугольными аккумуляторами. Монтаж аккумуляторов рулонного типа связан с технологией укладки, не способной заполнить активным веществом весь объем. Принципиально важное значение в таких случаях получает величина коэффициента (К) заполнения объема блоком электродов. Он определяется как отношение суммарного объема, занимаемого электродными блоками батареи, к полному объему энергоблока транспортного средства или специальной техники. В настоящее время используется рулонное исполнение, которое сообщает аккумуляторам цилиндрическую форму, вписывающуюся в прямоугольные ячейки
только с заметными объемными потерями. В рабочем объеме появляются зоны, не заполненные активным материалом, которые невозможно использовать. Это центральная и четыре угловых зоны. Угловые зоны являются следствием операции вписывания цилиндра в параллелепипед; центральная зона имеет диаметр, связанный с минимальной допустимой кривизной свертки электродного композита. Как показывают расчеты, максимальное значение коэффициента К лежит в пределах 0,75-0,78. Таким образом, не менее 20% объема энергоблока являются пассивными.
Необходимо увеличить степень заполнения объема корпуса батареи электродными блоками, то есть - приблизить их форму к рациональной, заполняющей отпущенный объем без зазоров (в форме куба, параллелепипеда и т.п.).
Авторам не известны технические решения, в которых бы напрямую решалась задача уменьшения объема пассивных зон.
Техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является свинцовая батарея с рулонными аккумуляторами, разработанная фирмой Optima Batteries Inc. (США). (Wound alls improve battery saveti, durability./ Murray C.J.// Des. News - 1991. - 47, №21. - с.109-110.). Батарея содержит корпус с ячейками, в которых размещены аккумуляторы со спирально намотанными положительными и отрицательными электродами, разделенными сепараторным материалом со связанным электролитом, и соединенные между собой системой коммутации: ушки обеих полярностей каждого блока выведены на торец сборки и соединены полюсными мостиками, которые связаны межелементными соединениями.
Способ изготовления батареи зависит от технологии укладки электродных блоков. Электродные блоки аккумуляторов изготавливают путем спиральной свертки композита, состоящего из электродных пластин и сепараторного материала, готовые электродные блоки подвергают термогидростатированию в камерах дозревания, затем устанавливают блоки в ячейки корпуса с последующей приваркой системы коммутации и подвергают собранную батарею электрохимическому формированию.
Достоинством батареи является заметное увеличение разрядного тока, достигнутое за счет увеличения площади электродов. Этот эффект получен путем уменьшения толщины электродов. Кроме того, такая батарея имеет пониженное газовыделение, повышенную безопасность эксплуатации, стойкость к вибронагрузкам и увеличенный срок службы.
Конструкция описанной батареи имеет серьезный недостаток. Спирально свернутые ленты электродного композита дают рулоны цилиндрической формы. Для их сборки в батарею с общей коммутацией в корпусе предусмотрены цилиндрические ячейки. Естественно, что при такой укладке между ячейками, а также между ячейками и стенками энергоблока образуется большое число пассивных зон. Таким образом, основным недостатком прототипа можно считать нерациональное использование объема, занимаемого батареей.
В основу изобретения положена задача увеличения удельной энергоемкости и мгновенной разрядной мощности аккумуляторной батареи за счет увеличения коэффициента заполнения объема энергоблока рулонными электродными блоками путем изменения формы блоков и уплотнения укладки композита.
Поставленная задача решается тем, что в батарее рулонных аккумуляторов, содержащей корпус с ячейками, в которых размещены аккумуляторы со спирально намотанными положительными и отрицательными электродами, разделенными сепараторным материалом со связанным электролитом, и соединенные между собой системой коммутации, согласно изобретению, электродный блок каждого аккумулятора выполнен в форме параллелепипеда со скругленными вертикальными ребрами, причем радиус скругления электродов и сепараторного материала вблизи этих ребер сохраняется постоянным для всех слоев намотки.
min
Увеличение коэффициента (К) заполнения объема в заявляемом техническом решении достигнуто за счет изменения формы рулона, придания ему рациональной конфигурации, при которой объем пассивных зон сводится к минимуму. В рабочем объеме батареи-прототипа имеется пять пассивных зон: центральная зона цилиндрической формы, связанная с минимальной допустимой кривизной сгиба электродного композита (радиус кривизны r порядка 5 мм) и четыре угловых зоны, возникшие вследствие операции размещения цилиндрического блока в прямоугольную ячейку. Как уже указывалось, коэффициент К в этом случае равен 0,75-0,78, не более. В заявляемой батарее рулонных аккумуляторов, как показывают расчеты, за счет изменения формы электродного блока достигается увеличение коэффициента К до 0,83-0,95, которое зависит от размеров ячейки, величины минимально допустимой кривизны сгиба, толщины композита и количества витков в электродном блоке. Этот результат получен благодаря существенному уменьшению объема четырех угловых пассивных зон, которые теперь заполнены композитом. Фактически, в заявляемом решении мы вплотную приблизились к идеальной форме рулонного электродного блока по критерию
min
величины К, т.е. к параллелепипеду. Наличие такого параметра, как минимальный допустимый радиус округления композита, при котором композит еще сохраняет свои механические и электрохимические свойства, задает форму электродного блока в виде параллелепипеда со скругленными вертикальными ребрами. Важнейшей особенностью электродного блока является то, что для всех слоев намотки радиус округления электродов и сепараторного материала сохраняется постоянным. Скругленные углы создают малые области неплотного прилегания соседних слоев композита, которые тем меньше, чем меньше r и тоньше композит. Однако, благодаря пластичности сепараторного материала со связанным электролитом, который легко расправляется в отсутствие сжатия и заполняет собой пустоты, электрохимический контакт в этих областях не нарушается. Более того, вблизи скругленных углов возникают взаимно противодействующие эффекты, способствующие сохранению общего равновесия в электрохимической системе. С одной стороны, сильное округление до минимально допустимой кривизны сгиба создает в этой области положительного токоотвода некоторый избыток дефектов, ускоряющих его коррозию; с другой стороны, неплотное прилегание электродов приводит к уменьшению средней плотности тока и торможению коррозии.
Оставшаяся центральная пассивная зона аккумулятора может быть использована как канал для циркуляции хладагента или теплоносителя. Системы охлаждения или подогрева являются обязательной частью устройства аккумуляторных батарей, предназначенных для тяжелых режимов работы.
Система коммутации заявляемой батареи имеет такую структуру: ушки обеих полярностей каждого электродного блока выведены на торец сборки и соединены полюсными мостиками, которые связаны межэлементными
соединениями. Возможны два основных варианта конструктивного исполнения заявляемой аккумуляторной батареи: электродные блоки и их ушки расположены вертикально или электродные блоки и их ушки расположены горизонтально. Соответственно, межэлементные соединения системы коммутации расположены в верхней плоскости корпуса батареи или межэлементные соединения расположены в одной из боковых плоскостей батареи.
По имеющимся у авторов сведениям предложенные существенные отличия, которые характеризуют суть изобретения, не известны в данном разделе техники.
Предложенное техническое решение может быть использовано на предприятиях по производству аккумуляторных батарей, в частности - свинцово-кислотных типов, в том числе 24-х, 36-ти и 42-х вольтовых. Особое значение это может иметь в случае производства аккумуляторов с большим разрядным током для тяжелых режимов работы (для запуска двигателей и питания электрооборудования специальных машин, относящихся к группам 1.10-1.11 категории А ГОСТ В 20.39.304).
На рис.1 приведено поперечное сечение электродного блока, размещенного в ячейке корпуса батареи. На рис.2 приведен пример схемы соединения 12-ти рулонных аккумуляторов в батарею с системой коммутации, расположенной в боковой плоскости батареи. На рис.3 приведен пример схемы соединения 12-ти рулонных аккумуляторов в батарею с системой коммутации, расположенной в верхней плоскости батареи.
Рулон 1 уложен на каркас 2, имеющий канал 3 для циркуляции хладагента или теплоносителя, и установлен в ячейку 4 корпуса батареи. Штриховкой помечены малые угловые области 5 неплотного прилегания соседних слоев
min
min
композита. Каркас 2 имеет размеры, определяемые минимальным радиусом округления r композита, а также связанные с габаритами ячейки. Ширина каркаса равна 2r, не менее (порядка 10 мм); высота (не показана) равна высоте ячейки. Длина каркаса (длинная ось) рассчитывается, исходя из условия, что в промежутке между короткой гранью каркаса и соответствующей стенкой ячейки должно поместиться столько же слоев композита, сколько между длинной гранью каркаса и соответствующей стенкой ячейки. В частном случае, когда аккумуляторные ячейки не вытянуты (квадратного сечения), то каркас представляет собой цилиндр с минимально допустимым радиусом кривизны. Аккумуляторы с помощью межелементных соединений б системы коммутации соединены в батарею 7.
Произведем оценку величины коэффициента К заполнения объема блоком электродов. Рассматривая сечение (рис.1) аккумулятора плоскостью, перпендикулярной оси рулона, получим выражение для К:
где S - общая площадь сечения ячейки;
п.з
S- площадь сечения пассивных зон.
Для батареи-прототипа величина К вычисляется достаточно просто. Для этого достаточно принять во внимание следующие равенства:
ц
где S - площадь сечения центральной пассивной зоны;
угл
S - общая площадь сечения четырех угловых пассивных зон;
a, b - длинная и короткая оси (грани) аккумуляторной ячейки.
Подставляя (2) в (1) для батареи-прототипа получим:
min
в зависимости от размеров аккумуляторной ячейки (в данном случае r=5 мм, а=50-130 мм).
Выражение для величины К заявляемой батареи несколько сложнее. Примем во внимание следующие равенства:
ц
где S- площадь сечения центральной пассивной зоны;
м
s - общая площадь сечения малых областей неплотного прилегания, рассчитанная как предполагаемые пустоты между слоями скругленного несжимаемого композита;
N - число витков композита;
d - толщина слоя композита.
min
min
Подставляя (4) в (1) и учитывая, что Nd=b/2-r, а также учитывая, что величины r и d значительно меньше размеров ячейки а и b, для заявляемой батареи получим:
min
в зависимости от размеров аккумуляторной ячейки (в данном случае r=5 мм, d=5 мм, а=130 мм, b=50-130 мм).
min
mах
В предельном случае, при r, d→0 (или а, b→∞), величина К принимает максимальное значение К.
Для батареи-прототипа:
Для заявляемой батареи коэффициент заполнения объема блоком электродов достигает теоретического максимума, т.е. единицы:
Таким образом, геометрические расчеты убедительно демонстрируют полезный эффект увеличения коэффициента К в заявляемой батарее.
Технология изготовления электродного блока патентуемой конструкции состоит из нескольких основных операций. Предварительные операции - это изготовление, намазка и послойная укладка лент композита (две электродных ленты: положительная и отрицательная, и две сепараторных ленты: одна - между электродными лентами, вторая - с другой стороны отрицательной электродной ленты) и изготовление каркаса из кислотостойкого диэлектрика. Затем производят намотку электродного композита (положительной электродной лентой внутрь) на каркас с периодическим изгибом композита для задания постоянного радиуса округления вблизи вертикальных ребер блока, а также механическая формовка полученной сборки путем периодического сдавливания рулона по боковым граням. Сила сжатия подбирается такой, чтобы усадка габаритов рулона шла равномерно и постепенно. Для достижения плотной укладки следует применять сепараторный материал с оптимально подобранным показателем упругости. Тогда он надежно скомпенсирует все деформации. Готовые сборки электродных блоков подвергают термогидростатированию в камерах дозревания для протекания необходимых химических и фазовых превращений, затем производят укладку блоков в ячейки корпуса. Между рулоном и стенками ячейки устанавливается не точечное касание, а плоскостное прилегание почти по всей поверхности. Затем производят приварку системы коммутации и электрохимическое формирование аккумуляторной батареи.
Основным качеством рулонных электродных блоков, которое представляет коренное отличие от пластинчатых блоков, является их непрерывность. Рулон - это практически одна длинная электродная пара (положительная и отрицательная пластины, сложенные в многослойный сэндвич), вибропрочная, без физических границ между областями токосъема, обслуживаемыми последовательной цепочкой регулярно размещенных ушков. Использование цельной сепараторной ленты со связанным электролитом позволяет соблюсти условие непрерывности электролитного слоя, объединяющего в электрохимическом отношении все активные поверхности рулона. Сепараторный материал электродных блоков имеет заданную пористость. В процессе эксплуатации батареи это обеспечивает проход через сепаратор выделяющихся при заряде пузырьков кислорода и их рекомбинацию на отрицательном электроде.
Описанное конструктивное решение дает возможность с удовлетворительной полнотой решить поставленную задачу. Во-первых, сохраняются все преимущества батареи-прототипа: пониженное газовыделение, необслуживаемость, повышенная безопасность эксплуатации, стойкость к вибронагрузкам, увеличенный срок службы. Во-вторых, увеличивается длина электродного композита и доля активной массы, умещаемой в ячейки, т.е. увеличивается коэффициент заполнения ячеек блоком электродов, и в результате - увеличивается удельная энергоемкость аккумуляторной батареи. Преимущество батареи с модифицированными электродными блоками по энергетическому критерию выгодно отличает патентуемое решение от аналогичных.
Лабораторные испытания показали, что аккумуляторы заявляемой конструкции по основным техническим параметрам не уступают известным аккумуляторам рулонного типа, зато превосходят их по удельной энергоемкости.