Литий-ионный аккумулятор

Полезная модель относиться к электротехнической промышленности, а точнее к литий-ионным аккумуляторам, и может быть использована в качестве накопителя энергии, в качестве источника электрической энергии на транспорте, например в электромобилях, в системах энергообеспечения зданий, а также в бытовой электронной технике.
Известен литий-ионный аккумулятор [п.м. RU № 99247, МПК Н01М 10/0525, опубл. 10.11.2010 г.], корпус которого выполнен в виде прямоугольной призмы с плоской внешней поверхностью. При этом корпус выполнен с обеспечением возможности размещения в нем анода, катода, сепаратора, электролита, схемы управления, датчика температуры и соответствующих отверстий для выводов от катода и анода.
Основным недостатком этого аккумулятора является проблема деформации корпуса, которая происходит под воздействием внутреннего давления, обусловленного утолщением электродов в процессе циклирования.
Известен литий-ионный аккумулятор [п.м. RU № 81381, МПК H01M 10/04, опубл. 10.03.2009 г.], включающий призматический корпус, блок электродов, сепараторы и «компенсатор утолщения». «Компенсатор утолщения» позволяет при возрастании давления компенсировать увеличение размера электродного блока.
Недостатки этого аналога заключаются в том, что он не обеспечивает постоянного по величине и равномерного по площади электродов межэлектродного давления, наличие обязательного электрического контакта с электродом и относительно небольшую площадь этого контакта.
Известен аккумулятор с предохранительным клапаном [п.м. RU № 2030819, МПК Н01М 2/12, опубл. 10.03.1995 г.], содержащий эластичный запорный элемент, закрывающий сквозное отверстие в крышке или стенке аккумулятора и имеющий выпускное отверстие, в которое с натягом установлена заглушка.
Известна конструкция герметичного аккумулятора с предохранительным клапаном [п.м. RU № 2082260, МПК Н01М 2/12, опубл. 20.06.1997 г.], содержащая основание, крышку с вентиляционным отверстием и установленный в ней упругий элемент, выполненный со скосами под углом α=10-45°.
Известен герметичный аккумулятор, содержащий клапан, который может быть использован для осуществления сброса давления газообразной среды из литий-ионных аккумуляторов [п.м. RU № 2402838, МПК H01M 2/12, опубл. 27.10.2010 г.]. Клапан состоит из корпуса и крышки, снабженной резьбой и каналами для свободного выхода газа, а также имеет два эластичный уплотнительных элемента, выполненных в виде пластин, соединенных стержнем, и упорный регулятор-прокладку, упирающуюся в крышку.
Принцип работы вышеперечисленных герметичных аккумуляторов с предохранительными клапанами, в том числе и 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. Но они 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.
Наиболее близким к заявляемому объекту является «Литий-ионный аккумулятор и предохранительный клапан для него» [п.м. RU № 130145, МПК Н01М 10/0525, опубл. 10.07.2013 г. (прототип)], содержащий электродный блок, состоящий из катода и анода, размещенных в герметичном корпусе, представляющем 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. Предохранительный клапан содержит корпус с каналом, выполненным в виде цилиндрического патрубка для входа газов, образованных внутри аккумулятора, и перекрывающий канал упругий запорный элемент, выполненный в форме колпачка, установленного сверху на цилиндрический патрубок, и мембранный фильтр. Корпус клапана расположен в отверстии крышки аккумулятора и снабжен наружной резьбой, а между корпусом клапана и крышкой аккумулятора установлена уплотняющая кольцевая прокладка из резины с повышенным содержанием силикона и каучука. Корпус аккумулятора изготовлен из упрочненного огнестойкого стеклопластика и имеет ребра жесткости.
Но данное техническое решение не позволяет обеспечить надежную работу аккумулятора, особенно в условиях экстремальных механических и токовых нагрузок, так как присоединение токовыводов с катода и анода к соответствующим выводным клеммам осуществляется с помощью болтового соединения, резиновая мембрана при экстремальных условиях механически разрушается, что не позволяет использовать данный аккумулятор в последствии. Близко расположенные друг к другу выводные клеммы приводят к локальному перегреву электродов в местах их соединения с выводными клеммами, что снижает ресурс аккумулятора. Толстая стенка корпуса и крышки при низкой теплопроводности материала приводит к перегреву аккумулятора при эксплуатации большими силами тока и при высокой температуре окружающей среды, при этом снижает удельные весовые и объемные характеристики аккумулятора за счет большой массы и объема корпусных изделий.
Общими недостатками вышеперечисленных аналогов являются:
недостаточно полно используемый внутренний объем, что снижает удельные весовые и объемные характеристики аккумулятора;
высокое контактное сопротивление в месте электрического контакта выводной клеммы с электродом;
нестабильность (ненадежность) болтовых соединений токовыводов с выводными клеммами, приводящих к повышению внутреннего сопротивления, чрезмерному его перегреву, снижению надежности и ресурса аккумулятора.
Наряду с вышеперечисленными недостатками аккумуляторов большое влияние на надежность и безопасность их работы имеет рост внутреннего давления в аккумуляторе, ведущий к его вздутию, которое может быть вызвано выделением газов внутри корпуса аккумулятора, когда влагосодержание раствора электролита, находящегося в аккумуляторе, превысит допустимое значение. Повышенная влажность электролита может быть связана с не герметичностью предохранительного клапана, способного пропускать внешнею влагу внутрь аккумулятора при его неправильном закрытии. Взрывоопасность аккумулятора также связана и с выделением тепла внутри корпуса аккумулятора во время его перезарядки.
Более надежным и простым решением является использование в аккумуляторах предохранительного клапана, обеспечивающего сбрасывание внутреннего давления при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности и безопасности работы аккумулятора.
Технический результат достигается тем, что в литий-ионном аккумуляторе, содержащем электродный блок, состоящий из катода и анода, размещенных в герметичном корпусе из упрочненного огнестойкого стеклопластика, представляющем собой прямоугольную призму, в основании которой лежит прямоугольник, при этом стенки, соответствующие большим сторонам основания, и их вертикальные стыки имеют ребра жесткости и крышку, в отверстиях которой установлены предохранительный клапан с упругим запорным элементом, предназначенный для сброса избытка внутреннего давления в аккумуляторе, и присоединенные к катоду и аноду клеммы, предохранительный клапан и клеммы закреплены в крышке с помощью резьбовых соединений, при этом клеммы крепятся к крышке корпуса аккумулятора с помощью накидных гаек, а между клеммами и крышкой установлены уплотняющие кольцевые прокладки, изготовленные из резины с повышенным содержанием силикона и каучука, обеспечивающие герметичность соединения, катодная клемма выполнена из алюминия и/или алюминиевого сплава, при этом обе клеммы имеют никелевое покрытие, новым является то, что соотношение длины, ширины и высоты корпуса аккумулятора равно 5:1:3, клеммы крепятся к крышке с помощью накидных гаек ультразвуковым соединением, и расстояние между ними не менее трех диаметров клеммы, при этом анодная клемма выполнена из меди, а упругий запорный элемент состоит из крышки клапана, прижимной пружины и прорезиненной металлической пластины.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков, состоит в повышении надежности и безопасности аккумулятора за счет:
геометрии и материала корпуса и электродного блока с выводными клеммами, повышающих его прочность и теплоотдачу, что снижает риск перегрева корпуса и делает возможным работу аккумулятора в более широком диапазоне температур от -50 до +70°C;
создания предохранительного клапана, предотвращающего утечку электролита и обеспечивающего возможность сброса газов, образующихся внутри аккумулятора, что снижает коррозию окружающих деталей и вероятность разрушения корпуса аккумулятора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен литий-ионный аккумулятор (схема сборки конструкции корпуса). На фиг. 2 изображен предохранительный клапан литий-ионного аккумулятора в сборе.
Заявляемое устройство состоит из герметичного корпуса 1 (фиг. 1), выполненного в виде прямоугольной призмы, в основании которой лежит прямоугольник и крышки 2, электродного блока, состоящего из катодных и анодных пластин (на чертежах не обозначены). В отверстиях крышки 2 установлены выводы из электродного блока 3, присоединенные к катоду и аноду выводными клеммами 4 и 5 соответственно и отделенные от выводных клемм изолирующей диэлектрической пластиной 6, и предохранительный клапан 7 для сброса избытка внутреннего давления в аккумуляторе.
Корпус 1 аккумулятора изготовлен из упрочненного огнестойкого стеклопластика с соотношением длины, ширины и высоты корпуса аккумулятора, равным 5:1:3. Стенки корпуса выполнены в виде призматической конструкции, стенки, соответствующие большим сторонам основания, и их вертикальные стыки имеют ребра жесткости (на чертеже не обозначены), все это повышает его прочностные свойства и теплосъем с поверхности корпуса, а огнестойкие свойства материала, из которого изготовлен корпус, защищают его от воспламенения.
Клеммы 4 и 5 и предохранительный клапан 7 закреплены в крышке 2 с помощью резьбовых соединений. При этом клеммы крепятся к крышке корпуса аккумулятора с помощью накидных гаек 8 и 9 ультразвуковым соединением (сваркой), а расстояние между клеммами не менее трех диаметров клеммы, что позволяет исключать локальный перегрев электродов в местах их соединения с выводными клеммами. Катодная клемма 4 выполнена из алюминия и/или алюминиевого сплава. Анодная клемма 5 выполнена из меди. Обе клеммы имеют никелевое покрытие, что снижает разогрев клемм, а также препятствует их окислению.
Для исключения коррозии выводных клемм и гаек, а также для защиты от короткого замыкания применяются диэлектрические пластиковые крышки 10. Гайка 8 изготовлена из алюминиево-магниевого сплава, гайка 9 - из меди, они обладают высокой механической прочностью, а также обеспечивают хорошо пригнанное соединение винтовой резьбы. Между клеммами 4 и 5 и крышкой 2 установлены уплотняющие кольцевые прокладки 11, изготовленные из резины с повышенным содержанием силикона и каучука, обеспечивающие герметичность соединения.
На крышке 2 аккумулятора установлены идентификационная метка 12, указывающая на катодную клемму, и идентификационная метка 13, указывающая на анодную клемму. Идентификационные круглые метки используется для обозначения катодной и анодной клемм так, чтоб они не были перепутаны в процессе установки.
Предохранительный клапан 7 литий-ионного аккумулятора содержит корпус 14 с каналом 15 в виде цилиндрического патрубка для входа газов, образованных внутри аккумулятора, и перекрывающий канал упругий запорный элемент, состоящий из крышки клапана 16, прижимной пружины 17 и прорезиненной металлической пластины 18 (фиг. 2). При этом корпусом 14 предохранительного клапана 7 является сама крышка аккумулятора, а отверстие в ней снабжено наружной резьбой для фиксации крышки предохранительного клапана, с помощью которой можно регулировать давление, при котором клапан откроется для сброса внутреннего давления.
Предохранительный клапан 7 контролирует давление и в сочетании с крышкой 2 аккумулятора обеспечивает герметичность. Крышка 16 предохранительного клапана предназначена для защиты от попадания пыли, фиксации прижимной пружины 17, а также в качестве декоративного элемента. Крышка клапана 16 изготовлена из того же материала, что корпус 1 и крышка 2 аккумулятора.
Такая конструкция предохранительного клапана обеспечивает сброс давления при резком повышении давления внутри корпуса аккумулятора, защищая последний от разрушения, и его закрытие после сброса давления.
Предохранительный клапан в естественном состоянии герметично закрывает клапанный канал, предотвращая попадание воздуха извне внутрь. Когда внутреннее давление аккумулятора становиться больше внешнего и достигает определенного значения (давление при открытом клапане 30-40 кПа), газ преодолевает упругость прижимной пружины 17, вызывает поднятие прорезиновой металлической пластины 18 и выпускается через открывающийся зазор. 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. Даже, если давление внутри аккумулятора меньше, чем внешнее давление (т.е. отрицательное давление), предохранительный клапан также заблокирует приток воздуха снаружи. Предохранительный клапана позволяет предотвратить вытекание электролита, а резьбовое соединение позволяет контролировать давление. Ввиду естественной гидрофобности материала, из которого изготовлено покрытие прорезиненной металлической пластины 18, достигается эффект вентиляции и водоизоляции аккумулятора.
Литий-ионный аккумулятор предназначен для работы в различных климатических условиях с температурой окружающей среды от -50 до +70°C и влажностью окружающей среды 96%.