ЛИТИЕВЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА С РУЛОННОЙ ЭЛЕКТРОДНОЙ СБОРКОЙ
LITHIUM CHEMICAL CURRENT SOURCE WITH ROLLED ELECTRODE ASSEMBLY

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении литиевых химических источников тока.
Повышение мощности и пожаровзрывобезопасности является важной задачей совершенствования литиевых химических источников тока. Увеличение мощности ХИТ обеспечивается использованием рулонной электродной сборки, содержащей по одной или более ленточных пластин положительного и отрицательного электродов. Такая конструкция позволяет развивать рабочую поверхность электродов, что дает возможность ХИТ выдерживать большие токи нагрузки. Однако при этом усложняется система электрической коммутации электродных пластин с выводами источника тока. Это приводит к ограничению мощности и пожаровзрывобезопасности литиевых ХИТ.
7
Известны конструкции рулонных литиевых источников тока, электрическое соединение электродных блоков которых с выводами ХИТ осуществляют токовыводы электродных пластин, выходящие из торцов рулона, токосборник, с которым соединяют токовыводы, и гермовывод, проходящий сквозь крышку источника тока. Токовыводы часто выполняют в виде узких металлических полосок, расположенных по концам пластин или по всей их длине через определенные интервалы (Пат. 6376121 (США), МПК H01M 6/10. Spirally wound lithium secondary cell having a plurality of current collector tabs and method of manufacture / Inomata Hideyki, Nakanishi Naoya, Nogami Mitsuzo, Yonezu Ikuo, Nishio Koji; Sanyo Electric Co., Ltd. - №09/485172; Заявл. 28.09.1998; Опубл. 23.04.2002; Приор. 30.09.1997, №9-266171 (Япония); НПК 429/94). В качестве токовыводов используют также и края ленточных пластин, выступающие по торцам рулонного блока (Пат. 4322484 (США), МКИ H01M 6/10, НКИ 429/94. Spiral wound electrochemical cell having high capacity / Sugalski Raymond K.; General Electric Co. - №187743; Заявл. 16.09.80; Опубл. 30.03.82). Токосборники располагают над рулонным блоком электродов под крышкой или под электродным блоком у дна корпуса ХИТ, или токосборником одного из электродов является внутренняя поверхность корпуса или крышки источника тока. Токосборники соединяют с выводами ХИТ, одним из которых может быть корпус или крышка источника тока, а другой гермовывод, проходящий сквозь крышку источника тока, электрически изолированный от нее.
Наиболее близким по технической сути является патент №2335828 (Пат. 2335828 (Россия), МПК Н01М 6/14, Н01М 10/40. Литиевый химический источник тока с рулонной электродной сборкой. - Заявка №2007113240/09, заявл. 09.04.2007; Опубл. 10.10.2008, бюл. №28). Изобретение касается цилиндрических ХИТ со свернутыми в рулон электродами противоположной полярности, содержащими по несколько ленточных электродных пластин, разделенных сепараторами. Токосборник положительного электрода выполнен в виде ленточной металлической пластины, часть которой свернута в цилиндр, электрически соединенный с гермовыводом, и расположена в сердцевине рулона, а остальная часть расположена криволинейно по толщине рулона электродов. По криволинейной части токосборника расположены внутренние концы всех пластин электродной сборки, а внешние концы пластин расположены по периферии рулона. Внутренние концы пластин положительного электрода электрически соединены с токосборником, а все концы пластин отрицательного электрода, расположенные на периферии рулона, токовыводами соединены с крышкой ХИТ. Последняя пластина отрицательного электрода удерживается захватом из изоляционного материала, соединенным с криволинейной частью токосборника положительного электрода, и охватывает рулон по периметру.
Описанная конструкция ХИТ является более взрывобезопасной при переразрядах, чем ХИТ, у которых токосборники электродов расположены над рулонным блоком под крышкой или под электродным блоком у дна корпуса. Это связано с тем, что токосборник положительного электрода, расположенный внутри рулона, уменьшает вероятность внутренних коротких замыканий, инициирующих взрыв ХИТ, и является теплоотводом, уменьшающим перегрев внутренних частей рулона электродов.
Однако описанная конструкция ХИТ с рулонным блоком электродов, состоящим из нескольких ленточных пластин, имеет определенные недостатки, ограничивающие мощность источников тока и способствующие возникновению внутренних возгораний. При больших токах нагрузки в условиях переразряда наблюдается нагрев корпуса ХИТ до 180°С и выше. Как показали вскрытия ХИТ после выключения нагрузки, указанное повышение температуры приводит к обгоранию частей ленточных пластин отрицательного электрода, расположенных на периферии рулона электродов.
Перед авторами стояла задача повышения мощности и предотвращения нагрева, ведущего к внутренним возгораниям литиевых ХИТ с рулонной электродной сборкой, содержащей по несколько пластин одной полярности, при повышенных токах разряда и переразряда.
Поставленная задача решена тем, что в химическом источнике тока рулонного типа, состоящем из корпуса, крышки, выводов противоположной полярности, положительных и отрицательных электродов из двух или более ленточных пластин, ленточных сепараторов и токосборников электродов, токосборник отрицательного электрода выполнен в виде ленточной металлической пластины, расположенной по поверхности периметра рулона электродов. С токосборником электрически соединены все внешние концы пластин отрицательного электрода, а сам токосборник токовыводом соединен с крышкой ХИТ.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг.1 представлен литиевый ХИТ в сборе (разрез);
на фиг.2 показана рулонная электродная сборка (разрез).
Предлагаемый литиевый ХИТ рулонного типа состоит из металлического цилиндрического корпуса 1, в котором расположена рулонная электродная сборка 2, изолированная от дна 3 и крышки 4 прокладками 5 из материала сепаратора. Цилиндрическая часть токосборника 6 положительного электрода соединена с гермовыводом 7, проходящим сквозь металлическую крышку 4 и изолированным от нее вплавленной стеклянной шайбой 8. Токовывод 9 соединяет токосборник 10 отрицательного электрода с крышкой 4.
Рулонная электродная сборка 2 состоит из свернутых токосборника 6 положительного электрода, ленточных пластин 11 положительного электрода, ленточных пластин 12 отрицательного электрода, обернутых ленточными сепараторами 13, и токосборника отрицательного электрода 10.
Токосборник 6 положительного электрода представляет собой ленточную металлическую пластину, к одной части которой присоединяют токовыводы пластин 11 положительного электрода, расположенные на внутренних, направленных к сердцевине рулона, концах электродных лент (в виде флажков, полосок или обнаженных участков коллекторов тока), а другая часть остается свободной. Между пластинами 11 положительного электрода располагают соответствующее количество пластин 12 отрицательного электрода, обернутых лентами сепаратора 13. Внешние концы пластин 12 отрицательного электрода располагаются на периферии рулона и их присоединяют к токосборнику отрицательного электрода 10 токовыводами, изготавливаемыми в виде флажков, полосок или обнаженных участков коллектора тока. Электроды располагают так, что последней от свободной части токосборника 6 является одна из пластин отрицательного электрода. Ее конец, обращенный к токосборнику 6 положительного электрода, прикрепляется к соответствующему концу токосборника пластиной 14 из гибкого изоляционного материала.
Электродную сборку 2 сворачивают в рулон так, что свободная от электродов часть токосборника 6 положительного электрода образует цилиндр, расположенный в сердцевине рулона коаксиально его продольной оси. Остальная часть токосборника располагается криволинейно по толщине рулона. Пластины электродов располагаются по спирали, причем последняя пластина отрицательного электрода, соединенная пластиной 14 из изоляционного материала с внешним концом криволинейной части токосборника 6, охватывает рулон по периметру. Токосборник отрицательного электрода 10 располагается по поверхности рулона электродов 2.
Схемы, представленные на фиг.1 и 2, позволяют отметить достоинства предложенной конструкции литиевого химического источника тока по сравнению с известной.
Предложенная конструкция отличается от известной наличием ленточного токосборника отрицательного электрода, расположенного по поверхности периферии рулона электродов и электрически соединенного с внешними концами всех пластин отрицательного электрода и одним токоотводом с крышкой ХИТ. В известной конструкции каждый из внешних концов пластин отрицательного электрода соединен с крышкой отдельным токовыводом.
Токовыводы, соединяющие токосборник или концы пластин отрицательного электрода с крышкой, проходят во внутреннем пространстве между рулоном и крышкой ХИТ, заполняя его. При большом их количестве, как это характерно для известной конструкции, уменьшается объем заливаемого в ХИТ раствора электролита, что при больших токах разряда ведет к уменьшению емкости и мощности источника тока. К концу разряда и при переразряде токообразующие процессы сосредотачиваются на периферии рулона, что ведет к увеличению тепловыделения на внешних концах пластин отрицательного электрода и токовыводах, соединяющих их с крышкой ХИТ. При высоких токах нагрузки в режиме переразряда достигается температура плавления лития (180°С), что приводит к возгораниям периферийных частей рулона. Большое количество токовыводов, находящихся во внутреннем пространстве над рулоном электродов, повышает вероятность их прямого контакта, или через дендриты лития, с верхними краями пластин положительного электрода, что приводит к искрениям и локальным возгораниям.
В предлагаемой конструкции в пространстве между крышкой и рулоном ХИТ находится только один токовывод, что уменьшает вероятность внутренних коротких замыканий. Металлический ленточный токосборник отрицательного электрода электрически соединяет все внешние концы пластин отрицательного электрода и, вследствие больших размеров, имеет меньшее, чем токовыводы, омическое сопротивление. Это уменьшает тепловыделение на внешних концах пластин отрицательного электрода при разряде и переразряде. Токосборник отрицательного электрода прижат внешней поверхностью рулона к внутренней поверхности корпуса ХИТ, что создает дополнительный токовывод, обладающий более низким омическим сопротивлением, чем токовыводы, соединяющие пластины с крышкой. Это также уменьшает тепловыделение в периферийных частях рулона электродов при разряде и переразряде ХИТ.
Эффективность предлагаемого изобретения подтверждается приведенными ниже примерами.
Примеры. Испытали контрольную партию рулонных литий-тионилхлоридных элементов типоразмера R14, конструкция рулонных электродных сборок которых полностью соответствовала прототипу.
Конструкция контрольных элементов включала цилиндрический металлический корпус, металлическую крышку, гермовывод положительного электрода, проходящий сквозь крышку, и рулонный блок электродов, включающий положительный электрод из шести ленточных пластин, отрицательный электрод из шести ленточных пластин, ленточные сепараторы из бумаги сепараторной (БСА) и токосборник положительного электрода. Токосборник положительного электрода выполнен из никелевой ленты. Пластина положительного электрода представляла собой ленту коллектора тока из гальванопластической никелевой сетки с нанесенной с обеих сторон углеродной массой, содержащей смесь сажи со связующим веществом (фторопластом). Пластина отрицательного электрода представляла собой такой же коллектор тока с накатанными с двух сторон лентами металлического лития.
4
2
Элементы заливали электролитом, представляющим собой раствор тетрахлоралюмината лития (LiAlCl) в тионилхлориде (SOCl). Заливочные отверстия заваривали лазерной сваркой.
Испытали партию экспериментальных элементов типоразмера R14, рулонные электродные сборки которых соответствовали описанию предлагаемого изобретения. Каждый электрод имел по шесть ленточных пластин, токосборник отрицательного электрода был выполнен из никелевой ленты. Толщина и конструкции электродных пластин соответствовали пластинам контрольных элементов, как и остальные детали, включая раствор электролита.
Все элементы перед испытаниями заключали в механически прочную оболочку из эпоксидного компаунда, под которой на корпусе закрепляли термопару. Испытания элементов проводили в автоклаве с регулятором температуры. До испытания в автоклаве устанавливали температуру среды, окружающей элемент, на уровне 50°С. Оболочка и повышенная температура окружающей среды создавали условия, отвечающие условиям эксплуатации элементов в составе батарей.
При испытаниях проводили гальваностатические разряды и переразряды элементов токами 0,5, 1, 2 и 3 А. Разряды и переразряды продолжали не менее времени, соответствующего удвоенной емкости лития, заложенного в ХИТ, или до достижения на элементе напряжения, равного минус 5 В. Определяли напряжение, отданную емкость и температуру корпуса каждого элемента.
При каждом из отмеченных токовых режимов разряжали по 3 элемента из каждой партии. Переразряду подвергали все элементы после их разрядов. Значения токов разряда и переразряда соответствуют режимам эксплуатации высокомощных литий-тионилхлоридных элементов типоразмера R14. Указанное значение напряжения «минус 5В», ограничивающее время переразряда, отвечает природе процессов, протекающих в литий-тионилхлоридных ХИТ.
В табл.1 и 2 приведены результаты испытаний контрольных и экспериментальных элементов. В столбцах таблиц отмечены: ток разряда и переразряда; отданная при разряде до напряжения 0,0 В емкость; максимальное значение напряжения разряда; максимальное значение температуры корпуса элемента, достигнутое при разряде; максимальное значение напряжения переразряда, достигнутое после переполюсовки элемента; максимальное значение температуры корпуса элемента, достигнутое при переразряде; наличие обгара периферии рулона электродов, определяемое при вскрытии элемента после испытания. В последнем столбце табл.2 отмечено наличие у экспериментальных элементов заявляемого эффекта, к которому относятся - более высокое, чем у контрольных элементов, напряжение разряда (мощность), более низкая температура корпуса элемента как при разряде, так и при переразряде; отсутствие у экспериментальных элементов обгара периферийной части рулона электродов.
Сравнение данных, приведенных в таблицах 1 и 2, показывает, что у экспериментальных элементов отмечаются все составляющие заявляемого эффекта. В табл.3 отмечено, насколько, в среднем, напряжение разряда экспериментальных элементов превышает напряжение разряда контрольных элементов, и насколько максимальные значения температуры корпуса экспериментальных элементов, достигнутые при разряде и переразряде различными токами, ниже, чем у контрольных элементов.
Таблица 1
Результаты разрядов и переразрядов контрольных элементов
Ток, А
Разряд
Переразряд
Отданная емкость, А·ч
Максимальное напряжение, В
Максимальная температура корпуса, °С
Максимальное напряжение, В
Максимальная температура корпуса, °С
Обгар периферии рулона
0,5
4,1
3,41
80
минус 1,4
90
Нет
4,3
3,41
73
минус 1,4
87
Нет
4,2
3,42
75
минус 1,4
85
Нет
1,0
3,9
3,35
97
минус 3,9
110
Нет
4,5
3,37
87
минус 2,8
130
Нет
4,2
3,38
90
минус 3,1
118
Нет
2,0
3,9
3,31
100
минус 2,0
149
Да
4,8
3,30
105
минус 1,7
140
Нет
4,4
3,31
103
минус 1,8
145
Нет
3,0
3,7
3,22
140
минус 3,3
>180
Да
4,2
3,21
180
минус 4,2
>180
Да
3,8
3,21
160
минус 4,5
>180
Да
Таблица 2
Результаты разрядов и переразрядов экспериментальных элементов
Ток, А
Разряд
Переразряд
Заявляемый эффект
Отданная емкость, А·ч
Максимальное напряжение, В
Максимальная температура корпуса, °С
Максимальное напряжение, В
Максимальная температура корпуса, °С
Обгар периферии рулона
0,5
4,3
3,50
65
минус 1,0
68
Нет
Есть
4,2
3,45
61
минус 0,8
71
Нет
Есть
4,1
3,43
62
минус 1,1
67
Нет
Есть
1,0
4,1
3,41
71
минус 1,5
72
Нет
Есть
4,3
3,40
73
минус 1,7
75
Нет
Есть
4,2
3,42
72
минус 1,6
73
Нет
Есть
2,0
4,0
3,35
88
минус 1,6
82
Нет
Есть
4,3
3,38
87
минус 1,8
84
Нет
Есть
4,4
3,40
80
минус 1,7
83
Нет
Есть
3,0
3,8
3,31
105
минус 1,8
121
Нет
Есть
4,1
3,32
103
минус 1,5
125
Нет
Есть
3,7
3,31
107
минус 1,7
128
Нет
Есть
Таблица 3
Величина превышения напряжения разряда и понижения температуры корпуса у экспериментальных элементов относительно контрольных элементов
Ток, А
Превышение напряжения разряда, мВ
Величина понижения температуры корпуса при разряде, °С
Величина понижения температуры корпуса при переразряде, °С
0,5
50
13,4
18,7
1,0
50
9,3
46,0
2,0
70
17,6
61,6
3,0
100
55,0
>56,0
Приведенные в табл.1-3 данные показывают, что с увеличением тока разряда и переразряда элементы заявляемой конструкции имеют все большие преимущества в мощности (напряжении) и пожаровзрывобезопасности (температуре нагрева) по сравнению с элементами известной конструкции. Температура нагрева элементов известной конструкции при токе 3 А превысила 180°С, что привело к возникновению внутренних локальных возгораний (табл.1). Температура нагрева элементов заявляемой конструкции при этом же токе не превышала 128°С (табл.2), что для литий-тионилхлоридных элементов является безопасным.
Преимущество по пожаровзрывобезопасности элементов заявляемой конструкции перед элементами известной конструкции при разрядах и переразрядах высокими токами иллюстрируют кривые, приведенные на фиг.3. Представлены зависимости температуры корпуса элемента известной конструкции (кривая 1) и элемента заявляемой конструкции (кривая 2) при разряде и переразряде током 3 А. Видно, что температура корпуса элемента известной конструкции превысила 180°С, что привело к локальным внутренним возгораниям и разрыву внутренней электрической цепи - разрядное устройство отключилось, элемент потерял работоспособность раньше принятого при испытаниях времени разряда и переразряда. Температура корпуса элемента заявляемой конструкции не превысила 128°С. Элемент без опасного нагрева выдержал разряд и переразряд в течение времени, отвечающего удвоенной емкости заложенного в него лития. Это соответствует критерию безопасности, предусмотренному в стандарте «Литиевые батареи» UL1642 (США, 1995 г.).
Приведенные примеры изготовления литиевых химических источников тока с рулонной электродной сборкой в соответствии с признаками, изложенными в формуле изобретения, а также сравнительные испытания изготовленных источников тока подтверждают возможность практической реализации заявленного изобретения с достижением указанного технического результата. На основании изложенного можно сделать заключение о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».
Таким образом, проведенный анализ уровня техники дает нам право утверждать, что заявленная нами совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна, что отвечает критерию «новизна».
Изучение технических решений с целью выявления существенных признаков нашего изобретения, совпадающих с признаком прототипа, показало, что заявленное нами изобретение не следует явно для специалиста в данной области из известного уровня техники. Считаем, что предлагаемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
На основании вышеизложенного считаем, что предлагаемое нами техническое решение может быть признано изобретением и защищено патентом Российской Федерации.