Химический источник тока с тонкопленочным токосборником

Полезная модель относится к конструкции химического источника тока (ХИТ) с токосборником, изготовленным по тонкопленочной технологии. Авторы решали задачу повышения мощности и пожаро-взрыво-безопасности, снижая тепловыделение в ХИТ за счет уменьшения электрического сопротивления электродных материалов. Поставленная техническая задача решается за счет снижения электрического сопротивления контакта токосборник - химически активный слой и более чем на порядок снижения электрического сопротивления химически активного слоя за счет изготовления электродных материалов по тонкопленочной технологии. Увеличение мощности ХИТ обеспечивает конструкция электродных материалов, которая позволяет развивать рабочую поверхность электродов. В результате уменьшения внутреннего сопротивления ХИТ повышается его пожаробезопасность.
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.
Описанные конструкции ХИТ обладают повышенной взрывоопасностью при перезарядах, связанной с расположением токосборников электродов над рулонным блоком под крышкой или под электродным блоком у дна корпуса. При этом повышается вероятность внутренних коротких замыканий, инициирующих взрыв ХИТ.
Наиболее близким по технической сути является патент №2335828 (Пат. 2335828 (Россия), МПК H01M 6/14, H01M 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 перезаряда 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.
В патентуемом ХИТ предложены решения, снижающие выделение при работе тепловой энергии и опасного нагрева при разряде и перезаряде в течение заданного времени и емкости.
Поставленная цель в ХИТ достигается тем, что литиевый химический источник тока с рулонной электродной сборкой, содержащий цилиндрический металлический корпус, металлическую крышку, гермовывод положительного электрода, проходящий сквозь крышку, и рулонный блок электродов, включающий отрицательный электрод из двух и более ленточных пластин, ленточные сепараторы, положительный электрод из двух и более ленточных пластин, внутренние концы которых электрически соединены с токосборником, выполненным в виде металлической ленты, часть которой свернута в цилиндр и расположена в середине рулона коаксиально его продольной оси, а остальная часть токосборника расположена криволинейно по толщине рулона электродов, а все концы пластин отрицательного электрода находятся на периферии рулона и соединены с крышкой, при этом один конец ленточного токосборника положительного электрода соединен с гермовыводом, а другой с захватом из электроизоляционного материала, удерживающего пластину отрицательного электрода, все концы пластин отрицательного электрода, находящиеся на периферии рулона, электрически соединены с токосборником отрицательного электрода, выполненным из металлической пластины, расположенной на наружной поверхности рулона электродов и соединенной токовыводом с крышкой, отличающийся тем, что электроды выполнены из пористого рулонного материала, в качестве пористого рулонного материала применена ткань типа Бусофит, токосборник выполнен в виде тонкого слоя титана толщиной 6 мкм, нанесенного на пористую матрицу из пористого рулонного материала методом напыления, токовые сборники с целью повышения химической стойкости покрыты нитридом титана толщиной 0,2 мкм.
Литиевый химический источник тока с рулонной электродной сборкой состоит из металлического цилиндрического корпуса 1, в котором расположена рулонная электродная сборка 2, изолированная от дна и крышки 3 прокладками из изоляционного материала 4 (Фиг. 1).
Цилиндрическая часть токовывода 5 положительного электрода, соединенная с гермовыводом 6, проходящим сквозь металлическую крышку 3 и изолированным от нее вплавленной стеклянной шайбой 7. Так же токовыводы 8, расположенные на внешних концах пластин отрицательных электродов, соединены с внутренней поверхностью крышки 3.
Рулонная электродная сборка 2 состоит из свернутых токовывода 5 положительного электрода, сборных электродных пластин положительных электродов 9 и сборных электродных пластин отрицательных электродов 10, обернутых ленточными сепараторами 11 (Фиг. 2).
Сборная электродная пластина положительного электрода 9 (фиг. 3) состоит из углеродной ткани типа Бусофит 12, на которую с одной стороны нанесен токосборник 13 методом напыления. Токосборник 13 представляет из себя слой титана толщиной 6 мкм, который сверху покрывается нитридом титана толщиной 0,2 мкм.
Сборная электродная пластина отрицательного электрода 10 (фиг. 4) состоит из углеродной ткани типа Бусофит 12, на которую с одной стороны наносится токосборник 13 методом напыления. Токосборник 13 так же как и в сборной электродной пластине положительного электрода представляет из себя слой титана толщиной 6 мкм, который сверху покрывается нитридом титана толщиной 0,2 мкм. К концу токосборника отрицательного электрода при помощи серебряной пасты приклеивается токовывод 8. Затем вся заготовка обворачивается ленточным сепаратором 11 для накапливания электролита и предотвращения короткого замыкания между положительными и отрицательными пластинами.
Последняя пластина отрицательного электрода 15 (фиг. 2 и 5) отличается от остальных наличием захвата из изоляционного материала 16, предназначенного для прикрепления к концу токовывода 5 положительного электрода. Токовывод положительного электрода 5 представляет собой ленточную металлическую пластину, выполненную из титановой фольги и покрытой нитридом титана, к одной части которой присоединяют токосборники 13 положительных электродов, расположенные на внутренних, направленных к сердцевине рулона, концах электродных лент, а другая часть остается свободной.
Соотношение размеров указанных частей токосборника зависит от суммарного количества электродных пластин и диаметра свободной от электродов сердцевины рулона (фиг. 2). Между пластинами положительного электрода 9 располагают соответствующее количество пластин отрицательного электрода 10, обернутых лентами сепаратора 11. Токосборники пластин отрицательных электродов 13 располагают на их внешних, периферийных по отношению к рулону концах (фиг. 2). Электроды располагают так, что последней от свободной части токовывод 5 является одна из пластин отрицательного электрода 15, ее конец, обращенный к токовыводу положительного электрода 5, удерживается захватом из изоляционного материала 16, прикрепленным к концу токовывода (фиг. 5).
Внесенные предлагаемые изменения конструкции ХИТ и применение электродных материалов, изготовленных по тонкопленочной технологии, уменьшает сопротивление контактных перехода химически активный слой - токосборник в 10 и более раз. За счет этого снижаются выделение при работе тепловой энергии и вероятность опасного нагрева при разряде и перезаряде в течение заданного времени при заданной емкости. Таким образом рассмотренная конструкция ХИТ имеет более высокую надежность по сравнению с прототипом при одинаковых номинальных значениях емкости и времени работы.
Вышеизложенные сведения позволяют сделать вывод, что предлагаемый химический источник тока с тонкопленочным токосборником обеспечивает по сравнению с прототипом заявленные преимущества.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что:
аналоги, характеризующиеся совокупностями существенных признаков, тождественными всем признакам заявленного ХИТ, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной полезной модели условию патентоспособности "новизна";
предложенный ХИТ является промышленно применимым к существующим техническим средствам и соответствует критерию «изобретательский уровень», так как он явным образом не следуют из существующего уровня техники.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности полезной модели.