ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК АМПУЛЬНОГО ХИМИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТОКА И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ
ELECTRODE UNIT OF THE ENCAPSULATED CHEMICAL CURRENT SOURCE AND ITS ASSEMBLY METHOD

Изобретение относится к области электротехники, а именно к резервным химическим источникам тока ампульного типа, задействуемым при впуске электролита из ампулы в электродный блок электрохимических элементов (ЭХЭ).
Известен в качестве прототипа химический источник тока ампульного типа (АХИТ) (патент РФ №2507641, МПК H01M 6/10, опубл. 18.07.2012 г.), в котором содержатся в корпусе с крышкой, колпаком и ЭХЭ блок электродный и блок электролитный, по крайней мере с одной ампулой с электролитом на основе тионилхлорида, расчетное количество электродных блоков, при этом все ампулы выполнены в виде сильфонов с подвижными основаниями и установленными на них элементами вскрытия разделительных мембран ампул.
К недостаткам известного электродного блока ЭХЭ относится недостаточно высокие технологические свойства сборки, сравнительно невысокая плотность сборки, что актуально при наличии жестких массогабаритных ограничений при проектировании АХИТ.
Задачей авторов предлагаемого устройства является разработка электродного блока ЭХЭ повышенной безопасности с высоким уровнем разрядных характеристик АХИТ на его основе, характеризующегося высокими монтажными свойствами, и в котором выполнены требования по массогабаритным ограничениям.
Новый технический результат, обеспечиваемый при реализации предлагаемого электродного блока АХИТ, заключается в повышении технологичности и простоты его сборки, в обеспечении требований по массогабаритным ограничениям за счет повышения плотности сборки.
Указанные задача и новый технический результат обеспечены тем, что в известном электродном блоке ампульного химического источника тока, содержащем в едином цилиндрическом корпусе с крышкой расчетное количество последовательно расположенных электрохимических элементов (ЭХЭ), каждый из которых снабжен индивидуальной ампулой сильфонного типа, заполненной электролитом на основе тионилхлорида, элементами механического вскрытия ампул и блоком электродов, согласно изобретению каждый блок электродов ЭХЭ выполнен в виде пакета расчетного количества твердых слоев катодов, закрепленных на едином коллекторе, и анодов, разделенных слоями сепараторов, площадь которых не менее чем на 5% превышает площадь электродов, свернутых в рулон вдоль продольной оси симметрии блока электродов, наружный сепаратор пакета электродов выполнен из микропористого полимерного материала из группы полипропилена, при этом материалы слоев электроизоляции и краевого слоя рулонной сборки характеризуются коэффициентом трения скольжения в диапазоне величин от 0,01 до 0,1, коллектор пакета электродов закреплен на центральном полом стержне, выполняющем функцию центрального положительного токоотводящего элемента ЭХЭ, полость которого является каналом перепуска электролита в торцевую зону электродного блока, который жестко фиксирован по торцам на соответствующих основаниях корпуса на имеющихся на каждом основании диэлектрических элементах, на одном из которых посредством упоров закреплен рулон электродов, а на противоположной от упоров стороне торцевой поверхности рулонов электродов выполнена изолирующая прокладка из фторопласта с отверстиями для впуска электролита в электродный блок.
Известен в качестве прототипа предлагаемого способа сборки электродного блока АХИТ способ сборки АХИТ (патент РФ №2507641, МПК H01M 6/10, опубл. 18.07.2012 г.), в котором изготовление источника тока ведут последовательно путем сборки сначала элементов ЭХЭ, состоящих из рулона слоев катода, анода, сепаратора, являющегося изолятором, затем блока электродов ЭХЭ и АХИТ в целом.
К недостаткам аналога относится недостаточно высокие безопасность при работе, недостаточно высокие технологические свойства сборки, плотность сборки, что актуально при наличии жестких массогабаритных ограничений при проектировании АХИТ.
Задачей авторов предлагаемого способа сборки электродного блока АХИТ является разработка процесса сборки электродного блока АХИТ, характеризующегося повышенными безопасностью, плотностью сборки, технологичностью.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа сборки электродного блока, заключается в улучшении технологичности сборки и простоты, в обеспечении требований по массогабаритным ограничениям за счет повышения плотности сборки.
Указанные задача и новый технический результат обеспечены тем, что в отличие от известного способа сборки электродного блока, включающего сборку пакета последовательно расчетного количества параллельно ориентированных слоев катода, сепаратора, выполненного из пористого материала, анода, выполненного из лития, фиксацию сборки на центральном стержне, формирование рулона слоев, согласно изобретению крепление сборки на центральном стержне осуществляют только посредством коллекторов катодов, каждый из которых выполнен в виде никелевой сетки, на которую нанесен слой углерода, на центральном стержне, согласно изобретению слои анода выполнены в виде литиевой пластины, и слои сепаратора, выполненные из бумаги, фиксируются в сборке только примыкающими к нему слоями катода, который снабжен индивидуальным коллектором, при этом сепаратор краевого слоя анода посредством дополнительно введенной никелевой пластины фиксирован на коллекторе катодного слоя, а формирование рулона электродов и сепараторов, выполненных из материалов, характеризующихся коэффициентом трения скольжения в диапазоне величин от 0,01 до 0,1, производят до полного перекрытия выступающих за границу рулонов слоев сепараторов, имеющих площадь, большую не менее чем на 5% площади электродов, после чего сформированный рулон фиксируют по торцевым основаниям на диэлектрических элементах соответствующих оснований корпуса электродного блока.
Предлагаемые устройство электродного блока и способ его сборки поясняются следующим образом.
На фиг. 1 представлены элементы заявляемого электродного блока, где А - вид сверху, Б-Б - сечение по развертке блока электродов, В - выносной элемент сборки электродов, Г - линия сварки коллектора поз. 3 и стержня поз. 2, Д - места сварки пластины положительного электрода (катода) поз. 8 с коллектором поз. 3.
Последовательность процесса сборки предлагаемого электродного блока заключается в следующем.
Первоначально берут пластины катода, представляющие собой напрессованную с 2-х сторон на никелевую сетку углеродосодержащий материал, и закрепляют их сваркой специальными лепестками из состава катода на едином коллекторе поз. 3, который в свою очередь приваривают лазерной сваркой по линии Г к стержню поз. 2. К торцевой части стержня также приваривается положительный токовывод поз. 4.
Затем в межслойное пространство пластин катодов поз. 8 вводят слои сепараторов поз. 7, выполненных из специальной асбестовой бумаги марки БСА-0,11, при этом наружный сепаратор поз. 5 изготавливают из микропористого полипропилена марки ПОРП-В1-25-40 и закрепляют его к коллектору поз. 3 точечной сваркой с помощью специальной пластины, что обеспечивает механическое крепление наружного сепаратора и исключает его проскальзывание при намотке блока электродов. Для улучшения электроизоляции ширина сепараторов выполнена на ≈2 мм больше с каждой стороны, чем ширина катода и анода. В полученную сборку между сепараторами устанавливают литиевые марки ЛЭ-1 бесколлекторные отрицательные электроды поз. 6 (аноды) толщиной 0,15 мм с напрессованными отрицательными токовыводами поз. 1. После этого полученный пакет скручивают в рулон в соответствии с направлением намотки и полученный блок электродов устанавливают в корпус ЭХЭ с изоляцией торцевых поверхностей диэлектрическими элементами на основе фторопласта марки Ф-4.
Каждый блок электродов ЭХЭ выполнен в виде пакета расчетного количества твердых слоев катодов, закрепленных на едином коллекторе, и анодов, разделенных слоями сепараторов, свернутых в рулон вдоль продольной оси симметрии блока электродов. Наружный сепаратор пакета электродов выполнен из пористого полимерного материала из группы микропористого полипропилена. При этом материалы слоев электроизоляции и краевого слоя рулонной сборки характеризуются коэффициентом трения скольжения в диапазоне величин от 0,01 до 0,1. Коллектор пакета электродов закреплен на центральном полом стержне, выполняющем функцию центрального положительного токоотводящего элемента ЭХЭ, а отверстие в стержне служит каналом перепуска электролита в торцевую зону электродного блока, который жестко фиксирован при установке в корпус по торцам из диэлектрических элементов, на нижний из которых посредством упоров опирается рулон электродов, а с противоположной от упоров стороны торцевая поверхность рулонов электродов изолирована прокладкой из фторопласта с отверстиями для подвода электролита в электродный блок. В предлагаемом способе сборки ЭХЭ сборка блока электродного ЭХЭ согласно изобретению представляет конструкцию «вентиляторного типа», при которой производится намотка расчетного количества параллельно уложенных пластин положительных электродов и такого же количества отрицательных электродов, установленных в сепараторе, выполненном из пористого материала на основе асбестовой бумаги. Пластины положительных электродов объединяются сваркой на общий коллектор, привариваемый к центральному стержню. Каждая пластина положительного электрода состоит из гальванически осажденной никелевой сетки, контакта и катодной массы, нанесенной с двух сторон на сетку. Токосъем от положительных электродов осуществляется через центральный стержень и токоотводящий лепесток, приваренный к торцу центрального стержня. Бесколлекторный отрицательный электрод выполнен в виде литиевой пластины с впрессованным в нее никелевым отрицательным токоотводом с помощью литиевой накладки. В качестве основных сепараторов применяется сепарационная бумага марки БСА. Сепаратор наружного отрицательного электрода с целью механического крепления приварен к коллектору пластин положительных электродов с использованием переходной никелевой пластины с обеспечением электроизоляции между коллектором и отрицательным электродом. После сборки положительного электрода, установки отрицательных электродов и сепараторов производится спиральная намотка всего пакета с использованием центрального стержня с последующей проверкой электрических параметров и геометрических размеров. Изготовленный и проверенный блок электродов устанавливается в корпус. Торцевые поверхности блока электродов при установке в корпусе изолируются с одной стороны фторопластовой шайбой, с другой фторопластовым разрезным упором. Дополнительная электроизоляция производится прокладками из асбестовой сепарационной бумаги.
Экспериментально показано, что именно выбор материалов электродов и сепаратора при формировании рулона электродов и сепараторов, характеризующихся коэффициентом трения скольжения в диапазоне величин от 0,01 до 0,1, производимого до полного перекрытия выступающих за границу рулонов слоев сепараторов, имеющих площадь, большую не менее чем на 5% площади электродов, обеспечивает точность и надежность процесса сборки и последующую работоспособность АХИТ на основе предлагаемого электродного блока.
Таким образом, использование предлагаемого электродного блока и способа его сборки обеспечивает достижение нового технического результата, заключающегося в в повышении технологичности и простоты его сборки, в обеспечении требований по массогабаритным ограничениям за счет повышения плотности сборки.
Возможность промышленной реализации предлагаемого блока электродов подтверждается следующим примером конкретного выполнения.
Пример 1. В лабораторных условиях опробована работоспособность предлагаемого блока электродов ЭХЭ, изображенного на фиг. 1, на примере опытного образца электродного блока.
В качестве материала анода использован литий марки ЛЭ-2, в качестве катода никелевая сетка с напрессованным углеродосодержащим материалом, сепараторы выполнены из бумаги марки БСА. При этом при формировании рулона электродов и сепараторов, выполненных из материалов, характеризующихся коэффициентом трения скольжения в диапазоне величин от 0,01 до 0,1, производимого до полного перекрытия выступающих за границу рулонов, слоев сепараторов, имеющих площадь, большую не менее чем на 5% площади электродов.
Электродный блок АХИТ представляет собой сборку пакета расчетного количества параллельно ориентированных слоев катодов, закрепленных на едином коллекторе, и анодов, разделенных слоями сепараторов, свернутых в рулон вдоль продольной оси симметрии блока электродов, наружный сепаратор пакета электродов выполнен из микропористого полимерного материала, коллектор пакета электродов закреплен на центральном полом стержне, выполняющем функцию центрального положительного токоотводящего элемента ЭХЭ, полость которого является каналом перепуска электролита в торцевую зону электродного блока, который жестко фиксирован по торцам на соответствующих основаниях корпуса на имеющихся на каждом основании диэлектрических элементах, на одном из которых посредством упоров закреплен рулон электродов, а на противоположной от упоров стороне торцевой поверхности рулонов электродов выполнена изолирующая прокладка из фторопласта с отверстиями для впуска электролита в электродный блок.
Экспериментально установлено, что коэффициент трения пары полипропилен-бумага составляет ≈0,1, при этом уменьшается вероятность механического повреждения бумажных сепараторов поз. 7 при намотке блока электродов.
Контрольные испытания показали, что собранный таким образом блок электродов и, соответственно, электрохимический элемент имеют повышенные разрядные характеристики, что основано на улучшении электроизоляции качества, надежности и точности сборки электродов.