ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО И БАТАРЕЯ
ELECTROCHEMICAL DEVICE AND BATTERY

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к электрохимическим источникам тока, например к аккумуляторам и конденсаторам с двойным электрическим слоем.
Электрохимические источники тока находят широкое применение. В частности, на транспортных машинах с электрическими силовыми установками используются батареи таких электрохимических элементов, как литий-ионные аккумуляторы и конденсаторы с двойным электрическим слоем (суперконденсаторы), при этом электрохимические элементы испытывают кратковременные перегрузки, многократно превышающие средний уровень отдаваемой или принимаемой ими электрической мощности. Перегрузки ведут к разогреву электрохимических элементов. Эффективное охлаждение последних является одной из ключевых технических задач.
Известна батарея электрохимических элементов, выводы которых используются для соединения с охлаждающей аппаратурой (US 8 962 172 В2). В этом устройстве перенос тепла из электрохимических элементов осуществляется преимущественно вдоль токоотводов, сделанных, например, из металлической фольги; перенос тепла в направлении, перпендикулярном поверхности токоотводов (от электродов к стенкам элементов) используется неэффективно. Кроме того, теплопроводность ограничена малой площадью контакта между охлаждающей аппаратурой и выводами электрохимических элементов.
Известна батарея электрохимических элементов, имеющих ребристые стенки и размещенных в общем корпусе (RU 2 564 509 С2); термостабилизация осуществляется за счет омывания стенок теплоносителем по образованным стенками каналам. В этом случае перенос тепла из электрохимических элементов осуществляется преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхности токоотводов (от электродов к стенкам). Аналогичный подход используется в устройствах с каналами из трубок, заделанных в пластины (WO 2010/044553; KR 2019 0123 309А; KR 2019 0133 689 А). Каналы для циркуляции теплоносителя увеличивают объем батареи, что снижает ее удельную энергию.
Известна батарея электрохимических элементов, которая содержат охлаждающие пластины с расположенными по периметру пластин трубками для циркуляции теплоносителя (US 10 340 565 В2). Охлаждающие пластины прилегают к поверхности стенок электрохимических элементов - в этом случае перенос тепла из электрохимических элементов осуществляется преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхности токоотводов (от электродов к стенкам); перенос тепла вдоль токоотводов несущественный. Аналогичный подход используется в ряде других устройств (US 10 038 226 В2; US 10 454 083 В2; US 10 514 209 В2; JP 5 621 111 В2; KR 101 326 086 В1).
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является электрохимическое устройство (RU 2 608 762 С1), которое содержит корпусные элементы, электропроводящие пластины, электроизоляционные рамки и сборный пакет электрохимических элементов, каждый из которых выполнен в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов, и имеет анодный и катодный токоотводы с концевыми частями, расположенными на противоположных сторонах электрохимического элемента, причем анодный и катодный токоотводы соединены с электропроводящими пластинами, а электроизоляционные рамки расположены между электропроводящими пластинами и образуют в сборе с ними оболочку вокруг каждого электрохимического элемента. Недостаток данного устройства заключается в отсутствии средств термостабилизации, предназначенных как для его охлаждения (при разогреве от воздействия электрических нагрузок), так и для подогрева (при понижении температуры зимой). Данный недостаток является причиной невысокой удельной мощности SP, измеряемой отношением допускаемой выходной электрической мощности электрохимического устройства к его объему.
Задачей заявляемого изобретения является повышение удельной мощности электрохимического устройства.
Технические результаты, позволяющие решить поставленную задачу:
- обеспечение возможности прокачки теплоносителя через электрохимическое устройство без существенного увеличения его объема;
- обеспечение минимального теплового сопротивления между теплоносителем и электродами электрохимического устройства.
Технические результаты достигаются тем, что в электрохимическом устройстве, содержащем две электропроводящие пластины, расположенные параллельно одна напротив другой на расстоянии Н, электроизоляционную рамку и электрохимический элемент, выполненный в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов, и имеющий анодный и катодный токоотводы с концевыми частями, расположенными на противоположных сторонах электрохимического элемента на расстоянии W, причем анодный токоотвод соединен с одной электропроводящей пластиной, катодный токоотвод соединен с другой электропроводящей пластиной, а электроизоляционная рамка расположена между электропроводящими пластинами и образует в сборе с ними оболочку вокруг электрохимического элемента, согласно изобретению электроизоляционная рамка оснащена каналом для прокачки теплоносителя, причем расстояния Н и W удовлетворяют условию:
7 < W/H < 14.
Электроизоляционная рамка может быть выполнена из металла, покрытого слоем диэлектрика, либо из пластика, обладающего высокой теплопроводностью.
Внутри электрохимического элемента может быть размещен упругий компенсатор изменения толщины электродов. Указанный компенсатор может быть выполнен в виде герметичной оболочки, заполненной газом или пористым материалом. Указанный компенсатор может иметь форму прямоугольной призмы, расположенной так, чтобы электроды и сепараторы в стопке или плоском рулоне были равномерно прижаты друг к другу и к электропроводящим пластинам.
Концевые части анодного и катодного токоотводов могут быть приварены к электропроводящим пластинам непосредственно, либо через переходные шины.
Электрохимические устройства могут быть собраны в пакет, образуя батарею, при этом каждое электрохимическое устройство содержит две электропроводящие пластины, расположенные параллельно одна напротив другой, электроизоляционную рамку и электрохимический элемент, выполненный в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов, и имеющий анодный и катодный токоотводы с концевыми частями, расположенными на противоположных сторонах электрохимического элемента, причем анодный токоотвод соединен с одной электропроводящей пластиной, катодный токоотвод соединен с другой электропроводящей пластиной, а электроизоляционная рамка расположена между электропроводящими пластинами и образует в сборе с ними оболочку вокруг электрохимического элемента; электрохимические устройства соединены в пакете последовательно и прижаты друг к другу внешними поверхностями электропроводящих пластин; согласно изобретению электроизоляционные рамки оснащены каналами для прокачки теплоносителя с отверстиями, в которые вставлены коллекторные отводы, объединяющие указанные каналы в общую сеть со входом и выходом.
Коллекторные отводы могут быть выполнены в виде гребенки.
Коллекторные отводы могут быть Т-образными, причем в их стыках размещены уплотнительные прокладки и заглушки. Предпочтительно размещение прокладок и заглушек в таком порядке, который обеспечивает параллельно-последовательное соединение каналов для прокачки теплоносителя.
Предпочтительно, чтобы концевые части анодного и катодного токоотводов в соседних электрохимических устройствах пакета были расположены зеркально одна относительно другой.
На внешней поверхности электропроводящих пластин напротив мест соединения с токоотводами могут располагаться контактные площадки. Контактные площадки могут представлять собой множество микровыступов, выполненных насечкой.
Электропроводящие пластины могут иметь участки, выступающие за контуры электроизоляционных рамок. Выступающие участки электропроводящих пластин могут использоваться для дополнительных подключений, в частности для подключения схем балансировки напряжения электрохимических элементов в батарее.
Существенные признаки заявляемого решения влияют на достижение технического результата следующим образом:
Выполнение электрохимического элемента в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов и его расположение внутри оболочки из электропроводящих пластин и электроизоляционной рамки обеспечивает эффективный перенос тепла от электродов электрохимического элемента к вышеуказанной оболочке в поперечном направлении - перпендикулярно поверхности токоотводов.
Соединение токоотводов электрохимического элемента с электропроводящими пластинами обеспечивает эффективный перенос тепла от электродов электрохимического элемента к вышеуказанной оболочке в продольном направлении - параллельно поверхности токоотводов.
Выбор расстояний Н и W так, чтобы они удовлетворяли условию:
7 < W/H < 14
позволяет обеспечить минимальное тепловое сопротивление между вышеуказанной оболочкой и электродами электрохимического элемента, так как в этом случае обеспечивается оптимальное соотношение поперечного и продольного тепловых потоков.
Оснащение электроизоляционной рамки каналом для прокачки теплоносителя позволяет не вводить дополнительные сборочные единицы, то есть объем и сложность электрохимического устройства увеличиваются несущественно.
Выполнение электроизоляционной рамки из металла, покрытого слоем диэлектрика, позволяет минимизировать тепловое сопротивление между теплоносителем и вышеуказанной оболочкой.
Размещение внутри электрохимического элемента упругого компенсатора позволяет стабилизировать поперечное тепловое сопротивление при изменении толщины электродов в процессе разряда/заряда электрохимического элемента.
Сборка указанных электрохимических устройств в пакет и установка коллекторных отводов обеспечивают возможность прокачки теплоносителя через батарею электрохимических элементов без существенного увеличения ее объема и сложности.
Остальные признаки заявляемого решения являются поясняющими.
Таким образом, технический результат достигается за счет:
- возможности прокачки теплоносителя без существенных усложнений конструкции;
- минимизации тепловых сопротивлений на всем пути от электродов до теплоносителя;
- оптимального соотношения поперечного и продольного тепловых потоков.
Технический результат обеспечивается признаками, совокупность которых не известна из уровня техники, то есть, заявляемое техническое решение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Пример выполнения заявляемого технического решения представлен на иллюстрациях:
Фиг. 1 - составные части устройства в порядке их сборки; обозначение секущих плоскостей А-А и В-В.
Фиг. 2 - сечение А-А устройств, собранных в пакет.
Фиг. 3 - фрагмент сечения А-А.
Фиг. 4 - изотермы температурного поля.
Фиг. 5 - график, отражающий влияние конструктивных параметров устройства на его удельные энергию и мощность.
Фиг. 6 - сечение В-В электроизоляционной рамки с пристыкованными к ней коллекторными отводами; обозначение секущей плоскости С-С.
Фиг. 7 - разрез С-С устройств, собранных в пакет.
Электрохимическое устройство (фиг.1, фиг.3), содержит две электропроводящие пластины 1, электроизоляционную рамку 2 и электрохимический элемент 3. Электрохимический элемент 3 состоит из электродов 4, 5, сепараторов 6, анодного токоотвода 7 и катодного токоотвода 8. Токоотводы 7, 8 соединены своими концевыми частями с электропроводящими пластинами 1 через переходные шины 9. Электроизоляционная рамка 2 оснащена каналом 10 для прокачки теплоносителя. Канал 10 имеет входное отверстие 11 и выходное отверстие 12. Электроизоляционная рамка 2 выполнена из металла, покрытого слоем диэлектрика 13. Внутри электрохимического элемента размещен упругий компенсатор 14 изменения толщины электродов.
Батарея (фиг.2, фиг.7) выполнена в виде сборного пакета 20 электрохимических устройств. Электрохимические устройства в пакете прижаты друг к другу внешними поверхностями электропроводящих пластин 1.
В отверстия 11, 12 запрессованы коллекторные отводы 21 (фиг.6, фиг.7), которые выполнены Т-образными. В стыках коллекторных отводов 21 размещены уплотнительные прокладки 22 и заглушки 23 - образовавшиеся при этом коллекторы 24 объединяют каналы 10 в общую сеть со входом 25 и выходом 26 (направление движения теплоносителя показано стрелками).
На внешних поверхностях электропроводящих пластин 1 (фиг.1, фиг.2) напротив мест их соединения с переходными шинами 9 расположены контактные площадки 27. Переходные шины 9 в соседних электрохимических устройствах пакета расположены зеркально, что обеспечивает кратчайший путь для протекания тока через контактные площадки 27.
Одна из электропроводящих пластин 1 (фиг.1) имеет выступающий участок 28, который может использоваться для подключения схемы балансировки напряжения электрохимических элементов в батарее.
Каждый электрод 4, 5 (фиг.3) представляет собой слой вещества, нанесенного на поверхность соответствующего токоотвода 7, 8 и пропитанного раствором электролита. Каждый токоотвод 7, 8 выполнен в виде металлической фольги, например алюминиевой или медной - в зависимости от типа электрохимического элемента 3. Слои вещества разделены сепараторами 6. Концевые части токоотводов 7, 8 выступают за границы сепараторов 6.
Для таких электрохимических элементов, как суперконденсаторы или литий-ионные аккумуляторы характерны следующие соотношения параметров:
где Df - толщина фольги, из которой изготовлены токоотводы; Kf - коэффициент теплопроводности фольги; Dg - расстояние между слоями фольги; Kg - коэффициент теплопроводности в промежутках между слоями фольги (усредненный коэффициент теплопроводности вещества электродов и сепараторов, пропитанных электролитом).
Электрохимический элемент 3 изолирован от внешней среды оболочкой, которая образована электроизоляционной рамкой 2 и электропроводящими пластинами 1. Последние являются корпусными деталями, электрическими терминалами и средством теплообмена между электрохимическим элементом 3 и теплоносителем в канале электроизоляционной рамки 2.
Картина теплообмена поясняется с помощью фрагмента сечения электрохимического устройства (фиг.3) и соответствующих изотерм (фиг.4) с характерными пунктами:
- f - пункт внутри канала 10 с температурой, равной температуре теплоносителя;
- е, е' - пункты в электропроводящих пластинах 1 напротив места соединения с переходной шиной 9 (на фрагменте фиг.3 показана только одна переходная шина 9 и соответствующая концевая часть токоотвода 8);
- d, d' - пункты в средней части электрохимического элемента 3 наиболее удаленные от теплоносителя.
Теплообмен между электрохимическим элементом 3 и электропроводящими пластинами 1 идет двумя путями:
1) Продольный путь (вдоль оси х на фиг.4): от электродов 4, 5 по токоотводу 8 к переходной шине 9; затем, через переходную шину 9, - к пункту е.
2) Поперечный путь (вдоль оси у на фиг.4): от электродов 4, 5 к электропроводящим пластинам 1.
Теплообмен между электропроводящими пластинами 1 и теплоносителем идет от пунктов е, е' через слой диэлектрика 13 и электроизоляционную рамку 2 - к пункту f.
Электрохимический элемент 3 в виде стопки или плоского рулона обладает анизотропными свойствами - его теплопроводность в поперечном направлении ниже, чем в продольном, соответствено дистанция между изотермами температурного поля (фиг.4) в направлении у меньше чем в направлении х.
Конструктивные параметры Н, W (фиг.2) выбраны так, что
где Н - расстояние между электропроводящими пластинами 1, W - расстояние между противоположными сторонами электрохимического элемента 3.
С учетом (1), (2), (3), тепло переносится в равной мере как в поперечном, так и в продольном направлениях: в областях, расположенных правее диагоналей d-e, d'-e' (фиг.3) преобладает продольный перенос тепла, а в областях, расположенных левее - поперечный. Это является оптимальным для заявляемого устройства, что поясняется ниже при помощи графиков.
На фиг.5 по осям отложены (в относительных единицах) удельная энергия SE и удельная мощность SP, которые зависят от конструктивных параметров электрохимического устройства: график (сплошная линия) иллюстрирует изменения SE и SP при отклонении от оптимального соотношения (3); штриховыми линиями изображены графики для устройств-аналогов, в которых существенно преобладает единственный тип теплопередачи - поперечный (Ry << Rx), либо продольный (Rx << Ry). Символами Rx, Ry обозначены тепловые сопротивления.
Как видно из графиков, предлагаемое устройство существенно превосходит аналоги при W/H=10, что является оптимальным при соблюдении соотношений (1), (2). Указанные соотношения могут варьироваться в определенных пределах по технологическим причинам - соответственно оптимум также варьируется:
Таким образом, как показано на графиках (фиг.5), по сравнению с аналогами предлагаемое решение позволяет повысить удельную мощность электрохимического устройства и батареи на 20÷30%.