СЛОИСТЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СОБРАННАЯ БАТАРЕЯ, ВКЛЮЧАЮЩАЯ СЛОИСТЫЙ ЭЛЕМЕНТ, И СПОСОБ СБОРКИ СЛОИСТОГО ЭЛЕМЕНТА
LAYERED ELEMENT, ASSEMBLED BATTERY, INCLUDING LAYERED ELEMENT, AND METHOD OF ASSEMBLING LAYERED ELEMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к слоистому элементу. В частности, настоящее изобретение относится к слоистому элементу с улучшенными характеристиками охлаждения, к собранной батарее, включающей слоистый элемент, и к способу сборки слоистого элемента.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Конструкции электродов вторичного элемента (т.е. вторичного химического источника тока или аккумулятора) обычно разделяют на два типа, т.e. типа спиральной намотки и слоистого типа. В элементе, имеющем конструкцию электродов типа спиральной намотки (спирально-намотанный элемент; относится, например, к патентному документу 1), положительный электрод и отрицательный электрод, спирально намотанные с проложенным между ними сепаратором, помещены в кожух элемента. В элементе, имеющем слоистый тип конструкции электродов (слоистом элементе), группа электродов, включающая положительный электрод и отрицательный электрод, которые поочередно уложены стопкой с проложенным между ними сепаратором, помещены в кожух элемента. В патентном документе 2 раскрыт элемент цилиндрического типа, в котором дискообразные электроды уложены стопкой. В патентном документе 3 раскрыт элемент прямоугольного типа, в котором стопкой уложены электроды в форме прямоугольного листа.
ПЕРЕЧЕНЬ ЦИТАТ
[0003] ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Патентный документ 1: JP 2002-198044 A
Патентный документ 2: JP 2000-48854 A
Патентный документ 3: WO 2008/099609 A
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКСАЯ ЗАДАЧА
[0004] Что касается спирально-намотанного элемента, то между поверхностью и центром элемента в многослойном виде предусмотрен сепаратор с низкой теплопроводностью. В результате этого, даже когда температура поверхности кожуха элемента близка к комнатной температуре, температура части около центра спирально-намотанного элемента становится достаточно высокой.
[0005] Слоистый элемент цилиндрического типа, раскрытый в патентном документе 2, обладает конструкцией, позволяющей накапливать электричество таким образом, чтобы уложенные стопкой электроды входили в контакт с соответствующими выводами. Следовательно, в ходе сборки слоистого элемента цилиндрического типа возникает вероятность отказов в начальный период эксплуатации, вызванных коротким замыканием между положительным электродом и отрицательным электродом. Кроме того, при повторении зарядки и разрядки электрод многократно сжимается и расширяется. В результате этого возникает вероятность постоянных сбоев, вызванных деформацией и смещением электрода и коротким замыканием между положительным электродом и отрицательным электродом.
[0006] Настоящее изобретение было разработано для решения описанных выше проблем, и его задачей является сдерживание роста температуры внутри элемента и предотвращение короткого замыкания между электродами.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
[0007] Для решения описанной выше задачи слоистый элемент согласно настоящему изобретению включает в себя: трубчатый внешний кожух; положительный электрод; отрицательный электрод; сепаратор, расположенный между положительным электродом и отрицательным электродом; и электропроводящий токоотвод, проходящий через положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор в осевом направлении внешнего кожуха. При этом положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор уложены стопкой в осевом направлении внешнего кожуха. Первый электрод, который представляет собой один из положительного и отрицательного электродов, входит в контакт с внутренней поверхностью внешнего кожуха с тем, чтобы быть электрически соединенным с внутренней поверхностью внешнего кожуха, но не находится в контакте с токоотводом. Второй электрод, который является другим из положительного и отрицательного электродов, не находится в контакте с внутренней поверхностью внешнего кожуха, но входит в контакт с токоотводом с тем, чтобы быть электрически соединенным с токоотводом. Внешняя кромка второго электрода накрыта сепаратором. Периферийная кромка отверстия, через которую проходит токоотвод, в первом электроде накрыта сепаратором.
[0008] Согласно этой конфигурации, внешний кожух выполнен из металла и служит в качестве токоотводящего вывода первого электрода. Внешний размер первого электрода является чуть большим, чем внутренний размер трубчатого внешнего кожуха, так что вся внешняя периферия первого электрода или часть его внешней периферии находится в контакте с внутренней поверхностью внешнего кожуха. Когда первый электрод помещают во внешний кожух под давлением, первый электрод плотно входит в контакт с внешним кожухом. Таким образом, первый электрод соединен с внешним кожухом с малым термическим сопротивлением. Поэтому эта конфигурация эффективно действует на охлаждение первого электрода.
[0009] При этом внешний размер электрода относится к размеру от графического центра до внешней периферии листообразного электрода. В случае дискообразного электрода внешний размер называется внешним диаметром. Аналогично, внутренний размер внешнего кожуха относится к размеру между графическим центром на вертикальном сечении трубчатого внешнего кожуха в осевом направлении и внутренней поверхностью внешнего кожуха. В случае цилиндрического внешнего кожуха внутренний размер называется внутренним диаметром.
[0010] Внешний размер второго электрода является меньшим, чем внутренний размер трубчатого внешнего кожуха, так что второй электрод не входит в контакт с внешним кожухом. Следовательно, второй электрод изолирован от внешнего кожуха.
[0011] Тепло, выделяющееся из первого электрода, передается непосредственно внешнему кожуху. Тепло, выделяющееся из второго электрода, передается первому электроду через сепаратор.
[0012] Общий коэффициент теплопередачи (U1) спирально-намотанного элемента представлен математической формулой 1, которая будет описана ниже. С другой стороны, общий коэффициент теплопередачи (U2) слоистого элемента согласно настоящему изобретению представлен математической формулой 2. Из сопоставления между двумя коэффициентами следует, что между ними существует большая разница с точки зрения члена числа витков n. В спирально-намотанном элементе с ростом числа витков n общий коэффициент теплопередачи становится меньше. Подробное описание с использованием подстановки конкретных численных значений будет приведено в нижеследующих вариантах воплощения.
[0013] В слоистом элементе согласно настоящему изобретению, как описано выше, нет необходимости в трубопроводе или теплоотводе для подачи охладителя в элемент для ограничения температуры внутри элемента. Следовательно, конструкция слоистого элемента согласно настоящему изобретению является компактной. Более того, в слоистом элементе согласно настоящему изобретению можно легко сдерживать рост температуры внутри элемента за счет охлаждения поверхности внешнего кожуха.
[0014] Каждый из положительного электрода, отрицательного электрода и сепаратора имеет сформированное в его центре отверстие для обеспечения возможности прохождения через него токоотвода. Через эти отверстия проходит стержневой токоотвод. Диаметр отверстия первого электрода больше, чем внешний размер стержневого токоотвода. Поэтому первый электрод не входит в контакт с токоотводом. Диаметр отверстия второго электрода меньше, чем внешний размер стержневого токоотвода. Поэтому второй электрод входит в контакт с токоотводом и электрически соединяется с токоотводом. Токоотвод выполнен из металла и служит в качестве токоотводящего вывода второго электрода. Более того, токоотвод предпочтительно представляет собой круглый стержень, но он может быть прямоугольным стержнем.
[0015] Кроме того, что касается слоистого элемента согласно настоящему изобретению, в состоянии, при котором электроды и сепаратор уложены стопкой, внешняя кромка второго электрода накрыта сепаратором, и периферийная кромка отверстия, через которое проходит токоотвод, в первом электроде накрыта сепаратором. Поэтому первый электрод и второй электрод с надежностью отделены друг от друга сепаратором у внешней кромки второго электрода и периферийной кромки отверстия в первом электроде. Следовательно, электроды не входят в контакт друг с другом на внешней кромке одного из электродов и на периферийной кромке отверстия в другом электроде из-за деформации электродов. В случае дискообразного электрода внешний диаметр сепаратора больше, чем внешний диаметр второго электрода. Более того, в случае, когда токоотвод представляет собой круглый стержень, диаметр отверстия сепаратора меньше, чем диаметр отверстия первого электрода.
[0016] В слоистом элементе согласно настоящему изобретению первый электрод окружен мешковидным первым сепаратором в состоянии, при котором внешняя кромка первого электрода выступает наружу из первого сепаратора, а второй электрод окружен мешковидным вторым сепаратором в состоянии, при котором периферийная кромка отверстия, через которое проходит токоотвод, во втором электроде выступает наружу из второго сепаратора. Согласно этой конфигурации, поскольку сепараторы имеют мешковидную форму, сепараторы предотвращают возникновение короткого замыканиями между электродами вследствие пыли или инородных веществ, происходящих из электродов.
[0017] В слоистом элементе согласно настоящему изобретению токоотвод имеет боковую поверхность, на которой сформирован паз, причем диаметр самой узкой части токоотвода является большим, чем диаметр отверстия, через которое проходит токоотвод, во втором электроде, а диаметр самой толстой части токоотвода является меньшим, чем диаметр отверстия, через которое проходит токоотвод, в первом электроде.
[0018] Существует вероятность того, что во время сборки электродов связь между токоотводом и электродом ослабевает и затрудняется тесный контакт между токоотводом и электродом. Для решения этой проблемы слоистый элемент согласно настоящему изобретению включает в себя токоотвод, на котором сформирована винтовая канавка. Согласно этой конфигурации становится возможным сохранять состояние, при котором второй электрод плотно вставляется в токоотвод по винтовой канавке, образованной на токоотводе. Эта конфигурация предотвращает ослабевание связи между электродом и токоотводом во время работ по сборке слоистого элемента.
[0019] В слоистом элементе согласно настоящему изобретению отрицательный электрод содержит сплав-аккумулятор водорода. Кроме того, в слоистом элементе согласно настоящему изобретению каждый из положительного и отрицательного электродов представляет собой электрод, который заряжается и разряжается, а также представляет собой электрод, который обеспечивает электролиз удерживаемого в слоистом элементе электролита подаваемым снаружи электрическим током. Согласно этой конфигурации каждый из положительного и отрицательного электродов играет роль электрода, который заряжается и разряжается во вторичном элементе (т.е. во вторичном химическом источнике тока или аккумуляторе), и роль электрода, который генерирует газообразный водород.
[0020] В слоистом элементе согласно настоящему изобретению, предпочтительно, зарядная емкость отрицательного электрода меньше, чем зарядная емкость положительного электрода. Такой слоистый элемент представляет собой так называемый лимитируемый отрицательным электродом элемент. Здесь эти зарядные емкости в некоторых случаях просто называются соответственно емкостью положительного электрода и емкостью отрицательного электрода.
[0021] Слоистый элемент согласно настоящему изобретению дополнительно включает в себя камеру аккумулирования водорода, расположенную внутри внешнего кожуха, для хранения газообразного водорода, выделившегося из отрицательного электрода. Здесь камера аккумулирования водорода может представлять собой независимое пространство. Более того, камера аккумулирования водорода не является независимым пространством, но может быть образована на просвете в электроде и на просвете в сепараторе.
[0022] В лимитируемом отрицательным электродом слоистом элементе по мере протекания заряда отрицательный электрод полностью заряжается перед тем, как полностью заряжается положительный электрод. При перезарядке, при которой зарядка продолжается от полностью заряженного состояния, на отрицательном электроде генерируется газообразный водород (см. формулу реакции (1)).
+
-
2
H+e → 1/2H (1)
[0023] Газообразный водород, выделившийся из отрицательного электрода, аккумулируется в сплаве-аккумуляторе водорода отрицательного электрода, служа в качестве источника энергии во время разряда. В случае положительного электрода из оксигидроксида никеля, формула реакции во время разряда представляет собой формулу реакции (2).
2
+
-
Отрицательный электрод: 1/2H → H+e
-
+
2
Положительный электрод: NiOOH+e+H → Ni(OH) (2)
2
2
Итого NiOOH+1/2H → Ni(OH)
[0024] Поскольку сплав-аккумулятор водорода является дорогостоящим, отрицательный электрод существенно влияет на цену элемента. В обычном лимитируемом положительным электродом вторичном элементе количество материалов для отрицательного электрода бывает в 1,5-2 раза больше, чем для положительного электрода. Однако, слоистый элемент согласно настоящему изобретению позволяет снизить количество дорогостоящих материалов для отрицательного электрода. Поэтому возможно получение недорогого слоистого элемента.
[0025] В слоистом элементе согласно настоящему изобретению отрицательный электрод заряжается таким образом, что содержащийся в отрицательном электроде сплав-аккумулятор водорода аккумулирует газообразный водород, накопленный в камере аккумулирования водорода. Согласно этой конфигурации отрицательный электрод заряжается газообразным водородом, генерируемым при перезарядке. Следовательно, газообразный водород эффективно утилизируется. Сплав-аккумулятор водорода, содержащийся в отрицательном электроде, действует как так называемый катализатор.
3
4
[0026] В слоистом элементе согласно настоящему изобретению, предпочтительно, положительный электрод содержит диоксид марганца. До сих пор положительный электрод на основе диоксида марганца использовался для первичного элемента (т.е. первичного химического источника тока), известного как элемент на основе диоксида марганца и цинка, но не использовался для вторичного элемента. Причина этого состоит в следующем. А именно, когда положительный электрод на основе диоксида марганца разряжается до получения гидроксида марганца, образуется тетраоксид тримарганца MnO, который не способен заряжаться снова. Однако, авторы настоящего изобретения обнаружили, что необратимый тетраоксид тримарганца не образуется при контактировании положительного электрода с кислородом. Авторы настоящего изобретения успешно применили диоксид марганца в качестве материала для положительного электрода вторичного элемента путем подачи кислорода к окружной периферии положительного электрода.
[0027] В слоистом элементе согласно настоящему изобретению внешний кожух имеет боковую часть, образованную в цилиндрической форме. Более того, внешний кожух имеет выпуклые части, которые имеют форму купола, на его двух осевых концах, и камера аккумулирования водорода предусмотрена в каждой из выпуклых частей.
[0028] При продолжении заряда после того, как отрицательный электрод полностью заряжен, из отрицательного электрода выделяется газообразный водород. Образовавшийся газообразный водород, накопленный в камере аккумулирования водорода, аккумулируется в отрицательном электроде во время разряда и эффективно утилизируется. Таким образом, становится возможным снизить количество дорогостоящих материалов для отрицательного электрода. Поэтому возможно изготавливать недорогой слоистый элемент. Конструкция, в которой каждый из двух концов цилиндра может выступать в форме купола, пригодна для хранения газообразного водорода высокого давления.
[0029] Собранная батарея включает в себя множество слоистых элементов согласно настоящему изобретению, и эти слоистые элементы соединены друг с другом через столбчатый металлический фитинг. При этом в каждом из слоистых элементов внешний кожух имеет цилиндрическую корпусную часть, изготовленную из металла, и крышечные части для закрывания проемов, образованных на двух осевых концах корпусной части, и токоотвод проходит через крышечные части. Металлический фитинг имеет верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, каждая из которых имеет сформированную на ней соединительную полость. Конец токоотвода в одном из слоистых элементов вставляется в соединительную полость, образованную на верхней поверхности металлического фитинга. Конец токоотвода в другом слоистом элементе, примыкающем к упомянутому слоистому элементу, вставляется в соединительную полость, образованную на нижней поверхности металлического фитинга, с изолятором, вставленным между концом и соединительной полостью. Нижняя поверхность металлического фитинга электрически соединена с внешним кожухом в другом слоистом элементе.
[0030] Нижняя поверхность и верхняя поверхность металлического фитинга способны входить в поверхностный контакт с крышечными частями примыкающих слоистых элементов. Изолятор проложен между полостью, образованной на нижней поверхности металлического фитинга, и токоотводом. Поэтому в двух примыкающих друг к другу слоистых элементах токоотводы изолированы друг от друга. Токоотвод в одном из слоистых элементов и внешний кожух в соседнем слоистом элементе соединены друг с другом через металлический фитинг. В результате соседние слоистые элементы соединены последовательно через металлический фитинг.
[0031] Собранная батарея включает в себя множество слоистых элементов согласно настоящему изобретению. При этом внешний кожух в каждом из слоистых элементов имеет закрытый с одного конца контейнер, имеющий прямоугольное сечение, и крышку для закрывания проема контейнера. Слоистые элементы соединены друг с другом таким образом, что контейнер в одном из слоистых элементов и крышка в другом из слоистых элементов, примыкающем к данному слоистому элементу, находятся в поверхностном контакте друг с другом.
[0032] Согласно этой конфигурации крышка в одном слоистом элементе и дно контейнера в соседнем слоистом элементе входят в контакт друг с другом, так что два слоистых элемента уложены стопкой и электрически соединены последовательно. Становится возможным повысить напряжение на выходе из собранной батареи за счет соединения большого числа слоистых элементов, как описано выше.
[0033] Способ сборки слоистого элемента согласно настоящему изобретению включает в себя: первый этап предварительного приготовления токоотвода, имеющего боковую поверхность, на которой сформирована винтовая канавка, и круглого стержня, имеющего такой же внешний диаметр, что и диаметр основания профиля винтовой канавки на токоотводе; второй этап сборки группа электродов таким образом, чтобы последовательно насаживать положительный электрод и отрицательный электрод на круглый стержень с сепаратором, проложенным между положительным электродом и отрицательным электродом, и укладывать электроды стопкой; третий этап, осуществляемый вслед за вторым этапом, размещения прижимных колодок на двух концах группы электродов для удержания группы электродов и приложения давления к прижимным колодкам для сжатия группы электродов; четвертый этап вытаскивания круглого стержня при сохранении сжатого состояния; пятый этап вталкивания токоотвода вместо круглого стержня в группу электродов при вращении токоотвода и затем ввинчивания токоотвода в винтовое отверстие, образованное в центре прижимной колодки, для сборки электродного узла при сохранении сжатого состояния группы электродов; шестой этап помещения электродного узла во внешний кожух под давлением; седьмой этап вакуумирования внешнего кожуха; восьмой этап впрыскивания электролита во внешний кожух; и девятый этап, осуществляемый вслед за восьмым этапом, прикрепления крышки к внешнему кожуху для герметизации внешнего кожуха.
ВЫГОДНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0034] Согласно настоящему изобретению рост температуры внутри элемента сдерживается без необходимости в излишнем пространстве для охлаждения. Кроме того, слоистый элемент согласно настоящему изобретению позволяет предотвращать короткое замыкание между электродами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0035] Фиг. 1 представляет собой рисунок, иллюстрирующий схематическую конфигурацию слоистого элемента цилиндрического типа согласно первому варианту воплощения, который, в частности, иллюстрирует осевой разрез.
Фиг. 2A представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий первый электрод и второй электрод, каждый из которых окружен мешковидным сепаратором.
Фиг. 2B представляет собой вид сверху, иллюстрирующий первый электрод, окруженный мешковидным сепаратором.
Фиг. 2C представляет собой вид сверху, иллюстрирующий второй электрод, окруженный мешковидным сепаратором.
Фиг. 3 представляет собой рисунок, иллюстрирующий схематическую конфигурацию слоистого элемента трубчатого типа согласно второму варианту воплощения.
Фиг. 4A представляет собой рисунок, иллюстрирующий схематическую конфигурацию в состоянии, при котором металлический фитинг прикреплен к слоистому элементу трубчатого типа.
Фиг. 4B представляет собой рисунок, иллюстрирующий конфигурацию в случае, когда собранная батарея выполнена со слоистым элементом трубчатого типа.
Фиг. 5представляет собой рисунок, иллюстрирующий схематическую конфигурацию слоистого элемента капсульного типа согласно третьему варианту воплощения.
Фиг. 6A представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий в осевом направлении слоистый элемент прямоугольного типа согласно четвертому варианту воплощения.
Фиг. 6B представляет собой вид сверху, иллюстрирующий слоистый элемент прямоугольного типа согласно четвертому варианту воплощения.
Фиг. 7 представляет собой рисунок, иллюстрирующий конфигурацию в случае, когда собранная батарея выполнена со слоистым элементом прямоугольного типа согласно четвертому варианту воплощения.
Фиг. 8 представляет собой вид в разрезе, схематически иллюстрирующий в осевом направлении слоистый элемент цилиндрического типа согласно пятому варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг. 9 представляет собой вид в разрезе, схематически иллюстрирующий винтовую конструкцию токоотвода.
Фиг. 10 представляет собой рисунок, иллюстрирующий вариант воплощения, в котором токоотвод имеет конструкцию, отличную от винтовой конструкции.
Фиг. 11 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий в осевом направлении способ сборки слоистого элемента.
Фиг. 12 представляет собой график, показывающий результаты испытания по росту температуры на слоистом элементе.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
[0036] Далее со ссылкой на чертежи будет приведено описание вариантов воплощения настоящего изобретения; однако настоящее изобретение не должно рассматриваться как ограниченное этими вариантами воплощения.
[0037] Перед описанием соответствующих вариантов воплощения настоящего изобретения сначала будет приведено описание примера вторичного элемента (т.е. вторичного химического источника тока или аккумулятора), к которому применимо настоящее изобретение. Вторичный элемент не ограничен типами, описываемыми в соответствующих вариантах воплощения, и может представлять собой такие вторичные элементы, как никель-железный элемент, цинк-марганцевый элемент и никель-кадмиевый элемент.
<Никель-металлогидридный элемент>
[0038] Отрицательный электрод содержит в качестве основного материала сплав-аккумулятор водорода, например, сплав лантан-никель. В качестве активного материала положительного электрода была использован оксигидроксид никеля. В качестве электролита, удерживаемого в сепараторе, был использован щелочной водный раствор, такой как водный раствор KOH, который обычно используется в никель-металлогидридный элементе.
[0039] Используемый в нем отрицательный электрод получают следующим образом. А именно, пасту, полученную путем добавления растворителя к сплаву-аккумулятору водорода, электропроводящему наполнителю и связующему, нанесли на подложку так, чтобы придать листовую форму, а затем отверждали. Аналогично, используемый в нем положительный электрод получают следующим образом. А именно, пасту, полученную путем добавления растворителя к активному материалу положительного электрода, электропроводящему наполнителю и связующему, нанесли на подложку так, чтобы придать листовую форму, а затем отверждали.
[0040] Используемый здесь электропроводящий наполнитель представлял собой углеродные частицы. Используемое здесь связующее представляло собой термопластическую смолу, которая растворяется в водорастворимом растворителе. Используемая здесь подложка представляла собой вспениваемый никелевый лист. Используемый здесь сепаратор представлял собой полипропиленовое волокно.
<Элемент на основе диоксида марганца>
[0041] Отрицательный электрод содержит сплав-аккумулятор водорода. Положительный электрод содержит диоксид марганца в качестве активного материала. Используемые здесь положительный электрод и отрицательный электрод были получены следующим образом. А именно, пасту, полученную путем добавления растворителя к активному материалу, электропроводящему наполнителю и связующему, нанесли на никелевую подложку так, чтобы придать листовую форму, а затем отверждали. Используемые здесь электропроводящий наполнитель, связующее, сепаратор и электролит были теми же, что и в никель-металлогидридном элементе.
2
2
3
4
[0042] В положительном электроде элемента на основе диоксида марганца диоксид марганца MnO в ходе разряда преобразуется в оксигидроксид марганца MnOOH, а затем - в гидроксид марганца Mn(OH). Когда положительный электрод разряжается до гидроксида марганца, образуется тетраоксид тримарганца MnO, который не способен заряжаться снова. Однако, даже когда диоксид марганца подвергается окислению при разряде, контакт с кислородом позволяет оксигидроксиду марганца превращаться вновь в диоксид марганца. Таким образом, диоксид марганца не изменяется до гидроксида марганца, вследствие чего необратимый тетраоксид тримарганца не образуется. А значит, положительный электрод не содержит тетраоксида тримарганца или содержит тетраоксид тримарганца в количестве менее 5%, самое большее. Газообразный кислород, выделяющийся из положительного электрода во время перезарядки, аккумулируется в элементе и используется.
<Литий-ионный элемент>
[0043] Что касается отрицательного электрода, то сначала смешали титанат лития, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) и сажу Ketjen (КС), вследствие чего была приготовлена смесь-суспензия. Затем, эту смесь нанесли на фольгу из нержавеющей стали, временно подсушили, а затем подвергли термообработке. Таким образом получили отрицательный электрод.
Что касается положительного электрода, то сначала смешали фосфат лития-железа, КМЦ, активированный уголь и КС, вследствие чего была приготовлена смесь-суспензия. Затем, эту смесь нанесли на фольгу из нержавеющей стали, временно подсушили, а затем подвергли термообработке. Таким образом получили положительный электрод.
6
Используемый здесь сепаратор представлял собой микропористую пленку, выполненную из полипропилена. Используемый здесь электролит представлял собой 1 моль/л LiPF/EC:DEC. Используемым здесь электропроводящим агентом была КС.
Используемым здесь связующим была КМЦ. Используемый здесь токоотвод представлял собой нержавеющую сталь.
<Никель-цинковый элемент>
[0044] Никель-цинковый элемент включает в себя: отрицательный электрод, содержащий цинк или соединение цинка; положительный электрод, содержащий оксид никеля, гидроксид никеля или оксигидроксид никеля; и электролит, содержащий фосфат в диапазоне от 0,025 M до 0,25M и свободную щелочь в диапазоне от 4 M до 9 M.
<Первый вариант воплощения>
,
[0045] Фиг. 1 представляет собой вид в разрезе, схематически иллюстрирующий в осевом направлении слоистый элемент цилиндрического типа (здесь и далее просто называемый слоистым элементом) согласно первому варианту воплощения настоящего изобретения. Как проиллюстрировано на Фиг. 1, слоистый элемент 11 включает в себя в качестве основных составляющих элементов внешний кожух 15токоотвод 17 и электродные блоки 13, каждый из которых заключен во внешнем кожухе. Внешний кожух 15 выполнен с закрытой с одного конца цилиндрической банкой 12 и дискообразной крышкой 16, закрепленной на проеме 12c цилиндрической банки. Каждая из цилиндрической банки 12 и крышки 16 изготовлена из железа, но может быть изготовлена из другого металла. Внешний диаметр крышки 16 несколько больше, чем внутренний диаметр проема 12c цилиндрической банки. После того как электродные блоки 13 заключены во внешнем кожухе 15, крышку 16 устанавливают с плотной посадкой в проеме 12c цилиндрической банки.
[0046] Каждый из электродных блоков 13 выполнен с положительным электродом 13a, содержащим активный материал положительного электрода, отрицательным электродом 13b, содержащим сплав-аккумулятор водорода, и сепаратором 13c, расположенным между положительным электродом 13a и отрицательным электродом 13b, чтобы позволить ионам проходить через него, но предотвращая прохождение через него электронов. Электродные блоки 13 уложены стопкой в осевом направлении (в направлении X на Фиг. 1) цилиндрической банки 12 и заключены во внешний кожух 15. При этом электролит (не проиллюстрирован) удерживается в сепараторе 13c. Каждый из положительного электрода 13a, отрицательного электрода 13b и сепаратора 13c имеет форму диска с образованным в центре отверстием. Внешний диаметр отрицательного электрода 13b является меньшим, чем внутренний диаметр цилиндрической банки 12, так что внешняя кромка 13bb отрицательного электрода не находится в контакте с внутренней поверхностью 12a цилиндрической банки. С другой стороны, внешний диаметр положительного электрода 13a является большим, чем внутренний диаметр цилиндрической банки 12, так что внешняя кромка 13ab положительного электрода находится в контакте с внутренней поверхностью 12a цилиндрической банки, и положительный электрод 13a оказывается электрически соединенным с цилиндрической банкой 12. Предпочтительно, внешний диаметр положительного электрода 13a на 100 мкм больше, чем внутренний диаметр цилиндрической банки 12.
[0047] Токоотвод 17 выполнен из никелированного железа и имеет выполненную в форме стержня штоковую часть 17a и удерживающую часть 17b, образованную на одном конце штоковой части 17a. Обработка никелированием предотвращает корродирование токоотвода 17 под действием электролита, содержащегося в сепараторе 13c. Штоковая часть 17a токоотвода проходит через центр электродного блока 13, включающего положительный электрод 13a, отрицательный электрод 13b и сепаратор 13c, в осевом направлении (направлении X на Фиг. 1) внешнего кожуха 15. Диаметр отверстия, образованного в центре отрицательного электрода 13b, является меньшим, чем внешний диаметр штоковой части 17a. Следовательно, периферийная кромка l3ba отверстия отрицательного электрода входит в контакт с штоковой частью 17a, так что отрицательный электрод 13b электрически соединен с токоотводом 17. С другой стороны, диаметр отверстия, образованного в центре положительного электрода 13a, является большим, чем внешний диаметр штоковой части 17a. Следовательно, периферийная кромка l3aa отверстия положительного электрода не входит в контакт со штоковой частью 17a, так что положительный электрод 13a электрически изолирован от токоотвода 17.
[0048] Электродные блоки 13 располагают последовательно уложенными стопкой на удерживающей части 17b токоотвода. Удерживающая часть 17b не дает электродному блоку 13 свалиться с конца токоотвода 17 в ходе сборки. Удерживающая часть 17b имеет форму диска. Удерживающая часть 17b расположена на дне 12b цилиндрической банки со вставленной между удерживающей частью 17b и дном 12b изоляционной пластиной 14. Изоляционная пластина 14 предотвращает электрическое короткое замыкание, вызываемое непосредственным контактом токоотвода 17 с цилиндрической банкой 12. Противоположный удерживающей части 17b конец штоковой части 17a опирается на опору 18 штока, обеспеченную в центре крышки 16. Опора 18 штока выполнена из изолирующего материала для предотвращения электрического короткого замыкания между крышкой 16 и штоковой частью 17a. Штоковая часть, выступающая из крышки 16, служит в качестве вывода 17c положительного электрода. Цилиндрическая банка 12 служит в качестве вывода отрицательного электрода.
[0049] Далее будет приведено описание соотношения между размерами положительного электрода 13a, отрицательного электрода 13b и сепаратора 13c и размерами внешнего кожуха 15 и токоотвода 17. Внешняя кромка сепаратора 13c накрыта положительным электродом 13a (первым электродом), а внешняя кромка отрицательного электрода 13b (второго электрода) накрыта сепаратором 13c. Более того, периферийная кромка отверстия, через которое проходит токоотвод 17, в положительном электроде 13a накрыта сепаратором 13c, а периферийная кромка отверстия, через которое проходит токоотвод 17, в сепараторе 13c накрыта отрицательным электродом 13b.
[0050] Иными словами, внешний диаметр сепаратора 13c больше, чем внешний диаметр отрицательного электрода 13b (второго электрода). Поэтому положительный электрод 13a и отрицательный электрод 13b полностью отделены друг от друга сепаратором 13c поблизости от внутренней периферийной поверхности внешнего кожуха 15. Таким образом, электроды не приходят в контакт друг с другом, даже будучи деформированными. Кроме того, диаметр отверстия, образованного в центре сепаратора 13c, является меньшим, чем диаметр отверстия, образованного в центре положительного электрода 13a. Поэтому положительный электрод 13a и отрицательный электрод 13b полностью отделены друг от друга сепаратором 13c поблизости от внешней периферийной поверхности токоотвода 17. Таким образом, электроды не приходят в контакт друг с другом, даже будучи деформированными. Более того, внешний диаметр сепаратора 13c является меньшим, чем внешний диаметр положительного электрода 13a (первого электрода). Поэтому сепаратор 13c не проложен между положительным электродом 13a и цилиндрической банкой 12. Кроме того, диаметр отверстия, образованного в центре сепаратора 13c, является большим, чем диаметр отверстия, образованного в центре отрицательного электрода 13b. Поэтому сепаратор 13c не проложен между отрицательным электродом 13b и токоотводом 17.
[0051] Внешняя кромка положительного электрода 13a приведена в контакт с внутренней поверхностью, которая служит в качестве вывода токоотвода, внешнего кожуха 15, так что электричество и тепло, генерируемые на положительном электроде 13a, могут передаваться внешнему кожуху 15 с хорошей эффективностью. Аналогично, периферийная кромка отверстия, через которое проходит токоотвод, в отрицательном электроде 13b приведена в контакт с токоотводом 17, служащим в качестве вывода токоотвода, так что электричество, генерируемое на отрицательном электроде 13b, может быть передано токоотводу 17 с хорошей эффективностью.
[0052] Авторы настоящего изобретения приняли в качестве электродной структуры цилиндрический элемент с пакетированной структурой. Таким образом, авторы настоящего изобретения обеспечили возможность передавать генерируемые на электродах электричество и тепло внешнему кожуху и токоотводу с хорошей эффективностью. Тем самым авторы настоящего изобретения реализовали слоистый элемент с улучшенными характеристиками охлаждения и характеристиками токоотведения.
[0053] Далее будет приведено описание функций и эффектов конструкции охлаждения в первом варианте воплощения.
Внешняя кромка 13ab положительного электрода плотно прижата к внутренней поверхности 12a цилиндрической банки и входит в плотный контакт с внутренней поверхностью 12a цилиндрической банки. Тепло, выделяющееся из положительного электрода 13a, передается непосредственно цилиндрической банке 12. Более того, тепло, выделяющееся из отрицательного электрода 13b, передается положительному электроду 13a через сепаратор 13c. Тонкий и одиночный сепаратор 13c не столь сильно препятствует переносу тепла. Как описано выше, тепло, выделяющееся из каждого из электродов 13a и 13b, передается цилиндрической банке 12 при низком тепловом сопротивлении, так что рост температуры внутри слоистого элемента сдерживается.
[0054] Здесь будет приведено описание различия в росте температуры между слоистым элементом согласно варианту воплощения настоящего изобретения и стандартным спирально-намотанным элементом, исходя из примера расчета. В спирально-намотанном элементе общий коэффициент теплопередачи (U1) выражен математической формулой 1. С другой стороны, в слоистом элементе общий коэффициент теплопередачи (U2) выражен математической формулой 2.
[0055] [Математическая формула 1]
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>t</mi><mi>k</mi></mfrac><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mo>+</mo></msub></mrow><mrow><msub><mi>k</mi><mo>+</mo></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mo>−</mo></msub></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mo>−</mo></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>n</mi></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow></mrow></mrow>
,
+
-
s
+
-
s
0
1
здесь n - число витков; k, k, k, k- теплопроводность; t, t, t, t - толщина; h, h - ламинарный слой.
[0056] [Математическая формула 2]
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>t</mi><mi>k</mi></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mi>t</mi><mo>*</mo></msup></mrow><mrow><msup><mi>k</mi><mo>*</mo></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow></mrow></mrow>
,
*
*
0
1
здесь k, k- теплопроводность; t, t - толщина; h, h - ламинарный слой.
[0057] При этом вычисление сделано применительно к элементу типа 18650, используемому в качестве примера. Спирально-намотанный элемент имеет следующие параметры.
+
-
s
+
-
-2
-1
t=0,5 мм, t=t=t=10 мкм, k=k=k=40 Вт·м·градус
0
1
s
-2
-1
-2
-1
-2
-1
h=100 Вт·м·градус, h=1 Вт·м·градус, k=1 Вт·м·градус,
n=9/0,03=300
1
-2
-1
Математическая формула 1, в которую подставлены эти значения, дает U=0,0011 Вт·м·градус.
[0058] С другой стороны, слоистый элемент согласно этому варианту воплощения имеет следующие параметры.
0
-2
-1
-2
-1
h=100 Вт·м·градус, t=0,5 мм, k=40 Вт·м·градус
1
-2
-1
*
-2
-1
h=10000 Вт·м·градус, t=0,009 м, k*=40 Вт·м·градус
2
-2
-1
Поэтому математическая формула 2, в которую подставлены эти значения, дает U=100 Вт·м·градус.
[0059] Сопоставление между этими двумя примерами указывает на то, что слоистый элемент согласно варианту воплощения настоящего изобретения превосходит по теплопередаче примерно в 100000 раз стандартный спирально-намотанный элемент.
[0060] Далее будет приведено описание модифицированного примера первого варианта воплощения. В частности, в этом модифицированном примере принят мешковидный сепаратор.
Фиг. 2A представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий электроды, окруженные мешковидным сепаратором. Для простоты, Фиг. 2A иллюстрирует один положительный электрод 13a и один отрицательный электрод 13b. Положительный электрод 13a окружен мешковидным сепаратором l3ca, за исключением внешней кромки. Более того, отрицательный электрод 13b окружен мешковидным сепаратором 13cb, за исключением периферийной кромки отверстия, через которое проходит токоотвод.
[0061] Фиг. 2B представляет собой вид сверху, иллюстрирующий положительный электрод 13a (первый электрод), окруженный мешковидным сепаратором. Фиг. 2C представляет собой вид сверху, иллюстрирующий отрицательный электрод 13b (второй электрод), окруженный мешковидным сепаратором.
[0062] Положительный электрод 13a помещают между двумя сепараторами, каждый из которых имеет внешний диаметр, который является меньшим, чем внешний диаметр положительного электрода 13a, и диаметр отверстия, который является большим, чем диаметр отверстия положительного электрода 13a, а перекрывающиеся части в двух сепараторах (края отверстий) соединяют друг с другом термической сваркой. Таким образом, образуется положительный электрод 13a, окруженный мешковидным сепаратором 13ca. Отрицательный электрод 13b помещают между двумя сепараторами, каждый из которых имеет внешний диаметр, который является большим, чем внешний диаметр отрицательного электрода 13b, и диаметр отверстия, который является меньшим, чем диаметр отверстия отрицательного электрода 13b, а перекрывающиеся части в двух сепараторах (внешние периферийные части) соединяют друг с другом путем термической сварки. Таким образом, образуется отрицательный электрод 13b, окруженный мешковидным сепаратором 13cb.
[0063] Пыль или инородные вещества, образующиеся из электродов в ходе транспортировки элемента и в ходе сборки элемента, улавливаются внутри мешковидного сепаратора. Мешковидный сепаратор предотвращает попадание пыли или инородных веществ, происходящих из электродов, между электродами и между электродом и выводом токоотвода. Поэтому внутреннее короткое замыкание не возникает. Кроме того, мешковидный сепаратор предохраняют от попадания между положительным электродом 13a и цилиндрической банкой 12 и между отрицательным электродом 13b и токоотводом 17 вследствие расположения сепараторов вне правильного местоположения.
<Второй вариант воплощения>
[0064] Фиг. 3 представляет собой вид в разрезе, схематически иллюстрирующий в осевом направлении слоистый элемент трубчатого типа (здесь и далее просто называемый слоистым элементом) согласно второму варианту воплощения настоящего изобретения. Как проиллюстрировано на Фиг. 3, слоистый элемент 21 имеет почти ту же конструкцию, что и у слоистого элемента 11, проиллюстрированного на Фиг. 1, за исключением части внешнего кожуха и части токоотвода. В частности, внешний кожух 25 выполнен с круглой трубой 22 и дискообразными крышками 26, закрепленными на проемах 22b, образованных на двух концах круглой трубы 22. Токоотвод 27 проходит через крышку 26 и опирается на крышку 26. Здесь и далее будет в основном приведено описание различия между слоистым элементом 21 и слоистым элементом 11.
[0065] Электродные блоки 23, каждый из которых выполнен с положительным электродом 23a, отрицательным электродом 23b и сепаратором 23c, последовательно уложены стопкой в таком состоянии, что через них проходит штоковая часть 27a токоотвода. Токоотвод 27 опирается на опоры 28 штока, образованные в центрах крышек 26, соответственно, на двух его концах 27b. Каждая из опор 28 штока изготовлена из изоляционного материала для предотвращения электрического короткого замыкания между крышкой 26 и токоотводом 27. Каждый из концов 27b токоотвода 23, выступающих из крышек 26, служит в качестве вывода отрицательного электрода. Круглая труба 22 служит в качестве вывода положительного электрода.
[0066] Далее будет приведено описание собранной батареи, включающей слоистый элемент 21. Фиг. 4A иллюстрирует состояние, при котором к слоистому элементу 21 прикреплен металлический фитинг 29. Металлический фитинг 29 расположен между слоистым элементом 21 и соседним слоистым элементом 21′ так, чтобы быть приведенным в поверхностный контакт с крышкой 26 слоистого элемента 21. Металлический фитинг 29 изготавливают из металла столбчатой формы, но он может быть изготовлен из металла в форме призмы. Осевое направление металлического фитинга 29 соответствует осевому направлению (направлению X на Фиг. 4A) токоотвода 27. Металлический фитинг 29 имеет верхнюю поверхность 29a (левая сторона на фигуре), и в центре верхней поверхности 29a в вертикальном направлении к верхней поверхности 29a образована полость 29aa. Полость 29aa позволяет входить в нее токоотводу 27′ соседнего слоистого элемента 21'. Металлический фитинг 29 также имеет нижнюю поверхность 29b (правая сторона на фигуре), и в центре нижней поверхности 29b в вертикальном направлении к нижней поверхности 29b образована полость 29ba. Полость 29ba позволяет входить в нее изолирующей детали 24. Более того, в центре изолирующей детали 24 в вертикальном направлении к нижней поверхности 29b образована полость 24a. Полость 29a позволяет входить в нее штоковой части 27b токоотвода в слоистом элементе 21. Нижняя поверхность 29b металлического фитинга входит в поверхностный контакт с крышкой 26 слоистого элемента, так что слоистый элемент 21 и соседний слоистый элемент 21′ оказываются электрически соединенными друг с другом через металлический фитинг 29. При этом изолирующая деталь 24 предотвращает электрическое короткое замыкание, вызываемое контактом токоотвода 27 с внешним кожухом 25.
[0067] Как проиллюстрировано на Фиг. 4B, можно получить собранную батарею 20, в которой слоистые элементы соединены последовательно, путем соединения соседних слоистых элементов 21 друг с другом с использованием металлического фитинга 29.
<Третий вариант воплощения>
[0068] Фиг.5 представляет собой вид в разрезе, схематически иллюстрирующий в осевом направлении слоистый элемент капсульного типа (здесь и далее просто называемый слоистым элементом) согласно третьему варианту воплощения настоящего изобретения. Слоистый элемент 31 включает в себя в качестве основных составляющих элементов внешний кожух 35, токоотвод 37 и электродные блоки 33, каждый из которых заключен во внешнем кожухе. Внешний кожух 35 выполнен с закрытым с одного конца цилиндрическим внешним конструктивным узлом 32 и крышкой 36, закрепленной на проеме 32c внешнего конструктивного узла 32. И внешний конструктивный узел 32, и крышка 36 выполнены из никелированного железа, но могут быть изготовлены из металла, такого как алюминий или титан.
[0069] Внешний конструктивный узел 32 имеет трубчатую боковую часть 32a и выпуклую часть 32b, которая выпячивается в форме купола у ее дна, а крышка 36 также имеет трубчатую боковую часть 36a и выпуклую часть 36b, которая выпячивается в форме купола у ее дна. Внешний диаметр боковой части 36a крышки меньше, чем внутренний диаметр отверстия 32c внешнего конструктивного узла 32. Проем 32c закрывается крышкой 36 в таком направлении, чтобы выпуклая часть 36b выпячивалась наружу из проема 32c внешнего конструктивного узла. Крышка 36 связана с внешним конструктивным узлом 32 посредством изолирующей уплотнительной детали 38. Изолирующая уплотнительная деталь 38 играет роль электроизоляции внешнего конструктивного узла 32 от крышки 36, а также играет роль формирования герметизированного пространства внутри внешнего кожуха 35 за счет герметизации связанной части. Изолирующая уплотнительная деталь 38 изготовлена из материала, обладающего изолирующими свойствами и свойством уплотнения, такого как асфальто-смолистые вещества.
[0070] Каждый из электродных блоков 33 выполнен с положительным электродом 33a, содержащим активный материал положительного электрода, отрицательным электродом 33b, содержащим сплав-аккумулятор водорода, и сепаратором 33c, расположенным между положительным электродом 33a и отрицательным электродом 33b, чтобы позволить ионам проходить через него, но предотвратить прохождение через него электронов. Более того, электродные блоки 33 уложены стопкой в осевом направлении (направлении X на Фиг.5) внешнего конструктивного узла 32 и заключены во внешнем кожухе 35. При этом электролит удерживается в сепараторе 33c. Каждый из положительного электрода 33a, отрицательного электрода 33b и сепаратора 33c имеет форму диска с образованным в центре отверстием. Более того, внешний диаметр положительного электрода 33a меньше, чем внутренний диаметр внешнего конструктивного узла 32, так что внешняя кромка 33aa положительного электрода не находится в контакте с внутренней поверхностью 32aa внешнего конструктивного узла. С другой стороны, внешний диаметр отрицательного электрода 33b больше, чем внутренний диаметр внешнего конструктивного узла 32, так что внешняя кромка 33ba отрицательного электрода находится в контакте с внутренней поверхностью 32aa внешнего конструктивного узла 32, и, таким образом, отрицательный электрод 33b электрически соединен с внешним конструктивным узлом 32. Предпочтительно, внешний диаметр отрицательного электрода 33b на 100 мкм больше, чем внутренний диаметр внешнего конструктивного узла 32.
[0071] Токоотвод 37 изготовлен из электропроводящего никелированного железа и имеет стержневидную штоковую часть 37a и удерживающую часть 37b, прикрепленную к одному концу штоковой части 37a. Штоковая часть 37a токоотвода 37 проходит через центр электродного блока 33, выполненного с положительным электродом 33a, отрицательным электродом 33b и сепаратором 33c, в осевом направлении (направлении X на Фиг. 5)внешнего кожуха 35. Диаметр отверстия, образованного в центре положительного электрода 33a, является меньшим, чем внешний диаметр штоковой части 37a. Следовательно, периферийная кромка 33ab отверстия положительного электрода входит в контакт со штоковой частью 37a, так что положительный электрод 33a электрически соединен с токоотводом 37. С другой стороны, диаметр отверстия, образованного в центре отрицательного электрода 33b, является большим, чем внешний диаметр штоковой части 37a. Следовательно, периферийная кромка 33bb отверстия отрицательного электрода не находится в контакте со штоковой частью 37a.
[0072] Электродные блоки 33 расположены последовательно уложенными стопкой на удерживающей части 37b токоотвода. Здесь удерживающая часть 37b не дает электродному блоку 33 спадать с конца токоотвода 37. Прижимные колодки 34a, каждая из которые изготовлена из изолирующего материала, расположены на двух концах уложенных стопкой электродных блоков 33 и предохраняют электродные блоки 33 от повреждения при укладке электродных блоков 33 друг на другу и их сжатии (подпрессовывании). Прижимная колодка 34a предпочтительно изготовлена из материала, который соответствующим образом используется в качестве изолирующего материала и конструкционного материала, и изготовлена из полипропилена. Удерживающая часть 37b имеет форму диска. Удерживающая часть 37b не находится в контакте с выпуклой частью 32b на дне внешнего конструктивного узла. Поэтому, удерживающая часть 37b и внешний конструктивный узел 32a электрически изолированы друг от друга. Противоположный удерживающей части 37b конец 37c штоковой части проходит через отверстие 36c, образованное в центре крышки 36, и выступает наружу (направление вправо на фигуре) из крышки 36. Конец 37c, выступающий из крышки 36, служит в качестве вывода положительного электрода. Внешний конструктивный узел 32 служит в качестве вывода отрицательного электрода.
[0073] Камеры 39 аккумулирования водорода обеспечены во внутренних пространствах выпуклых частей 32b и 36b. Конкретнее, камера 39 аккумулирования водорода расположена в пространстве, которое образовано внутренней поверхностью 32ba, 36ba выпуклой части и электродным блоком 33, во внешнем кожухе.
[0074] Отрицательный электрод 33b содержит сплав-аккумулятор водорода. Зарядная емкость отрицательного электрода 33b является меньшей, чем зарядная емкость положительного электрода 33a. Газообразный водород, выделяющийся из отрицательного электрода из-за перезарядки, накапливается в камере 39 аккумулирования водорода. Газообразный водород, накопленный в камере 39 аккумулирования водорода, аккумулируется сплавом-аккумулятором водорода, вследствие чего отрицательный электрод 33b заряжается.
<Количество активного материала>
[0075] В слоистом элементе согласно этому варианту воплощения настоящего изобретения емкость положительного электрода составляет 1000 мА·ч. Емкость отрицательного электрода соответствует 80% от емкости положительного электрода.
[0076] В лимитируемом отрицательным электродом элементе на отрицательном электроде в состоянии перезарядки генерируется газообразный водород. Иными словами, заряд до 800 мА·ч или более вызывает выделение газообразного водорода из отрицательного электрода (см. формулу реакции (1)). Выделившийся газообразный водород аккумулируется в отрицательном электроде. Газообразный водород, который не аккумулируется в отрицательном электроде, аккумулируется в зазоре, образованном внутри элемента. Обеспечение камеры аккумулирования газообразного водорода в элементе позволяет элементу накапливать и аккумулировать газообразный водород в большем количестве. Когда газообразный водород генерируется в большом количестве, давление в элементе возрастает. Каждый из слоистых элементов согласно первому - третьему вариантам воплощения обладает герметичной конструкцией. Поэтому, накопленный газообразный водород не утекает из элемента.
[0077] Что касается разряда слоистого элемента, то накапливаемый в отрицательном электроде водород «разряжается» из сплава-аккумулятора водорода в виде ионов водорода и электронов. Однако газообразный водород, накопленный и аккумулированный в слоистом элементе, накапливается в сплаве-аккумуляторе водорода, вследствие чего поддерживается заряженное состояние отрицательного электрода (см. формулу реакции (2) во время разряда). Как описано выше, газообразный водород не является бесполезным, поскольку газообразный водород используется в качестве источника энергии во время разряда. Сплав-аккумулятор водорода действует как так называемый катализатор. Поэтому, изменение объема отрицательного электрода при заряде и разряде достаточно мало. Это приводит к предотвращению деградации отрицательного электрода и к продлению срока службы элемента.
[0078] Здесь электрод играет роль электрода, который заряжается и разряжается в стандартном вторичном элементе (аккумуляторе). В дополнение, электрод также играет роль электрода, который обеспечивает электролиз воды, содержащейся в электролите, с образованием газообразного водорода.
[0079] Цена отрицательного электрода, который является дорогостоящим, составляет 80% от общей цены электродов. Лимитируемый положительным электродом элемент требует отрицательных электродов, которые в 1,7 раза больше положительных электродов. Однако, согласно настоящему изобретению количество отрицательных электродов снижено до 80% относительно количества положительных электродов. Таким образом, становится возможным наполовину снизить цену электродов. Даже когда количество отрицательных электродов снижено, при использовании газообразного водорода, накапливаемого при перезаряде, емкость элемента не снижается.
<Четвертый вариант воплощения>
,
[0080] Со ссылкой на вид в осевом разрезе по Фиг. 6A будет приведено описание слоистого элемента прямоугольного типа (здесь и далее просто называемого слоистым элементом) согласно четвертому варианту воплощения настоящего изобретения. Слоистый элемент 71 включает в себя в качестве основных составляющих элементов внешний кожух 75токоотводы 77 и электродные блоки 74, каждый из которых заключен во внешнем кожухе. Внешний кожух 75 выполнен с корпусной деталью 72 и деталью-крышкой 73. Корпусная деталь 72 представляет собой закрытый с одного конца прямоугольный контейнер. Проем 72c корпусной детали 72 закрывается крышкой 73, так что внутри корпусной детали 72 может быть образовано герметизированное пространство. Каждая из корпусной детали 72 и крышки 73 изготовлена из железа. Как проиллюстрировано на виде сверху по Фиг. 6B, слоистый элемент 71 в целом имеет прямоугольную форму.
[0081] Каждый из электродных блоков 74 выполнен с положительным электродом 74a, содержащим активный материал положительного электрода, отрицательным электродом 74b, содержащим сплав-аккумулятор водорода, и сепаратором 74c, расположенным между положительным электродом 74a и отрицательным электродом 74b, чтобы позволить ионам проходить через него, но предотвращая прохождение через него электронов. Сепаратор 74c играет роль предотвращения короткого замыкания между положительным электродом 74a и отрицательным электродом 74b и роль удержания электролита. Положительный электрод 74a и отрицательный электрод 74b уложены стопкой в осевом направлении (направлении Y на Фиг. 6A) корпусной детали 72 с проложенным между ними сепаратором 74c и заключены во внешний кожух 75. Каждый из положительного электрода 74a, отрицательного электрода 74b и сепаратора 74c имеет форму листа. Внешний размер отрицательного электрода 74b является меньшим, чем внутренний размер корпусной детали 72, так что внешняя кромка 74bb отрицательного электрода не находится в контакте с внутренней поверхностью 72a корпусной детали. С другой стороны, внешний размер положительного электрода 74a является большим, чем внутренний размер корпусной детали 72, так что внешняя кромка 74ab положительного электрода находится в контакте с внутренней поверхностью 72a корпусной детали 72 под давлением, и, таким образом, положительный электрод 74a электрически соединен с корпусной деталью 72. Поэтому, поскольку выделяющееся из электродного блока 74 тепло передается корпусной детали 72 с небольшим температурным градиентом, рост температуры электродного блока 74 сдерживается. Предпочтительно, внешний размер положительного электрода 74a больше на 100 мкм, чем внутренний размер корпусной детали 72.
[0082] Каждый из токоотводов 77 изготовлен из электропроводящего никелированного железа. Более того, токоотвод 77 имеет часть с потайной головкой 77b в форме перевернутого конуса и штоковую часть 77a, следующую за частью с потайной головкой 77b, и в целом принимает форму винта с потайной головкой.
[0083] Электроды 74b и 74a имеют соответственно отверстия 74ba и 74aa, через которые проходит штоковая часть 77a токоотвода 77. Диаметр отверстия 74ba, образованного на отрицательном электроде 74b, является меньшим, чем внешний диаметр штоковой части 77a, так что отрицательный электрод 74b входит в контакт со штоковой частью 77a, и, таким образом, отрицательный электрод 74b оказывается электрически соединенным с токоотводом 77. С другой стороны, диаметр отверстия 74aa, образованного на положительном электроде 74a, является большим, чем внешний диаметр штоковой части 77a, так что положительный электрод 74a не входит в контакт со штоковой частью 77a.
[0084] Четыре токоотвода 77 (см. Фиг. 6B) соединены друг с другом через соединительную плиту 77d, расположенную под электродными блоками 74. Иными словами, винтовая часть 77c, образованная на нижнем конце 77ca токоотвода, ввинчивается в винтовое отверстие 77da, образованное на соединительной плите 77d, так что токоотвод 77 соединяется с соединительной плитой 77d. Электродные блоки 74 размещены последовательно уложенными на соединительную плиту 77d, и соединительная плита 77d не дает электродным блокам 74 спадать с конца токоотвода 77. Между дном 72b корпусной детали и соединительной плитой 77d расположена изоляционная пластина 76b для предотвращения электрического короткого замыкания между токоотводом 77 и корпусной деталью 72 из-за контакта соединительной плиты 77d с дном 72b корпусной детали. В частности, соединительная плита 77d окружена изоляционной пластиной 76b, изготовленной из полипропилена.
[0085] Крышка 73 имеет часть-плоскую пластину 73a и изогнутую часть 73b, которая изогнута под прямым углом к части-плоской пластине. Внутри изогнутой части 73b и на проеме 72c корпусной детали расположена изоляционная пластина 76a. Изоляционная пластина 76a предотвращает электрическое короткое замыкание между самым верхним электродным блоком 74 и крышкой 73. На противоположной крышке 73 поверхности изоляционной пластины 76a образован паз 76aa таким образом, чтобы внешняя кромка проема корпусной детали 72 входила в него. Между пазом 76aa и внешней кромкой проема корпусной детали 72 расположена уплотнительная деталь 80, изготовленная из асфальто-смолистых веществ, с тем чтобы поддерживать герметичность внутри внешнего кожуха 75. Для простоты, изготовленная из асфальто-смолистых веществ уплотнительная деталь 80 также расположена на отверстии, через которое проходит штоковая часть 77a токоотвода, в изоляционной пластине 76a.
[0086] Крышка 73 соединена с соединительной плитой 77d токоотводом 77, действующим как винт с потайной головкой. Корпусная деталь 72 служит в качестве вывода положительного электрода, а крышка 73 служит в качестве вывода отрицательного электрода.
<Собранная батарея>
[0087] Фиг. 7 представляет собой рисунок, иллюстрирующий схематическую конфигурацию в случае, когда собранная батарея 70 выполнена с множеством слоистых элементов 71. Эти слоистые элементы 71 соединены последовательно таким образом, что образующая плоскую пластину часть 73a крышки в одном из слоистых элементов 71 находится напротив и приведена в поверхностный контакт с дном 72b корпусной детали в соседнем слоистом элементе. Соединенные последовательно слоистые элементы 71 помещены между панелью 78a вывода положительного электрода и панелью 78b вывода отрицательного электрода с образованием собранной батареи 70. Точнее, панель 78a вывода положительного электрода, которая входит в поверхностный контакт с корпусной деталью 72, и панель 78b вывода отрицательного электрода, которая входит в поверхностный контакт с крышкой 73, располагают внутри корпуса 70a. Затем множество слоистых элементов 71 заключают между панелью 78a вывода положительного электрода и панелью 78b вывода отрицательного электрода с образованием собранной батареи 70. В корпус 70a подают внешний холодный воздух всасывающим вентилятором 79a и вытяжным вентилятором 79b для охлаждения собранной батареи 70. Выходную мощность из собранной батареи 70 отводят из панели 78a вывода положительного электрода и панели 78b вывода отрицательного электрода наружу посредством кабеля (не проиллюстрирован).
<Пятый вариант воплощения>
[0088] Фиг. 8 представляет собой вид в разрезе, схематически иллюстрирующий в осевом направлении слоистый элемент цилиндрического типа (здесь и далее просто называемый слоистым элементом) согласно пятому варианту воплощения. Слоистый элемент 90 включает в себя в качестве основных составляющих элементов цилиндрическую банку 92, токоотвод 17 и электродные блоки 93, каждый из которых заключен в цилиндрической банке. Каждый из электродных блоков 93 выполнен с положительным электродом 93a, отрицательным электродом 93b и сепаратором 93c, расположенным между положительным электродом 93a и отрицательным электродом 93b. Электродные блоки 93 расположены последовательно уложенными друг поверх друга на прижимной колодке 98b, размещенной под токоотводом 97, и прижимная колодка 98b не дает электродным блокам 93 спадать с конца токоотвода 97. Прижимная колодка 98b представляет собой пластину из никелированной стали, имеющую форму диска. На самом верхнем из уложенных стопкой электродных блоков 93 расположена прижимная колодка 98a, и электродные блоки 93 могут быть сжаты прижимными колодками 98a и 98b.
[0089] Электродные блоки 93 вставляют в цилиндрическую банку 92 в осевом направлении (направлении X на Фиг. 8) цилиндрической банки 92. Внешний диаметр положительного электрода 93a является меньшим, чем внутренний диаметр цилиндрической банки 92, так что внешняя кромка 93ab положительного электрода не входит в контакт с внутренней поверхностью 92a цилиндрической банки. С другой стороны, внешний диаметр отрицательного электрода 93b является большим, чем внутренний диаметр цилиндрической банки 92, так что внешняя периферия 93bb отрицательного электрода входит в контакт с внутренней поверхностью 92a цилиндрической банки 92, и отрицательный электрод 93b оказывается электрически соединенным с цилиндрической банкой 92. Верхний проем цилиндрической банки 92 закрывается крышкой 96. Между крышкой 96 и цилиндрической банкой 92 расположена изолирующая деталь 99 для предотвращения электрического короткого замыкания, вызываемого контактом крышки 96 с цилиндрической банкой 92.
[0090] На дне 92b цилиндрической банки расположен изолирующий лист 94 для предотвращения возникновения электрического короткого замыкания между токоотводом 97 и цилиндрической банкой 92 из-за вхождения одного конца 97b токоотвода в непосредственный контакт с дном 92b цилиндрической банки. К другому концу 97a токоотвода прикреплена соединительная тарелка 91, которая имеет форму выгнутой вниз и изготовленной из упругого материала пластины. Конец 91a соединительной тарелки входит в контакт с нижней поверхностью 96b крышки и прижимается вниз крышкой 96. Таким образом, токоотвод 97 и крышка 96 электрически соединены друг с другом через соединительную тарелку 91. Выступ 96a, образованный в центре крышки 96, служит в качестве вывода положительного электрода. Кроме того, цилиндрическая банка 92 служит в качестве вывода отрицательного электрода.
[0091] Этот вариант воплощения отличен от каждого из вышеупомянутых вариантов воплощения в отношении части конструкции токоотвода. Здесь будет приведено описание различия. Фиг. 9 представляет собой частичный вид в разрезе, схематически иллюстрирующий соотношение между токоотводом 97 и электродным блоком 93. Как проиллюстрировано на Фиг. 9, токоотвод 97 имеет боковую поверхность, образованную в виде винтовой части 97c, которая имеет винтовые канавки, у которых основание профиля имеет диаметр d, а вершина профиля имеет диаметр D (d<D).
[0092] Как проиллюстрировано на Фиг. 9, диаметр отверстия 93aa, образованного на положительном электроде 93a, меньше, чем диаметр (d) основания профиля винтовой части 97c, так что положительный электрод 93a ввинчивается в штоковую часть 97a токоотвода и плотно входит в контакт с токоотводом 97. Таким образом, положительный электрод 93a электрически соединяется с токоотводом 97. С другой стороны, диаметр отверстия 93ba, образованного на отрицательном электроде 93b, больше, чем диаметр (D) вершины профиля винтовой части 97c, так что отрицательный электрод 93b не входит в контакт со штоковой частью 97a токоотвода. Таким образом, отрицательный электрод 93b электрически изолирован от токоотвода 97.
[0093] Становится возможным удовлетворительным образом гарантировать контакт между положительным электродом 93a и токоотводом 97 за счет того, что диаметр отверстия, образованного на положительном электроде 93a, сделан меньшим, чем внешний диаметр основания профиля винтовой части токоотвода 97. Винтовые канавки, образованные на токоотводе 97, предотвращают ослабление связи между токоотводом и электродом во время сборки электрода и обеспечивают плотный контакт между токоотводом и электродом. То есть, плотно пригнанное состояние поддерживается таким образом, что положительный электрод 93a устанавливается по винтовой части, образованной на токоотводе 97. Таким образом, становится возможным гарантировать состояние контакта электрода с токоотвод, даже когда электрод становится деформированным при заряде и разряде. При этом, в дополнение к данному варианту воплощения, токоотвод с винтовыми канавками также применим в первом - четвертом вариантах воплощения.
[0094] Фиг. 10 представляет собой вид сверху (левая сторона на Фиг. 10) и вид сбоку (правая сторона на Фиг. 10), иллюстрирующий токоотвод согласно другому варианту воплощения. Токоотвод 97′ имеет боковую поверхность, на которой в осевом направлении целиком по всей окружности образованы V-образные канавки, и их сечение имеет форму зуба пилы. Поскольку сечение токоотвода имеет форму зубьев пилы, площадь контакта токоотвода с электродом становится большой. При приведении электрода в плотный контакт с токоотводом в осевом направлении под давлением, электрод скользит вдоль образованных на токоотводе канавок. В результате этого менее склонен возникать ненадлежащий контакт между электродом и токоотводом. Даже когда электрод становится деформированным в ходе заряда и разряда, электрод не повреждается, поскольку электрод скользит вдоль канавок токоотвода.
[0095] Применительно к Фиг. 11, далее будет приведено описание способа сборки слоистого элемента согласно настоящему изобретению. Электродные блоки 93 укладывают стопкой таким образом, чтобы положительный электрод 93a и отрицательный электрод 93b были последовательно, с проложенным между ними сепаратором 93c, надеты на круглый стержень 95 с внешним диаметром (d′), который является слегка меньшим, чем основание профиля каждой из винтовых канавок, образованных на боковой поверхности токоотвода 97. Затем электродные блоки 93 укладывают стопкой в заданные наборы (пакеты), а прижимные колодки 98a и 98b помещают соответственно за двумя концами электродных блоков 93 для удерживания группы электродов, в результате чего собирают электродный комплект A (см. левую сторону на Фиг. 11).
[0096] Затем группу электродов сжимают прижимными колодками 98a и 98b, а круглый стержень 95 вытягивают, при сохранении сжатого состояния. Вместо круглого стержня 95 в группу электродов вталкивают токоотвод 97, который удерживается прижимными колодками 98a и 98b и к которому прикладывают давление, вращая его. Затем прижимные колодки 98a и 98b навинчивают на токоотвод 97 и собирают электродный узел B в состоянии, при котором группа электродов сплошь сжата (правая сторона на Фиг. 11). Затем, электродный узел B помещают в цилиндрическую банку 92 под давлением, цилиндрическую банку 92 подвергают удалению воздуха и впрыскивают электролит в цилиндрическую банку 92. После впрыскивания электролита крышку 96 закрепляют на проеме цилиндрической банки 92 и таким образом затыкают проем цилиндрической банки 92, вследствие чего слоистый элемент становится герметично закрытым.
<Результаты испытания>
[0097] Слоистый элемент согласно пятому варианту воплощения настоящего изобретения заряжали током от 0,5C до 8C, а после полного заряда измеряли внутреннюю температуру и температуру поверхности слоистого элемента. Что касается способа измерения температуры, то внутреннюю температуру измеряли с помощью термопары, прикрепленной к центру токоотвода. Кроме того, температуру поверхности измеряли с помощью термопары, прикрепленной к поверхности внешнего кожуха слоистого элемента. При этом измерение выполняли в состоянии, при котором комнатная температура задана на уровне 15°C, а слоистый элемент обдувают посредством вентилятора воздухом со скоростью 1 м/с.
[0098] В Таблице 1 показаны результаты измерения температуры элемента после того, как слоистый элемент был заряжен таким образом, чтобы состояние заряда составляло 100% при каждом зарядном токе (0,5C, 1C, 2C, 5C, 8C). В Таблице 1 левый столбец показывает наибольшую величину разности между температурой поверхности элемента и комнатной температурой (= измеренная температура - комнатная температура), а правый столбец показывает наибольшее значение разности между внутренней температурой элемента и комнатной температурой (= температура сердцевины - комнатная температура). При каждом из зарядных токов разница между температурой элемента и комнатной температурой быстро возрастала, когда состояние заряда превышает 80%. При зарядном токе 2C или менее каждая из разностей в температурах элемента (измеренная температура - комнатная температура, температура сердцевины - комнатная температура) составляла менее 5°C. При зарядном токе 8C каждая из этих разностей температур составляла менее 30°C.
[0099]
[Таблица 1]
Максимальная разность температур
Зарядный ток
Измеренная температура - комнатная температура (°C)
Температура сердцевины - комнатная температура (°C)
0,5C
1,57
2,3
1C
2,2
3,1
2C
2,27
4,2
5C
6,87
11,7
8C
13,8
28,7
[0100] Фиг. 12 представляет собой график, иллюстрирующий разность между внутренней температурой элемента после заряда и комнатной температурой, со значениями соответствующих зарядных токов, взятых в качестве параметров. На Фиг. 12 по вертикальной оси отложена разность температур, взятая по шкале градусов Цельсия, а по вертикальной оси отложено истекшее время, взятое в масштабе минут. Из графика видно, что разность между внутренней температурой элемента и комнатной температурой (рост температуры) при зарядном токе 2C или менее составляет 4°C или менее, что довольно мало. Причина этого считается заключающейся в следующем. А именно, в элементе не накапливается тепло, поскольку тепловыделение при заряде и рассеивание тепла хорошо сбалансированы.
[0101] Следует отметить, что существует разность между внутренней температурой элемента и комнатной температурой при зарядном токе 5C и зарядном токе 8C. Однако разность между внутренней температурой элемента и комнатной температурой снижается до менее чем 5°C менее, чем за 20 минут. Из этого результата следует, что элемент обладает достаточно превосходными теплорассеивающими свойствами.
[0102] Из результатов испытания было очевидно, что слоистый элемент согласно настоящему изобретению обладает большой внутренней теплопроводностью, и внутренняя температура элемента понижается за короткое время, даже когда температура возрастает из-за заряда.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0103] Слоистый элемент согласно настоящему изобретению может быть подходящим образом использован в качестве потребительского прибора аккумулирования электроэнергии, в дополнение к промышленному прибору аккумулирования электроэнергии.
[0104] СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
11 - Слоистый элемент цилиндрического типа
12 - Цилиндрическая банка (a: внутренняя поверхность боковой части)
13 - Электродный блок (a: положительный электрод, b: отрицательный электрод, c: сепаратор)
14 - Изоляционная пластина
15 - Внешний кожух
16 - Крышка
17 - Токоотвод (a: штоковая часть, b: удерживающая часть, c:вывод положительного электрода)
19 - Камера аккумулирования водорода
20 - Собранная батарея
21 - Слоистый элемент трубчатого типа
22 - Круглая труба
23 - Электродный блок
24 - Изолирующая деталь
25 - Внешний кожух
26 - Крышка
27 - Токоотвод
29 - Металлический фитинг
31 - Элемент капсульного типа
32 - Внешний конструктивный узел (a: боковая часть, b: выпуклая часть)
33 - Электродный блок (a: положительный электрод, b: отрицательный электрод, c: сепаратор)
35 - Внешний кожух
36 - Крышка
37 - Токоотвод (a: штоковая часть, b: удерживающая часть, c: конец)
38 - Изолирующая уплотнительная деталь
39 - Камера аккумулирования водорода
70 - Собранная батарея
71 - Слоистый элемент прямоугольного типа
72 - Корпусная деталь
73 - Крышка
74 - Электродный блок
75 - Внешний кожух
76 - Изоляционная пластина
77 - Токоотвод
79 - Вентилятор
91 - Соединительная тарелка
92 - Цилиндрическая банка
93 - Электродный блок
94 - Изолирующий лист
95 - Круглый стержень
96 - Крышка
97 - Токоотвод
98 - Прижимная колодка
99 - Изолирующая деталь.