БЫСТРОЗАРЯДНАЯ СИСТЕМА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ СОЗДАНИЯ БЫСТРОЗАРЯДНОГО КОМПОЗИТА (ВАРИАНТЫ)
FAST-CHARGE SYSTEM (VERSIONS) AND METHOD OF CREATING A FAST-CHARGE COMPOSITE (VERSIONS)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка имеет приоритет заявки США на полезную модель серийный номер 14/607,530, поданную 28 января 2015 года, которая является частичным продолжением патентной заявки США на полезную модель серийный номер 14/539,448, поданной 12 ноября 2014 года, полное содержание которых включено здесь в качестве ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение относится к быстрозарядному композиту, объединенному с вторичной батареей для зарядки вторичной батареи.
2. Уровень техники
[0003] Известна практика, когда аккумуляторная батарея создается в виде стопы слоев с катодом, зажатым между мембраной и анодом, расположенным в пространстве параллельно мембране, пропитанной электролитом, что обеспечивает перенос ионов через мембрану. Пример такой батареи описан в патентной заявке США 2009/0142668.
[0004] Также известна практика создания батареи в виде стопы слоев, которые образуют множество электрохимических ячеек, которые соединены параллельно или последовательно. Примером такой конструкции батареи является патентная заявка США №2012/0058380.
[0005] Известны элементы вторичной батареи, в которых используется электролит, чтобы передать первые ионы, имеющие положительный заряд, и вторые ионы, имеющие отрицательный заряд, между анодом и катодом. Пример такой батареи раскрыт в патенте США 4,707,423.
[0006] Элементы вторичной батареи обычно заряжаются с помощью традиционных зарядных устройств, прилагая первое напряжение между анодом и катодом, чтобы создать первый ток между ними. Пример такой зарядки описан в патенте США 7,489,107.
[0007] Кроме того, хорошо известно, что вторичная батарея может быть заряжена до максимальной мощности зарядки, которая является результатом первого напряжения между анодом и катодом, умноженным на первый ток между ними в течение первого интервала времени. Существует два основных типа повреждения элементов батареи в результате применения мощности, превышающей максимальную мощность зарядки и являющейся причиной существенной потери емкости батареи. Первой основной причиной повреждения является перегрев, который приводит к повреждению элементов батареи из-за плавления и/или создания газов (например, в результате кипения электролита). В итоге, повреждение из-за перегрева может привести к короткому замыканию между электродами. Второй основной причиной повреждений является покрытие, также известное как осаждение металла, которое происходит из-за интеркаляции электродов, которые принимают ионы в структуру кристаллической решетки. Во время обычной работы ионы химически внедряются в электрод, где они вступают в реакцию с электродом, улавливая металлические продукты реакции внутри структуры решетки. Однако, при использовании мощности, превышающей максимальная мощность зарядки, ионы реагируют на поверхности интеркаляции электрода и формируют металлический слой или покрытие на поверхности. Формирование этого металлического слоя происходит неравномерно и может создавать игольчатые структуры дендритов, которые попадают на мембрану, что в конечном итоге может привести к короткому замыканию элементов батареи.
[0008] Патент США 6,117,585 на имя Анани и других раскрывает гибридное устройство накопления энергии, сконструированное в виде набора слоев с двумя слоями электродов и первым электролитом, формируя аккумуляторную батарею. Второй электролит, расположенный между третьим электродом и одним из электродов батареи, образует электролитический конденсатор. Устройство Анани и др. '585 требует внешнего проводника для прямого соединения несмежных электродов батареи с конденсатором электрода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Изобретение предлагает быстрозарядный композит со вторым электролитом, который включает третьи ионы, имеющие положительный заряд и четвертые ионы, имеющие отрицательный заряд. Быстрозарядный композит примыкает к одному из электродов вторичной батареи, который является смежным электродом, а остающийся электрод вторичной батареи является дистанционным электродом, который электрически отделен от быстрозарядного композита. Быстрозарядный композит реагирует на приложение второй электрической мощности, которая больше максимальной мощности зарядки, которая может быть применена для зарядки вторичной батареи, используя традиционные средства зарядки и прилагая первое напряжение между электродами вторичной батареи, чтобы создать первый ток между ними. Вторая электрическая мощность является функцией второго напряжения между бастрозарядным композитом и смежным электродом, умноженным на второй ток между ними в течение второго временного интервала. Приложение второй электрической мощности принуждает третьи и четвертые ионы мигрировать между указанным смежным электродом и быстрозарядным композитом, изменяя электрохимический потенциал на смежных электродах, что позволяет вторичной батарее сохранять заранее заданное количество электрической энергии во втором временном интервале, который короче, чем первый временной интервал, что по сравнению с традиционной зарядкой означает повышение максимальной мощности зарядки. Другими словами, батарея с быстрозарядным композитом может быть заряжена в течение более короткого времени по сравнению с традиционной зарядкой обычными средствами.
3
[0010] Изобретение также обеспечивает способ создания такого быстрозарядного композита со вторым электролитом, включающего следующие стадии: растворение AlCl в этаноле, чтобы создать фоновый раствор, включающий глицерол, и создать второй электролит, включающий третьи ионы, имеющие положительный заряд и четвертые ионы, имеющие отрицательный заряд, и пропитывание сепаратора из электроизоляционного материала вторым электролитом.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Изобретение в его широком смысле обеспечивает быстрозарядный композит, позволяющий вторичной батарее аккумулировать заранее заданное количество электрической энергии за меньшее время, чем это возможно с помощью традиционной зарядки, прилагая первое напряжение и ток между выводами батареи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Другие преимущества настоящего изобретения можно оценить при чтении следующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
[0013] Фигура 1 - схематический вид в разрезе вторичной батареи с быстрозарядным композитом, примыкающим к катодному слою вторичной батареи.
[0014] Фигура 2 - схематический вид в разрезе вторичной батареи с быстрозарядным композитом, примыкающим к анодному слою вторичной батареи.
[0015] Фигура 3 - схематический вид сверху в разрезе вторичной батареи с быстрозарядным композитом, расположенным под катодным слоем вторичной батареи.
[0016] Фигура 4 - схема вторичной батареи, заряжаемой с помощью традиционных средств с показом движения ионов и обычного (положительного) тока.
[0017] Фигура 5 - схема быстрозарядной системы с быстрозарядным композитом, примыкающим к катодному слою с показом движения ионов и обычного (положительного) тока во время зарядки вторичной батареи с использованием быстрозарядного композита и при разряде вторичной батареи.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ВОПЛОЩЕНИЯ
[0018] На приведенных чертежах одинаковые цифровые позиции обозначают соответствующие одинаковые части быстрозарядной системы 20, включая вторичную батарею 22 емкостью, достаточной для хранения заранее заданного количества электрической энергии. Термин ''вторичная батарея'' относится к электрохимическому заряжаемому накопителю энергии.
[0019] Как показано на чертежах, вторичная батарея 22 включает пару электродов 32, 46, включая анодный слой 32 и катодный слой 46, расположенных параллельно, и на некотором расстоянии друг от друга.
[0020] Анодный слой 32 состоит из 99,4-99,9% по весу твердого алюминия чистотой 99,95% и 0,1-0,6% по весу индия с первыми прямоугольными границами для определения первой длины 1,2 см, первой ширины 1,7 см и первой толщины 0,1 мм. Отрицательный вывод 34 элементов батареи выполнен из электропроводящего материала и находится в электрическом контакте с анодным слоем 32 для пропуска электрического тока к внешним цепям для зарядки или разрядки вторичной батареи 22. Отрицательный вывод вторичной батареи 34 также может служить в качестве точки подключения к другой ячейке батареи как части многоэлементной вторичной батареи. Отрицательный вывод вторичной батареи 34 может быть проводом, зажимом, клеммой или любым другим подходящим средством для создания электрического соединения.
[0021] Анодный слой 32 входит в электрический контакт с отрицательным выводом вторичной батареи 34 через электропроводящий цемент 36, которая включает частицы, содержащие металл 92. Примеры таких цементов 36 представлены в источнике: «Two Part Conductive Silver Paint (Part No. 12642-14), sold by Electron Microscopy Sciences and Solder-It Aluminum Solder Paste, sold by SOLDER-IT, INC. of Pleasantville, New York»
[0022] Катодный слой 46 имеет вторую прямоугольную границу со второй длиной 1,4 см, второй шириной 1,9 см и второй толщиной 0,1 мм. Катодный слой 46 включает целлюлозную подложку 48 и электроактивный слой 28, расположенный на подложке 48 на стороне, обращенной к анодному слою 32. Другими словами, электроактивный слой 28 покрывает поверхность и входит в структуру подложки 48. Электроактивный слой 28 катодного слоя 46 содержит множество решеток основы 54, которые определяют множество пор 56, и включает в себя сопряженную систему с делокализованным пи-электронами. Сопряженная система определяется как система взаимосвязанных p-орбиталей, содержащих делокализованные электроны в химических соединениях. Более конкретно, сопряжение представляет собой перекрытие одной p-орбитали другой через одинарные сигма-связи. Одним таким соединением, имеющим такую сопряженную систему, является графит. Другие соединения, такие как полианилин и полисопряженные линейные углеводородные полимеры, также включают сопряженные системы с перекрываемыми p-орбиталями.
[0023] Положительный вывод батареи 50, содержащий терморасширяющийся графит, электрически соединен с электроактивным слоем 28 катодного слоя 46 для пропуска электрического тока к внешним цепям для зарядки и/или разрядки вторичной батареи 22. Графитовый клей 52, скрепляет электроактивный слой 28 с положительным выводом 50 батареи и пропускает электрический ток между ними. Один положительный вывод 50 батареи состоит из терморасширенной графитовой фольги 66. Альтернативный положительный вывод 50 батареи включает графитовый стержень диаметром 0,1 мм. Положительный вывод 50 батареи также может служить в качестве точки подключения к другой ячейке батареи как части многоэлементной вторичной батареи. Положительный вывод 50 батареи может быть проводом, зажимом, клеммой или любым другим средством, подходящим для электрического соединения. Однако металлические проводники не должен находиться в прямом контакте с решеткой основы 54 катодного слоя 46, потому что металл может мигрировать в решетку основы 54 и влиять на работу катодного слоя 46 при зарядке и разрядке вторичной батареи 22.
[0024] Легирующая примесь 58, содержащие алкоголят алюминия и глицерат алюминия приклеивается к сопряженной системе решетки основы 54, и служить для изменения электрохимических свойств электроактивного слоя 28 катодного слоя 46 для увеличения скорости реакций ионов с первыми ионами 24 и вторыми ионами 26 для зарядки и разрядки вторичной батареи 22. Легирующая примесь 58 также включена в решетку основы 54, и частицы 92 примеси 58 внедряются в поры 56 решетки основы 54.
1
[0025] Целлюлозная мембрана 38 имеет третью толщину 40 порядка 0,08 мм и определяет множество пор 42 между слоем анода 32 и слоем катода 46 для обеспечения электрической изоляции и определения первого напряжения V между ними. Мембрана 38 является электрическим изолятором, но проницаема для растворенных ионов.
1
MAX
[0026] Мембрана 38 смачивается первым электролитом 44, и первый электролит 44 заполняет поры 42 мембраны 38. Первый электролит 44 включает первые ионы 24, которые содержат алюминий и имеют положительный заряд. Первый электролит 44 также включает вторые ионы 26, которые содержат алюминий и имеют отрицательный заряд. Первый электролит 44 теряет эффективность, если приложенное первого напряжение V превышает заранее заданное максимальное напряжение V.
1
MAX
[0027] Избыточная миграция ионов осуществляется первым электролитом 44 через мембрану 38 в ответ на приложение первого тока I между положительным выводом 50 батареи и отрицательным выводом вторичной батареи 34, который превышает заданное максимальное значение тока I.
МАХ
1
1
1
MAX
1
MAX
[0028] Максимальная зарядная мощность Р определяется как первое напряжение V. умноженное на ток I, с первым напряжением V, превышающим заданное максимальное напряжение V или как первый ток I, превышающий заданный максимальный ток I.
МАХ
1
МАХ
[0029] Вторичная батарея может быть заряжена с мощностью зарядки меньше максимальной зарядной мощности Р, приложенной в течение первого временного интервала T, как в случае традиционного способа зарядки вторичной батареи 22, схематически показанного на фигуре 4. Приложение мощности, превышающей максимальную зарядную мощность Р между положительным выводом 50 батареи и отрицательным выводом вторичной батареи 34 может привести к необратимым повреждениям первого электролита 44 и/или мембраны 38, и/или электродов 32, 46, что значительно уменьшит емкость вторичной батареи 22.
4
2
3
5
3
2
4
4
+
~
[0030] Первый электролит 44, в основном, состоит из глицерола и первых ионов 24, содержащих алюминий и имеющих положительный заряд, и вторых ионов 26, содержащих алюминий и имеющих отрицательный заряд. Первые ионы 24 включают [AlCl(O)⋅{СН(ОН)}], а вторые ионы 26 включают ионы [Al(C1l0)]. Первые ионы 24 и вторые ионы 26 мигрируют и вступают в реакцию с анодным слоем 32 и катодным слоем 46, чтобы зарядить или разрядить вторичную батарею 22.
[0031] Быстрозарядный композит 60 входит контакт с одним из электродов 32, 46 вторичной батареи 22. Быстрозарядный композит 60 имеет третью прямоугольную границу с третьей длиной и третьей шириной между первой прямоугольной границей анодного слоя 32 и второй прямоугольной границей катодного слоя 46.
[0032] Быстрозарядный композит 60 включает целлюлозный сепаратор 62, пропитанный вторым электролитом 64, который включает третьи ионы 94, содержащие алюминий и имеющие положительный заряд. Второй электролит 64 включает четвертые ионы 96, содержащие алюминий и имеющие отрицательный заряд. Сепаратор 62 расположен параллельно одному из электродов 32, 46, который обозначен как смежный электрод 32, 46. Другой из электродов 32, 46, который не находится в контакте с сепаратором 62, обозначен как дистанционный электрод 32, 46, который электрически отделен от быстрозарядного слоя 30. Сепаратор 62 является электрическим изолятором, но проницаем для растворенных ионов.
FC
МАХ
[0033] Быстрозарядный композит 60 также включает быстрозарядный слой 30 в виде фольги 66 из терморасширенного графита, который уложен в стопу параллельно сепаратору 62, так что сепаратор 62 зажат между указанным смежным электродом 32, 46 и быстрозарядным слоем 30. Быстрозарядный вывод 68 из электропроводящего материала электрически подключен к быстрозарядному слою 30 и служит для приложения второй электрической мощности P, которая больше максимальной зарядной мощности Р, которая может быть приложена между выводами 34, 50 батареи.
FC
2
2
2
[0034] Вторая электрическая мощность P является функцией второго напряжения V между первым быстрозарядным выводом 68 и выводом 34, 50 батареи смежного электрода 32, 46, умноженного на ток I, который течет через внешнюю цепь между быстрозарядным выводом 68 и выводом 34, 50 батареи соседнего электрода 32, 46 и прилагается в течение второго временного интервала Т.
FC
2
1
МАХ
1
1
FC
2
2
[0035] Вторая электрическая мощность P вызывает миграцию третьих ионов 94 и четвертых ионов 96 через сепаратор 62 между смежным электродом 32, 46 и быстрозарядным слоем 30 для изменения электрохимического потенциала смежного электрода 32, 46. В результате такого изменения потенциала вторичная батарея 22 может аккумулировать заранее заданное количество электрической энергии во втором временном интервале Т, который короче первого временного интервала T при зарядке на уровне или ниже уровня максимальной зарядной мощности Р при традиционной зарядке батареи. Другими словами, для зарядки вторичной батареи 22 можно использовать быстрозарядный композит 60 в меньшее время, чем это возможно средствами традиционной зарядки, прилагая первое напряжение V и первый ток I между выводами батареи 34, 50. На фигуре 5 представлена схема приложения второй электрической мощности P на быстрозарядный слой 30 путем приложения второго напряжения V и второго тока I. На фигуре 5 также показана передача мощности от второй вторичной батареи 22 в резистивную нагрузку, включенную между выводами вторичной батареи 34, 50, в то время как вторичная батарея 22 заряжается с помощью быстрозарядного композита 60.
2
[0036] Смежный электрод 32, 46, должен быть проницаемыми для третьих ионов 94 и четвертых ионов 96. Более конкретно, достаточное количество третьих ионов 94 и четвертых ионов 96 должно проникать в соседние электроды 32, 46 в ответ на приложение второго напряжения V, и вызвать достаточное изменение электрохимического потенциала на смежных электродах 32, 46, чтобы позволить вторичной батарее 22 аккумулировать заранее заданное количество электрической энергии. Катодный слой 46, который содержит решетку основы 54, имеющие сопряженную систему с делокализованным пи-электронами, может быть использован в качестве смежного электрода 32, 46. Альтернативно, анодный слой 32 может быть использован в качестве смежного электрода 32, 46. Такой анодный слой 32 может быть сформирован, например, в виде ячеистого пенопласта или твердых частиц 92 или связанных вместе гранул.
2
1
2
MAX
[0037] Из-за электрической изоляции между дистанционным электродом 32, 46 и быстрозарядным композитом 60, второе напряжение, V может отличаться от первого напряжение V. Это означает, что возможно приложение второго напряжения V, которое превышает максимальное напряжения V и может повредить первый электролит 44 и/или мембрану 38, и/или электроды 32, 46, если оно будет приложено между электродами 32, 46.
[0038] В одном варианте воплощения, смежным электродом 32, 46 является катодный слой 46, и дистанционным электродом 32, 46 является анодный слой 32, при этом каждый из них электрически отделен от быстрозарядного слоя 30.
[0039] Во втором, альтернативном варианте смежным электродом 32, 46 является анодный слой 32, а дистанционным электродом 32, 46 является катодный слой 46, и каждый из них электрически отделен от быстрозарядного слоя 30.
[0040] Настоящее изобретение также обеспечивает способ создания быстрозарядного композита 60, объединенного с вторичной батареей 22.
[0041] Способ включает следующие стадии: укладка сепаратора 62 из электроизоляционного материала либо на анодный слой 32, либо на катодный слой 46 и параллельно этому слою, делая его смежным электродом 32, 46; укладка быстрозарядного слоя 30 из терморасширенной графитовой фольги 66 на сепаратор 62 так, что сепаратор 62 расположен между быстрозарядным слоем 30 и быстрозарядным выводом 68 в электрическом контакте с быстрозарядным слоем 30 через токопроводящий клей 52 из графитовой краски.
3
3
2
[0042] Способ включает стадии получения второго электролита 64, включающие: растворение порошка AlCl в этиловом спирте до насыщения, чтобы создать фоновый раствор 78, содержащий 40% по весу фонового раствора 78 и 60% по весу глицерола, чтобы создать бинарный растворитель 80, истирание 1 см 99.4-99,9% по весу алюминия чистотой 99,95% и 0,1-0,6% по весу индия, чтобы получить опилки 82 эквивалентной площадью поверхности от 20 до 30 см, погружая опилки 82 в 150-200 мл бинарного растворителя 80 до полного растворения опилок 82, чтобы получить второй электролит 64, который включает третьи ионы 94, которые содержат алюминий и имеют положительный заряд, и четвертые ионы 96, которые содержат алюминий и имеют отрицательный заряд.
[0043] Способ завершается на стадии смачивания сепаратора 62 вторым электролитом 64.
[0044] Очевидно, что в свете приведенного выше описания возможны различные модификации и варианты настоящего изобретения, который на практике могут быть осуществлены иначе, чем конкретно описано здесь без выхода из объема прилагаемой формулы изобретения. Новизна относительно известного уровня техники в формуле изобретения излагается в разделе после слов «отличающийся тем». Новизна после изложения старой и хорошо известную комбинации составляет сущность изобретение. Использование слова «указанный» в формуле изобретения относится к антецеденту, который является положительным при включении в объем формулы изобретения. Ссылки в формуле изобретения предназначены только для удобства и никоим образом не могут считаться ограничивающими изобретение.
СПИСОК ЭЛЕМЕНТОВ