ПЕРВИЧНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве батарей из первичных химических источников тока (ИТ), например, с тионилхлорид-литиевыми или сульфурилхлорид-литиевыми ИТ, предназначенных для резервного электропитания систем телемеханики и аварийной сигнализации, для обеспечения электроэнергией автономной аппаратуры внутритрубных диагностических устройств и приборов нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных источников электроэнергии постоянного тока для питания других различных электронных устройств и приборов.
Известна первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, два последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, объединенных в едином корпусе, оборудованном контактными выводами, при этом в качестве первичных литиевых ИТ используют ИТ, энергия которых лежит в диапазоне 25-125 Вт-час, а разброс электрической емкости между ИТ составляет не более 15%, при этом батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит, по крайней мере, два диода, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, и последовательно соединенные термопредохранитель и диод, подключенные к выходу ИТ, последнего в цепи последовательно соединенных ИТ. Внутренняя полость корпуса батареи полностью заполнена полимерным материалом, который препятствует замыканию корпусов ИТ между собой (см. патент РФ на полезную модель №39745, МПК Н 01 М 10/48, опубл. 10.08.2004 г.).
Однако известная первичная литиевая батарея является недостаточно взрыво-безопасной. Это связано с тем, что при коротком замыкании ИТ происходит его быстрый нагрев, сопровождающийся повышением давления внутри корпуса ИТ, после чего происходит взрыв ИТ. Это приводит к повреждению соседних ИТ, возникновению в них внутренних коротких замыканий, их быстрому разогреву, взрыву и разрушению батареи в целом. Кроме того, при нагреве пластмасс, контактирующих с поверхностью разогретых ИТ, применяемых для изготовления корпуса и заливки внутреннего пространства батареи, возникает обильное газовыделение из-за термического разложения пластмасс, которое в конечном итоге приводит к повышению давления внутри батареи, батарейной секции и дальнейшему взрыву.
Известна также первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первичных литиевых ИТ, объединенных в едином корпусе, оборудованном контактными выводами, при этом батарея дополнительно снабжена электронным регулятором, который содержит диоды, каждый из которых соединен параллельно с одним ИТ, и, по крайней мере, два диода, подключенных последовательно после каждого ИТ, являющегося последним в каждой цепи последовательно соединенных ИТ, при этом батарея содержит литиевые ИТ одной электрохимической системы, а все цепи содержат одинаковое количество ИТ, при этом разность между значениями выходного напряжения батареи без внешней нагрузки и выходного напряжения батареи под нагрузкой не превышает четырехкратного значения выходного напряжения любого ИТ батареи, измеренного без нагрузки. При этом внутренняя полость корпуса батареи полностью заполнена полимерным материалом (см. патент РФ на полезную модель №43106, МПК Н 01 М 10/48, опубл. 27.12.2004 г.).
Известная первичная литиевая батарея также является недостаточно взрывобезопасной. Это объясняется тем, что при коротком замыкании ИТ происходит его быстрый нагрев, сопровождающийся повышением давления внутри корпуса ИТ, после чего происходит взрыв ИТ. Это приводит к повреждению соседних ИТ, возникновению в них внутренних коротких замыканий, их быстрому разогреву, взрыву и разрушению батареи в целом. Кроме того, при нагреве пластмасс, контактирующих с поверхностью разогретых ИТ, применяемых для изготовления корпуса и заливки внутреннего пространства батареи, возникает обильное газовыделение из-за термического разложения пластмасс, которое в конечном итоге также приводит к повышению давления внутри батареи, батарейной секции и дальнейшему взрыву.
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является первичная литиевая батарея ТХЛ 360 А (17×9 ER 20), содержащая силовые и технологические разъемы, зону внутрисхемных соединений, расположенную в средней части батареи, первичные литиевые ИТ типа SW-D02 в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости, корпуса которых имеют цилиндрическую форму, причем ИТ снабжены герметичным контактным выводом на одном из оснований, а пространство между корпусами ИТ для их закрепления полностью заполнено полимерным материалом, в качестве которого использован полимерный компаунд типа АДВ-13-2 ТУ 222Б-046-227369-60-99 (см. Техническая документация. Сборочный чертеж ЛИТГ. 563213.008СБ, п.5 технических требований чертежа, изготовитель ОАО "ЛИТИЙ-ЭЛЕМЕНТ", г. Саратов).
Недостатком известной первичной литиевой батареи также является ее низкая взрывобезопасность. Это объясняется тем, что батарея имеет большое количество первичных литиевых ИТ и при коротком замыкании любого из ИТ происходит его быстрый нагрев, сопровождающийся повышением давления внутри корпуса ИТ, после чего происходит взрыв ИТ. Это приводит к повреждению соседних ИТ, возникновению в них внутренних коротких замыканий, их быстрому разогреву, взрыву и разрушению батареи в целом. Кроме того, возможные внутрисхемные замыкания также могут приводить к непредсказуемым последствиям, включая нагрев батареи до взрыва ИТ и полного разрушения батареи. При этом при нагреве от ИТ пластмасс, применяемых, например, для заливки внутреннего пространства батареи, возникает обильное газовыделение, приводящее к повышению давления внутри батареи, герметичного батарейного отсека и последующему их взрыву. Это приводит к снижению безопасной эксплуатации батареи (повышению взрыво - и пожароопасности) и уменьшению ресурса ее безаварийной работы.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение взрывобезопасности при эксплуатации батареи.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является уменьшение температуры и давления внутри ИТ и батареи в процессе эксплуатации при аварийных ситуациях.
Поставленная задача достигается тем, что в первичной литиевой батарее, содержащей источники тока (ИТ), в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости, при этом корпуса ИТ имеют цилиндрическую форму, снабжены контактным выводом на одном из оснований и закреплены относительно друг друга, согласно полезной модели, корпус каждого ИТ снабжен предохранительным средством для сброса избыточного давления, при этом пространство внутри корпуса каждого ИТ и пространство, окружающее батарею, сообщаются друг с другом при срабатывании предохранительного средства для сброса избыточного давления через, по крайней мере, одну полость, выполненную в батарее.
Целесообразно, чтобы предохранительное средство для сброса избыточного давления ИТ выполнено в виде линии ослабления прочности, размещенной на одном из оснований ИТ.
Поставленная задача также достигается тем, что в первичной литиевой батарее, содержащей источники тока (ИТ), в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости, при этом корпуса ИТ имеют цилиндрическую форму, снабжены контактным выводом на одном из оснований и закреплены
относительно друг друга, согласно полезной модели, корпус каждого ИТ снабжен предохранительным средством для сброса избыточного давления, при этом пространство внутри корпуса каждого ИТ и пространство, окружающее батарею, сообщаются друг с другом при срабатывании предохранительного средства для сброса избыточного давления через, по крайней мере, одну полость, выполненную в батарее, причем пространство между ИТ для их закрепления частично заполнено полимерным материалом, а зона заливки поверхности корпуса ИТ полимерным материалом расположена в области, по крайней мере, одного из оснований ИТ.
Целесообразно, чтобы предохранительное средство для сброса избыточного давления ИТ выполнено в виде линии ослабления прочности, размещенной на одном из оснований ИТ. Кроме того, целесообразно выполнение зоны заливки поверхности корпуса ИТ полимерным материалом в пределах не более 30% высоты корпуса ИТ от его основания, которое снабжено контактным выводом, и не более 25% высоты корпуса ИТ от его противоположного основания.
Все варианты выполнения предложенной первичной литиевой батареи направлены на решение одной и той же технической задачи при достижении общего технического результата.
В рассмотренных аналогах первичных литиевых батарей ИТ не снабжены предохранительным средством для сброса избыточного внутрикорпусного давления ИТ и, по крайней мере, одной полостью, соединяющими пространство внутри корпуса каждого ИТ и пространство, окружающее батарею, для отвода продуктов, выделяющихся из ИТ при вскрытии (срабатывании) средства для сброса внутрикорпусного давления ИТ.
2
При этом в ИТ, например, при внутренних коротких замыканиях, может развиваться давление до 80-120 кгс/см и повышаться температура свыше 350°С. Это приводит к взрыву ИТ, повреждению соседних ИТ, включая возникновение в них внутренних коротких замыканий, и разрушению (взрыву) батареи в целом.
2
Предохранительное средство для сброса избыточного внутрикорпусного давления в ИТ срабатывает, например, при давлении в ИТ порядка 20-25 кгс/см и температуре ИТ порядка 100-120°С. После его срабатывания пространство внутри корпуса аварийного ИТ и пространство, окружающее батарею, т.е. внешняя среда, оказываются соединенными (совмещенными) друг с другом, и продукты, выделяющиеся из ИТ при его вскрытии беспрепятственно выйдут за пределы батареи, снижая внутрикорпусное давление внутри ИТ и его температуру, а также давление и температуру внутри батареи в целом.
Это исключит возможность взрыва корпуса ИТ и механического повреждения соседних ИТ, т.е. разрушения (взрыва) батареи в целом и приведет к повышению пожаро - и взрывобезопасности батареи. Это происходит за счет снижения давления внутри каждого «аварийного» ИТ при его замыкании (срабатывает предохранительное средство для сброса избыточного внутрикорпусного давления ИТ), и исключении повышения давления и температуры внутри батареи в целом за счет сбрасывания продуктов, выделяющихся из ИТ, например, электролита, в пространство вне батареи, например, в герметичный кожух батарейной секции. При этом взрыва и повреждения ИТ, расположенных рядом с «аварийным» ИТ, не происходит и после аварии возможно штатное отключение батареи в целом.
Кроме того, в процессе транспортировки батареи, ее установки в батарейную секцию электрическая изоляция компонентов батареи может быть нарушена. Вследствие ограниченности пространства внутри батареи (ИТ и электрические компоненты батареи, зона внутрисхемных соединений находятся на близком расстоянии друг от друга), это может привести к пробою изоляции в процессе эксплуатации батареи и возникновению внутрисхемных замыканий. Внутрисхемные замыкания могут приводить к нагреву ИТ батареи, взрыву ИТ и полному разрушению батареи.
В известных батареях, принятых в качестве прототипа, заливочный полимерный материал, контактируя с сильно нагретым ИТ, соответственно получал от него тепло и нагревался до температуры газовыделения.
В связи с этим, во втором варианте предложенной батареи предлагается пространство между ИТ для их закрепления частично заполнять полимерным материалом, при этом зона заливки поверхности корпуса ИТ полимерным материалом располагается в области, по крайней мере, одного из оснований ИТ. Частичная заливка пространства между корпусами ИТ приводит к уменьшению полимерного материала в каждой батареи и батарейном отсеке в целом и, соответственно, уменьшению газовыделения из нагретого полимерного материала, что уменьшает давление и температуру внутри батареи.
Кроме того, при нагреве ИТ максимально нагревается его центральная часть. В предложенной конструкции батареи при нагреве ИТ полимерный материал, находящийся в контакте с поверхностью корпуса ИТ в области основания, например, в пределах не более 30% высоты корпуса ИТ от его основания, которое снабжено контактным выводом, и не более 25% высоты корпуса ИТ от его противоположного основания, имеет температуру ниже температуры термического разложения полимерного материала, при котором начинается газовыделение. Таким образом, по сравнению с
прототипом, предлагаемая батарея в различных внештатных ситуациях, сопровождающихся нагревом корпуса ИТ, например, при коротком замыкании, не выделяет газообразных продуктов и взрывобезопасна для герметичных батарейных отсеков диагностических устройств и приборов нефтепроводов и газопроводов.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан пример конструктивного выполнения предложенной батареи, по первому варианту, продольный разрез; на фиг.2 - пример конструктивного выполнения предложенной батареи, по второму варианту, продольный разрез; на фиг.3 - узел I на фиг.1 (в увеличенном масштабе); на фиг.4 - узел II на фиг.2 (в увеличенном масштабе); на фиг.5 - разрез А-А на фиг.3 и 4; на фиг.6 - приведен график распределения температуры по высоте поверхности корпуса литиевого ИТ, например, типа SW-D02 при коротком замыкании.
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - корпус ИТ; 2 - герметичный контактный вывод ИТ; 3 - заливочный полимерный материал; 4 - силовой разъем; 5 -стягивающие шпильки; 6 - технологический разъем; 7 - зона внутрисхемных соединений; 8 - предохранительное средство для сброса избыточного давления; 9 - полости в батарее; 10 - изоляционные распорные прокладки. Буквой / на фиг.2 и 6 показана глубина заливки корпуса ИТ, а буквой И - высота корпуса ИТ.
Первичная литиевая батарея, по первому варианту, содержит первичные литиевые ИТ, в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости (энергии). Корпуса 1 ИТ имеют цилиндрическую форму и снабжены герметичным контактным выводом 2 на одном из оснований. При этом корпуса 1 ИТ закреплены полимерным материалом 3 относительно друг друга (фиг.1 и 2).
Батарея может иметь корпус, который также может быть выполнен из полимерного материала и сформирован способом отливки одновременно с закреплением ИТ относительно друг друга тем же полимерным материалом 3. Батарея снабжена силовым разъемом 4, крышка батареи зафиксирована стягивающимися шпильками 5, а со стороны, противоположной расположению силового разъема 4, расположен технологический разъем 6. Зона 7 внутрисхемных соединений может быть расположена в центральной зоне батареи (фиг.1).
Батарея может быть выполнена без корпуса, при этом она формируется способом отливки, а ее внешние габаритные размеры определяются заливочным полимерным материалом 3, закрепляющим ИТ, и на который крепятся силовой разъем 4 и технологический разъем 6.
Корпус 1 каждого ИТ снабжен предохранительным средством 8 для сброса избыточного давления, возникающего внутри корпуса 1 ИТ, например, при его коротком замыкании, при этом батарея снабжена, по крайней мере, одной полостью 9, соединяющей пространство внутри корпуса 1 ИТ и пространство, окружающее батарею, при срабатывании предохранительного средства 8 для сброса избыточного давления (фиг.3).
Таким образом, полости 9 выполняют функцию дренажа продуктов, выделяющихся из корпуса 1 ИТ. Полости 9 могут сообщаться и быть объединены в единую дренажную систему батареи, образуя канал для выводы продуктов из ИТ. Предохранительное средство 8 для сброса избыточного давления ИТ внутри корпуса 1 ИТ выполнено, например, в виде линии ослабления прочности, размещенной на одном из оснований ИТ (фиг.5). Линия ослабления прочности представляет собой зону - прямую, в которой толщина материала значительно уменьшена по сравнению с общей средней толщиной материала в месте расположения линии.
Также предохранительное средство 8 для сброса избыточного давления ИТ внутри корпуса 1 ИТ может быть выполнено в виде клапана, размещенного, например, на корпусе 1 ИТ и срабатывающего (открывающегося) при возникновении избыточного давления сверх предельно допустимой нормы внутри корпуса 1 ИТ.
Первичная литиевая батарея, по второму варианту, содержит первичные литиевые ИТ, в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости (энергии). Корпуса 1 ИТ имеют цилиндрическую форму и снабжены герметичным контактным выводом 2 на одном из оснований. При этом корпуса 1 ИТ закреплены полимерным материалом 3 относительно друг друга (фиг.2).
Батарея может иметь корпус, который также может быть выполнен из полимерного материала и сформирован способом отливки одновременно с закреплением ИТ относительно друг друга тем же полимерным материалом 3. Батарея снабжена силовым разъемом 4, крышка батареи зафиксирована стягивающимися шпильками 5, а со стороны, противоположной расположению силового разъема 4, расположен технологический разъем 6. Зона 7 внутрисхемных соединений может быть расположена сверху и снизу батареи (фиг.2).
Корпус 1 каждого ИТ снабжен предохранительным средством 8 для сброса избыточного давления, возникающего внутри корпуса 1 ИТ, например, при его коротком замыкании, при этом батарея снабжена, по крайней мере, одной полостью 9, соединяющей пространство внутри корпуса 1 ИТ и пространство, окружающее батарею, при срабатывании предохранительного средства 8 для сброса избыточного давления
(фиг.4). Таким образом, полостью 9 выполняет функцию дренажа продуктов, выделяющихся из корпуса 1 ИТ. Полость 9 может представлять собой дренажную систему батареи, и может быть выполнена, например, в виде канала для вывода продуктов из ИТ. Предохранительное средство 8 для сброса избыточного давления ИТ внутри корпуса 1 ИТ выполнено, например, в виде линии ослабления прочности, размещенной на одном из оснований ИТ (фиг.5). Линия ослабления прочности представляет собой зону - прямую, в которой толщина материала значительно уменьшена по сравнению с общей средней толщиной материала в месте расположения линии.
Также предохранительное средство 8 для сброса избыточного давления ИТ внутри корпуса 1 ИТ может быть выполнено в виде клапана, размещенного, например, на корпусе 1 ИТ и срабатывающего (открывающегося) при возникновении избыточного давления сверх предельно допустимой нормы внутри корпуса 1 ИТ.
Пространство между ИТ для их закрепления частично заполнено полимерным материалом 3, а зона заливки поверхности корпуса 1 ИТ полимерным материалом расположена в области, по крайней мере, одного из оснований ИТ. Корпуса 1 ИТ могут быть разделены изоляционными распорными прокладками 10 (фиг.2). Зона заливки поверхности корпуса 1 ИТ полимерным материалом 3 может лежать в пределах не более 30% высоты корпуса 1 ИТ от его основания, которое снабжено контактным выводом 2, и не более 25% высоты корпуса 1 ИТ от его противоположного основания.
В качестве полимерного материала 3 может быть использована либо эпоксидная смола К-153 (ТУ 2225-509-00203521-94), либо полиэтиленполиамины (ТУ 6-02594-85), либо компаунд АГ-4 (ГОСТ 20437-89), либо термореактивная кремнийорганическая смола, либо термореактивная фенольная смола, либо термореактивная эпоксидная смола, а также другие аналогичные по физико-химическим свойствам полимерные материалы.
В качестве ИТ могут быть применены литиевые источники тока типа SW-D02 (изготовитель VITZROCELL Co., Ltd, Korea) типоразмера D (ER20) с рулонными электродами (спиральный) на основе системы литий-тионилхлорид (Li-SOCb), имеющие металлостеклянный герметичный контактный вывод, невоспламеняемый электролит, номинальное напряжение 3,6 В и номинальную емкость 14 А·ч.
В процессе работы батареи, по первому и второму вариантам, при возникновении избыточного давления внутри корпуса ИТ, происходящего, например, при его коротком замыкании, срабатывает предохранительное средство 8 для сброса избыточного давления внутри ИТ. При этом в случае выполнения предохранительного средства 8 для сброса избыточного давления в виде линии ослабления прочности, размещенной
на одном из оснований ИТ, эта линия разрывается. Продукты, выделяющиеся из ИТ, по полостям 9, выполняющих функции дренажных каналов, сбрасываются в пространство вне батареи. Это приводит к снижению давления внутри ИТ и батареи в целом, а также температуры ИТ и батареи и исключает возможность взрыва корпуса 1 ИТ и механического повреждения соседних ИТ, т.е. разрушения (взрыва) батареи в целом и приводит к повышению пожаро - и взрывобезопасности батареи.
Кроме того, в эксплуатации выявлено, что на повышение давления внутри батарейного отсека при нештатных ситуациях (скрытые внутренние дефекты или неправильная эксплуатация батарей) большое влияние оказывает газовыделение, образующееся при сильном нагреве пластмасс, применяемых для изготовления батареи, в частности, заливки ИТ внутри батареи.
В частности, в средней части корпуса поверхности ИТ температура может превышать 350 С. При этом большинство пластмасс, например,
- эпоксидный компаунд (эпоксидная смола К-153 ТУ 2225-509-00203521-94 температура самовоспламенения 400°С-500°С, полиэтиленполиамины ТУ 6-02594-85 температура самовоспламенения 356°С);
- компаунд АГ-4 при температуре 400°С-500°С производится выжигание связующего (ГОСТ 20437-89);
- термореактивные смолы (кремнийорганические, фенольные, эпоксидные) по результатам термогравиметрического анализа резко теряют массу при нагреве до температуры 350°С-400°С,
контактирующих в этой части корпуса ИТ и нагревающихся при их термическом разложении, будут выделять газ, приводящий к повышению давления в батарейном отсеке, с его последующим взрывом.
В процессе использования батареи частичная заливка пространства между корпусами ИТ приводит к уменьшению полимерного материала в каждой батареи и батарейном отсеке в целом, и соответственно уменьшению газовыделения из нагретого полимерного материала, что в свою очередь также как и наличие предохранительного средства 8 для сброса избыточного давления ИТ, которое при срабатывании соединяет пространство внутри корпуса 1 ИТ и пространство, окружающее батарею, снижает давление и температуру внутри батареи, и препятствует ее взрыву.
Как отмечалось, максимально нагревается центральная часть ИТ. Был проведен ряд экспериментов по выявлению причин появления высокого давления в батарейном отсеке с известными батареями типа ТХЛ 360 А, приводящего к его взрыву. Корпуса 1 ИТ в известной батареи были полностью залиты полимерным материалом 3. Определялась
динамика газовыделения из полимерных материалов (пластмасс) при их нагреве в среде воздуха и аргона, а также изменение давления внутри батарейного отсека при горении или взрыве ИТ типа SW-D02. Скачкообразное повышение давления при нагреве пластмасс объясняется реакцией части выделяющихся горючих газов с кислородом воздуха, находящегося в испытательной батарейной секции. В среде аргона этого явления не наблюдается. Ввиду ограниченного количества кислорода в батарейной секции это не оказывает существенного влияния на общее давление. Примерное распределение температур по высоте корпуса ИТ вышеуказанной батареи при его коротком замыкании видно из графика, приведенного на фиг.6.
Из-за возможности повышения температуры более 350°С в средней части корпуса поверхности ИТ пластмассы, контактирующие в этой части корпуса ИТ, при их термическом разложении будут выделять газ, приводящий к повышению давления в батарейном отсеке, с его последующим взрывом.
На графике (фиг.6) наглядно видны безопасные зоны по высоте корпуса 1 ИТ, где температура не превышает 350°С, т.е. зоны поверхности корпуса 1 ИТ, расположенные в пределах не более 30% высоты Н корпуса ИТ от его основания, которое снабжено герметичным контактным выводом 2, и не более 25% высоты Н корпуса ИТ от его противоположного основания.
Таким образом, предложенная конструкция батареи может быть использована при производстве батарей из первичных химических ИТ, например, с литий-тионилхлоридными или литий-сульфурилхлоридными ИТ, и обладает взрывобезопасностью и повышенным эксплуатационным ресурсом в сравнении с прототипом.