ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР

Полезная модель относится к перезаряжаемым литиевым электрохимическим источникам тока - литий-ионным аккумуляторам (ЛИА).
Из известных ЛИА наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ЛИА, включающий герметичный корпус с крышкой, в котором размещен блок из одной или более пар положительных и отрицательных электродов, разделенных пористым сепаратором, электроды снабжены токопроводящими подложками, а на торцах блока нанесено покрытие из меди или алюминиево-цинкового сплава (см. патент РФ №129301 U, Кл. H01M 10/52, 20.06.2013).
Недостатки этого ЛИА заключаются, во-первых, в том, что половина поверхности 4-х слоев активных масс блокирована токопроводящими подложками; во-вторых, в том, что использование указанных подложек создают стоимостные, организационные и технологические трудности в производстве.
Указанные недостатки известного ЛИА иллюстрирует фиг. 1.
На ней показано поперечное сечение пакета (из одной пары электродов и двух сепараторов) ЛИА.
Пакет включает: а) анод, состоящий из подложки 1 и слоев активной массы 2 на каждой стороне подложки;
б) катод, состоящий из подложки 3 и слоев активной массы 4 на каждой стороне подложки;
в) два сепаратора 5.
Подложки в данном случае, либо фольговые, либо из металлизированных полимерных лент.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение удельных электрических разрядных характеристик ЛИА и снижение стоимости производства.
2
Указанный технический результат достигается тем, что ЛИА включает герметичный корпус с крышкой, в котором размещен блок из одной или более пар положительных и отрицательных электродов, разделенных пористым сепаратором, пропитанным органическим электролитом, при этом на торцах блока нанесено покрытие из меди или алюминиево-цинкового сплава, при этом электроды выполнены плоскими прямоугольной формы, пористые сепараторы в блоке выполняют функцию электродных подложек, блоки поджаты усилием до 8 кг/см.
Использование плоских электродов и сепараторов в качестве электродных подложек позволяет существенно повысить удельные разрядные характеристики за счет уменьшения габаритов блока электродов и двойного увеличения активной поверхности электродов.
Целесообразно, чтобы активные массы электродов обоих знаков были нанесены на подложки только с одной стороны подложки. Это позволяет объединять электроды в блок путем соединения обратными сторонам, на которые нанесены слои активных масс.
2
Целесообразно, чтобы в активные массы положительных электродов известных составов на этапе приготовления суспензий дополнительно были введены не окисленные частицы алюминия с размерами от 0,1 до 10 мкм в количестве не менее 0,0025 г/см покрываемой поверхности. Введение частиц алюминия в состав активной массы обеспечивает требуемую проводимость электрода.
2
2
Целесообразно, чтобы в активные массы отрицательных электродов известных составов на этапе приготовления суспензий дополнительно были введены не окисленные частицы металлов с размером от 0,1 до 10 мкм, алюминия, в количестве не менее 0,0025 г/см покрываемой поверхности для электродов на основе нанотитаната лития, и меди в количестве не менее 0,0135 г/см покрываемой поверхности для электродов на основе углерода, кремния или их смеси. Введение указанных частиц состав активной массы обеспечивает требуемую проводимость электрода. В приведенной ниже таблице указаны металлы предпочтительно подходящие для внесения в активные массы электродов, технологии изготовления из этих металлов неокисленных порошков, а также способы защиты порошков от окисления в процессе их хранения и загрузки в миксер.
Регламентируемые позиции
Активные материалы:
анода
катода
углерод, кремний, их смеси
нанотитанат лития
кобальтат лития, олевин, полиоксиды и др.
1. Металл частиц
медь
алюминий
алюминий
2. Размер частиц, мкм, предпочтительно
0,1-10
0,1-10
0,1-10
3. Технология изготовления порошков (первый передел - выполняется в нейтральной или защитной среде)
Диспергирование методом высокоскоростной закалки из расплава
Диспергирование методом электродугового шоопирования проволоки
4. Технология изготовления порошков (второй
Диспергирование в мельницах тонкого помола
передел - выполняется только в нейтральной среде)
5. Требования к срокам хранения порошков, а также к условиям их хранения и при засыпке в миксер
Сроки хранения порошков - не более 24-х часов после извлечения из мельниц тонкого помола, влажность при хранении, транспортировке к миксеру и при засыпке в миксер - не более 15%
Целесообразно, чтобы пары электродов различных знаков были собраны в блок сторонами, обратными сторонам, на которые нанесены слои активных масс. Это обеспечивает работу обеих сторон электродов.
Целесообразно, чтобы электроды различных знаков были снабжены закраинами, при этом, электроды в сборке расположены так, что закраины находятся по разные стороны от продольной оси электродов. Наличие закраин снижает вероятность закорачивания электродов.
Целесообразно, чтобы собранные в блок электроды различных знаков только в продольном направлении были смещены одни относительно других на расстояние не более 3 мм.
Целесообразно, чтобы размеры закраин на электродах не превышали 3 мм.
Целесообразно, чтобы ЛИА был снабжен системой охлаждения с термодатчиками.
Целесообразно, чтобы ЛИА был снабжен воздушной системой охлаждения, при этом толщина блока электродов составляет не более 6 мм.
Целесообразно, чтобы ЛИА был снабжен жидкостной системой охлаждения, при этом толщина блока электродов составляет не более 12 мм.
Наличие системы охлаждения позволяет существенно увеличить разрядные токи.
Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию ”новизна”.
Сущность полезной модели поясняется чертежами и описанием конструкции и технологии изготовления ЛИА.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение известного ЛИА.
На фиг. 2, эскиз «а», представлен в 3-х проекциях двухэлектродный блок ЛИА предлагаемой полезной модели.
На фиг. 2, основной эскиз, представлен состоящий из многих пар электродов блок электродов (БЭ) предлагаемой полезной модели с нанесенными на торцы проводящими слоями меди и алюминиево-цинкового сплава и приваренными к ним выводами от анодной и катодной групп электродов.
На фиг. 3 представлен вариант исполнения ЛИА предлагаемой полезной модели с жидкостным охлаждением.
На фиг. 4 представлено поперечное сечение ЛИА предлагаемой полезной модели с жидкостным охлаждением.
Для целей пояснения принципа построения конструкции блоков ЛИА предлагаемой полезной модели ее двухэлектродный блок показан на фиг. 2, эскиз «а».
а) Слои активных масс положительного электрода (1) и отрицательного электрода (4) нанесены непосредственно на поверхности пористых сепараторов (соответственно 2 и 3), которые одновременно выполняют функцию подложек электродов;
б) Активные массы электродов обоих знаков (1 и 4) нанесены только с одной стороны каждой из подложек-сепараторов (2 и 3);
в) Пары электродов различных знаков (1-2 и 4-3) собраны в блок сторонами, обратными сторонам, на которые нанесены слои активных масс (соответственно 1 и 4);
г) Электроды различных знаков (1-2 и 4-3) снабжены закраинами, при этом электроды в сборе расположены так, что закраины находятся по разные стороны от оси электродов, а их подложки (соответственно 2 и 3) в поперечном направлении не смещены одна относительно другой;
д) Размеры закраин, обозначенные символом «S», не превышают 3 мм;
е) Сепараторы (5), разделяющие внешние поверхности слоев активных масс (соответственно 1 и 4) каждой пары электродов различных знаков, состоят из двух слоев.
ж) Электроды одного знака смещены в продольном направлении относительно электродов другого знака на величину «ℓ», причем эта величина не может превышать 3 мм.
2
Как двухэлектродные, так и многоэлектродные блоки электродов ЛИА предлагаемой полезной модели по окончанию сборки укладываются в стопки (как правило, не более 25÷50 блоков в стопке) и подвергаются подпрессовке усилием до 8 кг/см.
В подпрессованном виде блоки фиксируются в струбцинах.
После фиксации в струбцинах на торцы блоков на всех участках выхода на торцы блока соответствующих активных масс напыляются:
- если в состав активной массы электрода входят частицы меди - медь;
- если в состав активной массы электрода входят частицы алюминия - алюминиево-цинковый сплав.
В предлагаемой полезной модели слои металлов наносятся, как указано на фиг. 2., основной эскиз, а именно, слой 6 наносится с двух сторон в местах выхода на поверхность торцов блока слоев активных масс отрицательного электрода, а слой 7 - с двух сторон, в местах выхода на поверхность торцов блока активных масс положительного электрода.
Т.о. проводящие слои активных масс (проводимость которых улучшена добавлением в активные массы порошков алюминия и меди) вступают в контакт со слоями металлов, нанесенных на торцы, например, шоопированием.
После завершения металлизации торцов производится приварка токовыводов 8 отрицательного электрода и токовыводов 9 положительного электрода (также в группе), см. фиг. 2.
После завершения перечисленных выше операций блоки в группе в струбцинах поступают на вакуумную сушку, совмещенную с термостабилизацией, а затем подвергаются вакуумной пропитке электролитом. После пропитки электролитом блоки в струбцинах охлаждаются, затем извлекаются из вакуумной камеры.
Избыток электролита удаляется центрифугированием, после чего струбцины разбираются, а блоки поступают на сборку.
Установка ЛИА предлагаемой полезной модели в корпус
В практике разработок ЛИА, предназначенных для работы в системах стабилизации частоты в сетях, в источниках бесперебойного питания, в других применениях, где в течение длительного времени необходимо поддерживать большие разрядные токи, имеет место тенденция - существенное ограничение одного из трех размеров ЛИА - толщины (с целью создания условий для отвода тепла).
Из множества примеров достаточно указать на максимально допустимые толщины ЛИА в конструкциях американской компании Altairnano и корейской компании КОКАМ.
вн
В первом случае речь идет о ЛИА с анодом на основе нанотитаната лития емкостью 60А∗ч с R 0,55 мОм при толщине аккумулятора 12,5 мм (из них на сам пакет электродов и сепараторов приходится 12,2 мм, остальное - двойная толщина защитной пленки).
вн
Во втором - о ЛИА с анодом на основе углерода емкостью 75А∗ч при R 0,5 мОм при толщине аккумулятора 12,3 мм (из них на сам пакет электродов и сепараторов приходится 12 мм, на защитную пленку - 0,3 мм).
Аккумуляторы Altairnano работают в составе поставленной на поток смонтированной в 53-хфутовом контейнере батареи мегаватного модуля при токе до 6С в постоянном режиме в системе стабилизации частоты сети.
Аккумуляторы КОКАМ собираются в модули по 12÷14 штук последовательно соединенных элементов и работают также до 6С в системах сбережения энергии (ESS).
При длительной работе ЛИА при больших токах и при толщинах пакетов «электроды + сепараторы» 12 мм для обеспечения теплового режима (равновесия по теплу) достаточно кондиционера (Altairnano) либо вентилятора (КОКАМ).
ЛИА полезной модели, предлагаемой нами, при ее схожести с известными ЛИА тех же Altairnano и КОКАМ, в силу конструктивных особенностей (отсутствие фольговых подложек) могут иметь разрядные токи, близкие к 12C.
Следовательно, их работоспособность в течение длительного времени будет возможна только при еще более высоких скоростях отвода тепла и при охлаждении таких ЛИА в воздушной среде толщина их пакета (блока) электродов не может быть равной 12 мм, она не может превышать 6 мм.
Сказанное выше, однако, не запрещает нам принять, что толщину пакета (блока) ЛИА предлагаемой полезной модели, равную 12 мм, можно разрешить для случая охлаждения такого ЛИА в жидкой среде.
Теперь обратимся к фиг. 3 и 4.
Блок электродов прямоугольной формы (БЭ) помещен в стальной корпус 11-1 из луженной тонколистовой (0,15÷0,4 мм) стали, глубина корпуса соизмерима с толщиной блока электродов (не более 12 мм) и незначительно превышает ее.
К напыленным на боковые торцы блока электродов проводящим слоям 6 и 7 приварены токовыводы, соответственно 8 и 9.
Блок БЭ с проводящими слоями и токовыводами изолирован от корпуса 11-1 прокладками 10.
Токовыводы 8 и 9 выведены через проходные изоляторы 18, которые припаяны по контуру к корпусу 11-1.
На выходе из изоляторов токоотводы припаяны к токоведущим частям изоляторов.
Корпус 1-1 после завершения перечисленных операций запаян крышкой 11-2 из тонколистовой (0,15÷0,4 мм) луженной стали (крышка 11-2 - см. фиг. 4). Этой операцией завершается сборка собственно ЛИА предлагаемой полезной модели. Естественно, что если этот ЛИА будет предназначен для работы в воздушной среде, толщина его пакета не должна превышать 6 мм.
Если же предусматривается охлаждение в жидкой среде, например, водой, то толщина блока ЛИА будет иметь размер более 6 мм, но не более 12 мм. Сборка изделий в этом случае производится так.
До сборки ЛИА к корпусу 11-1 припаивается фланец 15 (из луженной стали толщиной не более 1 мм).
После сборки ЛИА он устанавливается в сварную стальную ванну 12 (как показано на фиг. 3) и после установки герметизирующих прокладок 17 крепится болтами 16.
Подача воды для охлаждения и слив отработанной воды осуществляется через штуцеры 14.
м
Контроль температуры воды осуществляют термодатчики 13 (T) соответственно на входе и на выходе.
Наряду с мониторингом напряжения данные термодатчиков служат источником информации для систем управления батареями.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный ЛИА может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствуют критерию «промышленная применимость».