КОМПОЗИТНАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ ЯЧЕЙКА
COMPOSITE ACCUMULATOR CELL

Предпосылки создания изобретения
Область изобретения
Данное изобретение относится к аккумуляторной ячейке, в частности, к композитной аккумуляторной ячейке, состоящей из независимых модульных элементов питания, находящихся в корпусе аккумуляторной ячейки с использованием как последовательного, так и параллельного соединения, для достижения высокой емкости и высокого напряжения.
Предшествующий уровень техники
В последние годы, с увеличением объёмов загрязнения воздуха и усилением глобального потепления, на электрические транспортные средства возлагаются большие надежды в том, что они смогут заменить существующие транспортные средства, работающие на ископаемом топливе, что позволит уменьшить экологически вредные эффекты углекислого газа. В настоящее время аккумуляторная система по-прежнему является ключевым элементом чистых электрических транспортных средств. Аккумуляторная система для электрических транспортных средств состоит из нескольких аккумуляторных ячеек, соединенных друг с другом последовательно, параллельно или в комбинациях для достижения необходимой емкости и напряжения для электрических транспортных средств.
Пожалуйста, обратитесь к фигурам 1А и 1В, отображающим наиболее распространенный вариант, в котором множество элементов батареи 71 соединены друг с другом параллельно. Затем корпус 72 используется для упаковки элементов батареи 71, чтобы сформировать аккумуляторную ячейку 73. Проводящий вывод 74, выходящий из корпуса 72, используется для внешнего последовательного подключения для достижения достаточно высокого напряжения для формирования аккумуляторной системы 75 для электрических транспортных средств. В альтернативном способе используется корпус 72 для размещения множества элементов батареи 71. Электролит заполняет корпус 72. Пожалуйста, обратитесь к фигурам 2А и 2В, элементы батареи 71 последовательно соединены друг с другом внутри корпуса аккумуляторной ячейки для увеличения напряжения. Затем проводящий вывод 74 используется для внешнего параллельного соединения для достижения достаточной емкости для формирования аккумуляторной системы 77 для электрических транспортных средств. Однако максимально допустимое напряжение электролита обычно составляет только 5В. Напряжение увеличивается в результате внутреннего последовательного соединения. А распределение электрического поля неравномерно из-за внутренней структуры и расположения. Как только напряжение превысит максимально допустимое, произойдет разложение электролита, что приведет к выходу аккумуляторной системы 77 из строя. Более того, это может привести к взрыву аккумуляторной системы 77. Поэтому на рынке нет подобных продуктов.
Заявка на патент США №. 2004/0091771 описывает общий токоприемник, используемый двумя смежными ячейками для формирования биполярного аккумулятора, позволяющий преодолеть проблему разложения электролита. Конструкции недостает гибкости из-за последовательного соединения с общим токоприемником. Он может применяться только для внутреннего последовательного соединения. Также, требуется внешнее подключение для соединения нескольких биполярных батарей параллельно для образования сборной аккумуляторной системы.
В любом случае, вышеуказанный метод ограничен структурными проблемами аккумуляторной ячейки и внутреннего аккумуляторного блока. Внешнее последовательное соединение необходимо для достижения достаточного напряжения для формирования аккумуляторной системы, в то время как в аккумуляторной ячейке используется параллельное соединение. Также, внешнее параллельное соединение необходимо для достижения достаточно высокой емкости для формирования аккумуляторной системы, когда последовательное соединение используется внутри аккумуляторной ячейки. Для внешнего соединения обычно используются провода, металлические выводы, пластинки или накладки, что может увеличить внутреннее сопротивление аккумуляторной системы и уменьшить ее производительность, а также снизить надежность и безопасность. Кроме того, объёмная плотность энергии будет уменьшена из-за пространства, занимаемого внешним соединением.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью данного изобретения является создание композитной аккумуляторной ячейки для преодоления описанных выше недостатков. Как последовательное, так и параллельное соединение выполнены внутри корпуса аккумуляторной ячейки для достижения высокой емкости и высокого напряжения. Вследствие этого, недостатки обычной аккумуляторной системы, такие как снижение производительности и уменьшение объемной плотности энергии, вызванные внешним соединением, могут быть устранены.
Кроме того, еще одной задачей данного изобретения является создание композитной аккумуляторной ячейки, состоящей из элементов питания. Передача заряда происходит между смежными элементами питания без электрохимических реакций. Композитная аккумуляторная ячейка может быть сформирована из элементов питания, электрически соединенных друг с другом и последовательно, и параллельно. Таким образом, высокое напряжение достигается без ограничения предельно допустимым напряжением системы электролита для увеличения объемной плотности энергии и напряжения.
Чтобы реализовать вышеупомянутое, данное изобретение раскрывает композитную аккумуляторную ячейку, которая включает в себя множество групп элементов питания. Группы элементов питания соединены друг с другом параллельно/последовательно и упакованы в корпус для формирования композитной аккумуляторной ячейки. Каждая группа элементов питания образована множеством элементов питания, соединенных друг с другом последовательно/параллельно. Элемент питания включает в себя сепаратор, два слоя активного материала, два токоприемника, систему электролита и герметизирующий слой. Слои активного материала расположены на обеих сторонах сепаратора, соответственно, и токоприемники расположены на внешних сторонах слоев активного материала, соответственно. Система электролита введена в слои активного материала, и герметизирующий слой расположен между краями двух токоприемников для прикрепления двух токоприемников и герметизации системы электролита между ними. Каждый элемент питания является независимым модулем, и система электролита не циркулирует между ними. Между смежными элементами питания перетекают только заряды, но не электрохимические реакции. Поэтому в корпусе аккумуляторной ячейки можно реализовать как последовательное, так и параллельное соединение, не ограничиваясь максимально допустимым напряжением системы электролита.
С другой стороны, элементы питания соединены друг с другом с помощью токоприемников, и группы элементов питания соединены друг с другом также с помощью токоприемников. Площадь контакта намного больше, чем площадь контакта при использовании обычных методов, таких как проводное соединение. Таким образом, внутреннее сопротивление аккумуляторной ячейки значительно уменьшается. Потери производительности аккумуляторной ячейки практически можно игнорировать, и можно считать, что производительность аккумуляторной ячейки не снижается. Кроме того, из-за очень низкого внутреннего сопротивления достигаются отличная скорость зарядки/разрядки и низкое тепловыделение. Поэтому механизм рассеивания тепла может быть упрощен. Вся система легко управляется и контролируется, а надежность и безопасность повышаются.
Дополнительная область применения данного изобретения будет очевидна из подробного описания, приведенного ниже. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры при указании предпочтительных вариантов осуществления изобретения приведены только для иллюстрации, поскольку различные изменения и модификации в рамках сущности и объема изобретения станут очевидными для специалистов в данной области из данного подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Данное изобретение станет более понятным из подробного описания, приведенного ниже только для иллюстрации и, следовательно, не ограничивающего данное изобретение, в котором:
Фигуры 1А и 1В показывают первый вариант осуществления обычной аккумуляторной ячейки и аккумуляторной системы.
Фигуры 2А и 2В показывают второй вариант осуществления обычной аккумуляторной ячейки и аккумуляторной системы.
Фигура 3 показывает вид в поперечном разрезе элемента питания композитной аккумуляторной ячейки данного изобретения.
Фигура 4 показывает вид в поперечном разрезе другого варианта осуществления герметизирующего слоя элемента питания композитной аккумуляторной ячейки данного изобретения.
Фигура 5А показывает первый вариант осуществления группы элементов питания композитной аккумуляторной ячейки данного изобретения.
Фигура 5B показывает второй вариант осуществления группы элементов питания композитной аккумуляторной ячейки данного изобретения.
Фигура 6А показывает первый вариант осуществления композитной аккумуляторной ячейки данного изобретения.
Фигура 6В показывает второй вариант осуществления композитной аккумуляторной ячейки данного изобретения.
Фигура 7 показывает соответствующий вид композитной аккумуляторной ячейки по данному изобретению, которая соединена с модулем печатной платы.
Фигура 8А показывает соответствующий вид первого варианта осуществления композитной аккумуляторной ячейки по данному изобретению, в котором модуль печатной платы интегрирован в пакетный корпус.
Фигура 8В показывает соответствующий вид второго варианта осуществления композитной аккумуляторной ячейки по данному изобретению, в котором модуль печатной платы интегрирован в пакетный корпус.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение представляет собой композитную аккумуляторную ячейку, включающую в себя множество групп элементов питания, электрически соединенных друг с другом параллельно или последовательно. Каждая группа элементов питания включает в себя множество элементов питания, электрически соединенных друг с другом последовательно или параллельно. Таким образом, как последовательное, так и параллельное соединение выполнены в корпусе аккумуляторной ячейки. Это существенно отличается от обычной аккумуляторной ячейки, в которой может быть осуществлено только последовательное или параллельное соединение внутри корпуса, и параллельное или последовательное соединение, снаружи аккумуляторной ячейки для формирования необходимой аккумуляторной системы. Кроме того, элемент питания согласно данному изобретению является независимым модулем. И система электролита каждого элемента питания не циркулирует между ними.
2
2
3
2
Фиг. 3 иллюстрирует вид в поперечном разрезе элемента питания композитной аккумуляторной ячейки в соответствии с данным изобретением. Элемент питания 10 по данному изобретению включает в себя сепаратор 11, два слоя активного материала 12, 13, два токоприемника 14, 15, систему электролита и герметизирующий слой 16. Материалы сепаратора 11 включают в себя полимеры, керамику или стекловолокно. Кроме того, сепаратор 11 имеет отверстия, делающие возможной миграцию ионов. Отверстия могут являться сквозными отверстиями, извилистыми отверстиями или пористым материалом и могут быть дополнительно заполненные керамическими изоляционными материалами. Керамические изоляционные материалы могут включать твердые частицы TiO, AlO, SiO нанометрового и микрометрового размера или алкилирование. Отверстия могут быть дополнительно заполнены полимерным клеем, который может представлять собой поливинилиденфторид (PVDF), со-гексафторпропилен поливинилиденфторида (PVDF-HFP), политетрафторэтен (PTFE), клей на основе акриловой кислоты, эпоксидную смолу, полиэтиленоксид (PEO), полиакрилонитрил (PAN) и полиимид (PI).
Слои активного материала 12, 13 расположены на двух сторонах сепаратора 11 соответственно, а система электролита введена внутри них. Система электролита представляет собой твердый электролит, жидкий электролит, гелеобразный электролит или их комбинацию. Таким образом, могут осуществляться процессы, в результате которых химическая энергия преобразуется в электрическую энергию, т.е. разрядка, и электрическая энергия преобразуется в химическую энергию, т.е. зарядка. Достигаются миграция и перенос ионов. Электрические заряды передаются с помощью токоприемников 14, 15, которые расположены на внешних сторонах слоев активного материала 12, 13, соответственно. Материалами токоприемников 14, 15 могут являться медь (Сu), алюминий (Al) или никель (Ni), олово (Sn), серебро (Ag), золото (Au), или сплав, содержащий по меньшей мере один из вышеперечисленных металлов.
Материалы герметизирующего слоя 16 могут включать эпоксидную смолу, полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полиуретан (PU), термопластичный полиимид (TPI), силикон, акриловую смолу и/или клей затвердевающий под воздействием ультрафиолета. Герметизирующий слой 16 расположен между краями двух токоприемников 14, 15 для прикрепления двух токоприемников 14, 15 и герметизирует систему электролита между ними, во избежание утечки и для предотвращения циркуляции между смежными элементами питания 10. Таким образом, элемент питания 10 является независимым, герметичным и завершенным модулем, который может генерировать энергию независимо.
Для усиления адгезии герметизирующего слоя 16, герметизирующий слой 16 может включать в себя два модифицированных слоя силикона 161, 162 и силиконовый слой 163, расположенный между двумя модифицированными слоями силикона 161, 162. Модифицированные слои силикона 161, 162 могут быть модифицированы путем изменения соотношения пропорции силикона конденсационного типа и силикона дополнительного типа для усиления адгезии различных материалов, то есть материалов токоприемников 14, 15 и силиконового слоя 163. Таким образом, адгезия между поверхностями токоприемников 14, 15 и герметизирующим слоем 16 усиливается. Общий внешний вид становится более законченным, а производительность улучшается. Кроме того, благодаря герметизирующему слою 16 из силикона влажность может быть заблокирована снаружи, а полярный растворитель и комплексообразователь могут быть заблокированы внутри, чтобы сделать структуру корпуса более цельной.
Группа элементов питания включает в себя множество элементов питания 10, электрически соединенных друг с другом. Пожалуйста, смотрите Фиг. 5А, которая показывает первый вариант осуществления группы элементов питания композитной аккумуляторной ячейки по данному изобретению.
Группа элементов питания 21 включает в себя множество элементов питания 10, электрически соединенных друг с другом последовательно. Так как внешним слоем элементов питания 10 являются токоприемники 14, 15, смежные элементы питания могут образовывать электрическое соединение посредством прямого контакта, такого как наложение токоприемников 14, 15. Токоприемники 14, 15 с разной полярностью соединяются для формирования последовательного электрического соединения. Например, как показано на Фиг. 5А, когда токоприемник 14 представляет собой положительный токоприемник, а токоприемник 15 является отрицательным токоприемником, токоприемник 15 крайнего элемента питания 10 может непосредственно контактировать с токоприемником 14 следующих элементов питания 10. Также, токоприемник 15 этих элементов питания 10 может непосредственно контактировать с токоприемником 14 следующих элементов питания 10 с последовательным подключением. Таким образом, будет сформирована группа элементов питания 21 с элементами питания 10, электрически соединенными друг с другом последовательно. Элемент питания 10 является независимым модулем. Система электролита каждого элемента питания 10 не циркулирует между ними. Таким образом, перенос заряда происходит между токоприемниками 14, 15 смежных элементов питания без электрохимических реакций, то есть без миграции и переноса ионов. Высокое напряжение, вызванное элементами питания 10, соединенными последовательно, не влияет на систему электролита внутри отдельных элементов питания 10. На систему электролита каждого элемента питания 10 влияет только собственное напряжение этого элемента. Следовательно, группа элементов питания 21 может быть сформирована элементами питания 10, электрически соединенными друг с другом последовательно, для достижения высокого напряжения без ограничения максимально допустимым напряжением системы электролита, которое обычно составляет 5В.
Затем группы элементов питания 21 с элементами питания 10, электрически соединенными друг с другом последовательно, могут быть соединены друг с другом, чтобы сформировать композитную аккумуляторную ячейку или внешнее соединение, которое ниже описано подробно. Внешние токоприемники 14, 15 крайнего элемента питания 10 включают в себя электродные лепестки 141, 151, соответственно. Другими словами, токоприемник 14 самого верхнего элемента питания 10 имеет электродный лепесток 141, и токоприемник 15, самого нижнего элемента питания 10 имеет электродный лепесток 151, как показано на Фиг. 5A. Другие токоприемники могут не иметь электродных лепестков.
Далее обратитесь, пожалуйста, к Фиг. 6А, композитная аккумуляторная ячейка 31 образована группами элементов питания 21, которые показаны на Фиг. 5A. Так как группа элементов питания 21 состоит из элементов питания 10, электрически соединенных друг с другом последовательно, композитная аккумуляторная ячейка 31 этого варианта осуществления включает в себя множество групп элементов питания 21, электрически соединенных между собой параллельно. Другими словами, группы элементов питания 21 повернуты поочередно лицевой стороной вверх и вниз в пакете композитной аккумуляторной ячейки. Токоприемники 14, 15 крайних элементов питания 10 непосредственно контактируют для достижения электрического соединения, а электродные лепестки 141, 151 групп элементов питания 21 с одинаковой полярностью соединены с соответствующим проводящим выводом 51. Пакетный корпус 50 используется для размещения групп элементов питания 21. Пакетный корпус 50 может быть полимерной пленкой для предотвращения короткого замыкания. Также, пакетный корпус 50 может представлять собой алюминиевую фольгу или металлическую банку. После упаковки проводящий вывод 51 располагается таким образом, чтобы выступать из пакетного корпуса 50, пожалуйста, смотрите Фиг. 7. Модуль печатной платы 60 (PCB) может использоваться для подключения к проводящему выводу 51 для управления и подачи. Очертания и форма пакетного корпуса 50 приведены только для иллюстрации. Могут также применяться различные другие формы, такие как, например, пакеты, коробки или блоки.
Таким образом, как последовательное, так и параллельное подключение выполнены внутри упаковки, пакетного корпуса 50 композитной аккумуляторной ячейки 31, для достижения высокой емкости и высокого напряжения. Это существенно отличается от обычных аккумуляторных ячеек, смотрите Фиг. 2A и 2B, которые могут использовать внутри упаковки только последовательное соединение, а параллельное соединение для формирования необходимой аккумуляторной системы осуществляется вне корпуса аккумуляторной ячейки. С другой стороны, композитная аккумуляторная ячейка 31 по данному изобретению может обслуживаться почти как же, как и обычная аккумуляторная система. Однако, благодаря отсутствию внешних соединений занимаемое пространство уменьшается, а объемная плотность энергии возрастает. Кроме того, это удобно для управления и использования.
Пожалуйста, обратитесь к Фиг. 5В, которая иллюстрирует второй вариант осуществления группы элементов питания композитной аккумуляторной ячейки по данному изобретению. Группа элементов питания 22 включает в себя множество элементов питания 10, электрически соединенных друг с другом параллельно. Так как крайним слоем элементов питания 10 являются токоприемники 14, 15, смежные элементы питания могут образовывать электрическое соединение посредством прямого контакта токоприемников 14, 15. Все токоприемники 14, 15 элементов питания 10 включают в себя электродные лепестки 141, 151, соответственно. Электродные лепестки 141, 151 с одинаковой полярностью элементов питания 10 группы элементов питания 22 соединены таким образом, чтобы образовывать параллельное электрическое соединение, путем складывания для контакта или их сваривания. Например, как показано на Фиг. 5В, когда токоприемник 14 является положительным токоприемником, а токоприемник 15 является отрицательным токоприемником, токоприемник 15 крайних элементов питания 10 может непосредственно контактировать с токоприемником 15 следующих элементов питания 10. Также, токоприемник 14 этих элементов питания 10 может непосредственно контактировать с токоприемником 14 следующих элементов питания 10, с образованием последовательного соединения. Затем электродные лепестки 141, 151 используются для формирования параллельного электрического соединения. Элемент питания 10 является независимым модулем. Система электролита каждого элемента питания 10 не циркулирует между ними. Поэтому перенос заряда происходит между токоприемниками 14, 15 смежных элементов питания без электрохимических реакций, то есть без миграции и переноса ионов.
Далее, обратитесь, пожалуйста, к Фиг. 6B, композитная аккумуляторная ячейка 32 образована группами элементов питания 22, которые показаны на Фиг. 5В. Так как группы элементов питания 22 с элементами питания 10 электрически соединены друг с другом параллельно, композитная аккумуляторная ячейка 32 данного варианта осуществления включает в себя множество групп элементов питания 22, электрически соединенных последовательно. Другими словами, группы элементов питания 22 повернуты в пакете композитной аккумуляторной ячейки в одну и ту же сторону. Токоприемники 14, 15 крайних элементов питания 10 непосредственно контактируют с различной полярностью для достижения электрического соединения. Пакетный корпус 50 используется для размещения групп элементов питания 22. Пакетный корпус 50 может быть полимерной пленкой для предотвращения короткого замыкания. Также, пакетный корпус 50 может представлять собой алюминиевую фольгу или металлическую банку. Электродные лепестки 141, 151 каждой группы элементов питания 22 складываются для контакта и электрического соединения с токоприемниками 14, 15 с той же полярностью смежной группы элементов питания 22. Только один набор электродных лепестков 141, 151 крайней группы элементов питания 22 используется для соединения с проводящим выводом 51. После упаковки проводящий вывод 51 располагается таким образом, чтобы выступать из пакетного корпуса 50, пожалуйста, смотрите Фиг. 7. Таким образом, как последовательное, так и параллельное подключение выполнены внутри упаковки, пакетного корпуса 50 композитной аккумуляторной ячейки 32, для достижения высокой емкости и высокого напряжения. Это существенно отличается от обычных аккумуляторных ячеек, смотрите Фиг. 1A и 1B, которые могут использовать внутри упаковки только параллельное соединение, а последовательное соединение для формирования необходимой аккумуляторной системы осуществляется вне корпуса аккумуляторной ячейки. С другой стороны, композитная аккумуляторная ячейка 32 по данному изобретению может обслуживаться почти как же, как и обычная аккумуляторная система. Однако, благодаря отсутствию внешних соединений занимаемое пространство уменьшается, а объемная плотность энергии возрастает. Кроме того, это удобно для управления и использования.
Также, модуль печатной платы 60 может быть упакован в пакетном корпусе 50 для удобства использования, пожалуйста, обратитесь к Фиг. 8А и 8В. Так что внешний модуль печатной платы 60 не требуется для композитных аккумуляторных ячеек 31, 32. Они являются удобными для использования и гибкими для конструирования.
Соответственно, композитная аккумуляторная ячейка по данному изобретению включает в себя множество элементов питания, соединенных последовательно/параллельно с образованием групп элементов питания. Группы элементов питания соединены параллельно/последовательно и упаковываются, образуя аккумуляторную ячейку с высокой емкостью и высоким напряжением. В связи с тем, что как последовательное, так и параллельное соединение выполнены в корпусе аккумуляторной ячейки, внешнее соединение, последовательное, параллельное или их комбинация, как у обычной аккумуляторной ячейки, не требуется. Таким образом, сопротивление из-за внешнего соединения увеличиваться не будет. Характеристики разряда улучшаются, а надежность и безопасность существенно возрастают.
Кроме того, поскольку элемент питания является независимым модулем, система электролита каждого элемента питания не циркулирует между ними. Поэтому перенос заряда происходит между смежными элементами питания без электрохимических реакций, то есть без миграции и переноса ионов. Разложение электролита из-за высокого напряжения не произойдет, что повышает безопасность. Кроме того, группа элементов питания формируется с помощью прямого контакта токоприемников элементов питания. Сопротивление всей конструкции очень низкое, также достигаются отличная скорость зарядки/разрядки и низкое тепловыделение. Поэтому механизм рассеивания тепла может быть упрощен. Вся система легко управляется и контролируется.
Таким образом, очевидно, что описанное изобретение можно реализовать различными способами. Такие вариации не следует рассматривать как отклонение от сущности и объема изобретения, и все такие модификации, которые были бы очевидны для специалиста в данной области, предназначены для включения в объем следующей ниже формулы изобретения.