ПЕРВИЧНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ

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 источников тока (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 (см. патент РФ на полезную модель №39745, МПК Н 01 М 10/48, опубл. 10.08.2004 г.).
Недостатком известной первичной литиевой батареи является то, что 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 герметичного батарейного отсека и последующему его взрыву.
Известна также первичная литиевая батарея, содержащая, по крайней мере, две параллельных цепи, каждая из которых состоит из последовательно соединенных первичных литиевых источников тока (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.).
Однако недостатком известной первичной литиевой батареи является также то, что 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 герметичного батарейного отсека и последующему его взрыву.
Известны литий-диоксид марганцевые батареи (например, 12 МРЛ-800, ЖФИР.563562.003 ТУ "С", 12 МРЛ 400, ИЛВЕ. 563214.009 ТУ "С", изготовитель ОАО "ЛИТИЙ-ЭЛЕМЕНТ", г.Саратов). Батареи собраны из отдельных химических ИТ. Внутренняя полость батареи полностью заполнена полимерным материалом. Такие батареи обладают высокой удельной энергией и могут быть собраны последовательно-параллельным соединением отдельных ИТ на любое номинальное напряжение, кратное 3 В, и практически любую электрическую емкость и мощность.
Известные батареи обладают высокой сохранностью заряда (более 10 лет) и достаточно высокой надежностью. Однако недостатком литий - диоксид марганцевых батарей является их способность к горению в герметичных батарейных отсеках (без доступа кислорода) при возникновении различных внештатных ситуаций (например, при механическом повреждении отдельных ИТ при монтаже батарей), что сопровождается повышением давления, приводящему к взрыву батарейного отсека.
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 источники тока (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).
Известная первичная литиевая батарея имеет большое количество первичных литиевых ИТ и достаточно сложный объемный монтаж, поэтому в процессе эксплуатации возможно повреждение целостности монтажа и возникновение внутрисхемных замыканий. Внутрисхемные замыкания могут приводить к непредсказуемым последствиям, включая нагрев батареи до взрыва ИТ и полного разрушения батареи. При нагреве от ИТ пластмасс, применяемых, например, для заливки внутреннего пространства батареи, возникает обильное газовыделение, приводящее к повышению давления внутри герметичного батарейного отсека и последующему его 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 давления в герметичном батарейном отсеке в процессе эксплуатации за счет снижения газовыделения при нагреве полимерных материалов, применяемых для заливки внутреннего пространства батареи.
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, имеющие цилиндрическую форму и снабженные контактным выводом на одном из оснований, закреплены полимерным материалом относительно друг друга, согласно полезной модели, пространство между ИТ для их закрепления частично заполнено полимерным материалом, при этом зона заливки боковой поверхности корпуса ИТ полимерным материалом лежит 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.
Вследствие ограниченности пространства внутри батареи химические ИТ и электрические компоненты батареи (зона внутрисхемных соединений) находятся на близком расстоянии друг от друга. В процессе транспортировки батареи, ее монтажа в батарейную секцию электрическая изоляция компонентов батареи может нарушиться, что приведет 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. При этом в известных батареях заливочный полимерный материал, контактируя с сильно нагретым ИТ, соответственно получал от него тепло и нагревался до температуры газовыделения.
В предложенной батареи предлагается лишь частичная заливка пространства между корпусами ИТ полимерным материалом, причем возможен даже крайний случай когда, зона заливки корпуса ИТ по его высоте составляет 0% (это объясняет характерное ограничение диапазона зоны заливки - "не более" и диапазон зоны заливки как процентной составляющей от высоты корпуса ИТ ограничен только верхней границей), и в этом случае ИТ будет просто прикреплен или приклеен полимерной материалом за основание.
Частичная заливка пространства между корпусами ИТ приводит к уменьшению полимерного материала в каждой батареи и батарейном отсеке в целом, при этом при нагреве ИТ зона заливки полимерным материалом каждой батареи, находящаяся в контакте с поверхностью корпуса ИТ, 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.
Экспериментально было установлено, что зона корпусов химических ИТ, которая в процессе эксплуатации батареи может нагреваться до температур свыше 350°С (температуры термического разложения, сопровождающегося газовыделением для полимерного заливочного материала типа АДВ-13-2 ТУ 222Б-046-227369-60-99), не должна контактировать с полимерным заливочным материалом, так как термическое воздействие от разогретых в результате разряда ИТ (при температурах свыше 350°С) на заливочный полимерный материал приводит к активному газовыделению из него, в результате этого повышается давление в батарейном отсеке и в дальнейшем возможен его взрыв. Ограничение зоны заливки каждого ИТ в пределах не более 30% высоты корпуса ИТ от его основания, которое снабжено герметичным контактным выводом, и не более 25% высоты корпуса ИТ от его противоположного основания, позволяет исключить контакт полимерного материала непосредственно с поверхностью корпуса ИТ нагретой выше 350°С и, тем самым, исключить газовыделение при температурах, возможных в аварийных режимах при эксплуатации батареи. Это в свою очередь позволит исключить возможность повышения давления внутри батарейного отсека при
термическом разложении полимерного материала, сопровождающегося газовыделением и, тем самым, повысить взрывобезопасность при эксплуатации батареи.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан пример конструктивного выполнения предложенной батареи, продольный разрез; на фиг.2 приведен график распределения температуры по высоте поверхности корпуса литиевого ИТ типа SW-D02 при коротком замыкании; фиг.3 показана конструкция батареи ТХЛ 36ОА (прототип), продольный разрез.
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 - изоляционные распорные прокладки. Буквой l на фиг.2 и 3 показана глубина заливки корпуса ИТ, а буквой Н - высота корпуса ИТ.
Первичная литиевая батарея содержит первичные литиевые источники тока (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).
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.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.
Внутренняя полость батареи для закрепления ИТ частично заполнена заливочным полимерным материалом 3. Корпуса 1 ИТ могут быть разделены изоляционными распорными прокладками 8 (фиг.1). Глубина l заливки корпусов ИТ полимерным материалом 3 лежит 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 (фиг.1 и 2).
При этом l может составлять и 0%, т.е. боковая сторона корпуса 1 ИТ со стороны какого-либо основания вообще не залита полимерным материалом 3. Такая заливка осуществляется в случае, когда достаточно для прочного закрепления корпуса 1 ИТ только контакта с полимерным материалом 3 любого из оснований корпуса 1 ИТ (фиг.1).
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.
2
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-SOCl), имеющие металлостеклянный герметичный контактный вывод, невоспламеняемый электролит, номинальное напряжение 3,6 В и номинальную емкость 14 А·ч.
Был проведен ряд экспериментов по выявлению причин появления высокого давления в батарейном отсеке с известными батареями типа ТХЛ 360 А (фиг.3), 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.
В эксплуатации выявлено, что на повышение давления внутри батарейного отсека при нештатных ситуациях (скрытые внутренние дефекты или неправильная эксплуатация батарей) большее влияние, чем горение и взрыв ИТ, оказывает газовыделение, образующееся при сильном нагреве пластмасс, применяемых для изготовления батареи, в частности, заливки ИТ внутри батареи.
Особую опасность представляют пластмассы, непосредственно контактирующие с поверхностью корпуса ИТ, при его нагреве, например, в случае короткого замыкания. Распределение температур по высоте корпуса ИТ при его коротком замыкании
видно из графика, приведенного на фиг.2. На графике (фиг.2) наглядно видны безопасные зоны по высоте корпуса ИТ, где температура не превышает 350°С, т.е. зоны поверхности корпуса ИТ, расположенные в пределах не более 30% высоты Н корпуса ИТ от его основания, которое снабжено герметичным контактным выводом, и не более 25% высоты Н корпуса ИТ от его противоположного основания.
В средней части корпуса поверхности ИТ температура превышает 350°С. Поэтому 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.
Согласно литературным источникам (см., например, Конструкционные свойства пластмасс / Под ред. Э.Бэра. - М.: Химия, 1967, с.33), практически все применяемые в батарее пластмассы до температуры 350°С не производят активного газовыделения:
- 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.
2
При этом газы, выделяющиеся при нагреве пластмасс, контактирующих непосредственно с корпусом ИТ разогретого до температуры выше 350°С, могут создавать в герметичных батарейных отсеках значительные давления (до 160 кг/см) и приводить к разгерметизации (взрыву) батарейных отсеков.
Таким образом, зона заливки полимерным материалом в пределах не более 30% высоты Н корпуса 1 ИТ от его основания, которое снабжено герметичным контактным выводом 2, и не более 25% высоты Н корпуса 1 ИТ от его противоположного основания, является безопасной с точки зрения газовыделения, т.е. конструкция батареи должна предусматривать заливку корпусов 1 ИТ, исключающую контакт заливочного полимерного материала 3 в опасных зонах с поверхностью корпусов 1 ИТ.
Предложенная конструкция батареи может быть использована при производстве батарей из первичных химических ИТ, например, с литий-тионилхлоридными или литий-сульфурилхлорвдными ИТ, и обладает взрывобезопасностью и повышенным эксплуатационным ресурсом в сравнении с прототипом.