ПРИЗМАТИЧЕСКИЙ ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР

Полезная модель относится к электрохимической энергетике, в частности - к литий-ионным аккумуляторам (ЛИА). Одной из актуальных проблем ЛИА является проблема повышения безопасности их эксплуатации.
2
2
6
Известен цилиндрический литий-ионный аккумулятор с катодом на основе LiCoO, трехслойным сепаратором и самовосстанавливающимся предохранителем Патент RU №190388, опубликован 01.07.2019, МПК Н01М 10/0525, содержащий коррозионно-стойкий тянутый металлический корпус с покрытием из никеля, внутри которого размещен блок электродов, изготовленный по типу рулонной конструкции, состоящий из положительного электрода на основе LiCoO и отрицательного электрода на основе искусственного графита, разделенных между собой пористым трехслойным сепаратором (полипропилен/полиэтилен/полипропилен) толщиной 25 мкм, сепаратор смочен электролитом на основе соли LiPF и растворителей этиленкарбоната, этилметилкарбоната, диметилкарбоната, виниленкарбоната, положительный токовывод приварен контактно-точечной сваркой к крышке, отрицательный токовывод приварен контактно-точечной сваркой к корпусу аккумулятора, в крышке имеется предохранительная мембрана и самовосстанавливающийся плавкий предохранитель в форме кольца, герметизация и крепление крышки к корпусу производятся методом зиговки, предварительной и окончательной завальцовки.
Недостатком данного технического решения является недостаточная устойчивость к воспламенению при коротком замыкании электродов. Предохранитель не решает достаточным образом эту проблему, так как замыкание происходит внутри корпуса аккумулятора, а плавкий предохранитель только размыкает электроды.
Известен призматический литий-ионный аккумулятор Патент RU №190339, опубликовано 27.06.2019, МПК H01M 10/0525, H01M 4/131, принят за прототип, содержащий двухслойный полимерный корпус с внешним слоем и внутренним слоем, внутри которого размещен электродный блок из положительных и отрицательных электродов, на одной стороне корпуса герметично запаяны токовыводы положительных и отрицательных электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположен сепаратор, пропитанный электролитом, токовые коллекторы электродов приварены к соответствующим токовыводам.
Недостатком прототипа является недостаточная устойчивость к механическому повреждению, в результате которого возникает короткое замыкание электродов, в результате чего повышается температура внутри блока электродов и происходит возгорание.
Проблемой конструкции литий-ионных аккумуляторов является низкая устойчивость к воспламенению из-за образования огнеопасных газообразных продуктов при коротком замыкании электродов, возникающем как в процессе работы, так и при механическом повреждении.
Техническим результатом полезной модели является повышение термической и механической устойчивости аккумулятора к протеканию в нем тока короткого замыкания.
Указанный технический результат достигается конструкцией призматического литий-ионного аккумулятора. Литий-ионный аккумулятор содержит двухслойный полимерный вакуумированный корпус с внешним слоем, внутренним слоем и внутри которого размещен электродный блок из положительных и отрицательных электродов, на одной стороне корпуса герметично запаяны токовыводы положительных и отрицательных электродов, состоящих из токовых коллекторов с нанесенной на них активной массой, между электродами расположена лента сепаратора, пропитанная электролитом, токовые коллекторы электродов приварены к токовыводам контроллера заряда-разряда, причем расположение электродов и сепаратора выполнено способом Z-укладки, лента сепаратора выполнена трехслойной, состоящей из внутреннего слоя из полипропилена и двух слоев из поливинилидендифторида, непосредственно контактирующих с поверхностью отрицательного и положительного электродов. На токовыводы электродов нанесена трехслойная сульфированная каучуковая пленка, а внутренний слой корпуса снабжен защитными пластырями на боковых поверхностях.
Расположение электродов и ленты сепаратора способом Z-укладки обеспечивает более надежную изоляцию торцов электродов от прямого электрического контакта, чем другие способы монтажа ленты сепаратора, поскольку при Z-укладке лента сепаратора не разрезается, не сваривается, а сохраняет свою механическую целостность. При сборке электродного блока микровыступы коллектора или неровности активной массы выравниваются боковым давлением сепарационной ленты, не разрывая ее. При механическом повреждении электродного блока и соответствующем смещении плоскостей электродов боковая изоляция предотвращает дополнительные короткие замыкания электродов торцевыми участками. Применение трехслойной ленты сепарации, состоящей из слоев поливинилидендифторида (ПВДФ), непосредственно контактирующих с поверхностями электродов и внутреннего слоя полипропилена, увеличивает устойчивость сепарации к разрыву за счет большей механической прочности ПВДФ, а кроме того за счет его большей термической устойчивости (температура плавления 123-127°С, температура размягчения 140°С) сепаратор дольше сохраняет свою структуру при тепловом разгоне, вызываемым коротким замыканием. ПВДФ имеет также повышенную огнестойкость за счет наличия в своей структуре фторзамещенных фрагментов, что снижает количество опасных для развития горения веществ при коротком замыкании электродов. Внутренний слой полипропилена как более легкоплавкого компонента обеспечивает при повышении температуры заплавление пор слоев ПВДФ и препятствует возникновению новых точек короткого замыкания быстрорастущими дендритами лития, чем ограничивает рост скорости подъема температуры.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлено расположение электродов и сепаратора при Z-укладке.
На фиг. 2 представлен эскиз конструкции призматического литий-ионного аккумулятора на виде спереди с разрезами.
На фиг. 3 представлен эскиз конструкции призматического литий-ионного аккумулятора на виде сбоку с разрезами.
На фиг. 4 представлено расположение слоев сепаратора в аккумуляторе.
На фигурах представлено:
1 - внутренний слой двухслойного полимерного корпуса,
2 - внешний слой двухслойного полимерного корпуса,
3 - отрицательный электрод,
4 - положительный электрод,
5 - токовый коллектор отрицательного электрода 3,
6 - токовый коллектор положительного электрода 4,
7 – сепаратор,
8 - отрицательный токовывод,
9 - положительный токовывод,
10 - защитные пластыри,
11 - трехслойная сульфированная каучуковая пленка,
12 - контроллер заряда-разряда,
13 - токоподводящие провода,
14 - слой сепарации из поливинилидендифторида,
15 - слой сепарации из полипропилена.
Призматический литий-ионный аккумулятор состоит из двухслойного корпуса, включающего внутренний слой 1 и внешний слой 2. Во внутреннем слое 1 корпуса находятся блок отрицательных 3 и положительных 4 электродов, состоящих из токовых коллекторов: 5 отрицательного электрода 3 и 6 положительного электрода 4 с нанесенными на токовые коллекторы активной массой, между электродами расположен сепаратор 7, пропитанный электролитом. Сепаратор 7 является трехслойным, состоящим из двух слоев поливинилидендифторида 14, контактирующих с поверхностью отрицательного электрода 3 и положительного электрода 4, и слоя полипропилена 15, расположенного между слоями поливинилидендифторида 14. Расположение электродов положительного 4, отрицательного 3 и ленты сепаратора 7 выполнено способом Z-укладки. Токовые коллекторы 5 и 6 электродов 3 и 4 приварены к соответствующим токовыводам 8 и 9, токовыводы 8 и 9 расположены на одной стороне корпуса, корпус вакуумирован, внутренний слой 1 корпуса снабжен защитными пластырями 10 на боковых поверхностях, на токовыводы 8 и 9 нанесена трехслойная сульфированная каучуковая пленка 11, электроды 3 и 4 поджаты с усилием 5-6 МПа в залитом состоянии, в торце внешнего слоя 2 корпуса расположен контроллер заряда-разряда 12, к которому скоммутированы токовыводы 8 и 9 и токоподводящие провода 13.
Сборку аккумулятора производят, укладывая на ленту трехслойного сепаратора 7 положительный электрод 4, ленту сепаратора 7 укладывают на верхнюю сторону положительного электрода 4, на поверхность ленты сепаратора 7 укладывают отрицательный электрод 3 и на его верхнюю поверхность снова укладывают ленту трехслойного сепаратора 7. Операцию повторяют необходимое количество раз до получения электродного пакета, сваривают токовые коллекторы 6 положительных электродов 4, токовые коллекторы 5 отрицательных электродов 3, электродный пакет помещают на двухслойное полотно корпуса, свободный край полотна заворачивают так, чтобы электродный пакет был полностью закрыт и запаивают по периметру, кроме стороны, противоположной сгибу полотна, так, чтобы трехслойная сульфированная каучуковая пленка 11 каждого из токовыводов 8 и 9 попадала в зону пайки. Во внутренний слой двухслойного полимерного корпуса 1 заливают электролит, вакуумируют, запаивают оставшуюся сторону, оставляя дополнительный карман и создают усилие на внешнюю часть корпуса 2 величиной 5-6 мПа. К токовым коллекторам 5 и 6 отрицательного и положительного электродов соответственно, находящихся вне корпуса, припаивают контроллер заряда-разряда 12, токоподводящие провода 13 и приклеивают защитные пластыри 10, после чего проводят формирование, запаивают и удаляют карман.
Призматический литий-ионный аккумулятор работает следующим образом. При заряде токоподводящие провода 13 подключаются к одноименным клеммам зарядного устройства (на фигуре не показано), которое обеспечивает протекание через токовыводы 8 и 9, а также токовые коллекторы 5 и 6 электродов 3 и 4 и анодную и катодную массы тока, обеспечивающего процессы интеркаляции из электролита ионов лития в графит на отрицательном электроде 3 и деинтеркаляции ионов лития из кобальтита в литий на положительном электроде 4. В результате аккумулятор переходит в заряженное состояние. При разряде токоподводящие провода 13 подключаются к одноименным клеммам потребителя (на фигуре не показано), при замыкании цепи ток протекает через токовыводы 8 и 9 электродов 3 и 4, токовые коллекторы электродов 5 и 6 электродов 3 и 4, анодную и катодную активную массу, что обеспечивает деинтеркаляцию лития из графита и интеркаляцию лития в делитированный оксид кобальта. При достижении напряжения 2,97 В контроллер заряда-разряда 12, закрепленный в торце внешнего слоя 2 многослойного полимерного корпуса, отключает ток разряда. Если в процессе разряда возникает механическое повреждение, приводящее к точечному короткому замыканию положительного 4 и отрицательного 3 электродов с одновременной их деформацией, лента трехслойного сепаратора 7 препятствует замыканию электродов 3 и 4 по внешнему краю вследствии надежного экранирования кромок электродов 3 и 4 сгибом ленты сепаратора 7. В процессе теплового разгона, сопровождающего короткое замыкание, слой поливинилидендифторида 14 сохраняет до 140°С свою механическую целостность, в то время, как слой полипропилена 15 расплавляется, закрывая поры ленты сепаратора 7 и изолирует электроды 3 и 4 друг от друга, увеличивая внутреннее сопротивление и снижая ток короткого замыкания. Это предотвращает воспламенение и образование огнеопасных газообразных продуктов, чем достигается повышение термической и механической устойчивости аккумулятора.
Достижение заявленного технического результата доказывается также проведенными испытаниями. Для проверочных испытаний были собраны два варианта призматических литий-ионных аккумуляторов: предлагаемый вариант и аккумулятор с применением трехслойного сепаратора типа ПП/ПЭ/ПП.
Испытания заключались в следующем:
1. Проверка работоспособности аккумуляторов при заряде и разряде повышенными токами.
2. Проверка работоспособности аккумуляторов при повышенной температуре плюс 50°С.
3. Проверка работоспособности аккумуляторов при испытаниях на пожаровзрывобезопасность:
3.1. Механические повреждения заряженных аккумуляторов с внутренним замыканием электродов;
3.2. Механические повреждения разряженных аккумуляторов с внутренним замыканием электродов.
Для проведения испытаний на пожаровзрывобезопасность аккумулятор закрепляли на основании копра, на корпусе аккумулятора закрепляли датчики измерения температуры; металлическим пробойником прокалывали корпус аккумуляторов насквозь, в результате чего происходило короткое замыкание электродов с разгерметизацией; с помощью датчика температуры фиксировали температуру на внешнем корпусе аккумулятора.
В результате испытаний (таблица 1) было установлено, что: аккумулятор, собранный с использованием трехслойного сепаратора типа ПВДФ/ПЭ/ПВДФ обеспечивает большую безопасность аккумулятора при эксплуатации повышенными токами заряда и разряда, более устойчив к воздействию повышенных температур, на что указывает более низкое внутреннее сопротивление, более устойчив к механическому воздействию, на это указывает более низкая степень нагрева и менее значительное задымление.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемая полезная модель может быть реализована на практике с достижением заявленного технического результата.