ПЕРВИЧНАЯ ЛИТИЕВАЯ БАТАРЕЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве батарей из первичных химических источников тока (ИТ), предназначенных для основного и резервного обеспечения электроэнергией систем телемеханики и аварийной сигнализации, автономной аппаратуры внутритрубных диагностических устройств и приборов нефтепроводов и газопроводов, а также для применения в качестве автономных источников питания других различных электронных устройств и приборов.
Известна первичная литиевая батарея, содержащая корпус, внутри которого размещены первичные литиевые элементы, соединенные, по крайней мере, в две параллельные электрические цепи, связанные с токовыводами через термопредохранитель, и снабженные защитными средствами в виде последовательно включенного в каждую цепь диода, при этом каждый первичный литиевый элемент параллельно соединен со своим диодом и снабжен клапаном сброса избыточного давления, а свободное пространство корпуса заполнено компаундом, причем часть каждого первичного литиевого элемента, включающая клапан сброса избыточного давления, зафиксирована в корпусе посредством слоя эластичного компаунда. В корпусе батареи могут быть выполнены гнезда для установки первичных литиевых элементов, а слой эластичного компаунда размещен на дне каждого гнезда (см. патент РФ на полезную модель №45563, МПК Н 01 М 6/00, опубл. 10.05.2005 г.).
Однако известная батарея имеет недостаточную надежность, которая проявляется вследствие того, что ИТ, размещенные внутри корпуса батареи и снабженные клапаном для сброса избыточного давления, залиты компаундом со всех сторон, в том числе и со стороны клапана сброса избыточного давления. При этом возможна ситуация, когда при избыточном давлении внутри корпуса ИТ, срабатывание предохранительного клапана и сброс химических продуктов из корпуса ИТ не произойдет, избыточное давление внутри корпуса ИТ не уменьшится, что приведет к его взрыву и выходу из строя батареи в целом. Кроме того, это может привести к сильному саморазогреву ИТ (до 1500°С) и возгоранию ИТ и батареи в целом внутри батарейного отсека, что является также недопустимым.
Известна также первичная литиевая батарея, содержащая 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, 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 (см. патент РФ на полезную модель №48110, МПК Н 01 М 10/48, опубл. 10.09.2005 г.).
Известная батарея также обладает недостаточной надежностью, так как в конструкции батареи также не предусмотрен надежный механизм сброса избыточного давления из ИТ, что может привести к избыточному давлению внутри корпуса батареи, а также перегреву и возгоранию ИТ и батареи в целом. ИТ при коротком замыкании могут деформироваться (при создании внутри их корпуса избыточного давления), при этом зона заливки может препятствовать такому расширению, что создаст взрывоопасную ситуацию, приводящую к выходу батареи из строя.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является известная первичная литиевая батарея, содержащая 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, причем корпус каждого ИТ снабжен предохранительным средством для сброса избыточного давления, при этом пространство внутри корпуса каждого ИТ и пространство, окружающее батарею, сообщаются с друг 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 (см. патент РФ на полезную модель №48111, МПК Н 01 М 10/48, опубл. 10.09.2005 г.).
При сбросе избыточного давления из ИТ давление внутри батарейного отсека сразу будет повышено вследствие прохождения продуктов выброса из ИТ в окружающее батарею пространство. Таким образом, может создаться ситуация, когда негативные продукты выброса, например, химически агрессивный электролит, сразу покинут батарею, и окажут негативное влияние на батарею извне, например, нарушение контактов, разрушение снаружи корпуса батареи, что приведет к выходу батареи из строя, а также выходу из строя электронных и электротехнических устройств батарейного
отсека в целом. Кроме того, при изготовлении батареи полость, через которую пространство внутри корпуса ИТ при сбросе избыточного давления сообщается с пространством, окружающим батарею, может быть залита компаундом полностью или частично, что приведет к ситуации, при которой предохранительное средство для сброса избыточного давления не сработает (так как линия ослабления прочности не раскроется), продукты сброса останутся внутри корпуса ИТ, что приведет к его взрыву и разрушению соседних ИТ. Таким образом, батарея окажется выведенной из строя.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание первичной литиевой батареи с повышенной надежностью.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является обеспечение направленного выхода избыточного давления из корпуса ИТ при исключении попадания химически активных продуктов за пределы батареи в процессе ее эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что первичная литиевая батарея, содержащая ИТ, каждый из которых снабжен предохранительным клапаном для сброса избыточного давления и закреплен относительно других ИТ, при этом в области размещения клапана для сброса избыточного давления каждого ИТ выполнена полость, согласно полезной модели, снабжена, по крайней мере, одним каркасом с установочными местами для размещения ИТ с зазором относительно друг друга, клапан для сброса избыточного давления представляет собой зону ослабления прочности, размещенную на корпусе ИТ и разрушающуюся при избыточном давлении внутри ИТ, при этом полость, обеспечивающая срабатывание клапана для сброса избыточного давления и размещение в ней химически активных продуктов из корпуса ИТ, выполнена свободной и изолированной от окружающего батарею пространства.
Полость в батареи может быть выполнена в установочном месте для размещения ИТ.
Кроме того, зазоры между ИТ могут быть заполнены поглотителем продуктов, выделяющихся из ИТ.
Достижение указанного выше технического результата поясняется следующим.
Как указывалось выше, при изготовлении батареи полость, через которую пространство внутри корпуса ИТ при сбросе избыточного давления сообщается с пространством окружающим батарею, может быть залита компаундом, что приведет к аварийной ситуации.
Наличие в конструкции батареи каркаса позволяет в отличие от прототипа заранее разместить в установочных местах каркаса ИТ с зазором относительно друг друга.
Это позволяет при возникновении избыточного давления внутри ИТ создать демпфирующий объем для расширяющегося корпуса ИТ. Отсутствие такого пространства вокруг корпуса ИТ может привести к несанкционированному и ненаправленному выбросу химически активных веществ из ИТ, например, электролита, что существенно снижает надежность батареи, так как выводит из строя, например, токопроводящие элементы батареи, а именно провода, а также элементы электрических цепей.
Выполнение клапана для сброса избыточного давления в виде зоны ослабления прочности, размещенной на корпусе ИТ и разрушающейся при избыточном давлении внутри ИТ, необходимо для осуществления направленного вывода химически активных веществ из ИТ, т.е. вывода в заранее предусмотренном направлении, а именно через ту сторону ИТ (боковую или основание), на которой выполнена зона ослабления прочности. Зона ослабления прочности в зависимости от вида ИТ и конфигурации корпуса ИТ может быть создана перекрещивающимися линиями ослабления прочности, совокупностью непересекающихся линий ослабления прочности, расположенных вблизи друг от друга, полукруглой линией ослабления прочности, расположенной либо на основании ИТ, либо в месте сопряжения основания и боковой стенки корпуса ИТ в случае его выполнения цилиндрической формы. Обеспечение направленного вывода химически активных веществ из корпуса ИТ происходит за счет того, что в зоне ослабления прочности толщина корпуса в поперечном сечении уменьшена, соответственно уменьшена прочность корпуса. При этом при создании внутри корпуса избыточного давления и расширения корпуса ИТ разрыв материала корпуса ИТ произойдет именно в зоне ослабления прочности, как это предусмотрено конструкцией, и выброс содержимого ИТ произойдет строго через разрыв корпуса в зоне ослабления прочности. Вместе с тем, необходимо, чтобы в зоне ослабления прочности была размещена полость, обеспечивающая срабатывание клапана для сброса избыточного давления и размещение в ней химически активных продуктов из корпуса ИТ. Это обусловлено тем, что полость, например, недостаточного объема или конфигурации, не обеспечивает срабатывание клапана для сброса избыточного давления, в частности, из-за недостаточной глубины, не позволит материалу корпуса (как правило, материал корпуса выполнен из металла) в зоне ослабления прочности полностью раскрыться при выбросе (разрушиться), соответственно клапан для сброса избыточного давления не сработает и сброса продуктов из корпуса ИТ не происходит. Таким образом, может произойти взрыв, вследствие того, что давление внутри корпуса ИТ не уменьшается и температура не снижается. Кроме того, чтобы давление внутри корпуса ИТ снизилось ниже избыточного, объем этой полости должен быть достаточным для перераспределения давления
из корпуса ИТ в полость. Необходимость размещения в полости химически активных продуктов из корпуса ИТ обусловлена тем, что они, в частности электролит, выполняют функцию катода в конструкции ИТ при получении тока, и при создании избыточного давления внутри корпуса ИТ (что по своей сути является аварийной ситуацией) должны быть выведены из корпуса ИТ. Тогда ИТ перестанет вырабатывать ток, снизится его температура, что предотвратит, например, взрыв ИТ. В противном случае ток не перестанет вырабатываться, ИТ будет продолжаться нагреваться и произойдет его взрыв. Вместе с тем, поскольку продукты из корпуса ИТ химически активны, полость должна быть выполнена свободной, например, от токопроводящих элементов, например, элементов электрических цепей, в частности, проводов, разрушение которых приведет к выходу батареи из строя, что значительно снижает ее надежность. Кроме того, полость необходимо выполнить изолированной от окружающего пространства, что предотвратит попадание электролита за пределы батареи и исключит негативное влияние на батарею извне, например, посредством нарушения контактов или разрушения снаружи корпуса батареи, что может привести к выходу из строя электронных и электротехнических устройств батарейного отсека в целом.
Полость в батарее может быть выполнена в каркасе в установочном месте для размещения ИТ, что упростит производство батареи и позволяет заранее подготовить место для размещения продуктов сброса из корпуса ИТ, свободного от элементов электрической схемы батареи.
Вместе с тем, функцию вышеуказанной полости может выполнять зазор между ИТ, который в частности может быть заполнен пористым поглотителем продуктов из ИТ. Однако, в этом случае необходимо учитывать, что достаточно большой объем внутри батареи должен быть освобожден от элементов электрической схемы, подверженных негативному влиянию со стороны электролита из корпуса ИТ.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1-3 показаны примеры конструктивного выполнения предложенной батареи, продольный разрез; на фиг.4 - узел I на фиг.3 (в увеличенном масштабе); на фиг.5-8 - примеры выполнения зоны ослабления прочности на корпусе ИТ.
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - корпус ИТ; 2 - герметичный контактный вывод ИТ; 3 - каркас с установочными местами для размещения ИТ; 4 - зазор между корпусами 1 ИТ; 5 - зона ослабления прочности на корпусе 1 ИТ; 6 - полость; 7 - корпус батареи; 8 - силовой разъем; 9 - стягивающие шпильки; 10 - технологический разъем; 11 - зона внутрисхемных соединений.
Первичная литиевая батарея содержит первичные литиевые ИТ, в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости (энергии). Корпуса 1 ИТ имеют, например, цилиндрическую форму, и могут быть снабжены герметичным контактным выводом 2 на одном из оснований. При этом корпус 1 каждого ИТ закреплен относительно корпусов 1 других ИТ (фиг.1-3).
Батарея снабжена, по крайней мере, одним каркасом 3 с установочными местами для размещения ИТ с зазором 4 относительно друг друга. Каркас 3 может быть изготовлен до сборки батареи, при этом размер установочных мест и их конфигурация зависит от применяемых для данного типа батарей ИТ (фиг.1-3).
Корпус 1 каждого ИТ снабжен предохранительным клапаном для сброса избыточного давления, возникающего внутри корпуса 1 ИТ, например, при его коротком замыкании. Клапан представляет собой зону 5 ослабления прочности, размещенную на корпусе 1 ИТ и разрушающуюся при избыточном давлении внутри ИТ. При этом под «зоной ослабления прочности» понимается та область корпуса, в которой уменьшена толщина материала в поперечном сечении по сравнению с общей средней толщиной корпуса 1 ИТ. При этом зона 5 ослабления прочности может быть выполнена, например, в виде пересекающихся линий (фиг.5), либо непересекающихся линий (фиг.6), либо в виде полукруглой линии (фиг.7), или расположена в месте сопряжения боковой части корпуса 1 ИТ и его основания (фиг.8).
В области размещения клапана для сброса избыточного давления каждого ИТ, т.е. в области зоны 5 ослабления прочности около каждого ИТ выполнена полость 6, обеспечивающая срабатывание клапана для сброса избыточного давления внутри корпуса 1 ИТ и размещение в ней химически активных продуктов из корпуса 1 ИТ (фиг.1-4).
Полость 6 выполнена свободной, например, от токопроводящих элементов батареи, в именно, проводов, и изолированной от окружающего батарею пространства.
Как указывалось выше, размещение полости 6 внутри батареи зависит от расположения зоны 5 ослабления прочности на корпусе 1 ИТ.
Так, например, зона 5 ослабления прочности может быть расположена на боковой части корпуса 1 ИТ. Тогда полость 6, обеспечивающая срабатывание клапана для сброса давления из ИТ, будет выполнена около боковой части корпуса 1 ИТ. Функцию такой полости может выполнять зазор 4 между корпусами 1 ИТ, который должен быть образован при размещении ИТ в каркасе 3. В этом случае все пространство между ИТ должно быть свободно от электрических элементов батареи, чтобы не повредить их при сбросе избыточного давления из ИТ и попадания в полость химически активных
продуктов. При этом зазоры 4 между ИТ могут быть заполнены поглотителем продуктов, выделяющихся из корпуса 1 ИТ, который может представлять собой, например, адсорбент противогазовый коробки марки «С».
Целесообразно, зону 5 ослабления прочности выполнять на основании ИТ, противоположном основанию, на котором расположен герметичный контактный вывод. Тогда полость 6 выполняется около основания ИТ и может быть расположена в каждом посадочном месте каркаса 3. При этом полость 6 может быть, как изолирована от остальной части батареи (фиг.1), так и сообщаться, например, с зазором 4, выполненным между ИТ (фиг.3 и 4). Кроме того, полость 6 может представлять собой свободное пространство между двумя каркасами 3, имеющимися в батарее (фиг.2).
Объем полости 6 и ее конфигурация зависят от типов ИТ, используемых в батарее. Главными критериями, влияющими на характеристики полости, являются толщина и вид материала, из которого выполнен корпус 1 ИТ, а также объем электролита, находящийся внутри корпуса 1 ИТ. Это объясняется тем, что полость 6 должна вместить в себя как газы, выброшенные из корпуса 1 ИТ, так и электролит из него, чтобы вскрывшийся ИТ перестал вырабатывать ток (из-за прекращения протекания химической реакции внутри него). Вместе с тем, глубина полости должна быть такой, чтобы материал корпуса 1 ИТ в зоне 5 ослабления прочности беспрепятственно разрывался, при этом кромочные края материала в области разрыва отгибаются наружу и недостаточная глубина полости 6 может воспрепятствовать такому раскрытию. Кроме того, целесообразно выполнение полости 6 таким образом, что разорвавшиеся края материала не касались стенок полости 6, не создавая препятствий для вытекания электролита из корпуса 1 ИТ в полость 6.
Батарея может иметь корпус 7, который может быть выполнен из полимерного материала и сформирован способом отливки после закрепления ИТ относительно друг друга в каркасе 3 с посадочными местами.
Батарея снабжена силовым разъемом 8, крышка батареи зафиксирована стягивающимися шпильками 9, а со стороны, противоположной расположению силового разъема 8, расположен технологический разъем 10. Зона 11 внутрисхемных соединений может быть расположена сверху и снизу батареи и также залита полимерным материалом (фиг.1-3).
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.
Предложенная первичная литиевая батарея используется следующим образом.
В готовый каркас 3 с посадочными местами устанавливаются первичные литиевые ИТ с герметичным контактным выводом 2, в количестве необходимом для обеспечения требуемого напряжения батареи и электрической емкости (энергии), корпуса 1 которых имеют, например, цилиндрическую форму. При этом между корпусами 1 ИТ благодаря каркасу 3 обеспечиваются зазоры 4.
Корпус 1 каждого ИТ снабжен клапаном для сброса избыточного давления, который представляет собой зону 5 ослабления прочности, размещенную на корпусе 1 ИТ и разрушающуюся при избыточном давлении внутри ИТ.
Сборку элементов батареи и ее окончательную заливку производят таким образом, чтобы обеспечить наличие в области размещения клапана для сброса избыточного давления каждого ИТ свободной, например, от токопроводящих элементов, и изолированной от окружающего батарею пространства полости 6, обеспечивающей срабатывание клапана для сброса избыточного давления и размещение в ней химически активных продуктов из корпуса ИТ.
В процессе эксплуатации батареи, т.е. получения тока, возможен выход из строя ИТ, например, при его коротком замыкании. Этот процесс сопровождается нагревом ИТ, образованием внутри корпуса 1 ИТ избыточного давления вследствие ненадлежащего протекания химических реакций, что приводит к деформации корпуса 1 ИТ.
Наличие клапана для сброса избыточного давления в виде зоны 5 ослабления прочности приводит к тому, что корпус 1 ИТ разрушается именно в этом месте. При этом наличие полости необходимого объема и конфигурации, выполненной в области размещения зоны 5 ослабления прочности, приводит к тому, что корпус 1 ИТ беспрепятственно разрушается в зоне 5 ослабления прочности (разрывается материал в области зоны ослабления прочности). Кромки материала корпуса 1 ИТ в зоне 5 ослабления прочности выворачиваются наружу в полость 6, а полое пространство способствует их беспрепятственному раскрытию. После этого газы и химически активные вещества, например, электролит, из корпуса 1 ИТ попадают в полость 6. При этом реакция внутри аварийного ИТ резко замедляется вследствие отсутствия электролита, выполняющего функцию катода, ИТ остывает и взрыв внутри батареи предотвращается. Выполнение полости 6 свободной, например, от токопроводящих элементов приводит к тому, что токопроводящие элементы батареи не разрушатся под действием химически активных веществ, и протекание тока по батарее может быть продолжено, например,
по шунтирующей аварийный источник цепи. Кроме того, выполнение полости 6 изолированной от пространства, окружающего батарею, обеспечивает целостность электрических соединений внутри отсека, благодаря задержке химически активных веществ внутри батареи. В случае выполнения полости 6 и зазоров 4 между корпусами 1 ИТ сообщающимися и заполнения зазоров 4 химическим поглотителем, электролит поступает из полости 6 в зазоры 4, где поглощается, например, адсорбентом противогазовым марки «С».
Таким образом, предложенная батарея может быть использована в качестве источников энергии, предназначенных для основного и резервного обеспечения электроэнергией различных электронных устройств и приборов, и состоящих из первичных химических ИТ, например, с литий-тионилхлоридными или литий-сульфурил-хлоридными ИТ, и обладает повышенной надежностью благодаря обеспечению направленного выхода избыточного давления из корпуса ИТ при его выходе из строя, а также исключения попадания химически активных продуктов за пределы батареи в процессе ее эксплуатации.