ЛИТИЕВЫЙ АККУМУЛЯТОР
LITHIUM BATTERY

Область техники
[1] Изобретение относится к литиевому аккумулятору, содержащему положительные и отрицательные электроды с минимальной толщиной 0,5 мм, разделенные сепараторами, в котором каждый электрод размещен в проеме рамы, причем указанные рамы образуют стопку между периферийными крышками, с электрической изоляцией между рамами электродов противоположной полярности и дополнительными токосъемниками между рамами одинаковой полярности.
Уровень техники
[2] Проблемы, возникающие при использовании аккумуляторов высокой емкости и аккумуляторных модулей, связаны с соотношением между растущей мощностью и массой аккумулятора и пространством для отведения тепла, генерируемого в результате химических реакций при зарядке и разрядке аккумулятора. Любое значительное перегревание аккумулятора может привести к возгоранию или взрыву. Работа аккумулятора за пределами безопасного диапазона температур может также значительно снизить срок службы аккумулятора. Поддержание рабочей температуры в безопасном диапазоне для предотвращения вышеописанных инцидентов требует наличия дополнительных приспособлений, обеспечивающих более интенсивный теплообмен. Такие приспособления могут также потребоваться в ситуации, когда очень низкие температуры значительно снижают мощность аккумулятора и возникает необходимость в повышении рабочей температуры посредством теплообмена.
[3] Одно из возможных решений для охлаждения комплекта батарей предложено в заявке РСТ WO 2006124663. В заявке описана подложка, соответствующая корпусу, в который помещены группы батарейных блоков, образующие устойчивый к вибрациям комплект батарей, а также описаны проходящие сквозь комплект батарей трубки с теплообменной средой.
[4] Аналогичное решение с несколько отличным расположением батарейных блоков и трубок с теплообменной средой, проходящих по отдельным участкам батарейных блоков, раскрыто в патентном документе WO 2010028692. В обеих описанных системах тепло передается от корпуса аккумулятора, а не напрямую из его внутреннего пространства, что, разумеется, снижает интенсивность теплообмена между внутренним пространством батареи и охлаждающей средой.
[5] В немецкой патентной заявке DE 102008034867 предложено решение, в котором охлаждение аккумулятора обеспечивается токосъемниками на ячейках, состоящих из тонкопленочных плоских литиевых электродов. Токосъемники переносят избыток тепла от батареи через электроизолирующую, теплопроводящую пленку на пластину теплообменника в верхней части аккумулятора, которая может опционально быть соединена с системой охлаждения транспортного средства. В указанном изобретении тепло выводится через токосъемники напрямую из внутренней части аккумулятора. При этом остается проблема передачи тепла далее, от указанных листовых токосъемников к фактической системе теплообмена. Кроме того, теплопередача снижена из-за использования электроизолирующей пленки, при этом объем теплопередачи ограничен одной теплообменной пластиной.
[6] В публикации международной заявки РСТ WO 2010031363 раскрыт литиевый аккумулятор, содержащий металлические рамы, уложенные стопкой, причем в каждой раме предусмотрено сквозное отверстие, в котором размещен один толстый трехмерный (3D) электрод, и в котором электроды противоположной полярности разделены сепараторами, и рамы с электродами противоположной полярности изолированы друг от друга. Хотя металлические рамы и обеспечивают лучшую теплопередачу от внутренней части батареи аккумулятора, они не гарантируют надежной теплопередачи от крупноразмерных электродов и, в частности, от модулей, в которых несколько стопок рам расположены бок о бок.
Сущность изобретения
Задача изобретения
[7] Задача настоящего изобретения заключается в создании аккумулятора с системой теплообмена, обеспечивающей более эффективную теплопередачу от внутренней части аккумулятора и, таким образом, способствующей интенсивному охлаждению всех типов аккумуляторов на основе трехмерных электродов, включая системы высокой емкости. Другая задача изобретения заключается в создании аккумулятора, который, благодаря особой системе теплообмена, имеет повышенный срок службы и высокую безопасность работы.
Техническое решение
[8] Для решения указанной задачи и устранения описанных недостатков уровня техники в заявляемом изобретении предлагается литиевый аккумулятор, содержащий положительные и отрицательные электроды, разделенные сепараторами и установленные в проемах рамы, причем указанные рамы образуют стопку между периферийными крышками, с электрической изоляцией между рамами электродов противоположной полярности и дополнительными токосъемниками между рамами электродов одинаковой полярности, причем каждая рама содержит по меньшей мере один канал для прохождения теплообменной среды, причем указанные каналы в отдельных рамах соединены между собой.
[9] Далее будут описаны другие предпочтительные варианты изобретения, в которых дополнительно развиты или более подробно описаны его существенные признаки без ограничения объема правовой охраны заявляемого изобретения.
[10] Указанные рамы содержат несколько совпадающих проемов для электродов и по меньшей мере один совпадающий канал, расположенный между указанными проемами, причем электроды, помещенные в проемы в рамах, образуют вместе с прилежащими стенками рам, сепараторами, электроизолирующими материалами и токосъемниками отдельные аккумуляторные модули, и каналы образуют проходы для теплообменной среды.
[11] На внутренней стороне крышек предусмотрена система соединенных между собой канавок, причем по меньшей мере одна крышка соединена с входным отверстием для электролита. Распределительная панель с отверстиями, соединяющими систему канавок с проемами в раме, размещена между крышкой и первой прилежащей к крышке рамой. Внутри указанных проходов расположены трубки, заканчивающиеся в отверстиях в распределительной панели и соединенные с системой распределения теплообменной среды. В некоторых вариантах изобретения вместо распределительной панели используют металлическую сетку или решетку.
[12] Система распределения теплообменной среды может содержать насос и внешний теплообменник.
[13] Предпочтительно, чтобы в качестве теплообменной среды выступал электролит, и на прилежащих поверхностях рам, поддерживающих одинаковые электроды, были предусмотрены канавки, соединяющие проходы с проемами для электродов.
[14] В упрощенном варианте аккумулятора с электролитом в качестве теплообменной среды, но без внешней системы теплообменной среды, в одной крышке предусмотрено входное отверстие для электролита, а другая крышка содержит входной патрубок для соединения с клапаном выпуска воздуха. Когда используется внешняя система охлаждения электролита, одна крышка соединена с входной трубой системы распределения электролита, а другая крышка соединена с возвратной трубой системы распределения электролита. Кроме того, система распределения электролита содержит насос и внешней теплообменник, и в возвратную трубу может быть встроен блок регенерации электролита.
[15] Указанные рамы содержат внешние электрические контакты и электропроводящие элементы из фольги в качестве дополнительных токосъемников между рамами электродов одинаковой полярности. Указанные дополнительные токосъемники могут быть выполнены перфорированными, причем электрически соединенные между собой рамы одинаковой полярности образуют полюсы аккумулятора.
2
3
2
2
[16] Кроме того, электроизолирующий материал представляет пористый электроизолирующий материал, нанесенный методом плазменного напыления. Этот материал может быть выбран из группы оксидных керамик АlО, SiO, ZnO, политетрафторэтилена, полифторид-гексафторпропена, полициклоолефина.
[17] Обе крышки предпочтительно соединены с одним полюсом аккумулятора.
Технический результат
[18] Изобретение основано на использовании стопки металлических рам с проемами, в которые помещены 3D электроды. Подразумевается, что термин "3D" относится к электродам, минимальная толщина которых составляет 0,5 мм, в отличие от тонкопленочных электродов, обладающих значительно меньшей толщиной. Размещение электродов в рамах обеспечивает аккумулятору необходимую механическую устойчивость при ударах, сжатии и вибрации. Кроме того, указанные рамы обеспечивают распределение тепла и теплообмен внутри аккумулятора, а также служат в качестве токосъемников, полюсов отдельных электродов и токовых контактов. В одном варианте изобретения внешняя теплообменная среда поступает в аккумулятор через трубки, проходящие сквозь проходы, образованные каналами в рамах, и обычно соединенные с внешней системой циркуляции теплообменной среды.
[19] В случае, когда в качестве теплообменной среды используется электролит, он поступает к электродам через соединенные друг с другом проходы и канавки в рамах. Указанный электролит относится к тому же типу, что и электролит, находящийся в электродах, сепараторах и системе распределения. В таком варианте изобретения, вся аккумуляторная батарея может быть помещена в корпус и соединена с внешней системой распределения теплообменной среды (электролита).
[20] Конструкция, в которой периферийные крышки выполнены с канавками, распределительные панели с отверстиями и рамы с распределительными канавками или пористым керамическим или металлическим слоем, предпочтительно нанесенным методом плазменного напыления, позволяет дополнительно обеспечить надлежащее заполнение аккумулятора электролитом, а также его замену и дегазацию.
1/3
1/3
1/3
2
[21] Интеграция в аккумулятор блока регенерации электролита и очищающего фильтра дополнительно повышает срок службы электролита и, следовательно, повышает срок службы электродов и аккумулятора в целом. Компактная конфигурация таких эффективно охлаждаемых модулей позволяет создать аккумулятор с оптимальным распределением его объема между рамами, системой охлаждения и емкостью электродов, достигая при этом удельной емкости по меньшей мере 250 Вт·ч/литр при использовании традиционных активных материалов для электродов, например NMC (LiCoMnNiO) и графита.
Краткое описание чертежей
[22] Ниже приведено описание вариантов изобретения с примерами и ссылками на соответствующие схематичные чертежи.
[23] На фиг.1 спереди в разрезе показан аккумулятор с отдельной внешней системой циркуляции и распределения теплообменной среды.
[24] На фиг.2 показана сверху рама с проемами для электродов и каналами для теплообменной среды.
[25] На фиг.3 показана сверху панель распределения электролита.
[26] На фиг.4 показана снизу верхняя периферийная крышка с канавками для распределения электролита и проходами для теплообменной среды.
[27] На фиг.5 частично в разрезе показана внутренняя часть аккумулятора - один модуль с подробно изображенными элементами.
[28] На фиг.6 спереди в разрезе показан аккумулятор с системой циркуляции и распределения электролита в качестве теплообменной среды и с прямым потоком электролита через аккумулятор.
[29] На фиг.7 показана изнутри верхняя и нижняя крышки с канавками для распределения электролита в соответствии с фиг.6.
[30] На фиг.8 спереди в разрезе показан аккумулятор с системой циркуляции и распределения электролита в качестве теплообменной среды и с обратным потоком электролита.
[31] На фиг.9а показана рама с канавками для распределения электролита к электродам.
[32] На фиг.9b показана рама с канавками для распределения электролита к электродам и за пределы рамы.
[33] На фиг.9с показана рама с канавками для распределения электролита к электродам и системе распределения.
[34] На фиг.10 спереди в разрезе показан упрощенный вариант аккумулятора без корпуса.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения
[35] Последующие примеры иллюстрируют различные системы охлаждения аккумулятора, в которых идентичные или почти идентичные по своим функциям и назначению элементы обозначены одинаковыми номерами позиций.
[36] На фиг.1 спереди в разрезе показан аккумулятор с внешней системой циркуляции теплообменной среды. Отдельные металлические рамы 3 уложены стопкой в корпусе 10 между верхней крышкой 1а, показанной сверху на фиг.4, и нижней крышкой 1b. Эти же рамы показаны сверху на фиг.2.
[37] Расположенные парами и образующие стопку рамы 3 с электродами 4а, 4b детально показаны на фиг.5. Каждая рама содержит группу из трех проемов для электродов 31 и группу каналов 32, причем указанные проемы и каналы рам совпадают. Все проемы 31 каждой рамы 3 заполнены либо плотно упакованными 3D положительными электродами 4а, либо плотно упакованными 3D отрицательными электродами 4b, которые детально изображены вместе с другими элементами на фиг 5. Термин "3D" относится к так называемым трехмерным электродам и, согласно этому изобретению, к электродам, имеющим минимальную толщину 0,5 мм. Количество проемов 31 для электродов и каналов 32 в одной раме 3 практически не ограничено и зависит от требуемой емкости аккумулятора. Все электроды 4а в проемах 31 рам 3 образуют вместе один электрод одной полярности; в данном варианте изобретения - положительный электрод. Все электроды 4b в других рамах 3 образуют вместе один электрод другой полярности, в этом варианте изобретения - отрицательный электрод 4b. Каждая пара рам 3 с электродами 4а и 4b разделена сепараторами 5 и образует один комплект рам 3, представляющий собой одну ячейку аккумулятора. Проемы 31 и, соответственно, электроды 4а, 4b могут иметь любую плоскую форму, в зависимости от технологии изготовления, например, круглую форму, как показано на чертежах. Система расположенных друг над другом совпадающих каналов 32, образует проходы 34 для распределения теплообменной среды.
[38] Рамы 3 с плотно упакованными электродами 4а, 4b отводят и распределяют избыток тепла, генерируемый во время химических реакций, сопровождающих зарядку и разрядку аккумулятора. В альтернативном варианте изобретения рамы получают и распределяют тепло, поступающее от внешнего источника, посредством теплообменной среды, чтобы повысить температуру аккумулятора. На фиг.1 показаны трубки для теплообменной среды 14, установленные внутри проходов 34.
[39] На фиг.5 в разрезе показана стопка рам 3, в которой электрод 4а, в данном варианте изобретения - положительный электрод, отделен от отрицательного электрода 4b сепаратором 5. В данном варианте изобретения, каждый электрод 4а, 4b после запрессовки в проем 31 имеет толщину 2 мм. Рамы 3 имеют ту же толщину, что и электроды 4а, 4b. Между рамами различной полярности вставлен электроизолирующий материал 55. Подходящими электроизолирующими материалами являются химически и термически устойчивые вещества, например оксидные керамики, такие как Аl2О2, SiO2, ZrO2. Другими электроизолирующими материалами могут быть политетрафторэтилен PTFE (Teflon), полимерный фторкаучук, например винилиден фторид-гексафторпоропен, также известный под торговой маркой Viton, или полимер циклоолефин, известный под маркой Zeonor.
[40] Между рамами 3 с электродами одной полярности вставлены дополнительные токосъемники, электропроводящие элементы 51, 53 из фольги в виде решеток, металлической сетки или фольги, выполненные из проводящего металла. В этом варианте изобретения, электропроводящие элементы 51 и 53 из фольги выполнены с перфорацией 56 на участке, соприкасающемся с электродами, для облегчения прохождения электролита. Эти дополнительные токосъемники обеспечивают передачу электрического заряда к рамам 3, выполняющим роль главных токосъемников. Рамы 3 с электродами одной полярности дополнительно снабжены контактами 57, 58, которые в этом варианте изобретения присоединены к положительному полюсу 52 аккумулятора с одной стороны и к отрицательному полюсу 54 аккумулятора с другой стороны. Возможный состав материала и различные варианты конфигурации трехмерных электродов описаны более подробно в патентном документе WO 2010031363.
[41] Электроды 4а, 4b вставлены в концентрические проемы 31 в рамах 3, при этом рамы 3, сепараторы 5, электроизолирующий материал 55 и дополнительные токосъемники 51, 53 вместе образуют аккумуляторные модули 20, содержащие проходы 34 для теплообменной среды.
[42] В варианте изобретения, показанном на фиг.1, в проходы 34 вставлены отдельные теплообменные трубки 14. Модули 20 дополнены верхней распределительной панелью 2а и нижней распределительной пластиной 2b. Обе пластины, показанные сверху на фиг.3, содержат систему сквозных проколов 21 над поверхностями электродов 4а, 4b и являются по существу идентичными. Сквозные проколы 21 обеспечивают для отдельных модулей 20 подачу и слив электролита во время его замены, и также дегазацию внутреннего пространства модулей. Верхняя крышка 1а и нижняя крышка 1b установлены на распределительных панелях 2а, 2b и на внутренней стороне содержат систему распределительных канавок 11, как показано на виде сверху крышки 1а на фиг.4. Периферийные отверстия 17 на крышках 1а, 1b предназначены для надежного соединения крышек 1а, 1b и закрепления между ними стопки рам 3 посредством болтов, не показанных на чертежах. Электролит поступает в верхнюю крышку 1а через входное отверстие 12, в то время как нижняя крышка 1b аналогичным образом может быть снабжена выпускным отверстием для электролита, не показанным на этом чертеже. С одного конца теплообменные трубки 14 закреплены и герметично установлены в верхнем разделителе 13а. Разделитель 13а расположен над крышкой 1а и ограничивает верхнюю камеру 15а. С другого конца теплообменные трубки 14 закреплены и герметично установлены в нижнем разделителе 13b, расположенном под крышкой 1b и ограничивающим нижнюю камеру 15b. Верхняя камера 15а соединена посредством входной трубы 81 с насосом 8, прокачивающим теплообменную среду от теплообменника 18 внутрь корпуса 10-аккумулятора. Нижняя камера 15b соединена с теплообменником 18 посредством возвратной трубы 82. В альтернативном варианте изобретения трубки 14 над крышками 1а, 1b могут быть присоединены индивидуальным образом непосредственно к входной трубе 81 и возвратной трубе 82. При использовании аккумулятора описанного типа в автомобиле в качестве теплообменника может быть использован автомобильный радиатор. Для специалиста области техники очевидно, что описанная выше система охлаждения может быть применена также в случае, когда аккумулятор содержит только один модуль 20 с одним проходом 34.
[43] Фиг.6 иллюстрирует другой вариант охлаждения аккумулятора, в котором в качестве теплообменной среды использован электролит, напрямую протекающий через аккумулятор. Подходящим жидким электролитом для температур до 85°C является, например, LiPF6 в растворе этиленкарбоната (ЕС) и пропиленкарбоната (PC) и другие подобные электролиты. Магистраль 81, соединенная с насосом 8, проходит непосредственно в центр верхней крышки 1 с, как изображено на виде сверху фиг.7. Верхняя крышка 1с практически идентична нижней крышке 1d, при этом указанная магистраль присоединена к возвратной трубе 82 в центре крышки.
[44] Аналогично описанному выше варианту изобретения с внешней теплообменной средой распределительные панели 2а, 2b вставлены между крышками 1с, 1d и модулями 20 для обеспечения поступления электролита, распределяемого по канавкам 11, в отдельные модули 20, и, аналогично предыдущему варианту, рамы 3 содержат систему проемов 31 для электродов и систему каналов 22, образующих проходы 34 для распределения теплообменной среды, в данном случае - электролита.
[45] Для облегчения поступления электролита в проемы 31 и, впоследствии, к электродам 4а, 4b и сепараторам 5 и для облегчения замены электролита и дегазации аккумулятора, рамы 3 могут быть снабжены системой канавок 36, 37, 38 на одной или обеих контактных поверхностях. На фиг.9а показана такая система канавок, содержащая лишь внутренние канавки 36, распределяющие электролит к проемам 32 с электродами 4а 4b. Как показано на фиг.9b, указанная система может быть расширена и может содержать также внешние канавки 37, обеспечивающие дополнительное поступление электролита из бокового отсека 35 корпуса 10. Фиг.9с иллюстрирует систему канавок 38, выполненную в раме 3 аккумулятора, с электролитом в качестве теплообменной среды. В данном варианте изобретения, канавки 38 соединяют проходы 34 напрямую с проемами 31. Вместо канавок 36, 37, или дополнительно к канавкам 36, 37, электроизолирующий материал 55 может быть заменен пористым электроизолирующим покрытием, нанесенным методом плазменного напыления, на всех соединительных поверхностях рамы 3, что также обеспечивает проникновение электролита из проходов 34 и бокового пространства 35 к электродам 4а, 4b и сепараторам 5.
[46] Выше по потоку от теплообменника в возвратную трубу 82 встроен блок 19 регенерации. Указанный блок может выступать в качестве фильтра для очистки электролита от нежелательных продуктов химических реакций, происходящих в аккумуляторных модулях 20. Такими продуктами могут быть HF, H20 или свободные ионы марганца и его соединений, механические частицы и другие подобные продукты. Блок 19 регенерации может работать по механическому, химическому, сорбционному и электрохимическому принципу, с использованием литиевых мембран и т.д. Очистка электролита значительно повышает срок службы аккумулятора.
[47] Фиг.8 иллюстрирует другой вариант охлаждаемого электролитом аккумулятора, отличающийся от предыдущих вариантов только способом протекания электролита через аккумулятор. Возвратная труба 82 соединена с корпусом 10 в области верхней крышки 1 с таким образом, что электролит после протекания через проходы 34 возвращается из нижней части пространства корпуса 10 через боковой отсек 35 к верхней части корпуса 10. Затем электролит поступает через трубу 82 к модулю 19 регенерации. При введении потока электролита в боковой отсек 35 поверхность теплопередачи увеличивается за счет вертикальных стенок корпуса 10, и общая интенсивность теплообмена повышается. Для этой же цели корпус 10 может быть снабжен ребрами охлаждения на любой подходящей поверхности.
[48] Фиг.10 иллюстрирует упрощенный вариант аккумулятора, в котором аккумулятор не содержит внешней системы распределения теплообменной среды, контейнер для электролита и корпус.Корпус аккумулятора ограничен только внешними поверхностями рам 3 и крышками 1 с, 1d. Аккумулятор охлаждается за счет естественной циркуляции теплообменной среды в обширной области металлических рам 3. Отвод тепла от внутренней части аккумулятора осуществляется за счет циркуляции электролита между электродами 4а, 4b в проемах 31, проходах 34 и крышках 1 с, 1d благодаря разности температур в различных частях аккумулятора 31. Крышка 1d соединена с входным отверстием 12 для заправки электролита, а крышка 1 с снабжена входным патрубком 16, соединенным с клапаном выпуска газа (не изображен). Для достижения более эффективного охлаждения крышки 1 с, 1d могут также быть снабжены ребрами охлаждения. Указанный упрощенный вариант подходит для аккумуляторов с более низкой мощностью, вырабатывающих меньший избыток тепла, например для аккумуляторов стартера.
Промышленная применимость
[49] Изобретение может быть использовано для конструкций электронакапливающих аккумуляторов высокой емкости и аккумуляторов высокой безопасности для использования в транспортных средствах, подвергающихся воздействию экстремальных температурных условий, ударных нагрузок и вибраций.