Батарея термоактивируемых химических источников тока
BATTERY OF THERMOACTIVATED CHEMICAL CURRENT SOURCES

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к тепловым химическим источникам тока (ТХИТ), которые могут быть использованы  в качестве автономных резервных источников питания с повышенным ресурсом работы, активируемыми от внешнего источника тепла.
Тепловые химические источники тока на основе электрохимических элементов широко известны. К их достоинствам можно отнести длительный,  до 25 лет срок хранения без потери электрической емкости, отсутствие обслуживания, возможность получать любые мощностные и энергетические характеристики. При разработке конструкций батарей ТХИТ, как резервных источников питания,  в основном решаются задачи по массо-габаритным параметрам, повышению ресурса работы и срока годности, энергоемкости, а также по повышению надежности работы и упрощению технологии сборки батарей.
Принцип современных тепловых химических источников тока основан на использовании  электрохимических элементов (ЭХЭ), каждый из которых содержит расчетное количество минимизированных по толщине слоев активных масс катодного и анодного полуэлементов, отделенных друг от друга слоем электролитной смеси [1-4]. Первичные электрохимические элементы  собирают в блок последовательно, вертикально, в так называемый «столб», на центральном изолированном стягивающем стержне. Между полуэлементами вводят запрессованные в металлическую оболочку твердые слои пиротехнических нагревательных элементов, предназначенные для нагрева ЭХЭ до рабочей температуры и обеспечения электронного контакта между катодным и анодным полуэлементами. Для активации батарей, то есть приведения их в рабочее состояние, используют электровоспламенитель, который является неотъемлимым элементом конструкции.
Таким образом, из уровня техники известны конструкции резервных автономных источников питания, принцип работы которых основан на том, что при разогреве слоев активных масс катодного и анодного полуэлементов до рабочей температуры, осуществляемом пиронагревателями, ионопроводящая среда приобретает чисто ионную проводимость электрического тока и на блоке электрохимических элементов возникает разность потенциалов. Однако, тепловые батареи, в которых разогрев слоев активных масс катодного и анодного полуэлементов осуществляется от пиронагревателей, во первых, может быть задействована однократно, во вторых, в такой батарее сложно обеспечить требуемый температурный режим для функционирования электрохимических элементов в течение длительного времени. В третьих,  для задействования такой батареи сложно провести корректный расчет количества пиротехнической смеси при достаточно широком интервале температур окружающей среды (от – 50 до + 50 °С). Более того, необходимость использовать расчетное количество минимизированных по толщине слоев активных масс катодного и анодного полуэлементов является ограничением, которое  влечет за собой к снижению емкости батареи.
Кроме того, для сохранения внутреннего тепла, такие батареи выполнены однокорпусными с внутренним слоем теплоизоляционного материала или по принципу «термоса» двухкорпусными, с соответствующей теплоизоляцией, обеспечивающей температурный режим внутри корпуса батареи, при котором работоспособны электрохимические элементы. Это осложняет процесс сборки батарей, притом, что все они содержат нагревательные элементы, требующие устройств активации. Однако, при всех возможных вариантах использования теплоизоляции и элементов конструкций, направленных  на поддерживание высоких температур в малом объеме батареи, максимальное время работы  известных батарей не превышает 1 час,  что обусловлено интенсивным стоком тепла в окружающее пространство и отсутствием источника тепла внутри батареи, который мог бы обеспечить компенсацию теплопотерь. Следует отметить и то, что из-за требований автономной активации, замена нагревательных элементов в известных батареях не предусмотрена, поэтому источники питания данного типа являются изделиями одноразового использования.
В качестве прототипа заявляемого изобретения принята наиболее простая по конструкции однокорпусная тепловая батарея по RU50718 [1]. Данная батарея содержит корпус, внутренняя поверхность которого покрыта слоем теплоизоляции. Внутри корпуса на центральном изолированном стягивающем стержне собраны последовательно, вертикально в блок первичные электрохимические элементы, каждый из которых содержит анодный и катодный полуэлементы, состоящие из активной  массы соответствующего электродного материала, запрессованной в  чашеобразный металлический корпус. Между полуэлементами запрессован слой электролитной смеси, разделяющий полуэлементы от электронного контакта. Первичные электрохимические элементы собраны друг с другом в блок таким образом, что металлический корпус анодного полуэлемента имеет электронный контакт с нагревательным элементом, представляющим собой слой пиротехнического состава, запрессованный в металлическую оболочку, и через этот  нагревательный элемент – с металлическим корпусом катодного полуэлемента. Батарея имеет внешние электроизолированные токовыводы.
Для приведения в рабочее состояние батарея содержит систему электровоспламенителей. Данной батарее присущи все недостатки вышеперечисленных известных батарей, включая одноразовость активации и относительно малое время работы, которое для этой батареи составляет не более 20 минут.
Задача настоящего изобретения заключается в создании конструкции батареи термоактивируемых химических источников тока с ресурсом работы не менее 5 – 8 часов и возможностью неоднократной активации до полной выработки заложенной в них электрической емкости.
Для этого предложена батарея термоактивируемых химических источников тока, которая, как и прототип, содержит герметичный металлический корпус, внутри корпуса на центральном изолированном стягивающем стержне собраны последовательно, вертикально в блок первичные электрохимические элементы, каждый из которых содержит анодный и катодный полуэлементы, состоящие из активной  массы соответствующего электродного материала, запрессованной в  чашеобразный металлический корпус, полуэлементы разделены  слоем электролитной смеси, запрессованной между их корпусами, при этом первичные электрохимические элементы собраны друг с другом с возможностью электронного контакта, а батарея имеет внешние электроизолированные токовыводы,
Новая батарея отличается тем, что первичные электрохимические элементы собраны друг с другом таким образом, что металлический корпус анодного полуэлемента имеет электронный контакт непосредственно с металлическим корпусом катодного полуэлемента,  при этом корпус батареи изнутри имеет слой высокотемпературной композитной электроизоляции.
Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. То, что в предложенной конструкции батареи металлический корпус анодного полуэлемента имеет электронный контакт непосредственно с металлическим корпусом катодного полуэлемента, позволяет исключить  из состава батареи пиротехнические нагреватели и сопутствующие им компоненты задействования. Необходимость в теплоизоляции, которая заменена высокотемпературным композиционным электроизоляционным слоем,  хорошо проводящим тепло, не теряющим свои свойства при высоких температурах (выше 500° С), а также предотвращающим возможность короткого замыкания между  полуэлементами, также исключается.
Такая конструкция батареи может активироваться от внешнего источника тепла, в качестве которого можно использовать печь, костер, газовая или бензиновая горелка или любой другой внешний источник тепла, который может обеспечить разогрев батареи до рабочей температуры  500 ± 50°С. Однокорпусная батарея способствует ускорению разогрева блока элементов ТХИТ.
После частичного использования емкости элементов батареи ее разогрев прекращается. Она остывает, при этом саморазряда ее элементов не происходит. Повторное задействование батареи, как и все последующие задействования  осуществляются аналогично, при этом ее электрические характеристики практически не изменяются до окончательного использования заложенной в ее элементах электрической емкости. Ресурс работы такой батареи зависит от количества заложенных в элементы ТХИТ активных материалов и может составлять не менее 5 – 8 часов.
Новый технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в существенном увеличении удельной энергоемкости тепловой батареи и обеспечении неоднократной активации батареи, что позволяет расширить область применения батареи в качестве резервного источника электроснабжения.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг.1 представлен первичный электрохимический элемент; на фиг.2 – первичный электрохимический элемент в разрезе; на фиг.3  изображен общий вид тепловой батареи в разрезе; на фиг.4 представлена схема сборки первичных электрохимических элементов в прототипе, где поверхность электронного контакта находится между металлическим корпусом анодного полуэлемента и нагревательным элементом, в также между нагревательным элементом и металлическим корпусом катодного полуэлемента: на фиг.5 – схема сборки первичных электрохимических элементов заявленной батареи, где поверхность электронного контакта находится непосредственно между металлическим корпусом анодного полуэлемента и металлическим корпусом катодного полуэлемента.
Батарея термоактивируемых  химических источников тока содержит корпус 1, имеющий изнутри слой высокотемпературной композитной электроизоляции 2, способной выдерживать перепады температур без разрушения электротехнических свойств батареи. Слой электроизоляции  может быть выполнен из материала марки «Миниплен». В центре корпуса 1 закреплен стягивающий стержень 3 с изоляционным покрытием. На стержне 3 собраны последовательно, вертикально в блок, в так называемый «столб»,  первичные электрохимические элементы 4.
Каждый электрохимический элемент 4 содержит анодный полуэлемент 5, состоящий из запрессованной в чашеобразный металлический корпус 6 активной массы литийсодержащего анода, и катодный  полуэлемент 7, состоящий из запрессованной в аналогичный чашеобразный металлический корпус 8 активной массы из галогенидов или оксидов переходных металлов или их смеси. Чашеобразные металлические корпуса полуэлементов имеют буртики 9 и 10, позволяющие увеличить диаметр  слоя низкоплавкой солевой смеси галогенидов лития, загущенной алюминатом лития 11, который запрессован между полуэлементами 5 и 7 для надежного разделения этих полуэлементов от электронного контакта и предотвращения короткого замыкания.
Батарея термоактивируемых  химических источников тока имеет внешние электроизолированные токовыводы 12, при этом блок первичных электрохимических элементов  изолирован от  центрального стержня керамической трубкой 13. Для определения готовности к использованию батареи в неё  встроен  индикатор рабочего состояния (на рисунке не показан).
Использование батареи термоактивируемых  химических источников тока осуществляется следующим образом. В зависимости от конструкции, батарею помещают в источник тепла, например, костер, печь и т.п.,  или подвергают воздействию газовой или бензиновой горелки.  Осуществляют разогрев батареи до момента,  когда индикатор рабочего состояния покажет ее готовность к работе. Время задействования батареи зависит от ее конструкции, электрической емкости, заложенной в первичные электрохимические элементы, способа приведения в рабочее состояние и может составлять от нескольких секунд до 10 – 15 минут. После частичного использования емкости батареи ее разогрев прекращается, батарея остывает и может храниться любое время до следующей активации. Саморазряда элементов батареи в холодном состоянии не происходит. Батарея допускает неоднократное задействование до полной выработки заложенной в неё электрической емкости.
Таким образом, создана конструкция батареи термоактивируемых химических источников тока с ресурсом работы не менее 5 – 8 часов и возможностью неоднократной активации до полной выработки заложенной в ТХИТ  электрической емкости.
Источники информации:
1. RU50718, публ. 20.02.2006;
2. RU №2369944, публ. 10.10.2009;
3. RU2508580, публ. 27.02.2014;
4. RU2573860, публ. 27.01.2016