CZ2017656A3 - Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor a způsob bezpečného provozu lithiového akumulátoru - Google Patents

Abstract

Vynález se týká konstrukce lithiového akumulátoru obsahujícího svazek elektrod, které jsou v případě havarijní situace (zkrat, přehřátí, mechanické poškození) vzájemně oddělitelné, přičemž je navíc prostor mezi elektrodami zaplaven havarijní kapalinou, která vytěsní elektrolyt a zastaví přenos iontů mezi elektrodami. Inaktivace akumulátoru je přitom plně reverzibilní, po odeznění havarijní situace může být akumulátor snadno a rychle uveden do původního provozního stavu. Konstrukcí akumulátoru podle vynálezu lze dosáhnout vysoké kapacity, např. při použití elektrody z lithia v dendritické formě, a současně zajistit vysokou bezpečnost provozu akumulátoru.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká konstrukce lithiového akumulátoru obsahujícího svazek elektrod, které jsou v případě havarijní situace (zkrat, přehřátí, mechanické poškození) vzájemně oddálitelné, přičemž je navíc prostor mezi elektrodami zaplaven havarijní kapalinou, která vytěsní elektrolyt a zastaví přenos iontů mezi elektrodami. Inaktivace akumulátoru je přitom plně reverzibilní, po odeznění havarijní situace může být akumulátor snadno a rychle uveden do původního provozního stavu. Konstrukcí akumulátoru podle vynálezu lze dosáhnout vysoké kapacity, např. při použití elektrody z lithia v dendritické formě, a současně zajistit vysokou bezpečnost provozu akumulátoru.

Dosavadní stav techniky

Používání velkokapacitních akumulátorů, respektive akumulátorových komplexů obsahujících lithné soli je spojeno s problémem snižujícího se poměru mezi vzrůstajícím výkonem a tedy i hmotností akumulátoru a plochou, která je k dispozici k odvodu tepla generovaného při chemických reakcích provázejících nabíjení a vybíjení akumulátoru. Udržování provozní teploty v rozsahu, který je vymezen bezpečnostními limity vylučujícími přehřátí akumulátoru, jehož následkem může být požár nebo výbuch, nebo provoz při vyšších teplotách, při kterých se výrazně snižuje životnost akumulátoru, vyžaduje přídavné zařízení zajišťující intenzivnější výměnu tepla. V posledním desetiletí probíhá intenzivní vývoj lithiových článků, nicméně problematika vysoké kapacity a současně bezpečného provozu není stále uspokojivě vyřešena a stává se tak limitem pro širší využití lithiových akumulátorů např. v elektromobilech.

Současným standardním řešením je využití elektronického bezpečnostního obvodu, který obsahuje teplotní čidlo a který rozpojí akumulátor při překročení bezpečnostních limitů teploty článku.

Dokument WO2005324563 řeší problém částečně tím, že skupiny baterií jsou uloženy v substrátu, který činí bateriovou soustavu odolnou proti vibracím, a dále je soustava proložena trubkami, kterými protéká teplosměnné médium.

Ve W02010031363 je popsán lithiový akumulátor tvořený svazkem nad sebou uspořádaných kovových rámů, ve kterých jsou umístěny silnostěnné elektrody, přičemž elektrody opačné polarity jsou odděleny separátory a rámy opačné polarity navzájem izolovány. I když kovové rámy umožňují dokonalejší odvod tepla z vnitřku akumulátoru, nezaručují odvod tepla v potřebné míře.

V dokumentu WO2012038887 je popsáno jiné řešení regulace teploty velkokapacitního lithiového akumulátoru, a sice tím, že je využit kapalný elektrolyt, který slouží také jako chladicí médium.

V českém patentu č. 305849 je popsán bezpečnostní havarijní systém lithiového akumulátoru, jehož součástí je přídavná nádrž s havarijním médiem, do které jsou vloženy moduly elektrod, přičemž v případě bezprostřední hrozby požáru je havarijní médium použito k zaplavení vnitřku akumulátoru havarijním médiem.

Patent č. 306913 řeší problém tím, že poskytuje konstrukci akumulátoru sestávajícího ze vzájemně oddělitelných modulů elektrod, přičemž v havarijní situaci se nejen oddělí moduly elektrod, ale modul negativní elektrody je zaplaven havarijním médiem.

- 1 CZ 2017 - 656 A3

Avšak výše uvedená řešení jsou konstrukčně poměrně náročná a navíc neumožňují okamžitou a úplnou inaktivaci elektrod akumulátoru.

Úlohou předloženého vynálezu je vyřešit otázku konstrukce vysokokapacitního akumulátoru, kde by vysoké kapacity bylo výhodně dosaženo tím, že by obsahoval elektrody obsahující kovové lithium, výhodně v dendritické formě. Takový akumulátor může dosáhnout násobně vyšší kapacity při současném zmenšení hmotnosti a rozměrů ve srovnání se současnými standardními akumulátory. A dále bylo cílem, aby v havarijní situaci byly elektrody prakticky okamžitě a úplně inaktivovány, takže by se zabránilo případnému vzplanutí či výbuchu akumulátoru. Taková konstrukce lithiového akumulátoru by splnila maximální nároky na bezpečnost i při provozu v extrémních podmínkách i případných haváriích.

Podstata vynálezu

Problémy a nedostatky dosavadního stavu techniky řeší předložený akumulátor nové konstrukce, která umožňuje prakticky okamžité a úplné zaplavení účinných ploch všech elektrod havarijní kapalinou. V případě signalizace havarijního stavu se svazek elektrod rozvolní a elektrody se tak vzájemně mechanicky oddálí, přičemž se mezi nimi vytvoří prostor, do kterého je současně tlakem inertního plynu vháněna havarijní kapalina, která vytěsní elektrolyt a zabrání tak pohybu iontů mezi elektrodami.

Konstrukce akumulátoru podle vynálezu umožňuje použít pro negativní elektrodu soli lithia (Li), ale výhodně zejména kovové lithium, a zvláště pak lithium v dendritické formě, v kombinaci s pozitivní elektrodou výhodně z oxidů vanadu (V2O5) nebo Li-NMC (Li(NiMnCo)C>2), a tím dosáhnout mimořádně vysoké kapacity. Konstrukci akumulátoru podle vynálezu lze využít samozřejmě i pro elektrody tvořené standardními lithnými sloučeninami známými ze stavu techniky.

Současným oddálením elektrod a zaplavením elektrod havarijní kapalinou (výhodně minerálním olejem) jev meziprostorech mezi elektrodami znemožněn další přenos iontů a tím pokračování zvyšování teploty akumulátoru. Smícháním havarijní kapaliny a elektrolytu se také významně zvýší teplota vzplanutí elektrolytu z obvyklých 140 °C až 170 °C (pro standardní elektrolyty tvořené Li solemi v organickém rozpouštědle) na 230 °C a více.

Významnou výhodou předložené konstrukce je to, že inaktivace akumulátoru je plně reverzibilní, po odeznění havarijní situace lze snadno elektrody vrátit do původní provozní polohy a havarijní kapalinu opět nahradit elektrolytem.

Podstatou předloženého řešení je akumulátor, obsahující ve vnějším pevném obalu elektrodový modul, který obsahuje elektrolyt a svazek deskových elektrod sevřených mezi dolním a horním víkem, přičemž horní víko je uvolnitelné. Svazek elektrod obsahuje alespoň jednu negativní elektrodu a alespoň jednu pozitivní elektrodu a alespoň jeden separátor. Jednotlivé elektrody jsou vzájemně oddálitelné po uvolnění horního víka. Do elektrodového modulu je zavedena alespoň jedna trubice pro přívod havarijní kapaliny do prostoru mezi elektrodami.

Dále jsou uvedena další možná provedení akumulátoru podle vynálezu, která jeho podstatu dále rozvíjejí nebo jednotlivé znaky dále konkretizují.

Elektrody jsou pohyblivě (kluzně) nasazeny na alespoň jeden nosný trn tak, že je možný pohyb elektrod ve směru podélné osy nosného tmu.

Svazek elektrod výhodně obsahuje větší počet elektrod, např. 6, 8, 12, 24 elektrod každé polarity.

-2CZ 2017 - 656 A3

Nosný tm je umístěn v podstatě v kolmé poloze vůči dolnímu a hornímu víku, prochází otvorem v elektrodách, resp. rámu elektrod, popřípadě horním víkem, popřípadě i dolním víkem. Jednotlivé elektrody jsou tedy vzájemně mechanicky oddálitelné po uvolnění horního víka působením pražného prvku umístěného mezi elektrodami. Pražným prvkem může být např. pružina, výhodně z nevodivého materiálu, nebo elastický blok, např. pryžový blok. Pružný prvek může v jiném provedení současně plnit funkci pružné či prodloužitelné vodivé spojky elektrod. Uvolnění horního víka i oddálení elektrod jsou vratné, horní víko a elektrody lze vrátit zpět do původní sevřené polohy snadno po překonání síly pražných prvků mezi elektrodami. Výhodně jsou užity dva nosné tmy, které mohou plnit současně funkci sběrače proudu a pólů akumulátoru. Svazek elektrod obsahuje negativní a pozitivní elektrody, obvykle uspořádané střídavě a vzájemně oddělené separátory. Horní a dolní víko jsou od elektrod odděleny izolátorem. Horním víkem a elektrodami (resp. rámy elektrod) prochází alespoň jedna trubice pro přívod havarijní kapaliny do prostoru elektrodového modulu. Dolní a horní víko jsou sevřeny pomocí alespoň jednoho svěmého prvku, výhodně šroubu, který víky prochází a je opatřen bezpečnostní pojistkou, která zajišťuje polohu horního uvolnitelného víka a v případě potřeby umožňuje jeho uvolnění. Svěmý šroub prochází mimo rámy elektrod. Výhodně jsou použity čtyři svěmé šrouby. Elektrody stejného druhu jsou vzájemně spojeny pružnými či prodloužitelnými vodivými spojkami, a jsou také připojeny na příslušný pól akumulátoru. Elektrodový modul je výhodně opatřen roztažitelným (tj. roztažitelným a zpětně smrštitelným) obalem, který je vytvořen např. z laminované plastové fólie, jaká je odborníkovi běžně známa, a který je nepropustný pro elektrolyt. Funkcí roztažitelného obaluje zabránit kontaktu elektrolytu s pevným obalem. Tento roztažitelný obal je tedy naplněn elektrolytem a izoluje svazek elektrod, popřípadě celý elektrodový modul od vnějšího pevného obalu akumulátoru, přičemž mezi vnějším pevným obalem a roztažitelným obalem je výhodně v základním pracovním stavu inertní plyn, který po dobu činnosti akumulátoru zajišťuje ochranu dendritů uvnitř akumulátoru. V expandovaném stavu (tj. při oddálení elektrod a plnění elektrodového modulu havarijní kapalinou) roztažitelný obal pojme vytlačený elektrolyt a inertní plyn v prostora mezi vnějším pevným obalem a roztažitelným obalem je vypuzen ven do atmosféry prostřednictvím bezpečnostního ventilu instalovaného ve vnějším pevném obalu. Dvojí obal akumulátoru přispívá také ke zvýšené bezpečnosti provozu.

Konstrukce negativní a pozitivní elektrody je v principu shodná. Elektroda obsahuje vodivý rám, výhodně opatřeným kontaktním výstupkem, ve kterém je výhodně současně otvor pro navlečení rámu na nosný tm. V rámu je současně vytvořen alespoň jeden otvor pro vsazení trubice pro přívod havarijní kapaliny. Výhodně je rám ve tvaru mezikraží, které je opatřeno dvěma otvory pro vsazení trubice pro přívod havarijní kapaliny. V závislosti na velikosti akumulátoru, resp. elektrod, může být účelné a výhodné užít více trubic pro přívod havarijní kapaliny, např. 3, 4, 6 nebo i více. Trubice jsou za standardních podmínek využity k plnění akumulátoru elektrolytem, kdy se výhodně jedna trubice užije k plnění a alespoň jedna další trubice slouží k odvzdušnění. Elektrody jsou opatřeny na svém obvodu převlečným těsněním, které pokrývá z obou stran celý rám a které slouží k vzájemné elektrické izolaci elektrod. Převlečné těsnění je přitom opatřeno bočním otvorem, který umožňuje průnik kontaktního výstupku.

Elektrolytem pro akumulátor podle vynálezu je některý z běžných elektrolytů typu organické rozpouštědlo + Li soli, které jsou odborníkovi známy.

Do vnitřního prostora rámu, případně s přesahem na rám, je ze spodní strany připojeno, výhodně nalisováno nebo přivařeno, dno vytvořené vodivým a pro elektrolyt prostupným materiálem, např. tahokovem, mřížkou, síťkou nebo perforovanou fólií, výhodně tahokovem. Případné další vrstvy s plochou shodnou s vnitřkem rámu mohou být vloženy a nalisovány shora. Shora je na dno nanesen, výhodně nalisován, aktivní materiál elektrody tak, že vytváří vrstvu, která nepřevyšuje horní hranu rámu. Rám negativní elektrody je vytvořen výhodně z mědi (Cu), dno je tvořeno výhodně také z Cu, popřípadě z Li, výhodně ve formě tahokovu, a aktivním materiálem negativní elektrody je kovové Li, výhodně ve formě např. plechu, mřížky, dendritů nebo dendritové houby, výhodněji ve formě dendritů. Pozitivní elektroda má rám výhodně z hliníku

-3 CZ 2017 - 656 A3 (Al), dno je výhodně tako z Al, výhodně ve formě tahokovu, a aktivním materiálem jsou např. oxidy vanadu, výhodně oxid vanadiěný (V2O5), nebo NMC (Li-NMC, Li(NiMnCo)O2).

Materiálem separátorů jsou porézní fólie tvořené netkanými skleněnými nebo keramickými vlákny, které jsou běžně komerčně dostupné a jsou odborníkovi známy.

Trubice pro přívod havarijního média je z nevodivého materiálu, výhodně z keramiky nebo plastu. Trubice je zasunuta do svazku elektrod až ke dnu, tj. k dolnímu víku. Trubice je uzpůsobena k tomu, aby po celé její aktivní délce (tj. části zasunuté do svazku elektrod) mohlo havarijní médium snadno pronikat do prostor mezi elektrodami. Výhodně je trubička perforována. Průchod trubice horním víkem a pevným obalem akumulátoru je vhodným způsobem utěsněn.

Bezpečný provoz akumulátoru podle předloženého vynálezu je zajištěn tím, že v případě havarijní situace dojde k uvolněním bezpečnostní pojistky (pojistek) na svěmém šroubu (šroubech) a působením pružných prvků mezi elektrodami dojde k oddálení elektrod při současném zaplnění prostorů mezi elektrodami havarijní kapalinou. Bezpečnostní pojistka na svěmém šroubu může být např. ve formě jistícího kroužku, který je v případě havarijního stavu uvolněn působením elektromagnetického nebo hydraulického systému. Bezpečnostní pojistky tohoto či obdobného typu jsou odborníkovi běžně známy.

K trubici pro přívod havarijní kapaliny je přes bezpečnostní ventil připojena bezpečnostní nádrž naplněná havarijní kapalinou, kterou je výhodně minerální olej, a tlakovým inertním plynem, výhodně argonem, který slouží k vytlačení havarijní kapaliny. Bezpečnostní nádrž může být ve formě samostatného konstrukčního prvku nebo může být vhodně integrována s akumulátorem a být např. součástí vnějšího obalu akumulátoru. Obdobná řešení jsou odborníkovi známa.

Součástí havarijního systému akumulátoru je teplotní a otřesový monitorovací systém vybavený senzory, které v případě překročení nastavených limitů aktivují havarijní režim, odpojí elektrický obvod a otevřou/uzavřou příslušné ventily. Tato část havarijního systému není v předloženém popisu podrobněji popsána, neboť její uspořádání patří k běžným součástem bezpečnostních systémů lithiových akumulátorů a je odborníkovi známo.

V případě havarijní situace dojde k uvolněním bezpečnostní pojistky (pojistek) na svěmém šroubu (šroubech) a působením pružných elementů mezi elektrodami dojde k prakticky okamžitému oddálení elektrod při současném napouštění (působením tlakového argonu) havarijní kapaliny do prostorů mezi elektrodami. Havarijní kapalina vytlačuje elektrolyt do prostoru mimo elektrody vymezeného vnějším obalem (odkud může popřípadě unikat bezpečnostním ventilem), popřípadě výhodně do prostoru vymezeného roztažitelným obalem v rámci vnějšího pevného obalu. Havarijní kapalina vyplní prostor mezi elektrodami, nasytí dendrity lithia, dojde k přerušení toku iontů mezi elektrodami a akumulátor se také ochladí, čímž se zabrání nežádoucí chemické reakci dendritů lithia. Tím se eliminuje příčina případného následného požáru nebo exploze akumulátoru.

Výše popsaná havarijní inaktivace akumulátoru je plně reverzibilní. Po odeznění havarijní situace lze snadno elektrody vrátit z expandované polohy do původní provozní (stlačené) polohy, vytlačit havarijní kapalinu a nahradit ji opět elektrolytem.

Nová konstrukce akumulátoru umožňuje využití dendritů lithia pro negativní elektrodu v akumulátorech. Teoretické zvýšení kapacity při použití dendritů lithia oproti solím lithia je až dvacetinásobné. Přitom je zachována nebo dokonce zvýšena bezpečnost provozu akumulátoru. Akumulátory podle vynálezu mohou být použity jako jednotlivé články a sestaveny do baterií obsahujících např. 3, 6 nebo 12 článků způsobem popsaným např. v užitném vzoru č. 30997 nebo jiným odborníkovi známým způsobem.

Předmětem vynálezu je vysokokapacitní lithiový akumulátor se zvýšenou bezpečností provozu,

-4CZ 2017 - 656 A3 jak byl výše popsán a jak je definován v připojených patentových nárocích. Dalším předmětem vynálezu je způsob bezpečného provozu lithiového akumulátoru, jak byl výše popsán a jak je definován v připojených patentových nárocích.

Vynález bude dále vysvětlen pomocí následujících příkladů a doprovodných obrázků.

Objasnění výkresů

Obr. 1. Schéma akumulátoru - řez. Srafované šipky označují směr uvolnění horního víka a posunu elektrod při jejich oddálení.

Obr. 2. Schematický pohled na akumulátor A) ze strany horního víka a B) ze strany dolního víka.

Obr. 3. Schéma A) svěmého šroubu s bezpečnostní pojistkou a B) a nosných trnů opatřených kontaktem pro pól akumulátoru.

Obr. 4. Schématické znázornění A) rámu negativní elektrody a B) rámu pozitivní elektrody.

Obr. 5. Schématické znázornění A) převlečného těsnění (dole těsnění v příčném řezu) a B) separátoru.

Obr. 6. Schématické znázornění A) dna negativní elektrody ve vztahu k rámu elektrody a B) aktivního materiálu negativní elektrody naneseného na dno připojené k rámu. Schéma může platit analogicky pro pozitivní elektrodu.

Obr. 7. Schéma výhodného provedení akumulátoru - řez.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1

Konstrukce akumulátoru

Schéma znázorňující základní princip konstrukce akumulátoru podle vynálezu je znázorněno v příčném řezu na obr. 1. Na obr. 7 je ve shodném průřezu znázorněno jiné výhodné provedení akumulátoru. Obr. 2 až 6 znázorňují detaily vybraných konstrukčních prvků akumulátoru, které budou následně podrobněji popsány.

Akumulátor obsahuje elektrodový modul uzavřený v pevném obalu L Elektrodový modul obsahuje svazek deskových elektrod 2, 3, ve kterém se střídají negativní elektrody 2 a pozitivní elektrody 3, které jsou sevřeny mezi dolním víkem 4 a uvolnitelným horním víkem 5. Elektrody

2, 3 jsou kluzně nasazeny na dva nosné tmy 6, 7 tak, že je možný pohyb elektrod ve směru podélné osy nosného tmu 6, 7. Nosné tmy 6, 7 jsou orientovány kolmo k dolnímu víku 4 (i hornímu víku 5) a tvoří současně póly akumulátoru. Nosné tmy 6, 7 procházejí příslušnými elektrodami 2, 3 (resp. rámem 21, 31 otvorem v kontaktním výstupku 22, 32, jak bude vysvětleno dále) a také otvorem nebo výřezem v horním víku 5. Nosné tmy 6, 7 jsou na svém dolním konci (pod krajními spodními elektrodami 2, 3) zajištěny maticí 19. Mezi elektrodami 2, 3 je na nosné trny 6, 7 navlečena vodivá pružina 8, jejíž funkcí je vzájemné mechanické oddálení elektrod 2, 3 po uvolnění horního víka 5. V tomto provedení pružina 8 plní i funkci pružné či prodloužitelné vodivé elektrické spojky 81, která vzájemně propojuje negativní elektrody 2 a pozitivní elektrody

3. Elektrody 2, 3 jsou vzájemně oddělené separátory 9. Horní víko 5 a dolní víko 4 jsou od elektrod 2, 3 odděleny izolátorem 18. Dolní víko 4 i horní víko 5 jsou v podstatě kruhové desky vytvořené z Al plechu o tloušťce 4 mm (tloušťka desky se přizpůsobí množství sevřených

-5 CZ 2017 - 656 A3 elektrod 2, 3) a průměru 178 mm. Horní víko 5 je opatřeno otvory pro průchod svěracích šroubů 11 a trubic 10 pro přívod havarijní kapaliny. Horní víko 5 je dále opatřeno otvorem nebo výřezem pro průchod nosného tmu 6, 7.

Dolní víko 4 je opatřeno otvory pro svěmé šrouby 11. Dvě trubice 10 pro přívod havarijní kapaliny procházejí horním víkem 5 a elektrodami 2, 3 v oblasti rámu 21, 31 a dosahují až k dolnímu víku 4.

Dolní víko 4 a horní víko 5 jsou sevřeny pomocí čtyř svěmých šroubů 11, které jsou na dolní straně opatřeny maticí 12 a na horní straně bezpečnostní pojistkou 13. Vnější průměr rámu 21, 31 elektrod 2, 3 je menší než průměr dolního víka 4 a horního víka 5, takže otvory pro svěmé šrouby H jsou vytvořeny v blízkosti obvodu víka 4, 5 mimo plochu, ve které se rámy 21, 32 překrývají s víky 4, 5. To znamená, že svěmé šrouby 11 nijak nezasahují do vnitřního prostora elektrod 2, 3.

Konstrukce negativní elektrody 2 a pozitivní elektrody 3 je v principu shodná. Každá elektroda_2, 3 obsahuje rám 21, 31 ve tvaru mezikraží, který je opatřen dvěma otvory pro vsazení trubice 10 pro přívod havarijní kapaliny. Každá elektroda 2, 3 má půlkruhový kontaktní výstupek 22, 32. Tyto kontaktní výstupky 22, 32 jsou při sestavení svazku elektrod 2, 3 orientovány tak, že jsou protilehlé. Otvorem ve výstupku 22, 32 jsou rámy 21, 31 nasazeny na nosné tmy 6, 7.

Ze spodní strany je na rám 21. 31 nalisováno vodivé dno 23, 33 vytvořené tahokovem. Shora je do rámu 21, 31 nalisován aktivní materiál 24, 34. Rám 21 negativní elektrody 2 je vytvořen z mědi (Cu) o síle 1 mm, dno 23 je tvořeno z Li tahokovu, a aktivním materiálem 24 negativní elektrody 2 je Li ve formě dendritů. Pozitivní elektroda 3 má rám 31 z hliníku (AI) o tloušťce 2 mm, dno 33 je z AI tahokovu, a aktivním materiálem 34 je V2O5). Vnější průměr rámu 21, 31 je 143 mm, vnitřní průměr 113 mm. Průměr dna 23, 33 je větší než vnitřní průměr rámu 21, 31 a menší než jeho vnější průměr, v tomto případě je 133 mm.

Elektrody 2, 3 jsou opatřeny na svém obvodu převlečným těsněním 16 ve tvaru mezikraží, které pokrývá z obou stran celý rám 21. 31 každé elektrody 2, 3 a které slouží k vzájemné elektrické izolaci elektrod 2, 3. Převlečné těsnění 16 je přitom opatřeno bočním otvorem 17, který umožňuje průnik kontaktního výstupku 22, 32.

Separátory 9 jsou porézní fólie tvořené netkanými skleněnými nebo keramickými vlákny standardně užívané jako separátory v Li článcích. Separátory 9 jsou ve tvaru disku, který má průměr v podstatě shodný s vnějším průměrem rámu 21, 31, popřípadě o málo menší, konkrétně v tomto případě je průměr 141 mm. Separátory 9 jsou opatřeny otvory pro průchod trubic 10 pro přívod havarijní kapaliny.

Elektrodový modul je dále opatřen roztažitelným obalem 14, který je vytvořen z pražné plastové fólie, nepropustné pro elekrolyt. Prostor svazku elektrod 2, 3, uzavřený v roztažitelného obalu 14, je zaplněn elektrolytem. Prostor mezi roztažitelným obalem 14 a pevným obalem 1 je vyplněn argonem. Pevný obal 1 je opatřen bezpečnostním ventilem 15.

Trubice 10 pro přívod havarijního média jsou z keramiky a v části vsunuté do prostora svazku elektrod 2, 3 jsou perforované pro umožnění rychlého průniku havarijního média do prostorů mezi elektrodami 2, 3.

V jiném příkladném provedení znázorněném na obr. 7 je patrné, že nosné tmy 6, 7 jsou opatřeny pólovými nástavci, které procházejí, stejně jako trubice 10 pro přívod havarijní kapaliny, horní částí pevného obalu 1. Elektrody 2, 3 shodné polarizace jsou elektricky propojeny protažitelnými vodivými spojkami 8 a mezi elektrodami 2, 3 jsou vloženy pružné bloky 81 z pryže, které mají funkci pružných prvků oddalujících elektrody 2, 3 po uvolnění horního víka 5. Roztažitelný obal 14 je zde umístěn tak, že obaluje pouze prostor elektrod 2, 3 včetně separátorů 9 mezi dolním víkem 4 a horním víkem 5. Na rozdíl od řešení znázorněného na obr. 1 jsou zde dále zdvojené

-6CZ 2017 - 656 A3 pozitivní elektrody 3 (tzn. je zde větší množství aktivního materiálu 34 pozitivní elektrody 3 pro dosažení vyššího výkonu).

Odborník si je vědom toho, že veškeré konkrétní rozměry zde uvedené jsou jen příkladem výhodného provedení a že je možné je uzpůsobit podle požadované konkrétní realizace vynálezu. Odborník si je vědom i toho, že řešení zde popsané je možné rutinním způsobem modifikovat, aniž by došlo k odchýlení od vynálezecké myšlenky předloženého vynálezu.

Průmyslová využitelnost

Předložený vynález umožní využít dendrity lithia v akumulátorech a přiblížit reálné napětí a kapacitu akumulátoru maximálním teoretickým hodnotám a dosáhnou tak u akumulátorů významného zvýšení poměru kapacita/hmotnost. Vynález lze tedy využít pro konstrukci vysokokapacitních akumulátorů s vysokou bezpečností, které najdou uplatnění zejména tam, kde je potřeba vysoká kapacita, nízká hmotnost a vysoká bezpečnost, tedy zejména v dopravních prostředcích jako jsou automobily nebo lodě.

Konstrukcí akumulátorů s kovovým lithiem, s teoretickou kapacitou 3880 mAh/g kovového lithia, oproti kapacitě 175 mAh/g solí lithia, lze dosáhnout teoreticky 20ti násobně větší kapacity při stejné hmotnosti materiálu negativní elektrody.

V případě pozitivní elektrody tvořené V2O5 je při teoretické kapacitě 430 mAh/g spotřeba materiálu na výrobu pozitivní elektrody pouze 9ti násobkem hmotnosti dendritů, zatímco při použití NMC je 20ti násobkem.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (16)

1. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor obsahující elektrodový modul obsahující elektrolyt a svazek elektrod uzavřený v pevném obalu (1), kde svazek elektrod obsahuje alespoň jednu negativní elektrodu (2) a jednu pozitivní elektrodu (3) a alespoň jeden separátor (9) a je sevřen mezi dolní víko (4) a horní víko (5), vyznačující se tím, že elektrody (2, 3) jsou vzájemně oddálíte lné po uvolnění horního víka (5), a tím, že do elektrodového moduluje zavedena alespoň jedna trubice (10) pro přívod havarijní kapaliny do prostoru mezi elektrodami (2, 3).

2. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle nároku 1 vyznačující se tím, že elektrody (2, 3) jsou kluzně nasunuty na alespoň jednom nosném tmu (6, 7) a mezi elektrodami (2, 3) je vložen pružný prvek (8) pro oddálení elektrod (2, 3) po uvolnění horního víka (5).

3. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, že pružný prvek (8) pro oddálení elektrod (2, 3) je pružina, vodivá nebo nevodivá, nebo blok z pružného materiálu, výhodně pryžový blok.

4. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že elektrody (2, 3) stejné polarity jsou spojeny prostřednictvím pružné nebo prodloužitelné vodivé spojky (81).

5. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že mezi svazkem elektrod (2, 3) a pevným obalem (1) je vložen roztažitelný obal (14) pro zabránění kontaktu elektrolytu s pevným obalem (1).

6. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že dolní víko (4) a horní víko (5) jsou spojeny svěmým prvkem (11)

-7 CZ 2017 - 656 A3 opatřeným v poloze nad horním víkem (5) bezpečnostní pojistkou (13) pro uvolnění horního víka (5).

7. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že dolní víko (4) je opatřeno alespoň jedním otvorem pro svěmý prvek (11), popřípadě otvorem nebo výřezem pro alespoň jeden nosný tm (6, 7), a horní víko (5) je opatřeno alespoň jedním otvorem pro svěmý prvek (11), otvorem pro alespoň jednu trubici (10) pro přívod havarijní kapaliny a popřípadě otvorem nebo výřezem pro alespoň jeden nosný tm (6, 7), výhodně je dolní víko (4) a horní víko (5) kruhová deska.

8. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že negativní elektroda (2) i pozitivní elektroda (3) obsahuje vodivý rám (21, 31), ve kterém je vytvořen alespoň jeden otvor pro nosný tm (6, 7) a alespoň jeden otvor pro průchod trubice (10) pro přívod havarijní kapaliny, na jednu stranu rámu (21, 31) je připojeno dno (23, 33) z vodivého a pro elektrolyt prostupného materiálu, výhodně tahokovu, na které je nanesen aktivní materiál (24, 34) elektrody (2, 3).

9. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že aktivním materiálem (24) negativní elektrody (2) je kovové lithium, výhodně ve formě dendritů.

10. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že aktivním materiálem (34) pozitivní elektrody (3) je V2O5 nebo Li(NiMnCo)O₂.

11. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že rámy (21,31) jsou ve tvaru mczikruží, výhodně opatřeného kontaktním výstupkem (22, 32), a separátory (9) jsou ve tvaru kruhu.

12. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačuj ící se tím, že rám (21, 31) j e opatřen převlečným těsněním (16) pro vzáj emnou izolaci elektrod (2, 3), popřípadě opatřeným otvorem (17) pro prostup kontaktního výstupku (22, 32).

13. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že rám (21) negativní elektrody (2) je vytvořen z mědi, dno (23) z měděného tahokovu nebo lithiového tahokovu a aktivním materiálem (24) je kovové lithium, výhodně ve formě dendritů.

14. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že rám (31) pozitivní elektrody (3) je vytvořen z hliníku, dno (33) z hliníkového tahokovu a aktivním materiálem je V2O5.

15. Bezpečný vysokokapacitní lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že trubice (10) pro přívod havarijní kapaliny je z nevodivého materiálu, výhodně z keramiky nebo plastu, a je opatřena perforací po celé délce vsunuté do svazku elektrod (2, 3) mezi dolním víkem (4) a horním víkem (5).

16. Způsob bezpečného provozu lithiového akumulátoru podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že obsahuje krok havarijní situace, který zahrnuje uvolnění horního víka (5) a mechanické oddálení elektrod (2, 3) a současně napuštění havarijní kapaliny prostřednictvím trubice (10) pro přívod havarijní kapaliny do prostorů mezi elektrodami (2, 3)