CZ30997U1 - Vícečlánková lithiová baterie s vysokou kapacitou a zvýšenou bezpečností - Google Patents

Description

Vícečlánková lithiová baterie s vysokou kapacitou a zvýšenou bezpečností

Oblast techniky

Předložené technické řešení se týká konstrukce vícečlánkové lithiové baterie. Baterie obsahuje několik lithiových článků, uzavřených ve společném obalu. Každý článek je tvořen lithiovým akumulátorem, kde negativní elektrodu tvoří kovové lithium, zejména v dendritické formě. Všechny články jsou spojeny s centrální expanzní nádobou obsahující havarijní kapalinu a inertní plyn, takže v případě havarijního stavu mohou být všechny články baterie současně zaplaveny havarijní kapalinou. Inaktivace baterie je přitom plně reverzibilní. Nová konstrukce baterie umožňuje dosáhnout vysoké kapacity při současném zachování vysoké bezpečnosti provozu. Dosavadní stav techniky

Používání velkokapacitních akumulátorů, respektive akumulátorových baterií obsahujících lithné soli je spojeno s problémem snižujícího se poměru mezi vzrůstajícím výkonem a tedy i hmotností baterie a plochou, která je k dispozici k odvodu tepla generovaného při chemických reakcích provázejících nabíjení a vybíjení baterie. Udržování provozní teploty v rozsahu, který je vymezen bezpečnostními limity vylučujícími přehřátí baterie, jehož následkem může být požár nebo výbuch, nebo provoz při vyšších teplotách, při kterých se výrazně snižuje životnost baterie, vyžaduje přídavné zařízení zajišťující intenzivnější výměnu tepla. Tato potřeba se může projevit i v opačném případě extrémně nízkých teplot, při kterých se výkon baterie výrazně snižuje a je potřeba jeho počáteční provozní teplotu výměnou tepla zvýšit zvláště při nabíjení.

V přihlášce WO 2010031363 je popsán lithiový akumulátor tvořený svazkem nad sebou uspořádaných kovových rámů, kde každý rám obsahuje jeden otvor, ve kterém je umístěna silnostěnná, tzv. 3D elektroda, a elektrody opačné polarity jsou odděleny separátory a rámy opačné polarity navzájem izolovány. I když kovové rámy umožňují dokonalejší odvod tepla z vnitřku svazku akumulátoru, nezaručují bezpečný odvod tepla u velkorozměrných elektrod a tím spíše u velkokapacitních akumulátorů s větším počtem vedle sebe uspořádaných svazků.

Jedno z možných řešení chlazení svazků baterií nabízí přihláška WO 2005324563, která popisuje substrát, respektive těleso, ve kterém jsou skupiny baterií uloženy a které činí bateriovou soustavu odolnou proti vibracím, a dále trubky pro teplosměnné medium, kterými je soustava proložena.

Evropský patent EP 2 619 836 představuje další řešení regulace teploty velkokapacitního lithiového akumulátoru, u kterého je popsán modul akumulátoru vhodný pro chladicí systém a zahrnující i variantu s použitím kapalného elektrolytu jako chladicího média.

V českém patentu č. 305849 je popsán bezpečnostní havarijní systém litinového akumulátoru s elektrodami náchylnými k přehřátí nebo zkratu. Součástí systému je přídavná nádrž s havarijním médiem, do které jsou moduly vloženy, přičemž v případě bezprostřední hrozby požáru je havarijní médium použito k zaplavení vnitřku akumulátoru pomoci tlakového minerálního oleje a inertního plynu.

Úlohou předloženého technického řešení je vyřešit problém konstrukce baterie složené z jednotlivých akumulátorových článků, kde tyto články obsahují dendrity lithia a oxidy vanadu. Baterie složená z takových článků může dosáhnout násobně vyšší kapacity při současném zmenšení hmotnosti a rozměrů ve srovnání se standardními bateriemi, avšak bezpečná konstrukce takové baterie nebyla dosud popsána. Předložené technické řešení konstrukce baterie sestávající z lithiových článků splňuje maximální nároky na bezpečnost i při provozu v extrémních podmínkách i případných haváriích.

Podstata technického řešení

Předložené technické řešení se týká konstrukce vícečlánkové lithiové baterie obsahující několik lithiových článků, uzavřených ve společném nevodivém, výhodně plastovém obalu. Baterie dále obsahuje centrální expanzní nádobu s havarijní kapalinou, alespoň jeden centrální sběrač elek-1 CZ 30997 Ul trolytu a popřípadě také centrální oběhové čerpadlo elektrolytu. Každý článek je tvořen lithiovým akumulátorem, kde negativní elektrodu tvoří kovové lithium, výhodně v dendritické formě. Akumulátor obsahuje separátorem oddělené moduly pozitivní a negativní elektrody, které v případě havarijního stavu mohou být vratně mechanicky oddáleny, přičemž je současně elektrolyt z modulu negativní elektrody vytlačen havarijní kapalinou, čímž je zabráněno nežádoucí chemické reakci a případnému požáru či výbuchu akumulátoru. Všechny akumulátorové články v baterii jsou spojeny s centrální expanzní nádobou obsahující havarijní kapalinu a inertní plyn a popřípadě také s centrálním oběhovým čerpadlem pro cirkulaci elektrolytu. Havarijní kapalinou je například minerální olej a inertním tlakovým plynem je například argon. Všechny články jsou spojeny s centrální expanzní nádobou bud, to přímo, prostřednictvím propojovacích trubic, nebo nepřímo, a to prostřednictvím jiného článku, přímo spojeného s expanzní nádobou. V případě havarijního stavu mohou být všechny články současně zaplaveny havarijní kapalinou, která vytlačí elektrolyt do jednoho nebo dvou centrálních sběračů elektrolytu. Sběrač elektrolytu je opatřen systémem čištění elektrolytu a popřípadě může být napojen na externí systém ohřevu/chlazení elektrolytu. Uvedené systémy jsou odborníkovi známy ze stavu techniky. Inaktivace baterie je přitom plně reverzibilní, po odeznění havarijní situace lze snadno elektrodové moduly všech článků vrátit do původní polohy a havarijní kapalinu ve všech článcích opět nahradit elektrolytem.

Baterie podle předloženého technického řešení je opatřena standardně kladným a záporným pólem, na které jsou přivedeny příslušné kontakty jednotlivých článků. Články v baterii mohou být elektricky uspořádány v sériovém nebo paralelním zapojení nebo v jakékoliv jejich kombinaci, v závislosti na požadavcích na napětí a kapacitu baterie.

Počet článků v baterii je v podstatě libovolný, bude zvolen v závislosti na požadovaném napětí, může být např. 3 až 20, výhodně např. 6 až 18, výhodněji např. 12 článků, pro napětí např. 12 V, 24 V, 40 V nebo 60 V. Baterie mohou být využity jako moduly, které se mohou spojit do vícemodulových baterií, které pak poskytují napětí v řádu stovek voltů, např. 250 V, 300 V, 350 V nebo 400 V. Konstrukcí baterie lze dosáhnout vysokého napětí i vysoké kapacity a současně zajistit vysokou bezpečnost provozu.

Akumulátorový článek použitý v baterii podle předloženého technického řešení je v principu shodný s lithiovým akumulátorem s vysokou kapacitou a zvýšenou bezpečností provozu, který byl podrobně popsán v přihlášce vynálezu PV 2016-569.

Akumulátorový článek podle PV 2016-569 se vyznačuje tím, že obsahuje válcový plášť z nevodivého materiálu, který obsahuje modul negativní elektrody a dva moduly pozitivní elektrody, kde sestava válcového pláště, modul negativní elektrody a modulů pozitivní elektrody je uzavřena v pevném obalu, přičemž modul negativní elektrody je pevně uchycen ve válcovém plášti a moduly pozitivní elektrody jsou ve válcovém plášti uloženy pohyblivě ve směru podélné osy válcového pláště, a hydraulicky utěsněny, a jsou pritlačovány přítlačnými pružinami k modulu negativní elektrody, a modul negativní elektrody je na obou koncích uzavřen separátory pro průchod elektrolytu, moduly pozitivní elektrody jsou na vnitřním konci uzavřeny separátory pro průchod elektrolytu a na vnějším konci jsou uzavřeny víkem se vstupem a rozvodnou deskou pro oběh elektrolytu, přičemž modul negativní elektrody je opatřen ventilem pro připojení k oběhovému čerpadlu a k bezpečnostní nádrži naplněné havarijní kapalinou a tlakovým inertním plynem.

V alternativním provedení může být použit článek, jehož konstrukce je obdobná konstrukci článku podle PV 2016-569, ale obsahuje jeden modul negativní elektrody a jen jeden modul pozitivní elektrody. Ve shodě s PV 2016-569 je sestava válcového pláště, modulu negativní elektrody a modulu pozitivní elektrody uzavřena v pevném obalu, přičemž modul negativní elektrody je pevně uchycen ve válcovém plášti a modul pozitivní elektrody je ve válcovém plášti uložen pohyblivě ve směru podélné osy válcového pláště.

Všechny články v baterii podle předloženého technického řešení jsou prostřednictvím ventilů a propojovacích trubic spojeny s centrálním oběhovým čerpadlem a s centrální expanzní nádobou obsahující havarijní kapalinu a tlakový inertní plyn. Havarijní kapalinou je například minerální

-2CZ 30997 Ul olej, nafta nebo jejich směs, výhodně je to minerální olej. Inertním tlakovým plynem je výhodně argon. Zaplavením baterie havarijní kapalinou, např. minerálním olejem, 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.

Baterie podle předloženého technického řešení dále obsahuje elektroniku pro vyrovnávání napětí jednotlivých lithiových akumulátorů v baterii pri nabíjení i vybíjení, popřípadě také proudovou pojistku proti zkratu a případně ještě teplotní čidla. Příslušná elektronika je běžnou součástí současných lithiových článků nebo baterií a je tedy odborníkům dobře známa ze stavu techniky.

Součástí havarijního systému baterie podle předloženého technického řešení je teplotní a otřesový monitorovací systém vybavený senzory, které v případě překročení nastavených limitů aktivují havarijní režim 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 tedy odborníkům dobře známa ze stavu techniky.

Dále bude článek podle PV 2016-569 pro úplnost podrobněji charakterizován. Článek obsahuje separátorem oddělené moduly pozitivní a negativní elektrody, které v případě havarijního stavu mohou být mechanicky rozpojeny, přičemž je současně kapalný elektrolyt z modulu negativní elektrody vytlačen a nahrazen havarijní kapalinou, čímž je zabráněno nežádoucí chemické reakci a případnému požáru či výbuchu akumulátoru. Konstrukce článku umožňuje použít pro negativní elektrodu výhodně kovové lithium, zejména lithium v dendritické formě, a v kombinaci s pozitivní elektrodou výhodně z oxidů vanadu dosáhnout vysoké kapacity pri současném zvýšení bezpečnosti provozu akumulátoru. Negativní elektroda může být tvořena i lithnými sloučeninami, např. solemi známými ze stavu techniky.

Tělo článku je tvořeno válcovým pláštěm z nevodivého materiálu, který obsahuje modul negativní elektrody a dva moduly pozitivní elektrody, přičemž sestava pláště a modulů je uzavřena v pevném obalu akumulátoru. Obal je opatřen odvzdušňovacími ventily. Moduly mají společný rozvod elektrolytu čerpadlem, které umožňuje proudění elektrolytu v obou směrech pro nabíjení/vybíjení akumulátoru. Proudění elektrolytu lze regulovat. Pri spojení několika uvedených článků do baterie podle předloženého technického řešení je rozvod elektrolytu pro všechny články zajišťován společným centrálním oběhovým čerpadlem elektrolytu.

Modul negativní elektrody je tvořen dutým kovovým válcem, výhodně z hliníku, uvnitř kterého je umístěna vlastní elektroda. Válec je na obou koncích uzavřen víkem tvořeným separátorem. Modul negativní elektrody je pevně uchycen ve válci tvořícím tělo akumulátoru. Uchycení je současně hydraulicky těsné, takže elektrolyt, popřípadě havarijní kapalina, může procházet pouze vrstvami separátoru.

Každý ze 2 modulů pozitivních elektrod je tvořen dutým kovovým válcem, výhodně z mědi, uvnitř kterého je umístěna vlastní elektroda. Válec je na svém vnitřním konci (přivráceném k negativní elektrodě) uzavřen víkem tvořeným vrstvou separátoru a na vnější straně je pevně uzavřen víkem se vstupem, a případně i rozvodnou deskou, pro oběh elektrolytu. Moduly pozitivních elektrod jsou ve válcovém plášti uloženy pohyblivě tak, že se mohou pohybovat ve směru podélné osy válce jako píst oběma směry, avšak jsou přitom hydraulicky utěsněny, takže elektrolyt, popřípadě havarijní kapalina, může procházet pouze separátorem. Pri normálním provozu akumulátoru jsou moduly pozitivních elektrod pritlačovány pružinami k modulu negativní elektrody, přičemž tlak pružin může být regulován.

Vlastní elektrody jsou v principu sestaveny obdobně jako v českém patentu ě. 305849. Negativní i pozitivní elektroda jsou nalisovány oboustranně na sběrač proudu z děrovaného kovového (pro negativní elektrodu výhodně např. Al a pro pozitivní elektrodu výhodně např. Cu) pásu (ve formě tahokovu, síťoviny, perforované či porézní fólie), jednotlivé elektrodové pásy jsou odděleny separátorem. Válcové pláště modulů, ve kterých jsou elektrody umístěny, jsou vzájemně izolovány separátorem.

-3CZ 30997 Ul

Vhodným materiálem pro separátor je např. polyolefinová porézní folie nebo netkaná skleněná nebo keramická vlákna vyrobená ze Ζ1Ό2, AI2O3, nebo korundu.

Negativní elektroda je výhodně tvořena kovovým lithiem, výhodněji ve formě dendritů. Použití dendritického lithia významně snižuje hmotnost i rozměry akumulátoru a současně zvyšuje napětí i kapacitu lithiového akumulátoru až k hranici teoretických možností. Vzhledem k uspořádání elektrod a konstrukci akumulátoru ve spojení se zásobníkem havarijní kapaliny je přitom zvýšena bezpečnost provozu takového lithiového akumulátoru.

Materiál pozitivních elektrod může být vybrán z matriálů známých ze stavu techniky, výhodně z oxidů vanadu, výhodněji je to oxid vanadičný.

Separátory, kterými je oboustranně uzavřen modul negativní elektrody a moduly pozitivní elektrody na straně přivrácené k modulu negativní elektrody, umožňují obousměrný průchod elektrolytu. Součástí akumulátoru je dvojčinné čerpadlo, které umožňuje oběh elektrolytu, přičemž průtok je možné regulovat a ovlivňovat tak rychlost nabíjení/vybíjení akumulátoru.

V případě, že se baterie podle předloženého technického řešení dostane do havarijního stavu, otevřením bezpečnostního ventilu se do modulů negativní elektrody všech článků začne působením tlakového plynu napouštět havarijní kapalina, která vytlačí elektrolyt do prostoru mezi moduly a následně do sběračů elektrolytu. Dojde tak prakticky okamžitě k rozpojení akumulátoru, havarijní kapalina zcela nasytí dendrity lithia, zvýší teplotu vzplanutí elektrolytu a současně akumulátor ochladí, a tak zabrání nežádoucí chemické reakci dendritů lithia. Tím se eliminuje zkrat baterie a příčina následného požáru nebo exploze.

Výše popsaná havarijní inaktivace baterie je plně reverzibilní. Po odeznění havarijní situace se elektrodové moduly snadno vrátí do původní provozní polohy, vypustí se havarijní kapalina a ze sběračů elektrolytu se do všech článků doplní opět elektrolyt.

Objasnění výkresů

Obr. 1 ukazuje schematicky baterii ve středovém vodorovném řezu.

Obr. 2 ukazuje schematicky baterii ve svislém řezu rovinou A-A vyznačenou na obr. 1.

Příklad uskutečnění technického řešení

Výhodné provedení baterie obsahující 12 lithiových akumulátorových článků AC je schematicky znázorněn na připojených obrázcích, kde obr. 1 představuje baterii ve středovém vodorovném řezu a obr. 2 ve svislém řezu rovinou A-A vyznačenou na obr. 1.

Tělo baterie je tvořeno plastovým obalem 8, který obsahuje 12 akumulátorových článků AC. Článek je detailně popsán v PV 2016-526. Každý článek AC je charakterizován tím, že obsahuje modul 1 negativní elektrody a dva moduly 2 pozitivní elektrody, umístěné ve vnějším obalu 6 článku AC, který je opatřen odvzdušňovacími ventily 7. Moduly 2 pozitivních elektrod jsou pohyblivé vůči modulu I negativní elektrody, takže moduly 2 pozitivních elektrod mohou být od modulu 1 negativní elektrody v závislosti na situaci oddáleny nebo k němu přiblíženy.

K modulům I negativní elektrody všech akumulátorových článků AC v baterii je připojena prostřednictvím propojovacích trubic 9 a bezpečnostního ventilu centrální expanzní nádrž 4 naplněná havarijní kapalinou, kterou je minerální olej, a tlakovým argonem.

Centrální oběhové čerpadlo 3 slouží k rozvodu elektrolytu pro všechny články AC a umožňuje proudění elektrolytu v obou směrech pro nabíjení/vybíjení akumulátoru.

Součástí baterie je elektronický modul (není znázorněn) pro vyrovnávání napětí jednotlivých lithiových akumulátorů v baterii při nabíjení i vybíjení, obsahující dále proudovou pojistku proti zkratu a teplotní čidla.

Součástí havarijního systému baterie je teplotní a otřesový monitorovací systém (není znázorněn) vybavený senzory, které v případě překročení nastavených limitů aktivují havarijní režim otevřením bezpečnostního ventilu.

-4CZ 30997 Ul

V případě havarijního stavu se otevřením bezpečnostního ventilu do modulů I negativní elektrody všech článků AC v baterii začne působením tlakového plynu z centrální expanzní nádrže 4 skrz propojovací trubice 9 napouštět havarijní kapalina, která vytlačuje elektrolyt do centrálních sběračů 5 elektrolytu. Současně ve všech článcích AC dochází k oddálení modulů 2 pozitivní elektrody od modulu I negativní elektrody, jak je podrobně popsáno v PV 2016-526. Dojde tak prakticky okamžitě k rozpojení všech akumulátorových článků AC, přičemž z modulů i negativní elektrody je odstraněn elektrolyt a je nahrazen havarijní kapalinou, která zcela nasytí dendrity lithia, zvýší teplotu vzplanutí elektrolytu a současně modul ochladí a zabrání tak nežádoucí chemické reakci dendritů lithia. Tím se eliminuje zkrat baterie a případná příčina následného požáru nebo exploze.

Po odeznění havarijní situace lze snadno moduly 2 pozitivních elektrod všech článků AC vrátit do původní provozní polohy, vypustit havarijní kapalinu a ze sběračů 5 elektrolytu doplnit do článků AC opět elektrolyt, a tak plně obnovit funkci baterie.

Průmyslová využitelnost

Použití předloženého technického řešení umožní využít dendritů lithia ve vícečlánkové lithiové baterii a přiblížit tak reálné napětí a kapacitu baterie maximálním teoretickým hodnotám. Předložené technické řešení je tedy vhodné pro konstrukci vysokokapacitních baterií s vysokou bezpečností, které najdou uplatnění zejména tam, kde mohou být vystaveny extrémním tepelným podmínkám nebo otřesům, tedy zejména v dopravních prostředcích, jako jsou automobily nebo lodě.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Vícečlánková lithiová baterie s vysokou kapacitou a zvýšenou bezpečností obsahující několik lithiových článků (AC) uzavřených ve společném obalu (8), vyznačující se tím, že každý článek (AC) je lithiový akumulátor obsahující jeden modul (1) negativní elektrody a jeden nebo dva moduly (2) pozitivní elektrody, přičemž jeden nebo dva moduly (2) pozitivní elektrody jsou mechanicky vratně oddálitelné od modulu (1) negativní elektrody, a baterie dále obsahuje centrální expanzní nádobu (4) s havarijní kapalinou a inertním plynem a alespoň jeden centrální sběrač (5) elektrolytu, přičemž všechny akumulátorové články (AC) v baterii jsou spojeny s centrální expanzní nádobou (4) pro současné zaplavení všech článků (AC) havarijní kapalinou v případě havarijní situace.
2. 2. Vícečlánková lithiová baterie podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje centrální oběhové čerpadlo (3) pro oběh elektrolytu.
3. 3. Vícečlánková lithiová baterie podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že modul (1) negativní elektrody obsahuje elektrodu tvořenou vrstvami lithných solí nebo kovového lithia, výhodně dendritů lithia, nalisovánými na sběrači proudu, kterým je tahokov, síťovina, perforovaná či porézní fólie, výhodně z hliníku.
4. 4. Vícečlánková lithiová baterie podle kteréhokoliv z nároků laž3, vyznačující se tím, že modul (2) obsahuje elektrodu tvořenou vrstvami oxidu vanadu, výhodně oxidu vanadičného, nalisovanými na sběrači proudu, kterým je tahokov, síťovina, perforovaná či porézní fólie, výhodně z mědi.
5. 5. Vícečlánková lithiová baterie podle kteréhokoliv z nároků laž4, vyznačující se tím, že havarijní kapalinou v centrální expanzní nádrži (4) je minerální olej, nafta nebo jejich směs, výhodně minerální olej, a inertním tlakovým plynem je argon.
6. 6. Vícečlánková lithiová baterie podle kteréhokoliv z nároků laž5, vyznačující se tím, že každý článek (AC) je opatřen odvzdušňovacím ventilem (7).

   -5CZ 30997 Ul
7. 7. Vícečlánková lithiová baterie podle kteréhokoliv z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že dále obsahuje propojovací trubice (9).