CZ31991U1 - Svitkový lithiový akumulátorový článek s vysokou bezpečností a vysokou kapacitou - Google Patents

Svitkový lithiový akumulátorový článek s vysokou bezpečností a vysokou kapacitou Download PDF

Info

Publication number
CZ31991U1
CZ31991U1 CZ2018-35044U CZ201835044U CZ31991U1 CZ 31991 U1 CZ31991 U1 CZ 31991U1 CZ 201835044 U CZ201835044 U CZ 201835044U CZ 31991 U1 CZ31991 U1 CZ 31991U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
negative electrode
positive electrode
pressed
separator
electrode
Prior art date
Application number
CZ2018-35044U
Other languages
English (en)
Inventor
Jaroslav PolĂ­vka
Original Assignee
EXIMPO akciová společnost
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EXIMPO akciová společnost filed Critical EXIMPO akciová společnost
Priority to CZ2018-35044U priority Critical patent/CZ31991U1/cs
Publication of CZ31991U1 publication Critical patent/CZ31991U1/cs
Priority to PCT/CZ2019/050028 priority patent/WO2019233505A1/en
Priority to DE212019000298.6U priority patent/DE212019000298U1/de

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Description

Technické řešení se týká svitkového lithiového akumulátoru, který díky materiálu elektrod může dosahovat mimořádně vysoké měrné energie, přičemž je současně zajištěna jeho vysoká provozní bezpečnost.
Dosavadní stav techniky
Lithiové akumulátory patří mezi moderní zdroje elektrické energie, zvláště vhodné pro mobilní účely a jako „zásobníky“ elektrické energie získávané například z alternativních zdrojů. Aktuálním a stále nedořešeným problémem lithiových akumulátorů je jejich bezpečnost. Lithiové akumulátory/baterie mohou dodávat velmi vysoké proudy, což je sice často žádoucí (elektromobily), ale v případě zkratu se mohou velmi rychle zahřát a explodovat. Materiály pozitivních elektrod jsou totiž obvykle látky s vysokým podílem chemicky vázaného kyslíku, a tudíž podporující hoření, a současně materiály negativních elektrod jsou látky na vzduchu a ve vlhku samozápalné. K tomu přistupuje elektrolyt tvořený roztokem lithné soli v organické, a tudíž hořlavé kapalině.
Aktivní ochrana baterie spočívá obvykle v používání ochranných elektronických obvodů, které kromě napětí a proudu navíc hlídají i nepřiměřený vzrůst teploty a při jejím překročení článek odpojí.
Evropský patent EP 2619836 představuje jedno možné 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 chladícího media.
Patent č. 306913 popsal řešení, kde lithiový akumulátor sestává z navzájem oddělitelných modulů negativní a pozitivní elektrody, které v případě havarijního stavu mohou být 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.
Také užitný vzor č. 30997 popsal baterii lithiových článků s oddělitelnými moduly negativní a pozitivní elektrody a expanzní nádobou obsahující havarijní kapalinou, která v případě havárie zaplaví elektrody.
Uvedená řešení bezpečnosti lithiových akumulátorů jsou relativně komplikovaná a zdá se, že proto nejsou příliš vhodná pro hromadně vyráběné akumulátory.
Úlohou předloženého technického řešení bylo vytvořit takový lithiový akumulátor, který by byl vhodný pro hromadnou výrobu lithiových akumulátorů, a přitom splňoval podmínky zvýšené bezpečnosti provozu.
Podstata technického řešení
Podstata nového lithiového akumulátoru spočívá v tom, že se vytvoří elektrodový pás, který se stočí do svitku kolem centrální nádoby s havarijní kapalinou a rozbuškou. Elektrodový pás je tvořen alespoň jedním pásem negativní elektrody a alespoň jedním pásem pozitivní elektrody, mezi které je vložen separátor. Výhodně je pás negativní elektrody z obou stran obklopen pásy pozitivní elektrody. Elektrodový pás v jednom výhodném provedení tedy obsahuje jednu
- 1 CZ 31991 Ul negativní a dvě pozitivní elektrody. Vlastní materiál negativní elektrody i materiál pozitivní elektrody je zalisován mezi dvě vrstvy sběrače proudu (z děrovaného kovového pásu ve formě kovové síťoviny, tahokovu, perforované či porézní kovové folie). Na první, tj. vnitřní stranu pásu pozitivní elektrody, která přiléhá k negativní elektrodě, je nalisován pás vnitřního separátoru, a na druhou, tj. vnější stranu, je nalisován vnější separátor. Separátory jsou v průběhu lisování elektrodového pásu syceny elektrolytem. Uvnitř smotaného elektrodového svitku je umístěna centrální nádoba s havarijní kapalinou, popřípadě havarijní kapalinou a inertním plynem, a rozbuškou.
Kompletní svitek je umístěn v pouzdru, které z důvodu mechanické ochrany může být uvnitř vyloženo dodatečným pružným materiálem. Pouzdro je výhodně dvojité, v pevném vnějším pouzdru pro zajištění mechanické ochrany článku je umístěno vnitřní pouzdro z pružného materiálu, který dovolí zvětšení objemu, Pouzdro je opatřeno kladným a záporným pólem, na které jsou vyvedeny sběrače příslušné elektrody.
Pouzdro dále obsahuje bezpečnostní elektronický modul, obsahující alespoň jeden elektronický senzor, jako je teplotní, proudový nebo nárazový/otřesový senzor, a umožňující elektrické rozpojení akumulátoru, kde navíc alespoň jeden elektronický senzor je napojen, výhodně prostřednictvím iniciačního čipu, na rozbušku. Bezpečnostní elektronický modul výhodně obsahuje všechny tři výše uvedené senzory. Bezpečnostní elektronický modul je tedy určen k monitorování proudu a teploty uvnitř článku, a také možných nárazů/otřesů, a pro iniciaci rozbušky a elektrické rozpojení akumulátoru v případě havarijní situace. Pokud nastane havarijní situace a dojde např. ke zvýšení teploty článku nad bezpečnou úroveň, nebo dojde ke zkratu, elektronický modul aktivuje rozbušku, která roztříští nádobu s havarijní kapalinou a ta zaplaví elektrody, vytlačí elektrolyt a zastaví tok iontů. Standardní bezpečnostní elektronika současně akumulátor elektricky rozpojí. Tím se zabrání případnému vzplanutí či výbuchu akumulátoru.
Elektrody mohou být vyrobeny ze standardních materiálů používaných pro Li nebo Li-ion články, jaké jsou odborníkům známy. Avšak výhodných vlastností předloženého technického řešení je nejlépe dosaženo, když je negativní elektroda vyrobena z kovového lithia (Li), výhodně ve formě fólie, a současně pozitivní elektroda obsahuje oxidy vanadu, výhodně obsahuje oxid vanadičný (V2O5), nejvýhodněji je tvořena směsí (kompozitem) V2O5 a grafenu. Ve výhodném uspořádání článku jsou hmotnosti Li a V2O5 použité v elektrodách v poměru přibližně 1:10.
Jednou z výhod akumulátorového článku s výše uvedenými výhodnými elektrodami je významné zvýšení měrné energie (podíl kapacity a hmotnosti článku). Experimenty původce ukázaly, že měrná energie akumulátorového článku podle předloženého technického řešení byla zvýšena až 4x proti shodně uspořádanému článku se standardními elektrodami z grafitu a LiNMC.
Elektrolytem pro akumulátor podle technického řešení je některý z běžných elektrolytů typu organické rozpouštědlo s obsahem Li solí, které jsou odborníkovi známy.
Materiál vnitřního separátoru a vnějšího separátoru je s výhodou vybrán ze skupiny polyolefinová porézní folie, porézní pás z netkaných skleněných nebo keramických, vláken založených na ZrCE, AI2O3, nebo korundu, vnější separátor je na vnější straně opatřen vrstvou slabé Al fólie. Pevnost této fólie je taková, že po explozi rozbušky dojde k jejímu proražení tlakem havarijní kapaliny, takže tato Al fólie nebrání rychlému průniku havarijní kapaliny do celého elektrodového svitku.
Sběrač proudu negativní elektrody je vytvořen výhodně z mědi (Cu), výhodně ve formě tahokovu. Sběrač proudu pozitivní elektrody je výhodně vytvořen z hliníku (Al), výhodně ve formě tahokovu.
Nádoba pro havarijní kapalinu je výhodně válcovitá a je vyrobena z pevného, ale přitom křehkého materiálu, např. ze skla, keramiky nebo vhodného plastu, výhodně ze skla. Objem
-2CZ 31991 U1 nádoby představuje přibližně 5 až 15 % objemu akumulátorového článku, výhodně 7 až 12 % a výhodněji přibližně 10 % objemu akumulátorového článku.
Havarijní kapalinou je výhodně minerální olej. Nádoba pro havarijní kapalinu může kromě havarijní kapaliny obsahovat dále inertní plyn, výhodně argon. Když havarijní kapalina pronikne (po roztříštění nádoby v důsledku tlaku vyvolaného rozbuškou a/nebo tlaku inertního plynu) do prostorů mezi elektrodami, znemožní další přenos iontů a tím pokračování zvyšování teploty akumulátoru. Smícháním havarijní kapaliny a elektrolytu se také významně zvýší teplota vzplanutí elektrolytu.
Jako rozbušku lze použít standardní elektrickou rozbušku, jaká se užívá u předepínacích bezpečnostních pásů nebo v inflátorech airbagů, a jaká je odborníkovi známa.
Výhodně je pouzdro akumulátoru tvořeno větším vnějším pouzdrem a menším vnitřním pouzdrem, kde vnější pouzdro akumulátoru je výhodně vyrobeno z houževnatého plastu, vnitřní pouzdro je vyrobeno výhodně z pružného plastu, který dovolí přiměřené zvětšení objemu v případě havárie a vytlačení havarijní kapaliny z centrální nádoby. Pouzdro může být uvnitř vyloženo ještě dodatečnou pružnou výstelkou. Vnější pouzdro poskytuje mechanickou ochranu elektrodovému svitku a současně v případě havárie pojme vytlačený elektrolyt a zabrání jeho úniku i v případě protržení vnitřního pružného pouzdra.
Způsob výroby výše popsaného lithiového akumulátoru není předmětem ochrany předloženého technického řešení, nicméně bude dále alespoň ve stručnosti popsán, neboť napomůže pochopení konstrukčních znaků akumulátoru podle předloženého technického řešení. Výroba jev principu podobná jako výroba popsaná v EP 3096373. V lisovacím a tvářecím zařízení se mezi dva pohybující se paralelní pásy sběrače proudu negativní elektrody nalisuje aktivní materiál negativní elektrody, mezi pohybující se dva paralelní pásy sběrače proudu pozitivní elektrody se nalisuje aktivní materiál pozitivní elektrody, přičemž se na první stranu pásu pozitivní elektrody nalisuje vnitřní separátor a na druhou stranu se nalisuje vnější separátor, přičemž se současně k centrálnímu pásu negativní elektrody lisuje z každé strany jeden pás pozitivní elektrody a takto slisovaný elektrodový pás se namotává na nádobu s havarijní kapalinou, jinými slovy smotává se do tvaru svitku, jehož „jádro“ tvoří nádoba s havarijní kapalinou.
Uvedený způsob výroby je zejména vhodný pro hromadnou výrobu akumulátorových článků.
Objasnění výkresů
Obr. 1 znázorňuje schematicky svitkový lithiový akumulátor, kde je elektrodový pás navinut na centrální nádobu s havarijní kapalinou a rozbuškou a celý svitek je uložen v pouzdru.
Obr. 2 znázorňuje řez slisovaným elektrodovým pásem ve výhodném provedení obsahujícím jeden pás negativní elektrody obklopený z každé strany pásem pozitivní elektrody, kde je patrné vzájemné uložení jednotlivých vrstev materiálů elektrod, sběračů proudu a separátorů. Na tomto schématu jde jen o demonstraci kvalitativního složení elektrodového pásu, ve skutečném provedení nejsou tloušťky jednotlivých vrstev shodné.
Obr. 3 je schéma zařízení k výrobě svitkového akumulátoru.
Příklad uskutečnění technického řešení
Obr. 1 představuje schéma jednoho výhodného provedení lithiového akumulátoru (akumulátorového článku), který obsahuje elektrodový pás 1, navinutý do svitku kolem centrální nádoby 2 s havarijní kapalinou a rozbuškou 3. Elektrodový pás 1 je tvořen jedním pásem
-3 CZ 31991 U1 negativní elektrody, který jez obou stran obklopen pásy pozitivní elektrody. Kompletní svitek obsahující elektrodový pás i a nádobu 2 s havarijní kapalinou je umístěn v pouzdru 4, které je opatřeno kladným a záporným pólem, a které dále obsahuje teplotní, proudový a nárazový senzor, napojené na rozbušku 3. Pouzdro 4 obsahuje pevné vnější pouzdro z houževnatého plastu a vnitřní pouzdro vyrobené z pružného plastu (není znázorněno na obrázku).
Na obr. 2 je znázorněn schematický řez slisovaným elektrodovým pásem 1, kde je patrné vzájemné uložení jednotlivých vrstev materiálů (přičemž tloušťky vrstev ve skutečném provedení nejsou shodné. Materiálem 5 negativní elektrody je lithiová (Li) ťólie, která je zalisována mezi dva sběrače 6 proudu negativní elektrody, kterými je měděný (Cu) tahokov. Materiál 8 pozitivní elektrody, kterým je směs (kompozit) V2O5 a graťenu, je zalisován mezi dva sběrače 9 proudu pozitivní elektrody, kterými je hliníkový (AI) tahokov. Na první, tj. vnitřní stranu pásu pozitivní elektrody, která přiléhá k negativní elektrodě, je nalisován vnitřní separátor 7, a na druhou, tj. vnější stranu, je nalisován vnější separátor 10 opatřený na vnější straně hliníkovou (AL) ťólií. Separátory 7, 10 jsou v průběhu lisování elektrodového pásu nasyceny elektrolytem.
Sběrače proudu 6, 9 jsou u článku ve smontovaném stavu propojeny s příslušnými póly článku na pouzdru 4.
V případě havarijní situace, indikované např. zvýšením teploty článku nad bezpečnou úroveň, teplotní senzor aktivuje rozbušku 3, která roztříští nádobu 2 s havarijní kapalinou a ta zaplaví elektrody elektrodového pásu 1, vytlačí elektrolyt do pouzdra 4. Standardní elektronika současně akumulátor elektricky rozpojí. Tím se zabrání případnému vzplanutí či výbuchu akumulátoru.
Na obr. 3 je schéma zařízení pro výrobu lithiového akumulátoru podle předloženého technického řešení, jehož jedno provedení je znázorněného na obr. 1. Ve znázorněném lisovacím a tvářecím zařízení se mezi dva pohybující se paralelní pásy sběrače 6 proudu negativní elektrody zalisuje aktivní materiál 5 negativní elektrody, mezi pohybující se dva paralelní pásy sběrače 9 proudu pozitivní elektrody se zalisuj e aktivní materiál 8 pozitivní elektrody, přičemž se na první stranu pásu pozitivní elektrody nalisuje vnitřní separátor 7 a na druhou stranu se nalisuje vnější separátor 10, přičemž se současně k centrálnímu pásu negativní elektrody lisuje z každé strany jeden pás pozitivní elektrody a takto slisovaný elektrodový pás 1_ se navíjí na nádobu 2 s havarijní kapalinou.
NÁROKY NA OCHRANU

Claims (7)

1. Svitkový lithiový akumulátorový článek obsahující alespoň jednu negativní elektrodu a alespoň jednu pozitivní elektrodu, kde elektrody jsou odděleny separátorem nasyceným elektrolytem, vyznačující se tím, že obsahuje elektrodový pás (1), navinutý do svitku kolem nádoby (2) s havarijní kapalinou, která obsahuje havarijní kapalinu a rozbušku (3), přičemž elektrodový pás (1) je tvořen vzájemně slisovanými pásy alespoň jedné negativní elektrody a alespoň jedné pozitivní elektrody, kde svitek je umístěn v pouzdru (4), které je opatřeno kladným a záporným pólem, a dále obsahuje bezpečnostní elektronický modul, obsahující alespoň jeden senzor vybraný z proudového senzoru, teplotního senzoru a nárazového senzoru, pro rozpojení elektrického obvodu akumulátorového článku a iniciaci rozbušky (3) v případě havarijní situace.
2. Svitkový lithiový akumulátorový článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektrodový pás (1) je tvořen jedním pásem negativní elektrody a dvěma pásy pozitivní elektrody, které jsou vzájemně slisovány, kde materiál (5) negativní elektrody je zalisován mezi dva sběrače (6) proudu negativní elektrody, materiál (8) pozitivní elektrody je zalisován mezi dva sběrače (9) proudu pozitivní elektrody, a na vnitřní stranu pásu pozitivní elektrody, která přiléhá k negativní elektrodě, je nalisován vnitřní separátor (7), a na vnější stranu je nalisován vnější separátor (10),
-4CZ 31991 Ul přičemž separátory (7, 10) jsou nasyceny elektrolytem, a sběrače (6, 9) proudu jsou propojeny na příslušné póly na pouzdru (4) článku.
3. Svitkový lithiový akumulátorový článek podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že materiálem (5) negativní elektrody je Li fólie, sběrače (6) proudu negativní elektrody jsou z Cu tahokovu, materiálem (8) pozitivní elektrody je směs V2O5 a grafenu a sběrače (9) proudu jsou z Al tahokovu.
4. Svitkový lithiový akumulátorový článek podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že materiálem vnitřního separátoru (7) i vnějšího separátoru (10) je polyolefmová porézní folie nebo porézní vrstva z netkaných skleněných nebo keramických vláken, přičemž vnější separátor (10) navíc obsahuje na jedné straně vrstvu Al fólie.
5. Svitkový lithiový akumulátorový článek podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že nádoba (2) s havarijní kapalinou je vyrobena ze skla, keramiky nebo plastu, výhodně ze skla.
6. Svitkový lithiový akumulátorový článek podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že nádoba (2) s havarijní kapalinou obsahuje havarijní kapalinu a inertní plyn, kde havarijní kapalinou je výhodně minerální olej a inertní plyn je výhodně argon.
7. Svitkový lithiový akumulátorový článek podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že pouzdro (4) obsahuje pevné vnější pouzdro a vnitřní pouzdro vyrobené z pružného materiálu.
2 výkresy
CZ2018-35044U 2018-06-07 2018-06-07 Svitkový lithiový akumulátorový článek s vysokou bezpečností a vysokou kapacitou CZ31991U1 (cs)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-35044U CZ31991U1 (cs) 2018-06-07 2018-06-07 Svitkový lithiový akumulátorový článek s vysokou bezpečností a vysokou kapacitou
PCT/CZ2019/050028 WO2019233505A1 (en) 2018-06-07 2019-06-06 Lithium accumulator provided with a safety system
DE212019000298.6U DE212019000298U1 (de) 2018-06-07 2019-06-06 Lithium-Akkumulator mit einem Sicherheitssystem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2018-35044U CZ31991U1 (cs) 2018-06-07 2018-06-07 Svitkový lithiový akumulátorový článek s vysokou bezpečností a vysokou kapacitou

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ31991U1 true CZ31991U1 (cs) 2018-08-21

Family

ID=63252273

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2018-35044U CZ31991U1 (cs) 2018-06-07 2018-06-07 Svitkový lithiový akumulátorový článek s vysokou bezpečností a vysokou kapacitou

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ31991U1 (cs)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202021103671U1 (de) 2021-03-26 2021-10-04 EXIMPO, akciová spolecnost Lithium-Akkuzelle mit erhöhter Brand- und Umweltsicherheit

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202021103671U1 (de) 2021-03-26 2021-10-04 EXIMPO, akciová spolecnost Lithium-Akkuzelle mit erhöhter Brand- und Umweltsicherheit

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5099938B1 (ja) 非水電解質二次電池用セパレータ、その製造方法および非水電解質二次電池
KR101639238B1 (ko) 재충전 가능한 전기화학 배터리 셀
KR101502040B1 (ko) 비수 전해질 2차 전지용 세퍼레이터, 그 제조 방법 및 비수 전해질 2차 전지
US10461371B2 (en) Method for operating a battery cell
JP2016541087A (ja) 有機−無機複合多孔性膜、これを含むセパレーター及び電極構造体
Krivik et al. Electrochemical energy storage
CN109314203B (zh) 非水电解质二次电池
KR20130131286A (ko) 전기 화학 소자용 세퍼레이터, 그 제조 방법 및 전기 화학 소자
JP2012033498A (ja) 電気化学素子
EP2573838A1 (en) Separator for electrochemical device, method for producing the same, and electrochemical device
CN116544488A (zh) 底托板、电池单体、电池和用电装置
CN110010830B (zh) 一种锂电池隔膜
JP6927629B2 (ja) 二次電池及び二次電池用絶縁板
CN103229330A (zh) 电化学元件用间隔件及其制造方法、电化学元件用电极及电化学元件
CZ31991U1 (cs) Svitkový lithiový akumulátorový článek s vysokou bezpečností a vysokou kapacitou
CN209912944U (zh) 一种锂电池隔膜
CZ306913B6 (cs) Lithiový akumulátor s vysokou kapacitou a zvýšenou bezpečností
Ritchie Military applications of reserve batteries
CZ33343U1 (cs) Bezpečnostní systém lithiového akumulátoru a lithiový akumulátor opatřený tímto systémem
JP3370534B2 (ja) 非水系二次電池および電池システム
KR20140072794A (ko) 비수전해질 이차 전지 팩
KR100788540B1 (ko) 리튬 이차 전지
KR102712535B1 (ko) 이차전지 및 그 제조방법
KR100679662B1 (ko) 2종 분리막 시스템을 사용한 전기화학소자
WO2019233505A1 (en) Lithium accumulator provided with a safety system

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20180821

MK1K Utility model expired

Effective date: 20220607