CZ33596U1 - Lithiový akumulátor s pružinovým zabezpečením víka elektrodového modulu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předložené technické řešení se týká konstrukce lithiového akumulátoru obsahujícího svazek elektrod, které se v případě havarijní situace (zkrat, přehřátí, mechanické poškození) vzájemně oddálí, 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. Novou konstrukcí akumulátoru lze dosáhnout vysoké kapacity, např. při použití elektrody z kovového lithia, 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 havarijního/bezpečnostního obvodu, který obsahuje teplotní čidlo a který rozpojí akumulátor při překročení bezpečnostních limitů teploty článku.

V patentu č. CZ 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. CZ 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 navíc zaplaven havarijním médiem.

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

Úlohou předloženého technického řešení je vyřešit otázku konstrukce vysokokapacitního akumulátoru, kde by vysoké kapacity bylo výhodně dosaženo tím, že by obsahoval elektrody obsahující kovové lithium. 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.

- 1 CZ 33596 U1

Podstata technického řešení

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

Uvedená nová konstrukce akumulátoru podle vynálezu umožňuje použít pro negativní elektrodu kovové lithium v kombinaci s pozitivní elektrodou výhodně z oxidů vanadu, zejména V2O5, a tím dosáhnout mimořádně vysoké kapacity. Tuto konstrukci akumulátoru lze využít samozřejmě i pro elektrody tvořené standardními sloučeninami známými ze stavu techniky.

Významným inovativním rysem nové konstrukce je zabezpečení sevřeného stavu svazku elektrod alespoň jednou bezpečnostní pružinou, uzpůsobenou k prakticky okamžitému uvolnění sevřeného stavu a oddálení elektrod.

Současným oddálením elektrod a zaplavením elektrod havarijní kapalinou (výhodně minerálním olejem) je v 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. Horní víko je zajištěno alespoň jednou uvolnitelnou bezpečnostní pružinou. Při havarijní situaci je aktivován havarijní modul, který vyvine tlakovou sílu na bezpečnostní pružinu, což vede k uvolnění pružiny z její zakotvené polohy, kdy přitlačuje horní víko, a tím k uvolnění horního víka.

Svazek elektrod obsahuje alespoň jednu negativní elektrodu a alespoň jednu pozitivní elektrodu a alespoň jeden separátor. Jednotlivé elektrody se mohou po uvolnění horního víka vzájemně oddálit působením pružných prvků mezi nimi. Do elektrodového modulu je zavedena alespoň jedna trubice pro přívod havarijní kapaliny do prostoru mezi elektrodami.

Elektrody jsou pohyblivě (kluzně) nasazeny na alespoň jeden nosný tm tak, že je možný pohyb elektrod ve směru podélné osy nosného tmu. Výhodně jsou užity dva nosné tmy.

Svazek elektrod výhodně obsahuje větší počet elektrod, např. 6, 8, 12, 24, 48, 72 nebo 96 elektrod každé polarity.

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 se mohou vzájemně mechanicky oddálit po uvolnění horního víka působením pmžného prvku umístěného mezi elektrodami. Pmžným prvkem může být např. pmžina, výhodně z nevodivého materiálu, nebo elastický blok, např. pryžový blok. Pružný prvek může v jiném provedení současně plnit funkci pmžné 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 pmžných prvků mezi elektrodami. Výhodně

-2CZ 33596 U1 jsou užity dva nosné tmy, které mohou plnit současně funkci sběrače proudu a pólů akumulátoru. Pak je výhodně jeden nosný tm vyroben z mědi (pro negativní elektrodu) a dmhý nosný tm z hliníku (pro pozitivní elektrodu). Svazek elektrod obsahuje negativní a pozitivní elektrody, obvykle uspořádané střídavě a vzájemně oddělené separatory. Horní a dolní víko jsou od elektrod odděleny izolátorem. Horním víkem a elektrodami (resp. rámy elektrod) prochází alespoň jedna tmbice pro přívod havarijní kapaliny do prostom elektrodového modulu. Dolní a horní víko jsou sevřeny pomocí alespoň dvou svěmých šroubů opatřených na dolním konci (pod dolním víkem) závitem pro upevnění matice a na horním konci (nad horním víkem) kotvicím zářezem pro usazení bezpečnostní pružiny. Na horní víko je nasazena alespoň jedna bezpečnostní pmžina, uvolnitelně ukotvená na dvojici svěmých šroubů, která zajišťuje polohu horního uvolníteIného víka a v případě aktivace havarijního modulu umožňuje uvolnění víka a oddálení elektrod. Bezpečnostní pmžina je plochá pmžina (planžeta) lukovitého tvam, ohnutá ve svém středním úseku do oblouku, a na obou koncích, v úsecích, které jsou přímé, je opatřena otvory ve tvam U uzpůsobenými pro hladký průchod svěmých šroubů a posun šroubů v otvoru. Proximální hrana otvom je ve tvam půlkružnice a distální hrana každého otvom je přímá a zapadá do kotvícího zářezu ve svěmém šroubu, čímž bezpečnostní pmžina zajišťuje elektrody v sevřeném stavu mezi horním a dolním víkem. Mezi alespoň jednou bezpečnostní pružinou a horní stěnou vnějšího pevného obalu akumulátoru je umístěn havarijní modul, který obsahuje systém pro vyvinutí tlakové síly na bezpečnostní pmžinu a který je ve spojení s havarijním systémem akumulátoru, a popřípadě sám obsahuje alespoň teplotní sensor a popřípadě otřesový senzor, aby mohl fůngovat autonomně. Systém pro vyvinutí tlakové síly může být založen na mechanickém, hydraulickém nebo elektromagnetickém mechanismu, nebo jejich kombinaci, což je odborníkovi známo. Při havarijní situaci bude např. v důsledku zvýšení teploty nebo působením otřesu aktivován havarijní modul, který vyvine krátkodobou (pulzní) tlakovou sílu na středovou oblast bezpečnostní pružiny, což povede ke zploštění a prodloužení bezpečnostní pružiny a následnému vysunutí hran distálních otvorů bezpečnostní pružiny z kotvicích zářezů ve svěmých šroubech, a tedy k uvolnění pružiny z její polohy, kdy stlačuje horní víko, a v důsledku toho k uvolnění horního víka a oddálení elektrod. Tlaková sílaje takové velikosti a její působení trvá takovou dobu, aby zabezpečila úplné uvolnění bezpečnostní pružiny (a tím horního víka elektrodového modulu) a nebránila prakticky okamžitému oddálení horního víka od svazku elektrod a oddálení elektrod od sebe navzájem. Výhodně je tlaková síla vyvinutá havarijním modulem přenesena na bezpečnostní pružiny prostřednictvím přenosové destičky, která vytváří kruhovitou plochu umístěnou mezi havarijním modulem a vrcholem bezpečnostní pružiny/pružin.

Svěmý šroub prochází mimo rámy elektrod. Ve výhodném uspořádání jsou v konstrukci akumulátoru použity čtyři svěmé šrouby, kde dvojice protilehlých šroubů jsou uspořádané „do kříže“, a dvě bezpečnostní pružiny, které se pravoúhle kříží a ve středu se vzájemně překrývají.

V jiném provedení může být bezpečnostní pmžina vytvořena jako jediný díl ve tvam kříže, tj. de facto spojením dvou jednotlivých výše uvedených pmžin, popřípadě může být takováto křížovitá pmžina integrována do jednoho celku i s přenosovou destičkou.

Elektrody stejného dmhu jsou vzájemně spojeny pružnými či prodloužitelnými vodivými spojkami, ajsou 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 obalu je 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 kovového lithia uvnitř akumulátoru.

V expandovaném stavu (tj. při oddálení elektrod a plnění elektrodového modulu havarijní kapalinou) roztažitelný obal pojme vytlačený elektrolyt a inertní plyn v prostoru 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.

-3 CZ 33596 U1

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 mezikruží, 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 předloženého technického řešení je některý z běžných elektrolytů typu organické rozpouštědlo + Li soli, které jsou odborníkovi známy.

Do vnitřního prostoru 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 analisovány 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. Pozitivní elektroda má rám výhodně z hliníku (AI), dno je výhodně tako z AI, výhodně ve formě tahokovu, a aktivním materiálem jsou např. oxidy vanadu nebo NMC (Li-NMC, Li(NiMnCo)C>2), výhodně je to oxid vanadičný (V2O5).

Konstrukcí akumulátorů s kovovým lithiem, s teoretickou kapacitou 3880 mAh/g kovového lithia, oproti kapacitě 175 mAh/g solí lithia, lze dosáhnout teoreticky 20násobně 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 9násobkem hmotnosti dendritů, zatímco při použití NMC je 20násobkem.

Materiálem separátorů jsou porézní fólie, tvořené netkanými skleněnými nebo keramickými vlákny, která jsou běžně komerčně dostupná a jsou odborníkovi známa.

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 ktomu, 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 působením havarijního modulu k uvolnění jedné nebo více bezpečnostních pružin zakotvených na svěmých šroubech a působením pružných prvků mezi elektrodami dojde k oddálení elektrod při současném zaplnění prostorů mezi elektrodami havarijní kapalinou.

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

-4CZ 33596 U1 formě samostatného konstrukčního prvku nebo může být vhodně integrována s akumulátorem a být např. součástí vnějšího obalu akumulátoru. Obdobná řešení jsou odborníkovi známa.

Havarijní systém akumulátoru je ve spojení s havarijním modulem a obsahuje alespoň teplotní, popřípadě i otřesový senzor, které v případě překročení nastavených limitů aktivují havarijní modul, který zabezpečí uvolnění horního víka elektrodového modulu a oddálení elektrod a současně také odpojí elektrický obvod a otevře/uzavře příslušné ventily. Havarijní modul může sám také obsahovat alespoň teplotní, popřípadě i otřesový senzor, a v případě havarijní situace může pracovat autonomně. Systém pro vyvinutí tlakové síly může být založen např. na mechanickém, hydraulickém nebo elektromagnetickém principu, nebo jejich kombinaci. Havarijní systém a havarijní modul nejsou v předloženém popisu podrobněji popsány, neboť jejich možná uspořádání jsou odborníkovi známa.

V případě havarijní situace dojde k uvolněním bezpečnostní pružiny (pružin) na svěmých 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 lithium/dendrity lithia, dojde k přerušení toku iontů mezi elektrodami a akumulátor se také ochladí, čímž se zabrání nežádoucí chemické reakci lithia/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 kovového lithia pro negativní elektrodu v akumulátorech. Teoretické zvýšení kapacity při použití kovového 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 předloženého technického řešení je lithiový akumulátor s pružinovým zabezpečením víka elektrodového modulu, jak byl výše popsán a jak je definován v připojených nárocích na ochranu.

Objasnění výkresů

Obr. 1. Schéma akumulátoru - řez. Černé šipky označují směr uvolnění horního víka a posunu elektrod při jejich oddálení. Bílá šipka označuje směr působení tlakové síly na bezpečnostní pružinu.

Obr. 2. Schéma bezpečnostní pružiny a svěmého šroubu a zakotvení bezpečnostní pružiny v zářezu na horním konci svěmého šroubu

Obr. 3. Schéma A) bezpečnostní pružiny ve tvaru luku s otvory ve tvaru U pro průchod svěmých tyčí a B) ukotvení bezpečnostní pružiny v kotvicích zářezech svěmých šroubů a uvolnění bezpečnostní pružiny po aplikaci tlakové síly na středovou část bezpečnostní pružiny. Tlaková síla vyvinutá systémem havarijního modulu ve směm šipky (horizontální silná bílá šipka) je aplikována na jednu nebo více bezpečnostních pmžin prostřednictvím přenosové destičky a vede ke zploštění bezpečnostní pmžiny a posunu jejích ramen (vodorovné černé šipky) a jejich

-5 CZ 33596 U1 uvolnění ze zakotvení v kotvicích zářezech svěmých šroubů.

Obr. 4. Schéma nosných trnů, které výhodně tvoří současně póly akumulátoru.

Obr. 5. Schematický pohled na elektrodový modul ze strany dolního víka. Viditelné jsou čtyři matice na svěmých šroubech, které procházejí dolním víkem, a dvě matice upevňující nosné tmy pod koncovou dolní elektrodou.

Obr. 6. Schematický pohled na elektrodový modul ze strany horního víka. A) Dvě bezpečnostní pružiny jsou nasazeny na svěmé šrouby a zakotveny v zářezech na jejich horních koncích. B) Po aplikaci tlakové síly na vrchol bezpečnostních pružin (prostřednictvím přenosové destičky) se ramena bezpečnostní pružiny oddálila a uvolnila se ze svého zakotvení v zářezech svěmých šroubů, což umožní uvolnění víka.

Obr. 7. Schématické znázornění A) rámu negativní elektrody a B) rámu pozitivní elektrody.

Obr. 8. Schématické znázornění A) převlečného těsnění (dole těsnění v příčném řezu) aB) separátoru.

Obr. 9. 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.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Konstmkce akumulátoru

Schéma znázorňující příčný řez příkladného provedení akumulátoru podle vynálezu je uvedeno na obr. 1. Obr. 2 až 9 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. otvorem v kontaktním výstupku 22. 32 rámu 21. 31. jak bude vysvětleno dále) a také výřezem v horním víku 5. Nosné tmy 6, 7 jsou na svém dolním konci (pod krajními spodními elektrodami 2, 3) zajištěny maticí 19 a na horním konci jsou opatřeny pólovými nástavci, které procházejí, stejně jako tmbice 10 pro přívod havarijní kapaliny, horní částí pevného obalu 1. Mezi elektrodami 2, 3 jsou na nosné tmy 6, 7 vloženy pružné bloky 8 z pryže, které mají funkci pmžných prvků oddalujících elektrody 2, 3 po uvolnění horního víka 5. Elektrody 2, 3 shodné polarizace jsou elektricky propojeny protažitelnými vodivými spojkami 81. 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 kmhové desky vytvořené z AI plechu o tloušťce 4 mm (tloušťka desky se přizpůsobí množství sevřených elektrod 2, 3) a průměru 178 mm. Horní víko 5 je opatřeno otvory pro průchod svěmých šroubů 11 atmbic 10 pro přívod havarijní kapaliny. Horní víko 5 je dále opatřeno výřezem pro průchod nosného tmu 6, 7, resp. jeho pólového nástavce. Dolní víko 4 je opatřeno otvory pro svěmé šrouby 11. Dvě tmbice 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.

-6CZ 33596 U1

Dolní víko 4 a horní víko 5 jsou sevřeny pomocí čtyř svěmých šroubů 11, které jsou na svém dolním konci opatřeny maticemi 12 a na horním konci kotvícími zářezy 111. ve kterých jsou ukotveny dvě bezpečnostní pružiny 13. usazení křížově přes sebe. Bezpečnostní pružina 13 je podélná plochá pružina (planžeta), ohnutá do lukovitého tvaru, na obou přímých koncových úsecích opatřená otvory 131 ve tvaru U uzpůsobenými pro volný průchod svěmých šroubů a ukotvení bezpečnostní pmžiny 13 v zářezech 111 svěmých šroubů 11. Proximální hrana otvoru 131 je ve tvam půlkmžnice a distální hrana každého otvom 131 je přímá a zapadá do kotvícího zářezu 111 ve svěmém šroubu 11. Bezpečnostní pmžina 13 tak zajišťuje svazek elektrod v sevřeném stavu mezi dolním víkem 4 a horním víkem 5.

Mezi bezpečnostními pružinami 13 a horní stěnou vnějšího pevného obalu 1 je umístěn havarijní modul 20, který obsahuje systém pro vyvinutí tlaku na bezpečnostní pmžinu 13 a který je ve spojení s havarijním systémem akumulátoru. Systém pro vyvinutí tlaku je ovládán elektronicky a je založen na hydraulickém a/nebo elektromagnetickém mechanismu, který je odborníkovi znám. Tlaková síla vyvinutá havarijním modulem 20 je přenášena na bezpečnostní pmžiny 13 prostřednictvím kruhovité přenosové destičky 201. která vytváří přenosovou plochu umístěnou mezi havarijním modulem 20 a vrcholem bezpečnostních pružin 13 v místě jejich překřížení.

Vnější průměr rámu 21. 31 elektrod 2, 3 je menší než průměr dolního víka 4 a horního víka 5, takže otvory pro svěmé šrouby 11 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 prostoru elektrod 2, 3.

Konstrukce negativní elektrody 2 a pozitivní elektrody 3 je v principu shodná. Každá elektroda 2, 3 obsahuje rám 21, 31 ve tvam mezikruží, který je opatřen dvěma otvory pro vsazení trubice 10 pro přívod havarijní kapaliny. Každá elektroda 2, 3 má půlkmhový 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, 31a menší než jeho vnější průměr, v tomto případě je 133 mm.

Elektrody 2, 3 jsou opatřeny na svém obvodu převlečným těsněním 16 ve tvaru mezikruží, 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.

Ve výhodném provedení znázorněném na obr. 1 jsou pozitivní elektrody 3 zdvojené (tzn. je zde větší množství aktivního materiálu 34 pozitivní elektrody 3 pro dosažení vyššího výkonu).

Separatory 9 jsou porézní fólie tvořené netkanými skleněnými nebo keramickými vlákny standardně užívané jako separatory v Li článcích. Separatory 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. Separatory 9 jsou opatřeny otvory pro průchod trubic 10 pro přívod havarijní kapaliny.

Elektrodový modul je dále opatřen roztažitelným obalem 14, který je vytvořen z pružné plastové fólie, nepropustné pro elektrolyt. Roztažitelný obal 14 je umístěn tak, že obaluje prostor elektrod 2, 3 včetně separátorů 9 mezi dolním víkem 4 a horním víkem 5. Prostor svazku elektrod 2, 3

-7CZ 33596 U1 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 prostoru svazku elektrod 2, 3 jsou perforované pro umožnění rychlého průniku havarijního média do prostorů mezi elektrodami 2, 3.

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. Odborník si je vědom i toho, že řešení zde popsané je možné rutinním způsobem modifikovat, aniž by došlo k odchýlení od inventivního principu předloženého technického řešení.

Průmyslová využitelnost

Předložené technické řešení umožní využít kovové lithium v akumulátorech a přiblížit reálné napětí a kapacitu akumulátoru maximálním teoretickým hodnotám a dosáhnou tak u akumulátorů významného zvýšení poměru kapacita/hmotnost. Akumulátory podle stavu techniky používající Li-sole nejsou chráněny při vzplanutí po nárazu, nebo přehřátí a tím je umožněn vznik jedovatých zplodin, tvořených prvky těchto solí. Konstrukce akumulátorů podle stavu techniky pouze umožňuje ukončit tok elektrického proudu a maximálně ochlazovat povrh článků akumulátoru, což je nedostatečné. Předložené technické řešení bezpečného lithiového akumulátoru 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.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (14)

1. Lithiový akumulátor s pružinovým zabezpečením víka elektrodového modulu 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 oddálitelné po uvolnění horního víka (5), přičemž dolní víko (4) a horní víko (5) jsou sevřeny pomocí alespoň dvou svěmých šroubů (11) a horní víko je v sevřené poloze zabezpečeno alespoň jednou bezpečnostní pružinou (13) ukotvenou uvolniteleně na svěmých šroubech (11), a že dále obsahuje havarijní modul (20) obsahující systém pro vyvinutí tlakové síly na bezpečnostní pružinu (13), a že dále obsahuje alespoň jednu trubici (10) pro přívod havarijní kapaliny do prostoru mezi elektrodami (2, 3).

2. Lithiový akumulátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že bezpečnostní pružina (13) je ve středním úseku obloukovitě prohnutá a je na svých přímých koncových úsecích opatřena otvory (131) ve tvaru U pro průchod svěmých šroubů (11), přičemž je přímou distální hranou otvoru (131) zakotvena v kotvicích zářezech (111) svěmých šroubů.

3. Lithiový akumulátor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obsahuje přenosovou destičku (201) pro přenos síly mezi havarijním modulem (20) a alespoň jednou bezpečnostní pružinou (13).

- 8 CZ 33596 U1

4. Lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dvě bezpečnostní pružiny (13) a přenosová destička (201) tvoří jediný výrobní celek.

5. Lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že systém pro vyvinutí tlakové síly v havarijním modulu (20) obsahuje mechanický, hydraulický nebo elektromagnetický mechanismus nebo jejich kombinaci.

6. Lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že elektrody (2, 3) jsou kluzně nasunuty na alespoň jednom nosném tmu (6, 7) a mezi elektrodami (2, 3) je vložen pmžný prvek (8) pro oddálení elektrod (2, 3) po uvolnění horního víka (5), přičemž pmžný prvek (8) je vodivá pružina, nevodivá pmžina nebo blok z pmžného materiálu, a elektrody (2, 3) stejné polarity jsou spojeny prostřednictvím pružné nebo prodloužíteIné vodivé spojky (81).

7. Lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z 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).

8. 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. Lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že aktivním materiálem (24) negativní elektrody (2) je kovové lithium.

10. Lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že aktivním materiálem (34) pozitivní elektrody (3) je V₂O₅.

11. Lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že rámy (21, 31) jsou ve tvaru mezikmží, výhodně opatřeného kontaktním výstupkem (22, 32), a separatory (9) jsou ve tvam kruhu.

12. Lithiový akumulátor podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že rám (21, 31) je opatřen převlečným těsněním (16) pro vzájemnou izolaci elektrod (2, 3), popřípadě opatřeným otvorem (17) pro prostup kontaktního výstupku (22, 32).

13. 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 rám (31) pozitivní elektrody (3) je vytvořen z hliníku a dno (33) z hliníkového tahokovu.

14. 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).