DK166790B1 - Elektrokemisk batteri - Google Patents

Description

i DK 166790 B1

Den foreliggende opfindelse angår elektrokemi ske elementer og nærmere bestemt et batteri af elektrokemi ske elementer arrangeret i serie.

Det er ofte nødvendigt at forbinde elektrokemi ske elementer i serie for at tilvejebringe spændinger, der er højere end dem, et enkelt ele-5 ment giver. F.eks. aflades elektrokemi ske lithium/thionylchloridelemen-ter normalt ved 3,5 V, og til mange formål er det nødvendigt at anvende disse elementer, hvor der stilles krav om højere spændinger.

Typisk pakkes hvert element i et individuelt hylster med frie positive og negative poler. Ved tilvejebringelse af en serie elementer må 10 hvert elements positive pol forbindes med den negative pol på det næste element i serien. De individuelle elementer i serien kan pakkes i et enkelt hylster med passende pol forbi ndel ser til frembringelse af en strukturel batterienhed. Når batterier samles på denne måde, påvirkes den samlede vægt og det samlede volumen i ugunstig retning af den indpak-15 ning, som hvert enkelt element kræver, plus den yderligere ledningsføring, isolering og struktur som kræves, for at elementerne kan holdes sammen i form af et batteri opbygget som en enhed.

Et batteri af elektrokemi ske elementer ifølge opfindelsen omfatter flere omtrent ens hussektioner af ledende materiale arrangeret i serie, 20 som angivet i krav 1. Hver hussektion er isoleret elektrisk fra de tilstødende hussektioner. Hvert par af tilstødende hussektioner danner et lukket kammer derimellem. Hvert kammer indeholder et elektrokemisk system omfattende et anodeelektrodeorgan, et katodeelektrodeorgan og en elektrolyt!sk opløsning i kontakt med anodeelektrodeorganet og katode-25 elektrodeorganet. Anodeelektrodeorganet er i elektrisk kontakt med den ene af de hussektioner, der danner kammeret, og katodeelektrodeorganet er i elektrisk kontakt med den anden af hussektionerne, der danner kammeret. De elektrokemi ske elementer, som de elektrokemi ske systemer i hvert kammer tilvejebringer, danner et batteri af elektrokemiske elemen-30 ter arrangeret i serie med hver hussektion tjenende som den positive pol for det elektrokemi ske system i ét kammer og den negative pol for det elektrokemi ske system i et tilstødende kammer.

Opfindelsen beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, 35 hvor den eneste figur viser et elektrokemisk batteri ifølge opfind elsen i lodret tværsnit.

Den eneste figur på tegningen illustrerer et batteri af elektroke- DK 166790 Bl 2 miske elementer arrangeret i serie. Batteriet er i almindelighed af cylindrisk form og fremstillet af flere identiske hussektioner 10a til lOd og en modificeret hussektion 15. Hussektionerne er af et passende metal, f.eks. rustfrit stål eller nikkel. Hver af de identiske hussektioner 10a 5 til lOd indbefatter en flad, plan skive 11 med en central åbning 12 med et første hult cylindrisk eller rørformet organ 13 fastgjort til skiven ved kanten af den centrale åbning 12. Det første cylindriske organ 13 forløber i en retning (opad som vist i figuren) vinkelret på skivens 11 plan. Hver identisk hussektion 10a til lOd indbefatter også et andet 10 hult cylindrisk organ 16, der er fastgjort til skiven 11 ved dens ydre kant. Det andet cylindriske organ 16 forløber i modsat retning (nedad som vist i figuren) vinkelret på skivens 11 plan.

Som det fremgår af figuren, er hussektionerne stablet i et seriearrangement. Hussektionerne er elektrisk isoleret fra hinanden. En før-15 ste ring af isoleringsmateriale 20 er, bortset fra den øverste, anbragt mellem kantfladen ved enden af hvert første cylindrisk organ 13 og skiven 11 i hussektionen ovenover ved periferien af den centrale åbning 12 i skiven 11. En anden ring af isoleringsmateriale 21 er anbragt mellem kantfladen ved enden af det andet cylindriske organ 16 i hver identisk 20 hussektion 10a til lOd og skiven 11 i hussektionen nedenunder ved den ydre kant af skiven 11. Ringene af isoleringsmateriale 20 og 21 tætner hussektionerne sammen, så der mellem to tilstødende hussektioner dannes et lukket kammer 25 af ringformet konfiguration.

Den nederste hussektion 15 er en modificeret sektion. I lighed med 25 de andre hussektioner 10a til lOd indbefatter den en flad, plan skive 11 og et første cylindrisk organ 13 af lille diameter. Den indbefatter ikke et andet cylindrisk organ af stor diameter. Ringe af isoleringsmateriale 20 og 21 tætner den modificerede hussektion 15 mod den tilstødende hussektion lOd, så det nederste kammer dannes imellem dem.

30 Inden i hvert kammer 25, der dannes mellem to tilstødende hussek tioner, er der et elektrokemisk system for et elektrokemisk element. De individuelle elektrokemi ske elementer kan være elektrokemi ske lithium/ flydende oxyhalogenidelementer af velkendt type. Selv om et hvilket som helst af forskellige kendte arrangementer af stabler af dele til et 35 elektrokemisk element kan anvendes i hvert kammer, er stablen fortrinsvis et arrangement som beskrevet i US patentskrift nr. 4.284.691.

Det elektrokemi ske system i hvert kammer 25 indbefatter et sæt i DK 166790 B1 3 det væsentlige flade, plane, i almindelighed cirkulære anodeelektrode-organer 26 og et sæt i det væsentlige flade, plane, i almindelighed cirkulære katodeelektrodeorganer 27. Anodeelektrodeorganerne 26 og katodeel ektrodeorganerne 27 er arrangeret skiftevis og adskilt fra hinanden og 5 skiverne 11 i hussektionerne ved mellemliggende separatorer 28 af isoleringsmateriale. Anodeelektrodeorganerne 26 har en central åbning med en diameter, der er mindre end de første cylindriske organers 13 udvendige diameter, og en udvendig diameter, der er mindre end de andre cylindriske organers 16 indvendige diameter. Katodeelektrodeorganerne 27 har en 10 central åbning med en diameter, der er større end de første cylindriske organers 13 udvendige diameter, og en udvendig diameter, der er større end de andre cylindriske organers 16 indvendige diameter. I hvert kammer 25 er anodeelektrodeorganerne 26 således i direkte fysisk og elektrisk kontakt med det første cylindriske organ 13 i den nedre af de to hussek-15 tioner, som danner kammeret, og adskilt fra det andet cylindriske organ 16 i den øvre af de to hussektioner, som danner kammeret. Katodeelektrodeorganerne 27 er i direkte fysisk og elektrisk kontakt med det andet cylindriske organ 16 i den øvre af de to hussektioner, som danner kammeret, og adskilt fra det første cylindriske organ 13 i den nedre af de to 20 hussektioner, som danner kammeret. Med dette arrangement bliver den nedre hussektion i hvert kammer elementets negative pol, og den øvre hussektion bliver elementets positive pol.

Anodeelektrodeorganerne 26 indbefatter et oxiderbart aktivt materiale, specielt lithium. Katodeelektrodeorganerne 27 indeholder porøst 25 carbonkonglomeratmateriale og tjener som katodestrømkollektorer. Til komplettering af det elektrokemi ske system indeholder hvert kammer 25 en elektrolytisk opløsning af et reducerbart flydende katodemateriale, specielt thionylchlorid, og et opløst elektrolytmateriale, specielt lithi-umtetrachloral umi nat.

30 For at fuldende batteri strukturen kan den øverste og/eller den ne-derste hussektion være modificeret i forhold til de identiske hussektioner. Som vist i figuren er den øverste hussektion 10a ligesom hussektionerne 10b til lOd. Der kræves imidlertid ingen ring af isolerende materiale ved kantfladen af det lille cylindriske organ 13, og en skive 40 35 af ledende materiale kan anvendes til lukning af cylinderens top. Som tidligere beskrevet indbefatter den nederste hussektion 15 ikke et stort cylindrisk organ. En skive 41 af ledende materiale kan anbringes hen DK 166790 Bl 4 over skivens 11 centrale åbning 12 til lukning af den nedre ende af det lille cylindriske organ 13. Alt efter hvad en given anvendelse kræver, kan der benyttes alternative arrangementer af den øverste og den neder-ste hussektion. Som vist i figuren danner de små cylindriske organer 13 5 en række centrale åbninger inden for deres vægge. Om ønsket kan de cylindriske organer 13 være massive, eller rækken af centrale åbninger kan være opfyldt f.eks. med et formstofindstøbningsmateriale. Under alle omstændigheder skal hussektionerne være elektrisk isoleret fra hinanden.

Som vist i fig. kan batteriet være indesluttet i et beskyttende 10 hylster 50, f.eks. af et passende formstofindstøbningsmateriale. Det viste batteri indeholder fire elektrokemi ske elementer arrangeret i serie.

Da en hussektion tjener som den negative pol for det elektrokemiske element i kammeret, for hvilket den er den nedre hussektion, og tjener som den positive pol for det elektrokemi ske element i kammeret, for hvilket 15 den er den øvre hussektion, bliver den nederste hussektion 15 batteriets negative pol, og den øverste hussektion 10a bliver batteriets positive pol.

Batterier ifølge opfindelsen benytter flere identiske hussektioner, som kun behøver at være modificeret ved batteriets øvre og/eller nedre 20 ende. Et batteri indeholdende et større antal elementer kræver således et større antal identiske hussektioner, men ikke et større antal specialiserede dele. Batteriet kræver ingen yderligere forbindelser eller forbindelseselementer mellem individuelle elementers poler for at forbinde elementerne elektrisk i serie. IR fald forårsaget af sådanne forbindel -25 ser er således elimineret. Batteriet er forholdsvis kompakt, da der ikke kræves nogen yderligere strukturelle komponenter til understøtning og indpakning af individuelle elementer som et enhedsbatteri og heller ingen isolering til tilvejebringelse af beskyttelse mellem individuelle elementer. Batteriets elektrokemiske energi pr. vægtenhed og pr. volu-30 menenhed er således høj.

Claims (3)

1. Batteri af elektrokemi ske elementer omfattende flere omtrent ens hussektioner af ledende materiale arrangeret i serie, KENDETEGNET 5 ved, at hver hussektion indbefatter en flad, plan skive af ledende materiale med en central åbning, et første cylindrisk organ af ledende materiale, der grænser op til kanten af skiven ved den centrale åbning og forløber i en retning vinkelret på skivens plan og har en kantflade ved enden deraf i afstand fra skiven, et andet cylindrisk organ af ledende 10 materiale, som grænser op til den ydre kant af skiven og forløber i modsat retning vinkelret på skivens plan og har en kantflade ved enden deraf i afstand fra skiven, et første organ af isolerende materiale, som grænser op til kantfladen ved enden af hvert af de første cylindriske organer, et andet organ af isolerende materiale, som grænser op til 15 kantfladen ved enden af hvert af de andre cylindriske organer, idet det første organ af isolerende materiale, som grænser op til kantfladen ved enden af det første cylindriske organ i hver hussektion, bortset fra den første hussektion i serien, grænser op til skiven i den foregående hussektion i serien i nærheden af den centrale åbning, og det andet organ 20 af isolerende materiale, som grænser op til kantfladen ved enden af det andet cylindriske organ i hver hussektion, bortset fra den sidste hussektion i serien, grænser op til skiven i den efterfølgende hussektion i serien i nærheden af den ydre kant, idet hvert par af tilstødende hussektioner i serien danner et lukket kammer derimellem, og hvert kammer 25 indeholder et elektrokemisk system omfattende et anodeelektrodeorgan, et katodeelektrodeorgan, en elektrolytisk opløsning i kontakt med anodeel ektrodeorganet og katodeelektrodeorganet, hvor anodeelektrodeorganet er i elektrisk kontakt med det ene af de første og andre cylindriske organer i den ene af hussektionerne, som danner kammeret, og katodeelek-30 trodeorganet er i elektrisk kontakt med det andet af de første og andre cylindriske organer i den anden hussektion, som danner kammeret, hvorved de elektrokemi ske elementer, som de elektrokemi ske systemer i hvert kammer tilvejebringer, danner et batteri af elektrokemi ske elementer arrangeret i serie med hver hussektion tjenende som den positive pol for 35 det elektrokemi ske system i et kammer og som den negative pol for det elektrokemi ske system i et tilstødende kammer. 6 DK 166790 B1

2. Batteri af elektrokemi ske elementer ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, at hvert af de elektrokemi ske systemer i et kammer omfatter et sæt af i det væsentlige flade, plane, i almindelighed cirkulære anodeelek-trodeorganer, et sæt af i det væsentlige flade, plane, i almindelighed 5 cirkulære katodeelektrodeorganer, hvor anodeelektrodeorganerne og katodeel ektrodeorganerne er arrangeret skiftevis og adskilt af separatorer af isolerende materiale, elektrodeorganerne i et sæt har en central åb- . ning med en diameter, der er større end den udvendige diameter af det første cylindriske organ i en hussektion, og med en udvendig diameter, 10 som er større end den indvendige diameter af det andet cylindriske organ i en hussektion, hvorved elektrodeorganerne i sættet er i elektrisk kontakt med det andet cylindriske organ og elektrisk isoleret fra det første cylindriske organ i hussektionerne, som danner kammeret, og elektrodeorganerne i det andet sæt har en central åbning med en diameter, 15 som er mindre end den udvendige diameter af det første cylindriske organ i en hussektion, og har en udvendig diameter, som er mindre end den indvendige diameter af det andet cylindriske organ i en hussektion, hvorved elektrodeorganerne i sættet er i elektrisk kontakt med det første cylindriske organ og elektrisk isoleret fra det andet cylindriske organ i 20 hussektionerne, som danner kammeret.

3. Batteri af elektrokemi ske elementer ifølge krav 2, KENDETEGNET ved, at hvert anodeelektrodeorgan indbefatter et oxiderbart aktivt materiale, hvert katodeelektrodeorgan indbefatter porøst ledende materiale, 25 og den elektrolytiske opløsning indbefatter et reducerbart flydende katodemateriale og et elektrolytmateriale opløst deri. 1 35 Batteri af elektrokemi ske elementer ifølge krav 3, KENDETEGNET ved, at det oxiderbare aktive materiale indbefatter lithium, og det re- 30 ducerbare flydende katodemateriale indbefatter et flydende oxyhaloge-nid.