RU2264004C2 - Перезаряжаемый электрохимический элемент - Google Patents

Перезаряжаемый электрохимический элемент Download PDF

Info

Publication number
RU2264004C2
RU2264004C2 RU2002109441/09A RU2002109441A RU2264004C2 RU 2264004 C2 RU2264004 C2 RU 2264004C2 RU 2002109441/09 A RU2002109441/09 A RU 2002109441/09A RU 2002109441 A RU2002109441 A RU 2002109441A RU 2264004 C2 RU2264004 C2 RU 2264004C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
element according
electrode
electrodes
flexible
separator
Prior art date
Application number
RU2002109441/09A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2002109441A (ru
Inventor
Владимир КЛЯЦКИН (IL)
Владимир КЛЯЦКИН
Original Assignee
Юнибат Лтд.
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 Юнибат Лтд. filed Critical Юнибат Лтд.
Publication of RU2002109441A publication Critical patent/RU2002109441A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2264004C2 publication Critical patent/RU2264004C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489—Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/24—Alkaline accumulators
    • H01M10/28—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/70—Carriers or collectors characterised by shape or form
    • H01M4/76—Containers for holding the active material, e.g. tubes, capsules
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
    • H01M50/105—Pouches or flexible bags
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • H01M50/457—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure comprising three or more layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/463—Separators, membranes or diaphragms characterised by their shape
    • H01M50/466—U-shaped, bag-shaped or folded
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/06—Lead-acid accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/06—Lead-acid accumulators
    • H01M10/12—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/663—Selection of materials containing carbon or carbonaceous materials as conductive part, e.g. graphite, carbon fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/50—Current conducting connections for cells or batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/04—Cells with aqueous electrolyte
    • H01M6/06—Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid
    • H01M6/10—Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid with wound or folded electrodes
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Sealing Battery Cases Or Jackets (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

Изобретение относится к гибкой конструкции перезаряженных электрохимических элементов, использующих сверхлегкие и сверхпрочные проводящие и изолирующие материалы. Техническим результатом изобретения является уменьшение веса и повышение прочности электродов электрохимического элемента. Согласно изобретению электрохимический элемент содержит одну или более пар электродов. Первый электрод содержит гибкую оболочку из электрически изолирующего материала, проводящего ионы, и расположенную внутри оболочки гибкую проводящую подложку. Гибкий проводник может быть выполнен из проводящего материала в форме ткани или сетки, введенной в активный материал, имеющий форму гранул из порошка. Второй электрод также представляет собой гибкую оболочку из электрически изолирующего материала, проводящего ионы, внутри которой расположен проводник, введенный в слой электрически комплиментарного активного материала. Элемент содержит также средства для приложения давления к совокупности электродов, мембранный сепаратор и противоэлектроды для поддержания постоянного контакта под давлением между каждой отдельной частицей активных материалов электродов, сепаратором и проводником (подложкой). Один или оба электрода могут быть выполнены спеченными, прессованными, склеенными или в форме суспензии. 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к гибкой конструкции аккумуляторов, топливных элементов и электролизеров, основанной на использовании сверхлегких и сверхпрочных проводящих и изолирующих материалов в виде специальных плетеных тканей. Данная конструкция может выдерживать очень большие перегрузки, например, от собственного веса при ускорениях до 50000 g. Как следствие, расширяются возможности использования подобных аккумуляторов в кинетических условиях. Это же относится и к изолирующим материалам и материалам для изготовления элементов, которые могут быть получены и в монолитной конструкции. Конструкции этого типа способны выдерживать ускорения до 55000 g, т.е. применяться в изделиях типа артиллерийских снарядов. Значительное сокращение расстояния между электродами в кислотно-свинцовых аккумуляторах (в 10-50 раз) при соответствующем уменьшении внутреннего сопротивления аккумулятора (которое составляет основную долю от его сопротивления) позволяет создать элемент с высокой электрической эффективностью. Используемый материал позволяет реализовать глубокие зарядно-разрядные циклы, вдвое превышающие циклы в аккумуляторах с полужесткими электродами, и полностью реализовать емкость аккумулятора при мультицикличной работе. Специфичное размещение материала электродов позволяет применять в перезаряжаемых батареях пары электродных материалов, для которых характерны проблемы дендритов. Изобретение применимо в кислотно-цвинцовых или в серебряно-цинковых аккумуляторах, в топливных элементах, а также в электролизерах, когда вес и стоимость являются важными факторами.
Уровень техники
Использование электродов из тяжелых металлов, таких как свинец, серебро, цинк, платина и т.д., создает проблему, связанную с высоким удельным весом аккумуляторов, топливных элементов и электролизеров. Названные металлы характеризуются очень высокими плотностями и низкой механической прочностью. Допустимая степень (глубина) разряда ограничивается прочностью электрода, поскольку активные материалы в электроде выполняют также структурную функцию.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в уменьшении веса и повышении прочности электродов аккумулятора, топливного элемента или электролизера. В патенте США №4894355 описана конструкция с использованием копировальной бумаги; предложено обеспечить уменьшение активной поверхности путем обрезки концов волокон, которые выполнены из композиции копировальная бумага/политетрафторэтилен. В этом случае основную роль в конструкции играет материал-носитель углерода, т.е. бумага, которая определяет параметры проводимости, толщину и площадь электрода.
Сущность изобретения
Одна из задач, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы обеспечить в одном изделии сочетание требуемых параметров по проводимости и изоляции с высоким отношением прочность/вес. Активные и/или каталитические материалы могут быть использованы в виде пластин (каталитический топливный элемент или электролизер) или в рыхлой форме (аккумулятор). Рыхлые среды обеспечивают лучшее использование химически активного материала без ослабления структуры электрода. Эффективность электродов увеличена в результате усиленного межзернового контакта, обусловленного наличием внешнего или внутреннего пружинного или аналогичного элемента и/или наружного корпуса батареи. Изобретение позволяет объединить названные параметры, и, как следствие, имеет место уменьшение веса на единицу энергии разряда.
В соответствии с настоящим изобретением элемент батареи содержит наружную или внутреннюю гибкую оболочку или плоский слой, в котором плоская электропроводная гибкая проволочная или тканевая сетка встроена в матрицу гранулированных или порошкообразных частиц активного материала. Предусматривается также наличие другой оболочки, содержащей электропроводную гибкую проволочную или тканевую сетку, на которую нанесены зерна или частицы комплиментарного активного материала или соединения. Оболочки разделены изолирующей мембраной, которая является проницаемой для ионов соответствующего электролита. Имеются также проводящие выводы, отведенные от каждого из элементов батареи. Кроме того, имеется гибкая механическая пружина или элемент, обеспечивающий разбухание электролита, с помощью которых создается требуемое давление, противодействующее изменениям объема электродов, происходящим в результате химической реакции в элементе.
Активный материал может быть помещен в чехол, выполненный из материала-мембраны, или установлен между листами того же материала. Зерна активного материала могут быть зафиксированы в требуемом положении, отдельно друг от друга, путем приваривания крышки.
Настоящее изобретение предусматривает средства для создания давления на наружную поверхность собранного элемента с обеспечением плотного контакта между частицами в форме гранул или порошка и между частицами и электродом в процессе заряда и разряда. Данный контакт поддерживается, несмотря на значительные изменения объема активного материала в результате протекания реакции.
Могут быть использованы различные пары металлов или соответствующих химических соединений, например Ag/Zn или Pb/PbO.
Электроды могут быть изготовлены в форме протяженных лент, которые затем сворачиваются с образованием спиральной конфигурации. В подобной конструкции желательно предусмотреть пружину или другие средства, действующие подобно пружине, для того, чтобы обеспечить приложение давления к наружным поверхностям электродов и придать элементу цилиндрическую форму.
Пружина или какой-либо другой аналогичный элемент может представлять собой отдельный элемент, введенный в состав батареи или связанный с разбухающим сепаратором. Альтернативно, гибкие стенки элемента, входящего в состав батареи, могут действовать как пружинный элемент. Отдельный пружинный элемент является наиболее подходящим для плоских батарей, в которых высота стенки элемента ограничена. Боковые стенки элемента наиболее пригодны в качестве пружинного элемента, когда указанный элемент имеет кубическую или, по меньшей мере, прямоугольную форму. Для элементов со спиральными электродами функцию пружинного элемента могут выполнять наружные цилиндрические контейнеры.
Размеры зерен или частиц активного материала предпочтительно выбирать в интервале 5-10 мкм, хотя могут быть использованы и зерна других размеров.
Сетки в форме листов могут быть выполнены из различных металлов, например из серебра (для серебряно-цинкового элемента). Такие сетки изготавливаются из металлической фольги, соответствующей активному материалу катода или анода. Толщина проводящей ткани обычно составляет от 10 до 500 мкм, причем предпочтительное значение толщины составляет 100 мкм. Ткань может быть сплетена (соткана) из углеродных волокон. На проводящие материалы может быть нанесено соответствующее металлическое покрытие, причем выбор конкретного металла зависит от типа электрохимической пары, примененной в элементе по изобретению, а также от среды, в которой работает элемент.
Для варианта выполнения с множеством элементов может быть использовано сочетание проводящей нити с непроводящими волокнами. В подобных проводящих тканях может быть применено множество параллельных углеродных волокон, переплетенных с волокнами из кевлара, найлона, полиэфира и т.д. В конфигурации этого типа каждое углеродное волокно может представлять собой электрод. Понятно, что углеродные волокна должны быть электрически соединены, причем для отвода тока должен быть предусмотрен соответствующий вывод.
Вариант изобретения, основанный на том же изобретательском замысле, относится к топливным элементам, в которых каждый мембранный чехол содержит частицы катализатора, предпочтительно прикрепленные к соответствующей подложке. Катализатор может быть выполнен в виде керамических частиц, покрытых активным материалом, таким как In, Pt или Cd. В топливном элементе, в котором происходит реакция между кислородом и водородом с образованием воды и созданием электрического тока, катализатором может служить подходящая кислота. Для отвода тока должны быть предусмотрены соответствующие выводы. Применительно к топливным элементам никакого внешнего давления не требуется. Катализатор может быть непосредственно нанесен на углеродные волокна с увеличением тем самым площади активной поверхности.
Благодаря использованию в электрохимических элементах по изобретению тонких компонентов улучшено отношение массы к выходной мощности. Поскольку главные компоненты элементов по изобретению образованы проводящей тканью, гранулированным активным материалом, соответствующими мембранами и электролитом, эти элементы способны выдерживать экстремальные ускорения (как положительные, так и отрицательные) без необратимых негативных последствий на рабочие характеристики элемента.
В случае использования спиральной конфигурации может быть создан высокоэнергетический быстродействующий заряжаемый элемент для использования в составе батареи.
Согласно настоящему изобретению электроды, соединительные компоненты и стенки элемента выполняются из высокопрочных, проводящих или изолирующих волокон/тканей, тогда как катализатор и активный материал присутствуют в форме пластин, спеченных изделий и т.п. В качестве проводящих частей электродов могут быть применены углеродные волокна, а для изолирующих частей можно использовать найлон, полиэфир, кевлар или стеклянные волокна. Конкретный выбор изолирующего материала зависит от используемого электролита.
В зависимости от реализуемого принципа действия электрохимического элемента могут быть реализованы различные конструкции. Части элемента должны быть сконструированы таким образом, чтобы обеспечить стабильный электрический контакт в рыхлом активном материале. Аналогичным образом, необходимо иметь адекватный контакт между активным материалом и компонентами для подвода/отвода тока.
В качестве подходящих конструкций могут быть отмечены следующие.
1. Электроды, изолирующие компоненты, пружина и наружная оболочка-корпус выполнены из отдельных частей и собраны в единый модуль.
2. Электроды и изолирующие компоненты выполнены в виде единого модуля. Единственный кусок ткани сплетен или соткан таким образом, чтобы обеспечить необходимую комбинацию проводимости и изоляции или проводимости, изоляции и активных материалов.
С применением первого варианта конструкции элемента по изобретению могут быть реализованы конструкции аккумулятора, реализующие различные принципы использования электролита.
Учет соответствующих параметров позволяет рекомендовать следующие конструктивные характеристики: толщина волокон 10 мкм, толщина ткани 0,05 мм, активная поверхность электрода 31,5 см2 на 1 см2 геометрической поверхности электрода. Эти характеристики не учитывают специальную обработку поверхности с целью увеличения площади поверхности ее микроструктуры.
Площадь активной поверхности на единицу массы составляет в этом случае 1875 см2/г; что примерно в 1100 раз больше, чем для сплошной поверхности.
Дополнительные характеристики включают: отношение поперечного сечения проводимости к поперечному размеру электрода 0,0157 см2/см, электрическое сопротивление 0,4-0,5 Ом*мм2, допустимое механическое напряжение 49 кПа при плотности ткани 168 г/м2, что соответствует максимальной разрушающей длине, равной 30 км. Для сравнения, аналогичные значения составляют для свинца 0,122 км, для цинка 0,63 км и для меди 2,263 км. Следовательно, электрод из покрытого углеродного волокна может выдержать ускорение, в 15 раз большее, чем медный электрод, и в 300 раз большее, чем свинцовый электрод, при равной длине электродов.
Перечень чертежей
Далее будет подробно описан предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения.
На фиг.1 в разрезе представлена конфигурация аккумулятора типа Zn-воздух или Zn-Ag с анодами из взвеси (суспензии) Zn-ZnO, Zn-AgO или Ag-ZnO.
На фиг.2 в сечении показана конструкция аккумуляторного элемента типа Zn-воздух или Zn-Ag с анодами из взвеси Zn-ZnO, Zn-AgO или Ag-ZnO.
На фиг.3 на общем виде показана спиральная конструкция электродной пары.
Фиг.4 иллюстрирует параллельное или последовательное соединение между элементами.
Фиг.5 иллюстрирует мультиэлектродную конструкцию с использованием специальной ткани.
Фиг.6 иллюстрирует мультиэлектродную и мультиэлементную конструкции, полученные с использованием одного куска специальной ткани.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1, на общем виде в разрезе, представлен пример выполнения базового элемента по изобретению на основе ткани, в котором использованы центральные коаксиально смещенные проводящие детали из ткани.
Электродный проводящий компонент 1 (катод или анод) представляет собой плетеную ткань, выполненную из углеродных волокон. В данном случае не требуется специальная обработка волокон для увеличения их площади микроповерхности.
Корпус электрода включает в себя плоскую часть из проводящей ткани 1, вставленную в электрически изолирующий чехол 5, заполненный взвесью 2 оксида цинка, свинца или серебра, расположенной по обеим сторонам электродного компонента 1.
Корпус электрода и оба слоя взвеси 2 прижаты друг к другу с помощью пружины; при этом подвод осуществляется из отдельной изолирующей камеры 5, выполненной из изолирующей ткани, проницаемой для электролита, которая представляет собой аккумуляторный элемент.
На фиг.2 в сечении представлена конструкция одиночного элемента, выполненного из ткани. Электродный компонент 1 (катод или анод) выполнен плетеным из углеродных волокон. При этом волокна не требуют специальной обработки с целью увеличения площади поверхности.
Электродный компонент 1 выполнен из взвеси 2 оксида цинка, свинца или серебра.
Электродный чехол 1 может быть выполнен на основе прямоугольной сетки или сетки с диагональными швами 7 для того, чтобы предотвратить агломерацию порошка взвеси в единую массу. Это способствует обеспечению приемлемого распределения мощности по поверхности электрода. Электродный чехол и оба вывода расположены в отдельных изолирующих камерах 3, изготовленных из изолирующей проницаемой ткани.
В альтернативном варианте изолирующие камеры могут быть выполнены из отдельных кусочков ткани, которые могут быть сшиты с образованием электродного чехла, расположенного по бокам пары электродов. При этом соединительные швы могут быть выполнены из изолирующего материала.
Два электрода, образующие пару катод-анод, различаются по консистенции взвеси 2. При использовании в аккумуляторе электродная пара или набор электродных пар могут находиться под давлением, создаваемым посредством пружинных элементов, имеющих различную форму. Благодаря этому отпадает необходимость в создании давления (составляющего около 49 кПа) для обеспечения электрического контакта между взвесью и проводящей тканью и между отдельными зонами скопления взвеси. Однако указанное использование давления требует обеспечения структурной жесткости.
Электродная пара располагается внутри наружной (общей) оболочки 4 и составляет унитарный (отдельный) элемент. Наружная оболочка 4 может быть выполнена из гибкого или жесткого пластика, такого как полиэтилен, полипропилен или поливнилхлорид (ПВХ). Данный материал может быть усилен волокнами из стекла, полиэфира, кевлара и т.д. Объединение всех элементов в единое изделие может быть осуществлено термической сваркой в зоне 5. Для подключения элемента могут быть использованы свободные концы 6 электродов.
Форму электрода и его положение в элементе батареи можно варьировать. Среди возможных альтернативных вариантов можно назвать плоский электрод с подгонкой положения или круглый электрод в коаксиальной структуре. Электролит может постоянно находиться внутри наружной оболочки 4 или периодически подаваться по специальным приваренным трубкам.
На фиг.3 на общем виде, в разрезе представлен электрод спиральной конструкции. Пара гибких электродов 1 и 2, аналогичных показанным на фиг.1 и 2, свернута в спираль и вставлена в упругий рукав 3, который служит в качестве пружинящего элемента, обеспечивающего адекватное контактное давление (около 19,6 кПа). Свернутая спираль вместе с пружинящими элементами вставлена в наружный корпус 4. В некоторых вариантах выполнения в качестве пружинящих элементов могут служить также сепаратор и наружный корпус.
На фиг.4 показано соединение 3 между элементами 1 и 2, соединенными последовательно или параллельно. Несколько электродных чехлов, которые предполагается соединить друг с другом, могут быть выполнены из единого куска проводящей ткани. В этом случае устраняются все традиционные соединительные средства, что позволяет уменьшить массу и конструктивную сложность аккумулятора, а также повысить его надежность.
Фиг.5 иллюстрирует мультиэлектродную конструкцию, выполненную в виде единой детали, которая состоит из комбинации специального волокна с подобранной (подогнанной) проводимостью и изолирующего волокна или группы волокон для использования в качестве изоляции электродов или соединительных элементов. Подобранная проводимость может быть различной для утка и основы, для различных конструкций аккумулятора или в зависимости от технологии плетения.
Данная цельная мультиэлектродная конструкция включает в себя проводящую часть электрода 1, изготовленную из электропроводных волокон, и изолирующую часть 2, изготовленную из изоляционных волокон. Проводящие части ткани могут быть также использованы в сочетании с поперечными проводящими лентами, изготовленными из соответствующих нитей.
Для лучшего соединения между электродными частями и соединительной лентой на ленту может быть нанесено проводящее покрытие, и она может быть закреплена посредством сварки.
Подгонка проводящих частей не влияет на то, электроды какого типа (аноды или катоды) могут быть соединены друг с другом и какой тип соединения (параллельный или последовательный) должен быть использован.
Данные параметры могут выбираться таким же образом, как в традиционных конструкциях батарей, причем цельная мультиэлектродная ткань является общим элементом, посредством которого могут быть реализованы различные конструкции и электрические конфигурации аккумуляторов, топливных элементов или электролизеров. Ткань может с одной стороны иметь покрытие из ПВХ, полиэтилена, полипропилена или полиуретана для сваривания с другими слоями, образующими единую конструкцию, или с материалом наружной оболочки. В этом случае проводящие волокна могут быть сначала подвергнуты обработке, обеспечивающей адгезию к материалу покрытия.
На фиг.6 иллюстрируется конструкция, которая может быть реализована с помощью цельной мультиэлектродной ткани. Эта конструкция соответствует примеру выполнения аккумулятора с электродами на основе взвеси при последовательном соединении отдельных элементов. В конструкции использованы две цельных мультиэлектродных части 1, разделенные тканью 2, проницаемой для электролита, которая может быть пришита или приварена отдельно от электродных единиц конструкции.
Положение сварочных швов выбрано таким образом, чтобы обеспечить изоляцию отдельных элементов с каналами впуска и выпуска (в случае использования систем с проточным электролитом) и проницаемость наружного пространства.
ПРИМЕРЫ
Пример №1
Форма батареи Плоская
Активный материал батареи Серебро-цинк
Количество элементов в батарее 2
Напряжение батареи 3 В
Емкость батареи 5 А·час
Толщина корпуса батареи 5,4 мм
Площадь поверхности батареи 18,5 см2
Диаметр частиц, образующих электроды 0,005-0,01 мм
Толщина серебряного электрода 0,8 мм
Толщина цинкового электрода 0,92 мм
Масса серебра 19,45 г
Масса цинка 11,78 г
Полная масса активного материала 31,23 г
Масса проводящего материала 1,90 г
Масса изоляционного материала 1,64 г
Масса электролита КОН 21,4 г
Масса принадлежностей 37,1 г
Общая масса батареи 88,77 г
Пример №2
Форма батареи Плоская
Активный материал батареи Серебро-цинк
Количество элементов в батарее 16
Напряжение батареи 24 В
Емкость батареи 100 А·час
Толщина корпуса батареи 200 мм
Площадь поверхности батареи 200 см2
Диаметр частиц, образующих электроды 0,005-0,01 мм
Толщина серебряного электрода 0,8 мм
Толщина цинкового электрода 0,92 мм
Масса серебра 3169 г
Масса цинка 2023 г
Полная масса активного материала 5192 г
Масса проводящего материала 93,5 г
Масса изоляционного материала 215 г
Масса электролита КОН 2545 г
Масса принадлежностей 765 г
Общая масса батареи 8810 г
Пример №3
Форма батареи Плоская
Активный материал батареи Свинец
Количество элементов в батарее 6
Напряжение батареи 12 В
Емкость батареи 60 А·час
Толщина корпуса батареи 150 мм
Площадь поверхности батареи 120 см2
Диаметр частиц, образующих электроды 0,005-0,01 мм
Толщина анода 0,8 мм
Толщина катода 0,92 мм
Масса свинца 6,300 г
Масса оксида 7100 г
Полная масса активного материала 13400 г
Масса проводящего материала 421 г
Масса изоляционного материала 85 г
Масса электролита (кислота) 1110 г
Масса принадлежностей 521 г
Общая масса батареи 15452 г
Пример №4
Форма батареи Спиральная
Активный материал батареи Серебро-цинк
Количество элементов в батарее 1
Напряжение батареи 1,5-1,8 В
Емкость батареи 15 А·час
Диаметр спирали батареи 30 мм
Высота спирали батареи 27 мм
Диаметр частиц, образующих электроды 0,01 мм
Толщина серебряного электрода 0,8 мм
Толщина цинкового электрода 0,92 мм
Масса серебра 54,32 г
Масса цинка 11,78 г
Полная масса активного материала 57,1 г
Масса проводящего материала 1,90 г
Масса изоляционного материала 1,64 г
Масса электролита КОН 28,9 г
Масса принадлежностей 19,5 г
Общая масса батареи 109,04 г

Claims (19)

1. Перезаряжаемый электрохимический элемент батареи, содержащий корпус; по меньшей мере одну пару плоских электродов, установленных в указанном корпусе с погружением в электролит, причем по меньшей мере один электрод включает проводящую подложку с нанесенными на нее частицами активного материала, находящимися под давлением; гибкий сепаратор, проницаемый для ионов электролита, внутри которого расположена указанная подложка с частицами активного материала; и средства для создания давления, прикладываемого к электродам.
2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена в виде ткани, сплетенной из углеродных волокон, волокон из нейлона или полиэфира.
3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что толщина ткани выбрана в интервале от 10 до 100 мкм.
4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве активных материалов выбрана одна из следующих пар: Ni/Cd, Ag/Zn, Pb/PbO.
5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что толщина каждого электрода выбрана в интервале от 1 до 10 мм.
6. Элемент по п.1, отличающийся тем, что частицы активного материала имеют размер в интервале от 1 до 10 мкм.
7. Элемент по п.1, отличающийся тем, что средства для создания давления содержат пружину.
8. Элемент по п.1, отличающийся тем, что электроды имеют спиральную конфигурацию.
9. Элемент по п.1, отличающийся тем, что сепаратор изготовлен из ткани, имеющей высокую механическую прочность.
10. Элемент по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из гибкого сетчатого металлического материала.
11. Элемент по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из плетеных графитовых волокон с металлическим покрытием для предотвращения выделения газов.
12. Элемент по п.11, отличающийся тем, что толщина металлического покрытия составляет 5-15 мкм.
13. Элемент по п.1, отличающийся тем, что он представляет собой перезаряжаемый серебряно-цинковый элемент, причем металлическое покрытие для катода выполнено из никеля или серебра, а для анода - из олова, индия, кадмия, свинца или цинка.
14. Элемент по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен гибким, а средства для создания давления содержат указанный гибкий корпус.
15. Элемент по п.1, отличающийся тем, что сепаратор изготовлен с использованием материала, разбухающего в электролите, причем средства для создания давления содержат указанный сепаратор.
16. Элемент по п.1, отличающийся тем, что сепаратор изготовлен с использованием материала, обеспечивающего разделение ионов.
17. Элемент по п.16, отличающийся тем, что материал, обеспечивающий разделение ионов, является пленкой полиэтилена-пропилена.
18. Элемент по п.16, отличающийся тем, что сепаратор изготовлен с использованием материала, предотвращающего образование нитевидных кристаллов.
19. Элемент по п.1, отличающийся тем, что активные материалы являются углеродом и серебром.
RU2002109441/09A 1999-09-09 2000-09-04 Перезаряжаемый электрохимический элемент RU2264004C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IL131842A IL131842A (en) 1999-09-09 1999-09-09 Chargeable electrochemical cell
IL131842 1999-09-09

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2002109441A RU2002109441A (ru) 2003-10-20
RU2264004C2 true RU2264004C2 (ru) 2005-11-10

Family

ID=11073238

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002109441/09A RU2264004C2 (ru) 1999-09-09 2000-09-04 Перезаряжаемый электрохимический элемент

Country Status (8)

Country Link
EP (1) EP1238437A4 (ru)
JP (1) JP2003509818A (ru)
KR (1) KR100861098B1 (ru)
CN (1) CN100449821C (ru)
AU (1) AU6862300A (ru)
IL (1) IL131842A (ru)
RU (1) RU2264004C2 (ru)
WO (1) WO2001018890A1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2465691C1 (ru) * 2008-10-27 2012-10-27 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Композитный электрод для устройства аккумулирования электроэнергии, способ его получения и устройство аккумулирования электроэнергии
WO2013191880A1 (en) * 2012-06-19 2013-12-27 Zinc Air Fuel Cells, Inc. Metal-air battery and gas impermeable anodic conductive matrix
RU2560134C2 (ru) * 2010-11-18 2015-08-20 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Аккумуляторная батарея
RU2568667C2 (ru) * 2009-12-24 2015-11-20 Аркэктив Лимитед Усовершенствования в конструкции свинцово-кислотного аккумулятора
RU2594010C2 (ru) * 2011-07-01 2016-08-10 Гезда С.Р.О. Литиевый аккумулятор

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101255242B1 (ko) * 2011-04-15 2013-04-16 삼성에스디아이 주식회사 전기화학전지

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US829643A (en) * 1905-12-22 1906-08-28 Harriet S Ford Storage battery.
US5480742A (en) * 1993-05-13 1996-01-02 Erez; Mordechai Electrochemical cell including compressed, unbonded, electrode granules and liquid electrolyte
US5580676A (en) * 1993-08-17 1996-12-03 Sony Corporation Rectangular battery

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5535735Y2 (ru) * 1973-01-31 1980-08-22
US4160068A (en) * 1978-11-21 1979-07-03 Ford Motor Company Storage battery
JPS5592270A (en) * 1978-12-28 1980-07-12 Nippon Supingu Kk Steel material cutting position adjusting device
US4215186A (en) * 1979-02-26 1980-07-29 Jaeger Ben E Battery plate separator and battery containing the same
JPS5882772U (ja) * 1981-11-30 1983-06-04 新神戸電機株式会社 円筒密閉形電池
JPS59117065A (ja) * 1982-12-23 1984-07-06 Japan Storage Battery Co Ltd 電池
JPS59149650A (ja) * 1983-02-15 1984-08-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 鉛蓄電池
JPS6269465A (ja) * 1985-09-20 1987-03-30 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd ニツケル・カドミウムアルカリ蓄電池用陽極板
US4663247A (en) * 1985-11-04 1987-05-05 Union Carbide Corporation Coiled electrode assembly cell construction with pressure contact member
JPS63128557A (ja) * 1986-11-18 1988-06-01 Ohara Kinzoku Kogyo Kk ニツケル−カドミウム電池
JPH0831409A (ja) * 1994-07-12 1996-02-02 Toray Ind Inc 電池用電極およびそれを用いた二次電池
JPH0883595A (ja) * 1994-09-12 1996-03-26 Sony Corp 単電池
US5766789A (en) * 1995-09-29 1998-06-16 Energetics Systems Corporation Electrical energy devices
US5738955A (en) * 1995-10-23 1998-04-14 Corning Incorporated Deep-discharge battery separator
JPH10172574A (ja) * 1996-12-16 1998-06-26 Japan Storage Battery Co Ltd 電 池
JP3511443B2 (ja) * 1996-12-20 2004-03-29 株式会社リコー 電池装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US829643A (en) * 1905-12-22 1906-08-28 Harriet S Ford Storage battery.
US5480742A (en) * 1993-05-13 1996-01-02 Erez; Mordechai Electrochemical cell including compressed, unbonded, electrode granules and liquid electrolyte
US5580676A (en) * 1993-08-17 1996-12-03 Sony Corporation Rectangular battery

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2465691C1 (ru) * 2008-10-27 2012-10-27 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Композитный электрод для устройства аккумулирования электроэнергии, способ его получения и устройство аккумулирования электроэнергии
RU2568667C2 (ru) * 2009-12-24 2015-11-20 Аркэктив Лимитед Усовершенствования в конструкции свинцово-кислотного аккумулятора
RU2560134C2 (ru) * 2010-11-18 2015-08-20 Ниссан Мотор Ко., Лтд. Аккумуляторная батарея
RU2594010C2 (ru) * 2011-07-01 2016-08-10 Гезда С.Р.О. Литиевый аккумулятор
WO2013191880A1 (en) * 2012-06-19 2013-12-27 Zinc Air Fuel Cells, Inc. Metal-air battery and gas impermeable anodic conductive matrix
US9099753B2 (en) 2012-06-19 2015-08-04 ZAF Energy Systems, Incorporated Metal-air battery and gas impermeable anodic conductive matrix

Also Published As

Publication number Publication date
EP1238437A4 (en) 2006-10-04
JP2003509818A (ja) 2003-03-11
IL131842A (en) 2007-03-08
CN100449821C (zh) 2009-01-07
IL131842A0 (en) 2001-03-19
WO2001018890A1 (en) 2001-03-15
KR100861098B1 (ko) 2008-09-30
EP1238437A1 (en) 2002-09-11
KR20020059392A (ko) 2002-07-12
CN1373909A (zh) 2002-10-09
AU6862300A (en) 2001-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2236067C2 (ru) Каталитический воздушный катод для металловоздушных аккумуляторов
Chakkaravarthy et al. Zinc—air alkaline batteries—A review
US5145752A (en) Electrodes for metal/air batteries and bipolar metal/air batteries incorporating the same
US5190833A (en) Electrodes for metal/air batteries and fuel cells and bipolar metal/air batteries incorporating the same
US5318861A (en) Electrochemical metal-air cell and electrically and mechanically rechargeable anodes for use therein
US4113921A (en) Secondary cells
US4269907A (en) Electrochemical cell
US4039729A (en) Rechargeable galvanic cell with zinc electrode and auxiliary structure
JP4157769B2 (ja) ソフトポケットを有する金属−気体セル蓄電池
KR100687273B1 (ko) 재충전가능한 전기화학 전지용 전극 유닛
US3990910A (en) Nickel-hydrogen battery
JP2014519152A (ja) 亜鉛空気蓄電池
EP0187145A1 (en) BIPOLAR CELL WITH NICKEL-HYDROGEN.
US3607403A (en) Self-charging battery incorporating a solid-gas battery and storage battery within a honeycomb matrix
US4957830A (en) Rechargeable metal oxide-hydrogen battery
EP0025663A2 (en) Battery systems employing bipolar electrodes
JPH0586633B2 (ru)
US5576116A (en) Sealed storage cell operating at low pressure
US20080107958A1 (en) Chargeable Electrochemical Cell
US3625764A (en) Electrode for electric storage batteries containing zinc halide in aqueous solution, of the type having a soluble cathode and a dissolved anode
EP0022843B1 (en) Tubular electrode
US3539396A (en) Rechargeable alkaline zinc system
RU2264004C2 (ru) Перезаряжаемый электрохимический элемент
US4717633A (en) Electrode structure for lightweight storage battery
US20030077512A1 (en) Electrolyte for alkaline rechargeable batteries

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090905