RU2553974C1 - Lead-acid battery - Google Patents
Lead-acid battery Download PDFInfo
- Publication number
- RU2553974C1 RU2553974C1 RU2014113601/07A RU2014113601A RU2553974C1 RU 2553974 C1 RU2553974 C1 RU 2553974C1 RU 2014113601/07 A RU2014113601/07 A RU 2014113601/07A RU 2014113601 A RU2014113601 A RU 2014113601A RU 2553974 C1 RU2553974 C1 RU 2553974C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- lead
- cores
- electrolyte
- active substances
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области электротехники, в частности к обратимым электрохимическим элементам (аккумуляторам).The present invention relates to the field of electrical engineering, in particular to reversible electrochemical cells (batteries).
Из существующего уровня техники известен свинцово-кислотный аккумулятор, который состоит из положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами и залитых электролитом - водным раствором серной кислоты (Н. Курзуков, В. Ягнятинский. Автомобильные аккумуляторы. Секреты выбора и применения. М., 2002 г., п.1.2 [1]). Электроды выполнены в виде свинцовых пластин, и пластины положительного электрода перемежаются пластинами отрицательного электрода так, что при работе используются обе стороны каждой пластины (кроме крайних). На поверхности пластин находятся активные вещества - металлический свинец и его соединения, реагирующие с электролитом. Положительный электрод покрыт двуокисью свинца и является анодом аккумулятора. Отрицательный электрод является катодом, его активное вещество - сам металлический свинец. Пластины могут иметь сложную форму, в частности форму решеток, что увеличивает общую площадь поверхности соприкосновения электродов с электролитом и соответственно величину отдаваемого и принимаемого тока. Электрическая емкость аккумулятора зависит, в основном, от количества (массы) активных веществ. Решетчатая форма пластин обеспечивает дополнительный рост емкости, в основном для анода, поскольку дает возможность размещения большего количества пастообразного активного анодного вещества в ячейках решетчатых анодных пластин. Для съема и подвода тока пластины объединяются промежуточными токоведущими частями - соединительными элементами, мостиками. Вывод тока аккумулятора во внешнюю электрическую цепь осуществляется через токоведущие стержни - борны, анодный и катодный соответственно.From the current level of technology, a lead-acid battery is known, which consists of positive and negative electrodes separated by separators and filled with an electrolyte - an aqueous solution of sulfuric acid (N. Kurzukov, V. Yagnyatinsky. Car batteries. Secrets of choice and application. M., 2002 ., p. 1.2 [1]). The electrodes are made in the form of lead plates, and the plates of the positive electrode are alternated by the plates of the negative electrode so that both sides of each plate (except the extreme ones) are used during operation. On the surface of the plates are active substances - metallic lead and its compounds that react with electrolyte. The positive electrode is coated with lead dioxide and is the anode of the battery. The negative electrode is the cathode; its active substance is metallic lead itself. The plates can have a complex shape, in particular the shape of gratings, which increases the total surface area of contact of the electrodes with the electrolyte and, accordingly, the magnitude of the supplied and received current. The electric capacity of the battery depends mainly on the amount (mass) of active substances. The lattice shape of the plates provides an additional increase in capacity, mainly for the anode, since it makes it possible to place more paste-like active anode substances in the cells of the lattice anode plates. For removal and supply of current, the plates are combined by intermediate current-carrying parts - connecting elements, bridges. The battery current is output to an external electric circuit through current-carrying rods - boric, anodic and cathodic, respectively.
Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:
- снижение емкости, которое возможно в процессе работы вследствие отделения части активного вещества, в частности анодного, от пластин анода (осыпания, «оплывания» активного вещества);- decrease in capacity, which is possible during operation due to the separation of a part of the active substance, in particular the anode, from the plates of the anode (shedding, “swelling” of the active substance);
- невысокая удельная энергоемкость по массе, обусловленная большой общей массой всех свинцовых деталей аккумулятора при относительно небольшой массе собственно активных веществ. Из свинца изготавливают все участки электродов - рабочие участки, погруженные в электролит, участки электрической связи пластин (мостики) и выводные борны. Выполнение всех этих участков из свинца диктуется тем условием, что никакие другие металлы не должны присутствовать в реакционном объеме аккумулятора. Если кислотный электролит будет соприкасаться и реагировать с другим металлом, его ионы могут осаждаться на поверхностях рабочих участков электродов и препятствовать протеканию нужных реакций активных веществ, лежащих в основе работы аккумулятора - эффект «отравления» аккумулятора (В.С. Лаврус. Источники энергии. М., 1997, п.2.2.1). Однако свинец имеет относительно невысокую электропроводность, меньшую на порядок по сравнению, например, с алюминием или медью. Это приводит к тому, что поперечные сечения свинцовых электродов должны быть большими. Электроды должны быть «толстыми», причем не только их участки, несущие активные вещества, но и вспомогательные участки объединения пластин и выводные борны. Поскольку плотность свинца высокая, общая масса электродов получается большой. При этом доля массы этих вспомогательных частей оказывается весьма значительной и может составлять 14…20% от общей массы аккумулятора (Э. Рихстейн. Введение в энерготехнику. Таллинн, 2008, стр.237, рис.5.5.9);- low specific energy consumption by weight, due to the large total mass of all lead parts of the battery with a relatively small mass of the active substances themselves. All sections of the electrodes are made of lead - working sections immersed in the electrolyte, sections of the electrical connection of the plates (bridges) and output boric. The implementation of all these sections of lead is dictated by the condition that no other metals should be present in the reaction volume of the battery. If the acid electrolyte comes into contact and reacts with another metal, its ions can be deposited on the surfaces of the working sections of the electrodes and impede the necessary reactions of the active substances that underlie the battery’s operation - the effect of battery “poisoning” (V. Lavrus. Energy sources. M ., 1997, cl. 2.2.1). However, lead has a relatively low electrical conductivity, an order of magnitude lower than, for example, aluminum or copper. This leads to the fact that the cross sections of lead electrodes must be large. The electrodes must be “thick”, and not only their areas that carry active substances, but also auxiliary sections of the combination of plates and output boric. Since the density of lead is high, the total mass of the electrodes is large. Moreover, the mass fraction of these auxiliary parts is very significant and can be 14 ... 20% of the total mass of the battery (E. Richstein. Introduction to power engineering. Tallinn, 2008, p. 237, Fig. 5.5.9);
- неполное использование активных веществ в процессе работы аккумулятора. Полнота их использования зависит, в том числе, от площади контакта активных веществ с электролитом и с погруженной рабочей частью электрода.- incomplete use of active substances in the process of battery operation. The completeness of their use depends, inter alia, on the area of contact of the active substances with the electrolyte and with the immersed working part of the electrode.
Известно техническое решение электрода свинцово-кислотного аккумулятора, обеспечивающего увеличение площади соприкосновения с нанесенным активным веществом за счет придания рабочему участку электрода гофрированной формы (Патент SU №242993).A technical solution is known for a lead-acid battery electrode, which provides an increase in the area of contact with the applied active substance by giving the working area of the electrode a corrugated shape (Patent SU No. 242993).
Недостатком данного технического решения также является относительно небольшое увеличение площади поверхности при соблюдении прежнего габарита аккумулятора по толщине и величине боковой площади.The disadvantage of this technical solution is also a relatively small increase in surface area, subject to the previous battery size in thickness and lateral area.
Оценим все приведенные признаки и факторы, определяющие площадь электродов в устройстве, приведенном в [Н. Курзуков, В. Ягнятинский. Автомобильные аккумуляторы. Секреты выбора и применения. М., 2002 г.]: у каждой электродной пластины рабочими являются две стороны, количество пластин в сборке составляет около 10 (по 5 анодных и 5 катодных), гофрированная или решетчатая форма обеспечивает увеличение площади поверхности еще в 2…3 раза. Таким образом, площадь поверхности рабочих участков электродов может быть оценена на уровне 20…30 величин боковой площади всего аккумулятора, что является типичным показателем для современного уровня развития свинцово-кислотных аккумуляторов.Let us evaluate all the signs and factors that determine the area of the electrodes in the device described in [N. Kurzukov, V. Yagnyatinsky. Car batteries. Secrets of choice and application. M., 2002]: on each electrode plate there are two sides working, the number of plates in the assembly is about 10 (5 anode and 5 cathode each), a corrugated or lattice shape provides an increase in surface area by another 2 ... 3 times. Thus, the surface area of the working areas of the electrodes can be estimated at the level of 20 ... 30 values of the lateral area of the entire battery, which is a typical indicator for the current level of development of lead-acid batteries.
Недостаточно большая площадь рабочей поверхности при заданном объеме веществ приводит к относительно большой толщине слоя активного вещества и, соответственно, к риску его неполного использования. Неполнота использования диктует необходимость размещения в аккумуляторе активных веществ с запасом, и доля такого заведомо непроизводительного запаса может составлять до 35% [Э. Рихстейн. Введение в энерготехнику. Таллинн, 2008, стр.237 рис.5.5.9]. В итоге суммарная доля непроизводительных затрат по массе в аккумуляторе, приведенном в [Н. Курзуков, В. Ягнятинский. Автомобильные аккумуляторы. Секреты выбора и применения. М., 2002 г.], из-за вспомогательных участков электродов и избыточных запасов активных веществ может достигать 50% и более.The insufficiently large working surface area for a given volume of substances leads to a relatively large thickness of the layer of active substance and, accordingly, to the risk of its incomplete use. Incomplete use dictates the need to place active substances in the battery with a reserve, and the share of such a knowingly unproductive reserve can be up to 35% [E. Richstein. Introduction to power engineering. Tallinn, 2008, p. 237 fig. 5.5.9]. As a result, the total share of overhead by weight in the battery, given in [N. Kurzukov, V. Yagnyatinsky. Car batteries. Secrets of choice and application. M., 2002], due to auxiliary sections of the electrodes and excess reserves of active substances can reach 50% or more.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является свинцово-кислотный стационарный аккумулятор по патенту №2158046 [5]). Он состоит из положительных и отрицательных электродов, разделенных сепараторами и залитых электролитом. Электроды выполнены в виде свинцовых пластин, пластины положительного электрода перемежаются пластинами отрицательного электрода. Электроды располагаются в корпусе, частично заполненном электролитом. Часть электрода, погруженная в электролит (нижняя), является рабочим участком электрода; на поверхности рабочего участка находится соответствующее анодное или катодное активное вещество. Для съема и подвода тока одноименные пластины объединяются промежуточными токоведущими мостиками (средний участок электродов). Вывод тока аккумулятора во внешнюю электрическую цепь осуществляется через токоведущие стержни - выводные борны, выходящие наружу корпуса (верхняя часть электрода). Для увеличения проводимости соединения с внешней электрической цепью и увеличения механической прочности этого соединения борны снабжены внутренними стержнями - кернами из более электропроводного и более прочного металла, чем свинец, в частности, из меди. В процессе работы при разряде активное вещество с поверхности рабочего участка расходуется. При заряде происходит противоположный процесс, приводящий к увеличению толщины электрода на рабочем участке. При разряде уменьшение толщины электрода может происходить неравномерно, и на значительную глубину, вплоть до полной толщины электрода. Чтобы не было «отравления» аккумулятора, необходимо исключить возможность контакта электролита с металлом керна. Для этого в электроде нижний уровень проводящего и упрочняющего керна (несущего керна) делается выше верхнего уровня электролита.Closest to the claimed technical solution is a lead-acid stationary battery according to patent No. 2158046 [5]). It consists of positive and negative electrodes, separated by separators and filled with electrolyte. The electrodes are made in the form of lead plates, the plates of the positive electrode are interspersed with the plates of the negative electrode. The electrodes are located in a housing partially filled with electrolyte. The part of the electrode immersed in the electrolyte (lower) is the working area of the electrode; on the surface of the working area is the corresponding anode or cathode active substance. To remove and supply current, the plates of the same name are combined by intermediate current-carrying bridges (the middle section of the electrodes). The output of the battery current to the external electric circuit is carried out through the current-carrying rods - output boric tubes that exit the housing (the upper part of the electrode). To increase the conductivity of the compound with an external electric circuit and increase the mechanical strength of this compound, the borons are equipped with internal rods - cores of a more electrically conductive and more durable metal than lead, in particular copper. During operation, when discharging, the active substance from the surface of the working area is consumed. When charging, the opposite process occurs, leading to an increase in the thickness of the electrode in the work area. During a discharge, a decrease in the thickness of the electrode can occur non-uniformly, and to a considerable depth, up to the full thickness of the electrode. To avoid “poisoning” the battery, it is necessary to exclude the possibility of contact of the electrolyte with the core metal. For this, the lower level of the conductive and strengthening core (core core) in the electrode is made higher than the upper level of the electrolyte.
Недостатком данного устройства является небольшая удельная электрическая емкость по массе, обусловленная наличием массивных участков свинцовых электродов - рабочих участков и промежуточных токоведущих мостиков. Избыточная масса активных веществ, связанная с большой толщиной слоев активных веществ, обусловлена недостаточно большой площадью поверхности рабочих участков электродов. Общую площадь поверхности рабочих участков электродов для этого устройства, также как и для устройства, приведенного в [Н. Курзуков, В. Ягнятинский. Автомобильные аккумуляторы. Секреты выбора и применения. М., 2002 г.], следует оценить на уровне 20…30 площадей боковой проекции конструкции устройства по патенту №2158046.The disadvantage of this device is the small specific electric capacity by weight, due to the presence of massive sections of lead electrodes - work sections and intermediate current-carrying bridges. The excess mass of active substances associated with a large thickness of the layers of active substances is due to the insufficiently large surface area of the working areas of the electrodes. The total surface area of the working areas of the electrodes for this device, as well as for the device shown in [N. Kurzukov, V. Yagnyatinsky. Car batteries. Secrets of choice and application. M., 2002], should be assessed at the level of 20 ... 30 areas of the side projection of the device design according to patent No. 2158046.
Целью заявляемого изобретения является повышение удельной электрической емкости свинцово-кислотного аккумулятора по массе за счет сокращения массы рабочих и промежуточных участков электродов, а также за счет сокращения массы непроизводительных запасов активных веществ.The aim of the invention is to increase the specific electric capacity of a lead-acid battery by weight by reducing the mass of the working and intermediate sections of the electrodes, as well as by reducing the mass of unproductive reserves of active substances.
Указанная цель достигается тем, что в свинцово-кислотном аккумуляторе, содержащем корпус, заполненный кислотным электролитом, разделенные пористым сепаратором положительный и отрицательный электроды, причем каждый электрод состоит из рабочего участка, погруженного в электролит, соединительных мостиков и выводных борнов, содержащих несущие керны из металла, иного, чем свинец, а также активные вещества, расположенные на поверхностях рабочих участков соответствующих электродов, каждый несущий керн продлен вдоль всего электрода, включая его рабочий участок, и отделен от активного вещества защитным слоем, выполненным из электропроводящего вещества, не реагирующего с электролитом; при этом электроды свернуты в спираль, причем несущие керны, защитные слои, слои активных веществ и пористый сепаратор соприкасаются друг с другом; кроме того, электроды смещены относительно друг друга по направлению оси свертывания и выступающие на разных сторонах устройства края электродов объединены соединительными мостиками.This goal is achieved by the fact that in a lead-acid battery containing a housing filled with an acid electrolyte, the positive and negative electrodes separated by a porous separator, each electrode consisting of a working section immersed in the electrolyte, connecting bridges and lead bores containing metal core cores other than lead, as well as active substances located on the surfaces of the working sections of the respective electrodes, each core core is extended along the entire electrode, including its working area, and is separated from the active substance by a protective layer made of an electrically conductive substance that does not react with an electrolyte; in this case, the electrodes are coiled, and the core cores, protective layers, layers of active substances and a porous separator are in contact with each other; in addition, the electrodes are offset relative to each other in the direction of the axis of coagulation and the edges of the electrodes protruding on different sides of the device are connected by connecting bridges.
Таким образом, заявляемый свинцово-кислотный аккумулятор с несущими электродами включает в себя пластины электродов анода и катода, разделенные сепаратором, помещенные в корпус, заполненный электролитом в виде водного раствора серной кислоты. Активные вещества анода и катода находятся на поверхности соответствующих электродов, внутренняя часть анода и катода выполнена в виде несущего керна из металла, более прочного, более легкого и более электропроводного, чем свинец. Между слоем активного вещества и несущим керном находится защитный слой, выполненный из электропроводящего материала, не реагирующего с электролитом, а несущий керн проходит через весь электрод, включая рабочий участок. Несущие керны анода и катода могут иметь весьма малую толщину, т.е. быть выполненными из фольги, медной, железной или алюминиевой.Thus, the inventive lead-acid battery with supporting electrodes includes anode and cathode electrode plates separated by a separator, placed in a housing filled with an electrolyte in the form of an aqueous solution of sulfuric acid. The active substances of the anode and cathode are located on the surface of the respective electrodes, the inner part of the anode and cathode is made in the form of a core made of metal, stronger, lighter and more conductive than lead. Between the active substance layer and the core core is a protective layer made of an electrically conductive material that does not react with the electrolyte, and the core core passes through the entire electrode, including the working section. The core cores of the anode and cathode can have a very small thickness, i.e. be made of foil, copper, iron or aluminum.
Защитный слой между несущим керном и активным веществом электрода может быть выполнен из углеродсодержащего вещества, например из графита (а.с. SU 572535 [6]).The protective layer between the core core and the active substance of the electrode can be made of a carbon-containing substance, for example, graphite (a.s. SU 572535 [6]).
Толщина сепаратора и слоев активных веществ может быть также весьма малой, за счет чего площадь поверхности рабочих участков электродов может быть весьма большой (при том же объеме аккумулятора); при этом высота (ширина) электродов может быть некоторой разумной величины, удобной с точки зрения изготовления и применения, а их длина при этом будет весьма большой, и все устройство приобретает вид тонкой многослойной ленты. Эта многослойная лента может быть свернута в спираль для сокращения габаритов всего устройства. При этом устройство может приобретать форму цилиндрического диска, причем высота (толщина) этого спирального диска определяется высотой (шириной) ленты. Торцы спирального диска могут быть покрыты изолирующим веществом, за счет чего могут быть сформированы крышки устройства, обеспечивающие замкнутость межэлектродного пространства и удержание в нем электролита в процессе работы. Анод и катод могут быть расположены со смещением, так что при сворачивании в спираль на одном торце спирального диска будут выступать края витков анода, а на другом - края витков катода. Эти края могут быть объединены, например, точечной сваркой, или скруткой с дополнительными токоведущими элементами (мостиками) для лучшей проводимости при подключении к внешней электрической цепи.The thickness of the separator and the layers of active substances can also be very small, due to which the surface area of the working sections of the electrodes can be very large (with the same volume of the battery); the height (width) of the electrodes can be of some reasonable size, convenient from the point of view of manufacture and application, and their length will be very large, and the whole device takes the form of a thin multilayer tape. This multilayer tape can be coiled to reduce the overall dimensions of the device. In this case, the device can take the form of a cylindrical disk, and the height (thickness) of this spiral disk is determined by the height (width) of the tape. The ends of the spiral disk can be coated with an insulating substance, due to which the covers of the device can be formed, ensuring the closeness of the interelectrode space and the retention of electrolyte in it during operation. The anode and cathode can be offset, so that when coiled, the edges of the anode turns protrude at one end of the spiral disk and the edges of the cathode turn at the other. These edges can be combined, for example, by spot welding, or by twisting with additional current-carrying elements (bridges) for better conductivity when connected to an external electrical circuit.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является сокращение массы устройства при той же электрической емкости (увеличение удельной электрической емкости по массе). Наличие керна из металла с более высокой электропроводностью, чем у свинца, дает возможность выполнить все участки электродов более тонкими, при том же внутреннем сопротивлении выходному току (например, электропроводность алюминия больше электропроводности свинца на порядок, следовательно, толщина и поперечное сечение электрода могут быть сокращены в несколько раз). Другим фактором сокращения массы является меньшая плотность самого металла керна (например, алюминий по сравнению со свинцом легче более чем в 3 раза). В предложенном устройстве площадь рабочих поверхностей электродов может быть значительно увеличена, следовательно, при той же величине электрической емкости и при том же необходимом количестве активных веществ толщина слоев активных веществ может быть значительно меньше, и одновременно с этим уменьшается плотность токов на поверхности электродов. Следовательно, возрастает эффективность использования всего объема активных веществ, поэтому исключается необходимость снабжения устройства избыточными запасами этих веществ, т.е. обеспечивается еще один фактор сокращения массы устройства.The technical result provided by the given set of features is to reduce the mass of the device with the same electrical capacitance (increase in specific electrical capacitance by mass). The presence of a core made of metal with a higher electrical conductivity than that of lead makes it possible to make all sections of the electrodes thinner with the same internal resistance to the output current (for example, the electrical conductivity of aluminum is an order of magnitude greater than the electrical conductivity of the lead, therefore, the thickness and cross section of the electrode can be reduced several times). Another factor of weight reduction is the lower density of the core metal itself (for example, aluminum is more than 3 times lighter than lead). In the proposed device, the area of the working surfaces of the electrodes can be significantly increased, therefore, with the same amount of electric capacitance and with the same required amount of active substances, the thickness of the layers of active substances can be significantly less, and at the same time, the current density on the surface of the electrodes decreases. Consequently, the efficiency of using the entire volume of active substances increases, therefore, the need for supplying the device with excess reserves of these substances, i.e. provides another factor for reducing the mass of the device.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 представлено расположение и состав электрода в свинцово-кислотном аккумуляторе в поперечном сечении: изображен один из электродов, в частности катод (состав анода аналогичен). Электрод показан схематично, в виде, приближенном к изображению электрода на фиг.1 описания известного устройства [патент №2158046].Figure 1 shows the location and composition of the electrode in a lead-acid battery in cross section: one of the electrodes is shown, in particular the cathode (the composition of the anode is similar). The electrode is shown schematically, in a form close to the image of the electrode in figure 1 of the description of a known device [patent No. 2158046].
На фиг.2 представлен свинцово-кислотный аккумулятор с несущими электродами в поперечном сечении: показано взаимное расположение анода и катода и их частей (слоев).Figure 2 presents a lead-acid battery with supporting electrodes in cross section: the relative position of the anode and cathode and their parts (layers) is shown.
На фиг.3 предложена возможная конфигурация свинцово-кислотного аккумулятора с несущими электродами, имеющего вид многослойной ленты.Figure 3 suggests a possible configuration of a lead-acid battery with supporting electrodes, having the form of a multilayer tape.
На фиг.4 предложена возможная компоновка свинцово-кислотного аккумулятора с несущими электродами в виде ленты, свернутой в спираль.In Fig.4, a possible arrangement of a lead-acid battery with supporting electrodes in the form of a tape rolled up in a spiral is proposed.
Аккумулятор содержит электроды (1) - анод А и катод К. Электроды (1) расположены в корпусе (2), залитом электролитом (3) с верхним уровнем заливки (4). Каждый электрод (1) имеет рабочий участок, расположенный ниже уровня заливки (4). На поверхности рабочего участка имеется слой активного вещества (5) переменной толщины. Под поверхностным слоем активного вещества расположен защитный слой (6) из вещества электропроводного, но химически не реагирующего с электролитом. Электроды (1) выступают из корпуса (2) по крайней мере одним концом (7). Этот конец (7) служит для подключения к внешней электрической цепи. Защитный слой (6) покрывает внутреннюю часть электрода - несущий керн (8), проходящий через весь электрод (1) и оканчивающийся концом (7). Несущий керн (8) выполнен из металла, более легкого, более электропроводного и более прочного, чем свинец. Несущий керн (8) выполняет одновременно и токоведущую функцию, и служит местом физического размещения активных веществ и удержания в соприкосновении остальных слоев и частей устройства, поэтому он назван несущим. В связи с этим и все устройство названо аккумулятором с несущими электродами. Электрод (1) может занимать всю высоту корпуса (2) и его нижний конец может располагаться на дне корпуса (2), или даже выходить из него. В любом случае несущий керн (8), проходя через весь электрод (1), проходит в том числе и внутри рабочего участка, погруженного в электролит (3). Соответственно, для конфигурации устройства на фиг.1 нижний уровень (9) несущего керна (8) располагается ниже уровня заливки (4) электролита (3).The battery contains electrodes (1) - anode A and cathode K. The electrodes (1) are located in the housing (2), filled with electrolyte (3) with an upper level of filling (4). Each electrode (1) has a working section located below the fill level (4). On the surface of the working area there is a layer of active substance (5) of variable thickness. Under the surface layer of the active substance is a protective layer (6) of an electrically conductive substance, but not chemically reacting with the electrolyte. The electrodes (1) protrude from the housing (2) at least one end (7). This end (7) is used to connect to an external electrical circuit. The protective layer (6) covers the inner part of the electrode - the bearing core (8), passing through the entire electrode (1) and ending with the end (7). The core (8) is made of metal, lighter, more electrically conductive and more durable than lead. The core core (8) simultaneously performs a current-carrying function, and serves as a place for physical placement of active substances and keeping the remaining layers and parts of the device in contact, therefore it is called the carrier. In this regard, the entire device is called a battery with supporting electrodes. The electrode (1) can occupy the entire height of the housing (2) and its lower end can be located at the bottom of the housing (2), or even come out of it. In any case, the bearing core (8), passing through the entire electrode (1), also passes inside the working area immersed in the electrolyte (3). Accordingly, for the configuration of the device in figure 1, the lower level (9) of the core core (8) is located below the fill level (4) of the electrolyte (3).
Несущие керны (8) анода А и катода К целесообразно выполнять из металла, имеющего лучшие электропроводные и конструкционные качества по сравнению со свинцом. При этом возможно выполнение несущих кернов (8) в виде тонких пластин, фактически в виде полос фольги, или лент. На эти ленты последовательно наносятся защитные слои (6) и тонкие слои активных веществ (5). При этом несмотря на то, что поверхность электродов (1) не является решетчатой, ее площадь оказывается весьма большой.Bearing cores (8) of the anode A and cathode K, it is advisable to make of metal having the best conductive and structural qualities compared with lead. In this case, it is possible to carry bearing cores (8) in the form of thin plates, in fact in the form of strips of foil, or tapes. Protective layers (6) and thin layers of active substances (5) are successively applied to these tapes. Moreover, despite the fact that the surface of the electrodes (1) is not lattice, its area is very large.
Сепаратор (10) между анодом А и катодом К (фиг.2) может быть выполнен из пористого материала, пропитанного электролитом (3), и весь электролит (3) может располагаться в объеме сепаратора (10). В этом случае толщина ленты w определяется суммой толщин несущих кернов (8) анода А и катода К, толщин слоев их активных веществ (5) и толщины сепаратора (10). С учетом того, что пластины электродов анода А и катода К чередуются, сумма толщин слоев активных (5) и защитных (6) веществ должна быть удвоена. Вид такой ленточной конфигурации устройства представлен на фиг.3. Величины wA и wK - это толщины анода А и катода К (с учетом удвоения толщин слоев активных веществ), h - высота (ширина) ленты, L - длина ленты.The separator (10) between the anode A and the cathode K (figure 2) can be made of porous material impregnated with an electrolyte (3), and the entire electrolyte (3) can be located in the volume of the separator (10). In this case, the thickness of the tape w is determined by the sum of the thicknesses of the core cores (8) of the anode A and cathode K, the thicknesses of the layers of their active substances (5) and the thickness of the separator (10). Given that the plates of the electrodes of the anode A and cathode K alternate, the sum of the thicknesses of the layers of active (5) and protective (6) substances should be doubled. A view of such a tape configuration of the device is presented in figure 3. Values w A and w K are the thicknesses of the anode A and cathode K (taking into account the doubling of the thicknesses of the layers of active substances), h is the height (width) of the tape, L is the length of the tape.
Для сокращения габаритов устройства целесообразно ленту по фиг.3 свернуть в спираль так, чтобы внешние и внутренние поверхности соседних витков соприкасались. Спираль будет иметь витки со средним радиусом R, со средней длиной витка С=2πR, а общая длина ленты будет определять соотношение длины витка и количества витков L=N·C. Один из габаритов получившегося диска будет определяться толщиной h, равной высоте ленты. Другие габариты устройства в такой свернутой компоновке будут определяться удвоенным средним радиусом 2R, который при большом количестве витков N будет значительно меньше L.To reduce the dimensions of the device, it is advisable to roll the tape of FIG. 3 into a spiral so that the outer and inner surfaces of adjacent turns are in contact. The spiral will have turns with an average radius R, with an average turn length C = 2πR, and the total length of the tape will determine the ratio of the length of the turn to the number of turns L = N · C. One of the dimensions of the resulting disk will be determined by a thickness h equal to the height of the tape. Other dimensions of the device in such a rolled-up arrangement will be determined by the doubled average radius 2R, which with a large number of turns N will be significantly less than L.
Ленты несущих кернов (8) анода А и катода (К) целесообразно располагать с некоторым смещением относительно друг друга по высоте. Тогда при сворачивании в спираль концы витков анода А и катода К будут выступать на разных торцах спирального диска. Они могут быть объединены дополнительными токоведущими стержнями или мостиками (11; 12) для обеспечения более высокой проводимости при подключении к внешней электрической цепи.It is advisable to locate the bearing core tapes (8) of the anode A and the cathode (K) with a certain offset relative to each other in height. Then, when coiled, the ends of the turns of the anode A and cathode K will protrude at different ends of the spiral disk. They can be combined with additional current-carrying rods or bridges (11; 12) to provide higher conductivity when connected to an external electrical circuit.
Устройство работает следующим образом. При разряде активное вещество (5) анода А, двуокись свинца, преобразуется в сульфат свинца. Активное вещество (5) катода К, металлический свинец, преобразуется в сульфат свинца. При преобразовании активных веществ (5) на аноде А образуется недостаток электронов, а на катоде К - их избыток. Появляется напряжение между анодом А и катодом К. При замыкании внешней электрической цепи начинает протекать электрический ток (по цепи: поверхность рабочего участка анода А - защитный слой (6) анода А - несущий керн (8) анода А - конец (7) несущего керна (8) анода А - токоведущий стержень или мостик (11) анода А, внешняя электрическая цепь, токоведущий стержень или мостик (12) катода К - конец (7) несущего керна (8) катода К - несущий керн (8) катода К - защитный слой (6) катода К - поверхность рабочего участка катода К). Сульфат свинца образуется в виде мелких кристаллов, слой которых не препятствует проникновению кислотного электролита к поверхности электрода. При увеличении толщины слоя сульфата свинца толщина слоя активного вещества (5) уменьшается. Ход этого процесса условно показан на фиг.1 направлением «а». Когда запас активного вещества (5) рабочего участка заканчивается и кислота проникает до защитного слоя (6), процесс разряда прекращается.The device operates as follows. When discharged, the active substance (5) of anode A, lead dioxide, is converted to lead sulfate. The active substance (5) of cathode K, metallic lead, is converted to lead sulfate. During the conversion of active substances (5), anode A forms a deficiency of electrons, and an excess of electrons forms on cathode K. A voltage appears between the anode A and the cathode K. When the external electric circuit is closed, an electric current begins to flow (along the circuit: the surface of the working section of the anode A - the protective layer (6) of the anode A - the core core (8) of the anode A - the end (7) of the core core (8) anode A - current-carrying rod or bridge (11) of anode A, external electric circuit, current-carrying rod or bridge (12) of cathode K - end (7) of the core (8) of cathode K - core (8) of cathode K - the protective layer (6) of the cathode K is the surface of the working section of the cathode K). Lead sulfate is formed in the form of small crystals, the layer of which does not prevent the penetration of acidic electrolyte to the electrode surface. With an increase in the thickness of the lead sulfate layer, the thickness of the active substance layer (5) decreases. The progress of this process is conditionally shown in figure 1 by the direction "a". When the supply of active substance (5) of the working section is over and the acid penetrates to the protective layer (6), the discharge process stops.
Вещество защитного слоя (6) препятствует реакции электролита (3) с металлом несущего керна (8), и «отравления» аккумулятора не происходит даже при полном исчерпании активного вещества (5) на рабочем участке каждого из электродов (1).The substance of the protective layer (6) prevents the reaction of the electrolyte (3) with the metal of the core core (8), and “poisoning” of the battery does not occur even when the active substance (5) is completely exhausted on the working area of each of the electrodes (1).
Для заряда аккумулятора внешняя цепь должна содержать источник напряжения и тока. При подаче внешнего напряжения ток будет протекать по цепи из перечисленных выше частей устройства в обратном направлении, условно обозначенном «б» на фиг.1. При заряде на поверхностях электродов (1) будут происходить обратные преобразования сульфата свинца в активные вещества (5) анода А и катода К. Эти вещества будут откладываться на поверхностях защитных слоев (6), восстанавливая исходное состояние устройства. Стадии разряда и заряда образуют цикл работы устройства, который может повторяться многократно.To charge the battery, the external circuit must contain a voltage and current source. When an external voltage is applied, the current will flow through the circuit from the above parts of the device in the opposite direction, conventionally marked "b" in figure 1. When charging on the surfaces of the electrodes (1), reverse transformations of lead sulfate to the active substances (5) of the anode A and cathode K will occur. These substances will be deposited on the surfaces of the protective layers (6), restoring the initial state of the device. The stages of discharge and charge form a cycle of the device, which can be repeated many times.
Несущие керны (8) могут быть выполнены из алюминиевой фольги, толщина которой на современном уровне развития техники может составлять десятки-единицы микрон. Можно принять, что толщины защитных слоев (6), активных веществ (5) рабочих участков обоих электродов (1) и сепаратора (10) составляют величины того же порядка, следовательно, можно оценить всю толщину ленты аккумулятора w на уровне десятых долей миллиметра.Bearing cores (8) can be made of aluminum foil, the thickness of which at the present level of technological development can be tens to units of microns. It can be assumed that the thickness of the protective layers (6), active substances (5) of the working sections of both electrodes (1) and the separator (10) are of the same order of magnitude, therefore, it is possible to estimate the entire thickness of the battery tape w at the level of tenths of a millimeter.
При высоте h и ширине аккумулятора 2R, на уровне типовых размеров известных конструкций [Н. Курзуков, В. Ягнятинский. Автомобильные аккумуляторы. Секреты выбора и применения. М., 2002; патент №2158046], и общем объеме аккумулятора порядка единиц-долей литра, количество витков N составит примерно нескольких сотен. Соответственно, и общая площадь поверхности рабочих участков электродов составит несколько сотен площадей боковой проекции конструкции предложенного аккумулятора, что значительно больше оценки указанного параметра известного устройства [патент №2158046]. Масса устройства при этом будет уменьшена, поскольку ряд частей будет выполнен не из свинца, а из алюминия, и будут сокращены непроизводительные запасы активных веществ.With a height h and a battery width of 2R, at the level of typical sizes of known structures [N. Kurzukov, V. Yagnyatinsky. Car batteries. Secrets of choice and application. M., 2002; patent No. 2158046], and the total battery volume of the order of units-fractions of a liter, the number of turns N will be approximately several hundred. Accordingly, the total surface area of the working areas of the electrodes will be several hundred squares of the side projection of the design of the proposed battery, which is much more than the assessment of the specified parameter of the known device [patent No. 2158046]. The mass of the device will be reduced in this case, since a number of parts will be made not of lead, but of aluminum, and unproductive reserves of active substances will be reduced.
Приведенные оценки говорят о том, что предложенное устройство свинцово-кислотного аккумулятора действительно обеспечивает решение поставленной технической задачи - сокращение массы при той же электрической емкости, то есть увеличение удельной емкости по массе.The above estimates suggest that the proposed device of a lead-acid battery really provides a solution to the technical problem - reduction of mass with the same electrical capacitance, that is, an increase in specific capacitance by mass.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014113601/07A RU2553974C1 (en) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | Lead-acid battery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014113601/07A RU2553974C1 (en) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | Lead-acid battery |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2553974C1 true RU2553974C1 (en) | 2015-06-20 |
Family
ID=53433854
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014113601/07A RU2553974C1 (en) | 2014-04-08 | 2014-04-08 | Lead-acid battery |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2553974C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2152668C1 (en) * | 1999-07-13 | 2000-07-10 | Ивановский государственный химико-технологический университет | Method for shaping electrodes of lead storage batteries |
| RU2158046C1 (en) * | 1999-08-30 | 2000-10-20 | Полубедов Александр Ефимович | Stationary lead-acid accumulator |
| RU2233510C2 (en) * | 2001-11-01 | 2004-07-27 | Виктор Александрович Дзензерский | Lead-acid storage battery |
| WO2012040409A1 (en) * | 2010-09-22 | 2012-03-29 | Daramic Llc | Improved separators, batteries, systems, and methods for idle start stop vehicles |
| RU117040U1 (en) * | 2012-01-24 | 2012-06-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Сухопутных войск Общевойсковая академия Вооруженных Сил Российской Федерации" | LEAD BATTERY WITH ULTRASONIC RADIATOR |
-
2014
- 2014-04-08 RU RU2014113601/07A patent/RU2553974C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2152668C1 (en) * | 1999-07-13 | 2000-07-10 | Ивановский государственный химико-технологический университет | Method for shaping electrodes of lead storage batteries |
| RU2158046C1 (en) * | 1999-08-30 | 2000-10-20 | Полубедов Александр Ефимович | Stationary lead-acid accumulator |
| RU2233510C2 (en) * | 2001-11-01 | 2004-07-27 | Виктор Александрович Дзензерский | Lead-acid storage battery |
| WO2012040409A1 (en) * | 2010-09-22 | 2012-03-29 | Daramic Llc | Improved separators, batteries, systems, and methods for idle start stop vehicles |
| RU117040U1 (en) * | 2012-01-24 | 2012-06-10 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Сухопутных войск Общевойсковая академия Вооруженных Сил Российской Федерации" | LEAD BATTERY WITH ULTRASONIC RADIATOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6619457B2 (en) | Electrolytic copper foil, current collector including the same, electrode including the same, secondary battery including the same, and manufacturing method thereof | |
| JP5085651B2 (en) | Capacitor-battery hybrid electrode assembly | |
| CN102379017A (en) | Electricity accumulator device | |
| WO2008096834A1 (en) | Lithium ion battery before pre-doping and lithium ion battery manufacturing method | |
| US10511055B2 (en) | Metal plating-based electrical energy storage cell | |
| US4246326A (en) | Multi-layer auxiliary electrode | |
| US10559853B2 (en) | Fast charge apparatus for a battery | |
| RU2553974C1 (en) | Lead-acid battery | |
| KR101599711B1 (en) | Electric double layer device | |
| JP3247222U (en) | Lithium-ion battery | |
| EP3218956B1 (en) | Fast charge apparatus for a battery | |
| JP2017111924A (en) | All-solid-state battery | |
| CN115428187A (en) | Secondary electrochemical lithium ion cell | |
| CN102354607A (en) | Lithium ion capacitor | |
| CN106953115B (en) | Lithium ion battery and lithium ion storage battery for energy accumulator | |
| US3117893A (en) | Electrode plate grid for storage battery | |
| WO2018101224A1 (en) | Bipolar electrode for nickel-hydrogen storage battery and nickel-hydrogen storage battery | |
| EP3218953B1 (en) | Secondary battery with non-aqueous electrolyte | |
| EP4411885A1 (en) | Negative electrode structure applied to aluminum battery | |
| CN110024205A (en) | Nickel hydrogen storage battery bipolar electrode and nickel hydrogen storage battery | |
| EP4439809A1 (en) | Electrode for a cylindrical electrochemical energy storage cell | |
| JP2018518042A (en) | Electric double layer element | |
| SU44970A1 (en) | Copper Lead Electric Battery | |
| US3785871A (en) | Brine battery | |
| TW202433779A (en) | Negative electrode structure applied to alluminum battery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180409 |