RU2737037C1 - Electrochemical device and battery - Google Patents

Electrochemical device and battery Download PDF

Info

Publication number
RU2737037C1
RU2737037C1 RU2020122166A RU2020122166A RU2737037C1 RU 2737037 C1 RU2737037 C1 RU 2737037C1 RU 2020122166 A RU2020122166 A RU 2020122166A RU 2020122166 A RU2020122166 A RU 2020122166A RU 2737037 C1 RU2737037 C1 RU 2737037C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrically conductive
electrochemical
electrochemical cell
insulating frame
conductive plates
Prior art date
Application number
RU2020122166A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Александрович Швед
Владимир Леонидович Туманов
Валерий Васильевич Грабошников
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Смартер"
Андрей Александрович Швед
Владимир Леонидович Туманов
Валерий Васильевич Грабошников
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 Общество с ограниченной ответственностью "Смартер", Андрей Александрович Швед, Владимир Леонидович Туманов, Валерий Васильевич Грабошников filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Смартер"
Priority to RU2020122166A priority Critical patent/RU2737037C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2737037C1 publication Critical patent/RU2737037C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/10Multiple hybrid or EDL capacitors, e.g. arrays or modules
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, namely to electrochemical current sources. Electrochemical device and battery comprise electroconductive plates (1), electric insulating frame (2) and electrochemical cell (3) made in form of pile or flat roll of electrodes and separators and having anode (7) and cathode (8) current leads with end parts located on opposite sides of electrochemical cell (3). Current leads are connected via buses (9) to electroconductive plates (1) forming together with electric insulating frame (2) a shell around electrochemical cell (3). Electric insulating frame (2) is equipped with heat carrier pumping channel with inlet (11) and outlet (12) holes.EFFECT: technical result is increase in specific capacity of electrochemical device.7 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно - к электрохимическим источникам тока, например к аккумуляторам и конденсаторам с двойным электрическим слоем.The invention relates to the field of electrical engineering, namely, to electrochemical current sources, for example, batteries and capacitors with a double electric layer.

Электрохимические источники тока находят широкое применение. В частности, на транспортных машинах с электрическими силовыми установками используются батареи таких электрохимических элементов, как литий-ионные аккумуляторы и конденсаторы с двойным электрическим слоем (суперконденсаторы), при этом электрохимические элементы испытывают кратковременные перегрузки, многократно превышающие средний уровень отдаваемой или принимаемой ими электрической мощности. Перегрузки ведут к разогреву электрохимических элементов. Эффективное охлаждение последних является одной из ключевых технических задач.Electrochemical power sources are widely used. In particular, on transport vehicles with electric power plants, batteries of such electrochemical cells as lithium-ion batteries and capacitors with a double electric layer (supercapacitors) are used, while the electrochemical cells experience short-term overloads that are many times higher than the average level of electrical power they give or receive. Overloads lead to heating of electrochemical cells. Effective cooling of the latter is one of the key technical challenges.

Известна батарея электрохимических элементов, выводы которых используются для соединения с охлаждающей аппаратурой (US 8 962 172 В2). В этом устройстве перенос тепла из электрохимических элементов осуществляется преимущественно вдоль токоотводов, сделанных, например, из металлической фольги; перенос тепла в направлении, перпендикулярном поверхности токоотводов (от электродов к стенкам элементов) используется неэффективно. Кроме того, теплопроводность ограничена малой площадью контакта между охлаждающей аппаратурой и выводами электрохимических элементов.A battery of electrochemical cells is known, the leads of which are used for connection with cooling equipment (US 8 962 172 B2). In this device, heat transfer from electrochemical cells is carried out mainly along the down conductors, made, for example, of metal foil; heat transfer in the direction perpendicular to the surface of the down conductors (from the electrodes to the walls of the elements) is used ineffectively. In addition, thermal conductivity is limited by the small contact area between the cooling equipment and the terminals of the electrochemical cells.

Известна батарея электрохимических элементов, имеющих ребристые стенки и размещенных в общем корпусе (RU 2 564 509 С2); термостабилизация осуществляется за счет омывания стенок теплоносителем по образованным стенками каналам. В этом случае перенос тепла из электрохимических элементов осуществляется преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхности токоотводов (от электродов к стенкам). Аналогичный подход используется в устройствах с каналами из трубок, заделанных в пластины (WO 2010/044553; KR 2019 0123 309А; KR 2019 0133 689 А). Каналы для циркуляции теплоносителя увеличивают объем батареи, что снижает ее удельную энергию.Known battery of electrochemical cells with ribbed walls and placed in a common housing (RU 2 564 509 C2); thermal stabilization is carried out by washing the walls with a coolant along the channels formed by the walls. In this case, heat transfer from electrochemical cells is carried out mainly in the direction perpendicular to the surface of the down conductors (from the electrodes to the walls). A similar approach is used in devices with channels from tubes embedded in plates (WO 2010/044553; KR 2019 0123 309A; KR 2019 0133 689 A). The channels for the circulation of the coolant increase the volume of the battery, which reduces its specific energy.

Известна батарея электрохимических элементов, которая содержат охлаждающие пластины с расположенными по периметру пластин трубками для циркуляции теплоносителя (US 10 340 565 В2). Охлаждающие пластины прилегают к поверхности стенок электрохимических элементов - в этом случае перенос тепла из электрохимических элементов осуществляется преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхности токоотводов (от электродов к стенкам); перенос тепла вдоль токоотводов несущественный. Аналогичный подход используется в ряде других устройств (US 10 038 226 В2; US 10 454 083 В2; US 10 514 209 В2; JP 5 621 111 В2; KR 101 326 086 В1).Known battery of electrochemical cells, which contains cooling plates with tubes located around the perimeter of the plates for the circulation of the coolant (US 10 340 565 B2). Cooling plates adjoin the surface of the walls of the electrochemical cells - in this case, heat transfer from the electrochemical cells is carried out mainly in the direction perpendicular to the surface of the down conductors (from the electrodes to the walls); heat transfer along the down conductors is insignificant. A similar approach is used in a number of other devices (US 10 038 226 B2; US 10 454 083 B2; US 10 514 209 B2; JP 5 621 111 B2; KR 101 326 086 B1).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является электрохимическое устройство (RU 2 608 762 С1), которое содержит корпусные элементы, электропроводящие пластины, электроизоляционные рамки и сборный пакет электрохимических элементов, каждый из которых выполнен в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов, и имеет анодный и катодный токоотводы с концевыми частями, расположенными на противоположных сторонах электрохимического элемента, причем анодный и катодный токоотводы соединены с электропроводящими пластинами, а электроизоляционные рамки расположены между электропроводящими пластинами и образуют в сборе с ними оболочку вокруг каждого электрохимического элемента. Недостаток данного устройства заключается в отсутствии средств термостабилизации, предназначенных как для его охлаждения (при разогреве от воздействия электрических нагрузок), так и для подогрева (при понижении температуры зимой). Данный недостаток является причиной невысокой удельной мощности SP, измеряемой отношением допускаемой выходной электрической мощности электрохимического устройства к его объему.The closest to the claimed invention in terms of a set of essential features is an electrochemical device (RU 2 608 762 C1), which contains housing elements, electrically conductive plates, electrical insulating frames and a prefabricated package of electrochemical cells, each of which is made in the form of a stack or flat roll of electrodes and separators , and has anode and cathode current leads with end parts located on opposite sides of the electrochemical cell, and the anode and cathode current leads are connected to the electrically conductive plates, and the electrical insulating frames are located between the electrically conductive plates and form, assembled with them, a shell around each electrochemical cell. The disadvantage of this device is the lack of thermal stabilization means designed both for its cooling (when heating from the influence of electrical loads) and for heating (when the temperature drops in winter). This disadvantage is the reason for the low specific power SP, measured by the ratio of the permissible output electrical power of the electrochemical device to its volume.

Задачей заявляемого изобретения является повышение удельной мощности электрохимического устройства.The objective of the claimed invention is to increase the specific power of the electrochemical device.

Технические результаты, позволяющие решить поставленную задачу:Technical results to solve the problem:

- обеспечение возможности прокачки теплоносителя через электрохимическое устройство без существенного увеличения его объема;- ensuring the possibility of pumping the coolant through the electrochemical device without significantly increasing its volume;

- обеспечение минимального теплового сопротивления между теплоносителем и электродами электрохимического устройства.- ensuring the minimum thermal resistance between the coolant and the electrodes of the electrochemical device.

Технические результаты достигаются тем, что в электрохимическом устройстве, содержащем две электропроводящие пластины, расположенные параллельно одна напротив другой на расстоянии Н, электроизоляционную рамку и электрохимический элемент, выполненный в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов, и имеющий анодный и катодный токоотводы с концевыми частями, расположенными на противоположных сторонах электрохимического элемента на расстоянии W, причем анодный токоотвод соединен с одной электропроводящей пластиной, катодный токоотвод соединен с другой электропроводящей пластиной, а электроизоляционная рамка расположена между электропроводящими пластинами и образует в сборе с ними оболочку вокруг электрохимического элемента, согласно изобретению электроизоляционная рамка оснащена каналом для прокачки теплоносителя, причем расстояния Н и W удовлетворяют условию:Technical results are achieved by the fact that in an electrochemical device containing two electrically conductive plates located in parallel to one another at a distance of H, an electrical insulating frame and an electrochemical cell made in the form of a stack or a flat roll of electrodes and separators, and having anode and cathode current leads with end parts located on opposite sides of the electrochemical cell at a distance W, and the anode current collector is connected to one electrically conductive plate, the cathode current collector is connected to another electrically conductive plate, and the electrical insulating frame is located between the electrically conductive plates and forms, assembled with them, a shell around the electrochemical cell, according to the invention the frame is equipped with a channel for pumping the coolant, and the distances H and W satisfy the condition:

7 < W/H < 14.7 <W / H <14.

Электроизоляционная рамка может быть выполнена из металла, покрытого слоем диэлектрика, либо из пластика, обладающего высокой теплопроводностью.The insulating frame can be made of a metal covered with a dielectric layer, or of plastic with a high thermal conductivity.

Внутри электрохимического элемента может быть размещен упругий компенсатор изменения толщины электродов. Указанный компенсатор может быть выполнен в виде герметичной оболочки, заполненной газом или пористым материалом. Указанный компенсатор может иметь форму прямоугольной призмы, расположенной так, чтобы электроды и сепараторы в стопке или плоском рулоне были равномерно прижаты друг к другу и к электропроводящим пластинам.An elastic compensator for changing the thickness of the electrodes can be placed inside the electrochemical cell. The specified expansion joint can be made in the form of a sealed shell filled with gas or porous material. The specified compensator can be in the form of a rectangular prism, located so that the electrodes and separators in a stack or flat roll are evenly pressed against each other and against the electrically conductive plates.

Концевые части анодного и катодного токоотводов могут быть приварены к электропроводящим пластинам непосредственно, либо через переходные шины.The end parts of the anode and cathode down conductors can be welded to the electrically conductive plates directly or through adapter busbars.

Электрохимические устройства могут быть собраны в пакет, образуя батарею, при этом каждое электрохимическое устройство содержит две электропроводящие пластины, расположенные параллельно одна напротив другой, электроизоляционную рамку и электрохимический элемент, выполненный в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов, и имеющий анодный и катодный токоотводы с концевыми частями, расположенными на противоположных сторонах электрохимического элемента, причем анодный токоотвод соединен с одной электропроводящей пластиной, катодный токоотвод соединен с другой электропроводящей пластиной, а электроизоляционная рамка расположена между электропроводящими пластинами и образует в сборе с ними оболочку вокруг электрохимического элемента; электрохимические устройства соединены в пакете последовательно и прижаты друг к другу внешними поверхностями электропроводящих пластин; согласно изобретению электроизоляционные рамки оснащены каналами для прокачки теплоносителя с отверстиями, в которые вставлены коллекторные отводы, объединяющие указанные каналы в общую сеть со входом и выходом.Electrochemical devices can be assembled into a package, forming a battery, while each electrochemical device contains two electrically conductive plates located in parallel opposite one another, an electrical insulating frame and an electrochemical cell made in the form of a stack or flat roll of electrodes and separators, and having an anode and cathodic down conductors with end parts located on opposite sides of the electrochemical cell, and the anode down conductor is connected to one electrically conductive plate, the cathode current collector is connected to another electrically conductive plate, and the electrical insulating frame is located between the electrically conductive plates and forms, assembled with them, a shell around the electrochemical cell; electrochemical devices are connected in series in a package and pressed against each other by the outer surfaces of the electrically conductive plates; According to the invention, the electrical insulating frames are equipped with channels for pumping the coolant with openings, into which collector taps are inserted, which combine these channels into a common network with an inlet and outlet.

Коллекторные отводы могут быть выполнены в виде гребенки.The collector taps can be made in the form of a comb.

Коллекторные отводы могут быть Т-образными, причем в их стыках размещены уплотнительные прокладки и заглушки. Предпочтительно размещение прокладок и заглушек в таком порядке, который обеспечивает параллельно-последовательное соединение каналов для прокачки теплоносителя.The collector bends can be T-shaped, with gaskets and plugs placed at their joints. It is preferable to place the gaskets and plugs in such an order that provides a parallel-serial connection of the channels for pumping the coolant.

Предпочтительно, чтобы концевые части анодного и катодного токоотводов в соседних электрохимических устройствах пакета были расположены зеркально одна относительно другой.It is preferable that the end portions of the anode and cathode current collectors in adjacent electrochemical devices of the stack are mirrored to one another.

На внешней поверхности электропроводящих пластин напротив мест соединения с токоотводами могут располагаться контактные площадки. Контактные площадки могут представлять собой множество микровыступов, выполненных насечкой.Contact pads can be located on the outer surface of the electrically conductive plates opposite the junction with the down conductors. The contact pads can be a plurality of micro-notched protrusions.

Электропроводящие пластины могут иметь участки, выступающие за контуры электроизоляционных рамок. Выступающие участки электропроводящих пластин могут использоваться для дополнительных подключений, в частности для подключения схем балансировки напряжения электрохимических элементов в батарее.Electrically conductive plates may have areas that protrude beyond the contours of the insulating frames. The protruding sections of the electrically conductive plates can be used for additional connections, in particular for connecting voltage balancing circuits of electrochemical cells in a battery.

Существенные признаки заявляемого решения влияют на достижение технического результата следующим образом:The essential features of the proposed solution affect the achievement of the technical result as follows:

Выполнение электрохимического элемента в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов и его расположение внутри оболочки из электропроводящих пластин и электроизоляционной рамки обеспечивает эффективный перенос тепла от электродов электрохимического элемента к вышеуказанной оболочке в поперечном направлении - перпендикулярно поверхности токоотводов.The implementation of the electrochemical cell in the form of a stack or a flat roll of electrodes and separators and its location inside the shell of electrically conductive plates and an electrical insulating frame provides efficient heat transfer from the electrodes of the electrochemical cell to the above shell in the transverse direction - perpendicular to the surface of the down conductors.

Соединение токоотводов электрохимического элемента с электропроводящими пластинами обеспечивает эффективный перенос тепла от электродов электрохимического элемента к вышеуказанной оболочке в продольном направлении - параллельно поверхности токоотводов.The connection of the down conductors of the electrochemical cell with the electrically conductive plates ensures efficient heat transfer from the electrodes of the electrochemical cell to the above shell in the longitudinal direction - parallel to the surface of the down conductors.

Выбор расстояний Н и W так, чтобы они удовлетворяли условию:The choice of the distances H and W so that they satisfy the condition:

7 < W/H < 147 <W / H <14

позволяет обеспечить минимальное тепловое сопротивление между вышеуказанной оболочкой и электродами электрохимического элемента, так как в этом случае обеспечивается оптимальное соотношение поперечного и продольного тепловых потоков.allows you to provide a minimum thermal resistance between the above shell and the electrodes of the electrochemical cell, since in this case the optimal ratio of transverse and longitudinal heat fluxes is ensured.

Оснащение электроизоляционной рамки каналом для прокачки теплоносителя позволяет не вводить дополнительные сборочные единицы, то есть объем и сложность электрохимического устройства увеличиваются несущественно.Equipping the electrical insulating frame with a channel for pumping the coolant makes it possible not to introduce additional assembly units, that is, the volume and complexity of the electrochemical device increase insignificantly.

Выполнение электроизоляционной рамки из металла, покрытого слоем диэлектрика, позволяет минимизировать тепловое сопротивление между теплоносителем и вышеуказанной оболочкой.The electrical insulating frame is made of metal coated with a dielectric layer to minimize the thermal resistance between the coolant and the above-mentioned shell.

Размещение внутри электрохимического элемента упругого компенсатора позволяет стабилизировать поперечное тепловое сопротивление при изменении толщины электродов в процессе разряда/заряда электрохимического элемента.The placement of an elastic compensator inside the electrochemical element allows stabilizing the transverse thermal resistance when the thickness of the electrodes changes during the discharge / charge of the electrochemical cell.

Сборка указанных электрохимических устройств в пакет и установка коллекторных отводов обеспечивают возможность прокачки теплоносителя через батарею электрохимических элементов без существенного увеличения ее объема и сложности.The assembly of these electrochemical devices into a package and the installation of collector taps provide the possibility of pumping the coolant through the battery of electrochemical cells without significantly increasing its volume and complexity.

Остальные признаки заявляемого решения являются поясняющими.The rest of the features of the proposed solution are explanatory.

Таким образом, технический результат достигается за счет:Thus, the technical result is achieved due to:

- возможности прокачки теплоносителя без существенных усложнений конструкции;- the possibility of pumping the coolant without significant design complications;

- минимизации тепловых сопротивлений на всем пути от электродов до теплоносителя;- minimization of thermal resistances all the way from electrodes to coolant;

- оптимального соотношения поперечного и продольного тепловых потоков.- the optimal ratio of transverse and longitudinal heat flows.

Технический результат обеспечивается признаками, совокупность которых не известна из уровня техники, то есть, заявляемое техническое решение соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».The technical result is provided by features, the totality of which is not known from the prior art, that is, the claimed technical solution meets the criteria of "novelty" and "inventive step".

Пример выполнения заявляемого технического решения представлен на иллюстрациях:An example of the implementation of the proposed technical solution is shown in the illustrations:

Фиг. 1 - составные части устройства в порядке их сборки; обозначение секущих плоскостей А-А и В-В.FIG. 1 - component parts of the device in the order of their assembly; designation of secant planes А-А and В-В.

Фиг. 2 - сечение А-А устройств, собранных в пакет.FIG. 2 - section of A-A devices assembled in a package.

Фиг. 3 - фрагмент сечения А-А.FIG. 3 - fragment of section А-А.

Фиг. 4 - изотермы температурного поля.FIG. 4 - isotherms of the temperature field.

Фиг. 5 - график, отражающий влияние конструктивных параметров устройства на его удельные энергию и мощность.FIG. 5 is a graph reflecting the influence of the design parameters of the device on its specific energy and power.

Фиг. 6 - сечение В-В электроизоляционной рамки с пристыкованными к ней коллекторными отводами; обозначение секущей плоскости С-С.FIG. 6 - section В-В of the electrical insulating frame with collector taps attached to it; designation of the secant plane C-C.

Фиг. 7 - разрез С-С устройств, собранных в пакет.FIG. 7 - section C-C of devices assembled in a package.

Электрохимическое устройство (фиг.1, фиг.3), содержит две электропроводящие пластины 1, электроизоляционную рамку 2 и электрохимический элемент 3. Электрохимический элемент 3 состоит из электродов 4, 5, сепараторов 6, анодного токоотвода 7 и катодного токоотвода 8. Токоотводы 7, 8 соединены своими концевыми частями с электропроводящими пластинами 1 через переходные шины 9. Электроизоляционная рамка 2 оснащена каналом 10 для прокачки теплоносителя. Канал 10 имеет входное отверстие 11 и выходное отверстие 12. Электроизоляционная рамка 2 выполнена из металла, покрытого слоем диэлектрика 13. Внутри электрохимического элемента размещен упругий компенсатор 14 изменения толщины электродов.The electrochemical device (figure 1, figure 3), contains two electrically conductive plates 1, an electrical insulating frame 2 and an electrochemical cell 3. Electrochemical cell 3 consists of electrodes 4, 5, separators 6, an anode current collector 7 and a cathode current collector 8. Down conductors 7, 8 are connected with their end parts to electrically conductive plates 1 through adapter busbars 9. The insulating frame 2 is equipped with a channel 10 for pumping the heat carrier. Channel 10 has an inlet 11 and an outlet 12. The insulating frame 2 is made of a metal coated with a dielectric layer 13. An elastic compensator 14 for changing the thickness of the electrodes is placed inside the electrochemical cell.

Батарея (фиг.2, фиг.7) выполнена в виде сборного пакета 20 электрохимических устройств. Электрохимические устройства в пакете прижаты друг к другу внешними поверхностями электропроводящих пластин 1.The battery (figure 2, figure 7) is made in the form of a prefabricated package 20 of electrochemical devices. Electrochemical devices in the package are pressed against each other by the outer surfaces of the electrically conductive plates 1.

В отверстия 11, 12 запрессованы коллекторные отводы 21 (фиг.6, фиг.7), которые выполнены Т-образными. В стыках коллекторных отводов 21 размещены уплотнительные прокладки 22 и заглушки 23 - образовавшиеся при этом коллекторы 24 объединяют каналы 10 в общую сеть со входом 25 и выходом 26 (направление движения теплоносителя показано стрелками).In the holes 11, 12 are pressed collector taps 21 (Fig. 6, Fig. 7), which are made T-shaped. Sealing gaskets 22 and plugs 23 are placed at the joints of the collector taps 21 - the collectors 24 formed in this case combine the channels 10 into a common network with inlet 25 and outlet 26 (the direction of movement of the coolant is shown by arrows).

На внешних поверхностях электропроводящих пластин 1 (фиг.1, фиг.2) напротив мест их соединения с переходными шинами 9 расположены контактные площадки 27. Переходные шины 9 в соседних электрохимических устройствах пакета расположены зеркально, что обеспечивает кратчайший путь для протекания тока через контактные площадки 27.Contact pads 27 are located on the outer surfaces of the electrically conductive plates 1 (Fig. 1, Fig. 2) opposite the places where they are connected to the adapter buses 9 ...

Одна из электропроводящих пластин 1 (фиг.1) имеет выступающий участок 28, который может использоваться для подключения схемы балансировки напряжения электрохимических элементов в батарее.One of the electrically conductive plates 1 (Fig. 1) has a protruding portion 28 that can be used to connect the voltage balancing circuit of the electrochemical cells in the battery.

Каждый электрод 4, 5 (фиг.3) представляет собой слой вещества, нанесенного на поверхность соответствующего токоотвода 7, 8 и пропитанного раствором электролита. Каждый токоотвод 7, 8 выполнен в виде металлической фольги, например алюминиевой или медной - в зависимости от типа электрохимического элемента 3. Слои вещества разделены сепараторами 6. Концевые части токоотводов 7, 8 выступают за границы сепараторов 6.Each electrode 4, 5 (figure 3) is a layer of a substance deposited on the surface of the corresponding current collector 7, 8 and impregnated with an electrolyte solution. Each down conductor 7, 8 is made in the form of a metal foil, for example, aluminum or copper - depending on the type of electrochemical cell 3. The substance layers are separated by separators 6. The end parts of the down conductors 7, 8 protrude beyond the boundaries of the separators 6.

Для таких электрохимических элементов, как суперконденсаторы или литий-ионные аккумуляторы характерны следующие соотношения параметров:For such electrochemical cells as supercapacitors or lithium-ion batteries, the following parameter ratios are characteristic:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где Df - толщина фольги, из которой изготовлены токоотводы; Kf - коэффициент теплопроводности фольги; Dg - расстояние между слоями фольги; Kg - коэффициент теплопроводности в промежутках между слоями фольги (усредненный коэффициент теплопроводности вещества электродов и сепараторов, пропитанных электролитом).where Df is the thickness of the foil from which the down conductors are made; Kf - coefficient of thermal conductivity of the foil; Dg is the distance between the foil layers; Kg - coefficient of thermal conductivity in the intervals between foil layers (average coefficient of thermal conductivity of the substance of electrodes and separators impregnated with electrolyte).

Электрохимический элемент 3 изолирован от внешней среды оболочкой, которая образована электроизоляционной рамкой 2 и электропроводящими пластинами 1. Последние являются корпусными деталями, электрическими терминалами и средством теплообмена между электрохимическим элементом 3 и теплоносителем в канале электроизоляционной рамки 2.Electrochemical cell 3 is isolated from the external environment by a shell, which is formed by an electrical insulating frame 2 and electrically conductive plates 1. The latter are body parts, electrical terminals and a means of heat exchange between the electrochemical cell 3 and the coolant in the channel of the electrical insulating frame 2.

Картина теплообмена поясняется с помощью фрагмента сечения электрохимического устройства (фиг.3) и соответствующих изотерм (фиг.4) с характерными пунктами:The heat transfer pattern is explained using a fragment of the cross-section of the electrochemical device (Fig. 3) and the corresponding isotherms (Fig. 4) with characteristic points:

- f - пункт внутри канала 10 с температурой, равной температуре теплоносителя;- f - point inside channel 10 with a temperature equal to the temperature of the coolant;

- е, е' - пункты в электропроводящих пластинах 1 напротив места соединения с переходной шиной 9 (на фрагменте фиг.3 показана только одна переходная шина 9 и соответствующая концевая часть токоотвода 8);- e, e '- points in the electrically conductive plates 1 opposite the junction with the adapter bus 9 (the fragment of Fig. 3 shows only one adapter bus 9 and the corresponding end part of the current collector 8);

- d, d' - пункты в средней части электрохимического элемента 3 наиболее удаленные от теплоносителя.- d, d '- points in the middle of the electrochemical cell 3 farthest from the coolant.

Теплообмен между электрохимическим элементом 3 и электропроводящими пластинами 1 идет двумя путями:Heat exchange between the electrochemical cell 3 and the electrically conductive plates 1 goes in two ways:

1) Продольный путь (вдоль оси х на фиг.4): от электродов 4, 5 по токоотводу 8 к переходной шине 9; затем, через переходную шину 9, - к пункту е.1) Longitudinal path (along the x-axis in figure 4): from the electrodes 4, 5 through the current collector 8 to the transition bus 9; then, through the adapter bus 9, to point e.

2) Поперечный путь (вдоль оси у на фиг.4): от электродов 4, 5 к электропроводящим пластинам 1.2) Transverse path (along the y-axis in Fig. 4): from electrodes 4, 5 to electrically conductive plates 1.

Теплообмен между электропроводящими пластинами 1 и теплоносителем идет от пунктов е, е' через слой диэлектрика 13 и электроизоляционную рамку 2 - к пункту f.Heat exchange between the electrically conductive plates 1 and the coolant goes from points e, e 'through the dielectric layer 13 and the electrical insulating frame 2 to point f.

Электрохимический элемент 3 в виде стопки или плоского рулона обладает анизотропными свойствами - его теплопроводность в поперечном направлении ниже, чем в продольном, соответствено дистанция между изотермами температурного поля (фиг.4) в направлении у меньше чем в направлении х.Electrochemical cell 3 in the form of a stack or flat roll has anisotropic properties - its thermal conductivity in the transverse direction is lower than in the longitudinal direction, respectively, the distance between the temperature field isotherms (Fig. 4) in the y direction is less than in the x direction.

Конструктивные параметры Н, W (фиг.2) выбраны так, чтоThe design parameters H, W (Fig. 2) are chosen so that

Figure 00000003
Figure 00000003

где Н - расстояние между электропроводящими пластинами 1, W - расстояние между противоположными сторонами электрохимического элемента 3.where H is the distance between the electrically conductive plates 1, W is the distance between opposite sides of the electrochemical cell 3.

С учетом (1), (2), (3), тепло переносится в равной мере как в поперечном, так и в продольном направлениях: в областях, расположенных правее диагоналей d-e, d'-e' (фиг.3) преобладает продольный перенос тепла, а в областях, расположенных левее - поперечный. Это является оптимальным для заявляемого устройства, что поясняется ниже при помощи графиков.Taking into account (1), (2), (3), heat is transferred equally in both the transverse and longitudinal directions: in the regions located to the right of the diagonals de, d'-e '(Fig. 3), the longitudinal transfer prevails heat, and in the areas located to the left - transverse. This is optimal for the claimed device, which is explained below using the graphs.

На фиг.5 по осям отложены (в относительных единицах) удельная энергия SE и удельная мощность SP, которые зависят от конструктивных параметров электрохимического устройства: график (сплошная линия) иллюстрирует изменения SE и SP при отклонении от оптимального соотношения (3); штриховыми линиями изображены графики для устройств-аналогов, в которых существенно преобладает единственный тип теплопередачи - поперечный (Ry << Rx), либо продольный (Rx << Ry). Символами Rx, Ry обозначены тепловые сопротивления.In Fig. 5, the axes plotted (in relative units) the specific energy SE and the specific power SP, which depend on the design parameters of the electrochemical device: the graph (solid line) illustrates the changes in SE and SP when deviating from the optimal ratio (3); dashed lines show graphs for analog devices, in which the only type of heat transfer significantly predominates - transverse (Ry << Rx), or longitudinal (Rx << Ry). Thermal resistances are designated by Rx, Ry symbols.

Как видно из графиков, предлагаемое устройство существенно превосходит аналоги при W/H=10, что является оптимальным при соблюдении соотношений (1), (2). Указанные соотношения могут варьироваться в определенных пределах по технологическим причинам - соответственно оптимум также варьируется:As can be seen from the graphs, the proposed device significantly outperforms analogues at W / H = 10, which is optimal if relations (1), (2) are observed. These ratios can vary within certain limits for technological reasons - accordingly, the optimum also varies:

Figure 00000004
Figure 00000004

Таким образом, как показано на графиках (фиг.5), по сравнению с аналогами предлагаемое решение позволяет повысить удельную мощность электрохимического устройства и батареи на 20÷30%.Thus, as shown in the graphs (figure 5), in comparison with analogs, the proposed solution allows you to increase the specific power of the electrochemical device and battery by 20-30%.

Claims (8)

1. Электрохимическое устройство, содержащее две электропроводящие пластины, расположенные параллельно одна напротив другой на расстоянии Н, электроизоляционную рамку и электрохимический элемент, выполненный в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов и имеющий анодный и катодный токоотводы с концевыми частями, расположенными на противоположных сторонах электрохимического элемента на расстоянии W, причем анодный токоотвод соединен с одной электропроводящей пластиной, катодный токоотвод соединен с другой электропроводящей пластиной, а электроизоляционная рамка расположена между электропроводящими пластинами и образует в сборе с ними оболочку вокруг электрохимического элемента, отличающееся тем, что электроизоляционная рамка оснащена каналом для прокачки теплоносителя, причем расстояния Н и W удовлетворяют условию1. An electrochemical device containing two electrically conductive plates located parallel to one another at a distance of H, an electrical insulating frame and an electrochemical cell made in the form of a stack or flat roll of electrodes and separators and having anode and cathode current leads with end parts located on opposite sides an electrochemical cell at a distance W, and the anode current collector is connected to one electrically conductive plate, the cathode current collector is connected to another electrically conductive plate, and the electrical insulating frame is located between the electrically conductive plates and forms, in assembly with them, a shell around the electrochemical cell, characterized in that the electrical insulating frame is equipped with a channel for pumping the coolant, and the distances H and W satisfy the condition 7 < W/H < 14.7 <W / H <14. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электроизоляционная рамка выполнена из металла, покрытого слоем диэлектрика.2. A device according to claim 1, characterized in that the insulating frame is made of metal coated with a dielectric layer. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутри электрохимического элемента размещен упругий компенсатор изменения толщины электродов.3. The device according to claim 1, characterized in that an elastic compensator for changes in the thickness of the electrodes is placed inside the electrochemical cell. 4. Батарея, выполненная в виде сборного пакета электрохимических устройств, каждое из которых содержит две электропроводящие пластины, расположенные параллельно одна напротив другой, электроизоляционную рамку и электрохимический элемент, выполненный в виде стопки или плоского рулона из электродов и сепараторов и имеющий анодный и катодный токоотводы с концевыми частями, расположенными на противоположных сторонах электрохимического элемента, причем анодный токоотвод соединен с одной электропроводящей пластиной, катодный токоотвод соединен с другой электропроводящей пластиной, а электроизоляционная рамка расположена между электропроводящими пластинами и образует в сборе с ними оболочку вокруг электрохимического элемента; электрохимические устройства соединены в пакете последовательно и прижаты друг к другу внешними поверхностями электропроводящих пластин, отличающаяся тем, что электроизоляционные рамки оснащены каналами для прокачки теплоносителя с отверстиями, в которые вставлены коллекторные отводы, объединяющие указанные каналы в общую сеть с входом и выходом.4. A battery made in the form of a prefabricated package of electrochemical devices, each of which contains two electrically conductive plates arranged in parallel to one another, an electrical insulating frame and an electrochemical cell made in the form of a stack or a flat roll of electrodes and separators and having anode and cathodic down conductors with end parts located on opposite sides of the electrochemical cell, and the anode current collector is connected to one electrically conductive plate, the cathode current collector is connected to the other electrically conductive plate, and the electrical insulating frame is located between the electrically conductive plates and forms, assembled with them, a shell around the electrochemical cell; electrochemical devices are connected in series in a package and pressed against each other by the outer surfaces of the electrically conductive plates, characterized in that the electrical insulating frames are equipped with channels for pumping the coolant with holes, into which collector taps are inserted, which combine these channels into a common network with an inlet and outlet. 5. Батарея по п. 4, отличающаяся тем, что концевые части анодного и катодного токоотводов в соседних электрохимических устройствах пакета расположены зеркально одна относительно другой.5. The battery according to claim 4, characterized in that the end parts of the anode and cathodic down conductors in adjacent electrochemical devices of the package are arranged in a mirror image relative to each other. 6. Батарея по п. 5, отличающаяся тем, что на внешних поверхностях электропроводящих пластин напротив мест соединения с токоотводами расположены контактные площадки.6. The battery according to claim 5, characterized in that the contact pads are located on the outer surfaces of the electrically conductive plates opposite the connection points with the down conductors. 7. Батарея по п. 4, отличающаяся тем, что электропроводящие пластины имеют участки, выступающие за контуры электроизоляционных рамок.7. The battery according to claim 4, characterized in that the electrically conductive plates have portions that protrude beyond the contours of the insulating frames.
RU2020122166A 2020-07-03 2020-07-03 Electrochemical device and battery RU2737037C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020122166A RU2737037C1 (en) 2020-07-03 2020-07-03 Electrochemical device and battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020122166A RU2737037C1 (en) 2020-07-03 2020-07-03 Electrochemical device and battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2737037C1 true RU2737037C1 (en) 2020-11-25

Family

ID=73543516

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020122166A RU2737037C1 (en) 2020-07-03 2020-07-03 Electrochemical device and battery

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2737037C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU216363U1 (en) * 2022-08-02 2023-01-31 Акционерное общество "Энергия" (АО "Энергия") Prismatic lithium-ion battery

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010044553A2 (en) * 2008-10-14 2010-04-22 주식회사 엘지화학 Battery module assembly with improved cooling efficiency
CN103283063A (en) * 2010-12-28 2013-09-04 株式会社Lg化学 Battery module storage device, battery module temperature adjustment device, and electric power storage system having same
RU2564509C2 (en) * 2013-11-19 2015-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "Системы управления хранением энергии" (ООО "СУХЭ") Design of battery module with fluid thermal stabilisation of accumulators
RU2608762C1 (en) * 2015-12-30 2017-01-24 Владимир Леонидович Туманов Electrochemical device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010044553A2 (en) * 2008-10-14 2010-04-22 주식회사 엘지화학 Battery module assembly with improved cooling efficiency
CN103283063A (en) * 2010-12-28 2013-09-04 株式会社Lg化学 Battery module storage device, battery module temperature adjustment device, and electric power storage system having same
RU2564509C2 (en) * 2013-11-19 2015-10-10 Общество с ограниченной ответственностью "Системы управления хранением энергии" (ООО "СУХЭ") Design of battery module with fluid thermal stabilisation of accumulators
RU2608762C1 (en) * 2015-12-30 2017-01-24 Владимир Леонидович Туманов Electrochemical device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU216363U1 (en) * 2022-08-02 2023-01-31 Акционерное общество "Энергия" (АО "Энергия") Prismatic lithium-ion battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11777153B2 (en) Thermal and electrical management of battery packs
US8349485B2 (en) High voltage modular battery with electrically-insulated cell module and interconnector peripheries
US20170309882A1 (en) Laminar Battery System
US6858345B2 (en) Wound bipolar lithium polymer batteries
US20130101878A1 (en) Battery comprising cuboid cells which contain a bipolar electrode
KR100542238B1 (en) Secondary battery assembly
KR102210218B1 (en) Battery system, base plate for a battery system and electric vehicle
CN107634169B (en) Battery cell, battery module and method for producing
GB2083278A (en) Connector for electrochemical storage cells
KR20190080717A (en) Battery module
KR20190002611A (en) All solid-state cells
KR20220124770A (en) Batteries, battery modules, battery packs, and electric vehicles
US5006427A (en) Storage battery
KR101558702B1 (en) High-voltage battery for vehicle
WO2008081280A1 (en) Power storage device
RU2737037C1 (en) Electrochemical device and battery
US11600844B2 (en) Solid-state battery cell and solid-state battery module
KR100648732B1 (en) Secondary battery module
CN209822768U (en) Energy storage device of bipolar conductive film connection structure
US10276853B2 (en) Electrode arrangement of a battery cell, electrode layer and battery cell and method for producing the latter
CN110249478B (en) Current collecting system for battery module, battery module and vehicle
CN219350594U (en) Battery cell structure and battery
CN214068853U (en) Input/output conductive structure of lead-acid storage battery electrode
CN112259776B (en) Electricity storage unit, electricity storage module, and battery
WO2020249065A1 (en) Composite electrode material, cell, laminated cell, composite cell and composite power cell of all-solid-state energy storage device