UA59278A - Батарея рулонних акумуляторів - Google Patents

Abstract

Батарея рулонних акумуляторів містить корпус з ячейками, у яких розміщені акумулятори зі спірально намотаними позитивними і негативними електродами, розділеними сепараторним матеріалом зі зв'язаним електролітом, і з'єднані між собою системою комутації. Електродний блок кожного акумулятора виконаний у формі паралелепіпеда з округленими вертикальними ребрами, причому радіус скруглення електродів і сепараторного матеріалу поблизу цих ребер зберігається постійним для всіх шарів намотування.

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до електротехніки, до тієї її частини, що стосується виробництва хімічних джерел 2 струму, зокрема, стартерньх акумуляторних батарей для важких режимів роботи.

Розвиток сучасної та спеціальної техніки створило необхідність збільшення енергоємності і миттєвої розрядної потужності акумуляторів. Вдалим та перспективним рішенням цієї проблеми вважається розробка акумуляторів рулонного типу з тонкими електродами. У таких акумуляторів електроди згорнуті в спіраль, що дозволяє зберігати стійкість до вібронавантажень при істотно меншій товщині електродів і, природньо, при 70 набагато більшій площі їхньої поверхні. Однак, практика експлуатації таких акумуляторів на транспортних засобах виявила проблему раціонального використання об'єму відсіку енергоблоку. Відсік розрахований на заповнення прямокутними акумуляторами. Монтаж акумуляторів рулонного типу пов'язаний з технологією укладання, не здатної заповнити активною речовиною весь об'єм. Принципово важливе значення у таких випадках одержує величина коефіцієнта (К) заповнення об'єму блоком електродів. Він визначається як 72 відношення сумарного об'єму, займаного електродними блоками батареї, до повного об'єму енергоблоку транспортного засобу чи спеціальної техніки. На даний момент використовується рулонне виконання, що надає акумуляторам циліндричної форми, яка вписується в прямокутні ячейки тільки з помітними об'ємними втратами.

У робочому об'ємі при цьому з'являються зони, не заповнені активним матеріалом, які неможливо використати.

Це центральна та чотири кутових зони. Виникнення кутових зон є наслідком операції вписування циліндра в паралелепіпед; центральна зона має діаметр, пов'язаний з мінімально припустимою кривизною згортки електродного композита. Як показують розрахунки, максимальне значення коефіцієнта К лежить у межах 0,75-0,78. Таким чином, не менше ніж 2095 об'єму енергоблоку є пасивними.

Необхідно збільшити ступінь заповнення об'єму корпусу батареї електродними блоками, тобто - наблизити їхню форму до раціональної, що заповнює відпущений об'єм без зазорів (у формі куба, паралелепіпеда і т.1і.).

Авторам не відомі технічні рішення, у яких би прямо вирішувалася задача зменшення об'єму пасивних зон. «

Технічним рішенням, обраним як прототип, є свинцева батарея з рулонними акумуляторами, розроблена фірмою Оріїта Вайегіевз Іпс. (США). (МУсипа аз ітргоме рацЦегу замеїі, ацгарійу/ Митау С.). / Оев. Мем/в -1991. - 47, Мо21. - с. 109-110.). Батарея містить корпус з ячейками, в яких розміщені акумулятори зі спіральне намотаними позитивними та негативними електродами, розділеними сепараторним матеріалом зі со зв'язаним електролітом, і з'єднані між собою системою комутації: вушка обох полярностей кожного блоку - виведені на торець зборки і з'єднані полюсними містками, що зв'язані міжелементними з'єднаннями.

Спосіб виготовлення батареї залежить від технології укладки електродних блоків. Електродні блоки с акумуляторів виготовляють шляхом спіральної згортки композита, що складається з електродних пластин і Ф сепараторного матеріалу, готові електродні блоки піддають термогідростатуванню в камерах дозрівання, потім

Зо встановлюють блоки в ячейки корпуса-з наступною приваркою системи комутації і піддають зібрану батарею о електрохімічному формуванню.

Достоїнством батареї є помітне збільшення розрядного струму, досягнуте за рахунок збільшення площі електродів. Цей ефект отриманий шляхом зменшення товщини електродів. Крім того, такій батареї притаманні « знижене газовиділення, підвищена безпека експлуатації, стійкість до вібронавантажень та збільшений термін З 50 служби. с Конструкція описаної батареї має серйозний недолік. Спіральне згорнуті стрічки електродного композита

Із» дають рулони циліндричної форми. Для їхньої зборки в батарею з загальною комутацією в корпусі передбачені циліндричні ячейки. Природньо, що при такому способі укладанні між ячейками, а також між ячейками та стінками енергоблоку утвориться велика кількість пасивних зон. Таким чином, основним недоліком прототипу можна вважати нераціональне використання об'єму, займаного батареєю. і-й В основу винаходу покладена задача збільшення питомої енергоємності і миттєвої розрядної потужності (се) акумуляторної батареї за рахунок збільшення коефіцієнта заповнення об'єму енергоблоку рулонними електродними блоками шляхом зміни форми блоків та ущільнення укладання композита. ді Поставлена задача вирішується тим, що у батареї рулонних акумуляторів, що містить корпус з ячейками, у -І 20 яких розміщені акумулятори зі спіральне намотаними позитивними та негативними електродами, розділеними сепараторним матеріалом зі зв'язаним електролітом, і з'єднані між собою системою комутації, відповідно з со винаходом, електродний блок кожного акумулятора виконаний у формі паралелепіпеда з округленими вертикальними ребрами, причому радіус скруглення електродів і сепараторного матеріалу поблизу цих ребер зберігається постійним для всіх шарів намотування. 29 Збільшення коефіцієнта (К) заповнення об'єму в технічному рішенні, що заявляється, досягнуто за рахунок в. зміни форми рулону, надання йому раціональної конфігурації, при якій об'єм пасивних зон зводиться до мінімуму. У робочому об'ємі батареї-прототипу мається п'ять пасивних зон: центральна зона циліндричної форми, зв'язана з мінімально припустимою кривизною згину електродного композита (радіус кривизни г діп порядку 5 мм) і чотири кутових зони, що виникли внаслідок операції розміщення циліндричного блоку в 60 прямокутній ячейці. Як уже вказувалося, коефіцієнт К в цьому випадку дорівнює 0,75-0,78, не більше. У батареї рулонних акумуляторів, що заявляється, як показують розрахунки, за рахунок зміни форми електродного блоку досягається збільшення коефіцієнта К до 0,83-0,95, що залежить від розмірів ячейки, величини мінімально припустимої кривизни згину, товщини композита та кількості витків в електродному блоці. Цей результат отриманий завдяки істотному зменшенню об'єму чотирьох кутових пасивних зон, що тепер заповнені бо композитом. Фактично у рішенні, що заявляється, ми впритул наблизилися до ідеальної форми рулонного електродного блоку за критерієм величини К, тобто - до паралелепіпеда. Наявність такого параметра, як мінімальний припустимий радіус скруглення композита, при якому композит ще зберігає свої механічні й електрохімічні властивості задає форму електродного блоку у виді паралелепіпеда з округленими Вертикальними ребрами. Найважливішою особливістю електродного блоку є те, що для всіх шарів намотування радіус скруглення електродів і сепараторного матеріалу зберігається постійним. Округлені кути створюють малі області нещільного дотику сусідніх шарів композита, що тим менше, чим менше глій та тонкіший композит.

Однак, завдяки пластичності сепараторного матеріалу зі зв'язаним електролітом, що легко розправляється під час відсутності стиску і заповнює собою порожнечі, електрохімічний контакт у цих областях не порушується. 7/0 Більш того, поблизу округлених кутів виникають взаємно протидіючі ефекти, що сприяють збереженню загальної рівноваги в електрохімічній системі. З одного боку, сильне скруглення до мінімально припустимої кривизни згину створює в цій області позитивного струмовідводу деякий надлишок дефектів, що прискорюють його корозію; з іншого боку, недільний дотик електродів призводить до зменшення середньої густини струму і гальмуванню корозії.

Центральна пасивна зона акумулятора, що залишилася, може бути використана як канал для циркуляції холодоагенту чи теплоносія. Системи охолодження чи підігріву є складовою частиною акумуляторних батарей, призначених для важких режимів роботи.

Система комутації батареї, що заявляється, має таку структуру: вушка обох полярностей кожного електродного блоку виведені на торець зборки і з'єднані полюсними містками, що зв'язані міхелементними З'єднаннями. Можливі два основних варіанти конструктивного виконання акумуляторної батареї, що заявляється: електродні блоки та їх вушка розташовані вертикально, чи електродні блоки та їх вушка розташовані горизонтально. Відповідно, межелементні з'єднання системи комутації розташовані у верхній площині корпуса батареї, чи межелементні з'єднання розташовані в одній з бічних площин батареї.

За наявними в авторів відомостями запропоновані істотні ознаки, що характеризують сутність винаходу, не відомі в даному розділі техніки.

Запропоноване технічне рішення може бути використане на підприємствах з виробництва акумуляторних « батарей, зокрема - свинцево-кислотних типів, у тому числі 24-х, 36-ти та 42-х вольтових. Особливе значення це може мати у випадку виробництва акумуляторів з великим розрядним струмом для важких режимів роботи (для запуску двигунів і живлення електроустаткування спеціальних машин, що відносяться до груп 1.10-1.11 категорії со зо А ГОСТ В 20.39.304).

На фіг. 1 наведений поперечний переріз електродного блоку, розміщеного в ячейці корпуса батареї. На фіг. - 2,3 наведений приклад схеми з'єднання 12-ти рулонних акумуляторів у батарею із системою комутації, с розташованою в бічній площині батареї. Фіг.2 - вигляд зверху, Фіг.3 - вигляд збоку. На фіг. 4,5 наведений приклад схеми з'єднання 12-ти рулонних акумуляторів у батарею із системою комутації, розташованою у верхній ме) площині батареї (Фіг.2,4 - вигляд зверху, Фіг.5 - вигляд збоку). ю

Рулон 1 покладений на каркас 2, що має канал З для циркуляції холодоагенту або теплоносія, і встановлений в ячейку 4 корпусу батареї. Штрихуванням позначені малі кутові області 5 нещільного дотику сусідніх шарів композита. Каркас 2 має розміри, обумовлені мінімальним радіусом скруглення г лій композита, а також пов'язані з габаритами ячейки. Ширина каркаса дорівнює 2гліп, не менше (порядку 10 мм); висота (не показана) « дорівнює висоті ячейки. Довжина каркаса (довга вісь) розраховується, виходячи з умови, що в проміжку між з с короткою гранню каркаса та відповідною стінкою ячейки повинно поміститися стільки ж шарів композита, скільки

Й між довгою гранню каркаса та відповідною стінкою ячейки. В окремому випадку, коли акумуляторні ячейки не и?» витягнуті (квадратного перерізу), то каркас являє собою циліндр із мінімально припустимим радіусом кривизни.

Акумулятори за допомогою міжелементних скіб 6 системи комутації поєднані в батарею 7.

Зробимо оцінку величини коефіцієнта К заповнення об'єму блоком електродів. Розглядаючи переріз (фіг.1) с акумулятора площиною, перпендикулярною до осі рулону, одержимо вираз для К:

К-(8-8п3)8, (1) і, де 5 - загальна площа перерізу ячейки; ко Зпз - ПЛОЩа перерізу пасивних зон.

Для батареї-прототипу величина К обчислюється досить просто. Для цього досить прийняти до уваги такі

Ш- рівняння: со Зпз З З Зюут 85, Ву еліт. Яку З (82 - (аг 2И), де 5 - площа перерізу центральної пасивної зони;

Зкут - загальна площа перерізу чотирьох кутових пасивних зон; а, 5 - довга та коротка осі (грані) акумуляторної ячейки. в. Підставляючи (2) у (1) для батареї-прототипу одержимо:

Каел/й-літп а. - 075-078, (З у залежності від розмірів акумуляторної ячейки (у даному випадку глід - 5 мм, а - 50-130 мм). во Вираз для величини К батареї, що заявляється, дещо складніше. Візьмемо до уваги такі рівняння:

Зпз З Зц Зм, бу - сліди ли (Я НВ), 0

Ви -(4- лій АСОМ ла А Я Вот - лій фен - (4 лу ОМ- ТАК Я оті З Я ттін З, 65 де зу - площа перерізу центральної пасивної зони; 8м - загальна площа перерізу малих областей нещільного дотику, розрахована як сума припущених порожнин між шарами округленого нестиснутого композита;

М - кількість витків композита; а - товщина шару композита.

Підставляючи (4) у (1) і з врахуванням того, що Ма - Б/2 - г піп, а також того, що величини глід і а значно менші за розміри ячейки а і Б, для батареї, що заявляється, одержимо:

Ко е1 -(2етіпіа -ВІ(4 - лв(й оті )221гав ОВ 085, (5) у залежності від розмірів акумуляторної ячейки (у даному випадку г лід- 2 мм, 4 - 5 мм, а - 130 мм, 5 - 50-130 мм). 70 У граничному випадку, при гтліп; 5-30 (чиа, б- о ), величина К приймає максимальне значения Куах.

Для батареї-прототипу:

Ктає с л/4 0785 (8)

Для батареї, що заявляється, коефіцієнт заповнення об'єму блоком електродів досягає теоретичного максимуму, тобто - одиниці:

Крлах--1. (7)

Таким чином, геометричні розрахунки переконливо демонструють корисний ефект збільшення коефіцієнта К в батареї, що заявляється.

Технологія виготовлення електродного блоку патентуемой конструкції складається з декількох основних операцій. Попередні операції - це виготовлення, намазка та пошарове укладання стрічок композита (дві го електродних стрічки: позитивна та негативна, і дві сепараторних стрічки: одна - між електродними стрічками, друга - з іншого боку негативної електродної стрічки) і виготовлення каркаса з кислотостійкого діелектрика.

Потім проводять намотування електродного композиту (позитивною електродною стрічкою усередину) на каркас з періодичним вигином композита для завдання постійного радіуса скруглення поблизу вертикальних ребер блоку, а також механічне формування отриманої зборки шляхом періодичного здавлювання рулону по бічних об гранях. Сила стиску підбирається такою, щоб усадка габаритів рулону йшла рівномірно і поступово. Для досягнення щільного укладання варто застосовувати сепараторний матеріал з оптимально підібраним « показником пружності. Тоді він надійно компенсує всі деформації. Готові зборки електродних блоків піддають термогідростатуванню в камерах дозрівання для протікання необхідних хімічних та фазових перетворень, а потім встановлюють блоки в ячейки корпуса. Між рулоном і стінками ячейки встановлюється не точкове со зо торкання, а площинний дотик майже по всій поверхні. Потім здійснюють приварку системи комутації й електрохімічне формування акумуляторної батареї. -

Основною якістю рулонних електродних блоків, що являє корінну відмінність від пластинчастих блоків, є с їхня безперервність. Рулон - це практично одна довга електродна пара (позитивна та негативна пластини, складені в багатошаровий сендвіч), вібростійка, без фізичних меж між областями струмознімання, що ме) обслуговуються послідовним ланцюжком регулярно розміщених вушків. Використання цільної сепараторної ю стрічки зі зв'язаним електролітом дозволяє дотримати умову безперервності електролітного шару, що поєднує в електрохімічному відношенні всі активні поверхні рулону. Сепараторний матеріал електродних блоків має задану пористість. У процесі експлуатації батареї це забезпечує прохід через сепаратор бульбашок кисню, що виділяються при заряді, та їхню рекомбінацію на негативному електроді. «

Описане конструктивне рішення дає можливість із задовільною повнотою вирішити поставлену задачу. в с По-перше, зберігаються всі переваги батареї-прототипу: знижене газовиділення, необслуговуваність, підвищена

Й безпека експлуатації, стійкість до вібронавантажень, збільшений термін служби. По-друге, збільшується довжина и?» електродного композита та кількість активної маси, що уміщається в ячейках, тобто збільшується коефіцієнт заповнення ячеек блоками електродів, і в результаті - збільшується питома енергоємність акумуляторної батареї. Перевага батареї з модифікованими електродними блоками за енергетичним критерієм вигідно с відрізняє патентуемое рішення від аналогічних.

Лабораторні іспити показали, що акумулятори конструкції, що заявляється, по основних технічних і, параметрах не поступаються відомим акумуляторам рулонного типу, зате перевершують їх по питомій ко енергоємності.

Claims (1)

1. Формула винаходу ІЧ е) Батарея рулонних акумуляторів, що містить корпус з ячейками, у яких розміщені акумулятори зі спірально намотаними позитивними і негативними електродами, розділеними сепараторним матеріалом зі зв'язаним електролітом, і з'єднані між собою системою комутації, яка відрізняється тим, що електродний блок кожного Р» акумулятора виконаний у формі паралелепіпеда з округленими вертикальними ребрами, причому радіус скруглення електродів і сепараторного матеріалу поблизу цих ребер зберігається постійним для всіх шарів намотування. 60 б5