Батарея рулонних акумуляторів

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 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 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 20% 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 і) 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 Optima Batteries Inc (США) (Wound alls improve battery saveti, durability/ Murray C J // Des News -1991 - 47, №21 - c 109-110) Батарея містить корпус з ячейками, в яких розміщені акумулятори зі спіральне намотаними позитивними та негативними електродами, розділеними сепараторним матеріалом зі зв'язаним електролітом, і з'єднані між собою системою комутації вушка обох полярностей кожного блоку виведені на торець зборки і з'єднані полюс 00 ю 59278 ними містками, що звязані міжелементними з'єднаннями Спосіб виготовлення батареї залежить від технології укладки електродних блоків Електродні блоки акумуляторів виготовляють шляхом спіральної згортки композита, що складається з електродних пластин і сепараторного матеріалу, готові електродні блоки піддають термопдростатуванню в камерах дозрівання, потім встановлюють блоки в ячейки корпуса-з наступною приваркою системи комутації і піддають зібрану батарею 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 служби Конструкція описаної батареї має серйозний недолік Спіральне згорнуті стрічки електродного композита 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 В основу винаходу покладена задача збільшення питомої енергоємності і миттєвої розрядної потужності акумуляторної батареї за рахунок збільшення коефіцієнта заповнення об'єму енергоблоку рулонними електродними блоками шляхом зміни форми блоків та ущільнення укладання композита Поставлена задача вирішується тим, що у батареї рулонних акумуляторів, що містить корпус з ячейками, у 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 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 Збільшення коефіцієнта (К) заповнення об'єму в технічному рішенні, що заявляється, досягнуто за рахунок зміни форми рулону, надання йому раціональної конфігурації, при якій об'єм пасивних зон зводиться до мінімуму У робочому об'ємі батареі-прототипу мається п'ять пасивних зон центральна зона циліндричної форми, зв'язана з мінімально припустимою кривизною згину електродного композита (радіус кривизни гтщ порядку 5 мм) і чотири кутових зони, що виникли внаслідок операції розміщення циліндричного блоку в 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 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 Гтш ТЭ 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 Більш ТОГО, поблизу округлених кутів виникають взаємно протидіючі ефекти, що сприяють збереженню загальної рівноваги в електрохімічній системі 3 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, нещільний 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 міжелементними 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 - свинцевокислотних 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 59278 запуску двигунів і живлення електроустаткування спеціальних машин, що відносяться до груп 1 101 11 категорії 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, 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 площині батареї (Фіг 2,4 - вигляд зверху, Фіг 5 вигляд збоку) 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 rmin композита, а також пов'язані з габаритами ячейки Ширина каркаса дорівнює 2гтт, не менше (порядку 10 мм), висота (не показана) дорівнює висоті ячейки Довжина каркаса (довга вісь) розраховується, виходячи з умови, що в проміжку між короткою гранню каркаса та ВІДПОВІДНОЮ стінкою ячейки повинно поміститися стільки ж шарів композита, скільки між довгою гранню каркаса та ВІДПОВІДНОЮ СТІНКОЮ ячейки В окремому випадку, коли акумуляторні ячейки не 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 (фиг 1) акумулятора площиною, перпендикулярною до осі рулону, одержимо вираз для К K=(S-Sn3)/S, (1) де S - загальна площа перерізу ячейки, S n з - площа перерізу пасивних зон Для батареі-прототипу величина К обчислюється досить просто Для цього досить прийняти до уваги такі рівняння с ипз S K y T с '-'ц + =(a2-7i(a/2)2), Q '-'кут. ^ °ц o-h а—и, ^ 2 - lтгг ll min > (2) де S u - площа перерізу центральної пасивної зони, SKyT - загальна площа перерізу чотирьох кутових пасивних зон, a, b - довга та коротка осі (грані) акумуляторної ячейки Підставляючи (2) у (1) для батареі-прототипу одержимо К = т і / 4 - 7 і г т і п 2 / а 2 =0,75^-0,78, (3) у залежності від розмірів акумуляторної ячейки (у даному випадку гтщ = 5 мм, а = 50-1 ЗО мм) Вираз для величини К батареї, що заявляється, дещо складніше Візьмемо до уваги такі рівняння — ттг vJfl Я vJi I T 2 r m i n ( a ( 4 ) S H = ( 4 - л) ( N - 1)(7tr 4d 2 + 8dr min - л( d) 2 = 2rmin)+rminz), де S u - площа перерізу центральної пасивної зони, S H - загальна площа перерізу малих областей нещільного дотику, розрахована як сума припущених порожнин між шарами округленого нестиснутого композита, N - КІЛЬКІСТЬ витків композита, d - товщина шару композита Підставляючи (4) у (1) і з врахуванням того, що Nd = b/2 - rmm, а також того, що величини гтщ і d значно менші за розміри ячейки а і Ь, для батареї, що заявляється, одержимо K = 1-(2rmin(a-b) + (4-7i)b(d + 2rmin)/2)/ab = 0,83-0,95, (5) у залежності від розмірів акумуляторної ячейки (у даному випадку rmm= 5 мм, d = 5 мм, а = 130 мм, b = 50-130 мм) У граничному випадку, при гтщ, d ^ 0 ( ч и 3 ] ), величина К приймає максимальне значения Для батареі-прототипу К т а х =71/4 = 0,785 (6) Для батареї, що заявляється, коефіцієнт заповнення об'єму блоком електродів досягає теоретичного максимуму, тобто - одиниці Ктах-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 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 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 термопдростатуванню 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 торкання, а площинний дотик майже по всій поверхні Потім здійснюють приварку системи комутації й електрохімічне формування акумуляторної батареї О м Основною якістю рулонних електродних бло 59278 ків, що являє корінну ВІДМІННІСТЬ від пластинчастих блоків, є 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 обслуговуються послідовним ланцюжком регулярно розміщених вушків Використання цільної сепараторної 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 постав 8 лену задачу По-перше, зберігаються всі переваги батареі-прототипу знижене газовиділення, необслуговуваність, підвищена безпека експлуатації, СТІЙКІСТЬ до вібронавантажень, збільшений термін служби По-друге, збільшується довжина 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 відрізняє патентуемое рішення від аналогічних Лабораторні іспити показали, що акумулятори конструкції, що заявляється, по основних технічних параметрах не поступаються відомим акумуляторам рулонного типу, зате перевершують їх по питомій енергоємності Вигляд зверху Фіг) 59278 Вигляд збоку 10 Вигляд зверху 6 ,7 Фіг. і Вигляд збоку •6 Комп'ютерна верстка М Клюкш Л Підписано до друку 05 09 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна