Химический источник тока системы диоксид марганца - литий
Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока (ХИТ) электрохимической системы диоксид марганца -литий. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности эксплуатации и стабильности электрических характеристик ХИТ. Согласно изобретению химический источник тока системы диоксид марганца - литий содержит герметичный корпус с установленными в нем, по крайней мере, одним положительным и, по крайней мере, одним отрицательным электродами, разделенными сепаратором, электролит, заполняющий межэлектродное пространство, и, по крайней мере, один пористый термочувствительный элемент. Термочувствительный элемент выполнен в виде слоя инертного легкоплавкого вещества толщиной не менее 0,13 мм, нанесенного непосредственно по всей поверхности положительного электрода, обращенной к отрицательному электроду. 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока (ХИТ) электрохимической системы диоксид марганца - литий, и может быть использовано для общецелевых применений, например для питания охранных систем, систем сигнализации, стационарных и подвижных средств связи, а также для аварийного энергообеспечения объектов автоматики и связи железных дорог при нарушении штатных систем электроснабжения.
Известен ХИТ системы диоксид марганца - литий, содержащий металлический герметический корпус, крышку с токовыводами, заливочное отверстие, изолирующий чехол, положительные и отрицательные электроды, сепараторы из пористого полипропилена, легкоплавкое парафинообразное вещество и электролит, при этом легкоплавким парафинообразным веществом пропитаны дополнительные, проницаемые для электролита прокладки, выполненные из неплавкого пористого материала и расположенные между электродами. В качестве неплавкого пористого материала выбрана фильтровальная бумага и в качестве легкоплавкого вещества полиэтиленовый воск. Термочувствительные прокладки обеспечивают пожаровзрывобезопасность при коротком замыкании (КЗ) и повышенной температуре эксплуатации. При КЗ или работе в условиях повышенных температур источник тока разогревается до температуры плавления легкоплавкого вещества термочувствительных прокладок, что приводит к резкому уменьшению проницаемости прокладок для электролита, электрическое сопротивление прокладок возрастает и величина тока в ХИТ снижается (см. патент РФ на изобретение №1660546, МПК Н 01 М 06/16, опубл. 27.09.1995 г.).
Известен также ХИТ системы диоксид марганца - литий, состоящий из корпуса с установленными в нем положительными и отрицательными электродами, между которыми расположены сепараторы и дополнительные прокладки, выполненные из термостойкого пористого материала, пропитанного легкоплавким инертным веществом, и электролита, заполняющего межэлектродное пространство, при этом дополнительные прокладки размещены непосредственно на поверхностях положительных электродов, обращенных к отрицательным электродам. Такое расположение прокладок обеспечивает непосредственный тепловой контакт с активной массой положительного электрода, поэтому при КЗ срабатывание тепловой защиты происходит более эффективно, уменьшаются потери легкоплавкого вещества, следствием чего является уменьшение массы прокладок, их толщины. Уменьшение же объемной доли и веса балластных веществ в блоке электродов позволяет увеличить закладку электродных материалов, т.е. повысить электрические параметры ХИТ (см. патент РФ на изобретение №1780479, МПК Н 01 М 06/16, опубл. 27.09.1995 г.).
Недостатками описанных выше технических решений являются неравномерная структура и макрошероховатость (волнистость) поверхности используемых термочувствительных прокладок, которые имеют неравномерную проницаемость для электролита, неравномерный тепловой контакт с поверхностью положительного электрода и, следовательно, разброс разрядных характеристик ХИТ по поверхности положительных электродов, на которых расположены прокладки. Это происходит потому, что при перфорации пропитанной легкоплавким веществом термостойкой пористой основы для придания прокладкам электролитопроницаемости происходит образование волнистой поверхности, беспорядочное разрушение (дробление) слоя легкоплавкого вещества на фрагменты различных форм и размеров, частичное осыпание вещества с некоторых участков прокладки, что и приводит к разбросам величины пористости (электросопротивления) отдельных участков термочувствительных прокладок, следствием чего является разброс удельной электрической мощности и снижение общей емкости ХИТ. Неоднородность структуры термочувствительных прокладок и неравномерный тепловой контакт с поверхностью положительного электрода отрицательно сказывается и на времени срабатывания тепловой защиты ХИТ при КЗ, так как участки прокладки с меньшим электрическим сопротивлением (большей величиной пористости) и более плотным тепловым контактом срабатывают быстрее, чем участки с большим сопротивлением (меньшей пористостью) и менее плотным тепловым контактом. Это приводит к увеличению времени падения тока КЗ в ХИТ и к повышению температуры его разогрева.
Небольшие различия в характеристиках отдельных ХИТ (единицы процентов от номинальных параметров, например, электрической емкости), имеющие место при комплектовании батарей путем последовательно-параллельного соединения ХИТ, приводят в процессе эксплуатации батарей к значительному разбросу, разбалансу (десятки процентов) в степени заряженности отдельных ХИТ. Следствием этого является снижение уровня отдаваемой емкости батарей в нагрузку, недопустимо глубокий разряд отдельных ХИТ с возможностью их переполюсовки, дальнейшей разгерметизации и другим необратимым явлениям и непредсказуемым последствиям (см. патент РФ на изобретение №2156533, МПК Н 02 J 17/00, Н 02 J 17/34, опубл. 20.09.2000 г.).
Наиболее близким техническим решением к предложенному является известный ХИТ системы диоксид марганца - литий, состоящий из герметичного корпуса с установленными в нем положительными и отрицательными электродами, разделенными сепаратором, электролита, заполняющего межэлектродное пространство, и имеющихся на поверхности положительных электродов дополнительных термочувствительных прокладок, выполненных из пористого термостойкого материала и нанесенного на него тонкого слоя легкоплавкого инертного вещества, при этом термочувствительные прокладки имеют равномерную структуру с пористостью 30-35% за счет нанесения на пористый термостойкий материал тонкого слоя легкоплавкого инертного вещества в виде порошка с размером частиц 60-100 мкм. Такое исполнение термочувствительных прокладок позволяет повысить мощностные характеристики ХИТ, расширить область применения их в качестве питания различной аппаратуры, как слаботочной, так и с повышенными токами потребления, и значительно расширить рабочий температурный диапазон в сторону отрицательных температур до - 30°С и ниже (см. патент РФ на изобретение №2195051, МПК Н 01 М 06/16, опубл. 20.12.2002 г.).
Однако недостатком известного технического решения является неравномерное прилегание (с различным давлением) термочувствительных прокладок к поверхности положительного электрода из-за имеющейся разнотолщинности как положительного, так и отрицательного электродов, а также сепаратора и термочувствительных прокладок. Неравномерное прилегание термочувствительных прокладок к поверхности положительного электрода (неравномерный тепловой контакт) и наличие балластной термостойкой пористой основы приводит к разбросу электрических характеристик ХИТ (в частности, емкости), а также увеличению времени срабатывания тепловой защиты ХИТ при КЗ, так как участки прокладок, более плотно прилегающие к поверхности электрода, срабатывают быстрее, чем участки, менее плотно прилегающие к поверхности положительного электрода.
Задачей предложенного изобретения является повышение безопасности эксплуатации и стабильности электрических характеристик ХИТ системы диоксид марганца - литий.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является повышение удельной емкости ХИТ, обеспечение беззазорного контакта термочувствительного элемента с положительным электродом, а также возможность изготовления ХИТ с разбросом по электрической емкости между ними менее 1%.
Поставленная задача достигается тем, что в химическом источнике тока системы диоксид марганца - литий, содержащем герметичный корпус с установленными в нем, по крайней мере, одним положительным и, по крайней мере, одним отрицательным электродами, разделенными сепаратором, электролит, заполняющий межэлектродное пространство, по крайней мере, один пористый термочувствительный элемент, согласно изобретению, термочувствительный элемент выполнен в виде слоя инертного легкоплавкого вещества толщиной не менее 0,1 мм, нанесенного непосредственно по всей поверхности положительного электрода, обращенной к отрицательному электроду.
Нанесение термочувствительного элемента непосредственно на поверхность положительного электрода позволяет увеличить полезный объем внутреннего пространства ХИТ, обеспечивающий, по сравнению с ближайшим аналогом, большую удельную емкость ХИТ. При этом за счет беззазорного контакта между термочувствительным элементом и положительным электродом уменьшается время срабатывания тепловой защиты ХИТ при КЗ, поскольку отсутствуют участки слоя термочувствительного элемента, не прилегающие к электроду и срабатывающие только после последующего дополнительного разогрева ХИТ, например при КЗ.
Минимальная толщина слоя термочувствительного элемента выбрана из соображения обеспечения возможности образования сплошной пленки по всей поверхности положительного электрода из расплавленного инертного легкоплавкого вещества, например полиэтиленового воска в виде порошка с равномерной структурой и пористостью, при повышении температуры, например при КЗ.
В результате этого при КЗ, когда электроды источника тока разогреваются до температуры размягчения инертного легкоплавкого вещества, изменяется пористая структура внешних поверхностей положительных электродов в сторону уменьшения их проницаемости для электролита, вследствие чего повышается внутреннее сопротивление ХИТ и ток КЗ снижается до безопасных величин, повышая безопасность эксплуатации источника тока. Предложенная конструкция ХИТ позволяет изготовлять ХИТ с разбросом электрической емкости между отдельными ХИТ менее 1%. Необходимость такого малого разброса по емкости между отдельными ХИТ имеет место при сборке батарей из отдельных ХИТ. Для изготовления батареи необходимого напряжения и мощности ее собирают из нескольких ХИТ, каждый из которых характеризуется своей индивидуальной емкостью. При этом при использовании в одной батареи ХИТ с разбросом по емкости более 1% возникает вероятность в процессе эксплуатации батареи глубокого разряда одного из ХИТ при сохранении работоспособности остальных ХИТ, его последующей переполюсовки и вероятности возникновения разгерметизации и возгорания батареи в целом.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция предложенного химического источника тока системы диоксид марганца - литий, с частичным разрезом; на фиг.2 - вид I на фиг 1, показывающий расположение термочувствительного элемента на поверхности положительного электрода (в увеличенном масштабе).
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - герметичный корпус; 2 - токовыводы; 3 - заливочное отверстие; 4 - положительные электроды; 5 - отрицательные электроды; 6 - сепаратор, пропитанный электролитом; 7 - слой инертного легкоплавкого вещества.
Химический источник тока системы диоксид марганца - литий содержит герметичный корпус 1 с токовыводами 2 и заливочным отверстием 3, положительные электроды 4, изготовленные из пористого материала, отрицательные электроды 5. При этом положительные 4 и отрицательные электроды 5 разделены сепаратором 6, который пропитан электролитом. Непосредственно на поверхности положительных электродов 4, обращенных к отрицательным электродам 5, нанесен слой 7 инертного легкоплавкого вещества толщиной не менее 0,1 мм.
Для сохранения оптимального соотношения между габаритными размерами ХИТ и его удельной емкости слой инертного легкоплавкого вещества целесообразно выполнять толщиной не более 0,15 мм.
В качестве инертного легкоплавкого вещества может быть использован полиэтиленовый воск в виде порошка с равномерной структурой и пористостью, например, 30-35%.
Нанесение слоя 7 инертного легкоплавкого вещества в виде порошка на пористую поверхность положительного электрода 4 возможно различными способами. Например, возможен способ напыления порошка на поверхность электрода. При этом частицы порошка и поверхность электрода должны быть нагреты до температуры вязкопластического состояния частиц порошка. Возможен способ нанесения порошка на поверхность электрода путем напыления частиц порошка в электростатическом поле с последующим механическим обжатием напыленного слоя для обеспечения необходимой прочности. Возможен способ нанесения порошка путем его намазки на поверхность электрода с добавлением инертного клея, с последующей сушкой и механическим обжатием для обеспечения необходимой прочности. Возможен также способ нанесения порошка предварительно на сепаратор 6, например, способом напыления разогретых частиц порошка либо намазкой с добавлением инертного клея с последующим переносом образованного таким образом слоя порошка на поверхность положительного электрода 4 прессованием. При этом напрессованный одновременно с порошком на поверхность электрода 4 сепаратор 6 может не удаляться.
При КЗ или работе в условиях повышенных температур ХИТ разогревается до температуры размягчения (плавления) слоя 7 легкоплавкого вещества термочувствительного элемента, в результате чего происходит резкое уменьшение проницаемости электролита через поверхности положительных электродов 4. Электрическое сопротивление поверхностей положительных электродов 4 резко возрастает, что вызывает падение величины тока в источнике до значений, близких к нулевым. При этом даже в случае разогрева элемента до температуры разрушения полипропиленового сепаратора 6 происходит надежная изоляция положительных электродов 4 от контакта с отрицательными электродами 5.
При плавлении часть легкоплавкого вещества термочувствительного слоя впитывается в активную массу положительного электрода 4 и сепаратора 6, изолируя диоксид марганца от контакта с органическим электролитом и отрицательным электродом, и препятствует их электрохимическому взаимодействию.
Сравнительные испытания ХИТ предложенной конструкции и прототипа показали, что при сохранении надежной пожаровзрывобезопасности при КЗ источники тока предлагаемой конструкции с термочувствительным слоем порошка на рабочих поверхностях положительных электродов толщиной 0,1-0,15 мм, пористостью 30-35% (у прототипа термочувствительный слой порошка совместно с термостойкой основой имел толщину 0,2-0,25 мм, пористость 30-35%) имели разброс по емкости более чем в 10 раз ниже, чем у прототипа, т.е. до уровня менее 1%.
Одновременно следует отметить, что за счет исключения из конструкции ХИТ балластного термостойкого материала (основы для нанесения легкоплавкого вещества) возможно повышение удельных электрических характеристик ХИТ системы диоксид марганца - литий.
Химический источник тока системы диоксид марганца - литий, содержащий герметичный корпус с установленными в нем, по крайней мере, одним положительным и, по крайней мере, одним отрицательным электродами, разделенными сепаратором, электролит, заполняющий межэлектродное пространство, по крайней мере, один пористый термочувствительный элемент, отличающийся тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде слоя инертного легкоплавкого вещества толщиной не менее 0,13 мм, нанесенного непосредственно на поверхность положительного электрода, обращенную к отрицательному электроду.
