Свинцовая аккумуляторная батарея

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве вторичных химических источников тока. Техническим результатом изобретения является повышение удельной энергии, надежности и упрощение конструкции батареи. Согласно изобретению свинцовая аккумуляторная батарея состоит из корпуса, в котором размещены биполярные электроды с рамками, разделенные слоем электролита, соединенные последовательно для получения заданных значений напряжения, с четным количеством элементов и параллельно - для увеличения электрической емкости, с четным количеством слоев, а также токоотводов с клеммами. Батарею снабжают электроизоляционными пластинами, которые располагают на противоположных стенках аккумулятора; они предназначены для размещения с одной стороны только односторонних биполярных электродов, с другой - односторонних биполярных и монополярных электродов, а рамки располагают между указанными пластинами; на рамках размещают двусторонние биполярные электроды и двусторонние биполярные и монополярные электроды, при этом рамки с двусторонними биполярными и монополярными электродами устанавливают через одну; монополярные электроды в конструкции образуют симметричные положительные и отрицательные выводы. Биполярные электроды содержат на одной стороне положительную и отрицательную активную массу. Общее количество электродов (А) и количество биполярных электродов (В) рассчитывается по уравнениям: A=m(n+1)/2 и B=m(n-1)/2, где n - количество элементов в слое, m - количество слое. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве вторичных химических источников тока.

Необходимость повышения электрической емкости на единицу массы и объема вынуждало производителей искать лучшие варианты конструкций свинцовых аккумуляторных батарей, в том числе и за счет расположения электродных пластин.

Известна конструкция свинцовых аккумуляторных батарей для питания двигателей изделий специального назначения [2], в которых толщина пластин не превышала одного миллиметра. Величина электрической емкости таких изделий на единицу объема и веса значительно превосходила широко распространенные аналогичные показатели промышленных свинцовых аккумуляторных батарей.

К недостаткам такой конструкции относится то, что там, с целью снижения внутреннего сопротивления источника тока, сепараторы отсутствуют, а устанавливается минимальное расстояние между пластинами, в результате чего появляется опасность «коротких замыканий через выкрашивающееся активное вещество». Кроме того, специфика использования таких изделий позволяет иметь проектный «гарантийный срок службы 12 циклов», что неприемлемо для массового потребителя.

Известен вторичный источник тока, содержащий фольговые электроды, разделенные по торцам изоляционными прокладками, а в центре - пористыми сепараторами, прилегающими вплотную к электродам [3]. Каждая пара электродов соединена параллельно, а отдельные ячейки - последовательно. Такая конструкция по своим удельным характеристикам занимала промежуточное положение между обычным стартерным аккумулятором и конденсатором.

К ее недостаткам следует отнести большое количество внутренних соединителей и достаточно высокую сложность изделия.

Известен способ вертикального расположения электродов в аккумуляторе, с расположенными между ними сепараторами [4]; биполярность электродов достигалась за счет уплотнения их по периметру рамок.

Известно техническое решение, по которому вертикально расположенные биполярные электроды приклеивались по периметру к основе из диэлектрика с отверстиями для прохождения электролита [5].

Недостатком конструкций [4] и [5] является повышенное внутреннее сопротивление изделий, обусловленное диффузионными ограничениями в электролите, сложность конструкции, в том числе связанная с коммутацией электродов и осыпание отработанного материала в «мешок» нижнего уплотнения электродов с последующим их коротким замыканием.

Известна аккумуляторная батарея, в которой вертикально расположенные фольговые биполярные электроды наклеены на электроизоляционные рамки с двух сторон, а полученные элементы соединены последовательно [6].

К недостатку конструкции [6] следует отнести сложность сборки и коммутации электродов, малые габариты электродов из-за возможной их деформации и замыкания внутри рамки и, соответственно, большой набор рамок с электродами и пониженные электрические характеристики аккумулятора.

Известна аккумуляторная батарея, "содержащая электроды, расположенные друг за другом вдоль батареи, электролит и рамки из электроизоляционного материала, расположенные одна за другой в направлении, нормальном по отношению к ширине рамки, снабженной окнами и перемычками, образующими между элементами герметичные перегородки, отличающаяся тем, что электроды выполнены в виде...[m(n+1)-1]/2 (при четном расположении "n") фольговых пластин, расположенных отдельными слоями между рамками, из которых...[m(n-1)+1]/2 (при четном расположении "n") электродов выполнены биполярными" [7], где "m" - число четных и нечетных слоев электродов, "n" - число четных элементов батареи.

Следует отметить, что приведенные формулы для числа четного слоев электродов не соответствуют описанию (общему количеству электродов и электродов биполярных) - см. таблицу 2 и по приведенным сведениям в тексте и в формуле изготовить предлагаемую батарею невозможно. В то же время оставшиеся варианты с нечетным количеством "n" и четным и нечетным количеством "m", а также с четным количеством "n" и нечетным количеством "m" не представляют промышленного интереса для свинцовой аккумуляторной батареи, т.к.:

- как правило, батареи проектируются с напряжением, кратным 12 В, что в первом случае не достигается,

- при нечетном "m" сборка батареи достаточно сложная, т.к. выводная система асимметрична, и, соответственно, надежность ее понижается, а вес повышается по сравнению с батареей с симметричным расположением выводов (обоснование см. ниже).

Известна многоэлементная свинцовая аккумуляторная батарея «Пульсар» Австралийской фирмы «Danlop Batturis» [8]. Она содержит большое количество рамок из электроизоляционного материала с разноименными электродами, у которых «деталь отвода тока проходит от активного материала пластины по одной стороне каждой рамки через упомянутую сторону рамки, а электрический соединитель проходит через каждый участок рамки с противоположным знаком напряжения, соединяя упомянутые отдельные участки». В качестве соединителя используется металлическая сетка, вплавленная в рамки. Элементарные ячейки аккумуляторной батареи соединены последовательно. Удельная энергия таких изделий около 45 Втч/кг, в отличие от серийно выпускаемых, у которых она не превышает 35 Втч/кг. Наличие внутренних соединителей не позволяет дальнейшего повышения удельных электрических характеристик аккумуляторных батарей типа «Пульсар». Кроме того, введение соединителя в рамки является нетехнологичным и ненадежным решением проблемы коммутации.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату к предлагаемому решению является способ изготовления свинцовой аккумуляторной батареи, при котором на электроды рядами укладывают сепараторы из полимерной пленки с зазором 0,1-0,4 мм, затем осуществляют склеивание их продольных кромок и заполняют клеем зазоры между ними для получения разделенных сепараторами биполярных пластин [1].

К недостаткам предлагаемого способа изготовления аккумуляторной батареи можно отнести нетехнологичность сборки, высокое внутреннее сопротивление батареи за счет наличия сепараторов и, соответственно, пониженные удельные электрические характеристики.

Техническая задача, которую необходимо было решить в предлагаемом изобретении, заключалась в разработке свинцовой аккумуляторной батареи с повышенной удельной энергией на единицу массы и объема с одновременным повышением надежности и упрощением конструкции батареи.

Указанная задача решается следующим образом.

Свинцовую аккумуляторную батарею, состоящую из корпуса, в котором размещены биполярные электроды с рамками, разделенные слоем электролита, соединенные последовательно для получения заданных значений напряжения, с четным количеством элементов и параллельно - для увеличения электрической емкости, с четным количеством слоев, а также токоотводов с клеммами, снабжают электроизоляционными пластинами, которые располагают на противоположных стенках аккумулятора; они предназначены для размещения с одной стороны только односторонних биполярных электродов, с другой - односторонних биполярных и монополярных электродов, а рамки располагают между указанными пластинами; на рамках размещают двусторонние биполярные пластины и двусторонние биполярные и монополярные пластины, при этом рамки с двусторонними биполярными и монополярными пластинами устанавливают через одну; монополярные пластины в конструкции образуют симметричные положительные и отрицательные выводы.

Биполярные электроды содержат на одной стороне положительную и отрицательную активную массу.

Общее количество электродов (А) и количество биполярных электродов (В) при четном количестве элементов в слое (n) и четном количестве слоев (m) рассчитывается по уравнениям: A=m(n+1)/2 и B=m(n-1)/2.

При разработке поставленной задачи были рассмотрены два возможных варианта построения блоков аккумуляторной батареи для уточнения ее конструкции: с симметричным и асимметричным расположением шинных электродов.

В таблице 1 приведены сравнительные расчетные данные для такого типа изделий.

Исходя из табличных данных для блока, представленного на фиг.1 с напряжением разомкнутой цепи 8,8 В с симметричным расположением шин и для изделия с асимметричным их расположением и близким напряжением 6,6 В (следующее кратное напряжение для этого варианта - 11,0 В) разница в условном количестве электродов на 1В составила 0,114 (фактически при теоретически одинаковом напряжении она была бы больше). При построении аккумулятора 6СТ-55 размер одного электрода составил 3,725 см × 15,0 см × 0,035 см (1,956 см³), а количество электродов - 600. Таким образом, количество блоков составит 85 шт. (7 электродов в блоке). Разница в условном количестве всех электродов для симметричного и асимметричного расположения шинных электродов составит:

8,8×85×0,114=85, а "лишний" вес будет равен 1,956 см³ × 11,34 г/см³ × 85=1885 г, т.е. около 2 кг (11,34 г/см³ - удельный вес свинца).

Таким образом, конструктивно аккумуляторную батарею с биполярным расположением электродов целесообразно выполнять симметрично относительно выводов каждой полярности, при этом число слоев и элементов в слое должно быть четным.

В этом случае упрощается процесс сборки, повышается надежность батареи, а относительный вес ее снижается. Количество слоев с положительными и отрицательными выводами чередуются со слоями, в которых находятся только биполярные электроды.

Общее количество электродов и биполярных электродов при проектировании свинцовой аккумуляторной батареи должно рассчитываться по формулам:

A=m(n+1)/2 и B=m(n-1)/2, где n - количество элементов в слое, m - количество слоев.

Имеется хорошее совпадение расчетных и практических результатов в количествах электродов (см. таблицу 2).

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлен один из вариантов размещения электродов из четырех последовательных ячеек и с четырьмя параллельными токовыми ветвями.

Внутри корпуса (1) располагаются контактирующие с электролитом (6) активные поверхности односторонних (2) и двусторонних (3) биполярных электродов, а также монополярных электродов (4) и (5). Односторонние биполярные пластины с электроизоляционными пластинами (11) и (12) соединены клеевым сопряжением поверхности (10) и располагаются на противоположных стенках аккумулятора. Между ними помещаются рамки с перемычками, которые предназначены для размещения чередующихся двусторонних биполярных и совместно двусторонних биполярных и монополярных электродов. Противоположность знака заряда биполярных электродов в электролите обеспечивается перемычками рамки (7) с клеевым сопряжением поверхности (10). Контактные группы однополярных положительных и отрицательных электродов соединены с клеммами (8) и (9) через соединители (13) и (14).

Группы электродов в смежных ячейках соединяются последовательно, блоки из таких групп - параллельно. Количество промежуточных биполярных электродов набирается из расчета заданного напряжения в отдельном блоке, а количество блоков выбирается из расчета построения батареи для достижения заданной электрической емкости.

На фиг.2 приведен пример монтажной схемы сборки батареи из четырех последовательно соединяемых ячеек и двух параллельных токовых ветвей.

На пластину (11) через клеевое соединение (10) устанавливается изоляционная рамка с окошками и с односторонними биполярными электродами (2), повернутыми на чертеже вниз.

Затем на предыдущей сборке закрепляется рамка с окошками и с двусторонним биполярным (3) и монополярными (4) и (5) электродами. Последние имеют разную полярность. Двусторонняя биполярность пластины (3) достигается клеевым сопряжением с верхней (7) и нижней перемычками, разделяющими пластину.

В конце сборки закрепляется изоляционная рамка с биполярными пластинами, повернутыми на фиг.2 вверх. Крепление пластин - аналогично верхней рамке.

Между нижней рамкой и рамкой с монополярными электродами могут располагаться еще и рамки только с двусторонними биполярными электродами (см. фиг.1).

Количество слоев из рамок с двусторонними биполярными электродами и монополярными электродами и биполярных электродов в рамке может быть практически неограничено.

Приведенный на фиг.2 макет сборки в рабочем состоянии располагается в вертикальном положении относительно рамок, поэтому в их окошках не только свободно перемещается электролит, но и собирается шлам, который не замыкает электроды.

Пример практической реализации

Согласно заявляемому изобретению была изготовлена аккумуляторная батарея с фольговыми электродами на основе свинца.

Электроды, закрепленные на рамках, расположены в соответствии со схематическим изображением на фиг.1.

Напряжение разомкнутой цепи на клеммах батареи составляло 13,2 В.

Габариты батареи соответствовали размерам серийно выпускаемых стартерных аккумуляторов 6СТ-55 (262 мм × 170 мм × 158 мм).

Удельная энергия составляла 57 Втч/кг (205 кДж/кг).

Толщина фольги составила 350 мкм. Работоспособность аккумуляторной батареи сохранялась и при низких температурах.

Полученные практические результаты испытаний позволят применять такие аккумуляторы для запуска дизельных двигателей в условиях Крайнего Севера.

Они могут быть использованы для двигательных модулей транспортных средств с рекуперацией тока при их торможении, в результате чего можно было бы несколько снизить мощность двигателя.

Источники информации

1. Патент России, №2094913, кл. Н01М 10/18, 1997 (прототип).

2. Г.М.Подобрий, B.C.Белобородый и др. Теоретические основы торпедного оружия, Военное издательство Министерства обороны СССР, М., 1969 г.

3. Патент США, №3421944, кл. 136-6, 1969.

4. Патент Англии, №208194, кл. Н01М 4/20, 1982.

5. Патент Японии, №59-64436, кл. Н01М 10/18, 1984.

6. Авторское свид. СССР, №1644259, кл. Н01М 10/18, 1991.

7. Патент России, №2001469, кл. Н01М 10/18, 1991.

8. Патент Австралии №60592/73, кл. Н01М 35/08, 1972.

Таблица 1 Сравнительные характеристики аккумуляторов с разным расположением шинных электродов
№№ п/п	Симметричное расположение шинных электродов	Асимметричное расположение шинных электродов	Разница в условном кол-ве электродов на 1В
Кол-во ячеек	Общее кол-во электродов	Напряжение, B	Условное кол-во электродов на 1В	Кол-во ячеек	Общее кол-во электродов	Напряжение, В	Условное кол-во электродов на 1В
1	4	7	8,8	0,795	3	6	6,6	0,909	0,114
2	6	10	13,2	0,757	5	9	11	0,818	0,061
3	8	13	17,6	0,738	7	12	15,4	0,779	0,041
4	12	19	26,4	0,714	11	18	24,2	0,744	0,030
5	20	31	44	0,704	19	30	41,8	0,718	0,014
6	26	40	57,2	0,699	25	39	55	0,709	0,010
7	100	151	220	0,686	99	150	217,8	0,689	0,003
Примечание: выбраны близкие значения напряжения разомкнутой цепи (уточнение см. в тексте).

Таблица 2 Расчётные и фактические значения количества электродов в аккумуляторных батареях
По патенту [7]
m	n	Ар	Аф	Вр	Вф		m	n	Ар	Аф	Вр	Вф		m	n	Ар	Аф	Вр	Вф
4	4	9,5	10	6,5	6		6	4	14,5	15	9,5	9		8	4	19,5	20	12,5	12
	6	13,5	14	10,5	10			6	20,5	21	15,5	15			6	23,5	24	20,5	20
	8	17,5	18	14,5	14			8	26,5	27	21,5	21			8	35,5	36	28,5	28
10	21,5	22	18,5	18	10	32,5	33	27,5	27	10	43,5	44	36,5	36
По предлагаемому изобретению
m	n	Ар	Аф	Вр	Вф		m	n	Ар	Аф	Вр	Вф		m	n	Ар	Аф	Вр	Вф
4	4	10	10	6	6		6	4	15	15	9	9		8	4	20	20	12	12
	6	14	14	10	10			6	21	21	15	15			6	24	24	20	20
	8	18	18	14	14			8	27	27	21	21			8	36	36	28	28
10	22	22	18	18	10	33	33	21	21	10	44	44	36	36
m - число слоев электродов; n - число элементов батареи в слое; А - число всех электродов; В - число биполярных электродов; р - расчётное значение ; ф - фактическое значение. Расчёт по патенту [7] при чётном "n" (чётном и нечётном "m"): A=[m(n+1)-1]/2 и В=[m(n-1)+1]/2. Расчёт по предлагаемому изобретению при чётных "n" и "m": A=m(n+1)/2 и B=m(n-1)/2 или A=[m(n+1)-1]/2+0,5 и В=[m(n-1)+1]/2-0,5.

1. Свинцовая аккумуляторная батарея, состоящая из корпуса, в котором размещены биполярные электроды с рамками, разделенные слоем электролита, соединенные последовательно для получения заданных значений напряжения, с четным количеством элементов и параллельно для увеличения электрической емкости, с четным количеством слоев, а также токоотводов с клеммами, отличающаяся тем, что батарея снабжена электроизоляционными пластинами, которые располагаются на противоположных стенках аккумулятора и предназначены для размещения с одной стороны только односторонних биполярных электродов, с другой - односторонних биполярных и монополярных электродов, при этом биполярные электроды содержат на одной стороне положительную и отрицательную активную массу, а рамки располагаются между указанными пластинами и предназначены для размещения двусторонних биполярных электродов и двусторонних биполярных и монополярных электродов, при этом рамки с двусторонними биполярными и монополярными электродами устанавливаются через одну, а монополярные электроды образуют симметричные положительные и отрицательные выводы.

2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что общее количество электродов (А) и количество биполярных электродов (В) рассчитывается по уравнениям: A=m(n+1)/2 и B=m(n-1)/2, где n - количество элементов в слое, m - количество слоев.