Устройство тягового литий-ионного аккумулятора

Полезная модель относится к перезаряжаемым литиевым электрохимическим источникам тока - литий-ионным аккумуляторам (ЛИА). Согласно полезной модели ЛИА включает герметичный корпус с крышкой, в котором размещен рулонный блок из одной или более пар положительных и отрицательных электродов, разделенных пористым сепаратором, пропитанным органическим электролитом, при этом рулонный блок из предварительно плотно намотанных на оправку электродов после снятия его с оправки подпрессован в поперечном направлении, а на торцах блока нанесено покрытие из меди или алюминиево-цинкового сплава, отличающийся тем, что пористые сепараторы в блоке выполняют функцию электродных подложек. Активные массы электродов обоих знаков нанесены на подложки только с одной стороны подложки. В активные массы положительных электродов известных составов на этапе приготовления суспензий дополнительно введены не окисленные частицы алюминия с размерами от 0,1 до 10 мкм в количестве не менее 0,0025 г/см² покрываемой поверхности, а в активные массы отрицательного электрода известных составов на этапе приготовления суспензий дополнительно введены не окисленные частицы металлов с размером от 0,1 до 10 мкм, алюминия, в количестве не менее 0,0025 г/см² покрываемой поверхности для электродов на основе нанотитаната лития, и меди в количестве не менее 0,0135 г/см² покрываемой поверхности для электродов на основе углерода, кремния или их смеси. Пары электродов различных знаков собраны в блок сторонами, обратными сторонам, на которые нанесены слои активных масс. Электроды различных знаков, не имеющих закраин, в сборке смещены один относительно другого в поперечном направлении, при этом, смещение не превышает 3 мм. Электроды различных знаков могут быть снабжены закраинами размером не более 3 мм, при этом, электроды в сборке расположены так, что закраины находятся по разные стороны от продольной оси электродов, а подложки в поперечном направлении не смещены одна относительно другой. В каждой паре электродов различных знаков один электрод длиннее другого электрода не менее, чем на величину (1,5D₁+D₂), где D₁ - диаметр оправки, а D₂ - диаметр блока электродов в конце намотки, при этом после намотки блока расстояние между торцевыми сечениями этих электродов с одного конца составляют величину не менее 1,5 D₁, а с другого - D₂. В каждой паре электродов различных знаков, не имеющих закраин, установлены прокладки, изолирующие торцевое сечение электрода меньшей длины от поверхности электрода большей длины. Сепараторы, разделяющие внешние поверхности слоев активных масс каждой пары электродов различных знаков, состоят из двух слоев. 1 н.п. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил, 1 табл.

Полезная модель относится к перезаряжаемым литиевым электрохимическим источникам тока - литий-ионным аккумуляторам (ЛИА).

Из известных ЛИА наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является ЛИА, включающий герметичный корпус с крышкой, в котором размещен рулонный блок из одной или более пар положительных и отрицательных электродов, разделенных пористым сепаратором, пропитанным органическим электролитом, при этом рулонный блок из предварительно плотно намотанных на оправку электродов после снятия его с оправки подпрессован в поперечном направлении, электроды снабжены токопроводящими подложками, а на торцах блока нанесено покрытие из меди или алюминиево-цинкового сплава (см. патент РФ 129301 U, Кл. H01M 10/52, 20.06.2013) (1).

Недостатки этого ЛИА заключаются, во-первых, в том, что половина поверхности 4-х слоев активных масс блокирована токопроводящими подложками; во-вторых, в том, что использование указанных подложек создает стоимостные, организационные и технологические трудности в производстве.

Указанные недостатки известного ЛИА иллюстрирует фиг.1.

На ней показано поперечное сечение пакета (из одной пары электродов и двух сепараторов) ЛИА.

Пакет включает: а) анод, состоящий из подложки 1 и слоев активной массы 2 на каждой стороне подложки;

б) катод, состоящий из подложки 3 и слоев активной массы 4 на каждой стороне подложки;

в) два сепаратора 5.

Подложки в данном случае, либо фольговые, либо из металлизированных полимерных лент.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение удельных электрических ЛИА и снижение стоимости производства.

Указанный технический результат достигается тем, что пористые сепараторы в блоке выполняют функцию электродных подложек., при этом слои активных масс противоположного знака с обеих сторон будут разделены исключительно сепараторами, пропитанными органическим электролитом и, соответственно, в ЛИА будут работать все поверхности всех слоев активных масс электродов, при этом отвод тока от электродов обеспечивается за счет проводимости электродов, а необходимость в фольговых и металлизированных полимерных подложках отпадает.

Целесообразно, чтобы активные массы электродов обоих знаков были нанесены на подложки только с одной стороны подложки. Это позволяет объединять затем электроды в блок путем соединения обратными сторонам, на которые не нанесены слои активных масс.

Целесообразно, чтобы в активные массы положительных электродов известных составов на этапе приготовления суспензий дополнительно были введены не окисленные частицы алюминия с размерами от 0,1 до 10 мкм в количестве не менее 0,0025 г/см² покрываемой поверхности. Введение частиц алюминия в состав активной массы обеспечивает требуемую проводимость электрода.

Целесообразно, чтобы в активные массы отрицательного электрода известных составов на этапе приготовления суспензий дополнительно были введены не окисленные частицы металлов с размером от 0,1 до 10 мкм, алюминия, в количестве не менее 0,0025 г/см² покрываемой поверхности для электродов на основе нанотитаната лития, и меди в количестве не менее 0,0135 г/см² покрываемой поверхности для электродов на основе углерода, кремния или их смеси. Введение указанных частиц в состав активной массы обеспечивает требуемую проводимость электрода. В приведенной ниже таблице указаны металлы предпочтительно подходящие для внесения в активные массы электродов, технологии изготовления из этих металлов неокисленных порошков, а также способы защиты порошков от окисления в процессе их хранения и загрузки в миксер.

передел - выполняется только в нейтральной среде)
5. Требования к срокам хранения порошков, а также к условиям их хранения и при засыпке в миксер	Сроки хранения порошков - не более 24-х часов после извлечения из мельниц тонкого помола, влажность при хранении, транспортировке к миксеру и при засыпке в миксер - не более 15%

Целесообразно, чтобы пары электродов различных знаков были собраны в блок сторонами, обратными сторонам, на которые нанесены слои активных масс. Это обеспечивает работу обеих сторон слоев активных масс на электродах.

Целесообразно, чтобы электроды различных знаков, не имеющих закраин, в сборке были смещены один относительно другого в поперечном направлении, при этом, смещение не превышает 3 мм. Смещение электродов снижает вероятность короткого замыкания электродов.

Целесообразно, чтобы электроды различных знаков были снабжены закраинами, размеры которых на электродах не превышает 3 мм, при этом, электроды в сборке расположены так, что закраины находятся по разные стороны от продольной оси электродов, а подложки в поперечном направлении не смещены одна относительно другой». Наличие закраин снижает вероятность закорачивания электродов. Технологии нанесения слоев активных масс позволяют производить электроды, как с закраинами, так и без них.

Целесообразно, чтобы в каждой паре электродов различных знаков один электрод был длиннее другого электрода не менее, чем на величину (1,5D₁+D₂), где D₁ - диаметр оправки, а D₂ - диаметр блока электродов в конце намотки, при этом после намотки блока расстояние между торцевыми сечениями этих электродов с одного конца составляют величину не менее 1,5 D₁, а с другого - D₂. Это исключает возможность короткого замыкания электродов.

Целесообразно, чтобы в каждой паре электродов различных знаков, не имеющих закраин, были установлены прокладки, изолирующие торцевое сечение электрода меньшей длины от поверхности электрода большей длины. Наличие прокладки снижает вероятность короткого замыкания электродов.

Целесообразно, чтобы сепараторы, разделяющие внешние поверхности слоев активных масс каждой пары электродов различных знаков, состояли из двух слоев. Наличие разделяющих сепараторов снижает вероятность короткого замыкания электродов.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Сущность полезной модели поясняется чертежами и описанием конструкции и технологии изготовления ЛИА.

На фиг.1 представлено поперечное сечение упомянутого выше известного ЛИА.

На фиг.2 представлен вариант рулонного блока электродов заявляемой полезной модели ЛИА со всеми составляющими его деталями.

На фиг.3 представлены упрощенные схемы двух вариантов рулонного блока электродов заявляемой полезной модели ЛИА.

Для упрощения описания в обоих случаях блоки «размотаны» и вытянуты в линию.

Блок на фиг.2 состоит из: а) двух слоев активных масс различных знаков 2 и 4, сформированных экструзией суспензий на ленту полипропиленовых сепараторов 5 и затем подвергнутых сушке. Суспензия представляет собой продукт корректировки состава суспензий для известных ЛИА. Корректировка может быть необходима в связи с добавлением в суспензии в указанных выше количествах неокисленных медных и алюминиевых порошков с соблюдением правила - удельная емкость электродов должна оставаться в пределах 1,1÷1,6 мАч/см²;

б) общего двойного сепаратора 5 общей толщиной (2×10) мкм, который, если свернуть развернутый для описания блок электродов в рулон, обеспечит работу второй пары поверхностей слоев активных масс.

в) прокладки 6, которая предотвращает короткое замыкание электродов в начале и в конце процесса намотки.

В части прокладки нужны дополнительные пояснения.

Согласно требованиям патента РФ (1) электроды различных знаков в блоке, в целях исключения коротких замыканий, должны быть сдвинуты относительно друг друга.

В данной полезной модели предусмотрено два варианта выполнения указанного требования (см. фиг.3).

Вариант I - смещение обеспечивается за счет закраин на одной стороне электродов (до 3 мм), при этом подложки (сепараторы) - не смещены.

Вариант II - закраины на электродах отсутствуют, слои активных масс вместе с подложками-сепараторами смещены один относительно другого в поперечном направлении.

Из того, что представлено на фиг.3, следует вывод - нельзя допустить, чтобы при намотке «старт» и «финиш» электродов разных знаков совпали, иначе между плоскостями крайних поперечных сечений электродов могут возникнуть короткие замыкания.

В каждой паре электродов различных знаков второй должен стартовать позже, а финишировать раньше.

При выполнении этого условия опасность коротких замыканий исключается для варианта I.

Однако в варианте II в точках A₁ и A₂ (фиг.3) опасность коротких замыканий остается.

Для их предупреждения предложены прокладки 6.

Однако для того, чтобы не включать в пакет наших предложений еще один эскиз блока электродов ЛИА, соответствующий варианту II, мы сочли возможным показать прокладки 6, используя фиг.2 (на которой представлен вариант I).

Полагаем, что с учетом уже сделанных пояснений это допустимо.

Для построения дальнейшего изложения позволим небольшой повтор. Представленный фиг.2 «размотанный» блок электродов состоит из положительного и отрицательного электродов, каждый из которых состоит из подложек-сепараторов 5 и нанесенных на одну из их сторон слоев активных масс (2 и 4).

Вторые, тыльные стороны подложек сепараторов свободны.

Как уже указывалось, в блок электроды сложены этими тыльными сторонами.

Кстати, это одно из достоинств конструкции, так как сложенные сепараторы, как известно, блокируют слабые места друг друга. С этой же целью общий сепаратор 5 тоже собран из двух пластин.

Это хорошая страховка на случай получения элементов больших емкостей, когда вероятность проявления дефектов сепараторов даже при их высоком качестве возрастает.

При намотке на оправку диаметром D₁ лент электродов блока и общего двойного сепаратора все они по отношению к плоскости фиг.2 движутся справа налево.

Первыми в контакт с оправкой должны вступить ленты двойного сепаратора 5. Желательно, чтобы оправка сделала не менее 2-х оборотов, при этом на нее будет намотан отрезок сепаратора 5 длиной не менее 2 D₁.

После этого должна быть продолжена намотка сепаратора 5 и начата намотка положительного электрода.

Как только вместе с продолжающейся намоткой сепаратора 5 на оправку будет намотан отрезок положительного электрода длиной не менее 1,5 D₁, должна быть начата совместная намотка сепаратора 5, положительного и отрицательного электрода. Должно быть намотано (на этом этапе) по 10,2 м каждой из четырех лент (см. фиг.2).

В конце данного этапа отрицательный электрод отрезается, донаматывается отрезок положительного электрода длиной не менее тЮ₂, где D₂ - диаметр окончательно намотанного рулонного блока, после чего положительный электрод тоже обрезается.

Далее следует донамотка сепаратора 5 длиной отрезка не менее 2 D₂ и обрезка сепаратора.

Этим процесс намотки завершается.

В случае, если рулонный блок соответствует варианту II (см. фиг.3), последовательность операций и переходов та же, только перед началом намотки отрицательного электрода и после его отрезки в конце намотки под него надо положить прокладку 6.

Следует заметить, что в данном случае емкость элемента определяет полная длина отрицательного электрода.

Если общий сепаратор на фиг.2 разместить вверху, то в этом случае эту же роль будет играть положительный электрод.

Итак, показано, что существует технологическая возможность создать рулонные блоки ЛИА, у которых: работают все поверхности всех активных слоев всех электродов, т.е. заявленная полезная модель может быть осуществлена на практике и следовательно удовлетворяет условию «промышленная применимость».

1. Литий-ионный аккумулятор (ЛИА), включающий герметичный корпус с крышкой, в котором размещен рулонный блок из одной или более пар положительных и отрицательных электродов, разделенных пористым сепаратором, пропитанным органическим электролитом, при этом рулонный блок из предварительно плотно намотанных на оправку электродов после снятия его с оправки подпрессован в поперечном направлении, а на торцах блока нанесено покрытие из меди или алюминиево-цинкового сплава, отличающийся тем, что пористые сепараторы в блоке выполняют функцию электродных подложек.

2. ЛИА по п.1, отличающийся тем, что активные массы электродов обоих знаков нанесены на подложки только с одной стороны подложки.

3. ЛИА по п.1, отличающийся тем, что в активные массы положительных электродов известных составов на этапе приготовления суспензий дополнительно введены не окисленные частицы алюминия с размерами от 0,1 до 10 мкм в количестве не менее 0,0025 г/см² покрываемой поверхности.

4. ЛИА по п.1, отличающийся тем, что в активные массы отрицательного электрода известных составов на этапе приготовления суспензий дополнительно введены не окисленные частицы металлов с размером от 0,1 до 10 мкм, алюминия в количестве не менее 0,0025 г/см² покрываемой поверхности для электродов на основе нанотитаната лития и меди в количестве не менее 0,0135 г/см² покрываемой поверхности для электродов на основе углерода, кремния или их смеси.

5. ЛИА по п.1, отличающийся тем, что пары электродов различных знаков собраны в блок сторонами, обратными сторонам, на которые нанесены слои активных масс.

6. ЛИА по п.5, отличающийся тем, что электроды различных знаков, не имеющих закраин, в сборке смещены один относительно другого в поперечном направлении, при этом смещение не превышает 3 мм.

7. ЛИА по п.5, отличающийся тем, что электроды различных знаков снабжены закраинами, при этом электроды в сборке расположены так, что закраины находятся по разные стороны от продольной оси электродов, а их подложки в поперечном направлении не смещены одна относительно другой.

8. ЛИА по п.7, отличающийся тем, что размеры закраин на электродах не превышают 3 мм.

9. ЛИА по п.1, отличающийся тем, что в каждой паре электродов различных знаков один электрод длиннее другого электрода не менее чем на величину (1,5D₁+D₂), где D₁ - диаметр оправки, a D₂ - диаметр блока электродов в конце намотки, при этом после намотки блока расстояние между торцевыми сечениями этих электродов с одного конца составляют величину не менее 1,5 D₁, а с другого - D₂.

10. ЛИА по п.5, отличающийся тем, что в каждой паре электродов различных знаков, не имеющих закраин, установлены прокладки, изолирующие торцевое сечение электрода меньшей длины от поверхности электрода большей длины.

11. ЛИА по п.1, отличающийся тем, что сепараторы, разделяющие внешние поверхности слоев активных масс каждой пары электродов различных знаков, состоят из двух слоев.