Первичная литиевая батарея
Полезная модель относится к устройству электрических батарей, используемых в качестве источника электрической энергии для питания различных устройств и объектов, например, в диагностической аппаратуре внутритрубных нефте- и газопроводов. Первичные литиевые элементы, установленные в корпусе батареи, снабжены клапанами сброса избыточного давления, контактирующими со слоем эластичного компаунда, обеспечивающим с одной стороны герметичность элементов при предельных условиях эксплуатации, а с другой стороны срабатывание клапана при нештатной ситуации, что повышает надежность и пожаровзрывобезопасность батареи.
Полезная модель относится к первичным литиевым батареям, применяемым в диагностической аппаратуре внутритрубных дефектоскопов нефте- и газопроводов, и может быть использована в качестве источника электрической энергии для питания различных устройств.
Наиболее энергоемкими источниками питания являются батареи, изготовленные из литиевых элементов. Однако, наряду с высокой удельной энергией данному классу источников питания присущи такие недостатки, как повышенная пожаро- и взрывоопасность, связанные с тем, что в качестве электродных материалов и электролита используются горючие материалы, в том числе металлический литий (щелочной металл). Поэтому литиевые элементы выпускаются в герметичном исполнении и при их изготовлении, сборке из них батарей и последующей эксплуатации батарей должны строго соблюдаться меры пожаровзрывобезопасности: недопущение внешнего и внутреннего короткого замыкания (КЗ), нагрева от внешнего источника тепла, заряда, глубокого разряда с переполюсовкой.
Известны батареи, состоящие из литий-диоксидномарганцевых элементов, соединенных последовательно и размещенных в цельнометаллическом корпусе. В качестве мер пожаровзрывобезопасности от внешнего КЗ в конструкции элементов имеется термочувствительный сепаратор, обеспечивающий резкое повышение внутреннего сопротивления элемента при достижении температуры 90-100°С. Кроме того, батареи снабжены плавкими предохранителями, защищающими их от внешнего короткого замыкания (Батареи 12 МРЛ-400, ИЛВЕ.563214.009 ТУ, изготовитель ОАО "Литий-Элемент", г.Саратов).
Одним из недостатков вышеописанной конструкции является отсутствие в корпусе элементов клапана сброса избыточного давления, что
делает их чрезвычайно взрывоопасными при достижении внутри элементов в силу разных причин (внешний нагрев, внутреннее КЗ) температуры более 150°С.
Известны также батареи литий-диоксидномарганцевой системы, в которой элементы имеют клапан сброса избыточного давления. Элементы расположены в пластмассовом корпусе, в электрической цепи батареи имеется самовосстанавливающийся предохранитель (Т. Jwamura, О. Kajii, J. «Practical Lithium Batteries», p.53 (1989).
Несмотря на широкое применение, батареи данной конструкции по пожаровзрывобезопасности также имеют недостатки. Они заключаются в том, что клапан сброса избыточного давления эффективно работает только на неразряженных элементах, т.е. там, где имеется объем свободного электролита. А на элементах, разряженных на 50% емкости и более, давления паров легколетучих компонентов электролита не хватает для вскрытия клапана из-за того, что объем свободного электролита переходит в поры разбухшей катодной массы и при превышении критической температуры 150°С внутри элемента может произойти взрыв и последующий пожар.
Известны элементы литий-тионилхлоридной системы емкостью от 6 до 200 А·ч, имеющие в конструкции клапан сброса избыточного давления (Тезисы доклады II Совещания по литиевым источникам тока, Саратов, 1992, стр.10).
На базе этих элементов разработаны и производятся батареи, принятые в качестве ближайших аналогов предложенной, которые представляют собой жесткую монолитную конструкцию, состоящую из пластмассового корпуса, в котором находятся элементы, соединенные в электрические цепи. Для предотвращения возможного заряда в каждой из цепей имеется последовательно включенный диод. Кроме этого, каждый элемент имеет параллельно подключенный диод для предотвращения переразряда элементов. Батареи снабжены также термопредохранителями
в виде плавких вставок для защиты от КЗ. Корпус батареи с находящимися в нем элементами заливается эпоксидным компаундом (Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики. Материалы IV Международной конференции 21-23 июня 1999 года, Саратов, 1999, стр.50-51).
Конструкция данных батарей позволяет достаточно безопасно проводить сборку батарей, так как элементы снабжены клапаном сброса избыточного давления, что предотвращает возможный взрыв при нарушении технологии сборки батарей (случайное КЗ, перегрев при пайке, сварке и т.д.). При этом батареи имеют хорошие эксплуатационные характеристики, в частности, высокую стойкость к внешним воздействующим факторам, так как корпус батареи полностью залит эпоксидным компаундом и представляет собой монолит.
Недостаток предложенной конструкции заключается в том, что жесткая монолитная конструкция, залитая эпоксидным компаундом, не может обеспечить эффективную работу клапана сброса избыточного давления из-за того, что место, где расположен клапан в элементе, заблокировано эпоксидным компаундом при сборке батарей.
В результате этого при повышении давления, особенно при разряде батарей предельными эксплуатационными токами, может происходить самопроизвольная разгерметизация элементов по металл-стеклянному гермовыводу, расположенному на крышке элементов, приводящая к вытеканию электролита и последующему КЗ элементов через нарушенную электролитом изоляцию коммутирующих проводов. Как следствие, возможен взрыв батареи.
В случае если разгерметизация элементов по гермовыводам не произошла, выделяющееся в элементе тепло может привести к тепловому разгону элемента, перегреву соседних элементов и созданию внутри них избыточного давления. Аккумулируемая в таких элементах энергия может достичь критической величины, способной привести к разрушению жесткой монолитной конструкции батареи. Сила взрыва и последствия от
него будут более разрушительны для оборудования, в котором используются батареи, чем в том случае, если бы элементы вскрывались неодновременно.
С помощью заявленной полезной модели решаются следующие задачи:
а) исключение внешнего КЗ элементов в батарее в случае их разгерметизации;
б) обеспечение эффективного срабатывания клапана сброса избыточного давления в элементах при нештатных условиях эксплуатации батареи.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности и пожаровзрывобезопасности первичной литиевой батареи.
Поставленные задачи и технический результат достигаются в предложении тем, что первичная литиевая батарея содержит корпус, внутри которого размещены первичные литиевые элементы, которые соединены, по крайней мере, в две параллельные электрические цепи. Последние связанны с токовыводами через термопредохранитель и снабжены защитными средствами в виде последовательно включенного в каждую цепь диода. Каждый первичный литиевый элемент параллельно соединен со своим диодом и снабжен клапаном сброса избыточного давления. Свободное пространство корпуса вместе с размещенными и коммутирующими элементами заполнено компаундом. Отличительной особенностью предложенной батареи является то, что часть каждого первичного литиевого элемента, включающая клапан сброса избыточного давления, зафиксирована в корпусе посредством слоя эластичного компаунда, обеспечивающего повышение давления срабатывания клапана от нижней границы технологического разброса.
К каждому первичному литиевому элементу последовательно подсоединен предохранитель, размещенный между положительным выводом этого элемента и параллельно подсоединенным к нему диодом.
В корпусе выполнены гнезда для установки первичных литиевых элементов, а слой эластичного компаунда размещен на дне каждого гнезда.
Свободное пространство корпуса заполнено легко деформируемым компаундом.
Провода, соединяющие первичные литиевые элементы, имеют химически стойкую к компонентам электролита изоляцию.
Блокирование клапана сброса избыточного давления эластичным (деформируемым) компаундом повышает давление срабатывания клапана на величину, позволяющую проводить разряд батарей предельными токами при предельной рабочей температуре без опасения возможной разгерметизации элементов по клапану. Величина повышения давления срабатывания клапана определяется составом компаунда и толщиной его слоя.
В случае если разгерметизация элемента по гермовыводу все же произошла, предотвратить растворение изоляционной оболочки коммутирующих проводов и КЗ элементов за счет этого возможно с помощью применения проводов, имеющих химически стойкую изоляцию, например, проводов с фторопластовой изоляцией типа МГТФ ТУ 16-505.185-71.
Дополнительным средством для исключения КЗ элементов является установка предохранителя на каждый элемент, причем предохранитель устанавливается между положительным выводом элемента и параллельно включенным диодом
В том случае, если все же с батареей произошла нештатная ситуация (в частности внутреннее КЗ в элементе), то конструкция батареи должна обеспечить эффективную работу клапана сброса избыточного давления при достижении внутри элемента предельной величины давления. Это достигается тем, что слой эластичного компаунда под элементом не препятствует деформации дна с разрывом (срабатыванием) клапана. Кроме этого, межэлементное пространство в корпусе батареи
должно быть заполнено легко деформируемым материалом, не создающим дополнительных затруднений для вскрытия клапана. В частности, могут быть использованы материалы типа Виксинт К-68 ТУ 38103 508-81, Пентэласт 711 ТУ 2513-011-40245042-99.
Полезная модель поясняется чертежами: на фиг.1 изображен фрагмент размещения первичных литиевых элементов в корпусе батареи, на фиг.2 - принципиальная электрическая схема литиевой батареи.
Первичные литиевые элементы 1 местом расположения клапана сброса избыточного давления 2 фиксируются на слой эластичного компаунда 3 в предварительно сформированном гнезде 4 корпуса батареи (фиг.1). Межэлементные соединения выполнены проводами 5 с фторопластовой изоляцией. С одной стороны, наличие дополнительного блокирующего устройства в виде слоя эластичного компаунда повышает величину давления срабатывания клапана сброса избыточного давления, обеспечивая герметичность элементов при предельных условиях эксплуатации. С другой стороны, наличие такого слоя и легко деформирующегося компаунда 6 вокруг элемента не создает дополнительных препятствий для вскрытия клапана при нештатной ситуации, когда внутри элемента лавинообразно повысится давление до предельных величин.
Изображенная на фиг.2 электрическая схема батареи включает параллельно соединенные цепи, каждая из которых состоит из первичных литиевых элементов 7 с параллельно соединенным с каждым из этих элементов диодом 8. В каждую электрическую цепь последовательно включен диод 9. Кроме. того, цепь содержит токовыводы 10 и термопредохранитель 11. В соответствие с предложенным решением к каждому первичному литиевому элементу последовательно подключен предохранитель 12, размещенный между положительным выводом первичного литиевого элемента 7 и параллельно подключенным диодом 8.
Использование в первичной литиевой батарее предложенных решений повышает надежность и пожаровзрывобезопасность батарей, тем самым, расширяя возможности их использования.
В качестве первичных литиевых элементов могут быть использованы элементы литий-тионилхлоридной или литий-сульфурилхлоридной электрохимических систем.
Предлагаемая батарея прошла экспериментальную апробацию с положительным результатом.
1. Первичная литиевая батарея, содержащая корпус, внутри которого размещены первичные литиевые элементы, соединенные, по крайней мере, в две параллельные электрические цепи, связанные с токовыводами через термопредохранитель, и снабженные защитными средствами в виде последовательно включенного в каждую цепь диода, при этом каждый первичный литиевый элемент параллельно соединен со своим диодом и снабжен клапаном сброса избыточного давления, а свободное пространство корпуса заполнено компаундом, отличающаяся тем, что часть каждого первичного литиевого элемента, включающая клапан сброса избыточного давления, зафиксирована в корпусе посредством слоя эластичного компаунда.
2. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что к каждому первичному литиевому элементу последовательно подсоединен предохранитель, размещенный между положительным выводом этого элемента и параллельно подсоединенным к нему диодом.
3. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе выполнены гнезда для установки первичных литиевых элементов, а слой эластичного компаунда размещен на дне каждого гнезда.
4. Батарея по п.1 или 2, отличающаяся тем, что свободное пространство корпуса заполнено легко деформируемым компаундом.
5. Батарея по п.1, отличающаяся тем, что провода, соединяющие первичные литиевые элементы, имеют химически стойкую к компонентам электролита изоляцию.
