Литий-ионный аккумулятор

Авторы патента:

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при производстве литий-ионных аккумуляторов призматической формы, а также других химических источников тока, где имеет место приращение размера электродного блока в процессе эксплуатации.

Литий-ионный аккумулятор, включающий призматический корпус, блок электродов и т.д., отличается тем, что имеет в своем составе «компенсатор утолщения». Компенсатор располагается между корпусом и блоком электродов, опираясь через изоляционную прокладку на блок электродов, а упругими элементами на корпус аккумулятора, при этом плоскость компенсатора и рабочие плоскости электродов параллельны. Межэлектродное давление уравновешивается упругими свойствами компенсатора. Если давление возрастает, то компенсатор сжимается за счет остаточной деформации, обеспечивая тем самым компенсацию увеличения размера электродного блока.

Полезная модель позволяет повысить удельные энергетические характеристики и надежность аккумулятора за счет обеспечения постоянного и равномерного межэлектродного давления, а следовательно одинаковых условий работы всех участков электрода на любом электроде в блоке.

При циклировании литий-ионных аккумуляторов его электроды изменяют свою толщину в зависимости от состояния заряженности, при этом в течение нескольких десятков начальных циклов наблюдается постепенное приращение толщины электродных блоков, достигающее 10 -15% первоначального размера. Это явление приводит к возрастанию межэлектродного давления, или к деформации корпуса. Особенно ярко это наблюдается на призматических аккумуляторах крупных размеров имеющих плоские стенки. Стенки становятся выпуклыми, что обуславливает неравномерность распределения межэлектродного давления по поверхности электродов и, соответственно, неравномерную их работу. Во избежание сказанного, блок электродов выполняют заведомо меньшей толщины и производят свободную сборку аккумулятора. Такой способ хоть и позволяет избежать деформации корпуса, однако, не обеспечивает равномерного распределения межэлектродного давления, особенно при большом числе электродов в блоке, когда абсолютный прирост толщины блока в десятки раз превышает толщину электродной пары.

Известна конструкция литий-ионного призматического аккумулятора, в котором для предотвращения деформации стенок корпуса электроды расположены параллельно крышке и дну [РФ патент на полезную модель №693 23]. При таком расположении электродного блока обеспечивается направление межэлектродного давления нормально ко дну и крышке, т.е. к наименьшим по размерам и наиболее жестким поверхностям призматического корпуса. Однако, при большом количестве электродов в аккумуляторе (десятки, сотни) абсолютная величина приращения толщины достигает 10 и более мм. В этом случае слишком «рыхлая» сборка создает неравномерности межэлектродного давления как в разных частях межэлектродных зазоров, так и в разных частях электродного блока, а слишком «жесткая» сборка приводит к росту межэлектродного давления, что в свою очередь требует увеличения прочности корпуса, т.е. увеличения его массы и снижения энергетических характеристик.

Известен аккумулятор, содержащий в своем составе упругий элемент, который выбирает сборочный зазор и обеспечивает электрический контакт между крышкой и одним из электродов блока, а также прижатие электродов разного знака через сепаратор друг к другу [Ю.П.Хранилов «Электрохимическое преобразование энергии» 1979, стр.44-45, Горьковский университет»]. При этом упругий элемент (волнообразная кольцевая пружина, или звездчатая выштамповка) изменяет свои размеры только в пределах действия

упругой деформации, при этом абсолютная величина возможного изменения соизмерима с толщиной материала, из которого элемент выполнен. В качестве прототипа заявленному техническому решению взят описанный выше никель-кадмиевый аккумулятор дисковой конструкции, содержащий в своем составе упругий элемент.

Общим недостатком рассмотренных аналога и прототипа является то, что они не обеспечивают постоянного по величине и равномерного по площади электродов межэлектродного давления в случае, если прирост толщины электродного блока на порядок и более превышает толщину материала упругого элемента. Недостатком прототипа является также обязательный электрический контакт с электродом и относительно небольшая площадь этого контакта. Последнее требует применения жесткого электрода, каковыми электроды литий-ионного аккумулятора не являются.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение удельной энергии, удельной мощности и надежности литий-ионных аккумуляторов и батарей за счет обеспечения равномерного межэлектродного давления постоянной величины при изменении толщины электродного блока в пределах до 20% его первоначальной толщины. Задача решается тем, что в состав аккумулятора вводится «компенсатор утолщения», который обеспечивает постоянное межэлектродное давление за счет упругой деформации, а также обеспечивает компенсацию прироста толщины электродного блока за счет остаточной деформации.

На фиг.1 представлено трехмерное изображение одного из вариантов исполнения компенсатора. В плоской детали 1 сделан ряд параллельных прорезей, участки между прорезями отогнуты на одинаковый угол, чем образованы упругие опоры 2 компенсатора. Размеры А и В определяются размерами поперечного сечения призматического корпуса аккумулятора с учетом необходимых зазоров, размер С соответствует расчетному размеру, который будет выбран при циклировании аккумулятора за счет приращения толщины электродов. Материал компенсатора должен быть стоек к воздействию электролита, например, нержавеющая сталь. Толщина материала и ширина упругой опоры 2 подбираются экспериментальным путем при разработке аккумулятора в зависимости от размеров корпуса и количества электродов.

На фиг.2 схематически показано расположение компенсатора в аккумуляторе.

Фиг.3 и фиг 4 иллюстрируют принцип действия компенсатора. Стрелкой показано направление действия межэлектродного давления.

Вид на фиг.3 соответствует начальному состоянию компенсатора после сборки аккумулятора, вид на фиг.4 отражает состояние компенсатора, когда межэлектродное давление преодолевает упругое сопротивление компенсатора и разгибает его упругие опоры, компенсируя тем самым прирост толщины электродного блока.

На фиг.1 - 4 цифрами обозначены: 1 - плоскость компенсатора; 2 - упругие опоры; 3 - корпус аккумулятора;4 - блок электродов; 5 - изолирующая прокладка

1. Литий-ионный аккумулятор, включающий электродный блок, состоящий из разделенных сепараторами положительных и отрицательных электродов, отличающийся тем, что содержит своем составе «компенсатор утолщения», представляющий собой плоскую деталь, имеющую несколько параллельных надрезов, некоторые участки между надрезами отогнуты, чем образованы упругие опоры, и расположенный между блоком электродов и одной из граней призматического корпуса аккумулятора, обеспечивая тем самым постоянное сжатие электродного блока за счет упругой деформации компенсатора, а также возможность увеличения размера блока в направлении его утолщения за счет остаточной деформации компенсатора.

2. Литий-ионный аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что высота отогнутой упругой опоры относительно плоскости компенсатора первоначально составляет 5-20% толщины электродного блока, определяемой при сжатии блока во время сборки аккумулятора.

3. Литий-ионный аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что компенсатор выполнен из листового материала, аналогичного материалу корпуса.

4. Литий-ионный аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что для придания упругих свойств и устойчивости отогнутым опорам отношение толщины материала к ширине отогнутой опоры должно быть не менее 10.

5. Литий-ионный аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что отогнутые упругие опоры компенсатора опираются на корпус аккумулятора, а плоское основание компенсатора опирается на блок электродов, при этом рабочие плоскости электродов и опорная плоскость компенсатора параллельны.

6. Литий-ионный аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что между блоком электродов и плоским основанием компенсатора находится прокладка из изоляционного материала.

7. Литий-ионный аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что площадь проекции компенсатора составляет 60-100% геометрической площади электрода.