АККУМУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК H01M10/18 H01M6/48 

Изобретение относится к химическим источникам тока.

Известны свинцовые аккумуляторы с двухполюсными электродами, каждый из которых включает две пластины, соединенные через изолирующую стенку [1,2].

Известен акуумулятор, включающий заполненные электролитом секции, ограниченные изолирующими кольцами и торцевыми электродами в виде покрытых активной массой электропроводных перегородок, общих для смежных секций и разделенных сепараторами [3] . Расположение перегородок между кольцами затрудняет сборку и герметизацию секций известного аккумулятора, способствует его саморазряду через электролит и осыпающуюся активную массу.

В предлагаемом аккумуляторе, в отличие от известного, каждое кольцо составлено из обоймы с внутренним выступом и вкладыша, каждый вкладыш соединен только с одной перегородкой, края которой огибают торцевую и наружную боковую поверхности вкладыша, и вставлен в обойму до упора перегородки в выступ обоймы, а край сепаратора расположен между обоймой одного кольца и вкладышем другого. Такое выполнение аккумулятора упрощает его сборку и улучшает герметизацию, замедляет саморазряд.

Обмотка обоймы волокнистым материалом позволяет уменьшить расстояние между электродами. Обертывание пакета обойм листом изолирующей пленки заменяет более сложное крепление пакета стяжными болтами. Расположение перегородки внутри обоймы облегчает нанесение активных масс на обе стороны перегородки.

Фиг. 1 - аккумулятор, общий вид, разрез; фиг.2 - узел I на фиг.1; фиг.3 - узел II на фиг.1; фиг.4 - разрез А-А на фиг.1; фиг.5 - вид по стрелке Б на фиг.4; фиг.6 - вариант выполнения аккумулятора; фиг.7 - вид по стрелке В на фиг.6; фиг.8 - вариант выполнения аккумулятора; фиг.9 - блок сепараторов аккумулятора; фиг.10 - обойма; фиг.11 - перегородка; фиг.12 - вкладыш.

Аккумулятор состоит из ряда секций 1, 2, заполненных электролитом. Секции ограничены изолирующими кольцами 3, 4 и торцевыми электродами в виде электропроводных перегородок 5, 6, покрытых активной массой 7, 8. Смежные секции 1 и 2 разделены общей перегородкой 6, которая является двухполюсным электродом. Перегородки разделены сепараторами 9, 10 из пористого материала. Электролитом служит водный раствор серной кислоты, перегородки изготовлены из свинца, активная масса 7 содержит губчатый свинец и покрывает сторону перегородки, имеющую отрицательную полярность, активная масса 8 содержит двуокись свинца и покрывает сторону перегородки, имеющую положительную полярность. Каждое кольцо составлено из обоймы 11, 12, 13 с внутренним выступом 14, 15 и вкладыша 16, 17. Каждый вкладыш 16 соединен только с одной перегородкой 5, края 18 которой огибают торцевую 19 и наружную боковую 20 поверхности вкладыша. Вкладыш вставлен в обойму до упора перегородки в выступ обоймы. Край 21 сепаратора зажат между обоймой одного кольца и вкладышем другого кольца. Обойма выполнена из композиционного волокнистого материала с ориентацией волокон 22 вдоль кольца (см. фиг.2). Это может быть достигнуто изготовлением обоймы путем намотки волокна, смоченного отверждаемым связующим, на вспомогательную втулку с последующей механической обработкой. В частности, обойма может быть изготовлена из полипропилена, армированного ориентированными стеклянными волокнами.

На одном торце 23 обоймы выполнен кольцевой паз 24, а на другом торце 25 - кольцевой выступ 26, входящий в кольцевой паз смежной обоймы. Кроме того, на торце 25 обоймы выполнен радиальный паз 27, а на торце 23 - радиальный паз 28, которые у смежных обойм служат продолжением один другого. Под этими пазами выполнены радиальный паз 29 в перегородке и радиальный паз 30 во вкладыше в виде торцевого углубления 31. На стыки 32, 33 обойм нанесено покрытие в виде общего для всех обойм листа 34, огибающего пакет обойм снизу. Лист может быть выполнен из пленки полипропилена, натянутой на обоймы и приваренной к ним, либо из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой с отвердителем. Возможна комбинация обоих покрытий. Кроме общего для обойм покрытия каждая обойма имеет бандаж 35 в виде обмотки волокон 36. Как и покрытие, бандаж может быть нанесен путем оклейки обоймы стеклотканью с волокнами основы, ориентированными вдоль кольца. Активные массы 7 и 8 нанесены на соответствующие стороны перегородки 5 до уровней 37 и 38, определяемых толщинами выступа 14 и вкладыша 16 в месте углубления 31 (см. фиг.3). По периферии слои активных масс 7 и 8 ограничены внутренней поверхностью 39 обоймы и внутренней поверхностью 40 вкладыша. Выступ 14 делит обойму на два гнезда 41 и 42. В гнезде 41 расположен вкладыш 16. В гнездо 42 вставлена торцом 23 смежная обойма. Каждая секция снабжена дополнительным сепаратором 43, размещенным внутри вкладыша. Вкладыш выполнен в виде кольцевого сердечника из металла, например, титана, 44 с покрытием 45 из полимера, например, полипропилена.

Радиальные пазы 27-30 образуют сквозную щель 46, соединяющую полость секции с атмосферой. В щель вставлена уплощенная воронка 47, которая может быть заглушена либо заменена пробкой. Крайние перегородки 48, 49 опираются на стенки 50, 51, которые скреплены в токовыводами 52 (+) и 53 (-) с помощью заклепок 54, 55, 56, 57, расположенных по окружности 58. Шляпки 59 заклепок освинцованы и соединены с перегородками 48, 49, например, точечной сваркой. Каждый токовывод имеет по две клеммы с крепежными отверстиями 60.

Стенка 50 выполнена в виде крышки 61, а стенка 51 - в виде диска 62, который вставлен во вкладыш 17 и скреплен с ним, например, клеем. На стенки одеты пластмассовые щитки 63, 64, скрепленные со стенками винтами (не показаны). Аккумулятор установлен на четырех ножках 65, закрепленных на покрытии 34. В описанном варианте аккумулятора обойма и вкладыш являются круглыми. В другом варианте (см.фиг.6,7) обойма 66, вкладыш 67, перегородка 68 имеет овальную форму, полученную скруглением углов квадрата. Это позволяет увеличить площадь электродов без увеличения габаритов аккумулятора. Стенки крайних секций имеют форму квадратных фланцев 69, которые стянутые четырьмя болтами 70. Фланцы и расположенные между ними обоймы размещены в пластмассовой кювете 71. Квадратные фланца могут быть выполнены также в сочетании с круглыми обоймами 72 (см.фиг.8). Кроме того, в первом из описанных вариантов (см.фиг.1-4) вместо круглых могут быть использованы овальные обоймы, соединенные, как и круглые, с помощью листа 34, закрывающего их стыки.

Наряду со свинцовым аккумулятором описанную конструкцию могут иметь аккумуляторы других типов, например, никель-кадмиевый. При этом каждая из внутренних перегородок 5, 6 выполнена биметаллической.

Свинцовые перегородки 5, 6, 48, 49 могут быть армированы стеклотканью, что позволяет уменьшить их толщину, снизить расход свинца, исключить введение сурьмы в материал электродов. Активные массы 7, 8 также могут быть связаны введением стекловолокна. Их уровни 37, 38 фиксированы сепараторами 9 и 43, препятствующими осыпанию активных масс. Сепаратор 9 выполнен из мипласта либо юмикрона, сепаратор 43 - из стекловолокна в виде мата. Могут быть также применены многослойные сепараторы. В качестве волокон 22, армирующих обойму, и волокон 36, используемых для бандажа, наряду с минеральными волокнами могут быть использованы органические, например, арамидные. Обмотка волокнами повышает прочность обоймы на разрыв, обеспечивает плотную посадку вкладыша с перегородкой в обойму, что улучшает электрическую изоляцию секций друг от друга через электролит, препятствует образованию замкнутой цепи внутри аккумулятора. Запрессованный в обойму вкладыш оказывает на нее радиальное давление, обеспечивающее крепление края 18 перегородки. Возможно также покрытие края 18 клеем перед запрессовкой. Взаимная фиксация обойм достигается за счет радиального давления при введении кольцевого выступа 26 в кольцевой паз 24. Дополнительное крепление обойм и герметизация секций обеспечивается листом 34, огибающим пакет обойм. Токовыводы 52, 53 изготовлены из листов меди или алюминия, заклепки 54 - из меди, алюминия, никеля, воронки 47 и кювета 71 - из полипропилена. Вместо сплошного вкладыша 16 может быть также использован вкладыш с разрезом, образующий кольцевую С-образную пружину, прижимающую края 18 перегородки к обойме.

Раствор серной кислоты заливают в секции аккумулятора через воронки 47. Он проникает в поры сепараторов и активных масс. Аккумуляторы могут быть соединены параллельно и последовательно с помощью шин, подведенных к крепежным отверстиям 60, и применены, например, для питания стартера либо радиоаппаратуры. Выбор расстояния между перегородками определяется потребляемым током. Приемлемы расстояния от 2 до 20 мм при толщине перегородок от 0,1 до 1 мм, причем перегородки могут иметь ячеистую структуру с переменной вдоль перегородки толщиной. При потребляемом токе 10 А и емкости 20 А ^. ч свинцовый аккумулятор из 6 секций имеет габариты 120х160х150 мм, наружный диаметр обоймы 140 мм, внутренний диаметр обоймы 110 мм (диаметр полости секции), продольный размер обоймы (в направлении тока) 18 мм. Из них: паз 24-4 мм (перекрытие смежных обойм), толщина перегородки 0,5-1 м, активные массы 7 и 8 - по 4 мм, сепаратор 9-1 мм, сепаратор 43-4 мм.

При разряде аккумулятора на нагрузку свинец активной массы 7 и двуокись свинца активной массы 8 реагируют с серной кислотой с образованием сульфата свинца. Электрический ток пересекает перегородки 5, 6 и слои активных масс 7, 8 по толщине, что выравнивает распределение тока по электроду и улучшает использование активных масс. В токовыводы 52, 53 ток проходит по заклепкам 54, 56, распределенным по тыльным сторонам крайних перегородок 48, 49. При заряде аккумулятора ток расходуется, в основном, на обратную реакцию с образованием губчатого свинца и двуокиси свинца.

Отсутствие сурьмы в материале перегородок обусловливает достаточно высокое перенапряжение водорода. Незначительные количества водорода и кислорода, которые могут выделяться при заряде, подымаются по сепаратору 43 вверх и выходят наружу через воронку 47. Прохождение тока по толщине перегородок 5, 6 делает целесообразным уменьшение толщины перегородок в отличие от пластин с продольным прохождением тока. Это позволяет снизить расход свинца. Кроме армирования перегородок волокнами сохранение прочности при уменьшении толщины может быть достигнуто изготовлением перегородок из титановой фольги (толщиной 0,1 мм) со свинцовым покрытием на обеих сторонах.

При изготовлении аккумулятора его собирают из модулей, выполненных на основе отдельных обойм (см.фиг.3). Расположение перегородки внутри обоймы с окантовкой сторон перегородки выступом 14 и вкладышем 16 облегчает нанесение активных масс на стороны перегородки. Сепараторы 9 и 43, закрывающие обойму с обеих сторон, предохраняют модуль от повреждения в процессе сборки аккумулятора, что позволяет автоматизировать этот процесс.

При необходимости аккумулятор может быть разобран на модули путем разрезания листа 34 вдоль стыков 32, 33 обойм без удаления частей разрезанного листа. Повторная сборка достигается наложением дополнительного листа.

Использование: химические источники тока с биполярными электродами. Сущность изобретения: аккумулятор состоит из секций, биполярных электродов с электролитом. Секции с торцов ограничены монополярными электродами и заключены в изолирующие кольца, составленные из обойм с внутренним выступом и вкладышем торцевые и наружные боковые поверхности которого охвачены электропроводной перегородкой биполярного электрода. Электроды каждого знака разделены сепаратором, края которого зажаты между обоймой одного кольца и вкладышем смежного кольца. Внутри вкладыша размешен дополнительный сепаратор. На одном торце обоймы выполнен кольцевой паз, в который входит кольцевой выступ смежной обоймы, при этом стыки обойм покрыты общим листом. На торцах обоймы и вкладыша выполнены радиальные пазы. Обойма скреплена бандажом из волокнистого материала. Материал обоймы содержит волокна, ориентированные вдоль кольца. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. АККУМУЛЯТОР, включающий заполненные электролитом секции, ограниченные изолирующими кольцами и торцевыми электродами в виде покрытых активной массой электропроводных перегородок, общих для смежных секций и разделенных сепараторами, отличающийся тем, что каждое кольцо составлено из обоймы с внутренним выступом и вкладыша, каждый вкладыш соединен только с одной перегородкой, края которой огибают торцевую и наружную боковую поверхности вкладыша, и вставлен в обойму до упора перегородки в выступ обоймы, а край сепаратора расположен между обоймой одного кольца и вкладышем другого. 2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что обойма выполнена из композиционного волокнистого материала с ориентацией волокон вдоль кольца. 3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что на одном торце обоймы выполнен кольцевой паз, а на другом торце - кольцевой выступ, входящий в кольцевой паз смежной обоймы. 4. Аккумулятор по п.2, отличающийся тем, что на торцах обоймы и вкладыша выполнены радиальные пазы. 5. Аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что на стыки обойм нанесено покрытие в виде общего для всех обойм листа. 6. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что обойма имеет опоясывающий ее бандаж из волокнистого материала. 7. Аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что каждая секция снабжена дополнительным сепаратором, размещенным внутри вкладыша.