БАТАРЕЯ Российский патент 2014 года по МПК H01M2/26 H01M2/30 H01M10/04 

Область техники

[0001] Данное изобретение относится к батарее.

Предпосылки изобретения

[0002] Обычная батарея имеет по меньшей мере один слоистый (пакетированный) генерирующий электрическую энергию элемент, в котором положительный электрод, электролит и отрицательный электрод последовательно наслоены друг на друга. Батарея имеет пластины-токосъемники на обоих концах в направлении наслоения. Каждая пластина-токосъемник имеет на своей поверхности закрепленный вывод для отбора электроэнергии на участке внешней периферии пластины-токосъемника. (Патентный документ 1).

Ссылка на уровень техники

Патентный документ

[0003] Выложенная заявка на патент Японии №2005-63775 (Патентный документ 1).

Сущность изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

[0004] Однако исторически, для того чтобы отвести генерируемую батареей электрическую энергию, предусматривается вывод с более короткой боковой длиной по сравнению с пластиной-токосъемником, что в результате приводит к структуре с малой площадью перехода, так что ток склонен концентрироваться на участке перехода или соединения. В противоположность этому, на не соединенных с выводом участках пластины-токосъемника не происходит достаточного протекания тока. Поэтому между участком подсоединения вывода и другими участками имеет место существенная разница в плотности тока и происходит резкое изменение напряжения. Это изменение напряжения, в свою очередь, влияет на электроды внутри генерирующего электроэнергию элемента и может вызывать разницу в степени ухудшения с течением времени внутри одного и того же электрода и может уменьшать срок службы батареи.

[0005] Задачей данного изобретения является предоставление батареи с увеличенным сроком службы батареи.

Средства для решения проблем

[0006] Для решения вышеуказанной задачи данное изобретение снабжено генерирующим электрическую энергию элементом, первой пластиной-токосъемником, второй пластиной-токосъемником, выпуклой или выступающей частью из электропроводного материала и клеммой. Генерирующий электроэнергию элемент имеет по меньшей мере один слой единичной батарейной ячейки, образованный последовательным наслаиванием, при этом каждый слой единичной батарейной ячейки, в свою очередь, образован наслаиванием друг на друга положительного электрода, электролита и отрицательного электрода. Первая пластина-токосъемник предусмотрена на поверхности расположенного самым внешним положительного электрода генерирующего электроэнергию элемента, а вторая пластина-токосъемник предусмотрена на поверхности расположенного самым внешним отрицательного электрода генерирующего электроэнергию элемента. Выпуклый или выступающий участок, или же выпуклая или выступающая часть, изготовленный(ая) из электропроводного материала, сформирован(а) на по меньшей мере одной стороне первой и второй пластин-токосъемников и имеет ширину не менее половины ширины концевой кромки пластины-токосъемника. Клемма предусмотрена на выпуклой части и отводит ток из выпуклой или выступающей части.

Технические эффекты изобретения

[0007] Батарея в соответствии с данным изобретением снабжена выпуклой частью, ширина которой больше половины ширины концевой кромки токосъемника, чтобы извлекать электричество посредством соединения клеммы с выпуклой частью. Таким образом обеспечивается большая площадь соединения между пластиной-токосъемником и выпуклой частью, и концентрирование тока может быть ослаблено. Поэтому может быть достигнуто снижение градиента напряжения вследствие разницы в плотности тока, и в результате может быть подавлена разница в скорости ухудшения электрода для увеличенного срока службы батареи.

Краткое описание чертежей

[0008] Фиг.1 представляет собой вид в перспективе, схематически представляющий конфигурацию биполярной аккумуляторной батареи.

Фиг.2 представляет собой вид в разрезе биполярной аккумуляторной батареи.

Фиг.3 представляет собой схематический вид в разрезе, показывающий структуру генерирующего электроэнергию элемента биполярной перезаряжаемой батареи.

Фиг.4A и фиг.4B представляют собой концептуальные схемы, показывающие длину пути тока при прохождении через генерирующий электроэнергию элемент.

Фиг.5A и фиг.5B представляют собой концептуальные схемы, показывающие распределения тока и напряжения в пластине-токосъемнике.

Фиг.6 представляет собой концептуальную схему, показывающую длину пути тока и распределение поверхностного тока на пластине-токосъемнике и бруске.

Фиг.7 представляет собой концептуальную схему, показывающую длину пути тока и распределение поверхностного тока на пластине-токосъемнике и бруске в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения.

Варианты осуществления изобретения

[0009] Теперь далее будет представлено ниже со ссылками на сопроводительные чертежи описание вариантов реализации данного изобретения. При этом одинаковым элементам на чертежах присвоены одни и те же цифровые обозначения, чтобы исключить излишние описания. В отношении пропорций соответствующих элементов на чертежах может быть сделано преувеличение для удобства пояснения, и проиллюстрированная пропорция может отличаться от фактической.

[0010] Прежде всего, хотя в качестве предпочтительного варианта реализации будет описана литий-ионная вторичная (аккумуляторная) батарея биполярного типа (биполярная аккумуляторная батарея), это не создает ограничений тем, что описано в последующем варианте реализации. А именно, данное изобретение может быть равным образом применимо к батареям иного типа, чем биполярная аккумуляторная батарея.

Первый вариант реализации

[0011] Фиг.1 представляет собой вид в перспективе, схематически представляющий конфигурацию биполярной аккумуляторной батареи 10. Фиг.2 представляет собой вид в поперечном разрезе биполярной аккумуляторной батареи 10 по фиг.1.

[0012] Как показано на фиг.1 и фиг.2, аккумуляторная батарея 10 сконструирована так, что она имеет первую пластину-токосъемник 25 и вторую пластину-токосъемник 27 на обоих концах генерирующего электроэнергию элемента 21, который имеет по существу прямоугольную форму и претерпевает внутри себя реакцию заряда и разряда. Одна из двух концевых поверхностей генерирующего электроэнергию элемента 21 предназначена для положительного электрода, а другая концевая поверхность - для отрицательного электрода. На поверхности положительного электрода предусмотрена и спарена первая пластина-токосъемник 25, в то время как на поверхности отрицательного электрода предусмотрена и спарена соответственно вторая пластина-токосъемник 27. Это спаривание, однако, может быть взаимозаменяемым.

[0013] По меньшей мере на одном из первого токосъемника 25 и второго токосъемника 27 предусмотрен элемент или участок в виде бруска (выпуклая часть) 41, 42. В варианте реализации, который представлен ниже, будут сделаны пояснения в отношении того конструктивного исполнения, в котором как первый токосъемник, так и второй токосъемник снабжены бруском, т.е. первым элементом-бруском 41 и вторым элементом-бруском 42 соответственно.

[0014] Как первый брусок 41, так и второй брусок 42 имеют ширину не менее половины ширины концевой кромки первого токосъемника 25 и второго токосъемника 27 соответственно, и оба бруска выступают в сторону генерирующего электроэнергию элемента 21. В варианте реализации, представленном ниже, пояснения будут сделаны в отношении того конструктивного исполнения, в котором как первый брусок 41, так и второй брусок 42 имеют такую же ширину, что и ширина концевой кромки связанных с ними первого и второго токосъемников 25, 27. На одном конце первого бруска 41 в продольном или осевом направлении предусмотрена клемма 43 для отвода тока, генерируемого в биполярной аккумуляторной батарее 10. Аналогичным образом на втором бруске 42 предусмотрена другая клемма 44 для отвода тока. При этом излишним будет указание на то, что посредством использования клеммы для отвода электрической энергии возможна также зарядка биполярной аккумуляторной батареи.

[0015] В дополнение к этому, клеммы 43, 44 первого бруска 41 и второго бруска 42 соединены с электропроводными линиями 45, 46, линией питания, шиной или проводами для выполнения через них операций зарядки и разрядки. Кроме того, посредством использования электропроводных линий 45, 46, линии питания, шины, проводов, последовательного или параллельного соединения с соседней биполярной аккумуляторной батареей будет сконфигурирован сборный блок батарей для подачи требуемого напряжения/тока.

[0016] Помимо этого, аккумуляторная батарея 10 биполярного типа может быть изготовлена известным в данной области техники способом.

[0017] Далее будет представлено описание каждого элемента, составляющего биполярную аккумуляторную батарею 10, на примере биполярной литий-ионной аккумуляторной батареи, с тем чтобы показать, каким образом может быть использовано изобретение. Однако типы активного материала, электролита, пластины-токосъемника, токосъемника, связующего, поддерживающей соли (соли лития) и выбор соединений, добавляемых при необходимости, конкретно не ограничены. В зависимости от назначения детали могут быть определены соответствующим образом при обращении к общеизвестным знаниям.

Генерирующие электроэнергию элементы

[0018] Фиг.3 представляет собой схематический вид в разрезе, показывающий структуру генерирующего электроэнергию элемента 21 биполярной аккумуляторной батареи 10.

[0019] Как показано на фиг.3, генерирующий электроэнергию элемент 21 образован наслоением (пакетированием) слоя 19 единичной батарейной ячейки, состоящего из наложенных друг на друга положительного электрода 13, электролита 17 и отрицательного электрода 15 с расположенным между ними токосъемником. Число пакетируемых слоев может определяться на основании тока/напряжения, требуемых от биполярной аккумуляторной батареи 10. Помимо этого, на фиг.3 генерирующий электроэнергию элемент 21 сконструирован образующим пакет из множества единичных ячеек с размещенным между ними токосъемником. Однако и одиночная ячейка 19 может также хорошо работать в качестве генерирующего электроэнергию элемента. Биполярный электрод 23 образован положительным электродом, токосъемником 11 и отрицательным электродом 15, уложенными друг на друга в указанном порядке.

Положительный электрод (слой активного материала положительного электрода) и отрицательный электрод (слой активного материала отрицательного электрода)

[0020] Положительный электрод 13 и отрицательный электрод 15 имеют соответственно слой 15 активного материала положительного электрода и слой 13 активного материала отрицательного электрода, и каждый из них содержит активный материал и, при необходимости, также включает в себя другие добавки.

[0021] Примеры слоя 13 активного материала положительного электрода могут включать сложные оксиды лития-переходного металла, такие как LiMn₂O₄, LiCoO₂, LiNiO₂, Li(Ni-Co-Mn)O₂, и соединение, в котором часть этих переходных металлов замещена другим элементом, такое как фосфатные соединения лития-переходного металла и сульфатные соединения лития-переходного металла. В некоторых случаях два или более активных материала положительного электрода могут быть использованы в сочетании. Предпочтительно, с учетом емкости и выходных характеристик в качестве активного материала положительного электрода используется сложный оксид лития-переходного металла. Следует заметить, что могут быть также использованы другие активные материалы положительного электрода, чем те, чтобы были описаны выше.

[0022] Примерами слоя 15 активного материала отрицательного электрода являются углеродные материалы, такие как графит, мягкий углерод и твердый углерод, сложный оксид лития-переходного металла, такой как Li₄Ti₅O₁₂, металлические материалы и материалы отрицательного электрода из сплавов лития. В некоторых случаях два вида или более активного материала отрицательного электрода могут быть использованы в сочетании. С учетом емкости и выходных характеристик, однако, в качестве активного материала отрицательного электрода предпочтительны углеродные материалы или сложные оксиды лития-переходного металла. Излишне указывать, что любые другие активные материалы отрицательного электрода могут быть использованы соответствующим образом.

[0023] Слой 13 активного материала положительного электрода и слой 15 активного материала отрицательного электрода могут также содержать связующее, такое как поливинилиденфторид, полиимид, стирол-бутадиеновый каучук, карбоксиметилцеллюлоза, полипропилен, политетрафторэтилен, полиакрилонитрил и полиамид. Эти связующие обладают превосходной термостойкостью и имеют большое окно потенциалов, так что остаются стабильными в широком интервале потенциалов положительного и отрицательного электродов для подходящего применения в слоях активного материала. Эти связующие могут быть использованы по отдельности или в комбинации двух или более их видов. Кроме того, в слой активного материала могут быть включены другие добавки, такие как электропроводящие добавки, электролитическая соль (соль лития), полимеры с ионной проводимостью и т.п.

[0024] Толщина положительного электрода 13 конкретно не ограничивается, как отмечено для смешиваемого количества, и должна быть определена с учетом назначения батареи (при ориентировании на выходной мощности или большем фокусировании на энергии и т.д.) и ионной проводимости. Типичная толщина слоя положительного активного материала находится в интервале между примерно 10 и 500 мкм.

[0025] Отрицательный электрод 15 по существу схож с теми, которые были пояснены в отношении материала положительного электрода, за исключением типа активного материала отрицательного электрода. Поэтому подробное описание здесь опущено.

Слой электролита

[0026] В качестве электролита, составляющего слой 17 электролита, может быть использован жидкий электролит или полимерный электролит.

[0027] Жидкий электролит находится в форме раствора, в котором соль лития (поддерживающая соль) растворена в органическом растворителе (пластификаторе). Примерами органического растворителя, применимого в качестве пластификатора, являются карбонаты, такие как этиленкарбонат (EC), пропиленкарбонат (PC). Примерами соли лития, применимой в качестве поддерживающей соли, являются LiBETI и подобные соединения, которые могут быть добавлены в слои активного материала электродов.

[0028] С другой стороны, полимерный электролит может быть подразделен на гелевый электролит, содержащий раствор электролита, и собственно полимерный (твердотельный) электролит, не содержащий такого раствора электролита.

[0029] Гелевый полимер находится в форме геля, в котором вышеуказанный жидкий электролит импрегнирован в полимерную матрицу, состоящую из полимера с ионной проводимостью. Примерами полимеров с ионной проводимостью в качестве полимерной матрицы являются полиэтиленоксид (PEO), полипропиленоксид (PPO) и их сополимеры. В этих полиалкиленоксидных полимерах могут быть легко растворены электролитные соли, такие как соль лития.

[0030] Когда слои электролита могут быть образованы жидким электролитом или гелевым электролитом, в слое электролита может быть использован сепаратор. Примерами сепараторов являются пористые пленки полиолефинов, таких как полиэтилен и полипропилен.

[0031] Собственно полимерный электролит может быть в форме полимерной матрицы, в которой растворена поддерживающая соль (соль лития), но не содержащей органического растворителя (пластификатора). Соответственно, применение такого собственно полимерного электролита может предотвращать утечку жидкости из батареи и может улучшать надежность батареи.

[0032] Полимерная матрица гелевого электролита или собственно полимерного электролита образует сшитую структуру, чтобы обеспечить повышенную механическую прочность. Для того чтобы сформировать такую сшитую структуру, возможно подвергнуть полимеризуемый материал (такой как PEO или PPO) полимерного электролита какой-либо реакции полимеризации, такой как термическая полимеризация, полимеризация ультрафиолетовым излучением, полимеризация, индуцированная радиацией, или полимеризация, индуцированная электронным пучком, при применении любого подходящего инициатора полимеризации.

[0033] Толщина электролита 17 конкретно не ограничивается. Однако для того, чтобы получить компактную биполярную ячейку, его толщина предпочтительно должна поддерживаться как можно меньшей при условии, что обеспечиваются функции в качестве электролита. Толщина типичного слоя твердого полимерного электролита составляет примерно от 10 до 100 мкм.

Токосъемники

[0034] Материал пластины-токосъемника 11 состоит из электропроводного материала, служащего в качестве соединительного элемента для электрического соединения слоя 13, 15 активного материала с внешними проводниками. Пока обеспечивается электропроводное состояние, в отношении токосъемника 11 отсутствуют ограничения в отношении выбора конкретного материала, структуры и т.п. и могут быть применены известные структуры/материалы, которые используются в обычной литий-ионной аккумуляторной батарее. Например, может быть использован металл или электропроводный полимер. С учетом простоты отбора электрической энергии предпочтительно использование металлического материала. Более конкретно, например, может быть приведен в качестве примера по меньшей мере один материал токосъемника, который выбран из группы, состоящей из железа, хрома, никеля, марганца, титана, молибдена, ванадия, ниобия, алюминия, меди, серебра, золота, платины и углерода и т.п. Более предпочтительно, примером может служить по меньшей мере один материал токосъемника, который выбран из группы, состоящей из алюминия, титана, меди, никеля, серебра или нержавеющей стали (SUS). Они могут иметь однослойную структуру (например, в виде фольги) или могут быть реализованы как многослойная структура, состоящая из слоев разного типа. Кроме того, предпочтительно могут быть использованы никель-алюминиевый плакированный материал, медь-алюминиевый плакированный материал и материал с гальваническим покрытием из любой комбинации этих металлов. Также может быть использован металл, поверхность которого покрыта алюминиевой фольгой. Кроме того, может быть использован элемент с положительным температурным коэффициентом сопротивления (ПТКС), у которого сопротивление быстро увеличивается при превышении заданной температуры. Среди них, принимая во внимание электронную проводимость и рабочее напряжение ячейки, предпочтительным является алюминий или медь. Также в некоторых случаях два или более вида материалов в виде металлической фольги, указанных выше в качестве материалов токосъемника, могут быть сформированы в виде фольги и взаимно соединены. Вышеуказанные материалы обладают превосходной коррозионной стойкостью, электропроводностью и обрабатываемостью давлением.

[0035] Типичная толщина токосъемника 11 составляет от 1 до 50 мкм. Однако может быть использован токосъемник вне этого интервала толщины. Также токосъемник 11 может быть образован фольгой, нетканым материалом или пористым телом.

Изолирующая секция

[0036] Изолирующая секция 31 предусмотрена для того, чтобы предотвратить жидкостное соединение вследствие утечки жидкого электролита из слоя 17 электролита. Кроме того, ожидается, что изолирующая секция 31 будет предотвращать соприкосновение токосъемника с соседним токосъемником внутри батареи или предотвращать возникновение короткого замыкания вследствие небольших смещений концов слоев 19 единичных батарейных ячеек в генерирующем электроэнергию элементе 21.

[0037] От материала, составляющего изолирующую секцию 31, требуются такие свойства, как изолирующая способность, герметизирующая способность для противодействия вытеканию слоя твердого электролита, герметизирующая способность или устойчивость к проникновению влаги со стороны окружающей среды и термостойкость при рабочей температуре батареи. Например, могут быть использованы уретановые смолы, эпоксидные смолы, полиэтиленовые смолы, полипропиленовые смолы, полиимидные смолы и каучук. В частности, с точки зрения коррозионной стойкости, химической стойкости, простоты сборки (производительности формирования пленки) и экономической эффективности в качестве материала, составляющего изолирующую часть 31, могут быть предпочтительно использованы полиэтиленовые или полипропиленовые смолы.

Первая пластина-токосъемник (пластина-токосъемник положительного электрода) и вторая пластина-токосъемник (пластина-токосъемник отрицательного электрода)

[0038] Материал для первой и второй пластин-токосъемников 25 и 27 конкретно не ограничивается, и могут быть использованы различные материалы токосъемника, известные в качестве обладающего высокой электропроводностью материала для применения в обычной биполярной аккумуляторной батарее, такие как металлический материал, включая алюминий, медь, титан, никель, нержавеющую сталь (SUS) и их сплавы, более предпочтительно - алюминий или медь с учетом малого веса, коррозионной стойкости и высокой электропроводности, а наиболее предпочтительно - алюминий. Пластина-токосъемник 25, 27 может быть изготовлена распылением вышеуказанного материала на подложку струйным методом или, альтернативно, может быть сформирована электроосаждением, нанесением покрытия или ламинированием нескольких металлических материалов. Кроме того, токосъемник может также включать смолу.

[0039] Площадь пластины-токосъемника 25, 27, если смотреть вдоль направления наслоения, больше, чем площади обеих концевых поверхностей биполярного электрода 23 в генерирующих элементах 40. Поэтому механическое напряжение может быть равномерно приложено поверх пластины-токосъемника 25, 27.

[0040] Первая пластина-токосъемник 25 механически не закреплена на концевом токосъемнике 11, но будет электрически соединена с концевым токосъемником 11 посредством контакта металлов, вызванного прижимом при уплотнении посредством внешнего покрова или корпуса 29. Между положительным токосъемником 25 и концевым токосъемником 11 могут быть размещены покровные агенты с высокой электропроводностью, обладающие или не обладающие адгезионной способностью. То же самое справедливо в отношении второго токосъемника 27.

[0041] Кроме того, для пластины-токосъемника 25, 27 может быть использован одинаковый материал или же разные материалы. Более того, пластины-токосъемники 25 и 27 могут быть сформированы удлинением токосъемника 11, расположенного на самом внешнем слое генерирующего электроэнергию элемента 21.

Бруски

[0042] Бруски (выпуклые части) 41 и 42 предусмотрены на частичной или всей периферии каждой пластины-токосъемника 25, 27. В частности, предпочтительно, чтобы бруски 41, 42 могли быть предусмотрены лишь на одном конце токосъемников 25 и 27 соответственно. Кроме того, бруски 41 и 42 могут быть предпочтительно расположены на противоположных концах, окружая генерирующий элемент 21 как центр.

[0043] Кроме того, та поверхность, на которой имеются бруски 41 или 42, находится предпочтительно на той же самой поверхности, на которой расположен генерирующий электроэнергию элемент, т.е. на стороне генерирующего электроэнергию элемента 21. Однако бруски 41, 42 могут альтернативно быть расположены на стороне, противоположной генерирующему электроэнергию элементу.

[0044] Материал брусков 41 и 42 может быть, например, металлом или электропроводным полимером. С учетом простоты отбора электрической энергии, однако, предпочтительно использование металлического материала. Более конкретно, могут быть перечислены, например, алюминий, никель, железо, нержавеющая сталь, титан, медь и другие металлы. Кроме того, предпочтительно могут быть использованы никелевый и алюминиевый плакированный материал, медный и алюминиевый плакированный материал и материал с гальваническим покрытием из комбинации этих металлов. Также альтернативой может быть брусок с его поверхностью, покрытой алюминием.

[0045] Брусок 41, 42, в частности первый брусок 41 или второй брусок 42, имеет ширину не менее половины ширины концевых кромок первого токосъемника 25 или второго токосъемника 27, и оба бруска выступают в сторону генерирующего электроэнергию элемента 21.

[0046] Площадь поперечного сечения брусков 41 и 42 предпочтительно составляет не менее 0,04% от площади электрода. Посредством этого возможно достижение желательной точности регулирования неводной аккумуляторной батареи для применения в качестве источника питания для привода транспортного средства с электроприводом. Здесь следует заметить, что площадь поперечного сечения брусков 41, 42 определяется как площадь поперечного сечения в плоскости, перпендикулярной их оси (продольному направлению).

[0047] При обеспечении клеммы 43 и 44 соответственно на брусках 41 и 42 ток может быть выведен из батареи наружу. Клеммы 43 и 44 могут быть расположены где-либо на по меньшей мере одном или более местах. В частности, места расположения клемм 43 и 44 предпочтительно находятся на максимальном удалении друг от друга.

Внешний корпус батареи

[0048] В качестве покрова или внешнего корпуса 29 батареи, в дополнение к известным металлическим оболочкам, приемлем кожух в форме пакета (мешка) с использованием многослойной пленки, содержащей алюминий. Например, может быть использована алюминиевая многослойная пленка, например, трехслойная пленка-ламинат, в которой слой полипропилена (PP), слой алюминия и слой нейлона наслоены в указанном порядке. Материал корпуса батареи не ограничивается вышеуказанным материалом. Среди возможных вариантов предпочтительной является многослойная пленка из-за ее высокого выхода и характеристик охлаждения и применимости к крупногабаритным батареям транспортных средств с электроприводом, таких как электромобиль (EV) и гибридный электромобиль (HEV). На фиг.3 бруски 41 и 42 расположены во внутреннем пространстве корпуса 29 батареи, хотя бруски 41 и 42 могут быть расположены снаружи корпуса 29 батареи.

Электропроводная линия и шина

[0049] В качестве электропроводных линий 45 и 46 для отвода тока наружу из батареи могут быть также использованы линии питания, провода и шины. Электропроводная линия электрически соединена с токосъемником самого внешнего слоя или токосъемной пластиной и выведена наружу из многослойного листа, служащего в качестве покрова или корпуса батареи.

[0050] Материал электропроводных линий 45, 46 конкретно не ограничивается. Для применения в качестве электропроводной линии в биполярной литий-ионной аккумуляторной батарее может быть использован любой известный материал с высокой электропроводностью. Предпочтительными примерами материала электропроводной линии являются металлические материалы, такие как алюминий, медь, титан, никель, нержавеющая сталь (SUS) и их сплавы. Однако с учетом малого веса, коррозионной стойкости и высокой электропроводности более предпочтительными являются алюминий и медь. Материал электропроводной линии для электропроводных линий 45 может быть таким же самым, как и материал электропроводной линии 46, или отличным от него.

[0051] Желательно закрывать любые части, выведенные из корпуса 29 батареи, теплостойкими, термоусаживающимися изолирующими трубками или т.п. для того, чтобы предотвращать возникновение короткого замыкания при контакте этих частей с периферийным оборудованием или электропроводкой, которое повлияло бы на эксплуатационные качества изделия (например, автомобильной детали и, в частности, электронного оборудования).

Механизм действия токосъемника

[0052] Для того чтобы предоставить рабочий аспект данного варианта реализации, теперь будет приведено описание механизма действия токосъемника для отведения тока из генерирующего электроэнергию элемента 21.

[0053] Фиг.4 представляет собой схематическое изображение, показывающее длину пути тока, который проходит через генерирующий электроэнергию элемент 21. Фиг.5 представляет собой схему, показывающую различные положения клемм. Фиг.6 представляет собой схематическое изображение, показывающее путь тока в токосъемнике и бруске, а также распределение поверхностного тока в пластине-токосъемнике, когда положение клеммы для отвода тока было изменено.

[0054] Генерирующий электроэнергию элемент 21 подвергается зарядке или разрядке, и электрическая энергия будет заряжаться или разряжаться через пластину-токосъемник, электрически находящуюся в поверхностном контакте с генерирующим электроэнергию элементом через брусок, который размещен на кромке боковины пластины-токосъемника, клеммы 43, 44, предусмотренные на оконечных участках брусков 41, 42, и, наконец, через линии 45, 46 питания. Ниже будут представлены пояснения в предположении, что генерирующий электроэнергию элемент 20 имеет прямоугольную форму, однако данная форма не является ограничением.

[0055] Как показано на фиг.4, ток протекает в брусок 42 и проникает в генерирующий электроэнергию элемент 21 и, наконец, протекает наружу через клемму бруска 41. При этом, обращаясь к фиг.4A и 4B, поясняются местоположения брусков 41 и 42 соответственно. На фиг.4A бруски 41 и 42 расположены симметрично по отношению к генерирующему элементу 21 как центру симметрии. На фиг.4B бруски 41 и 42 расположены на одной и той же стороне по отношению к генерирующему электроэнергию элементу 21. Что касается пути протекания тока, то, например, на фиг.4A, присутствуют токовые пути P1, P2 и P3, в то время как на фиг.4B имеют место пути P4, P5, P6. Как показано на фиг.4A, если ток отбирается брусками, расположенными в противоположных друг другу положениях, то пути P1, P2, P3 имеют одинаковую длину, а значит, нагрузка будет равномерно прикладываться к генерирующему электроэнергию элементу 21. В противоположность этому, как показано на фиг.4B, если ток будет отбираться брусками 41 и 42, расположенными на одной и той же стороне от генерирующего электроэнергию элемента 21, то относительные длины путей P4, P5 и P6 будут определяться формулой P4>P5>P6, так что нагрузка не будет прикладываться к генерирующему электроэнергию элементу равномерно. Другими словами, независимо от пути тока, когда длина пути одинакова, будет устраняться неравномерность напряжения, поскольку ток будет передаваться на эквивалентное электрическое сопротивление независимо от пути тока внутри генерирующего электроэнергию элемента 21. Поэтому предпочтительно, как показано на фиг.4A, размещать бруски 41, 42 симметрично по отношению к генерирующему электроэнергию элементу 21 как центру. Причина этого состоит в том, что расположение по фиг.4A будет уменьшать градиент напряжения по сравнению с тем, что проиллюстрировано на фиг.4B. При этом следует заметить, что оба бруска 41, 42 имеют ширину не менее половины ширины концевой кромки первой пластины-токосъемника 25 и второй пластины-токосъемника 27. Поэтому не будет градиента напряжения вдоль направления, ортогонального данному листу. Поэтому оба расположения на фиг.4A и 4B являются выгодными в этом отношении.

[0056] Теперь будут сделаны пояснения относительно изменений в положении клеммы по отношению к брускам. Как показано на фиг.5, ток проходит через брусок 42 и генерирующий электроэнергию элемент 21 и протекает через клемму бруска 41 наружу к внешнему инвертору (INV) и т.п. Теперь на фиг.5A и фиг.5B будут пояснены местоположения брусков 41 и 42. На фиг.5A расположение клемм 43 и 44 на брусках 41 и 42 является соответственно симметричным. На фиг.5B клеммы 43 и 44 на брусках 41 и 42 расположены на концах в одном и том же направлении. В обоих случаях, изображенных на фиг.5A и фиг.5B, вследствие того, что бруски 41 и 42 имеют ширину, которая составляет не менее половины ширины концевой кромки первой и второй пластин-токосъемников 41, 42, отсутствует градиент напряжения. В конфигурации на фиг.5B электропроводные линии 43, 44 отводятся на одной и той же стороне, в противоположность диагональному расположению клемм 43, 44 на фиг.5A. Соответственно, конфигурация на фиг.5B обеспечивает простоту изготовления.

[0057] Ниже описывается разность потенциалов между обоими концами бруска. Распределение тока/напряжения пластины-токосъемника и бруска может быть представлено приведенной ниже формулой. При этом j обозначает плотность тока (А/м²) и принимается постоянной величиной, ρ обозначает удельное электросопротивление (Ом×м), A обозначает площадь поперечного сечения бруска (м²), t обозначает толщину пластины-токосъемника (м) и L×W обозначают размер пластины-токосъемника (м) соответственно.

[0058] Как показано на фиг.5, когда в отношении пластины-токосъемника применены две координатные оси, определенные l-осью и w-осью, распределение тока при данном расстоянии w и параллельно l-оси может быть выражено Уравнением 1.

[0059] (Уравнение 1)

[0060] При этом для простоты предполагается, что отсутствует разность напряжений, зависящая лишь от w.

[0061] Таким образом, ток на конце электродной пластины, в контакте с которой находится брусок, рассчитывается как jLdw, и распределение тока вдоль бруска может быть выражено Уравнением 2.

[0062] (Уравнение 2)

[0063] В то же время распределение напряжения вдоль бруска может быть выражено Уравнением 3, основанном на вышеуказанном распределении тока и свойствах бруска.

[0064] (Уравнение 3)

[0065] Другими словами, разность потенциалов между обоими продольными концами, ΔE_max, может быть выражена Уравнением 4.

[0066] (Уравнение 4)

[0067] Общий ток I, втекающий в биполярную аккумуляторную батарею и вытекающий из нее, может быть выражен Уравнением 5, так что разность потенциалов ΔE_max из Уравнения 4 может быть переписана как Уравнение 6.

[0068] (Уравнение 5)

[0069] (Уравнение 6)

[0070] Для того чтобы минимизировать ΔE_max, W может быть уменьшена. Другими словами, при конструировании силовых элементов одинаковой площади эффективным является, когда L может быть задана большей, или когда поперечное сечение бруска, A, может принимать большую величину.

[0071] Таким образом, в соответствии с биполярной аккумуляторной батареей 10 в первом варианте реализации, бруски 41 и 42 имеют подходящую площадь поперечного сечения, будучи расположенными по всей длине одного края пластины-токосъемника и размещенными противоположными друг другу с помещенным между ними генерирующим электроэнергию элементом. Благодаря этим конфигурациям электрическое сопротивление может быть уменьшено, и ток может быть собран к брускам равномерным образом. Кроме того, независимо от пути тока через вертикальную плоскость к любому месту поверхности электрода может быть обеспечена общая равномерность электрического сопротивления между его двумя полюсами, что в результате приводит к еще более равномерному распределению потенциала. Поэтому, поскольку ток может быть собран равномерным образом по бруску от всей пластины-токосъемника, то не происходит существенного концентрирования тока. В результате, резкие изменения напряжения могут быть сведены к минимуму, и скорость ухудшения характеристик электродов будет уменьшена при увеличенном сроке службы батареи. В частности, посредством обеспечения площади поперечного сечения бруска более чем 0,04% от площади электрода возможно достижение желательной точности регулирования неводной аккумуляторной батареи, применяемой в качестве источника питания для транспортного средства с электроприводом.

[0072] При этом, когда предусмотрены бруски 41 и 42 с шириной более половины ширины концевых кромок первой и второй пластин-токосъемников 25, 27, будут гарантированы как равномерное распределение потенциала, так и замедленная скорость ухудшения электрода.

[0073] Кроме того, бруски 41 и 42 сконфигурированы выступающими от пластин-токосъемников 25, 27 в сторону генерирующих электроэнергию элементов 21 (т.е. в направлении внутрь). Соответственно, такие конструктивные исполнения являются эффективными в пространственном отношении, и бруски 41 и 42 сохраняются в пределах высоты генерирующего электроэнергию элемента 21.

[0074] Помимо этого, клеммы 43 и 44, каждая из которых прикреплена к брускам 41 и 42 соответственно, далее прикреплены к электропроводным линиям или проволокам 45 и 46. Электропроводные проволоки 45 и 46 будут обеспечивать простое уплотнение при их выведении из корпуса 29 батареи, показанного на фиг.3, вследствие их проволочной конфигурации.

Вариант 2

[0075] Биполярная аккумуляторная батарея 10 по второму варианту реализации отличается от батареи по первому варианту реализации положением клеммы для отвода тока. Более конкретно, как показано на фиг.7, во втором варианте реализации клеммы 47 и 48 расположены в средней точке первого бруска 47 и в средней точке второго бруска 48 соответственно.

[0076] При расположении клемм 47, 48 в средней точке первого бруска 41 и второго бруска 42 соответственно мощность может быть отведена через проволоку или шину от центра бруска, т.е. от центральной линии генерирующего электроэнергию элемента 21. В этом случае ΔE_max из Уравнения 6 может быть пересчитана посредством замены размера W на W/2. Поскольку ΔE_max является однозначно определенной величиной допуска, эта величина предполагается неизменной не смотря на вышеуказанную замену, площадь поперечного сечения бруска может быть уменьшена до A/2, так что может быть достигнуто существенное уменьшение объема, массы и стоимости.

[0077] Таким образом, в соответствии с биполярной аккумуляторной батареей 10 по второму варианту реализации, в дополнение к эффектам первого варианта реализации, достигаются дополнительные технические преимущества, такие как уменьшение максимальной длины пути тока вдоль краев, чтобы минимизировать поперечное сечение бруска, которое определяется на основании как допустимой разности потенциалов, так и желательного рабочего тока.

[0078] В заключение, тип батарей, к которым может быть применено данное изобретение, конкретно не ограничивается, и оно применимо, например, к батарее с неводным электролитом. Кроме того, батареи с неводным электролитом, если классифицировать их с учетом структуры и формы, не ограничиваются конкретно пакетированной (плоского типа) батареей и батареей рулонного типа (цилиндрического типа), а равным образом применима любая известная структура.

[0079] Аналогичным образом, если батареи с неводным электролитом классифицировать по типу электролита, не будут накладываться никакие особые ограничения. Например, данное изобретение равным образом применимо к любой из батареи с жидким электролитом, в которой жидким неводным электролитом пропитан сепаратор, так называемой полимерной батареи, такой как батарея с гелевым электролитом на основе высокомолекулярного полимера, и батареи с твердым полимерным электролитом (полностью твердым электролитом). Гелевый электролит на основе высокомолекулярного полимера и/или твердый полимерный электролит могут быть использованы отдельно или в комбинации, при которой сепаратор может быть пропитан гелевым электролитом на основе высокомолекулярного полимера или твердым полимерным электролитом.

[0080] Кроме того, в отношении электродных материалов или ионов металлов, которые перемещаются через соответствующие электроды, данное изобретение может не быть ограничивающим, а быть применимым к электродным материалам любого известного типа и т.п., например, к литий-ионной аккумуляторной батарее, натрий-ионной аккумуляторной батарее, калий-ионной аккумуляторной батарее, никель-водородной аккумуляторной батарее и никель-кадмиевой аккумуляторной батарее. Предпочтительно, данное изобретение может иметь применение к литий-ионной аккумуляторной батарее, когда она используется в качестве основного или вспомогательного источника питания для транспортного средства, по причине ее высокого напряжения на единичную ячейку (слой единичной батарейной ячейки), высокой удельной энергии и высокой выходной удельной мощности, присущим литий-ионной аккумуляторной батарее.

[0081] В случае, когда задействована батарея рулонного типа (цилиндрического типа), для получения аналогичного эффекта биполярный электрод может быть намотан вокруг бруска одной стороны, чтобы сконфигурировать спиралевидное поперечное сечение.

[0082] Помимо этого, данное изобретение может быть также применимо к первичной батарее, которая может лишь разряжаться, а не обязательно к перезаряжаемой аккумуляторной батарее. Причина этого состоит в том, что при отводе тока первичная батарея функционирует таким же образом, что и в описанном выше варианте реализации.

[0083] Хотя в вышеуказанных первом и втором вариантах реализации были приведены пояснения в отношении использования бруска 41, 42 прямоугольного сечения или в форме стержня, данное изобретение не ограничивается этой конкретной структурой или формой. При условии, что используется выпуклая часть, которая выступает в сторону генерирующего электроэнергию элемента и имеет ширину, которая составляет не менее половины ширины концевой кромки пластины-токосъемника, конфигурация в форме бруска не требуется, и может быть использована другая структура вместо брусков 41, 42.

[0084] Кроме того, в вышеуказанных вариантах 1 и 2 приведены пояснения в отношении кожуха, в котором бруски 41, 42 предусмотрены на связанных с ними пластинах-токосъемниках, т.е. как на первой пластине-токосъемнике 25, так и на второй пластине-токосъемнике 27 соответственно. Однако данное изобретение не ограничивается этим конкретным конструктивным исполнением. Как минимум, при обеспечении вышеописанного бруска (выпуклой части) по меньшей мере на одной из пластин-токосъемников будет получен эффект уменьшения градиента напряжения. Очевидно, что при обеспечении на обоих токосъемниках будет ожидаться большее уменьшение градиента напряжения.

Пояснение ссылочных обозначений

[0085]

10 биполярная аккумуляторная батарея

11 токосъемник

13 положительный электрод

15 отрицательный электрод

17 электролит

19 слой единичной батарейной ячейки

21 генерирующий электроэнергию элемент

23 биполярные электроды

25 первая пластина-токосъемник

27 вторая пластина-токосъемник

29 многослойная пленка

31 изолятор

41 первый брусок

42 второй брусок

43, 44 клеммы

45, 46 линии питания

Предложена батарея, обладающая увеличенным сроком службы. Более конкретно, раскрыта батарея, которая содержит: генерирующий электроэнергию элемент (21), в котором наслоены один или более слоев единичных ячеек, каждая из которых образована последовательным наложением или наслоением положительного электрода, электролита и отрицательного электрода; первую пластину-токосъемник (25), которая предусмотрена на поверхности самого внешнего положительного электрода генерирующего электроэнергию элемента (21); вторую пластину-токосъемник (27), которая предусмотрена на поверхности самого внешнего отрицательного электрода генерирующего электроэнергию элемента (21); выпуклую или выступающую часть (41), (42), предусмотренную на первой пластине-токосъемнике (25) и/или второй пластине-токосъемнике (27), с шириной, которая составляет не менее половины ширины концевой кромки пластины-токосъемника (25), (27); и клемму (44), (45), которая прикреплена к выпуклой части (41), (42) для отвода электрического тока из выпуклой части (41), (42). 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Батарея, содержащая:
генерирующий электроэнергию элемент, образованный наслаиванием по меньшей мере одного слоя единичной батарейной ячейки, каждый из которых образован последовательным наслаиванием положительного электрода, электролита и отрицательного электрода;
первую пластину-токосъемник, предусмотренную на поверхности самого внешнего положительного электрода генерирующего электроэнергию элемента;
вторую пластину-токосъемник, предусмотренную на поверхности самого внешнего отрицательного электрода генерирующего электроэнергию элемента;
пару проводящих выступающих частей в форме бруска, каждая из которых сформирована лишь на одной концевой кромке одной из первой и второй пластин-токосъемников и имеет такую же ширину, что и пластина-токосъемник, в которой сформирована выступающая часть, и при этом пара проводящих выступающих частей расположена симметрично по отношению к генерирующему электроэнергию элементу как центру;
пару клемм, каждая из которых прикреплена к соответствующей из выступающих частей и выполнена с возможностью отвода тока из соответствующей выступающей части; и
внешний корпус, заключающий в себе генерирующий электроэнергию элемент, при этом выступающие части предусмотрены во внутреннем пространстве внешнего корпуса.

2. Батарея по п.1, при этом каждая клемма прикреплена на конце соответствующей выступающей части.

3. Батарея по п.1, при этом выступающая часть выступает в сторону генерирующего электроэнергию элемента.

4. Батарея по п.1, при этом площадь поперечного сечения выступающей части в плоскости, перпендикулярной ее оси, составляет не менее 0,04% от площади поверхности соответствующего положительного или отрицательного электрода.

5. Батарея, содержащая:
генерирующий электроэнергию элемент, образованный наслаиванием по меньшей мере одного слоя единичной батарейной ячейки, каждый из которых образован последовательным наслаиванием положительного электрода, электролита и отрицательного электрода;
первую пластину-токосъемник, предусмотренную на поверхности самого внешнего положительного электрода генерирующего электроэнергию элемента;
вторую пластину-токосъемник, предусмотренную на поверхности самого внешнего отрицательного электрода генерирующего электроэнергию элемента;
пару проводящих выступающих частей в форме бруска, каждая из которых сформирована лишь на одной концевой кромке одной из первой и второй пластин-токосъемников и имеет такую же ширину, что и пластина-токосъемник, в которой сформирована выступающая часть, и при этом пара проводящих выступающих частей расположена симметрично по отношению к генерирующему электроэнергию элементу как центру;
пару клемм, каждая из которых прикреплена к соответствующей из выступающих частей и выполнена с возможностью отвода тока из соответствующей выступающей части; и
внешний корпус, заключающий в себе генерирующий электроэнергию элемент, при этом выступающие части предусмотрены снаружи внешнего корпуса.

6. Батарея по п.5, при этом каждая клемма прикреплена на конце соответствующей выступающей части.

7. Батарея по п.5, при этом выступающая часть выступает в сторону генерирующего электроэнергию элемента.

8. Батарея по п.5, при этом площадь поперечного сечения выступающей части в плоскости, перпендикулярной ее оси, составляет не менее 0,04% от площади поверхности соответствующего положительного или отрицательного электрода.