КОНСТРУКТИВНЫЙ АККУМУЛЯТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК H01M10/36 

Изобретение относится к электротехнике и, возможно, открывает новый подкласс классификации изобретений - «конструктивные аккумуляторы». То есть аккумуляторы, интегрированные в конструктивные элементы объектов, на которых они установлены, в первую очередь - транспортных средств.

Известно, что аккумуляторы транспортных средств, например электромобилей, составляют значительную часть их массы. В связи с ограниченностью запасов нефти и газа все острее встает проблема перевода на электродвигатели не только автомобилей, но и маломерных судов, самолетов и вертолетов. Кроме экономии невозобновляемых энергоресурсов это сулит и дополнительные преимущества - экологичность, надежность и малый уровень шума. Эти преимущества особенно актуальны при использовании транспорта в густонаселенных местах, например, для автомобилей-такси, для патрульного полицейского самолета или вертолета и т.п.

Чтобы уменьшить долю массы аккумуляторов в эксплуатационной массе электротранспорта, есть прямой путь - усовершенствование аккумуляторов, и работы в этом направлении ведутся. Но не как альтернатива ему, а как параллельное направление развития возможен и другой путь - создание аккумуляторов, способных выдерживать достаточно большую механическую нагрузку, и придание им формы конструктивных элементов транспортных средств, на которых они используются - кузова автомобиля, корпуса катера, обшивки самолета или вертолета.

Все современные аккумуляторы практически не имеют прочности вообще - более того, чтобы придать устойчивую форму рабочим пластинам анода и катода, чтобы обеспечить их соответствующее взаимное расположение, чтобы обеспечить съем электроэнергии и изоляцию токоведущих частей и чтобы создать объем для удержания электролита, аккумулятор имеет достаточно массивные конструктивные и электропроводящие элементы. Некоторой прочность обладают аккумуляторы с твердым электролитом, например, по пат. № RU 2187178. Однако их прочность не идет ни в какое сравнение с прочностью современных конструкционных материалов, и они могут использоваться только в качестве сотовых заполнителей сэндвичевых конструкций.

Задача изобретения - создание аккумулятора, обладающего существенной механической прочностью. Технический результат изобретения - уменьшение массы электрического транспортного средства при равных энергетических возможностях.

ВАРИАНТ 1. Для этого анод и катод аккумулятора выполнены из углеродного волокна, покрытого соответствующими активными веществами анода и катода, и разделены твердым электролитом. Причем в твердый электролит для повышения прочности могут добавляться волокна, обладающие электроизоляционными свойствами. Такие аккумуляторы могут иметь форму кузова автомобиля, корпуса катера, фюзеляжа и крыльев самолета и.т.п.

Ориентировать такие волокна внутри слоя твердого электролита следует по направлению наибольших механических нагрузок.

ВАРИАНТ 2. Для аккумуляторов с жидким электролитом возможен другой вариант - анод и катод аккумулятора выполнены из углеродного волокна, покрытого соответствующими активными веществами, и разделены композитными сепараторами на основе материалов, обладающих электроизоляционными свойствами. Например, на основе стекловолокна, волокон дайнима, спектра, вектран, зайлон, модифицированный полиэтилен и т.п.

Однако сепараторы должны обладать двумя противоречивыми свойствами - они должны быть достаточно прочными и в то же время хорошо пропускать жидкий электролит и, возможно, образующиеся в процессе зарядки газы. Использующиеся для этого в настоящее время сэндвичевые заполнители - пенопласт высокой плотности и сотовые конструкции - для этого не пригодны.

Рекомендуется применять сепараторы трех типов - зигзагообразные или волнообразные в плоскости, касательной к поверхности анода или катода, или в виде отдельных перемычек между анодом и катодом.

Причем форма зигзагообразных или волнообразных сепараторов может быть упорядоченная, когда выступ одного сепаратора находится напротив впадины другого, или хаотичная. При хаотичной форме сепараторов шаг (то есть - периодичность) их расположения должен быть больше их ширины, иначе возможно соприкосновение выступа одного сепаратора с впадиной другого. А это приведет к образованию тупика и газового пузыря.

А форма перемычек в упомянутой плоскости может быть достаточно разнообразной - в виде кругов, квадратов, шестигранников, колец, дуг, угловых фигур с углом между двумя поверхностями 30-150 градусов.

ВАРИАНТ 3. Для придания волокну жесткости и для превращения его тем самым в композитный материал используется связующее - синтетические смолы, чаще всего полиэфирные или эпоксидные. Они обладают хорошими электроизоляционными свойствами, что полезно при изготовлении сепараторов. Но для придания прочности на изгиб и сжатие аноду и катоду следует придать этим смолам как можно большую электропроводность, для чего в связующее надо добавить сажу, уголь или молотый графит в количестве 0,0001-50%. Или можно использовать конъюгированные легированные электропроводящие пластмассы при условии их достаточной механической прочности, химической стойкости и технологической пригодности (полимеризация на месте применения), например полиацетилен.

Особенно целесообразно использование такого электропроводящего связующего при приклейке сэндвичевых заполнителей, так как загрязнение поверхностей анода и катода обычным связующим может резко уменьшить и емкость аккумулятор, и его внутреннее сопротивление.

Так как отдельные гальванические элементы батареи таких аккумуляторов (любого варианта) целесообразно выполнять как отдельные конструктивные элементы, допустим, электросамолета - верхняя поверхность правой консоли крыла, нижняя поверхность правой консоли крыла, правая часть фюзеляжа и т.п. - то наружные слои таких конструкций следует выполнять из электроизоляционного армирующего материала, например вектрана, и с изолирующим связующим. Иначе возможно короткое замыкание при соприкосновении самолета с металлическими или углепластиковыми деталями.

А отдельные конструктивные элементы, являющиеся отдельными гальваническими элементами, например верхняя и нижняя поверхность крыла, должны соединяться без применения электропроводящих материалов.

Так как площадь отдельных конструктивных элементов может быть разная, то разной будет и их электрическая емкость. Для выравнивания электрических емкостей, и, следовательно, для рационального использования всей энергии аккумулятора гальванические элементы меньшей емкости должны иметь параллельно подключенные гальванические элементы любой конструкции такой электрической емкости, чтобы суммарные емкости всех последовательно соединенных гальванических элементов были равны.

На прилагаемых эскизах показаны: на фиг.1 - упорядоченные сепараторы зигзагообразной формы, на фиг.2 - неупорядоченной (хаотичной). На фиг.3 показаны сепараторы упорядоченной волнообразной формы, на фиг.4 - неупорядоченной (хаотичной). На фиг.5 показаны сепараторы сотовой структуры из столбчатых элементов 2 (см. фиг.6). На фиг.6 показан разрез конструктивного сэндвичевого элемента, являющегося гальваническим элементом, здесь: А - анод, К - катод, 1 - изолирующие слои композитного материала, 2 - отдельный столбчатый сепаратор сотовой конструкции, 3 - жидкий электролит.

Работает аккумулятор на прочность, как обычная сэндвичевая панель, а как гальванический элемент, конструктивный аккумулятор работает, как обычный.

Изобретение относится к аккумуляторным батареям. Технический результат - обеспечение наряду с функциями аккумуляторов функций элементов конструкции транспортных средств. Для создания аккумулятора, обладающего существенной механической прочностью, анод и катод аккумулятора выполнены из углеродного волокна, покрытого соответствующими активными веществами, и разделены твердым электролитом или разделены композитными сепараторами на основе материалов, обладающих электроизоляционными свойствами, и заполнены жидким электролитом. Причем твердый электролит для прочности содержит стекловолокно, или волокна дайнима, или спектра, или вектран, или зайлон, или модифицированный полиэтилен. На основе этих же волокон могут изготовляться сепараторы. Сепараторы могут быть зигзагообразной, волнообразной формы и в виде отдельных столбчатых перемычек. 3 н. и 9 з.п. ф-лы,6 ил.

1. Конструктивный аккумулятор, содержащий анод и катод и отличающийся тем, что имеет форму конструктивных элементов транспортных средств, воспринимает механическую нагрузку и состоит из двух наружных слоев композитного материала, выполненного из электроизоляционного армирующего материала (высокопрочных волокон) с изолирующим связующим, причём расположенные изнутри упомянутых слоев анод и катод аккумулятора выполнены из углеродного волокна, покрытого соответствующими активными веществами анода и катода, и разделены твёрдым электролитом.

2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что в твёрдый электролит для повышения прочности добавлены волокна, обладающие электроизоляционными свойствами.

3. Аккумулятор по п.2, отличающийся тем, что упомянутыми волокнами являются стекловолокно, или волокна дайнима, или спектра, или вектран, или зайлон, или модифицированный полиэтилен.

4. Аккумулятор по п.2, отличающийся тем, что волокна внутри слоя твёрдого электролита ориентированы по направлению наибольших механических нагрузок.

5. Конструктивный аккумулятор, содержащий анод, катод и жидкий электролит, отличающийся тем, что имеет форму конструктивных элементов транспортных средств, воспринимает механическую нагрузку и состоит из двух наружных слоев композитного материала, выполненного из электроизоляционного армирующего материала (высокопрочных волокон) с изолирующим связующим, а анод и катод аккумулятора выполнены из углеродного волокна, покрытого соответствующими активными веществами анода и катода, и разделены композитными сепараторами на основе материалов, обладающих электроизоляционными свойствами.

6. Аккумулятор по п.5, отличающийся тем, что упомянутыми материалами являются стекловолокно, или волокна дайнима, или спектра, или вектран, или зайлон, или модифицированный полиэтилен.

7. Аккумулятор по п.5, отличающийся тем, что сепараторы зигзагообразые или волнообразные в плоскости, касательной к поверхности анода или катода.

8. Аккумулятор по п.5, отличающийся тем, что сепараторы имеют вид отдельных перемычек между анодом и катодом в виде кругов, или квадратов, или шестигранников, или колец, или дуг, или угловых фигур с углом между двумя поверхностями 30-150 градусов в плоскости, касательной к поверхности анода или катода.

9. Конструктивный аккумулятор, содержащий анод и катод и отличающийся тем, что имеет форму конструктивных элементов транспортных средств, воспринимает механическую нагрузку и состоит из двух наружных слоев композитного материала, выполненного из электроизоляционного армирующего материала (высокопрочных волокон) с изолирующим связующим, анод и катод аккумулятора выполнены из углеродного волокна, покрытого соответствующими активными веществами анода и катода, а в связующее композитного материала анода и катода добавлена сажа, или уголь, или молотый графит в количестве 0,0001-50%, или же связующим является электропроводящая пластическая масса, например полиацетилен.

10. Аккумулятор по п.9, отличающийся тем, что наружные слои конструкций, являющихся отдельными гальваническими элементами батареи аккумуляторов, следует выполнять из электроизоляционного армирующего материала и с изолирующим связующим.

11. Аккумулятор по п.9, отличающийся тем, что отдельные конструктивные элементы, являющиеся отдельными гальваническими элементами, должны механически соединяться без применения электропроводящих материалов.

12. Аккумулятор по п.9, отличающийся тем, что гальванические элементы меньшей ёмкости имеют параллельно подключённые гальванические элементы любой конструкции такой электрической ёмкости, чтобы суммарные ёмкости всех последовательно соединённых гальванических элементов были равны.