ТЕПЛОВАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2021 года по МПК H01M6/36 

Изобретение относится к тепловым химическим источникам тока повышенной удельной мощности и энергии.

Известна тепловая батарея фирмы EaglePicherEAP-12256A (https://www.eaglepicher.com/products/bundle-energy-thermal-battery-systems/), используемая для электропитания потребителей в режиме пиковых нагрузок по мощности, массой 0,21 кг с допуском по напряжению 22-32 В (37%) и удельной энергией 4,5 Втч/кг при токе разряда 0,35 А, в качестве анода использован литий-кремниевый композит, катодом является дисульфид железа.

Недостатком данного технического решения является ограничения тока разряда и мощности.

Известна тепловая батарея (Патент РФ 2369944, опубл. 10.10.2009 г., МПК Н01М 6/36, принята за прототип), содержащая блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, ограниченными с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией, в предлагаемой конструкции блок электрохимических элементов размещен вдоль вертикальной оси корпуса, поджат с заданным усилием в осевом направлении упругим элементом с возможностью регулирования величины этого усилия, корпус тепловой батареи выполнен цилиндрическим из нержавеющей стали с толщиной стенок не менее 0,5-1,0 мм, анод каждого электрохимического элемента выполнен из литий-борного сплава (LiB), катод - из смеси NiCl₂ и электропроводной добавки, электролит - из смеси загустителя и эвтектики, состоящей из солей щелочных металлов, с внутренней и торцевых сторон цилиндрического корпуса выполнены слои тепло- и электроизоляции, между слоями активных масс введены твердые слои теплонагревательных элементов, в цилиндрическом корпусе выполнены сквозные вертикальные прорези в виде окон, суммарная площадь которых не превышает 80% от его общей боковой поверхности.

Недостатком прототипа является отсутствие информации о составе слоев блока электрохимических элементов, что ограничивает возможность распространения данного технического решения на батареи повышенной мощности.

Проблемой создания батарей с током разряда более 10А является неустойчивость блока электрохимических элементов к возможному вытеканию электролита при диаметрах блока электрохимических элементов 70 мм и более, а также впитыванию электролита в пористую структуру катода, что ограничивает время работы и номинальный разрядный ток тепловой батареи, а следовательно, ее энергию.

Предлагаемое в настоящем изобретении техническое решение направлено на решение этой проблемы. Решение проблемы достигается за счет полученного технического результата.

Техническим результатом изобретения является повышение устойчивости электролита тепловой батареи к растеканию и впитыванию электролита в катод при диаметре блока электрохимических элементов не менее 70 мм, что обеспечивает номинальные разрядные токи 11А и более и емкость не менее 14000 А⋅с при напряжении батареи 20-36 В.

Указанный технический результат обеспечивается конструкцией тепловой батареи. Тепловая батарея, содержащая блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода и расположенного между ними электролита, которые ограничены с внешней стороны корпусом с теплоизоляцией, блок электрохимических элементов размещен вдоль вертикальной оси корпуса, фиксирующий элемент, корпус выполнен глухим цилиндрическим из нержавеющей стали, с крышкой с расположенными в ней токовыводами батареи, электролит состоит из смеси загустителя и эвтектики, катод дополнительно содержит электролитную смесь, состоящую из солей щелочных металлов, с внутренних боковых и торцевых сторон цилиндрического корпуса выполнены слои тепло- и электроизоляции, между электрохимическими элементами введены твердые слои теплонагревательных элементов, между которыми размещены токоотводы, причем, блок электрохимических элементов состоит из двух параллельных секций по 17 электрохимических элементов и выполнен диаметром 70 мм, фиксирующий элемент выполнен в виде стяжки и опорного диска, катод выполнен в виде таблетки толщиной 1,5-1,7 мм, и содержит 63,0-65,0% дисульфида железа, 19,9-20,1% электролитной смеси, содержащей 43,4-43,6% оксида магния и 56,4-56,6% эвтектической смеси, содержащей 4,9-5,1% гидрооксида лития и 10,0-11,0% эвтектической смеси хлорида лития 42,9-43,1% и хлорида калия 53,9-54,1% и фторида лития 2,9-3,1%, электролит, расположенный между катодом и анодом, содержит в качестве загустителя оксид магния 49,9-50,1%, эвтектическая смесь - остальное, содержащая хлорид лития 42,9-43,1%, хлорид калия 53,9-54,1% и фторид лития 2,9-3,1%, и выполнен в виде таблетки толщиной 1,1-1,3 мм, анод выполнен из литий-кремниевого сплава Li4Si в виде таблетки толщиной 1,5-2 мм, электроизоляция внутренней боковой поверхности блока электрохимических элементов выполнена из электроизолирующей ткани «ЛЭС», электроизоляция внутренних боковых сторон цилиндрического корпуса выполнена из слюдосодержащего материала «элмикатекс», теплоизоляция внутренних боковых сторон цилиндрического корпуса выполнена из слоя материала «Картон-Н» и материала ATM-17, электроизоляция торцевых сторон выполнена в виде электроизолирующих прокладок.

Диаметр блока электрохимических элементов, 70 мм, в совокупности с коммутацией электрохимических элементов в две параллельные секции обеспечивают номинальный разрядный ток батареи 11 А при плотности тока не менее 100 мА/см², при которой катодный и анодный материал прорабатываются равномерно и с высокими коэффициентами полезного использования, 80-100% по аноду и 60-80% по катоду. Катод выполнен в виде таблетки толщиной 1,5-1,7 мм, и содержит 63,0-65,0% дисульфида железа, 19,9-20,1% электролитной смеси, содержащей 43,4-43,6% оксид магния и 56,4-56,6% эвтектическая смеси, содержащей 4,9-5,1% гидрооксида лития и 10,0-11,0% эвтектической смеси хлорида лития 42,9-43,1% и хлорида калия 53,9-54,1% и фторида лития 2,9-3,1%, чем обеспечивается легкость проникновения расплавленного электролита в пористую структуру катода и создание условий его оптимальной работы вследствие пониженной вязкости данного состава электролита. Оптимальные условия работы катода обеспечиваются также толщиной катодной таблетки, 1,5-1,7 мм. При толщине катода менее 1,5 мм снижается его механическая прочность при диаметре 70 мм, в результате чего батарея выходит из строя раньше, чем это обеспечивает заложенное количество катодного материала и не. позволяет получить требуемую емкость. При толщине более 1,7 мм снижается коэффициент полезного использования катода вследствие недостаточной его проработки. Количество электролитной смеси, добавляемого в катод, 19,9-20,1%, позволяет сохранить межзеренные контакты катодного материала, которые не разрушаются при расплавлении электролита. При содержании электролита в катоде менее 19,9% работает не вся возможная поверхность катода, что снижает коэффициент полезного использования, а значит и емкость батареи. При содержании электролита более 20,1% электролит разрушает при расплавлении пористую структуру катода, что приводит к потере емкости батареи вследствие его разрушения. В состав электролитной таблетки входит, кроме эвтектической смеси хлоридов лития и калия- хлорид лития 42,9-43,1% и хлорид калия 53,9-54,1%, которая обеспечивает расплавление электролита при температуре не выше 625 К, входит также фторид лития 2,9-3,1%, служащий активатором анода и загуститель, оксид магния 49,9-50,1%, что позволяет повысить вязкость электролита в межэлектродном пространстве и, тем самым, предотвратить его вытекание из межэлектродного пространства и связанный с этим преждевременный выход из строя. Толщина таблетки электролита, 1,1-1,7 мм обеспечивает количество электролита, в котором не происходит солевой пассивации анода и предотвращается его вытекание при вращательных нагрузках. При толщине электролитной таблетки менее 1,1 мм пористая структура катода работает неравномерно, что снижает коэффициент полезного использования, при толщине более 1,7 мм электролит после расплавления и при наличии вращательных нагрузок вытекает из межэлектродного пространства. Анод выполнен из литий-кремниевого сплава Li4Si, что обеспечивает его термическую устойчивость и работу с высоким коэффициентом полезного использования. Электроизоляция боковой поверхности блока электрохимических элементов с помощью электроизолирующей ткани ЛЭС помимо качественных электроизоляционных свойств при высоких температурах, позволяет надежно зафиксировать блок электрохимических элементов в вертикальном направлении от горизонтальных смещений электрохимических элементов друг относительно друга, что предотвращает вытекание электролита. Количество электрохимических элементов в последовательно соединенной цепи, 17 элементов, необходимо для обеспечения номинального напряжения батареи 20-36 В. Слюдосодержащий материал «элмикатекс» помимо качественных электроизоляционных свойств при высоких температурах обладает достаточной эластичностью, что позволяет предотвращать смещение электрохимических элементов относительно друг друга и препятствовать растеканию электролита. Материал «Картон-Н» (теплоемкость 0,448 Дж/(г⋅К) и теплопроводность 0,0008 Вт/(м⋅К)) и материал ATM-17 (теплоемкость 0,25 Дж/(г⋅К) и теплопроводность 0,0016 Вт/(м⋅К)) позволяют сохранить рабочую температуру блока электродов на время необходимое для максимального использования катода и анода, что позволяет повысить энергию батареи.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 показан блок электрохимических элементов в продольном сечении установленный в корпусе.

1 - анод

2 - электролит

3 - катод

4 - теплонагревательный элемент электрохимического элемента

5 - теплонагревательные элементы теплоизоляции

6 - набор тепло- и электроизоляционных прокладок

7 - крышка

8 - блок электровоспламенителя

9 - стяжка

10 - опорный диск

11 - токоотвод элементов

12 - глухой цилиндрический корпус батареи

13 - электроизоляция внутренних боковых поверхностей цилиндрического корпуса материалом «элмикатекс»

14 - теплоизоляция внутренних боковых поверхностей цилиндрического корпуса материалом «Картон-Н»

15 - теплоизоляция внутренних боковых поверхностей цилиндрического корпуса материалом «АТМ-17»

16 - электроизоляция боковой поверхности блока электрохимических элементов материалом «ЛЭС»

17 - токовыводы батареи

Тепловая батарея состоит из блока электрохимических элементов, состоящего из двух параллельных секций по 17 электрохимических элементов, каждый из которых снабжен" твердыми слоями анода 1, выполненного из литий-кремниевого сплава Li4Si в виде таблетки толщиной 1,5-2 мм, электролита 2, содержащего содержит в качестве загустителя оксид магния 49,9-50,1%, эвтектическая смесь - остальное, содержащая хлорид лития 42,9-43,1%, хлорид калия 53,9-54,1% и фторид лития 2,9-3,1%, и выполненного в виде таблетки толщиной 1,1-1,3 мм, катода 3, выполненного в виде таблетки толщиной 1,5-1,7 мм, и содержащей 43,4-43,6% оксида магния содержащего 63,0-65,0% дисульфида железа, 19,9-20,1% электролитной смеси, и 56,4-56,6% эвтектическая смеси, 4,9-5,1% гидрооксида лития и 10,0-11,0% эвтектической смеси хлорида лития 42,9-43,1% и хлорида калия 53,9-54,1% и фторида лития 2,9-3,1%, ограниченными с внешней стороны глухим цилиндрическим корпусом 12 диаметром 70 мм, блок электрохимических элементов размещен вдоль вертикальной оси глухого цилиндрического корпуса 12, поджат в осевом направлении стяжками 9 и опорным диском 10, блок электрохимических элементов изолирован по боковой поверхности электроизолирующим материалом «ЛЭС» 16, с внутренних боковых сторон цилиндрического корпуса выполнены слои теплоизоляции материалами «Картон-Н» 14 и «АТМ-17» 15 и электроизоляции слюдосодержащим материалом «эмикатекс» 13, между электрохимическими элементами введены твердые слои теплонагревательных элементов 4, токовыводы 11, в осевом направлении глухого цилиндрического корпуса размещены теплонагревательные элементы 5. Под крышкой 7 глухого цилиндрического корпуса 12 расположен блок электровоспламенителя 8 и набор тепло- и электроизоляционных прокладок 6. В крышке 7- смонтированы токовыводы батареи 17

Тепловая батарея работает следующим образом. В требуемый момент времени на токоотводы 11 электровоспламенителя 8 подается напряжение, от которого происходит поджигание пиротехнической воспламенительной ленты (на фигуре не показана), передающей горение теплонагревательным элементам теплоизоляции 5 и электрохимических элементов 4. В результате в каждом из электрохимических элементов происходит нагревание и расплавление электролита 2 и электролита, входящего в состав катода. Электролит 2 при этом приобретает за счет содержания загустителя, оксида магния в количестве 49,9 -50,1%, повышенную вязкость, которая препятствует его вытеканию из блока электрохимических элементов. Этому также способствует фиксация блока электрохимических элементов электроизолирующей тканью ЛЭС 16, а также электроизоляция корпуса эластичным материалом «эмикатекс» 13 и теплоизолирующие слои материала «Картон-Н» 14 и «АТМ-17» 15. Удерживание электролита в осевом направлении происходит благодаря действию стяжек 9 и опорного диска 10, а также крышкой 7. Работа элемента происходит за счет анодного растворения литий-кремниевого сплава анода 1 и катодного восстановления дисульфида железа катодной таблетки 3. Добавка электролита пониженной вязкости в катод способствует увеличению рабочей поверхности и повышению рабочих токов. Этому также способствует наличие в конструкции батареи двух параллельных цепей электрохимических элементов, за счет чего снижается токовая нагрузка на каждый электрохимический элемент. Результатом действия совокупности существенных признаков заявленного изобретения является работа батареи током 11 А и емкостью 14000 А-с с коэффициентами полезного использования анода 80% и катода 63%.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к тепловой батарее, содержащей блок электрохимических элементов, снабженных твердыми слоями анода, катода и расположенного между ними электролита, ограниченных с внешней стороны корпусом с теплоизоляцией. Блок электрохимических элементов размещен в цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали с крышкой и токовыводами батареи, при этом с внутренних боковых и торцевых сторон корпуса выполнены слои изоляции, а между электрохимическими элементами введены твердые слои нагревательных элементов, между которыми размещены токоотводы. Блок электрохимических элементов состоит из двух параллельных секций по 17 электрохимических элементов и выполнен диаметром 70 мм, батарея снабжена фиксирующим элементом в виде стяжки и опорного диска. Повышение устойчивости электролита тепловой батареи к растеканию и впитыванию материалом катода является техническим результатом изобретения. Диаметр блока электрохимических элементов составляет 70 мм. Тепловая батарея обеспечивает номинальные разрядные токи 11 А и более, емкость не менее 14000 А при напряжении 20-36 В. 1 ил.

Тепловая батарея, содержащая блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода и расположенного между ними электролита, которые ограничены с внешней стороны корпусом с теплоизоляцией, блок электрохимических элементов размещен вдоль вертикальной оси корпуса, фиксирующий элемент, корпус выполнен глухим цилиндрическим из нержавеющей стали, с крышкой с расположенными в ней токовыводами батареи, электролит состоит из смеси загустителя и эвтектики, катод дополнительно содержит электролитную смесь, состоящую из солей щелочных металлов, с внутренних боковых и торцевых сторон цилиндрического корпуса выполнены слои тепло- и электроизоляции, между электрохимическими элементами введены твердые слои теплонагревательных элементов, между которыми размещены токоотводы, причем блок электрохимических элементов состоит из двух параллельных секций по 17 электрохимических элементов и выполнен диаметром 70 мм, фиксирующий элемент выполнен в виде стяжки и опорного диска, катод выполнен в виде таблетки толщиной 1,5-1,7 мм и содержит 63,0-65,0% дисульфида железа, 19,9-20,1% электролитной смеси, содержащей 43,4-43,6% оксида магния и 56,4-56,6% эвтектической смеси, содержащей 4,9-5,1% гидрооксида лития и 10,0-11,0% эвтектической смеси хлорида лития 42,9-43,1% и хлорида калия 53,9-54,1% и фторида лития 2,9-3,1%, электролит, расположенный между катодом и анодом, содержит в качестве загустителя оксид магния 49,9-50,1%, эвтектическая смесь - остальное, содержащая хлорид лития 42,9-43,1%, хлорид калия 53,9-54,1% и фторид лития 2,9-3,1%, и выполнен в виде таблетки толщиной 1,1-1,3 мм, анод выполнен из литий-кремниевого сплава Li4Si в виде таблетки толщиной 1,5-2 мм, электроизоляция внутренней боковой поверхности блока электрохимических элементов выполнена из электроизолирующей ткани «ЛЭС», электроизоляция внутренних боковых сторон цилиндрического корпуса выполнена из слюдосодержащего материала «элмикатекс», теплоизоляция внутренних боковых сторон цилиндрического корпуса выполнена из слоя материала «Картон-Н» и материала ATM-17, электроизоляция торцевых сторон выполнена в виде электроизолирующих прокладок.