КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЕ ТОКОПРОВОДЯЩЕЕ СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ Российский патент 2023 года по МПК H01M4/00 H01M50/50 H01M50/533 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к области проводниковых материалов, а конкретно является частью электрохимической системы, содержащей электроды в качестве химических источников тока с обустроенным токоподводом к таковым, снижая при этом изнашиваемость соединений, обеспечивая повышенный срок службы применяемых компонентов.

Уровень техники

Из уровня техники известна электродная пластина аккумуляторной батареи (см. CN 218827724, кл. H01M 10/04, публ. 07.04.2023г. [1]).

Известное решение [1] относится к области изготовления и использования электродных компонентов аккумуляторных систем.

Известный компонент электрода содержит соединительную переходную часть и расширенную рабочую часть с последовательно выполненными расположенными противоположно друг другу выступами, обеспечивающими высокую эксплуатационную эффективность.

Согласно замыслу известного технического решения [1] выступы электродного компонента выполнены в виде рельефной кольцевой поверхности в виде чередующихся, представляющих собой единую структуру дугообразных кромок, соединенных последовательно.

Известным решением [1] решается задача обеспечения долговременного и надежного функционирования локальной электрохимической системы питания.

В качестве недостатков известного решения [1] следует отметить следующие.

Ряд указанных дугообразных кромок электродного компонента имеет своеобразную структуру и уникальное рельефное исполнение с чередованием преимущественно неповторяющихся возвышений и углублений, что в свою очередь для ведения производственного процесса сборки деталей обуславливает необходимость использования дорогостоящего высокоточного оборудования способного изготавливать образцы с требуемыми неунифицированными параметрами, неизбежно повышая при этом расходы производства, сказывающиеся отрицательно на итоговой себестоимости изготовления единиц продукции.

Дополнительным недостатком нельзя не отметить получение компонентов облоя при изготовлении кольцевой структуры рельефного исполнения, в этой связи при массовом серийном производстве следует ожидать вероятного большого количества производственных несоответствий и неточностей, затруднительно проявляющихся у каждого образца на стадиях проверки и приемки, но которые могут проявиться при непосредственной эксплуатации, что в большинстве случаев будет приводить к искажению рабочих характеристик, а в некоторых случаях к потере заявленных свойств и снижению времени эффективной работы.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения следует читать электродный компонент электрохимической системы, известный из US 11245105, кл. C23C 14/00, публ. 2021г. [2].

Известный электродный компонент используется в электрохимической системе, состоящей из проводников первого рода и находящихся в соприкосновении с ними проводников второго рода.

Электродный компонент содержит токоотводящую часть и электроактивную часть, при этом токоотводящая часть выполнена в виде периферийного выходящего наружу ответвления, а электроактивная часть выполнена дискообразной, состоящей из нескольких электроактивных сегментов механического исполнения.

Конструктивной особенностью исполнения известного электродного компонента является наличие разделительного слоя, который является электроизолирующим и имеет две поверхности, которые противоположны друг другу, причем на одну из указанных поверхностей нанесен методом напыления токосъемный слой в состав, которого входит никель.

В качестве недостатков известного решения [2] следует обозначить следующие.

Электроактивная часть электродного компонента выполнена по существу составной и содержит, как указано выше, состыкованные между собой первый и второй токосъемные слои, между которыми расположен промежуточный электроизолирующий слой, что в свою очередь может оказывать неблагоприятное влияние на эффективность процессов разряжения и заряжения системы, поскольку имеются конструкционные неактивные состыкованные участки слоев с характерными, в виду особенности соединения, неидентичными физико-химическими показателями, оказывающими непосредственное влияние на протекание процессов в электрохимической энергетической системе.

Дополнительным недостатком, согласно описанию решения [2] возможно считать многоэтапный, длительный и практически сложно воссоздаваемый вариант изготовления и испытания предлагаемой электрохимической системы, который, в частности, подразумевает обязательное прохождение, обладающих неунифицированными особенностями, нескольких физико-химических стадий, в том числе описывающих работу, в составе технического решения, электролита, сепаратора, положительных и отрицательных электродов, коллектора, электрохимических ячеек и пр., что комплексно способно повышать производственное качество, а также надежность и длительность работы, но вместе с тем потребует привлечения значительных материальных и энергетических затрат для организации крупного заводского производства, что в разы повысит розничные отпускные цены и поставит под сомнение рациональность массового внедрения описываемой технологии и соответствующей продукции.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой предлагаемого изобретения является создание части электрохимической системы, а точнее средства электропроводности, обладающего высокой коррозионной стойкостью и обеспечивающего устойчивое и стабильное энергообеспечение электролитических ячеек, что способствует повышению надежности работы и увеличению срока службы электрохимической системы питания.

Техническим результатом, решающим обозначенную техническую проблему изобретения, является реализация указанного назначения по созданию функционально стабильного электропроводящего соединения, обладающего улучшенным газоотведением с сохранением баланса и эффективности производственных параметров, а также обладающего возможностью практического исключения непосредственного контакта с электролитической средой, что создает условия высокой коррозионной стойкости и как следствие высокой химической устойчивости электропроводящего соединения, оптимизируя тем самым рабочий процесс, повышая производительность и эксплуатационный ресурс электропроводящего соединения электролитической ячейки.

Заданный технический результат достигается в результате того, что внешнее электропроводящее соединение электролитической ячейки содержит токоотводящую часть и электроактивную часть, при этом токоотводящая часть выполнена в виде обращенного в наружную сторону электропроводного ответвления, объединенного, посредством загнутого фиксирующего установочное положение Г-образного перехода, с упомянутой электроактивной частью, выполненной в виде кольцеобразной пластины, ребра которой имеют зубчатую поверхность, причем со стороны наружной и внутренней указанной поверхности имеются сопряженные с таковой изогнутые Г-образные фиксаторы стопорные концевые части, которых ориентированы в наружную от пластины сторону.

По одному из наилучших вариантов осуществления указанный Г-образный переход на участке соединения с кольцеобразной пластиной имеет ромбовидный сквозной срез, компенсирующий напряжения участка изгиба.

Упомянутые Г-образные фиксаторы на участках соединения с кольцеобразной пластиной также согласно наилучшему варианту осуществления изобретения имеют ромбовидные сквозные срезы, компенсирующие напряжения на участках изгиба.

Согласно частному варианту осуществления электроактивная часть в виде кольцеобразной пластины по контуру имеет сквозные технологические отверстия.

Является целесообразным если указанный Г-образный переход в месте соединения с токоотводящей частью будет иметь зауженный соединительный участок.

Предлагается вниманию новое относительно компактное средство, относящееся к области проводниковых материалов, которое используется в качестве электропроводящего соединения электролитической ячейки системы электрохимического источника тока, обеспечивая электропроводное и коррозионностойкое обустройство токоподвода к электроду, снижая при этом изнашиваемость соединений, обеспечивая повышенный срок службы используемых материалов.

В соответствии с авторским замыслом обустройство токоподвода исключает непосредственный контакт с электролитом, что обеспечивает защиту компонентов от агрессивного воздействия активной рабочей среды, которая может уменьшать срок службы электролитической системы, т.е. фактически в ходе эксплуатации газ не задерживается а эффективно отводится во внешнюю среду, что практически минимизирует взаимодействие соединения с электролитом функционально не допуская физико-химического действия электрода, что предотвратит износ и увеличит срок службы системы электрохимического источника тока.

В конструкционном отношении предлагаемое электропроводящее соединение для электролитической ячейки состоит из токоотводящей части и электроактивной части, причем токоотводящая часть выполняется в виде электропроводного ответвления, а электроактивная часть выполняется в виде кольцеобразной пластины, причем соединяются указанные части Г-образным загнутым переходом, который имеет стопорное плечо, соприкасающееся со стенкой электролитической ячейки, что фактически и определяет установочное положение кольцеобразной пластины относительно последней в токоподводящей системе, обеспечивая при этом возможность практического исключения контакта с электролитом и эффективную возможность газоотведения.

Выполнение электроактивной части в виде кольцеобразной пластины обеспечивает эффективное и эргономичное ее обустройство в пределах электролитической ячейки, а выполнение ребер с зубчатой поверхностью как с внутренней, так и с наружной сторон обеспечивает улучшенную и надежную фиксацию в нужной позиции, к примеру на нужной высоте, причем зубцы поверхности создают своего рода “пружинную” фиксацию, т.е. допускают незначительные смещения, а через образованные между ними зазоры, как со стороны внутреннего, так и со стороны внешнего ребра беспрепятственно проходит газ, который образуется при заряжании и расходуется при разрядке.

Наличие со стороны наружной и внутренней зубчатой поверхности кольцеобразной пластины сопряженных с таковой изогнутых Г-образных фиксаторов позволяет надежно и эргономически выверенно установить соединение и визуально отмерить нужное положение электрода в электрохимической системе в зависимости от особенностей и габаритных размеров электрохимических ячеек, причем имеющиеся стопорные концевые части указанных фиксаторов обращены в наружную от кольцеобразной пластины сторону, что позволяет произвести относительно устойчивое и неподвижное положение, обеспечивая ровное и сбалансированное функциональное обустройство электропроводного соединения электролитической ячейки в питающей электрохимической системе.

Таким образом, предлагаемое внешнее электропроводящее соединение электролитической ячейки образует совокупность признаков, достаточных для решения обозначенной технической проблемы и собственно достижения заданного технического результата, заключающегося в реализации назначения по созданию функционально стабильного электропроводящего соединения, обладающего улучшенным газоотведением с сохранением баланса и эффективности производственных параметров, а также обладающего возможностью практического исключения непосредственного контакта с электролитической средой, что создает условия высокой коррозионной стойкости и как следствие высокой химической устойчивости электропроводящего соединения, оптимизируя тем самым рабочий процесс, повышая производительность и эксплуатационный ресурс электропроводящего соединения электролитической ячейки.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен общий вид внешнего электропроводящего соединения;

На фиг. 2 представлены изображения электропроводящих соединений, установленных на электролитические ячейки;

На фиг. 3а, 3б представлены процессы заряжения и разряжения электролитических ячеек электрохимической системы питания.

Осуществление изобретения

Предлагаемое внешнее электропроводящее соединение электролитической ячейки поясняется конкретными примерами выполнения и реализации, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядным образом демонстрируют достижение указанной совокупностью существенных признаков заданного технического результата, а также решение обозначенной технической проблемы.

На фиг. 1, 2 и 3а,3б схематично представлены следующие части и элементы, относящиеся к предлагаемому изобретению:

1 - электропроводящее соединение;

2 - токоотводящая часть;

3 - электроактивная часть;

4 - Г-образный переход;

5 - внутренние Г-образные фиксаторы;

6 - внешний Г-образный фиксатор;

7 - соединительный участок;

8 - технологические отверстия;

9 - сквозной срез Г-образного перехода;

10 - сквозной срез внешнего Г-образного фиксатора;

11 - поверхность электролита;

12 - электролит;

13 - сплав щелочных металлов;

14 - вставка ячейки;

15 - внутренняя зубчатая поверхность;

16 - внешняя зубчатая поверхность;

17 - стопорная концевая часть Г-образного фиксатора;

18 - второе электропроводящее соединение.

И так, внешнее электропроводящее соединение 1 содержит токоотводящую часть 2 и электроактивную часть 3.

Токоотводящая часть 2 выполнена в виде обращенного в наружную сторону электропроводного ответвления, объединенного, с помощью Г-образного перехода 4 с упомянутой электроактивной частью 3, которая в свою очередь выполнена в виде кольцеобразной пластины. Ребра кольцеобразной пластины имеют зубчатую поверхность, а именно внутреннюю зубчатую поверхность 15 и наружную зубчатую поверхность 16.

Причем со стороны внутренней 15 и наружной 16 зубчатой поверхности имеются сопряженные с ними изогнутые Г-образные фиксаторы, которые подразделяются на внутренние Г-образные фиксаторы 5 и внешний Г-образный фиксатор 6 соответственно, которые, в соответствии с замыслом, на участках соединения с кольцеобразной пластиной имеют ромбовидные сквозные срезы 10, компенсирующие напряжения на участках изгиба.

Кроме того, каждый из внутренних Г-образных фиксаторов 5, а также внешний Г-образный фиксатор 6 имеют стопорную концевую часть 17, которая ориентирована в наружную от кольцеобразной пластины сторону.

Следует указать, что Г-образный переход 4 на участке соединения с кольцеобразной пластиной также имеет ромбовидный сквозной срез 9, компенсирующий напряжение участка изгиба, кроме того, Г-образный переход 4 в месте соединения с электропроводным ответвлением имеет зауженный соединительный участок 7.

По контуру кольцеобразной пластины выполнены технологические сквозные отверстия 8.

Осуществляется предлагаемое внешнее электропроводящее соединение электролитической ячейки, следующим образом.

Внешнее электропроводящее соединение 1, выполненное в виде соединенных между собой Г-образным переходом 4 токоотводящей части 2 и электроактивной части 3, изготовлено лазерной резкой из листа толщиной приблизительно 0,1 мм.

Во вставке электролитической ячейки 14 внешнее электропроводящее соединение 1 размещается горизонтально таким образом, чтобы обеспечивалось касание остаточным щелочным металлом 13, который контактирует с поверхностью 11 электролита 12 в разряженной электролитической ячейке.

Представленное на фиг. 1 электропроводящее соединение 1 имеет возможность охвата с внешней стороны вставки электролитической ячейки 14.

Электропроводящее соединение 1 стыкуется со вставкой электролитической ячейки 14, так что производится охват ее стенок с внешней стороны, причем загнутый Г-образный переход 4 касается внешней стенки вставки ячейки 14, а его стопорная концевая часть (стопорное плечо) в виде зауженного соединительного участка 7 располагается у основания вставки ячейки 14 и обращена наружу тем самым происходит фиксация и первичное установочное положение, определяющее уровень расположения электроактивной части 3 по высоте вставки ячейки 14.

Вместе с тем внутренняя зубчатая поверхность 15 и внешняя зубчатая поверхность 16 кольцеобразной пластины фиксируют последнюю в определенной позиции относительно вставки ячейки 14 (указанная поверхность 16 фиксируется за счет прижимного соединения к тиглю ячейки), причем ее (кольцеобразной пластины) внутренние Г-образные фиксаторы 5 и внешний Г-образный фиксатор 6, выполненные соответственно со стороны внутренней зубчатой поверхности 15 и внешней зубчатой поверхности 16 опираясь, ориентированными в наружную сторону, стопорными концевыми частями 17 в основание вставки ячейки 14 позволяют надежно и эргономически выверенно установить электропроводящее соединение 1 вставки электролитической ячейки 14 и визуально отмерить необходимое положение в электрохимической системе, причем положение электропроводящего соединения 1 обеспечивается относительно устойчивое и неподвижное, создавая условия ровного и сбалансированного функционального обустройства электропроводного компонента в электрохимической системе питания.

Токоотводящая часть 2 выполненная в виде обращенного в наружную сторону электропроводного ответвления может быть соединена с другими подобными соединениями или электродами других электролитических ячеек, поэтому его длина может варьироваться в зависимости от эксплуатационных особенностей установки.

Как было указано выше, согласно техническому варианту исполнения, токоотводящая часть 2 и электроактивная часть 3, а именно электропроводное ответвление и кольцеобразная пластина объединены между собой посредством Г-образного загнутого перехода 4, стопорное плечо которого соприкасается с основанием вставки электролитической ячейки 14, что как и было указано определяет установочное положение электроактивной части относительно ячейки в электролитической системе, обеспечивая исключение контакта с электролитом и эффективную возможность газоотведения.

Следует дополнительно упомянуть, что выполнение электроактивной части в виде кольцеобразной пластины создает эффективное и эргономичное ее обустройство в пределах вставки электролитической ячейки 14, а выполнение ребер кольцеобразной пластины с зубчатой поверхностью, а именно с внутренней зубчатой поверхностью 15 и внешней зубчатой поверхностью 16 создает условия улучшенной и надежной фиксации в заданной позиции, к примеру на требуемой высоте, причем зубцы внутренней 15 и внешней 16 поверхности образуют своего рода пружинную фиксацию, т.е. допускают незначительные коррекционные смещения, а через образованные зазоры, т.е. зазоры между зубцами внутренней 15 зубчатой поверхности и внешней 16 зубчатой поверхности беспрепятственно может проходить газ, который образуется при заряжании и расходуется при зарядке.

Процесс разряжения и заряжения могут быть описаны в следующем виде (см. фиг. 3а, 3б).

1. Электролитическая система разряжена

Внешнее электропроводящее соединение 1 выполненное из листа никеля касается щелочных металлов 13, которые заполняют объем между внешним электропроводящим соединением 1 и поверхностью 11 электролита 12.

2. Заряжение системы

К электропроводящему соединению 1 прикладывается напряжение, после чего начинается образовываться сплав щелочных металлов 13 (заряженное топливо) на границе щелочных металлов 13 и поверхностью 11 электролита 12. Продолжается процесс заряжения.

3. Разряжение

К электропроводящему соединению 1 из никеля прикладывается нагрузка. Электропроводящее соединение 1 из никеля контактирует со сплавом щелочных металлов 13, а сплав щелочных металлов 13 контактирует с электролитом 12 и расходуется.

4. Полное разряжение

Сплав щелочных металлов 13 израсходовался до уровня ниже никелевого электропроводящего соединения. То есть остаточный сплав щелочных заполняет объем между никелевым электропроводящим соединением 1 и поверхностью 11 электролита 12.

Опытно-экспериментальным путем установлено, что работа представленной электрохимической системы выдает напряжение на разрядку порядка 2,2-2,3 В, что соответствует теоретическим расчетам.

Сущность проведенного эксперимента поясняется на примере представленной электрохимической системы питания (см. фиг. 3а, 3б).

1. Электрохимическая система находится в разряженном состоянии, т.е. сплав щелочных металлов 13 заполняет область между электропроводящим соединением 1 вставки электролитической ячейки 14 и поверхностью 11 электролита 12.

2. На электропроводящее соединение из никеля подается напряжение 4 В, причем на поверхности 11 образуется сплав щелочных металлов13.

3. После зарядки напряжение отключается и электропроводное соединение подключается к вольтметру, показание на котором порядка 2,2 -2,3 В.

Предлагаемое изобретение обеспечивает создание части электрохимической системы, а точнее средства электропроводности, обладающего высокой коррозионной стойкостью и обеспечивающего устойчивое и стабильное энергообеспечение электролитических ячеек, что способствует повышению надежности работы и увеличению срока службы электрохимической системы питания.

Предлагаемое изобретение найдет широкое применение в области энергетики и может быть успешно использовано в качестве накопителя энергии, обеспечивая подачу напряжения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкции электропроводящего соединения в электролитической ячейке, а именно к внешнему электропроводящему соединению, сопряженному с токоотводящей частью и электроактивной частью электрохимической ячейки. Повышение надежности электропроводящего соединения и срока службы электрохимической ячейки является техническим результатом, который достигается тем, что внешнее электропроводящее соединение содержит токоотводящую часть, выполненную в виде обращенного в наружную сторону ответвления, объединенного посредством Г-образного перехода с электроактивной частью, выполненной в виде кольцеобразной пластины, ребра которой имеют зубчатую поверхность, при этом со стороны наружной и внутренней зубчатой поверхности имеются изогнутые Г-образные фиксаторы и стопорные концевые части, которые обеспечивают сопряжение на участках соединения. Электропроводящее соединение обладает улучшенным газоотведением и практически исключает непосредственный контакт с электролитической средой, что создает условия высокой коррозионной стойкости. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Внешнее электропроводящее соединение электролитической ячейки, содержащее токоотводящую часть и электроактивную часть, отличающееся тем, что токоотводящая часть выполнена в виде обращенного в наружную сторону электропроводного ответвления, объединенного посредством загнутого фиксирующего установочное положение Г-образного перехода, с упомянутой электроактивной частью, выполненной в виде кольцеобразной пластины, ребра которой имеют зубчатую поверхность, причем со стороны наружной и внутренней указанной поверхности имеются сопряженные с таковой изогнутые Г-образные фиксаторы, стопорные концевые части которых ориентированы в наружную от пластины сторону.

2. Внешнее электропроводящее соединение по п. 1, отличающееся тем, что Г-образный переход на участке соединения с кольцеобразной пластиной имеет ромбовидный сквозной срез, компенсирующий напряжения участка изгиба.

3. Внешнее электропроводящее соединение по п. 1, отличающееся тем, что Г-образные фиксаторы на участках соединения с кольцеобразной пластиной имеют ромбовидные сквозные срезы, компенсирующие напряжения на участках изгиба.

4. Внешнее электропроводящее соединение по п. 1, отличающееся тем, что по контуру пластины выполнены технологические сквозные отверстия.

5. Внешнее электропроводящее соединение по п. 1, отличающееся тем, что Г-образный переход в месте соединения с электропроводным ответвлением имеет зауженный соединительный участок.