СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 2025 года по МПК H01M10/12 H01M10/60 

Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую, а именно к кислотным свинцовым аккумуляторам и может быть использовано при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов.

Известен свинцовый аккумулятор [SU 589651, МПК H01M 10/12, опубл. 25.01.1978], содержащий сдвоенные положительные электроды, отделенные друг от друга и от отрицательных электродов сепараторами и помещенные в сосуд с электролитом. Средние отрицательные электроды выполнены сдвоенными, а отношение количества сепараторов к общему количеству электродов 0,75.

При использовании сдвоенных отрицательных электродов увеличивается количество сепараторов, что приводит к росту омических тепловых потерь и увеличивается температура внутри корпуса аккумулятора. Повышение температуры отрицательных и положительных электродов и электролита приводит к неконтролируемому тепловому разгону аккумулятора при его эксплуатации.

Известен герметизированный свинцовый аккумулятор [RU 2345448 С2, МПК H01M 10/06 (2006.01), H01M 4/014 (2006.01), опубл. 27.01.2009], содержащий положительные и отрицательные электроды, разделенные сепараторами, пропитанными сернокислым раствором электролита, и крышку с предохранительным клапаном. Положительные и отрицательные электроды состоят из двух электродных пластин, разделенных дополнительным сепаратором, при этом отношение толщины дополнительного сепаратора к суммарной толщине сдвоенных электродных пластин составляет 0,15-0,30.

Недостатком такого устройства является то, что при использовании электродов из двух электродных пластин, разделенных дополнительным сепаратором, увеличивается внутреннее сопротивление аккумулятора, что приводит к росту омических тепловых потерь и негативному повышению его температуры.

Известен стационарный герметизированный свинцовый аккумулятор [Дасоян М.А., Агуф И.А. Основы расчета, конструирования технологии производства свинцовых аккумуляторов. - Энергия, Ленинградское отделение, 1978. - С. 74.], выбранный в качестве прототипа, который содержит корпус из эбонита или стеклянного сосуда, внутри которого расположены положительные электроды в виде пластин толщиной 7 мм с диагональным расположением жилок и отрицательные электроды в виде пластин с решетками толщиной 5 мм (средние пластины) и 3,4 мм (крайние пластины). Блок отрицательных электродов опирается на призмы, расположенные на дне корпуса, а положительные электроды находятся в подвешенном состоянии, опираясь на уступы боковых стенок. Положительные и отрицательные электроды разделены сепараторами, состоящими из трех слоев, значительно выступающими за края электродов. В крышке аккумулятора выполнено отверстие с завинчивающейся пробкой, в которой выполнен вентиляционный канал. Внутреннее пространство корпуса заполнено жидким электролитом.

Недостатком известного стационарного герметизированного свинцового аккумулятора является то, что для обеспечения длительного срока эксплуатации при сохранении необходимых электрических характеристик аккумулятора используют два разных по толщине отрицательных электрода и трехслойные сепараторы. При этом каждый слой сепаратора изготовлен из разных, отличающихся по составу материалов. Использование крайних отрицательных электродов и необходимых в этом случае дополнительных сепараторов приводит к увеличению омических тепловых потерь во внутреннем пространстве корпуса и повышению температуры аккумулятора с его возможным тепловым разгоном.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании конструкции свинцово-кислотного аккумулятора, которая обеспечивает отвод тепла за пределы корпуса аккумулятора для подавления теплового разгона во время его эксплуатации.

Предложенный свинцово-кислотный аккумулятор, так же как в прототипе, содержит корпус в виде параллелепипеда, крышку, положительный электрод в виде пластины, опирающейся на уступы в противоположных боковых стенках корпуса, токовый вывод, которого выведен через крышку и герметизирован мастикой, отрицательный электрод, снабженный токовым выводом, сепаратор, расположенный между отрицательным и положительным электродами, жидкий электролит, отверстие в крышке аккумулятора с завинчивающейся пробкой, в которой выполнен вентиляционный канал.

Согласно изобретению, корпус и крышка свинцово-кислотного аккумулятора выполнены из электроизоляционного пластика. Отрицательный электрод выполнен в виде бруска из свинца с замкнутой цилиндрической полостью внутри и установлен на уступы в крышке. Внешняя верхняя поверхность отрицательного электрода снабжена токовым выводом из свинца. Толщина отрицательного электрода в три раза больше толщины положительного электрода, выполненного из диоксида свинца, с токовым выводом из свинца. Диаметр цилиндрической полости равен толщине положительного электрода. Полость на одну треть заполнена жидким диэлектрическим теплоносителем с температурой кипения не менее 50°С. Нижние концы отрицательного и положительного электродов, расположены на одинаковом расстоянии от дна корпуса. Сепаратор в виде пластины абсорбтивно-стеклянной матрицы зафиксирован на уступах боковых стенок корпуса и выступает за нижние и боковые края положительного и отрицательного электродов. Все свободное пространство внутри корпуса заполнено жидким электролитом.

В качестве электроизоляционного пластика использован полипропилен.

В качестве жидкого диэлектрического теплоносителя использован метоксигептафторпропан.

В качестве жидкого электролита использован водный раствор серной кислоты концентрацией 35%.

Использование отрицательного электрода предложенной конструкции с верхней наружной теплоотводящей поверхностью, контактирующей с окружающей средой, при работе аккумулятора обеспечивает теплоотвод во внешнюю среду за пределы корпуса, что снижает риск теплового разгона аккумулятора.

Находящийся в замкнутой полости отрицательного электрода жидкий диэлектрический теплоноситель с температурой кипения до 50°С, нагревается. В результате нагрева теплоносителя образуется парожидкостная смесь, которая устремляется вверх и попав в верхнюю часть замкнутой полости, конденсируется на ее внутренней поверхности и стекает по ней вниз под действием гравитационных сил. При конденсации теплоноситель осуществляет передачу тепловой энергии, которая посредством теплоотводящей поверхности рассеивается в окружающее пространство за пределы корпуса аккумулятора, ускоряя теплоотвод от отрицательного электрода.

Таким образом, предложенная конструкция аккумулятора обеспечивает снижение риска теплового разгона аккумулятора за счет интенсификации охлаждения отрицательного электрода и отвода тепла из внутреннего пространства за пределы корпуса аккумулятора.

На фиг. 1 приведена схема предложенного свинцово-кислотного аккумулятора.

На фиг. 2 показан разрез A - A свинцово-кислотного аккумулятора.

Свинцово-кислотный аккумулятор содержит корпус 1 (фиг. 1) в виде параллелепипеда, в крышку 2 которого сверху вставлен и опирается на уступы с наружной стороны крышки 2 отрицательный электрод 3 в виде бруска из свинца с замкнутой цилиндрической полостью 4 внутри. Корпус 1 и его крышка 2 выполнены из электроизоляционного пластика, например, из полипропилена. Положительный электрод 5 и сепаратор 6 выполнены в виде пластин и опираются на уступы 7 (фиг. 2) в противоположных боковых стенках корпуса 1. Положительный электрод 5 выполнен из диоксида свинца. Сепаратор 6 выполнен в виде пластины абсорбтивно-стеклянной матрицы, ширина которой больше, например, на 2 мм, ширины отрицательного электрода 3 и положительного электрода 5, и расположен между ними. Нижние концы отрицательного 3 и положительного 5 электродов, расположены на равном расстоянии от дна корпуса. Конец сепаратора 6 выступает за кромку нижнего края отрицательного 3 и положительного 5 электродов.

Толщина отрицательного электрода 3 в три раза больше толщины положительного электрода 4. Диаметр цилиндрической полости 4 внутри отрицательного 3 электрода равен толщине положительного электрода 5.

При изготовлении отрицательного электрода 3 через отверстие в его торце цилиндрическую полость 4 на одну треть заполняют жидким диэлектрическим теплоносителем 8, температура кипения которого не менее 50°С, например, Novec 7000 - метоксигептафторпропаном (C₃F₇OCH₃), а затем отверстие запаивают свинцом.

Все свободное пространство внутри корпуса 1 заполнено жидким электролитом 9, например, водным раствором серной кислоты концентрацией 35%. В крышке 2 предусмотрено сквозное отверстие с завинчивающейся пробкой 10, в которой выполнен вентиляционный канал.

Через крышку 2 выведен токовый вывод 11 положительного электрода 5. Сверху отрицательный электрод 3 снабжен токовым выводом 12. Токовые выводы 11 и 12 выполнены из свинца диаметром 3 мм.

Места соединения крышки 2 с корпусом 1, с отрицательным электродом 3, с выводом 11 положительного электрода 5 и с уступами боковых стенок 7 герметизированы мастикой.

Свинцово-кислотный аккумулятор работает в режимах заряда от внешнего источника тока и разряда на внешнюю нагрузку.

Для заряда аккумулятора к токовым выводам 11 и 12 подключают внешний источник тока и осуществляют заряд постоянным напряжением 2,25 - 2,30 В, контролируя напряжение разомкнутой цепи до 2,6 - 2,7 В. В результате пропускания электрического тока активная масса положительного электрода 5 превращается в перекись свинца, а отрицательного электрода 3 в чистый пористый свинец.

При подключении электрической нагрузки к токовым выводам 11 и 12 заряженного аккумулятора на поверхностях отрицательного электрода 3 и положительного электрода 5 разделенных сепаратором 6 при взаимодействии с жидким электролитом 9 происходят химические реакции в результате которых вырабатывается электрическая энергия. При этом электроны покидают аккумулятор через токовый вывод 12 отрицательного электрода 3, а активная масса электродов превращается в сернокислый свинец. Процесс разряда следует ограничить напряжением до 1,8 В во избежание нежелательного глубокого разряда аккумулятора с негативным процессом образования крупнокристаллического сульфата свинца.

Абсорбтивно-стеклянная матрица сепаратора 6 обладает развитой пористой структурой, поры которой заполнены электролитом, что позволяет переносить заряд между электродами. При этом сепаратор 6 обеспечивает надежную изоляцию от электрического пробоя и обеспечивает диффузию водорода и кислорода для их взаимодействия в химических и электрохимических реакциях при зарядах и разрядах аккумулятора.

В процессе работы аккумулятора повышается температура отрицательного электрода 3, внутри которого нагревается жидкий диэлектрический теплоноситель 8. При достижении температуры кипения жидкого диэлектрического теплоносителя 8 из него выделяется парожидкостная смесь, которая устремляется в вверх по замкнутой цилиндрической полости 4. Парожидкостная смесь конденсируется на верхней внутренней поверхности замкнутой цилиндрической полости 4 отрицательного электрода 3, отдавая часть тепла, которое рассеивается через теплоотводящую поверхность 13 отрицательного электрода 3 за пределы корпуса 1 аккумулятора, в результате чего происходит теплоотвод за пределы корпуса аккумулятора и интенсификация охлаждения отрицательного электрода 3. Таким образом, снижение температуры внутри корпуса 1 позволяет подавить тепловой разгон аккумулятора во время его эксплуатации.

Изобретение относится к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую, а именно к кислотным свинцовым аккумуляторам, и может быть использовано при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов. Свинцово-кислотный аккумулятор содержит корпус в виде параллелепипеда и его крышку, выполненные из электроизоляционного пластика. Положительный электрод выполнен в виде пластины из диоксида свинца, опирающейся на уступы в противоположных боковых стенках корпуса. Токовый вывод положительного электрода выполнен из свинца, выведен через крышку и герметизирован мастикой. Отрицательный электрод выполнен в виде бруска из свинца с замкнутой цилиндрической полостью внутри и установлен на уступы в крышке. Внешняя верхняя поверхность отрицательного электрода снабжена токовым выводом из свинца. Толщина отрицательного электрода в три раза больше толщины положительного электрода. Диаметр цилиндрической полости равен толщине положительного электрода. Полость на одну треть заполнена жидким диэлектрическим теплоносителем с температурой кипения не менее 50°С. Нижние концы отрицательного и положительного электродов расположены на одинаковом расстоянии от дна корпуса. Сепаратор в виде пластины абсорбтивно-стеклянной матрицы зафиксирован на уступах боковых стенок корпуса, расположен между отрицательным и положительным электродами и выступает за их нижние и боковые края. В крышке аккумулятора выполнено отверстие с завинчивающейся пробкой, в которой выполнен вентиляционный канал. Все свободное пространство внутри корпуса заполнено жидким электролитом. Технический результат: обеспечение отвода тепла за пределы корпуса аккумулятора для подавления теплового разгона во время его эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Свинцово-кислотный аккумулятор, содержащий корпус в виде параллелепипеда, крышку, положительный электрод в виде пластины, опирающейся на уступы в противоположных боковых стенках корпуса, токовый вывод которого выведен через крышку и герметизирован мастикой, отрицательный электрод, снабженный токовым выводом, сепаратор, расположенный между отрицательным и положительным электродами, жидкий электролит, отверстие в крышке аккумулятора с завинчивающейся пробкой, в которой выполнен вентиляционный канал, отличающийся тем, что корпус и его крышка выполнены из электроизоляционного пластика, отрицательный электрод выполнен в виде бруска из свинца с замкнутой цилиндрической полостью внутри и установлен на уступы в крышке, внешняя верхняя поверхность отрицательного электрода снабжена токовым выводом из свинца, при этом толщина отрицательного электрода в три раза больше толщины положительного электрода, выполненного из диоксида свинца с токовым выводом из свинца, диаметр цилиндрической полости равен толщине положительного электрода, полость на одну треть заполнена жидким диэлектрическим теплоносителем с температурой кипения не менее 50°С, нижние концы отрицательного и положительного электродов расположены на одинаковом расстоянии от дна корпуса, сепаратор в виде пластины абсорбтивно-стеклянной матрицы зафиксирован на уступах боковых стенок корпуса и выступает за нижние и боковые края положительного и отрицательного электродов, всё свободное пространство внутри корпуса заполнено жидким электролитом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве электроизоляционного пластика использован полипропилен.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве жидкого диэлектрического теплоносителя с температурой кипения не менее 50°С использован метоксигептафторпропан.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве жидкого электролита использован водный раствор серной кислоты концентрацией 35%.