RU2030034C1 - Cell - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical power supply sources. SUBSTANCE: cell incorporates sections of bipolar electrodes with electrolyte. From butts sections are limited by monopolar electrodes and are enclosed in insulating rings composed of casings with internal protrusion and insert which butt and outer side surfaces are embraced by current conducting partition of bipolar electrode. Electrodes of each sign are divided with separator which edges are squeezed between casing of one ring and insert of adjacent one. Additional separator is located inside insert. One butt of casing has annular groove where ring protrusion of adjacent casing enters. Joints of casings are covered with common sheet. Radial grooves are made in butts of casing and insert. Casing is fixed with bandage made from fibrous material. Material of casing has fibres oriented along ring. EFFECT: facilitated manufacture. 7 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к химическим источникам тока. The invention relates to chemical current sources.

Известны свинцовые аккумуляторы с двухполюсными электродами, каждый из которых включает две пластины, соединенные через изолирующую стенку [1,2]. Known lead-acid batteries with bipolar electrodes, each of which includes two plates connected through an insulating wall [1,2].

Известен акуумулятор, включающий заполненные электролитом секции, ограниченные изолирующими кольцами и торцевыми электродами в виде покрытых активной массой электропроводных перегородок, общих для смежных секций и разделенных сепараторами [3] . Расположение перегородок между кольцами затрудняет сборку и герметизацию секций известного аккумулятора, способствует его саморазряду через электролит и осыпающуюся активную массу. Known accumulator, including sections filled with electrolyte, bounded by insulating rings and end electrodes in the form of conductive partitions coated with active mass, common to adjacent sections and separated by separators [3]. The location of the partitions between the rings makes it difficult to assemble and seal the sections of the known battery, contributes to its self-discharge through the electrolyte and crumbling active mass.

В предлагаемом аккумуляторе, в отличие от известного, каждое кольцо составлено из обоймы с внутренним выступом и вкладыша, каждый вкладыш соединен только с одной перегородкой, края которой огибают торцевую и наружную боковую поверхности вкладыша, и вставлен в обойму до упора перегородки в выступ обоймы, а край сепаратора расположен между обоймой одного кольца и вкладышем другого. Такое выполнение аккумулятора упрощает его сборку и улучшает герметизацию, замедляет саморазряд. In the proposed battery, in contrast to the known one, each ring is composed of a cage with an inner protrusion and an insert, each insert is connected to only one partition, the edges of which surround the end and outer side surfaces of the insert, and is inserted into the cartridge to the end of the partition in the protrusion of the cartridge, and the edge of the separator is located between the ferrule of one ring and the liner of the other. This embodiment of the battery simplifies its assembly and improves sealing, slows down self-discharge.

Обмотка обоймы волокнистым материалом позволяет уменьшить расстояние между электродами. Обертывание пакета обойм листом изолирующей пленки заменяет более сложное крепление пакета стяжными болтами. Расположение перегородки внутри обоймы облегчает нанесение активных масс на обе стороны перегородки. Winding the cage with fibrous material reduces the distance between the electrodes. Wrapping the bag package with a sheet of insulating film replaces the more complex package fastening with tie bolts. The location of the partition inside the casing facilitates the application of active masses on both sides of the partition.

Фиг. 1 - аккумулятор, общий вид, разрез; фиг.2 - узел I на фиг.1; фиг.3 - узел II на фиг.1; фиг.4 - разрез А-А на фиг.1; фиг.5 - вид по стрелке Б на фиг.4; фиг.6 - вариант выполнения аккумулятора; фиг.7 - вид по стрелке В на фиг.6; фиг.8 - вариант выполнения аккумулятора; фиг.9 - блок сепараторов аккумулятора; фиг.10 - обойма; фиг.11 - перегородка; фиг.12 - вкладыш. FIG. 1 - battery, general view, section; figure 2 - node I in figure 1; figure 3 - node II in figure 1; figure 4 - section aa in figure 1; 5 is a view along arrow B in figure 4; 6 is an embodiment of a battery; Fig.7 is a view along arrow B in Fig.6; Fig. 8 is an embodiment of a battery; Fig.9 is a block of battery separators; figure 10 - clip; 11 is a partition; 12 is an insert.

Аккумулятор состоит из ряда секций 1, 2, заполненных электролитом. Секции ограничены изолирующими кольцами 3, 4 и торцевыми электродами в виде электропроводных перегородок 5, 6, покрытых активной массой 7, 8. Смежные секции 1 и 2 разделены общей перегородкой 6, которая является двухполюсным электродом. Перегородки разделены сепараторами 9, 10 из пористого материала. Электролитом служит водный раствор серной кислоты, перегородки изготовлены из свинца, активная масса 7 содержит губчатый свинец и покрывает сторону перегородки, имеющую отрицательную полярность, активная масса 8 содержит двуокись свинца и покрывает сторону перегородки, имеющую положительную полярность. Каждое кольцо составлено из обоймы 11, 12, 13 с внутренним выступом 14, 15 и вкладыша 16, 17. Каждый вкладыш 16 соединен только с одной перегородкой 5, края 18 которой огибают торцевую 19 и наружную боковую 20 поверхности вкладыша. Вкладыш вставлен в обойму до упора перегородки в выступ обоймы. Край 21 сепаратора зажат между обоймой одного кольца и вкладышем другого кольца. Обойма выполнена из композиционного волокнистого материала с ориентацией волокон 22 вдоль кольца (см. фиг.2). Это может быть достигнуто изготовлением обоймы путем намотки волокна, смоченного отверждаемым связующим, на вспомогательную втулку с последующей механической обработкой. В частности, обойма может быть изготовлена из полипропилена, армированного ориентированными стеклянными волокнами. The battery consists of a number of sections 1, 2, filled with electrolyte. The sections are limited by insulating rings 3, 4 and end electrodes in the form of electrically conductive partitions 5, 6 covered with active mass 7, 8. Adjacent sections 1 and 2 are separated by a common partition 6, which is a bipolar electrode. The partitions are separated by separators 9, 10 of porous material. The electrolyte is an aqueous solution of sulfuric acid, the partitions are made of lead, the active mass 7 contains spongy lead and covers the side of the septum having negative polarity, the active mass 8 contains lead dioxide and covers the side of the septum having positive polarity. Each ring is composed of a cage 11, 12, 13 with an inner protrusion 14, 15 and the liner 16, 17. Each liner 16 is connected to only one partition 5, the edges 18 of which envelope the end 19 and the outer side 20 of the surface of the liner. The insert is inserted into the ferrule until the septum abuts against the protrusion of the ferrule. The edge 21 of the separator is sandwiched between the holder of one ring and the liner of the other ring. The clip is made of composite fibrous material with the orientation of the fibers 22 along the ring (see figure 2). This can be achieved by making a ferrule by winding a fiber dampened with a curable binder onto an auxiliary sleeve followed by machining. In particular, the clip can be made of polypropylene reinforced with oriented glass fibers.

На одном торце 23 обоймы выполнен кольцевой паз 24, а на другом торце 25 - кольцевой выступ 26, входящий в кольцевой паз смежной обоймы. Кроме того, на торце 25 обоймы выполнен радиальный паз 27, а на торце 23 - радиальный паз 28, которые у смежных обойм служат продолжением один другого. Под этими пазами выполнены радиальный паз 29 в перегородке и радиальный паз 30 во вкладыше в виде торцевого углубления 31. На стыки 32, 33 обойм нанесено покрытие в виде общего для всех обойм листа 34, огибающего пакет обойм снизу. Лист может быть выполнен из пленки полипропилена, натянутой на обоймы и приваренной к ним, либо из стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой с отвердителем. Возможна комбинация обоих покрытий. Кроме общего для обойм покрытия каждая обойма имеет бандаж 35 в виде обмотки волокон 36. Как и покрытие, бандаж может быть нанесен путем оклейки обоймы стеклотканью с волокнами основы, ориентированными вдоль кольца. Активные массы 7 и 8 нанесены на соответствующие стороны перегородки 5 до уровней 37 и 38, определяемых толщинами выступа 14 и вкладыша 16 в месте углубления 31 (см. фиг.3). По периферии слои активных масс 7 и 8 ограничены внутренней поверхностью 39 обоймы и внутренней поверхностью 40 вкладыша. Выступ 14 делит обойму на два гнезда 41 и 42. В гнезде 41 расположен вкладыш 16. В гнездо 42 вставлена торцом 23 смежная обойма. Каждая секция снабжена дополнительным сепаратором 43, размещенным внутри вкладыша. Вкладыш выполнен в виде кольцевого сердечника из металла, например, титана, 44 с покрытием 45 из полимера, например, полипропилена. An annular groove 24 is made at one end of the cage 23, and an annular protrusion 26 is included at the other end 25 and is included in the annular groove of the adjacent casing. In addition, at the end 25 of the cage, a radial groove 27 is made, and at the end 23 of the radial groove 28, which at adjacent cages serve as a continuation of one another. Under these grooves, there is a radial groove 29 in the partition and a radial groove 30 in the insert in the form of an end recess 31. Coating joints 32, 33 are coated in the form of a sheet 34 common to all clips, enveloping the package of clips on the bottom. The sheet can be made of a polypropylene film stretched over the clips and welded to them, or of fiberglass impregnated with epoxy resin with a hardener. A combination of both coatings is possible. In addition to the coating common to the clips, each clip has a bandage 35 in the form of a winding of fibers 36. Like the coating, the bandage can be applied by gluing the clip with fiberglass with warp fibers oriented along the ring. The active masses 7 and 8 are applied to the corresponding sides of the partition 5 to levels 37 and 38, determined by the thicknesses of the protrusion 14 and the liner 16 in the place of the recess 31 (see figure 3). Along the periphery, the layers of active masses 7 and 8 are limited by the inner surface 39 of the cage and the inner surface 40 of the liner. The protrusion 14 divides the clip into two sockets 41 and 42. In the socket 41 is a liner 16. An adjacent clip is inserted into the socket 42. Each section is equipped with an additional separator 43 located inside the liner. The liner is made in the form of an annular core made of metal, for example, titanium, 44 with a coating 45 of polymer, for example polypropylene.

Радиальные пазы 27-30 образуют сквозную щель 46, соединяющую полость секции с атмосферой. В щель вставлена уплощенная воронка 47, которая может быть заглушена либо заменена пробкой. Крайние перегородки 48, 49 опираются на стенки 50, 51, которые скреплены в токовыводами 52 (+) и 53 (-) с помощью заклепок 54, 55, 56, 57, расположенных по окружности 58. Шляпки 59 заклепок освинцованы и соединены с перегородками 48, 49, например, точечной сваркой. Каждый токовывод имеет по две клеммы с крепежными отверстиями 60. Radial grooves 27-30 form a through slot 46 connecting the cavity of the section with the atmosphere. A flattened funnel 47 is inserted into the slot, which can be plugged or replaced with a plug. The extreme partitions 48, 49 rest on the walls 50, 51, which are fastened to the current leads 52 (+) and 53 (-) with rivets 54, 55, 56, 57, located around the circumference 58. The caps 59 of the rivets are leaded and connected to the partitions 48 , 49, for example, by spot welding. Each current output has two terminals with mounting holes 60.

Стенка 50 выполнена в виде крышки 61, а стенка 51 - в виде диска 62, который вставлен во вкладыш 17 и скреплен с ним, например, клеем. На стенки одеты пластмассовые щитки 63, 64, скрепленные со стенками винтами (не показаны). Аккумулятор установлен на четырех ножках 65, закрепленных на покрытии 34. В описанном варианте аккумулятора обойма и вкладыш являются круглыми. В другом варианте (см.фиг.6,7) обойма 66, вкладыш 67, перегородка 68 имеет овальную форму, полученную скруглением углов квадрата. Это позволяет увеличить площадь электродов без увеличения габаритов аккумулятора. Стенки крайних секций имеют форму квадратных фланцев 69, которые стянутые четырьмя болтами 70. Фланцы и расположенные между ними обоймы размещены в пластмассовой кювете 71. Квадратные фланца могут быть выполнены также в сочетании с круглыми обоймами 72 (см.фиг.8). Кроме того, в первом из описанных вариантов (см.фиг.1-4) вместо круглых могут быть использованы овальные обоймы, соединенные, как и круглые, с помощью листа 34, закрывающего их стыки. The wall 50 is made in the form of a cover 61, and the wall 51 is in the form of a disk 62, which is inserted into the liner 17 and fastened with it, for example, with glue. Plastic shields 63, 64 are fastened to the walls, fastened to the walls with screws (not shown). The battery is mounted on four legs 65 mounted on the cover 34. In the described embodiment, the battery and the liner are round. In another embodiment (see FIG. 6,7), the cage 66, the insert 67, the partition 68 has an oval shape obtained by rounding the corners of the square. This allows you to increase the area of the electrodes without increasing the size of the battery. The walls of the outer sections are in the form of square flanges 69, which are tightened by four bolts 70. The flanges and the clips located between them are placed in a plastic cuvette 71. Square flanges can also be made in combination with round clips 72 (see figure 8). In addition, in the first of the described options (see Fig. 1-4) instead of round oval clips can be used, connected, like round ones, with the help of a sheet 34 covering their joints.

Наряду со свинцовым аккумулятором описанную конструкцию могут иметь аккумуляторы других типов, например, никель-кадмиевый. При этом каждая из внутренних перегородок 5, 6 выполнена биметаллической. Along with a lead-acid battery, other types of batteries, for example, nickel-cadmium, may have the described construction. Moreover, each of the internal partitions 5, 6 is made bimetallic.

Свинцовые перегородки 5, 6, 48, 49 могут быть армированы стеклотканью, что позволяет уменьшить их толщину, снизить расход свинца, исключить введение сурьмы в материал электродов. Активные массы 7, 8 также могут быть связаны введением стекловолокна. Их уровни 37, 38 фиксированы сепараторами 9 и 43, препятствующими осыпанию активных масс. Сепаратор 9 выполнен из мипласта либо юмикрона, сепаратор 43 - из стекловолокна в виде мата. Могут быть также применены многослойные сепараторы. В качестве волокон 22, армирующих обойму, и волокон 36, используемых для бандажа, наряду с минеральными волокнами могут быть использованы органические, например, арамидные. Обмотка волокнами повышает прочность обоймы на разрыв, обеспечивает плотную посадку вкладыша с перегородкой в обойму, что улучшает электрическую изоляцию секций друг от друга через электролит, препятствует образованию замкнутой цепи внутри аккумулятора. Запрессованный в обойму вкладыш оказывает на нее радиальное давление, обеспечивающее крепление края 18 перегородки. Возможно также покрытие края 18 клеем перед запрессовкой. Взаимная фиксация обойм достигается за счет радиального давления при введении кольцевого выступа 26 в кольцевой паз 24. Дополнительное крепление обойм и герметизация секций обеспечивается листом 34, огибающим пакет обойм. Токовыводы 52, 53 изготовлены из листов меди или алюминия, заклепки 54 - из меди, алюминия, никеля, воронки 47 и кювета 71 - из полипропилена. Вместо сплошного вкладыша 16 может быть также использован вкладыш с разрезом, образующий кольцевую С-образную пружину, прижимающую края 18 перегородки к обойме. Lead partitions 5, 6, 48, 49 can be reinforced with fiberglass, which reduces their thickness, reduces lead consumption, and eliminates the introduction of antimony into the electrode material. The active masses 7, 8 can also be connected by the introduction of fiberglass. Their levels 37, 38 are fixed by separators 9 and 43, which prevent shedding of the active masses. The separator 9 is made of Miplast or Yumikron, the separator 43 is made of fiberglass in the form of a mat. Multilayer separators can also be used. As fibers 22, reinforcing the cage, and fibers 36 used for the bandage, along with mineral fibers can be used organic, for example, aramid. The fiber winding increases the tensile strength of the cage, provides a tight fit of the liner with a baffle in the cage, which improves the electrical isolation of the sections from each other through the electrolyte, and prevents the formation of a closed circuit inside the battery. The liner pressed into the clip exerts radial pressure on it, which secures the edge 18 of the partition. It is also possible to cover the edge 18 with glue before pressing. Mutual fixation of the cages is achieved due to radial pressure when the annular protrusion 26 is inserted into the annular groove 24. Additional fastening of the cages and sealing of the sections is provided by a sheet 34 enveloping the package of cages. The current leads 52, 53 are made of sheets of copper or aluminum, the rivets 54 are made of copper, aluminum, nickel, funnel 47 and the cuvette 71 is made of polypropylene. Instead of a continuous insert 16, a cut insert may also be used, forming an annular C-shaped spring pressing the edges of the septum 18 against the clip.

Раствор серной кислоты заливают в секции аккумулятора через воронки 47. Он проникает в поры сепараторов и активных масс. Аккумуляторы могут быть соединены параллельно и последовательно с помощью шин, подведенных к крепежным отверстиям 60, и применены, например, для питания стартера либо радиоаппаратуры. Выбор расстояния между перегородками определяется потребляемым током. Приемлемы расстояния от 2 до 20 мм при толщине перегородок от 0,1 до 1 мм, причем перегородки могут иметь ячеистую структуру с переменной вдоль перегородки толщиной. При потребляемом токе 10 А и емкости 20 А ^. ч свинцовый аккумулятор из 6 секций имеет габариты 120х160х150 мм, наружный диаметр обоймы 140 мм, внутренний диаметр обоймы 110 мм (диаметр полости секции), продольный размер обоймы (в направлении тока) 18 мм. Из них: паз 24-4 мм (перекрытие смежных обойм), толщина перегородки 0,5-1 м, активные массы 7 и 8 - по 4 мм, сепаратор 9-1 мм, сепаратор 43-4 мм.A solution of sulfuric acid is poured into the battery section through funnels 47. It penetrates into the pores of the separators and active masses. The batteries can be connected in parallel and in series with the help of busbars connected to the mounting holes 60, and are used, for example, to power the starter or radio equipment. The choice of the distance between the partitions is determined by the consumed current. Acceptable distances from 2 to 20 mm with a thickness of the partitions from 0.1 to 1 mm, and the partitions can have a cellular structure with a variable thickness along the partition. When consumed by a current of 10 A and 20 A ^capacitance. h lead battery of 6 sections has dimensions of 120x160x150 mm, the outer diameter of the cage 140 mm, the inner diameter of the cage 110 mm (diameter of the cavity section), the longitudinal size of the cage (in the direction of current) 18 mm Of these: a groove of 24-4 mm (overlapping adjacent clips), a partition thickness of 0.5-1 m, active masses of 7 and 8 - 4 mm each, a separator of 9-1 mm, a separator of 43-4 mm.

При разряде аккумулятора на нагрузку свинец активной массы 7 и двуокись свинца активной массы 8 реагируют с серной кислотой с образованием сульфата свинца. Электрический ток пересекает перегородки 5, 6 и слои активных масс 7, 8 по толщине, что выравнивает распределение тока по электроду и улучшает использование активных масс. В токовыводы 52, 53 ток проходит по заклепкам 54, 56, распределенным по тыльным сторонам крайних перегородок 48, 49. При заряде аккумулятора ток расходуется, в основном, на обратную реакцию с образованием губчатого свинца и двуокиси свинца. When the battery is discharged, the lead of the active mass 7 and the lead dioxide of the active mass 8 react with sulfuric acid to form lead sulfate. An electric current crosses partitions 5, 6 and layers of active masses 7, 8 in thickness, which evens out the distribution of current across the electrode and improves the use of active masses. The current flows through current leads 52, 53 through rivets 54, 56 distributed on the rear sides of the extreme partitions 48, 49. When the battery is charged, the current is spent mainly on the reverse reaction with the formation of spongy lead and lead dioxide.

Отсутствие сурьмы в материале перегородок обусловливает достаточно высокое перенапряжение водорода. Незначительные количества водорода и кислорода, которые могут выделяться при заряде, подымаются по сепаратору 43 вверх и выходят наружу через воронку 47. Прохождение тока по толщине перегородок 5, 6 делает целесообразным уменьшение толщины перегородок в отличие от пластин с продольным прохождением тока. Это позволяет снизить расход свинца. Кроме армирования перегородок волокнами сохранение прочности при уменьшении толщины может быть достигнуто изготовлением перегородок из титановой фольги (толщиной 0,1 мм) со свинцовым покрытием на обеих сторонах. The absence of antimony in the material of the partitions causes a sufficiently high overvoltage of hydrogen. Minor amounts of hydrogen and oxygen that can be released during charging rise up through the separator 43 and exit through the funnel 47. The passage of current through the thickness of the partitions 5, 6 makes it advisable to reduce the thickness of the partitions in contrast to plates with longitudinal current flow. This reduces lead consumption. In addition to reinforcing partitions with fibers, maintaining strength with decreasing thickness can be achieved by manufacturing partitions of titanium foil (0.1 mm thick) with a lead coating on both sides.

При изготовлении аккумулятора его собирают из модулей, выполненных на основе отдельных обойм (см.фиг.3). Расположение перегородки внутри обоймы с окантовкой сторон перегородки выступом 14 и вкладышем 16 облегчает нанесение активных масс на стороны перегородки. Сепараторы 9 и 43, закрывающие обойму с обеих сторон, предохраняют модуль от повреждения в процессе сборки аккумулятора, что позволяет автоматизировать этот процесс. In the manufacture of the battery, it is assembled from modules made on the basis of individual clips (see figure 3). The location of the partition inside the casing with the edging of the sides of the partition by the protrusion 14 and the liner 16 facilitates the application of active masses on the sides of the partition. Separators 9 and 43, closing the cage on both sides, protect the module from damage during battery assembly, which allows you to automate this process.

При необходимости аккумулятор может быть разобран на модули путем разрезания листа 34 вдоль стыков 32, 33 обойм без удаления частей разрезанного листа. Повторная сборка достигается наложением дополнительного листа. If necessary, the battery can be disassembled into modules by cutting the sheet 34 along the joints 32, 33 of the cage without removing parts of the cut sheet. Reassembly is achieved by overlaying an additional sheet.

Claims (7)

1. АККУМУЛЯТОР, включающий заполненные электролитом секции, ограниченные изолирующими кольцами и торцевыми электродами в виде покрытых активной массой электропроводных перегородок, общих для смежных секций и разделенных сепараторами, отличающийся тем, что каждое кольцо составлено из обоймы с внутренним выступом и вкладыша, каждый вкладыш соединен только с одной перегородкой, края которой огибают торцевую и наружную боковую поверхности вкладыша, и вставлен в обойму до упора перегородки в выступ обоймы, а край сепаратора расположен между обоймой одного кольца и вкладышем другого. 1. ACCUMULATOR, including sections filled with electrolyte, bounded by insulating rings and end electrodes in the form of conductive partitions coated with an active mass, common to adjacent sections and separated by separators, characterized in that each ring is composed of a cage with an inner protrusion and an insert, each insert is connected only with one baffle, the edges of which bend around the end and outer side surfaces of the liner, and is inserted into the ferrule until the septum stops in the protrusion of the ferrule, and the separator edge is located between the holder of one ring and the insert of the other. 2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что обойма выполнена из композиционного волокнистого материала с ориентацией волокон вдоль кольца. 2. The battery according to claim 1, characterized in that the clip is made of composite fibrous material with the orientation of the fibers along the ring. 3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что на одном торце обоймы выполнен кольцевой паз, а на другом торце - кольцевой выступ, входящий в кольцевой паз смежной обоймы. 3. The battery according to claim 1, characterized in that an annular groove is made on one end of the cage, and an annular protrusion included in the annular groove of the adjacent casing is made on the other end. 4. Аккумулятор по п.2, отличающийся тем, что на торцах обоймы и вкладыша выполнены радиальные пазы. 4. The battery according to claim 2, characterized in that at the ends of the cage and the insert radial grooves are made. 5. Аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что на стыки обойм нанесено покрытие в виде общего для всех обойм листа. 5. The battery according to claim 1, characterized in that the joints of the clips are coated in the form of a sheet common to all clips. 6. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что обойма имеет опоясывающий ее бандаж из волокнистого материала. 6. The battery according to claim 1, characterized in that the ferrule has a bandage surrounding it of fibrous material. 7. Аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что каждая секция снабжена дополнительным сепаратором, размещенным внутри вкладыша. 7. The battery according to claim 1, characterized in that each section is equipped with an additional separator located inside the liner.

Images