RU2530266C1

RU2530266C1 - Structural accumulator battery (versions)

Info

Publication number: RU2530266C1
Application number: RU2012144137/07A
Authority: RU
Inventors: Николай Евгеньевич Староверов
Original assignee: Николай Евгеньевич Староверов
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-10-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to accumulator batteries. In order to design an accumulator battery featuring essential mechanical strength the batter anode and cathode are made of carbon fibre and coated by respective active substances and divided by solid electrolyte or composite separators based on materials with electrical insulation properties and filled with liquid electrolyte. At that for the purpose of additional strength the solid electrolyte contains glass fibre or Dyneema of Spectra fibre, or Vectran or Zylon or modified polyethylene. The separators are made on the basis of the same fibre. The separators may be of zigzag or wavy shape and may be made as separate columnar bulkheads.

EFFECT: introduction of elements of vehicles design together with accumulator battery functions.

12 cl, 6 dwg

Description

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.The invention relates to electrical engineering and, possibly, opens a new subclass of the classification of inventions - "structural batteries". That is, batteries integrated in the structural elements of the objects on which they are installed, primarily vehicles.

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.It is known that the batteries of vehicles, such as electric vehicles, make up a significant part of their mass. Due to the limited reserves of oil and gas, the problem of transferring not only automobiles to electric motors, but also small vessels, planes and helicopters is becoming ever more acute. In addition to saving non-renewable energy resources, this promises additional benefits - environmental friendliness, reliability and low noise level. These advantages are especially relevant when using transport in densely populated places, for example, for taxi cars, for a patrol police plane or helicopter, etc.

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.In order to reduce the proportion of the mass of batteries in the operational mass of electric vehicles, there is a direct way - the improvement of batteries, and work is being done in this direction. But not as an alternative to it, but as a parallel direction of development, another way is also possible - the creation of batteries that can withstand a fairly large mechanical load, and giving them the form of structural elements of the vehicles on which they are used - the car body, boat hull, skin of an airplane or helicopter .

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.All modern batteries have practically no strength at all - moreover, in order to give a stable shape to the working plates of the anode and cathode, to ensure their respective relative positions, to ensure the removal of electricity and insulation of live parts and to create a volume for holding the electrolyte, the battery has sufficiently massive structural and electrically conductive elements. Batteries with solid electrolyte have some strength, for example, according to US Pat. No. RU 2187178. However, their strength cannot be compared with the strength of modern structural materials, and they can only be used as honeycomb core sandwich structures.

Задача изобретения - создание аккумулятора, обладающего существенной механической прочностью. Технический результат изобретения - уменьшение массы электрического транспортного средства при равных энергетических возможностях.The objective of the invention is the creation of a battery with significant mechanical strength. The technical result of the invention is the reduction of the mass of an electric vehicle with equal energy capabilities.

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.OPTION 1. For this, the anode and cathode of the battery are made of carbon fiber coated with the corresponding active substances of the anode and cathode, and are separated by a solid electrolyte. Moreover, in the solid electrolyte to increase the strength, fibers having electrical insulating properties can be added. Such batteries may take the form of a car body, boat hull, fuselage and wings of an airplane, etc.

Ориентировать такие волокна внутри слоя твердого электролита следует по направлению наибольших механических нагрузок.Orient such fibers inside the solid electrolyte layer in the direction of the greatest mechanical stresses.

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.OPTION 2. For batteries with liquid electrolyte, another option is possible - the anode and cathode of the battery are made of carbon fiber coated with the corresponding active substances, and separated by composite separators based on materials with electrical insulating properties. For example, based on fiberglass, dinima fibers, spectrum, vectran, zylon, modified polyethylene, etc.

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.However, the separators must have two contradictory properties - they must be strong enough and at the same time pass the liquid electrolyte and, possibly, the gases formed during charging. The sandwich aggregates currently used for this purpose - high density foam and honeycomb structures - are not suitable for this.

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.It is recommended to use three types of separators - zigzag or wavy in the plane tangent to the surface of the anode or cathode, or in the form of separate jumpers between the anode and cathode.

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.Moreover, the shape of the zigzag or wave-like separators can be ordered when the protrusion of one separator is opposite the cavity of another, or chaotic. With the chaotic shape of the separators, the step (i.e., periodicity) of their location should be greater than their width, otherwise the protrusion of one separator may come into contact with the cavity of another. And this will lead to the formation of a dead end and a gas bubble.

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.And the shape of the jumpers in the mentioned plane can be quite diverse - in the form of circles, squares, hexagons, rings, arcs, angular figures with an angle between two surfaces of 30-150 degrees.

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.OPTION 3. To impart stiffness to the fiber and thereby turn it into a composite material, a binder is used - synthetic resins, most often polyester or epoxy. They have good electrical insulating properties, which is useful in the manufacture of separators. But to give bending and compression strength to the anode and cathode, these resins should be given as high electrical conductivity as possible, for which purpose soot, carbon or ground graphite in an amount of 0.0001-50% should be added to the binder. Or, conjugated doped electrically conductive plastics can be used provided that they have sufficient mechanical strength, chemical resistance and technological suitability (polymerization at the place of use), for example polyacetylene.

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.It is especially advisable to use such an electrically conductive binder when gluing sandwich aggregates, since contamination of the surfaces of the anode and cathode with a conventional binder can drastically reduce both the battery capacity and its internal resistance.

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.Since it is advisable to carry out individual battery cells of such batteries (of any option) as separate structural elements, for example, an electric airplane — the upper surface of the right wing console, the lower surface of the right wing console, the right side of the fuselage, etc. - then the outer layers of such structures should be made of electrical insulating reinforcing material, such as Vectran, and with an insulating binder. Otherwise, a short circuit may occur when the aircraft comes into contact with metal or carbon fiber parts.

А отдельные конструктивные элементы, являющиеся отдельными гальваническими элементами, например верхняя и нижняя поверхность крыла, должны соединяться без применения электропроводящих материалов.And individual structural elements, which are separate galvanic cells, for example, the upper and lower surface of the wing, must be connected without the use of electrically conductive materials.

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.Since the area of individual structural elements can be different, their electric capacitance will be different. To equalize the electric capacitance, and, therefore, for the rational use of all the energy of the battery, galvanic cells of smaller capacity must have parallel-connected galvanic cells of any design of such an electric capacitance so that the total capacitances of all series-connected galvanic cells are equal.

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.The accompanying sketches show: in Fig. 1, ordered zigzag separators; in Fig. 2, disordered (chaotic). Figure 3 shows the separators of an ordered wave-like shape, figure 4 - disordered (chaotic). Figure 5 shows the separators of the honeycomb structure of the columnar elements 2 (see Fig.6). Figure 6 shows a section of a structural sandwich cell, which is a galvanic cell, here: A - anode, K - cathode, 1 - insulating layers of the composite material, 2 - a separate columnar separator of a honeycomb structure, 3 - liquid electrolyte.

Работает аккумулятор на прочность, как обычная сэндвичевая панель, а как гальванический элемент, конструктивный аккумулятор работает, как обычный.The battery works for durability, like an ordinary sandwich panel, and as a galvanic cell, the structural battery works like an ordinary one.

Claims

1. The structural battery containing the anode and cathode and characterized in that it has the form of structural elements of vehicles, perceives mechanical stress and consists of two outer layers of a composite material made of electrical insulating reinforcing material (high-strength fibers) with an insulating binder, and located inside the aforementioned layers, the anode and cathode of the battery are made of carbon fiber coated with the corresponding active substances of the anode and cathode, and are separated by a solid electrolyte itom.

2. The battery according to claim 1, characterized in that fibers having electrical insulating properties are added to the solid electrolyte to increase strength.

3. The battery according to claim 2, characterized in that the said fibers are fiberglass, or dyne, or spectrum, or vectran, or zylon, or modified polyethylene.

4. The battery according to claim 2, characterized in that the fibers inside the solid electrolyte layer are oriented in the direction of the greatest mechanical loads.

5. A structural battery containing an anode, cathode and liquid electrolyte, characterized in that it has the form of structural elements of vehicles, perceives mechanical stress and consists of two outer layers of a composite material made of an insulating reinforcing material (high-strength fibers) with an insulating binder, and the anode and cathode of the battery are made of carbon fiber coated with the corresponding active substances of the anode and cathode, and are separated by composite separators based on material fishing with electrical insulating properties.

6. The battery according to claim 5, characterized in that the said materials are fiberglass, or dyne fiber, or spectrum, or vectran, or zylon, or modified polyethylene.

7. The battery according to claim 5, characterized in that the separators are zigzag or wavy in a plane tangent to the surface of the anode or cathode.

8. The battery according to claim 5, characterized in that the separators have the form of individual jumpers between the anode and cathode in the form of circles, or squares, or hexagons, or rings, or arcs, or angular figures with an angle between two surfaces of 30-150 degrees plane tangent to the surface of the anode or cathode.

9. A structural battery containing an anode and a cathode and characterized in that it has the form of structural elements of vehicles, perceives mechanical stress and consists of two outer layers of a composite material made of electrical insulating reinforcing material (high-strength fibers) with an insulating binder, the anode and cathode of the battery made of carbon fiber coated with the corresponding active substances of the anode and cathode, and soot, or an angle, is added to the binder of the composite material of the anode and cathode b, or ground graphite in an amount of 0.0001-50%, or the binder is an electrically conductive plastic mass, for example polyacetylene.

10. The battery according to claim 9, characterized in that the outer layers of the structures, which are separate galvanic cells of the battery of batteries, should be made of an insulating reinforcing material and with an insulating binder.

11. The battery according to claim 9, characterized in that the individual structural elements, which are separate galvanic cells, must be mechanically connected without the use of electrically conductive materials.

12. The battery according to claim 9, characterized in that the galvanic cells of lower capacity have parallel-connected galvanic cells of any design of such an electrical capacity that the total capacities of all series-connected galvanic cells are equal.