Тепловая батарея
Изобретение относится к резервным химическим источникам тока на твердом теле. Техническим результатом изобретения является повышение ресурса работы, энергоемкости, надежности работы батареи, срока годности, механической прочности сборки, сохранности. Согласно изобретенияю тепловая батарея (ТБ) содержит блок электрохимических элементов (ЭХЭ), каждый из которых состоит из расчетного количества твердых слоев анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченных с внешней стороны общим корпусом с тепло- и электроизоляцией. Блок электрохимических элементов (БЭХЭ) размещен вдоль вертикальной оси корпуса, поджат в осевом направлении с заданным усилием расчетного количества упругих элементов с возможностью регулирования величины этого усилия посредством резьбового элемента, дополнительно по торцам БЭХЭ установлены по одному пассивному ЭХЭ, корпус ТБ выполнен цилиндрическим из нержавеющей стали с толщиной стенок от 0,5 до 1 мм, анод каждого ЭХЭ выполнен из одного сплава LiB, катод — из смеси NiCl
2 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, к области резервных химических источников тока на твердом теле, и может быть использовано для изготовления тепловой батареи с ионной проводимостью.
Известно устройство тепловой батареи, содержащей блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, ограниченными с внешней стороны общим корпусом (патент РФ №1833080, МПК Н01М 6/20, опубл. 05.10.1995 г., БИ №28/95).
Недостатками данного устройства являются недостаточно высокие показатели энергоемкости и то, что отсутствуют рекомендации по обеспечению требований по массово-габаритным ограничениям и не регулируется плотность сборки при работе.
Известно в качестве наиболее близкого по технической сущности к заявляемому устройство тепловой батареи (ТБ) (патент РФ №2091918, МПК Н01М 6/36, опубл. 27.09.1997 г., БИ №27/97), содержащей блок электрохимических элементов, каждый из которых снабжен твердыми слоями анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченными с внешней стороны общим корпусом с теплоизоляцией.
К недостаткам прототипа относятся относительно низкие показатели энергоемкости, достигнутые плотность сборки и уровень электрохимических характеристик тепловой батареи.
Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка тепловой батареи, обеспечивающей требования по массово-габаритным ограничениям, повышение ресурса работы, энергоемкости, надежности работы батареи, повышение срока годности, повышение механической прочности сборки, сохранности, увеличение плотности сборки, улучшение электрохимических характеристик.
Новый технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении требований по массово-габаритным ограничениям, повышении ресурса работы за счет стабилизации теплового режима, энергоемкости, надежности работы батареи, срока годности, повышении механической прочности сборки, сохранности, увеличении плотности сборки и улучшении электрохимических характеристик.
Указанные задача и новый технический результат достигаются тем, что в отличие от известной конструкции тепловой батареи, содержащей 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 NiCl 2 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.
Предлагаемая тепловая батарея поясняется следующим образом.
Предлагаемая тепловая батарея представляет собой цилиндрическое устройство, представленное на фиг.1, состоящее из корпуса 1, набора электрохимических элементов (ЭХЭ) 2 и нагревательных элементов 3, упругого элемента 4, металлических прокладок 5, слоев тепло- и электроизоляции 8, 9, резьбового элемента 6 и двух токовыводов 7, один из которых соединен с анодом, другой — с катодом. Внутри корпуса находится блок ЭХЭ, расположенный вдоль вертикальной оси корпуса и поджатый в осевом направлении с заданным усилием расчетного количества упругих элементов с возможностью регулирования величины этого усилия посредством резьбового элемента. В корпусе блока ЭХЭ выполнены прорези 10.
Такое выполнение ограничивает сборку по наружной поверхности, что значительно увеличивает время работы ТБ. В отличие от традиционной фиксации комплекта ЭХЭ по оси дополнительным осевым элементом, который требовал дополнительного тепла для его разогрева, в предлагаемой ТБ достигнута значительная экономия энергии разогрева.
Основной рабочей единицей блока элементов является электрохимический элемент, представляющий собой трехслойную твердую таблетку (фиг.2), где анод 11 выполнен из литий-борного сплава (LiB), обладающего высокими энергетическими характеристиками. Катод 12, представляющий собой смесь NiCl2 и электропроводной добавки, обладает достаточной термической устойчивостью в рабочем состоянии в интервале температур 500-700°С при использовании в качестве ионопроводящей среды солей хлоридов, а также низкой растворимостью в электролите. Электролит 13, представляющий собой смесь загустителя и эвтектики, состоящий из солей щелочных металлов, приобретает ионную проводимость при рабочих температурах ТБ, т.е. при расплавлении. С повышением температуры электропроводность ионных расплавов возрастает, что улучшает электрохимические показатели ТБ по сравнению с прототипом.
Необходимое рабочее напряжение ТБ обеспечивается путем последовательного соединения (набора в «столб») ЭХЭ в виде минимизированных по толщине слоев активных масс в расчетном количестве.
Утонение твердых слоев активных масс эффективно уменьшает затраты тепловой энергии, необходимой для разогрева ТБ, и экономно по габаритным показателям. Для обеспечения требуемого времени работы дополнительно по торцам блока электрохимических элементов установлены по одному пассивному ЭХЭ (электрически не соединенных с другими ЭХЭ) для выравнивания температуры работающих ЭХЭ по оси блока элементов и для равномерного распределения теплового поля внутри ТБ. Столб ЭХЭ изолирован от корпуса внутреннего стакана слоями тепло- и электроизоляции 8, 9 (фиг.1), а между слоями активных масс введены твердые слои нагревательных элементов.
Эти нагревательные элементы 3 (фиг.1), запрессованные в металлическую оболочку и устанавливаемые между ЭХЭ, служат для нагрева комплекта ЭХЭ до рабочей температуры и обеспечения электрической связи между ними. Пакет ЭХЭ и нагревателей поджимается и фиксируется в корпусе при помощи упругого элемента 4 и резьбового элемента 6 (фиг.1), что позволяет упростить сборку ТБ и сделать фиксацию ЭХЭ в корпусе более жесткой и плотной, чем в прототипе, что в свою очередь улучшает электрические характеристики ЭХЭ.
ТБ имеет в своем составе устройство активации с электровоспламенителем (ЭВ), приводящее ее в рабочее состояние.
Принцип работы ТБ следующий. При подаче импульса тока на мостик ЭВ от постороннего источника тока ЭВ срабатывает и дает форс пламени на передающее тепловой импульс средство, при горении которого воспламеняются нагревательные элементы, расположенные между ЭХЭ. При достижении рабочей температуры электролит становится ионопроводящим. При разогреве ионопроводящая среда приобретает чисто ионную проводимость электрического тока и на ЭХЭ возникает разность потенциалов. Примененная электрохимическая система (ЭХС) в ТБ Li(B)/(LiCl-KCl)/NiCl
— анод: 2Li0-2е → 2Li+
— катод: Ni2++2е → Ni0
Суммарная реакция:
2Li+NiCl2 → 2LiCl+Ni
После нарастания разности потенциалов до требуемой величины ТБ готова к работе.
Высокие температуры ионных расплавов, использование энергоемких электрохимических пар (LiB-NiCl2) с минимальным содержанием примесей обеспечивает ТБ высокие удельные показатели предлагаемой ТБ — рабочие напряжения (2,1-2,6 В на один элемент) и значительные плотности тока разряда (до 0,5 А/см 2 в импульсном режиме), что значительно превышает достижения прототипа.
Для стабилизации теплового режима ТБ за счет повышения показателей тепло- и электроизоляции в цилиндрическом корпусе выполнены сквозные вертикальные прорези в виде окон 10 (фиг.1), суммарная площадь которых не превышает 80% от его общей боковой поверхности. Экспериментально было показано, что их наличие повышает энергоемкость ТБ и уровень электрохимических и временных показателей предлагаемой ТБ за счет уменьшения потерь тепла.
Таким образом, при использовании предлагаемой тепловой батареи обеспечиваются требования по массово-габаритным ограничениям, повышение ресурса работы, показателей энергоемкости, надежности работы батареи, срока годности, механической прочности сборки, сохранности, увеличена плотность сборки и улучшены электрохимические характеристики.
Возможность промышленной реализации предлагаемой тепловой батареи подтверждается следующим примером.
Пример. Предлагаемая тепловая батарея реализована в лабораторных условиях в виде опытного образца конкретного типа и представляет собой цилиндрическое устройство (фиг.1), состоящее из корпуса 1 и тепло- и электроизоляции 8, 9. Корпус изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 с толщиной стенок 0,7 мм. Внутри корпуса находится блок электрохимических элементов. Анод 1 (фиг.2) выполнен из литий-борного сплава (LiB), обладающего высокими энергетическими характеристиками. Катод 2 (фиг.2) представляет собой смесь NiCl2 и электропроводной добавки, в качестве ионопроводящей среды используют соли хлоридов. Электролит 3 (фиг.2) — смесь загустителя и эвтектики, состоящей из смеси солей щелочных металлов, приобретает ионную проводимость при рабочих температурах ТБ, т.е. при расплавлении.
Необходимое рабочее напряжение ТБ обеспечивается путем последовательного соединения (набора в «столб») ЭХЭ 2 (фиг.
1) в количестве 11 штук. Для обеспечения требуемого времени работы дополнительно по торцам блока элементов установлены по одному пассивному ЭХЭ (электрически не соединенных с другими ЭХЭ), что способствует стабилизации теплового режима по оси блока элементов. Столб ЭХЭ изолирован от корпуса электроизоляционной прокладкой 8 (фиг.1) из слюдинита, ГСКВ ТУ 3492-070-05758799-2002, по боковой поверхности и прокладками 9 (фиг.1) из теплоизоляционного материала «Картон-Н», 4682601.013-89ТУ, по торцам.
Для нагрева ЭХЭ до рабочей температуры и обеспечения электрической связи между ними служат запрессованные в металлическую оболочку пиротехнические нагреватели 3 (фиг.1), устанавливаемые между ЭХЭ. Пакет ЭХЭ и нагревателей поджимается и фиксируется в корпусе при помощи упругого элемента 4 (фиг.1) и гайки 6 (фиг.1), что позволяет упростить сборку ТБ и сделать фиксацию ЭХЭ в корпусе более жесткой, что в свою очередь увеличивает стойкость ТБ к различным механическим воздействиям и уменьшает электрические потери в рабочем состоянии ТБ.
Снятие электрической емкости производится с помощью токовыводов 7 (фиг.1).
Все данные при работе предлагаемой ТБ сведены в таблицу.
Как показали эксперименты, использование предлагаемой ТБ обеспечивает требования по массово-габаритным ограничениям, повышение ресурса работы за счет стабилизации теплового режима, энергоемкости, надежности работы батареи, срока годности, повышение механической прочности сборки, сохранности, увеличение плотности сборки и улучшение электрохимических характеристик.
| Примеры реализации | Наименование показателей | Значение показателей предлагаемой ТБ | Значение показателей ТБ-прототипа | Срок годности ТБ | Примечание |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Электрохимический элемент в составе ТБ-прототипа (показатели по ЭХЭ) | Разрядные характеристики: | Недостаточно высокие показатели энергоемкости, времени работы, плотности сборки, надежности | |||
| Ток разряда | До 3,5 А | ||||
| Напряжение | 1,75-2,1 В | ||||
| Удельная мощность | 9,3 кВт/кг | 17 лет | |||
| Время работы | 350 с | ||||
| Объем рабочий ЭХЭ | 3,6·10-6 м3 | ||||
| Масса ЭХЭ | 7,41·10-3 кг | ||||
| Электрохимический элемент в составе предлагаемой ТБ (показатели по ЭХЭ) | Разрядные характеристики: | Улучшение по характеристикам: время работы, снимаемая емкость, надежность, плотность сборки, стабилизация теплового режима | |||
| Ток разряда | До 7А | ||||
| Напряжение | 2,6 В | ||||
| Удельная мощность | 30 кВт/кг | 17 лет | |||
| Время работы | до 600 с | ||||
| Объем рабочий ЭХЭ | 3,0·10-6 м3 | ||||
| Масса ЭХЭ | 6,27·10-3 кг |
Тепловая батарея, содержащая блок электрохимических элементов, каждый из которых состоит из расчетного количества твердых слоев анода, катода, электролита, нагревательных элементов, ограниченных с внешней стороны общим корпусом с тепло- и электроизоляцией, отличающаяся тем, что блок электрохимических элементов размещен вдоль вертикальной оси корпуса, поджат в осевом направлении с заданным усилием расчетного количества упругих элементов с возможностью регулирования величины этого усилия посредством резьбового элемента, дополнительно по торцам блока электрохимических элементов установлены по одному пассивному электрохимическому элементу, корпус тепловой батареи выполнен цилиндрическим из нержавеющей стали с толщиной стенок от 0,5 до 1 мм, анод каждого электрохимического элемента выполнен из одного 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 нагревательных элементов, в цилиндрическом корпусе выполнены сквозные вертикальные прорези в виде окон, суммарная площадь которых не превышает 80% от его общей боковой поверхности.
В Финляндии запустили первую в мире песочную батарею: как она работает (видео)
Технология позволяет превращать «зеленую» электроэнергию в тепло и накапливать его перед отопительным сезоном, чтобы не топить дорогим газом.
Related video
Компания Polar Night Energy запустила в Финляндии первый в мире коммерческий аккумулятор на основе песка. Разработчики поделились подробностями проекта с журналистами BBC News.
Песочная батарея расположена на территории электростанции Ватаянкоски и уже обеспечивает тепловой энергией близлежащий город Канкаанпяя в Западной Финляндии. Как пишет Polar Night Energy на своем сайте, фактический аккумулирующий теплоноситель представляет собой стальной контейнер шириной около 4 метров и высотой 7 метров, внутри которого содержится около ста тонн песка. Аккумулятор имеет 100 кВт тепловой мощности и 8 МВтч энергоемкости.
«Мы уже поняли, что наша система имеет даже больший потенциал, чем мы рассчитывали изначально. Это был настоящий сюрприз», — рассказал технический директор Polar Night Energy Маркку Юлонен.
Песок — весьма дешевое и экологически чистое вещество, при этом оно может месяцами хранить много тепла в небольшом объеме. Дешевая электроэнергия нагревает его до температуры около 500 градусов Цельсия подобно электрическим каминам, после этого автоматическая система теплообмена заставляет горячий воздух циркулировать.
«Это новшество является частью перехода к умной и зеленой энергетике. Аккумуляторы тепла могут значительно помочь увеличить количество прерывистых возобновляемых источников энергии в электрической сети. В то же время мы можем использовать отработанное тепло на уровне, подходящем для обогрева города», — объяснил Юлонен.
Электростанция Ватаянкоски собирает отработанное тепло, поступающее от серверов, а также от солнечных или ветровых генераторов. В зависимости от сезона, его батарея позволяет нагреть воду перед подачей в сеть централизованного теплоснабжения до 60-100 градусов по Цельсию. Технология особенно полезна зимой для экономии на отоплении, кроме того, она накапливает тепло и использует его для непрерывного обогрева даже в те моменты, когда ветер и солнце не дают достаточно электроэнергии.
Cхема работы электростанции с песочной батареей
Фото: BBC
«Если у нас есть несколько электростанций, которые работают всего несколько часов в зимнее время, когда самые холодные дни, это будет очень дорого. Но если у нас будет такое решение, которое обеспечивает гибкость использования и хранения тепла, я думаю, это значительно поможет сократить расходы», — добавила в комментарии BBC Элина Сеппянен, специалист по энергетике и климату города. Инженеры сейчас пытаются увеличить мощность аккумулятора и заставить его хранить не только тепло, но и электричество. По словам экспертов, эффективность технологии весьма небольшая, когда песок используется только для возврата энергии в электросеть, впрочем, долгосрочное хранение «зеленой» тепловой энергии также может быть полезна для использования тепла, выделяемого промышленными предприятиями в процессе сжигания ископаемого топлива.
BBC подчеркивает, что Финляндия получала большую часть своего газа из России, с которой имеет самую длинную границу среди всех стран Евросоюза. В связи с войной в Украину и вступлением финского государства в НАТО россияне прекратили поставки топлива и электричества, вынудив покупателей искать альтернативные источники тепла и электроэнергии. Этот вопрос очень беспокоит жителей Финляндии по мере приближения холодной зимы.
«Это очень просто, но нам понравилась идея попробовать что-то новое, стать первыми в мире, кто сделал что-то подобное. Это немного безумно, если хотите, но я думаю, что все получится», — рассказал Пекка Пасси, управляющий директор электростанции Ватаянкоски.
Ранее британские ученые создали необычную солнечную батарею, которая вырабатывает электроэнергию только ночью. Как объяснили создатели, устройство улавливает тепло, излучаемое различными объектами в темное время суток и преобразовывает его в электричество.
Писали также о батарее, вырабатывающей электричество из тепла недр Земли.
Новый тип геотермальных аккумуляторов разработали в Японии, ученые надеются превратить его в надежный и бесперебойный источник энергии.
Технология термальных батарей | Военная батарея
Самая надежная конструкция термальной батареи в мире
В большинстве новых конструкций термальных батарей используется пара литий-кремний/дисульфид железа, поскольку она обеспечивает наибольшую емкость на единицу объема. Эвтектическая смесь неорганических солей с неорганической связкой служит электролитом между анодом и катодом. Между каждой ячейкой помещают токопроводящий источник тепла, состоящий из железа и перхлората калия. При инициировании тепловые шарики воспламеняются, выделяя тепло и расплавляя эвтектический электролит, создавая напряжение и ток. Контроль веса тепловой гранулы обеспечивает получение надлежащих электрических характеристик в требуемом диапазоне температур.
Тепловой аккумулятор полностью инертен и не реагирует до активации. Поскольку большинство внешних условий практически не влияют на неактивированную батарею, ее можно хранить более 20 лет.
Аккумулятор можно активировать в любое время без предварительной подготовки, и он начнет подавать питание практически сразу. После активации батарея быстро достигает пикового напряжения, которое постепенно снижается в течение оставшейся части ее активного срока службы. После активации батарея работает до тех пор, пока не будет исчерпан критический активный материал или пока батарея не остынет ниже температуры плавления электролита.
Запрос информации
Электрохимический состав
Усовершенствованные тепловые батареи состоят из набора последовательных элементов. Каждая ячейка состоит из катода, сепаратора электролита, анода и пиротехнического источника тепловой энергии.
Анод
Анод EaglePicher представляет собой запатентованную смесь с литием в качестве активного ингредиента. Этот анод позволяет регулировать емкость в зависимости от более высокого содержания лития. LiSi обычно использует 44% лития по сравнению с 20% для LiAl.
Катод
Дисульфид железа — в настоящее время используется всеми производителями тепловых батарей — смешивается с электролитом и связующим для предотвращения течи при более высоких рабочих температурах и для лучшего использования.
Электролит
Наш электролит-сепаратор представляет собой эвтектическую смесь неорганических солей, сплавленных вместе в запатентованном процессе, а затем перетертых обратно в порошкообразную форму. К этой однородной смеси добавляется связующее, чтобы она не текла в расплавленном состоянии.
Электролит является секретом длительного срока хранения усовершенствованных тепловых аккумуляторов, и определение температурного диапазона, при котором электролит работает должным образом, является одной из основных задач при разработке термобатареи.
Источник тепла
Источник тепла представляет собой гомогенную смесь порошка железа и перхлората калия. Смесь используется для обеспечения отличного воспламенения и очень тонкой пули.
Дизайн, разработка и производство
Стандартизация минимизирует производственные затраты. Во время разработки EaglePicher оптимизирует массу анода и катода, площадь поверхности и толщину элемента для каждой батареи. Мы изучаем возможные проблемные области, которые могут повлиять на изготовление и сборку аккумуляторов.
В процессе проектирования тепловой батареи, помимо электрохимии элемента, мы учитываем внутренние выводы, электрическую изоляцию, систему зажигания, теплоизоляцию, сборку коллектора и контейнера-кронштейна. Когда вы работаете с EaglePicher, вы можете быть уверены, что мы разрабатываем, проверяем и поставляем передовые, но практичные конструкции, готовые к производству.
Работайте с нами
Испытания
В EaglePicher все экологические и вибрационные испытания проводятся на месте. Аккумуляторы для разработки подвергаются критическим динамическим нагрузкам в нашей лаборатории, чтобы гарантировать удовлетворительную работу конструкции в реальных полевых условиях.
Наша история электрохимии
1974: EaglePicher была первой компанией, производившей LiAl/FeS (40 кВт/ч) усовершенствованные тепловые батареи для выравнивания нагрузки и применения в электромобилях по различным контрактам с Аргоннской национальной лабораторией.
1976: Мы были первой компанией в мире, которая адаптировала эту перезаряжаемую систему к первичной тепловой батарее LiAl/FeS2, чего мы добились в рамках контракта с авиабазой Райт-Паттерсон для улучшения характеристик тепловой батареи.
1979: EaglePicher была первой компанией, которая предложила цену и получила квалификационную программу с твердой фиксированной ценой на тепловые батареи LiAl/FeS2 для использования в программе Advanced Medium Range Air-to-Air Missile (AMRAAM).
1982: Мы были первой компанией, производившей тепловые батареи LiSi/FeS2 для Министерства энергетики США (DoE) на производственной основе. На сегодняшний день мы произвели тысячи аккумуляторов с использованием этой системы.
1984: EaglePicher создал отдельный исследовательский отдел, занимающийся исключительно развитием тепловых технологий. Этот отдел, финансируемый за счет внутренних программ исследований и разработок, занимается исследованиями анодов, катодов и электролитов.
Подойдет ли тепловая батарея для вашей отрасли? EaglePicher создал передовые конструкции тепловых батарей для клиентов оборонного и космического рынков.
gif»>
Кроме того, чаша помогает предотвратить миграцию лития, которая потенциально может привести к короткому замыканию батареи.
Поэтому этот вид термобатареи получил наибольшее распространение. Батарея с дисульфидом лития/кобальта обеспечивает лучшую стабильность при высоких температурах, поскольку дисульфид кобальта стабилен до 650 градусов Цельсия. В кальциево-кальциевой хроматной батарее должна происходить как химическая, так и электрохимическая реакция. Эта батарея используется все меньше и меньше, так как все чаще используются более стабильные формы тепловой батареи.