Acumulador electroquímico de litio de arquitectura bipolar específica.

Acumulador electroquímico de litio que comprende al menos una primera celda electroquímica

(1) y al menos una segunda celda electroquímica (13) separadas una de la otra por un sustrato colector de corriente (9), sustrato que soporta en una primera cara un electrodo (7) de dicha primera celda electroquímica y en una segunda cara opuesta a dicha primera cara un electrodo de signo opuesto (19) de dicha segunda celda electroquímica, comprendiendo cada celda un electrodo positivo (3, 19) y un electrodo negativo (7, 15) separados por un electrolito (11, 21), caracterizado porque:

- dicho sustrato colector de corriente (9) es de cobre o de aleación de cobre;

- el electrodo negativo (7, 15) comprende un material elegido entre:

&buull; compuestos de óxidos metálicos de fórmula MxOy con M representando un elemento elegido entre Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W y mezclas de los mismos, siendo x e y números enteros positivos elegidos de tal manera que la carga total de los cationes compensa la carga total de los aniones, de forma que el compuesto sea eléctricamente neutro;

• litio metálico o una aleación que comprende litio metálico;

• estaño metálico; y

• mezclas de los mismos; y

- el electrodo positivo (3, 19) comprende un material elegido entre:

• azufre elemental;

• compuestos de sulfuros;

y mezclas de los mismos.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/059973.

Solicitante: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 25, rue Leblanc, Bâtiment "Le Ponant D" 75015 Paris FRANCIA.

Inventor/es: MARTINET,SEBASTIEN, PATOUX,SEBASTIEN, Chami,Marianne, BARCHASZ,CÉLINE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Detalles de construcción o procesos de fabricación... > H01M2/26 (Conexiones de electrodos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Electrodos > H01M4/58 (de compuestos inorgánicos diferentes de óxidos o hidróxidos, p. ej., sulfuros, selenuros, telururos, halogenuros o LiCoF y ; de estructuras polianiónicas, p. ej., fosfatos, silicatos o boratos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Electrodos > H01M4/66 (Empleo de materiales específicos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Electrodos > H01M4/38 (de elementos simples o de aleaciones)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Celdas secundarias; Su fabricación > H01M10/0566 (Materiales líquidos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Electrodos > H01M4/136 (Electrodos a base de compuestos inorgánicos diferentes de los óxidos o hidróxidos, p. ej. sulfuros, selenuros, telururos, halogenuros o LiCoFy)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Celdas secundarias; Su fabricación > H01M10/052 (Acumuladores a litio)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Celdas secundarias; Su fabricación > H01M10/0569 (caracterizados por sus solventes)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Electrodos > H01M4/134 (Electrodos a base de metales, Si o aleaciones)

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Fragmento de la descripción:

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DESCRIPCIÓN

Acumulador electroquímico de litio de arquitectura bipolar específica

Campo técnico

La presente invención se refiere a un acumulador electroquímico de litio de arquitectura denominada bipolar específica que comprende, como sustratos colectores de corriente entre dos celdas adyacentes, sustratos de un material específico, que permite usar un amplio panel de materiales de electrodo positivo y de electrodo negativo.

El campo de la invención puede definirse así como el de los dispositivos de almacenamiento de energía, en particular el de los acumuladores electroquímicos.

Estado de la técnica anterior

Los dispositivos de almacenamiento de energía son clásicamente acumuladores electroquímicos que funcionan según el principio de las celdas electroquímicas aptas para suministrar una corriente eléctrica gracias a la presencia en cada una de ellas de un par de electrodos (respectivamente, un ánodo y un cátodo) separado por un electrolito, comprendiendo los electrodos materiales específicos aptos para reaccionar según una reacción de oxidaciónreducción, por medio de la cual existe producción de electrones en el origen de la corriente eléctrica y producciones de iones que circularán de un electrodo a otro a través de un electrolito.

Entre los acumuladores que cumplen este principio en la actualidad los más usados son los siguientes:

* acumuladores Ni-MH que usan hidruro metálico y oxihidróxido de níquel como materiales de electrodo;

* acumuladores Ni-Cd que usan cadmio y oxihidróxido de níquel como materiales de electrodo;

* acumuladores de ácido-plomo que usan plomo y óxido de plomo PbO2 como materiales de electrodo;

* acumuladores de iones de Li que usan clásicamente, en todo o en parte, materiales litiados como materiales de electrodo.

Desde hace algunos años, los acumuladores de iones de Li han destronado ampliamente a los otros acumuladores mencionados anteriormente debido a la mejora continua de los rendimientos de los acumuladores de iones de Li en términos de densidad de energía. En efecto, los acumuladores de iones de litio permiten obtener densidades de energía másica y de volumen (que pueden ser superiores a 180 Wh.kg-1) netamente superiores a las de los acumuladores Ni-MH y Ni-Cd (que pueden ir de 50 y 100 Wh.kg-1) y de ácido y plomo (que pueden ir de 30 a 35 Wh.kg-1) . Además, los acumuladores de iones de Li pueden presentar una tensión nominal de celda superior a la de otros acumuladores (por ejemplo, una tensión nominal del orden de 3, 6 V para una celda que aplica como materiales de electrodo el par LiCoO2/grafito frente a una tensión nominal del orden de 1, 5 V para los otros acumuladores mencionados anteriormente) .

Por sus propiedades intrínsecas, los acumuladores de iones de Li demuestran ser así especialmente interesantes para los campos en los que la autonomía es un criterio primordial, tal como sucede en los campos de la informática, el vídeo, la telefonía, transportes como los vehículos eléctricos, los vehículos híbridos, o incluso campos médicos, espaciales y de la microelectrónica.

Desde un punto de vista funcional, los acumuladores de iones de litio funcionan según el principio de la intercalación-desintercalación del litio en los electrodos constitutivos de las celdas electroquímicas del acumulador.

Más exactamente, la reacción en el origen de la producción de corriente (es decir, cuando el acumulador está en modo de descarga) hace intervenir la transferencia, por medio de un electrolito conductor de iones de litio, de cationes litio provenientes de un electrodo negativo que llegan para intercalarse en la red aceptora del electrodo positivo, mientras que electrones obtenidos de la reacción en el electrodo negativo alimentarán el circuito exterior al que están unidos los electrodos positivo y negativo.

Para este tipo de acumulador, se presenta la idea de realizar un acumulador que comprende una pluralidad de celdas electroquímicas montadas en serie, con el fin de aumentar la tensión global del acumulador, buscando limitar la masa y el volumen del mismo.

Una arquitectura apropiada para poner en serie celdas electroquímicas, sin perjudicar la masa y el volumen del acumulador resultante, es la arquitectura denominada â??bipolarâ??, consistente en apilar varias celdas electroquímicas separadas unas de otras por un sustrato colector de corriente, estando ocupada una cara de este sustrato por un electrodo de una celda mientras que la cara opuesta de este sustrato está ocupada por un electrodo de signo opuesto de una celda adyacente. Este tipo de arquitectura permite reducir la resistencia eléctrica del conjunto con E11728218

respecto a un acumulador, que estará compuesto por una pluralidad de celdas unidas entre sí por conectores exteriores.

Esta arquitectura bipolar permite igualmente limitar las masas y volúmenes inútiles.

Se describen ejemplos de acumuladores de arquitectura bipolar respectivamente en el documento US-5.162.172 y el documento US 5.432.028.

En el documento US 5.162.172, el sustrato colector de corriente está constituido por dos placas soldadas, respectivamente una placa que forma la placa positiva, que puede ser de acero recubierto o de un metal refractario, tal como molibdeno, y una placa negativa.

En el documento US 5.432.028, el sustrato colector de corriente puede ser de molibdeno.

Los documentos EP 2.073.300 A2, WO 2006/061696 A2, US 2002/037457 A1, FR 2.713.403 A1 y US 6.911.280 B1 describen acumuladores electroquímicos de la técnica anterior.

Sin embargo, este tipo de arquitectura impone que los materiales de electrodo positivo y de electrodo negativo sean compatibles con el material del sustrato colector de corriente mencionado anteriormente, es decir, que los materiales de electrodo no deben ser aptos para formar una aleación con el material del sustrato colector de corriente, durante el funcionamiento del acumulador.

Los autores de la presente invención se fijan así como objetivo proponer acumuladores de arquitectura bipolar que comprenden sustratos colectores de corriente que separan las celdas adyacentes del acumulador en un material tal que permita el uso de un amplio panel de materiales de electrodos positivo y negativo, sin que ello plantee problemas de compatibilidad.

Exposición de la invención

Los autores de la presente invención han descubierto, de manera sorprendente, que al usar cobre o una aleación de cobre para constituir dichos sustratos colectores de corrientes, es posible usar un amplio panel de materiales de electrodo positivo y negativo.

Así, la invención se refiere a un acumulador electroquímico de litio que comprende al menos una primera celda electroquímica y al menos una segunda celda electroquímica separadas una de la otra por un sustrato colector de corriente, sustrato que soporta en una primera cara un electrodo de dicha primera celda electroquímica y en una segunda cara opuesta a dicha primera cara un electrodo de signo opuesto al de dicha segunda celda electroquímica, comprendiendo cada celda un electrodo positivo y un electrodo negativo separados por un electrolito, caracterizado porque:

- dicho sustrato colector de corriente es de cobre o de aleación de cobre;

- el electrodo negativo puede comprender un material elegido entre:

* compuestos de óxidos metálicos de fórmula MxOy con M representando un elemento elegido entre Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W y mezclas de los mismos, siendo x e y números enteros positivos elegidos de tal manera que la carga total de cationes compensa la carga total de aniones, de forma que el compuesto sea eléctricamente neutro;

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Reivindicaciones:

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1. Acumulador electroquímico de litio que comprende al menos una primera celda electroquímica (1) y al menos una segunda celda electroquímica (13) separadas una de la otra por un sustrato colector de corriente (9) , sustrato que soporta en una primera cara un electrodo (7) de dicha primera celda electroquímica y en una segunda cara opuesta a dicha primera cara un electrodo de signo opuesto (19) de dicha segunda celda electroquímica, comprendiendo cada celda un electrodo positivo (3, 19) y un electrodo negativo (7, 15) separados por un electrolito (11, 21) , caracterizado porque:

-dicho sustrato colector de corriente (9) es de cobre o de aleación de cobre;

- el electrodo negativo (7, 15) comprende un material elegido entre:

* compuestos de óxidos metálicos de fórmula MxOy con M representando un elemento elegido entre Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W y mezclas de los mismos, siendo x e y números enteros positivos elegidos de tal manera que la carga total de los cationes compensa la carga total de los aniones, de forma que el compuesto sea eléctricamente neutro;

* litio metálico o una aleación que comprende litio metálico; 20

* estaño metálico; y

* mezclas de los mismos; .

25. el electrodo positivo (3, 19) comprende un material elegido entre:

* azufre elemental;

* compuestos de sulfuros;

y mezclas de los mismos.

2. Acumulador según la reivindicación 1, en el que: 35 * el electrodo positivo (3, 19) comprende azufre elemental; y * el electrodo negativo (7, 15) comprende litio metálico o una aleación que comprende litio metálico.

3. Acumulador según la reivindicación 1 ó 2, en el que el electrolito (11, 21) es un electrolito líquido que comprende 40 una sal de litio.

4. Acumulador según la reivindicación 3, en el que la sal de litio se elige entre LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN (CF3SO2) 3, LiN (C2F5SO2) , bistrifluorometilsulfonilimida de litio LiN[SO2CF3]2 y mezclas de los mismos.

5. Acumulador según la reivindicación 3 ó 4, en el que el electrolito (11, 21) comprende uno o varios disolventes de la familia de los carbonatos y/o de la familia de los éteres.