Una celda electroquímica que comprende un recipiente que tiene al menos un terminal de contacto;

un electrodo positivo, un electrodo negativo, un separador y un electrolito dispuestos todos en el recipiente; y un colector dispuesto en el recipiente que tiene un núcleo no conductor y una capa conductora esencialmente no carbonosa depositada sobre la superficie más externa del núcleo, haciendo contacto eléctrico dicho colector entre el terminal de contacto y uno de los electrodos positivo o negativo, y siendo químicamente compatible con el electrolito dicha capa conductora no carbonosa

ANTECEDENTES Y CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a celdas electroquímicas, particularmente a un colector de corriente para una celda que forma una ruta electroconductora entre un electrodo de celda y un terminal de la celda. La invención se refiere también a un montaje de sellado que incluye el colector de corriente y un sello para sellar el extremo abierto de un recipiente de celda y para ventilar los gases cuando se expone a una presión excesiva. En una realización preferida, la celda es una celda alcalina y el colector de corriente conecta eléctricamente el electrodo negativo de la celda con un terminal negativo. Se dan a conocer métodos para preparar un colector de corriente.

Las celdas electroquímicas alcalinas convencionales incluyen generalmente una carcasa cilíndrica de acero que tiene un electrodo positivo, designado como cátodo, que comúnmente comprende dióxido de manganeso como material activo. La celda electroquímica incluye también un electrodo negativo, designado como ánodo, que comprende comúnmente cinc en polvo como material activo. En celdas de tipo bobina o de tipo clavo, el cátodo se forma típicamente contra la superficie interior de la carcasa de acero, mientras que el ánodo se dispone generalmente en el centro de la carcasa. Está localizado un separador entre el ánodo y el cátodo, y una disolución electrolítica alcalina pone simultáneamente en contacto el ánodo, el cátodo y el separador. Se inserta un colector de corriente conductor en el material activo anódico para proporcionar una ruta eléctrica hasta un terminal externo negativo. Un sello polimérico (por ejemplo de nailon) anular proporciona el cierre del extremo abierto de la carcasa de acero para sellar los materiales electroquímicamente activos en el volumen sellado de la carcasa. Una cubierta interna soporta radialmente el sello. El colector de corriente, cubierta interna y sello se montan típicamente juntos formando un montaje de sellado.

El colector de corriente debe ser conductor y proporcionar una ruta eléctrica hasta un terminal. En consecuencia, la mayoría de los fabricantes de pilas se basan actualmente en colectores de corriente hechos de metales o aleaciones metálicas tales como cobre o latón. Habitualmente, estos colectores metálicos se han revestido con materiales conductores adicionales. En última instancia, el material elegido para el colector de corriente debe exhibir una conductividad adecuada, minimizar el desprendimiento de gases, poseer una durabilidad adecuada para maximizar la vida de almacenamiento de la celda y una suficiente durabilidad y no reactividad cuando se expone a otros componentes internos de la celda, tales como el gel anódico y el electrolito alcalino.

Sin embargo, los colectores de corriente de metales y aleaciones metálicas anteriores padecen numerosas desventajas. Los altos costes de los materiales tales como el cobre han aumentado los costes de fabricación globales para los fabricantes de pilas. Además, las piezas macizas de metal y aleación metálica tienden a añadir un peso indeseado a la celda global. Por último, los colectores de corriente metálicos actúan deficientemente, en términos de desprendimiento de gases y escapes, cuando se descarga la celda y particularmente en condiciones de descarga duradera. Por tanto, se han adoptado diversos enfoques para crear un colector de corriente con rendimiento mejorado y corrosión reducida.

La patente de EE.UU. nº 6.783.895 de Imai et al. enseña un colector hidrofílico para pilas secundarias alcalinas formado por una tela no tejida revestida con níquel. La tela no tejida revestida con níquel se hidrofiliza mediante sulfonación, un tratamiento con flúor gaseoso o injerto con monómero vinílico, y se da a conocer un método para preparar el colector hidrofilizando una tela no tejida que tiene fibras de poliolefina y poliamida, seguido de revestimiento con níquel. Sin embargo, el colector dado a conocer facilita expresamente el montaje de pilas secundarias en las que la porosidad del revestimiento de níquel es necesaria para permitir una capacidad aumentada de la celda, y la tela no tejida tiene una pluralidad de microporos que se extienden de una a otra superficie de la misma.

La patente de EE.UU. nº 5.423.974 de St-Amant et al. da conocer un esquema para metalizar al menos una cara de una película de plástico a vacío seguido de revestimiento electroquímico para proporcionar un material conductor eléctrico uniforme. La lámina metálica fina obtenida está adherida a y soportada por la película de plástico, que encuentra uso, entre otros, en colectores de corriente para pilas de litio electrolíticas poliméricas. Sin embargo, este enfoque requiere múltiples etapas de fabricación complejas, incluyendo el uso de vacío.

La patente japonesa nº 63108666 de Toshiba Battery Co. enseña a reducir el deterioro del rendimiento eléctrico causado por la corrosión en un colector de corriente. Específicamente, se recubre con una pintura conductora basada en carbono la superficie de un plástico conductor que está en contacto con el electrodo positivo.

La patente japonesa nº 62126548 de Toshiba Battery Co. se refiere al uso de un plástico conductor como colector de corriente catódica. Específicamente, se forma una capa de metal fina en el centro de un lado del colector, y se conecta entonces un cable catódico a esta capa metálica.

A la vista de lo anterior, sería bienvenido un colector de corriente y un diseño de montaje de colector de corriente de combinación adecuado para uso en una celda de tipo bobina. Más específicamente, se necesita un colector con forma de barra fabricado según procedimientos sencillos y preparado a partir de materiales ligeros y baratos.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

A la vista de las consideraciones anteriores, es un objeto de una realización de la presente invención proporcionar una celda electroquímica que tenga un colector de corriente que sea económico de fabricar, esté basado en materiales baratos y exhiba un rendimiento eléctrico satisfactorio. Dicho colector de corriente debería tener un núcleo no conductor y una capa superficial conductora, particularmente un núcleo polimérico con metal depositado sobre la superficie del mismo.

Es otro objeto de una realización de la presente invención proporcionar un colector de corriente de electrodo negativo con forma de barra que sea relativamente ligero, conductor eléctrico, compatible con los materiales usados para formar el electrodo negativo, y que tenga un alto sobrepotencial de hidrógeno de modo que reduzca la generación de hidrógeno gaseoso en la celda, aumentando así la fiabilidad del producto.

Es un objeto adicional de una realización de la presente invención proporcionar un montaje de colector de corriente para una celda electroquímica que incluya un sello o junta adaptado para disponerse en el extremo abierto de un recipiente de una celda electroquímica, en el que el colector de corriente se extiende a través de una abertura en el miembro de sellado y una conexión eléctrica no soldada hasta el terminal positivo o negativo de la celda.

Es aún otro objeto de una realización de la invención proporcionar una celda electroquímica que tenga un colector de corriente compuesto con un núcleo no conductor y una capa superficial metálica conductora, en la que la celda exhiba resultados de funcionamiento que sean comparables con los resultados de funcionamiento de una celda de control que tiene un colector de corriente metálico.

Notablemente, se espera que la invención tenga aplicabilidad particular para celdas electroquímicas que emplean un diseño de tipo bobina, especialmente aquellas de tamaños de celda estándar (tales como AAA, AA, C o D) y aquellas que utilizan un electrolito alcalino. Sin embargo, debería observarse que los objetos anteriormente mencionados son meramente ejemplares, y los expertos en la técnica apreciarán fácilmente las numerosas ventajas y alternativas que pueden incorporarse según la siguiente descripción de realizaciones y todos los diversos derivados y equivalentes de las mismas, todos los cuales están contemplados expresamente como parte de esta divulgación.

En consecuencia, una celda electroquímica que satisfaga o mejore estos objetivos, así como otros, incluye un electrolito alcalino, un ánodo y un cátodo dispuestos todos en un recipiente. Se dispone entonces un colector de corriente con forma de barra en contacto eléctrico con el ánodo o el cátodo, y se sella en el recipiente de celda. Puede usarse una junta o sello.... [Seguir leyendo]

1. Una celda electroquímica que comprende

un recipiente que tiene al menos un terminal de contacto;

un electrodo positivo, un electrodo negativo, un separador y un electrolito dispuestos todos en el recipiente; y

un colector dispuesto en el recipiente que tiene un núcleo no conductor y una capa conductora esencialmente no carbonosa depositada sobre la superficie más externa del núcleo, haciendo contacto eléctrico dicho colector entre el terminal de contacto y uno de los electrodos positivo o negativo, y siendo químicamente compatible con el electrolito dicha capa conductora no carbonosa.

2. La celda electroquímica según la reivindicación 1, en la que el miembro alargado tiene una forma seleccionada del grupo consistente en: un cilindro no ahusado, un cilindro escalonado, un cilindro ahusado, una barra no ahusada que tiene al menos tres o más lados esencialmente planos, una barra escalonada que tiene al menos tres o más lados esencialmente planos, una barra ahusada que tiene al menos tres o más lados esencialmente planos, una barra no ahusada que tiene al menos un lado curvo y al menos un lado plano, una barra escalonada que tiene al menos un lado curvo y al menos un lado plano y una barra ahusada que tiene al menos un lado curvo y al menos un lado plano.

3. La celda electroquímica según la reivindicación 2, en la que el miembro alargado incluye al menos uno de: una cabeza dispuesta en el extremo terminal del miembro alargado, un saliente radial dispuesto a lo largo de la porción axial del miembro alargado, un cono truncado dispuesto en el extremo terminal del miembro alargado, un cono completo dispuesto en el extremo terminal del miembro alargado y un extremo romo dispuesto en el extremo terminal del miembro alargado.

4. La celda electroquímica según la reivindicación 1, en la que el miembro alargado está conectado eléctricamente con el terminal de contacto mediante una conexión no soldada.

5. La celda electroquímica según la reivindicación 1, en la que la capa conductora no carbonosa es de al menos 6 µm de grosor.

6. La celda electroquímica según la reivindicación 1, en la que el miembro alargado incluye al menos uno de: una cabeza dispuesta en el extremo terminal del miembro alargado, un saliente radial dispuesto a lo largo de una porción axial del miembro alargado, un cono truncado dispuesto en el extremo terminal del miembro alargado, un cono completo dispuesto en el extremo terminal del miembro alargado y un extremo romo dispuesto en el extremo terminal del miembro alargado.

7. La celda electroquímica según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una junta de sellado dispuesta dentro del recipiente y en la que el miembro alargado penetra en la junta de sellado.

8. La celda electroquímica según la reivindicación 1, en la que la superficie más externa del núcleo está completamente cubierta por la capa conductora.

9. Un montaje de colector de corriente para celda electroquímica que comprende:

un buje de sellado no conductor adaptado para formar un sello a través del extremo abierto de un recipiente de una celda electroquímica; y

una barra colectora de corriente que se extiende a través del buje de sellado, teniendo dicha barra colectora un núcleo no conductor y un recubrimiento conductor no carbonoso sobre al menos una porción del núcleo para conducir corriente eléctrica a través del buje de sellado sin comprometer el sello formado por el buje de sellado.

10. El montaje de colector de corriente según la reivindicación 9, que comprende adicionalmente un sellante dispuesto entre el buje de sellado y la barra colectora.

11. El montaje de colector de corriente según la reivindicación 9, en el que la barra colectora tiene una forma seleccionada del grupo consistente en: un cilindro no ahusado, un cilindro ahusado, un cilindro escalonado, una barra no ahusada que tiene al menos tres o más lados esencialmente planos, una barra escalonada que tiene al menos tres o más lados esencialmente planos, una barra ahusada que tiene al menos tres o más lados esencialmente planos, una barra no ahusada que tiene al menos un lado curvo y al menos un lado plano, una barra escalonada que tiene al menos un lado curvo y al menos un lado plano y una barra ahusada que tiene al menos un lado curvo y al menos un lado plano.

12. El colector de corriente según la reivindicación 9, en el que el núcleo está completamente cubierto por un recubrimiento conductor no carbonoso.

13. El montaje de colector de corriente según la reivindicación 9, en el que el recubrimiento

conductor no carbonoso es de al menos 6 µm de grosor.

14. Un método de fabricación de una celda electroquímica que comprende las etapas de:

formar una barra no conductora de al menos un polímero;

depositar al menos un material no carbonoso que comprende un metal o aleación metálica 5 conductor sobre la superficie externa de la barra;

seleccionar un electrolito que sea químicamente compatible con el material no carbonoso y disponer el electrolito, un ánodo y un cátodo dentro de un recipiente adaptado para uso en una celda electroquímica;

disponer la barra en el recipiente próxima a un electrodo, seleccionándose dicho electrodo del 10 ánodo y el cátodo, para mantener el contacto eléctrico entre el recipiente y el electrodo; y

sellar electrolito, ánodo, cátodo y barra revestida no electrolíticamente dentro del recipiente para crear una celda electroquímica.

15. El método según la reivindicación 14, en el que se proporciona un montaje de buje de sellado

para sellar la celda electroquímica y en el que la barra se inserta a través del montaje de buje de sellado 15 para llevar corriente eléctrica a su través.