Una batería tridimensional del tipo de potencia, en la cual:

un separador (46) en forma de fuelle está situado entre un colector (48) de corriente del cátodo y un colector (50) de corriente del ánodo,

que están dispuestos cara a cara entre sí, de forma que queden cerca de los colectores de corriente de manera alternada,

un espacio definido por el separador (46) en forma de fuelle y el colector (48) de corriente del cátodo es rellenado por un polvo o un producto de formación de un material activo (40) de cátodo, junto con una solución electrolítica,

un espacio definido por el separador (46) en forma de fuelle y el colector (50) de corriente del ánodo es rellenado por un polvo o un producto de formación de un material activo (42) de ánodo, junto con una solución electrolítica, y

los materiales activos (40) de cátodo y los materiales activos (42) de ánodo son rellenados de manera alternada, encarados entre sí a través del separador (46),

caracterizada porque un colector de corriente (44) permeable a los iones está dispuesto dentro de los materiales (40, 42) de cátodo y ánodo.

Batería tridimensional y su estructura de electrodos y procedimiento para producir material de electrodos para la batería tridimensional

Campo técnico

La presente invención se refiere a una batería tridimensional del tipo de alta potencia que está basada en una unidad en forma de fuelle y que es capaz de aumentar fácilmente su tamaño.

Técnica antecedente

La presente invención se refiere a una batería tridimensional. El problema a resolver por la presente invención está clasificado dentro del siguiente problema en vista de las técnicas anteriores.

Un primer problema ejemplar es proporcionar una batería tridimensional que requiera un menor número de partes componentes de lo que es convencional y que reduzca el tiempo de montaje y el coste de montaje. Adicionalmente, el primer problema ejemplar es proporcionar una estructura de electrodos de la batería tridimensional y un procedimiento para producir un material de electrodos de la batería tridimensional. Adicionalmente, el primer problema ejemplar es proporcionar, a bajo coste, una batería tridimensional que tenga una gran área colectora de corriente y que sea capaz de una elevada tasa de carga y descarga.

Un segundo problema es proporcionar una batería tridimensional de alta potencia capaz de aumentar fácilmente su tamaño y de generar una elevada potencia de salida sin sufrir una caída del rendimiento debido al aumento de tamaño.

A continuación, se analizará el segundo problema en comparación con la técnica anterior.

Técnica anterior y segundo problema

La Publicación de Patente Japonesa Nº 3052401 da a conocer una denominada batería tridimensional que comprende un material activo en polvo o en partículas. La Publicación Internacional WO 00/59062 da a conocer una batería tridimensional con capas. En la Publicación Provisional de Patente Japonesa Nº 2002-141101 y la Publicación Provisional de Patente Japonesa Nº 2002-141104 se da a conocer una batería tridimensional que se rellena con un material activo para la formación de una capa fija.

En una batería secundaria de níquel-hidrógeno de estructura convencional, el hidróxido de níquel, que sirve como cátodo para la batería secundaria de níquel-hidrógeno, no tiene conductividad eléctrica. Para lidiar con esto, la superficie del hidróxido de níquel está recubierta con un compuesto de cobalto que es eléctricamente conductivo. Este se usa como relleno en una lámina de espuma de níquel con el propósito de ofrecer soporte de forma y lograr la conducción eléctrica. Dado que es imposible lograr una unión adhesiva entre la lámina de espuma de níquel y el hidróxido de níquel en una solución electrolítica alcalina, se evita la separación mediante la aplicación de una presión física desde el exterior. Adicionalmente, para reducir el grado de resistencia eléctrica entre la lámina de espuma de níquel y el hidróxido de níquel, se requiere una reducción del grosor de la lámina de espuma de níquel. Con este fin, una lámina de espuma de níquel con un grosor de 1, 1 mm aproximadamente, que se ha rellenado con hidróxido de níquel de tipo pasta, se compacta hasta que tenga un grosor de 0, 6 mm aproximadamente. Adicionalmente, para obtener una difusión regular de los iones, la distancia entre el cátodo y el ánodo deberá ser lo menor posible. Por lo tanto, el grosor de la estructura de batería que comprende el cátodo, el separador y el ánodo no excederá de los 2 mm.

En el caso de las baterías secundarias de níquel-hidrógeno de estructura convencional, realmente no existe otra manera de lograr el aumento de tamaño, cumpliendo a la vez los requisitos anteriores, que aumentar el área del cátodo y el ánodo sin modificar el grosor de la lámina de espuma de níquel. Sin embargo, existe el límite de aumentar el área por lámina. Para lidiar con dicha limitación, se aumenta el número de láminas de espuma de níquel y se conectan múltiples láminas de espuma de níquel. En este caso, se emplea una conexión por soldadura de cables conductores (placas de níquel o similares) como técnica de conexión que, sin embargo, resulta en el aumento de la resistencia eléctrica. Por consiguiente, desciende el rendimiento de la batería a gran escala.

Adicionalmente, en la estructura de una batería seca convencional, una lámina de un material activo plano, compactada finamente y emparedada entre unos separadores, es enrollada para formar un cilindro. Se llena una celda de batería con la lámina enrollada. Por ejemplo, en una batería secundaria de níquel-hidrógeno, un material activo plano (una lámina que ha sido rellenada con una aleación de hidrógeno ocluido como ánodo, en el caso de la batería de níquel-hidrógeno) que está en contacto directo con una celda de batería y que es la superficie más exterior, tiene una amplia área de contacto con un colector de corriente (la celda de batería está compartida con un colector de corriente del ánodo) , y una lámina, en la que se ha ajustado un material activo de cátodo (níquelhidrógeno) , es conectada mediante soldadura a un cable conductor fino (una placa de níquel o similar) . Adicionalmente, es conectada mediante soldadura a un terminal externo. El problema que surge en este caso es que hay dos soldaduras, y el área de sección transversal del cable conductor (una placa de níquel o similar) que establece la conexión entre el material activo y el terminal externo es estrecha.

Esto es, la existencia de soldaduras aumenta la resistencia eléctrica, el coste de producción y el tiempo de fabricación. Adicionalmente, dado que el área de sección transversal del cable conductor (una placa de níquel o similar) que establece la conexión entre el material activo y el terminal externo es estrecha, es inevitable que el valor de la resistencia eléctrica y de la liberación de calor aumente cuando fluye una corriente elevada.

Adicionalmente, en la estructura de una batería industrial convencional, por ejemplo, en el caso de una batería secundaria de NiCd, se apilan unas láminas de material activo, finamente compactado, las unas sobre las otras de manera que el cátodo, el separador, el ánodo, el separador, el cátodo…queden colocados por este orden, y se conecta un cable conductor fino (una placa de níquel o similar) a cada lámina de material activo plano, y se conecta por soldadura un grupo de los cátodos a un terminal externo al tiempo que se conecta por soldadura un grupo de los ánodos a un terminal externo. El problema que surge en este caso es que aumentan la resistencia eléctrica, el coste de producción y el tiempo de fabricación debido a que las láminas de material activo plano son conectadas por soldadura al terminal externo.

El rendimiento de una batería seca individual es satisfactorio. Sin embargo, si se conectan entre sí varias baterías secas en serie o en paralelo cuando se precisa una batería de gran capacidad, la tensión de salida cae debido a la resistencia del contacto con los terminales externos. Como resultado, el rendimiento de la batería resulta bajo. Por otro lado, en el caso de las baterías industriales que tienen originalmente un tamaño grande, presentan problemas con su estructura básica, en otras palabras, hay demasiados puntos de soldadura. Por consiguiente, no se obtienen baterías de alto rendimiento.

A la vista de los problemas anteriormente descritos, se ha ideado la presente invención. Por consiguiente, el segundo problema a resolver por la presente invención es proporcionar una batería tridimensional del tipo de alta potencia que sea capaz de aumentar fácilmente su tamaño y de generar una elevada potencia de salida sin sufrir una caída en su rendimiento debido a los aumentos de tamaño, y de reducir el coste de producción y el tiempo de fabricación.

El documento US 4.540.642 da a conocer un diseño de celda de sulfato de hierro con aleación de litio que proporciona unos colectores de corriente positivo y negativo, de metal laminado y de tipo bucle, eléctricamente aislados entre sí por un medio separador. El separador aísla eléctricamente los subconjuntos de electrodo entre sí, y también soporta el subconjunto de electrodo negativo con respecto al subconjunto de electrodo positivo y/o la carcasa.

Divulgación de la invención

Invenciones para resolver el segundo problema

Para resolver el segundo problema, la presente invención proporciona una batería tridimensional del tipo de potencia según se expone en la reivindicación... [Seguir leyendo]

1. Una batería tridimensional del tipo de potencia, en la cual:

un separador (46) en forma de fuelle está situado entre un colector (48) de corriente del cátodo y un colector (50) de corriente del ánodo, que están dispuestos cara a cara entre sí, de forma que queden cerca de los colectores de corriente de manera alternada,

un espacio definido por el separador (46) en forma de fuelle y el colector (48) de corriente del cátodo es rellenado por un polvo o un producto de formación de un material activo (40) de cátodo, junto con una solución electrolítica,

un espacio definido por el separador (46) en forma de fuelle y el colector (50) de corriente del ánodo es rellenado por un polvo o un producto de formación de un material activo (42) de ánodo, junto con una solución electrolítica, y

los materiales activos (40) de cátodo y los materiales activos (42) de ánodo son rellenados de manera alternada, encarados entre sí a través del separador (46) ,

caracterizada porque un colector de corriente (44) permeable a los iones está dispuesto dentro de los materiales (40, 42) de cátodo y ánodo.

2. La batería tridimensional del tipo de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, en la cual el colector (44) de corriente permeable a los iones está dispuesto sobre una superficie de los materiales (40, 42) de cátodo y ánodo y dentro de los mismos.

3. La batería tridimensional del tipo de potencia de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la cual el colector (44) de corriente permeable a los iones está fabricado con un material que tiene vacíos en el mismo, que permite el paso de iones y que tiene propiedades eléctricamente conductivas, y el material del colector de corriente permeable a los iones es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en una espuma metálica de níquel, una malla metálica de níquel, un metal perforado bañado en níquel, un metal tal como metal expandido y similares, una resina espumada bañada en níquel tal como uretano y similares, un material poroso bañado en níquel fabricado con polietileno, polipropileno, nylon, algodón, fibras de carbono y similares, fibras inorgánicas bañadas en níquel fabricadas con sílice, aluminio y similares, fibras orgánicas bañadas en níquel, fieltro bañado en níquel, y hoja bañada en níquel fabricada con una sustancia inorgánica tal como mica.