Pila electroquímica con contacto interno mejorado.

Una pila electroquímica (10) que comprende:

un recipiente (12) conductor cilíndrico,

que tiene un extremo cerrado, un extremo abierto que se cierraherméticamente mediante un montaje final, y una pared lateral que se extiende entre el extremo cerrado y elextremo abierto;

un electrolito orgánico, no acuoso;

un montaje de electrodos enrollados en espiral o en forma de lámina enrollada sobre sí misma, que tiene unelectrodo positivo (20) y un electrodo negativo (18) que tienen una longitud y una anchura, en el que elelectrodo negativo (18) consiste esencialmente en litio o una aleación de litio y un separador (26) dispuestoentre el electrodo negativo (18) y el electrodo positivo (20);

un conductor (36) interno situado en el recipiente (12) y en contacto eléctrico con el electrodo negativo (18); yen el que se satisface (a), (b) o (c):

(a) el electrodo positivo (20) comprende disulfuro de hierro, el electrodo negativo (18) tiene un área de lasuperficie acumulativa y consiste esencialmente en litio o una aleación de litio que tiene al menos un90% en peso de litio, el conductor (36) interno hace contacto eléctrico con el recipiente (12) o el montajefinal, el conductor (36) tiene un área de la superficie que está conectada a menos del 0,7% del área dela superficie acumulativa y la relación de capacidad interfacial, teórica, de entrada del ánodo respecto alcátodo, para la pila (10) es inferior a 1,0;

o

(b) el conductor (36) interno conecta el electrodo negativo (18) al recipiente (12), una porción delextremo del conductor (36) está conectada al litio o a la aleación de litio, el electrodo negativo (18) tieneuna o más capas de litio o de una aleación de litio y está exento de un colector de corriente separado, yel conductor (36) se extiende una distancia medida a partir de un extremo, a lo ancho, del electrodonegativo (18) del 10% a menos del 88% de la anchura de la capa de litio o de aleación de litio medidaparalelamente al eje longitudinal de la pila (10) en una posición de conexión; o

(c) el conductor (36) interno conecta el electrodo negativo (18) al recipiente (12), una porción delextremo del conductor (36) está conectada al litio o a la aleación de litio, no hay contacto eléctricodirecto entre la pared lateral del recipiente (12) ni con el electrodo negativo (18) o el electrodo positivo(20), el conductor (36) está conectado a lo largo de la porción del fondo del electrodo negativo (18) y seextiende al exterior del montaje de electrodos para hacer contacto por presión con la pared lateral o conla pared del fondo del recipiente (12), y el conductor (36) tiene un área de la superficie que estáconectada a menos del 0,7% de un área de la superficie acumulativa del electrodo negativo (18) y seextiende una distancia medida a partir de un extremo, a lo ancho del electrodo negativo (18), del 10% amenos del 88% de la anchura del electrodo negativo (18) medida paralelamente al eje longitudinal de lapila (10).

Pila electroquímica con contacto interno mejorado.

Campo de la invención Esta invención se refiere pilas electroquímicas de baterías, con electrodos en forma de banda, y que tienen un contacto por presión entre un conductor procedente de los electrodos y una pared lateral del recipiente de la pila. En una realización más, la presente invención se refiere a una pila electroquímica que tiene un montaje de electrodos enrollados en espiral, que tiene un conductor interno en contacto directo, por presión, con un electrodo negativo en forma de hoja delgada de litio, sin colector de corriente independiente, y en contacto con una porción interna del recipiente de la pila, en la que el contacto especificado, entre el conductor y la hoja delgada de litio, proporciona un flujo de corriente entre el recipiente y la hoja delgada.

Antecedentes de invención Se pueden usar pilas con bandas adyacentes de electrodos positivos y negativos para proporcionar un buen comportamiento a alta velocidad de descarga. Los montajes de electrodos que contienen tales bandas pueden incluir uno o más pares de electrodos, positivos y negativos, planos, plegados, o enrollados en espiral. Las pilas pueden tener alojamientos que incluyan recipientes hechos de metales eléctricamente conductores que están en contacto con uno de los electrodos. En tales pilas, el recipiente de la pila puede servir como, o proporcionar, contacto eléctrico a un terminal externo de contacto.

Los conductores eléctricos se pueden usar para hacer contacto eléctrico entre los electrodos y otros componentes de la pila, tales como el recipiente o una cubierta que cierra una porción del recipiente. Los conductores pueden tener también diversas formas y formatos, tales como alambres, bandas, resortes, y los conductores pueden estar conectados a los recipientes o cubiertas de diversas maneras, que incluyen mediante una fijación (por ejemplo, soldadura) , y por presión.

Las publicaciones de Solicitud de Patente de EE.UU., números 2004/0185332, 2005/0238956 y 2006/0147792 se refieren a pilas electroquímicas que tienen diversas configuraciones para conectar un conductor a un electrodo negativo.

En la Patente de EE.UU. Nº 4.554.227, que se incorpora aquí como referencia, y las Publicaciones de Patentes Japonesas no examinadas, números 05-121064 y 09-035739, se encuentran ejemplos de pilas en las que un conductor del electrodo está soldado a una superficie, o borde expuesto, de un colector de corriente. En cada una de estas publicaciones, los conductores están conectados eléctricamente a terminales externos mediante soldadura. En la Patente de EE.UU. Nº 4.554.227, el conductor se pliega para mejorar la resistencia de las soldaduras al borde superior expuesto del colector de corriente del electrodo.

En las Patentes de EE.UU., números 3.245.837 y 5.021.306, se encuentran ejemplos de pilas en las que se usa el contacto por presión entre un conductor y una porción expuesta de un colector de corriente del electrodo en el núcleo del montaje del electrodo. En la Patente de EE.UU. Nº 3.245.837, el conductor es una banda eléctricamente conductora que está sujeta a una placa de cierre y a un terminal externo. En la Patente de EE.UU. Nº 5.021.306, el conductor es una pletina metálica, y un resorte de láminas soldado a la tapa sobre el extremo abierto del recipiente hace contacto por presión con la pletina.

En la Publicación de Patente de EE.UU Nº 2002/0094478 se encuentra un ejemplo de una pila con conductores que son porciones desnudas de colectores de corriente que sobresalen de una pluralidad de electrodos. El conjunto de estos conductores están plegados y soldados juntos, luego sujetos a una cubierta de la pila. Los pliegues en los conductores proporcionan buena resistencia a la soldadura.

En la Publicación de Patente Japonesa no examinada, Nº 09-330697, se encuentra un ejemplo de una pila con un conductor que se extiende desde el fondo de un montaje de electrodos, y que está soldado al fondo del recipiente. Se forma una acanaladura en forma de V en una porción del conductor soldado al recipiente para proporcionar una buena resistencia a la soldadura.

En las patentes de EE.UU., números 5.418.084 y 4.963.446 se encuentran ejemplo de pilas con conductores que proporcionan contacto eléctrico entre un electrodo y el recipiente de la pila, y entre el otro electrodo y una cubierta que cierra el recipiente, como en las Figuras 1 y 2 de la presente memoria descriptiva. Las pilas son pilas cilíndricas con montajes de electrodos enrollados en espiral. Como se describe con más detalle en referencia a las Figuras 1 y 2, en cada pila un resorte proporciona contacto eléctrico entre el electrodo positivo y la cubierta de la pila, y un conductor en forma de banda metálica proporciona contacto eléctrico entre el electrodo negativo y la pared lateral del recipiente. El resorte se sujeta a la cubierta de la pila y hace contacto por presión con el colector de corriente del electrodo positivo expuesto en la parte superior del montaje de electrodos. El conductor en forma de banda metálica se sujeta al electrodo negativo y hace contacto por presión con la superficie interior de la pared lateral del recipiente. Se necesita un contacto fiable, por presión, entre el conductor y el recipiente bajo intervalos normales de variabilidad en la fabricación.

En una pila tal como la pila de las Figuras 1 y 2, cuando se hace según la técnica anterior, el conductor entre la pared lateral del recipiente y el montaje de electrodos se mantiene en contacto por presión mediante un ajuste apretado del montaje de los electrodos en el recipiente. Para un contacto eléctrico fiable, la variabilidad en el diámetro interior del recipiente y en el diámetro exterior del montaje de los electrodos debe ser pequeña. Una forma es variar la longitud de la banda de material que está envuelta alrededor de la superficie lateral externa del montaje de electrodos para compensar las variaciones en los espesores de los electrodos que pueden dar como resultado diferencias del diámetro. Esta banda exterior de material puede ser una o más bandas de separador o una banda separada de material de envoltura, como se describe en la Patente de EE.UU. Nº 4.963.445.

Se usa litio metálico y aleaciones de litio como materiales activos del electrodo negativo en diversas construcciones de pilas, y el litio se consume mediante reacción durante la descarga de la pila. Con el fin de mantener la conductividad del electrodo negativo durante toda la descarga, se han presentado diversas soluciones, que incluyen utilizar una relación de la capacidad interfacial, teórica, de entrada del ánodo respecto al cátodo (A/C) más alta, es decir, una preponderancia del litio, capacidad teórica; y utilizar un colector de corriente. Se han utilizado muchos tipos y estilos de colectores de corriente, véase por ejemplo la Patente de EE.UU. Nº 5.368.958, que describen una construcción sándwich de una lámina de litio, una hoja delgada conductora y una segunda lámina de litio, con la hoja delgada interpuesta entre la primera y la segunda lámina de litio. Significativamente, debido a que se consume ánodo de litio durante la descarga, el tener una carencia de litio quiere decir que el ánodo puede sufrir desconexiones si hay algunas disimilitudes en los electrodos. Estas desconexiones impiden el transporte apropiado de electrones a través del ánodo al colector de corriente, de ahí la razón de que muchas soluciones de la técnica anterior requieren que los colectores abarquen la longitud y/o la anchura del ánodo.

El documento EP 0569035 describe un conector de descarga eléctrica para una lámina de un ánodo de un generador de litio con un electrolito polimérico, consistente en una o más pilas electroquímicas multicapas.

Un extremo lateral del ánodo se extiende más allá de los correspondientes extremos del cátodo y del colector, y está en contacto eléctrico con una capa metálica que constituye el terminal externo del generador.

Se han descrito colectores de corriente o conductores para electrodos negativos de litio o de aleaciones de litio que se extiende a lo largo o a lo ancho, en relación con un electrodo negativo, similar a una banda que se puede plegar o enrollar, por ejemplo, en forma de lámina enrollada sobre sí misma. La Publicación de Solicitud de Patente de EE.UU. Nº 2005/0238956 y la Publicación de Solicitud de Patente de EE.UU. Nº 2006/0172190, ambas incorporadas completamente en la presente memoria por referencia, describen un conductor de un electrodo negativo que se extiende a lo ancho, es decir, axialmente, a través de una porción de un electrodo negativo enrollado en espiral aproximadamente el 90% de la anchura o la altura axial del electrodo y situado cerca... [Seguir leyendo]

1. Una pila electroquímica (10) que comprende:

un recipiente (12) conductor cilíndrico, que tiene un extremo cerrado, un extremo abierto que se cierra herméticamente mediante un montaje final, y una pared lateral que se extiende entre el extremo cerrado y el extremo abierto;

un electrolito orgánico, no acuoso;

un montaje de electrodos enrollados en espiral o en forma de lámina enrollada sobre sí misma, que tiene un electrodo positivo (20) y un electrodo negativo (18) que tienen una longitud y una anchura, en el que el electrodo negativo (18) consiste esencialmente en litio o una aleación de litio y un separador (26) dispuesto entre el electrodo negativo (18) y el electrodo positivo (20) ;

un conductor (36) interno situado en el recipiente (12) y en contacto eléctrico con el electrodo negativo (18) ; y

en el que se satisface (a) , (b) o (c) :

(a) el electrodo positivo (20) comprende disulfuro de hierro, el electrodo negativo (18) tiene un área de la superficie acumulativa y consiste esencialmente en litio o una aleación de litio que tiene al menos un 90% en peso de litio, el conductor (36) interno hace contacto eléctrico con el recipiente (12) o el montaje final, el conductor (36) tiene un área de la superficie que está conectada a menos del 0, 7% del área de la superficie acumulativa y la relación de capacidad interfacial, teórica, de entrada del ánodo respecto al cátodo, para la pila (10) es inferior a 1, 0;

o

(b) el conductor (36) interno conecta el electrodo negativo (18) al recipiente (12) , una porción del extremo del conductor (36) está conectada al litio o a la aleación de litio, el electrodo negativo (18) tiene una o más capas de litio o de una aleación de litio y está exento de un colector de corriente separado, y el conductor (36) se extiende una distancia medida a partir de un extremo, a lo ancho, del electrodo negativo (18) del 10% a menos del 88% de la anchura de la capa de litio o de aleación de litio medida paralelamente al eje longitudinal de la pila (10) en una posición de conexión; o

(c) el conductor (36) interno conecta el electrodo negativo (18) al recipiente (12) , una porción del extremo del conductor (36) está conectada al litio o a la aleación de litio, no hay contacto eléctrico directo entre la pared lateral del recipiente (12) ni con el electrodo negativo (18) o el electrodo positivo (20) , el conductor (36) está conectado a lo largo de la porción del fondo del electrodo negativo (18) y se extiende al exterior del montaje de electrodos para hacer contacto por presión con la pared lateral o con la pared del fondo del recipiente (12) , y el conductor (36) tiene un área de la superficie que está conectada a menos del 0, 7% de un área de la superficie acumulativa del electrodo negativo (18) y se extiende una distancia medida a partir de un extremo, a lo ancho del electrodo negativo (18) , del 10% a menos del 88% de la anchura del electrodo negativo (18) medida paralelamente al eje longitudinal de la pila (10) .

2. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 1, en la que se satisface (a) y en la que el área de la superficie del conductor en contacto con el electrodo negativo (18) es inferior al 0, 5%.

3. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 1, en la que se satisface (a) y en la que el conductor (36) tiene una resistencia inferior a 15 ma/cm de longitud.

4. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 3, en la que el conductor (36) es de acero laminado en frío chapado con níquel, de níquel, de una aleación de níquel, de cobre, de una aleación de cobre, o de acero inoxidable.

5. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 1, en la que se satisface (a) y en la que el conductor (36) tiene un área de 5, 0 mm2 a 160 mm2 en contacto con la superficie del electrodo negativo (18) .

6. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 1, en la que se satisface (a) o (c) , y en la que el área de la superficie del conductor en contacto con el electrodo negativo (18) está entre el 0, 02% y el 0, 5%, y en la que la relación de capacidad interfacial, teórica, de entrada del ánodo respecto al cátodo, es inferior a 0, 95.

7. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 1, en la que se satisface (a) y en la que no hay contacto eléctrico directo entre la pared lateral del recipiente (12) , ni contacto con electrodo negativo (18) , ni con el electrodo positivo (20) .

8. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 7, en la que se satisface (a) y en la que el conductor (36) está en contacto con la porción del fondo del electrodo negativo (18) , se extiende alrededor de un extremo del fondo

de una espira exterior del montaje de electrodos, y está en contacto por presión con la pared lateral o una pared del fondo del recipiente (12) .

9. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 7, en la que el área de la superficie en contacto con el electrodo negativo (18) está ente el 0, 02% y el 0, 5%.

10. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 1, en la que se satisface (b) y en la que el conductor (36) se extiende una distancia, medida a lo ancho, a partir de un extremo del electrodo negativo (18) , del 10% al 60% de la anchura de la capa de litio o de aleación de litio, y en la que una relación de capacidad interfacial, teórica, de entrada del ánodo respecto al cátodo, para la pila, es inferior a 1, 0.

11. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 10, en la que el conductor (36) se extiende una distancia, medida a lo ancho, a partir de un extremo del electrodo negativo (18) , del 10% al 50% de la anchura de la capa de litio o de aleación de litio, y en la que el conductor (36) tiene una resistencia inferior a 15 ma/cm de longitud.

12. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 10, en la que el conductor (36) tiene un área de 5, 0 mm2 a 160 mm2 en contacto con una superficie del electrodo negativo (18) .

13. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 12, en la que el conductor (36) está conectado a una porción del fondo del electrodo negativo (18) , se extiende alrededor de un extremo del fondo de la espira exterior del montaje de electrodos, y está en contacto por presión con la pared lateral o con una pared del fondo del recipiente (12) .

14. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 13, en la que el conductor (36) tiene un área de 10, 0 mm2 a 92, 6 mm2 en contacto con una superficie del electrodo negativo (18) , y en la que la relación de capacidad interfacial, teórica, de entrada del ánodo respecto al cátodo, es inferior a 0, 95.

15. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 1, en la que se satisface (b) y en la que el conductor (36) tiene una resistencia inferior a 5 ma/cm de longitud, y en la que el conductor (36) es de acero laminado en frío chapado con níquel, de níquel, de una aleación de níquel, de cobre, de una aleación de cobre, o de acero inoxidable.

16. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 15, en la que el separador (26) o una envoltura a modo de cubierta, o una combinación de ellos, está presente sobre una superficie exterior del montaje de electrodos de manera que no hay contacto directo del electrodo negativo (18) ni del electrodo positivo (20) con la pared lateral del recipiente.

17. La pila electroquímica (10) según la reivindicación 6, en la que en (c) el conductor (36) tiene un área de 5, 0 mm2 a menos de 160 mm2 en contacto con la superficie del electrodo negativo (18) , y en la que el conductor (36) está en contacto eléctrico, no soldado, con el recipiente (12) .