Acumulador de energía electroquímico, en particular acumulador de energía de iones de litio.

Módulo que comprende un pluralidad de acumuladores de energía electroquímicos (1,

1', 1''), en particular acumuladores de energía de iones de litio, con al menos una celda electroquímica dispuesta en una carcasa de la celda (2, 2', 2''), donde se proporciona al menos un medio refrigerante (11, 11', 11'') que reacciona endotérmicamente, donde el medio refrigerante (11, 11', 11'') se compone al menos de un sistema de sustancias termoquímicas que comprende al menos dos sustancias que reaccionan endotérmicamente una con otra o de una mezcla de varios sistemas de sustancias termoquímicas, donde el medio refrigerante (11, 11', 11'') se encuentra dispuesto por fuera de la carcasa de la celda (2, 2', 2'') del respectivo acumulador de energía (1, 1', 1''), caracterizado porque el medio refrigerante (11, 11', 11''), mediante una o varias estructuras térmicamente conductoras (13) diseñadas como placas conductoras de calor, se encuentra acoplado de forma térmicamente conductora a la superficie de la carcasa de la celda (2, 2', 2'') y/o al menos en algunas secciones se encuentra dispuesto sobre conductores de conexión (18) dispuestos entre los acumuladores de energía (1, 1', 1''), donde las sustancias que reaccionan unas con otras están separadas unas de otras mediante un dispositivo de separación (17), en particular una lámina plástica, el cual puede ser abierto para iniciar la reacción endotérmica.

Acumulador de energía electroquímico, en particular acumulador de energía de iones de litio La presente invención hace referencia a un módulo que comprende una pluralidad de acumuladores de energía electroquímicos, en particular acumuladores de energía de iones de litio, con al menos una celda electroquímica que se encuentra dispuesta en una carcasa de la celda.

Los acumuladores de energía en forma de celdas de iones de litio son conocidos por el experto en cuanto a su utilización y estructura, y son incorporados en una pluralidad de aplicaciones, como por ejemplo en teléfonos móviles, ordenadores portátiles, así como también en vehículos de motor modernos operados de forma eléctrica. Por lo general éstos comprenden una celda electroquímica compuesta por un ánodo, por ejemplo de capas de grafito, entre las cuales pueden intercalarse iones de litio, y un cátodo que se basa en una unión de litio, por ejemplo de LiCoO2, en un electrolito, en particular con una sal de litio. Al cargar un acumulador de energía de este tipo, los iones de litio se desplazan desde el cátodo hacia el ánodo, es decir entre las capas de grafito, a través del electrolito. La corriente utilizada para la carga proporciona para ello los electrones requeridos. Al descargarse el acumulador de energía tiene lugar un retorno correspondiente de los iones de litio, donde los electrones se desplazan hacia el ánodo mediante un circuito externo.

La tendencia de los acumuladores de energía de este tipo apunta a celdas individuales de un tamaño cada vez mayor. Además, las celdas individuales se conectan conformando módulos, donde al aumentar el tamaño de las celdas y también por tanto el tamaño de los módulos, debe darse una mayor importancia a la seguridad. En particular debería evitarse un calentamiento de las celdas mediante una temperatura denominada como "thermal runaway" (fuga térmica) , puesto que debido a un sobrecalentamiento del acumulador de energía por encima de ese punto pueden producirse serios daños en el módulo, así como en su aplicación.

A este respecto, por el estado del arte se conocen distintos métodos para aumentar la seguridad de los acumuladores de energía de este tipo a través de la utilización de medios refrigerantes activos, así como pasivos. Entre éstos figuran por ejemplo la compensación de los electrodos en la celda unos contra otros, el agregado de aditivos que dificulta la inflamabilidad del electrolito, la incorporación de un así llamado separador shut-down que en el caso de una temperatura dada por ejemplo dentro del rango de 120 a 160º interrumpe el flujo de corriente a través de la fusión del separador, así como la integración de otros elementos de seguridad en la cubierta, como elementos PTC o CID, los cuales, acoplados a una membrana, abren la celda en el caso de que se produzca una sobrepresión.

En la solicitud US 2005/0104554 A1 se revelan igualmente un método y un dispositivo para mejorar la seguridad de los acumuladores de energía electroquímicos.

Pueden proporcionarse además elementos de seguridad externos para celdas individuales y para módulos, donde se consideran igualmente elementos PTC o dispositivos de seguridad que controlan el flujo de corriente limitándolo o interrumpiéndolo, así como unidades generales electrónicas de protección, incluyendo sensores de temperatura que limitan el flujo de corriente de forma activa.

En estos casos se considera crítico el hecho de que solamente una parte de los medios de seguridad mencionados ofrecen una protección efectiva en el caso de problemas internos relativos a cortocircuitos en la celda. Los cortocircuitos, debido a la elevada densidad de las celdas de iones de litio, al mismo tiempo que con una capacidad térmica reducida, provocan en particular aumentos extremos de la temperatura. Por ejemplo, puede partirse de un aumento de la temperatura de aproximadamente 600 K en el caso de una celda típica de iones de litio con una densidad de la energía de 140 Wh/kg y una capacidad térmica de 800 J/ (K*kg) .

En particular para acumuladores de energía de gran tamaño, en especial en el caso celdas de iones de litio dentro de un rango de más de 5 Ah, las medidas conocidas ya no son efectivas, puesto que los acumuladores de energía de este tamaño no se calientan de forma homogénea en el caso de un cortocircuito. Debe además partirse de la base de que en un cortocircuito las áreas internas de la celda, en particular el núcleo de la celda, calientan con más intensidad que las áreas externas de la celda.

Por tanto, las medidas conocidas para refrigerar en particular acumuladores de energía de un tamaño mayor en el caso de un calentamiento no controlado no son adecuadas para ofrecer una protección suficiente frente a su sobrecalentamiento.

Por lo tanto, es objeto de la presente invención indicar un módulo que comprenda una pluralidad de acumuladores de energía, en particular acumuladores de energía de iones de litio, con una refrigeración mejorada.

De acuerdo con la invención, este objeto se alcanzará a través de las características de la reivindicación 1.

Por consiguiente, en el módulo acorde a la invención los métodos de refrigeración convencionales mencionados en la introducción no deben preverse o sólo se prevén de forma subordinada para la refrigeración. Se ha comprobado que un efecto mejorado de refrigeración puede alcanzarse a través de al menos un medio que reaccione de forma endotérmica. Ante todo, los acumuladores de energía de gran tamaño o los acumuladores de energía acoplados para formar módulos pueden ser refrigerados con intensidad de forma suficiente con el medio que reacciona de forma endotérmica, impidiéndose de este modo un sobrecalentamiento de los acumuladores de energía o módulos de este tipo, aumentando así su seguridad.

Como una reacción endotérmica debe entenderse por lo general una reacción química, donde para su iniciación o desarrollo debe suministrarse energía (por ejemplo en forma de calor) . Por consiguiente, los procesos endotérmicos consumen energía durante el tiempo de su reacción. Al igual que en el caso de las reacciones exotérmicas, también en las reacciones endotérmicas el desarrollo tiene lugar en dos etapas. Primero debe aplicarse una energía de activación determinada, de la cual una parte es liberada nuevamente al finalizar la reacción. Por lo tanto, la diferencia esencial con respecto a la reacción exotérmica reside en el hecho de que durante el desarrollo de la reacción endotérmica debe suministrarse energía desde el exterior de forma continua.

Dentro del marco de la invención, el calor producido a través de un cortocircuito en el acumulador de energía es utilizado para iniciar la reacción endotérmica y para hacerla desarrollarse, de manera que no se produce un calentamiento excesivo o crítico de la celda, ya que el calor es consumido parcialmente por la reacción endotérmica.

Es posible proporcionar varios medios refrigerantes del mismo tipo en un acumulador de energía, aumentando así el efecto de refrigeración del refrigerante individual, así como regular un rango de temperatura particularmente amplio a través de diferentes ejecuciones del medio refrigerante, efectuando una refrigeración del acumulador de energía.

A continuación se abordará en detalle la ejecución de los medios refrigerantes. En este punto debe considerarse decisivo el hecho de que gracias a ello puede lograrse una potencia de refrigeración del medio refrigerante adecuada al respectivo acumulador de energía, excluyendo así la posibilidad de un calentamiento no deseado y, con ello, daños en el acumulador de energía, así como eventualmente en otros componentes.

De manera preferente la reacción endotérmica puede iniciarse térmica o mecánicamente. Como iniciada térmicamente debe entenderse que la reacción se desarrolla a partir de una temperatura determinada o de un rango de temperatura determinado. A esa temperatura o rango de temperatura se proporciona una energía de activación suficiente que sirve como ignición inicial de la reacción endotérmica. A continuación, a través del desarrollo de la reacción endotérmica es consumida energía, en el presente caso ante todo calor, lo cual conduce a una refrigeración del acumulador de energía. Al descender la temperatura por debajo del valor requerido para el desarrollo de la reacción endotérmica (es decir que no se dispone de la energía necesaria, requerida para el desarrollo de la reacción) la reacción se detiene. Si el sistema se calienta nuevamente por encima de la temperatura correspondiente la reacción comienza a desarrollarse nuevamente, produciendo otra vez su efecto refrigerante. Puede por tanto partirse de la... [Seguir leyendo]

1. Módulo que comprende un pluralidad de acumuladores de energía electroquímicos (1, 1â?, 1â?â?) , en particular acumuladores de energía de iones de litio, con al menos una celda electroquímica dispuesta en una carcasa de la celda (2, 2â?, 2â?â?) , donde se proporciona al menos un medio refrigerante (11, 11â?, 11â?â?) que reacciona 5 endotérmicamente, donde el medio refrigerante (11, 11â?, 11â?â?) se compone al menos de un sistema de sustancias termoquímicas que comprende al menos dos sustancias que reaccionan endotérmicamente una con otra o de una mezcla de varios sistemas de sustancias termoquímicas, donde el medio refrigerante (11, 11â?, 11â?â?) se encuentra dispuesto por fuera de la carcasa de la celda (2, 2â?, 2â?â?) del respectivo acumulador de energía (1, 1â?, 1â?â?) , caracterizado porque el medio refrigerante (11, 11â?, 11â?â?) , mediante una o varias estructuras térmicamente conductoras (13) diseñadas como placas conductoras de calor, se encuentra acoplado de forma térmicamente conductora a la superficie de la carcasa de la celda (2, 2â?, 2â?â?) y/o al menos en algunas secciones se encuentra dispuesto sobre conductores de conexión (18) dispuestos entre los acumuladores de energía (1, 1â?, 1â?â?) , donde las sustancias que reaccionan unas con otras están separadas unas de otras mediante un dispositivo de separación (17) , en particular una lámina plástica, el cual puede ser abierto para iniciar la reacción endotérmica.

2. Módulo según la reivindicación 1, caracterizado porque la reacción endotérmica puede ser iniciada de forma térmica o mecánica.

3. Módulo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el sistema de sustancias es gel de sílice + n H2O, zeolita + n H2O, MgSO4 + n H2O, CuSO4H2O + n H2O ó NH4NO3 + n H2O.

4. Módulo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se proporciona un separador shut20 down (16) .

5. Módulo según la reivindicación 4, caracterizado porque la temperatura de activación del separador shut-down (16) se ubica por debajo de la temperatura en la que tiene lugar la reacción endotérmica.