Acumulador electroquímico bipolar con embalaje mejorado.

Un acumulador electroquímico bipolar de litio (A) que comprende al menos un elemento bipolar (1) y un embalaje (4,

5) que encapsula el elemento bipolar, caracterizado porque el embalaje está constituido por un material compuesto que comprende una matriz y al menos un refuerzo poroso, cuya matriz comprende al menos un polímero endurecido (5) que impregna el(los) refuerzo(s) poroso(s), revistiendo el(los) refuerzo(s) poroso(s) (4) y el(los) polímero(s) endurecido(s) (5) el elemento bipolar y manteniendo una presión determinada a una y otra parte de este último, para de este modo mantener un contacto determinado entre sus constituyentes.

Acumulador electroquímico bipolar con embalaje mejorado Ámbito técnico

La presente invención se refiere al ámbito de los generadores electroquímicos de litio, que funcionan según el principio de inserción o de desinserción, o dicho de otro modo intercalación-desintercalación, de litio en al menos un electrodo.

La invención se refiere más en particular a un acumulador electroquímico de litio que incluye al menos un colector de corriente de función bipolar, también denominado batería bipolar; en tal batería bipolar, el colector bipolar, también denominado electrodo bipolar, soporta sobre cada una de sus caras opuestas uno de los dos materiales de electrodo de signo opuesto, es decir con un cátodo (electrodo positivo) soportado por una de las caras y un ánodo (electrodo negativo) soportado por la otra de las caras opuestas.

La invención pretende realizar un nuevo embalaje de acumulador electroquímico y más en particular el de una batería bipolar y pretende sustituir los embalajes de tipo flexible o rígidos conocidos.

Técnica anterior

La arquitectura de las baterías de iones de litio convencionales es una arquitectura que se puede calificar de monopolar, ya que tiene una sola célula electroquímica que incluye un ánodo, un cátodo y un electrólito. Se conocen varios tipos de geometría de arquitectura monopolar:

- una geometría cilindrica como la divulgada en la solicitud de patente US 26/121348,

- una geometría prismática como la divulgada en las patentes US 734898, US 7338733,

- una geometría de apilamiento como la divulgada en las solicitudes de patente US 28/6189, US 28/57392 y la patente US 7335448.

Una arquitectura monopolar se realiza por bobinado. El bobinado está constituido por un colector de corriente sobre el que se deposita de manera continua un material de electrodo positivo (cátodo), un separador de material polimérico o cerámico que se intercala entre un material de electrodo negativo (ánodo) él mismo depositado sobre otro colector de corriente. Esta arquitectura monopolar tiene como ventaja principal, tener una gran superficie activa de material, pero la diferencia de potencial se limita al valor unitario de la diferencia de potencial entre los dos materiales de electrodo utilizados, lo que es asimismo el caso de la geometría de apilamiento.

Con el fin de aumentar el potencial medio de un acumulador de iones de litio monopolar al tiempo que se conserva una densidad de energía comparable, se conoce el hecho de realizar una batería con una pluralidad de células electroquímicas en serie. La arquitectura de la batería se califica de este modo de bipolar ya que comprende un cátodo de una célula y un ánodo de una célula adyacente que están soportadas en un mismo colector de corriente en forma de una placa, él mismo calificado de electrodo bipolar. La arquitectura de una batería bipolar corresponde de este modo a la puesta en serie de varios acumuladores monopolares mediante electrodos o colectores de corriente bipolares, teniendo sin embargo la ventaja de tener una resistencia eléctrica reducida respecto de los acumuladores exteriores. Se pueden mencionar en el presente documento varias solicitudes de patentes o patentes que se refieren a tales baterías bipolares, tales como US 7279248, US 722516, US 732846, US 7163765, WO 3/4721, WO 3/4721, WO 26/61696, US 797937, US 27/11547.

Las subsiguientes ventajas de una batería bipolar son, tener una masa, una resistencia eléctrica reducida y no incluir volúmenes inútiles.

La principal dificultad de concepción de una batería bipolar es la realización de compartimentos perfectamente estancos al electrolito, en general en forma líquida, los unos respecto de los otros. En efecto, una mala estanqueidad implica un mal funcionamiento de la batería bipolar.

Esto lo corrobora asimismo el hecho de que la mayoría de la literatura de patentes relativa al ámbito de las baterías de iones de litio bipolares se refiere a soluciones de estanqueidad para evitar las fugas de electrolito de un compartimento a otro (cortocircuitos iónicos).

Entre las solicitudes de patente o las patentes ya mencionadas anteriormente, se puede citar la patente US 722516 que describe una solución de estanqueidad entre compartimentos con una película adhesiva flexible pegada en la periferia del colector bipolar. Asimismo se puede mencionar la patente US 732846 que describe una solución de revestimiento de los colectores y electrolitos en una resina. Se puede mencionar igualmente la patente US 7163765 que describe una solución de estanqueidad con traviesas mixtas de poliamida/PP dispuestas entre colectores

bipolares, estando la poliamida soldada directamente en la periferia de los colectores a distancia de las células. La patente US 797937 propone por su parte una solución de doble estanqueidad ya que se dispone una barrera interior de fluoropolímero y un marco exterior de elastómero en el exterior de la barrera en y alrededor del colector bipolar con eventualmente la disposición de un anillo adicional de elastómero sobre el colector. Finalmente, se puede citar la solicitud de patente EP 2733 a nombre del solicitante que propone una solución según la que las dimensiones de las placas son mayores la una respecto de la otra y las juntas de estanqueidad interpuestas entre las placas de interconexión están desfasadas transversalmente con el fin de que dos juntas no se encuentren a la altura la una de la otra según el eje de apilamiento de las células.

De este modo, se pueden resumir de la siguiente manera las soluciones ya consideradas para mejorar la estanqueidad de los compartimentos entre sí respecto del electrolito líquido en una batería bipolar de iones de litio:

- realización sistemática del electrodo bipolar en forma de una placa revestida por una y otra parte con materiales de diferentes polaridades;

- utilización de diversas colas o resinas en la periferia de la placa para una estanqueidad entre compartimentos, que puede estar reforzada por la estanqueidad global de la batería denominada embalaje;

- aumento del formato de placa de colector de corriente bipolar para crear una barrera adicional al electrolito.

En algunas baterías bipolares, el electrolito líquido y el separador ampliamente utilizados pueden sustituirse por un conductor iónico (gel o polímero conductor) denominado "todo sólido". La estanqueidad entre compartimentos se puede suprimir y solo persiste la estanqueidad global (embalaje) del elemento bipolar.

En lo sucesivo, se designa "elemento bipolar" y en el marco de la invención, el apilamiento formado por el conjunto de los electrodos bipolares, células electroquímicas con sus electrodos monopolares por una y otra parte del apilamiento y que realiza una arquitectura de batería bipolar.

Según el tipo de aplicación apuntada, se busca realizar bien un elemento bipolar de iones de litio flexible, bien un elemento bipolar rígido: el embalaje es entonces, bien flexible, bien rígido y constituye de algún modo una carcasa.

Actualmente, los embalajes flexibles pueden fabricarse a partir de un material multicapa constituido típicamente por un apilamiento de capas de aluminio cubiertas por un polímero. En la mayoría de los casos el polímero que cubre el aluminio se elige entre el polietileno (PE), el propileno, la poliamida (PA) o puede estar en forma de una capa adhesiva constituida por poliéster-poliuretano. La sociedad Showa Denko comercializa este tipo de materiales compuestos para su uso como embalaje de baterías. Este tipo de embalaje flexible fabricado a partir de un apilamiento de capas de aluminio proporcionado por la sociedad Showa Denko se comercializa por ejemplo con las referencias N.2: ADR-ON25/AL4/CPP4 o N.2: ADR-ON25/AL4/CPP8. Los embalajes flexibles pueden asimismo estar constituidos por una resina que reviste el elemento bien en su periferia bien sobre toda su superficie externa para reforzar la estanqueidad de los compartimentos entre sí como se describe en la solicitud de patente JP 23746. Pero en estos casos, ambos tipos de embalajes flexibles mencionados no permiten la aplicación de una presión sobre el elemento bipolar. Ahora bien, la aplicación de una presión en superficie, por una y otra parte del elemento bipolar es inevitable para su buen funcionamiento, más en particular cuando comprende un número de compartimentos electroquímicos superior a dos.

Los embalajes rígidos son desde este punto de vista satisfactorios ya que permiten mantener una presión suficiente por una y otra parte de la superficie del elemento bipolar con el fin de asegurar un buen contacto entre los electrodos y el separador en cada uno de los compartimentos. Se puede indicar que la función de tales embalajes... [Seguir leyendo]

1. Un acumulador electroquímico bipolar de litio (A) que comprende al menos un elemento bipolar (1) y un embalaje (4, 5) que encapsula el elemento bipolar, caracterizado porque el embalaje está constituido por un material compuesto que comprende una matriz y al menos un refuerzo poroso, cuya matriz comprende al menos un polímero endurecido (5) que impregna el (los) refuerzo (s) poroso (s) , revistiendo el (los) refuerzo (s) poroso (s) (4) y el (los) polímero (s) endurecido (s) (5) el elemento bipolar y manteniendo una presión determinada a una y otra parte de este último, para de este modo mantener un contacto determinado entre sus constituyentes.

2. Un acumulador electroquímico bipolar de litio (A) según la reivindicación 1, en el que el (los) refuerzo (s) poroso (s) es (son) un (os) tejido (s) y/o una (s) manta (s)

3. Un acumulador electroquímico bipolar de litio (A) según la reivindicación 1 o 2, en el que el (los) refuerzo (s) poroso (s) (4) es (están) constituido (s) por al menos dos partes (4a, 4b) , de las que está una en cada cara del 15 elemento bipolar (1) .

4. Un acumulador electroquímico bipolar de litio (A) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los polos (3+. 3-) que forman terminales de carga del acumulador están constituidos por lengüetas que se extienden hacia el exterior en el espesor del acumulador en voladizo, a partir del (de los) polímero (s) endurecido (s) .

2.

5. Un acumulador electroquímico bipolar de litio (A) según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los polos (3+, 3-) que forman terminales de carga del acumulador están constituidos por al menos dos contactos, uno dispuesto en una cara del acumulador y el otro de polaridad opuesta dispuesto en la otra cara del acumulador.

6. Un acumulador electroquímico bipolar de litio (A) según la reivindicación 5, en el que los polos están constituidos por al menos cuatro contactos, comprendiendo cada cara del acumulador al menos dos polos, uno negativo (3-) y uno positivo (3+) con un polo en cada esquina y los dos polos de una cara están enfrentados cada uno a los dos polos de la otra cara, siendo dos polos de una misma esquina de igual polaridad.

7. Un acumulador electroquímico bipolar de litio (A) según una de las reivindicaciones 2 a 6, en el que el (los) refuerzo (s) poroso (s) son a base de fibras de carbono y el polímero endurecido es una resina epoxi.

8. Un procedimiento de realización de un embalaje de un acumulador electroquímico bipolar de litio (A) que comprende un elemento bipolar, según el que se realizan las siguientes etapas:

a/ colocación de un subconjunto que comprende un elemento bipolar (1) entre dos partes (4a, 4b) de al menos un refuerzo poroso impregnadas por al menos un polímero (5) o uno o más monómeros en un molde M, b/ aplicación de una presión P determinada por una y otra parte de las dos partes de refuerzo impregnadas del 40 subconjunto en el molde, hasta el endurecimiento del (de los) polímero (s) .

9. Un procedimiento según la reivindicación 8, según el que se realiza la etapa a/ por impregnación de las dos partes (4a, 4b) de refuerzo poroso después de la colocación de las mismas desnudas alrededor del elemento bipolar.

4.

10. Un procedimiento según la reivindicación 8, según el que se realiza la etapa a/ con partes de refuerzo poroso preimpregnadas por al menos un polímero o uno o más monómeros.

11. Un procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 10, según el que se realiza la etapa b/ a temperatura 50 ambiente.

12. Un procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 11, según el que se realiza la etapa b/ con una presión P comprendida entre 0, 05 MPa y 0, 5 MPa.

13. Un ensamblaje (8) que comprende un apilamiento de acumuladores según la reivindicación 5, en el que los contactos (3+. 3-) de polaridad inversa entre dos acumuladores adyacentes están en contacto.

14. Un ensamblaje (8â?) que comprende una hilera de acumuladores según la reivindicación 5, en el que los contactos (3+, 3-) de igual polaridad están conectados entre sí por una regleta de conexión eléctrica (9+, 9-) .

6.

15. Un ensamblaje (8â??) que comprende un apilamiento de acumuladores según la reivindicación 6, en el que los contactos (3+. 3-) de igual polaridad entre dos acumuladores adyacentes están en contacto.

16. Un ensamblaje según una de las reivindicaciones 13 a 15, en el que todos los acumuladores tienen una misma 65 potencia unitaria.