Colector de corriente con medios de estanqueidad integrados, batería bipolar que comprende tal colector.

Dispositivo (1, 1', 1") para generador electroquímico de litio,

caracterizado porque comprende una banda (100) de material aislante eléctrico que comprende al menos un polímero y una rejilla (101) o una lámina en relieve metálica, que forma un colector de corriente, alojada en la banda aflorando por sus dos caras, estando la periferia de la banda (100P) desprovista de la rejilla o lámina en relieve y estando al menos una de las dos partes aflorantes (101A) de la rejilla o lámina en relieve recubierta por un electrodo de material de inserción de litio.

E11724676

DESCRIPCIÓN

Colector de corriente con medios de estanqueidad integrados, batería bipolar que comprende tal colector

Campo técnico

La presente invención con respecto al campo de los generadores electroquímicos de litio, que funcionan según el principio de inserción o extracción, o dicho de otro modo intercalación-desintercalación, de litio en al menos un electrodo.

La presente invención se refiere, más particularmente, a un acumulador electroquímico de litio que comprende al menos un colector de corriente de función bipolar, también llamado batería bipolar: en dicha batería bipolar, el colector bipolar soporta, en 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 mejorar la estanqueidad de los generadores electroquímicos frente al electrolito y, en particular, mejorar la estanqueidad de una batería bipolar frente al electrolito en forma líquida.

Técnica anterior

La arquitectura de las baterías de iones de litio convencionales es una arquitectura que se puede calificar de monopolar, ya que cuenta con una sola celda electroquímica que comprende un ánodo, un cátodo y un electrolito. Se conocen varios tipos de geometría de arquitectura monopolar:

- una geometría cilíndrica tal como se divulga en la solicitud de patente US 2006/0121348, -una geometría prismática tal como se divulga en las patentes US 7348098, US 7338733;

- una geometría en apilamiento tal como se divulga en las solicitudes de patente US 2008/060189, US 2008/0057392 y la patente US 7335448.

Una arquitectura monopolar se realiza mediante bobinado. El bobinado está constituido por un colector de corriente sobre el que se deposita de forma continua un material de electrodo positivo (cátodo) , un separador de material polimérico o cerámico que se intercala con un material de electrodo negativo (ánodo) depositado a su vez sobre otro colector de corriente. Esta arquitectura monopolar tiene como ventaja principal tener una gran superficie activa de material, pero la diferencia de potencial está limitada al valor unitario de la diferencia de potencial entre los dos materiales de electrodo utilizados, el cual también es el caso de la geometría en apilamiento.

Para aumentar el potencial medio de un acumulador de iones de litio monopolar mientras se conserva una densidad de energía comparable, se conoce la realización de una batería con una pluralidad de celdas electroquímicas en serie. La arquitectura de la batería se califica de este modo de bipolar, ya que comprende un cátodo de una celda y un ánodo de una celda adyacente que están soportados sobre un mismo colector de corriente en forma de una placa, calificado a su vez de electrodo bipolar. La arquitectura de una batería bipolar corresponde de este modo a la 45 puesta en serie de varios acumuladores monopolares por medio de los electrodos o colectores de corriente bipolares, con sin embargo la ventaja de tener una resistencia eléctrica reducida con respecto a acumuladores monopolares conectados en serie mediante conectores exteriores. Pueden mencionarse, en este caso, numerosas solicitudes de patentes o patentes que se refieren a dichas baterías bipolares, tales como US 7279248, US 7220516, US 7320846, US 7163765, WO 03/047021, WO 2006/061696 y US 7097937.

Las ventajas subsiguientes de una batería bipolar son tener una masa reducida y no comprender volúmenes inútiles.

La principal dificultad de diseño de una batería bipolar es la realización de compartimentos perfectamente estancos al electrolito, en general en forma líquida, unos frente a otros. En efecto, una mala estanqueidad conlleva un mal 55 funcionamiento de la batería bipolar.

Esto es corroborado, por otro lado, por el hecho de que la mayoría de la bibliografía de patentes que se refiere al campo de las baterías de iones de litio bipolares, se refiere a soluciones de estanqueidad para evitar las fugas del electrolito de un compartimento a otro (cortocircuitos iónicos) .

Entre las solicitudes de patente o patentes ya mencionadas anteriormente, puede mencionarse la patente US 7220516 que describe una solución con una película adhesiva flexible 5, 6, pegada a la periferia del colector bipolar. Puede mencionarse también la patente US 7320846 que describe una solución de revestimiento de los colectores 4 y electrolitos 6 en una resina 10. Puede mencionarse también la patente US 7163765 que describe una solución de 65 estanqueidad con tirantes 9 mixtos de poliamida/PP dispuestos entre colectores bipolares, estando la poliamida soldada directamente a la periferia de los colectores a distancia de las celdas) . La patente US 7097937 propone, por E11724676

su parte, una solución de estanqueidad doble ya que una barrera interior 14, 22 de fluoropolímero está dispuesta en la periferia del colector bipolar 11 y un marco exterior 18, 23 de elastómero está dispuesto en el exterior de la barrera 14, 22 sobre y alrededor del colector bipolar con eventualmente la disposición de un anillo suplementario 15 de elastómero en el colector 11. Finalmente, puede mencionarse la solicitud de patente EP 2073300 a nombre de la solicitante que propone una solución según la cual las dimensiones de las placas se incrementan una con respecto a la otra adyacente y las juntas de estanqueidad interpuestas entre las placas interconectoras están desplazadas transversalmente para que dos juntas no se encuentren en línea recta una con respecto a la otra según el eje de apilamiento de las celdas.

El documento WO 2007/118281 A1 describe un colector de corriente para generador electroquímico de litio.

De este modo, pueden resumirse de la siguiente manera las soluciones ya previstas para mejorar la estanqueidad de los compartimentos entre sí frente al electrolito en una batería bipolar de iones de litio:

-realización sistemática del colector de corriente bipolar también llamado electrodo bipolar en forma de una placa, -utilización de colas o resinas diversas en la periferia de la placa, -aumento del formato de placa de colector de corriente bipolar para crear una barrera suplementaria al electrolito.

El objetivo de la invención es proponer una solución diferente de las ya previstas para mejorar la estanqueidad de los compartimentos entre sí frente al electrolito en una batería bipolar de iones de litio.

Otro objetivo de la invención es proponer otra solución de estanqueidad de los compartimentos entre sí frente al 25 electrolito en una batería bipolar de iones de litio, que sea sencilla de realizar.

Exposición de la invención

Para ello, la invención tiene por objeto un dispositivo para generador electroquímico de litio, caracterizado porque comprende una banda de material aislante eléctrico que comprende al menos un polímero y una rejilla metálica o una lámina metálica en relieve, que forma un colector de corriente, alojada en la banda aflorando por sus dos caras, estando la periferia de la banda desprovista de la rejilla o de la lámina en relieve y estando al menos una de las dos partes aflorantes de la rejilla o de la lámina en relieve recubierta por un electrodo de material de inserción de litio.

Por â??afloranteâ?? por estas dos caras, se entiende en este caso y en el marco de la invención que una parte al menos de la lámina o de la rejilla metálica emerge en la superficie de la banda y que hay una continuidad de conducción eléctrica por continuidad de materia del material que forma la lámina o rejilla en el grosor de la banda.

De este modo, según la invención, se integran de alguna manera los medios de estanqueidad de una pieza cuya función es ser un colector de corriente. Dicho de otro modo, se define de alguna manera un nuevo semiproducto de una batería que integra a la vez:

- el colector de corriente que, cuando es bipolar, garantiza la conducción eléctrica entre el cátodo de una celda y el ánodo de una celda electroquímica adyacente, es decir apilada inmediatamente debajo o encima, 45 -una zona periférica exclusivamente de materiales aislantes eléctricos que participa una vez ensamblada en la realización de la estanqueidad a los electrolitos de la batería. Es evidente que, en el marco de la invención, el experto en la materia procura definir un o varios materiales aislantes (polímero (s) ) que no fluyen en las gamas de temperatura de funcionamiento de una batería bipolar.

Un dispositivo según la invención puede tener un grosor comprendido entre 10 y 100 μm, preferentemente entre 25... [Seguir leyendo]

E11724676

1. Dispositivo (1, 1', 1") para generador electroquímico de litio, caracterizado porque comprende una banda (100) de material aislante eléctrico que comprende al menos un polímero y una rejilla (101) o una lámina en relieve metálica, que forma un colector de corriente, alojada en la banda aflorando por sus dos caras, estando la periferia de la banda (100P) desprovista de la rejilla o lámina en relieve y estando al menos una de las dos partes aflorantes (101A) de la rejilla o lámina en relieve recubierta por un electrodo de material de inserción de litio.

2. Dispositivo (1, 1', 1") según la reivindicación 1, en el que el polímero mayoritario que constituye la banda es una poliolefina.

3. Dispositivo (1, 1', 1") según la reivindicación 2, en el que la banda comprende al menos otro polímero, por ejemplo seleccionado entre un poliéster o un poliuretano, estando dicho otro polímero interpuesto entre la poliolefina y el colector de corriente para mejorar la adhesión entre ellos.

4. Dispositivo (1, 1', 1") según la reivindicación 2, en el que la banda comprende al menos un promotor de adherencia, estando dicho promotor de adherencia interpuesto entre la poliolefina y el colector de corriente para mejorar la adhesión entre ellos.

5. Dispositivo (1, 1', 1") según la reivindicación 1, en el que el polímero mayoritario que constituye la banda es una resina bicomponente.

6. Dispositivo (1, 1', 1") según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el colector de corriente (101) es de

aluminio y/o es una rejilla (101) o lámina en relieve metalizada en superficie con otro metal. 25

7. Dispositivo (1, 1', 1") según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el colector de corriente está conformado en un marco centrado en la banda de material aislante.

8. Dispositivo (1) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que las dos partes aflorantes (101A) del colector de corriente (101) están recubiertas, cada una, por un electrodo (11, 12) de material de inserción de litio.

9. Dispositivo (1', 1") según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que una sola de las dos partes aflorantes del colector de corriente está recubierta por un electrodo de material de inserción de litio (11', 12") .

10. Batería bipolar que comprende al menos dos celdas electroquímicas (C1, C2) apiladas una sobre otra y al menos un dispositivo (1) según la reivindicación 8, en el que una de las dos partes aflorantes del colector de corriente (101) está recubierta por el ánodo (12) de material de inserción de litio de una de las dos celdas y la otra de las dos partes aflorantes del colector de corriente (101) está recubierta por el cátodo (11) de material de inserción de litio de la otra de las dos celdas, constituyendo la periferia (100P) de la banda de al menos un polímero una zona periférica de una pared estanca a los electrolitos de las dos celdas que las rodea.

11. Batería bipolar según la reivindicación 10, que comprende además al menos un dispositivo (1', 1'') según la reivindicación 9 con la otra de las dos partes aflorantes no recubiertas por un electrodo estando en contacto con un colector de corriente terminal.

12. Batería bipolar según una de las reivindicaciones 10 u 11, en la que las dimensiones de los colectores de corriente (101) son iguales a las de todos los electrodos (11, 12, 11', 12") .

13. Batería bipolar según una de las reivindicaciones 10 a 12, en la que los ánodos (12, 12") son de Li4Ti5O12 y los cátodos (11, 11') de LiFePO4.

14. Procedimiento de realización de una batería bipolar que comprende al menos dos celdas electroquímicas (C1, C2) apiladas una sobre otra que comprende las siguientes etapas:

a/ realización de un dispositivo (1) según la reivindicación 8 y dos dispositivos (1', 1") según la reivindicación 9, de modo que:

- una de las partes aflorantes del colector de corriente de uno (1") de los dos dispositivos según la reivindicación 9 está recubierta por un ánodo (12") de material de inserción de litio, -una de las partes aflorantes del colector de corriente del otro (1') de los dos dispositivos según la reivindicación 9 está recubierta por un cátodo (11') de material de inserción de litio y, -una de las partes aflorantes del colector de corriente del dispositivo (1) según la reivindicación 8 está recubierta por 65 un cátodo (11) de material de inserción de litio mientras que la otra de las partes aflorantes del colector de corriente del dispositivo según la reivindicación 8 está recubierta por un ánodo (12) de material de inserción de litio, 9

E11724676

b/ apilamiento de los tres dispositivos (1, 1', 1") con intercalado de un separador (3) entre dos adyacentes, estando el apilamiento con intercalado realizado de modo que:

-el ánodo (12") de uno (1") de los dos dispositivos según la reivindicación 9 está en frente del cátodo (11) del dispositivo (1) según la reivindicación 8, estando separados por un primer separador (3) , -el cátodo (11') del otro de estos dos dispositivos según la reivindicación 8 está en frente del ánodo (12) del dispositivo (1) según la reivindicación 8, estando separados por un segundo separador (3) , c/ aplicación de presión sobre las periferias (100P) de las tres bandas de los dispositivos unas contra otras, estando los separadores (3) impregnados cada uno con un electrolito, d/ mantenimiento de las tres bandas presionadas unas contra otras para constituir una pared estanca a los 15 electrolitos de las dos celdas que la rodean.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, de una batería bipolar que comprende n celdas electroquímicas apiladas individualmente unas sobre otras, según el cual se realizan las etapas a/ a d/ con (n-1) dispositivos según la reivindicación 8 y dos dispositivos según la reivindicación 9, en los extremos del apilamiento, siendo n un número entero.

16. Procedimiento según la reivindicación 14 ó 15, según el cual las etapas c/ y d/ se realizan mediante la colocación del embalaje rígido (4) de la batería bipolar, o mediante termosellado con ayuda de una mordaza (5) en forma de U alrededor de las partes periféricas de las bandas de material aislante eléctrico.

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 13 a 16, según el cual el depósito de al menos un electrodo sobre una de las partes aflorantes de al menos uno de los dispositivos se realiza mediante una técnica de impresión.