Conjunto de almacenamiento de energía eléctrica con un elemento apilado.

Conjunto de almacenamiento de energía eléctrica, que comprende:

- por lo menos tres complejos (1, 1', 2, 2'; 40, 41; 45A - 45E, 46A - 46E; 52, 53) apilados, que comprenden cada uno por lo menos un electrodo (12, 13; 22, 23),

- por lo menos un separador (3, 3', 3") dispuesto de manera que dicho por lo menos un separador está dispuesto entre cada par de complejos adyacentes,

- dos terminales de conexión para conectar eléctricamente el conjunto a un generador de tensión, estando una primera muestra de complejos (1'; 45A - 45E, 52) conectada eléctricamente a, o formando, uno de los dos terminales y estando una segunda muestra de complejos (2'; 46A - 46E, 53) conectada eléctricamente a, o formando, el otro de los dos terminales, caracterizado por que las dos muestras se seleccionan de manera que el número de complejos que pertenecen a la reunión de las dos muestras es inferior al número total de complejos y que la intersección de las dos muestras es un conjunto vacío.

Conjunto de almacenamiento de energía eléctrica con un elemento apilado.

La presente invención se refiere al campo técnico general de los conjuntos de almacenamiento de energía eléctrica.

En el contexto de la presente invención, por "conjunto de almacenamiento de energía eléctrica" se entiende un supercondensador (es decir, un sistema que comprende por lo menos dos electrodos cuyo material es de la misma naturaleza (carbono activado, por ejemplo), un electrolito y por lo menos un separador) o una batería (es decir, un sistema que comprende por lo menos dos electrodos realizados a partir de materiales distintos, un electrolito y por lo menos un separador) o incluso un condensador electrolítico (es decir, un sistema que comprende por lo menos dos electrodos de aluminio, un electrolito y por lo menos un separador).

Presentación general de la técnica anterior

Se conocen diferentes tipos de supercondensadores. Estos supercondensadores están destinados a conectarse entre sí para formar módulos por los siguientes motivos.

Generalmente se utilizan dos estructuras diferentes de supercondensadores unitarios, de tensión unitaria generalmente inferior a 3,0 V y que funcionan en medio orgánico:

- los supercondensadores cilindricos, realizados a partir de bobinado simultáneo de 2 electrodos y de 2 separadores,

- los supercondensadores prismáticos, realizados a partir de capas sucesivas apiladas para formar un elemento apilado, también conocido con el nombre de "stack" (apilamiento). En este caso, se realizan dos ensamblajes de electrodos: uno para el electrodo positivo y otro para el negativo.

Generalmente, el diseño de los supercondensadores cilindricos permite realizar un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica cuya resistencia en serie es menor que la de los supercondensadores prismáticos: las recuperaciones de corriente se realizan en ocasiones directamente mediante soldadura por láser en el bobinado, tal como se describe en el documento EP1964138, lo cual permite reducir considerablemente la resistencia eléctrica de contacto.

No obstante, los supercondensadores cilindricos adolecen de un inconveniente: la densidad de energía de los módulos obtenidos mediante conexión eléctrica de varios supercondensadores cilindricos es menor que la densidad de energía de los módulos obtenidos mediante conexión eléctrica de varios supercondensadores prismáticos. En efecto, los módulos basados en supercondensadores cilindricos son menos compactos que los módulos basados en supercondensadores prismáticos debido a la presencia de un volumen muerto entre dos supercondensadores cilindricos adyacentes.

Ahora bien, el módulo constituye la unidad de base en las aplicaciones. Efectivamente, un supercondensador unitario no puede utilizarse solo debido a su tensión poco elevada (generalmente de 2,7 V o 2,8 V).

El interés de un supercondensador prismático es su densidad de energía volumétrica.

No obstante, la resistencia en serie de los supercondensadores prismáticos es generalmente muy superior a la de los supercondensadores cilindricos debido al tipo de recuperación de corriente que se realiza mediante un montaje atornillado, y por tanto costoso en cuanto a mano de obra y piezas.

Esta gran resistencia en serie constituye el principal inconveniente para la tecnología, ya que implica calentamientos muy importantes (efecto Joule) lo cual conlleva un envejecimiento acelerado de los módulos.

La tabla II adjunta presenta los valores de densidades de energía másica y gravimétrica:

- por un lado de un supercondensador prismático y de un módulo basado en este supercondensador prismático,

- de un supercondensador cilindrico y de un módulo basado en este supercondensador cilindrico.

En la tabla I se constata que la resistencia en serie de un módulo basado en supercondensadores prismáticos es un 25% más elevada que la de un módulo basado en supercondensadores cilindricos. También se constata que la densidad de energía másica de un módulo basado en supercondensadores prismáticos es un 25% más elevada que la de un módulo basado en supercondensadores cilindricos.

La tabla I también muestra que los supercondensadores prismáticos, debido a su complejidad de montaje, presentan

un número generalmente más importante de piezas que un supercondensador cilindrico.

Los problemas inherentes al montaje en módulo de supercondensadores prismáticos son por tanto la adición de numerosas piezas (calado, cinta térmica,...), una mano de obra importante, una masa de componentes inactivos muy importante (generalmente por lo menos el 50% de la masa). Finalmente, el ensamblaje de componentes requiere la utilización de soldadura entre los componentes por medio de puentes. Para resistir a los ensayos de vibración, es por tanto importante realizar una estructura robusta y por tanto muy generalmente maciza.

Por tanto, los supercondensadores cilindricos y prismáticos presentan cada uno ventajas e inconvenientes.

Ya sea cilindrico o prismático, la tensión de un supercondensador que funciona en medio electrolítico orgánico (tal como TEABF4 en acetonitrilo) está limitada a alrededor de 6 V para los electrolitos orgánicos y del orden de 1 V para los electrolitos acuosos (referencia: "Electrochemical Properties of Organic Liquid Electrolytes Based on Quaternary Onium Salts for Electrical Double-Layer Capacitors" Makoto Ue, Kazuhiko Ida y Shoichiro Morí, J. Electrochem. Soc., vol. 141, n.° 11, 1994).

Más allá de esta tensión, se observa una degradación total del electrolito (disolvente y sal). Además, cuanto más elevada es la tensión de funcionamiento de un supercondensador, más rápida es la degradación del electrolito y por tanto más corta es la vida útil del supercondensador.

Por este motivo, los fabricantes de supercondensadores realizan supercondensadores cuya tensión nominal está limitada a 2,7 V incluso 2,8 V, para los electrolitos orgánicos. Esta tensión es un compromiso entre la vida útil y el rendimiento energético del supercondensador.

La energía de un supercondensador está directamente relacionada con la tensión a través de la fórmula:

E = 1/2 C. U2,

donde E representa la energía del supercondensador, C representa la capacidad del supercondensador y U representa la tensión del supercondensador.

Un supercondensador unitario presenta por tanto una baja tensión de funcionamiento. Por ello, un supercondensador unitario no puede utilizarse solo en la gran mayoría de las aplicaciones.

Tal como se recordó anteriormente, los supercondensadores se ensamblan por tanto generalmente de manera que se forma un módulo que funciona a alta tensión (siendo la tensión de utilización del módulo igual a la suma de las tensiones nominales de los supercondensadores cuando se montan en serie). Generalmente, el dimensionamiento de las aplicaciones impone tensiones mínima y máxima de funcionamiento así como una energía necesaria. A partir de estos parámetros, se desprende el número de componentes necesario para alcanzar la tensión y la capacidad total del módulo. Como consecuencia, se calcula la capacidad unitaria de cada componente y después se dimenslona cada supercondensador en función de eso. Pero, según las aplicaciones, los parámetros de tensión y de energía, y, de hecho, el dimensionamiento del supercondensador varían. No poder utilizar un mismo supercondensador independientemente de la aplicación presenta un Inconveniente principal para el fabricante.

El documento US 2008/166637 describe una batería con electrolito no acuoso que comprende complejos apilados, un separador y electrodos positivos y negativos para conectar eléctricamente la batería a un generador.

El documento US 2010/220426 describe un componente electrónico cerámico laminado que comprende primeros electrodos Internos que se extienden sobre una primera superficie de extremo, y una pluralidad de segundos electrodos Internos que se extienden hasta una segunda superficie de extremo.

Un objetivo de la presente invención es proponer un supercondensador prismático cuya tensión de funcionamiento sea más elevada que la de los supercondensadores prismáticos existentes, para permitir la realización de módulos que funcionen a alta tensión.

Otro objetivo de la presente invención es proponer un supercondensador prismático cuya resistencia en serie sea inferior a la de los supercondensadores prismáticos existentes.

Presentación de la invención

Para ello, se propone un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica que comprende:

- por lo menos tres complejos apilados, que comprenden cada uno por lo menos un electrodo,

1. Conjunto de almacenamiento de energía eléctrica, que comprende:

- por lo menos tres complejos (1, 1, 2, 2; 40, 41; 45A - 45E, 46A - 46E; 52, 53) apilados, que comprenden cada uno por lo menos un electrodo (12, 13; 22, 23),

- por lo menos un separador (3, 3, 3") dispuesto de manera que dicho por lo menos un separador está dispuesto entre cada par de complejos adyacentes,

- dos terminales de conexión para conectar eléctricamente el conjunto a un generador de tensión, estando una primera muestra de complejos (1; 45A - 45E, 52) conectada eléctricamente a, o formando, uno de los dos terminales y estando una segunda muestra de complejos (2; 46A - 46E, 53) conectada eléctricamente a, o formando, el otro de los dos terminales, caracterizado por que las dos muestras se seleccionan de manera que el número de complejos que pertenecen a la reunión de las dos muestras es Inferior al número total de complejos y que la intersección de las dos muestras es un conjunto vacío.

2. Conjunto según la reivindicación anterior, en el que cada uno de los complejos (1, 2; 45A, 46E) situados en un extremo del apilamiento (5) está conectado a, o forma, uno de los terminales de conexión, estando cada uno concretamente conectado a, o formando, un terminal de conexión distinto.

3. Conjunto de almacenamiento de energía según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende por lo menos un complejo que Incluye un colector de corriente (11, 21) y dos electrodos opuestos (12, 13 y 22, 23) a ambos lados del colector de corriente (11, 21).

4. Conjunto según la reivindicación anterior, en el que uno de los dos electrodos presenta un espesor más importante que el otro de los electrodos.

5. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones 3 y 4, en el que los dos electrodos presentan una composición distinta.

6. Conjunto según una de las reivindicaciones 1 y 2, en el que por lo menos uno, preferentemente cada, complejo (1) situado en un extremo del apilamiento (5) está constituido por un colector de corriente (11) y por un único electrodo (13) sobre su cara enfrentada al resto del apilamiento (5).

7. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que:

- el separador (3) se extiende en acordeón y comprende por lo menos tres secciones (34), estando dos secciones adyacentes (34) conectadas a nivel de una línea de plegado (35) para formar un pliegue que presenta un lado cóncavo y un lado convexo,

- por lo menos uno de los complejos forma un primer complejo (1) que se extiende en forma de cheurón y que está situado sobre una primera cara (31) del separador (3), estando cada primer complejo (1) plegado a lo largo de una línea de plegado (15) y estando dispuesto sobre un lado convexo respectivo de la primera cara (31) del separador (3) de manera que la línea de plegado (15) de cada primer complejo (1) coincida con una línea de plegado (35) respectiva del separador (3),

- por lo menos otro de los complejos forma un segundo complejo (2) que se extiende en forma de cheurón y que está situado sobre una segunda cara (32) del separador (3), estando cada segundo complejo (2) plegado a lo largo de una línea de plegado (25) y estando dispuesto sobre un lado convexo respectivo de la segunda cara (32) del separador (3) de manera que la línea de plegado (25) de cada segundo complejo (2) coincida con una línea de plegado (35) respectiva del separador (3).

8. Conjunto de almacenamiento de energía eléctrica según la reivindicación anterior, que comprende:

- una pluralidad de primeros complejos (1) sobre la primera cara (31) del separador (3), estando los primeros complejos situados en un lado convexo de cada dos, y

- una pluralidad de segundos complejos (2) sobre la segunda cara (32) del separador (3), estando los segundos complejos (2) situados en un lado convexo de cada dos.

9. Conjunto según una de las reivindicaciones 7 y 8, en el que las líneas de plegado (34) del separador (3) forman los lados del apilamiento (5), formando una parte (16) de un primer complejo (1) la parte superior del apilamiento (5) y formando una parte (26) de un segundo complejo (2) la parte inferior del apilamiento (5).

10. Conjunto según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende por lo menos un terminal de medición (54) para medir la tensión entre un terminal de conexión (54A, 54B) y el terminal de medición, estando un complejo que no pertenece ni a la primera ni a la segunda muestra conectado a, o formando, el terminal de medición.

11. Conjunto según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un alojamiento (6) destinado a alojar el apilamiento, y dos tapas (7, 8) destinadas a cubrir el alojamiento (6) y que forman terminales de conexión del conjunto, perteneciendo el complejo (1) situado en un extremo del apilamiento a la primera muestra y estando conectado eléctricamente a la primera tapa (7), preferentemente por toda su superficie, y perteneciendo el complejo (1) situado en el otro extremo del apilamiento a la segunda muestra y estando conectado eléctricamente a la segunda tapa (8), preferentemente por toda su superficie.

12. Conjunto de almacenamiento de energía según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el alojamiento (6) está realizado en un material flexible, comprendiendo los complejos que pertenecen a la primera y segunda muestras una parte (16, 26), constituida concretamente por una parte del colector, que se extiende en el exterior del alojamiento flexible, de manera que las partes de los complejos de una misma muestra formen un terminal de conexión del conjunto.

13. Conjunto según una de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos un separador (3) forma una sola pieza con un complejo (40), preferentemente un separador plegado forma una sola pieza con un complejo de manera que se recubren las dos caras opuestas de este complejo.

14. Conjunto según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende un electrolito orgánico, tal como difluoromono[1,2-oxalato-(2-)-o,o]-(1-)borato de tetraetilamonio, (o TEABF2OX), siendo el número de complejos y la distribución de los complejos de la primera y segunda muestras seleccionado de manera que la tensión local entre cualquier par de complejos adyacentes del conjunto sea inferior a 6 V, preferentemente 3 V.

15. Conjunto según una de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende un electrolito acuoso, tal como potasa, sosa, ácido sulfúrico, nitrato de sodio, sulfato de sodio, nitrato de litio, sulfato de litio, seleccionándose el número de complejos y la distribución de los complejos de las muestras primera y segunda de manera que la tensión entre cualquier par de complejos adyacentes del conjunto sea inferior a 2 V, preferentemente 1 V.

16. Módulo, caracterizado por que comprende una carcasa en la que está dispuesto por lo menos un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica según una de las reivindicaciones anteriores.

17. Módulo según la reivindicación anterior, que comprende una pluralidad de conjuntos (9), estando dichos conjuntos conectados eléctricamente en paralelo.

18. Módulo según la reivindicación anterior, en el que cada conjunto comprende unos primeros y segundos terminales de conexión (16, 26) que sobresalen de un alojamiento flexible (6) que contiene un apilamiento (5), estando los conjuntos superpuestos y fijados juntos para formar un bloque, estando los conjuntos dispuestos de manera que los primeros terminales de conexión (16) estén conectados eléctricamente entre sí, concretamente por medio de una primera placa (94) metálica, y los segundos terminales de conexión (26) estén conectados eléctricamente entre sí, concretamente por medio de una segunda placa (94) metálica.

19. Módulo según la reivindicación anterior, en el que los terminales de conexión (16, 26) de los conjuntos (9) reposan y están ensamblados directamente sobre las placas (94) metálicas.

20. Módulo según una de las reivindicaciones 18 o 19, en el que las placas (94) metálicas comprenden unas ranuras.

21. Módulo según una de las reivindicaciones 18 a 20, en el que cada placa metálica comprende un pasador, situado preferentemente en el centro de la placa, permitiendo los pasadores conectar eléctricamente el módulo a un elemento eléctrico externo.

22. Módulo según la reivindicación 18 a 21, que además comprende por lo menos un intersticio (97) dispuesto entre dos conjuntos adyacentes.