Construcciones apiladas para baterías electroquímicas.

Una batería, que comprende:

un apilamiento de una pluralidad de unidades de electrodo en una dirección de apilamiento,

comprendiendo el apilamiento:

una primera unidad de electrodo;

una segunda unidad de electrodo apilada sobre la parte superior de la primera unidad de electrodo en la dirección de apilamiento; y

una primera capa de electrolito dispuesta entre la primera unidad de electrodo y la segunda unidad de electrodo, en la que la primera unidad de electrodo comprende:

un primer sustrato de electrodo; y

una primera capa activa en un primer lado del primer sustrato de electrodo, en donde la primera capa activa incluye al menos una primera porción activa en una primera porción del primer lado y una segunda porción activa en una segunda porción del primer lado, en donde la primera porción activa de la primera capa activa se extiende hasta una primera altura por encima del primer lado del primer sustrato de electrodo, en donde la segunda porción activa de la primera capa activa se extiende hasta una segunda altura por encima del primer lado del primer sustrato de electrodo, y en donde la primera altura es diferente de la segunda altura;

en la que la primera porción activa de la primera capa activa comprende al menos un primer material activo y la segunda porción activa de la primera capa activa comprende al menos un segundo material activo, en donde el primer material activo es diferente del segundo material activo.

Construcciones apiladas para baterías electroquímicas Campo técnico de la Invención

La presente invención se refiere, de modo general, a baterías y, más particularmente, a aparatos y métodos para mejorar las construcciones apiladas de baterías electroquímicas.

Antecedentes de la Invención

Las baterías convencionales se han fabricado como una batería de celdas enrolladas que tiene solamente dos electrodos o como una batería de celdas prismáticas estándar que tiene muchos conjuntos de placas en paralelo. En ambos tipos, el electrolito puede estar compartido en cualquier lugar dentro de la batería. Las estructuras de celdas enrolladas y celdas prismáticas adolecen de altas resistencias eléctricas debido a que sus trayectorias eléctricas tienen que cruzar múltiples conexiones y separarse distancias significativamente largas para cubrir el circuito completo desde una celda hasta la siguiente en una disposición en serie.

Recientemente, se han desarrollado diversos tipos de baterías con celdas selladas en una formación apilada que son capaces de proporcionar regímenes de descarga mayores y potenciales de voltaje mayores entre conectores externos que los de baterías enrolladas o prismáticas estándar, y tienen por lo tanto una alta demanda para ciertas aplicaciones. Ciertos tipos de estas baterías con celdas selladas en una formación apilada se han desarrollado para incluir, de modo general, un apilamiento de pares independientemente sellados de unidades de electrodo monopolar (MPU). Cada una de estas MPU puede estar provista de una capa de electrodo de material activo positivo o una capa de electrodo de material activo negativo, revestida en un primer lado de un colector de corriente (véase, por ejemplo, Klein, patente de EE. UU. número 5.393.617, expedida el 28 de febrero de 1995). Una MPU con una capa de electrodo de material activo positivo (es decir, una MPU positiva) y una MPU con una capa de electrodo de material activo negativo (es decir, una MPU negativa) pueden tener una capa de electrolito entre las mismas para aislar eléctricamente los colectores de corriente de esas dos MPU. Los colectores de corriente de este par de MPU positiva y negativa, junto con las capas de electrodo de material activo y el electrolito entre las mismas, pueden estar sellados como una única celda o un único segmento de celda. Una batería que incluye un apilamiento de dichas celdas, teniendo cada una de ellas una MPU positiva y una MPU negativa, se denominará en esta memoria una batería "monopolar apilada".

El lado del colector de corriente de la MPU positiva no revestida con una capa de electrodo en una primera celda puede estar acoplado eléctricamente con el lado del colector de corriente de la MPU negativa no revestida con una capa de electrodo en una segunda celda, de manera que las celdas primera y segunda están en una formación apilada. La configuración en serie de dichos segmentos de celda en un apilamiento puede hacer que el potencial de voltaje sea diferente entre colectores de corriente. No obstante, si los colectores de corriente de una celda particular contactan entre sí o si el electrolito común de las dos MPU en una celda particular está compartido con cualquier MPU adicional en el apilamiento, el voltaje y la energía de la batería se desvanecerán (es decir, se descargarán) rápidamente a cero. Por lo tanto, es deseable que una batería monopolar apilada tenga sellado independientemente el electrolito de cada una de sus celdas respecto a cada una de sus otras celdas. En consecuencia, sería ventajoso poder proporcionar una batería monopolar apilada con sellado mejorado de electrolito entre celdas adyacentes.

Otros tipos de estas baterías con celdas selladas en una formación apilada se han desarrollado para incluir, de modo general, una serie de unidades de electrodo bipolar (BPU) apiladas. Cada una de estas BPU puede estar provista de una capa de electrodo de material activo positivo y una capa de electrodo de material activo negativo, revestida en lados opuestos de un colector de corriente (véase, por ejemplo, Fukuzawa et al., publicación de patente de EE. UU. número 2004/0161667 A1, publicada el 19 de agosto de 2004). Dos BPU cualquiera pueden estar apiladas una encima de la otra con una capa de electrolito dispuesta entre la capa de electrodo de material activo positivo de una de las BPU y la capa de electrodo de material activo negativo de la otra de las BPU para aislar eléctricamente los colectores de corriente de esas dos BPU. Los colectores de corriente de dos BPU adyacentes cualquiera, junto con las capas de electrodo de material activo y el electrolito entre las mismas, pueden ser asimismo una única celda sellada o un único segmento de celda sellado. Una batería que incluye un apilamiento de dichas celdas, teniendo cada una de ellas una porción de una primera BPU y una porción de una segunda BPU, se denominará en esta memoria una batería "bipolar apilada".

Aunque el lado positivo de una primera BPU y el lado negativo de una segunda BPU pueden formar una primera celda, el lado positivo de la segunda BPU puede formar igualmente una segunda celda con el lado negativo de una tercera BPU o el lado negativo de una MPU negativa, por ejemplo. Por lo tanto, una BPU individual puede estar incluida en dos celdas diferentes de una batería bipolar apilada. La configuración en serie de dichas celdas en un apilamiento puede hacer que el potencial de voltaje sea diferente entre colectores de corriente. No obstante, si los colectores de corriente de una celda particular contactan entre sí o si el electrolito común de las dos BPU en una primera celda está compartido con cualquier otra celda en el apilamiento, el voltaje y la energía de la batería se desvanecerán (es decir, se descargarán) rápidamente a cero. Por lo tanto, es deseable que una batería bipolar apilada tenga sellado independientemente el electrolito de cada una de sus celdas respecto a cada una de sus otras celdas. En consecuencia, sería asimismo ventajoso poder proporcionar una batería bipolar apilada con sellado mejorado de electrolito entre celdas adyacentes.

El documento WO 2008/023240 describe una batería que puede suprimir la variación en la distribución de temperatura en el electrodo con una configuración simple.

Sumario de la Invención

Por lo tanto, un objeto de esta invención es proporcionar baterías apiladas con capacidades adecuadas de almacenamiento de energía, así como regímenes de carga y descarga adecuados.

De acuerdo con una realización de la invención, se ha provisto una batería que incluye un apilamiento de una pluralidad de unidades de electrodo en una dirección de apilamiento. El apilamiento incluye una primera unidad de electrodo, una segunda unidad de electrodo apilada sobre la parte superior de la primera unidad de electrodo en la dirección de apilamiento, y una primera capa de electrolito dispuesta entre la primera unidad de electrodo y la segunda unidad de electrodo. La batería incluye además una primera junta que tiene una superficie interior y una superficie exterior, en la que la primera junta está situada alrededor de la primera capa de electrolito, en la que la primera capa de electrolito está sellada mediante la superficie interior de la primera junta y las unidades de electrodo primera y segunda, y en la que, al menos, una primera porción de la primera unidad de electrodo se extiende a lo largo de una porción de la superficie exterior de la primera junta.

De acuerdo con otra realización de la invención, una batería incluye un apilamiento de una pluralidad de unidades de electrodo en una dirección de apilamiento. El apilamiento incluye

una primera unidad de electrodo, una segunda unidad de electrodo apilada sobre la parte superior de la primera unidad de electrodo en la dirección de apilamiento, y una primera capa de electrolito dispuesta entre la primera unidad de electrodo y la segunda unidad de electrodo. La primera unidad de electrodo incluye un primer sustrato de electrodo y una primera capa activa en un primer lado del primer sustrato de electrodo. La primera capa activa incluye, al menos, una primera porción activa sobre una primera parte del primer lado y una segunda porción activa sobre una segunda parte del primer lado, en la que la primera porción activa de la primera capa activa se extiende hasta una primera altura por encima del primer lado del primer sustrato de electrodo, en la que la segunda porción activa de la primera capa activa se extiende hasta una segunda altura por encima del primer lado del primer sustrato de electrodo, y en la que la primera altura es diferente de la segunda altura.

De acuerdo con otra realización de la invención, una batería incluye un apilamiento de una pluralidad de unidades de electrodo en... [Seguir leyendo]

1. Una batería, que comprende:

un apilamiento de una pluralidad de unidades de electrodo en una dirección de apilamiento, comprendiendo el apilamiento:

una primera unidad de electrodo;

una segunda unidad de electrodo apilada sobre la parte superior de la primera unidad de electrodo en la dirección de apilamiento; y

una primera capa de electrolito dispuesta entre la primera unidad de electrodo y la segunda unidad de electrodo, en la que la primera unidad de electrodo comprende:

un primer sustrato de electrodo; y

una primera capa activa en un primer lado del primer sustrato de electrodo, en donde la primera capa activa incluye al menos una primera porción activa en una primera porción del primer lado y una segunda porción activa en una segunda porción del primer lado, en donde la primera porción activa de la primera capa activa se extiende hasta una primera altura por encima del primer lado del primer sustrato de electrodo, en donde la segunda porción activa de la primera capa activa se extiende hasta una segunda altura por encima del primer lado del primer sustrato de electrodo, y en donde la primera altura es diferente de la segunda altura; en la que la primera porción activa de la primera capa activa comprende al menos un primer material activo y la segunda porción activa de la primera capa activa comprende al menos un segundo material activo, en donde el primer material activo es diferente del segundo material activo.

2. La batería de la reivindicación 1, en la que la segunda unidad de electrodo comprende: un segundo sustrato de electrodo; y

una segunda capa activa en un segundo lado del segundo sustrato de electrodo, en la que la segunda capa activa incluye al menos una tercera porción activa en una primera porción del segundo lado y una cuarta parte activa en una segunda porción del segundo lado.

3. La batería de la reivindicación 2, en la que la tercera porción activa de la segunda capa activa se extiende hasta una tercera altura por debajo del segundo lado del segundo sustrato de electrodo, en donde la cuarta porción activa de la segunda capa activa se extiende hasta una cuarta altura por debajo del segundo lado del segundo sustrato de electrodo, y en donde la tercera altura es diferente de la cuarta altura.

4. La batería de la reivindicación 3, en la que la primera altura es la misma que la tercera altura.

5. La batería de la reivindicación 4, en la que la segunda altura es la misma que la cuarta altura.

6. La batería de la reivindicación 4, en la que la segunda altura es diferente de la cuarta altura.

7. La batería de la reivindicación 3, en la que la primera porción activa de la primera capa activa está separada de la tercera porción activa de la segunda capa activa por una primera distancia en la dirección de apilamiento, en donde la segunda porción activa de la primera

capa activa está separada de la cuarta porción activa de la segunda capa activa por una segunda distancia en la dirección de apilamiento.

8. La batería de la reivindicación 7, en la que la primera distancia es la misma que la segunda distancia.

9. La batería de la reivindicación 7, en la que la primera distancia es diferente de la segunda distancia.

10. La batería de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que la primera capa de electrolito comprende:

un material de electrolito; y

una barrera dispuesta entre la primera capa activa de la primera unidad de electrodo y la segunda capa activa de la segunda unidad de electrodo.

11. La batería de la reivindicación 10, en la que la barrera incluye una primera porción de barrera que tiene una primera altura de barrera y una segunda porción de barrera que tiene una segunda altura de barrera, y en la que la primera altura de barrera es diferente de la segunda altura de barrera.

12. La batería de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en la que el primer material activo tiene un primer nivel de voltaje, en la que el segundo material activo tiene un segundo nivel de voltaje, y en la que el primer nivel de voltaje funciona eléctricamente dentro del segundo nivel de voltaje.

13. La batería de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en la que la primera porción activa de la primera capa activa tiene un primer grosor a lo largo del primer lado del primer sustrato de electrodo, en la que la segunda porción activa de la primera capa activa tiene un segundo grosor a lo largo del primer lado del primer sustrato de electrodo, y en la que el primer grosor es diferente del segundo grosor.

14. La batería de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 que comprende además:

una primera junta dispuesta alrededor de la primera capa de electrolito, en la que la primera capa de electrolito está sellada por la primer junta y las unidades de electrodo primera y segunda.

15. La batería de la reivindicación 1 que comprende además:

una tercera unidad de electrodo apilada sobre la parte superior de la segunda unidad de electrodo en la dirección de apilamiento; y una segunda capa de electrolito dispuesta entre la segunda unidad de electrodo y la tercera unidad de electrodo, en la que la primera unidad de electrodo y la tercera unidad de electrodo, en la que la primera unidad de electrodo está separada de la segunda unidad de electrodo por una primera distancia en la dirección de apilamiento, en la que la segunda unidad de electrodo está separada de la tercera unidad de electrodo por una segunda distancia en la dirección de apilamiento, y en la que la primera distancia es diferente de la segunda distancia.

16. La batería tanto de cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 15, en la que la primera unidad de electrodo es una unidad de electrodo monopolar, y en la que la segunda unidad de electrodo es una unidad de electrodo monopolar.

17. La batería de la reivindicación 16 como dependiente de la reivindicación 15, en la que la tercera unidad de electrodo es una unidad de electrodo monopolar o unidad de electrodo bipolar.