Procedimiento de fabricación de una batería bipolar que comprende al menos tres celdas provistas de cuatroplacas colectoras con superficies diferentes,

que comprende las etapas de:

a) apilamiento de acuerdo con un eje longitudinal de una sucesión de las placas colectoras con superficiesdiferentes, entre cada par de placas colectoras estando situados un ánodo, un electrolito, un cátodo, en este ordende acuerdo con el eje longitudinal y una pared lateral que rodea el ánodo, el electrolito y el cátodo, de las paredeslaterales de dos celdas adyacentes, una siendo una pared lateral con una sección más grande y la otra siendo unapared lateral con una sección más pequeña, la pared lateral con una sección más grande delimitando con su carainterior una zona central con una superficie más grande que la superficie externa delimitada por la cara externa de lapared lateral con una sección más pequeña, de tal modo que no haya ninguna superposición entre las paredeslaterales de dos celdas adyacentes;

b) aporte de calor mediante la aplicación de un dispositivo de calentamiento en el contorno exterior libre de las dosplacas colectoras de los extremos del apilamiento, al menos en la perpendicular de las paredes laterales de losextremos del apilamiento, para solidarizar cada pared lateral con dichas placas colectoras que están yuxtapuestas aesta, y/o en el contorno exterior libre de las placas colectoras intermedias del apilamiento al menos en laperpendicular de una pared lateral para solidarizar dicha pared lateral con dicha placa colectora y una placacolectora siguiente de tal modo que las zonas en las que se aplica el calor no estén alineadas de acuerdo con el ejelongitudinal.

Batería multipolar con estanqueidad mejorada entre placas

5 Campo técnico y técnica anterior

La presente invención se refiere a una batería multipolar cuyas propiedades de estanqueidad frente al electrolito se han mejorado y a un procedimiento de realización de una batería de este tipo.

Existen acumuladores de ión litio que utilizan el par óxido de cobalto litiado LiCoO2 para el electrodo positivo (cátodo) y el grafito para el electrodo negativo (ánodo) . Estos acumuladores ofrecen una tensión nominal del orden de 3, 6 V, mientras que la mayoría de los acumuladores del tipo Ni-Cd, Ni-MH, etc. ofrece una tensión nominal del orden de 1, 5 V. Además, estos acumuladores ofrecen una densidad de energía muy alta de aproximadamente entre 300 y 400 Wh.1-1 y de aproximadamente entre 160 y 200 Wh.kg-1, una baja autodescarga y un tiempo de vida útil

elevado, del orden de 500 ciclos, e incluso de 800 ciclos.

No obstante, los acumuladores de ión litio actuales en la configuración habitual no ofrecen un buen comportamiento en potencia, principalmente a causa del grafito que se utiliza en el electrodo negativo.

Se ha propuesto, entonces, sustituir este último por óxido de titanio (Li4Ti5O12) en una celda de ión litio de tipo monopolar. No obstante, este acumulador solo presenta una tensión nominal del orden de 2, 5 V y, por consiguiente, la densidad de energía de la batería se ve reducida.

Con el fin de realizar una batería que conserve una densidad de energía comparable a la de los acumuladores de

ión litio clásicos, se prevé realizar una batería que comprende una multitud de celdas en serie, lo que permite aumentar la tensión del sistema global.

Cada celda comprende un ánodo, un cátodo y un electrolito.

Para ello, se estructura la batería con la forma de una batería bipolar, p. ej. una batería que presenta unos colectores de corriente que permiten una conexión entre un ánodo de una celda y un cátodo de una celda adyacente. Esta estructura permite reducir la resistencia eléctrica del conjunto con respecto a una batería compuesta por una multitud de celdas monopolares conectadas en serie mediante unos conectores exteriores.

Esta estructura bipolar también permite limitar las masas y las dimensiones improductivas.

En consecuencia, una batería bipolar está formada por un apilamiento de celdas de acuerdo con un eje longitudinal entre las que se intercalan unas placas colectoras.

Se realiza una estanqueidad al nivel de cada celda con el fin de confinar al electrolito que, por lo general, es líquido. Esta estanqueidad se obtiene realizando una pared que une dos placas conductoras y que rodea cada celda.

Esta estanqueidad tiene una gran importancia ya que la circulación de electrolito entre las celdas causada por una fuga puede provocar la aparición de corrientes iónicas o de puentes iónicos, provocando la circulación de los iones

45 de Li4, lo que implica por tanto un mal funcionamiento general de la batería.

Esta pared está, por ejemplo, realizada por medio de una cola o de un material polímero termoactivable, la cola o el polímero siendo resistentes frente al electrolito. La realización de estas paredes se describe, por ejemplo, en el documento US 5 595 839. Con el fin de activar el polímero, unos dispositivos de calentamiento entran en contacto con los extremos longitudinales del apilamiento.

Este procedimiento es eficaz en el caso de un número reducido de celdas apiladas, por ejemplo dos. Ahora bien, en el caso de un número mayor de celdas, por ejemplo superior o igual a tres, lo que es preciso para obtener la densidad de energía requerida, este procedimiento tiene un gran inconveniente.

55 En efecto, el calentamiento del polímero, destinado a formar las paredes de las celdas intermedias entre las dos celdas situadas al nivel de los extremos longitudinales del apilamiento, se obtiene mediante conducción. En consecuencia, para obtener un calentamiento suficiente del polímero de las celdas intermedias, se requiere un tiempo de calentamiento importante. Ahora bien, ese tiempo de calentamiento es excesivamente largo para el polímero de las celdas de los extremos. Esto crea entonces una disparidad entre las celdas de los extremos y las celdas intermedias, en efecto las celdas de los extremos tienen unas paredes menos altas que las de las celdas intermedias, ya que estas se han calentado durante más tiempo. En consecuencia, la altura de las celdas de los extremos es más baja que la de las celdas de los extremos, la resistencia interna de la batería se ve, por lo tanto, aumentada.

65 Se ha propuesto, por ejemplo en el documento US 2004/0091771, utilizar varios polímeros con unas temperaturas de fusión diferentes, su temperatura de fusión decreciendo a medida que se aleja de los extremos del apilamiento. Ahora bien, este procedimiento de sellado precisa, por una parte, el empleo de varios polímeros, lo que exige una atención especial durante la realización de las estanqueidades en la colocación de los diferentes tipos de polímeros, y un control especialmente riguroso de la temperatura. Ahora bien, a menudo sucede que algunos polímeros

utilizados para formar las paredes en el centro del apilamiento se desplazan provocando una fuga de electrolito.

Ese documento también propone utilizar un electrolito de tipo gel, lo que permite evitar el flujo en caso de ruptura de estanqueidad. Ahora bien, de manera general, un electrolito en forma de gel ofrece peores prestaciones que un electrolito líquido.

También se conoce del documento JP 2005 3100588 una batería bipolar formada por un apilamiento de celdas. La estanqueidad de las celdas se obtiene mediante calentamiento, pero este documento no ofrece ninguna indicación acerca de la manera en que se realiza este calentamiento. Por otra parte, la superficie de la materia activa de cada celda varía con la superficie de las placas colectoras. Existe, entonces, un riesgo de deterioro de la materia activa

durante el calentamiento.

El documento JP 2006 139994 también describe una batería bipolar que comprende un apilamiento de celdas, las celdas estando de tal modo que una zona de cada una de las placas colectoras de cargas de cada una de las celdas esté libre con respecto a la zona superior permitiendo una conexión más fácil con un cable. El problema del deterioro de la materia activa durante la realización de las estanqueidades laterales de las celdas también se plantea.

Es por ello un objetivo de la presente invención proporcionar una batería bipolar que ofrece una alta tensión nominal y una alta densidad de energía, en la que los electrolitos, de preferencia líquidos, de las diferentes celdas están aislados de manera segura evitando un mal funcionamiento prematuro de la batería.

Es también un objetivo de la presente invención proporcionar un procedimiento de realización simple de una batería bipolar con una alta tensión nominal y una alta densidad de energía, que permite garantizar un confinamiento del electrolito dentro de las diferentes celdas.

Exposición de la invención

Los objetivos que se han mencionado anteriormente se consiguen mediante una batería bipolar formada por un apilamiento de celdas cuya estructura permite un calentamiento repartido al nivel de cada celda, y que evita un aporte demasiado importante de calor a las celdas de los extremos.

Para ello, se prevé dejar libre una zona de al menos una placa colectora de cada celda en la perpendicular del material destinado a formar la pared.

Se ha comprobado, de manera sorprendente, que el hecho de liberar esta zona permitía obtener un calentamiento eficaz de las paredes intermedias sin requerir un sobrecalentamiento de las paredes de los extremos.

En algunas realizaciones, estas zonas libres permiten que un dispositivo de calentamiento entre en contacto con cada placa colectora en la perpendicular de este material, para realizar un calentamiento individual de cada material.

45 En otras palabras, las juntas que se colocan entre las placas interconectoras están desplazadas transversalmente con el fin de que dos juntas no se encuentren en la perpendicular la una de la otra de acuerdo con el eje de apilamiento.

Las zonas libres de las placas... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de fabricación de una batería bipolar que comprende al menos tres celdas provistas de cuatro placas colectoras con superficies diferentes, que comprende las etapas de:

a) apilamiento de acuerdo con un eje longitudinal de una sucesión de las placas colectoras con superficies diferentes, entre cada par de placas colectoras estando situados un ánodo, un electrolito, un cátodo, en este orden de acuerdo con el eje longitudinal y una pared lateral que rodea el ánodo, el electrolito y el cátodo, de las paredes laterales de dos celdas adyacentes, una siendo una pared lateral con una sección más grande y la otra siendo una

pared lateral con una sección más pequeña, la pared lateral con una sección más grande delimitando con su cara interior una zona central con una superficie más grande que la superficie externa delimitada por la cara externa de la pared lateral con una sección más pequeña, de tal modo que no haya ninguna superposición entre las paredes laterales de dos celdas adyacentes;

b) aporte de calor mediante la aplicación de un dispositivo de calentamiento en el contorno exterior libre de las dos placas colectoras de los extremos del apilamiento, al menos en la perpendicular de las paredes laterales de los extremos del apilamiento, para solidarizar cada pared lateral con dichas placas colectoras que están yuxtapuestas a esta, y/o en el contorno exterior libre de las placas colectoras intermedias del apilamiento al menos en la perpendicular de una pared lateral para solidarizar dicha pared lateral con dicha placa colectora y una placa

colectora siguiente de tal modo que las zonas en las que se aplica el calor no estén alineadas de acuerdo con el eje longitudinal.

2. Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que, durante la etapa b) , el aporte de calor

a las placas intermedias se realiza de forma simultánea para solidarizar todas las paredes laterales con las placas 25 colectoras correspondientes de forma simultánea.

3. Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el aporte de calor a las placas intermedias se realiza de forma sucesiva para cada pared lateral.

30 4. Procedimiento de fabricación de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que, previamente a la etapa a) , está prevista una etapa a0) de realización de un conjunto de una placa colectora y de un ánodo, de un conjunto de una placa colectora y de un cátodo, y de unos conjuntos de placas colectoras con un ánodo en una cara y un cátodo en otra cara.

35 5. Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 4, en el que, tras la etapa a0) y antes de la etapa a) , está prevista una etapa de corte de las placas colectoras con la superficie requerida.

6. Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 4, en el que las placas colectoras se cortan de tal

modo que se obtengan unas placas colectoras con una superficie decreciente. 40

7. Procedimiento de fabricación de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la etapa b) se realiza en primer lugar al nivel de las placas con superficies más pequeñas.

8. Procedimiento de fabricación de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende una etapa que

45 sigue a la etapa b) de depósito de una capa de material resistente frente al electrolito sobre el contorno exterior libre de cada placa colectora y en contacto con las paredes laterales.

9. Batería bipolar que se obtiene mediante el procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende al menos tres celdas electroquímicas apiladas de acuerdo con un eje longitudinal, cada celda estando 50 compuesta por un ánodo, por un cátodo y por un electrolito situado entre el ánodo y el cátodo, una placa colectora (B, C) de corriente conectando eléctricamente un ánodo de una celda y un cátodo de una celda adyacente, una placa colectora de corriente sobre el ánodo (A) de una celda situada en un primer extremo longitudinal del apilamiento, una placa colectora (D) de corriente sobre el cátodo situada en un segundo extremo longitudinal del apilamiento, una pared lateral (2.4, 4.4, 6.4) estanca frente al electrolito rodeando cada celda entre cada par de 55 placas colectoras (A, B, C, D) sucesivas, cada par de placas colectoras formando con una pared lateral (2.4, 4.4, 6.4) un compartimento estanco para cada celda, de acuerdo con un eje longitudinal de una sucesión de las placas colectoras con unas superficies diferentes, entre cada par de placas colectoras estando situados un ánodo, un electrolito, un cátodo, en este orden de acuerdo con un eje longitudinal, y una pared lateral que rodea el ánodo, el electrolito y el cátodo, de las paredes laterales de dos celdas adyacentes, una siendo una pared lateral con una 60 sección más grande y la otra siendo una pared lateral con un sección más pequeña, la pared lateral con una sección más grande delimitando con su cara interior una zona central con una superficie más grande que la superficie externa que delimita la cara externa de la pared lateral con una sección más pequeña, de tal modo que no haya ninguna superposición entre las paredes colectoras de dos celdas adyacentes, las placas colectoras siendo de tamaños diferentes, en la cual dichas placas colectoras se apilan de tal modo que sus tamaños sean rigurosamente

65 crecientes o rigurosamente decrecientes.

10. Batería bipolar de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende al menos un primer sub-conjunto de celdas que comprenden unas placas colectoras con unos tamaños rigurosamente crecientes y un segundo sub-conjunto de celdas que comprende unas placas colectoras con unos tamaños rigurosamente decrecientes.

11. Batería bipolar de acuerdo con la reivindicación anterior, que comprende varios primeros y segundos subconjuntos que se suceden longitudinalmente de manera alterna.

12. Batería bipolar que se obtiene mediante el procedimiento de la reivindicación 1 a 8, que comprende al menos tres celdas electroquímicas apiladas de acuerdo con un eje longitudinal, cada celda estando compuesta por un 10 ánodo, por un cátodo y por un electrolito situado entre el ánodo y el cátodo, una placa colectora (B, C) de corriente conectando eléctricamente un ánodo de una celda y un cátodo de una celda adyacente, una placa colectora de corriente sobre el ánodo (A) de una celda situada en un primer extremo longitudinal del apilamiento, una placa colectora (D) de corriente sobre el cátodo situada en un segundo extremo longitudinal del apilamiento, una pared lateral (2.4, 4.4, 6.4) estanca frente al electrolito rodeando cada celda entre cada par de placas colectoras (A, B, C, 15 D) sucesivas, cada par de placas colectoras formando con una pared lateral (2.4, 4.4, 6.4) un compartimento estanco para cada celda, las paredes laterales (2.4, 4.4, 6.4) de dos celdas adyacentes estando desplazadas transversalmente entre sí con respecto al eje longitudinal (X) de tal modo que no haya ninguna superposición entre estas, dicha batería comprendiendo unas paredes laterales con una sección transversal más grande y unas paredes laterales con una sección transversal más pequeña, una pared lateral con una sección más grande delimitando con 20 su cara interior una zona central con una superficie más grande que la superficie externa que delimita la cara externa de la pared lateral con un sección más pequeña, dichas paredes con una sección transversal más grande y dichas paredes con una sección transversal más pequeña sucediéndose de forma alterna, y unas placas colectoras con una sección transversal más grande y unas placas colectoras con una sección transversal más pequeña, las placas colectoras con una sección transversal más grande y las placas colectoras con una sección transversal más 25 pequeña sucediéndose de forma alterna, de tal modo que una pared con una sección transversal más grande se encuentre entre una placa colectora con una sección transversal más grande y una placa colectora con una sección transversal más pequeña y entre dos celdas que comprenden, cada una, dos paredes laterales con una sección transversal más pequeña, y de tal modo que un pared con una sección transversal más pequeña se encuentre entre una placa colectora con una sección transversal más grande y una placa colectora con una sección transversal más

pequeña y entre dos celdas que comprenden, cada una, dos paredes laterales con una sección más grande.

13. Batería de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 12, en la que las paredes (2.4, 4.4, 6.4) están situadas en la perpendicular de los bordes exteriores de una de las placas colectoras (A, B, C) que esta une.

14. Batería de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 13, en la que los extremos de las placas colectoras (B, C, D) están recubiertos por una capa (20, 22, 24) que forma una barrera adicional para el flujo del electrolito.

15. Batería bipolar de acuerdo con la reivindicación 14, en la que dicha capa (20, 22, 24) es una cola de tipo

poliacrílica o de poliuretano. 40

16. Batería de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 15, en la que las paredes (2.4, 4.4, 6.4) son de polímero termoactivable, de tipo epoxi, o de cola de tipo poliacrílica o de poliuretano.

17. Batería de acuerdo con una de las reivindicaciones 9 a 16, en la que los cátodos son de LiFePO4 y los ánodos 45 son de Li4Ti5O12.