BRPI0611426A2 - bateria eletroquìmica recarregável bipolar - Google Patents

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BRPI0611426A2
BRPI0611426A2 BRPI0611426-1A BRPI0611426A BRPI0611426A2 BR PI0611426 A2 BRPI0611426 A2 BR PI0611426A2 BR PI0611426 A BRPI0611426 A BR PI0611426A BR PI0611426 A2 BRPI0611426 A2 BR PI0611426A2
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bipolar
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David Russel Smith
David Fraser Park
Randy Ogg
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Randy Ogg
David Russel Smith
David Fraser Park
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Abstract

BATERIA ELETROQUìMICA RECARREGáVEL BIPOLAR. A presente invenção refere-se a uma bateria bipolar que apresenta uma unidade de eletrodo positiva, uma unidade de eletrodo negativa, pelo menos uma unidade de eletrodo bipolar empilhada entre as mesmas, uma camada de eletrólito separando cada unidade de eletrodo adjacente, e uma gaxeta posicionada em torno de cada camada de eletrólito para criar uma vedação em torno da camada de eletrólito em conjunção com as unidades de eletrodo adjacentes à mesma. A bateria bipolar também inclui um invólucro para manter as vedações criadas pelas gaxetas.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "BATERIAELETROQUÍMICA RECARREGÁVEL BIPOLAR".
Este pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente Provisó-rio U.S. N9 60/677.512, depositado em 3 de maio de 2005, que é aqui incor-porado para referência em sua totalidade.
CAMPO DA INVENÇÃO
Esta invenção refere-se, de modo geral, a baterias, e, mais par-ticularmente, a baterias bipolares com vedação aperfeiçoada.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Baterias bipolares são capazes de proverem uma maior taxa dedescarga e um maior potencial de tensão entre seus conectores externos doque as baterias enroladas ou prismáticas padrões, e são, portanto, muitoprocuradas para certas aplicações. As baterias convencionais foram fabrica-das ou como uma bateria de pilha enrolada que apresenta apenas dois ele-trodos, ou como uma bateria de pilha prismática padrão que apresenta mui-tos jogos de placas em paralelo. Em ambos estes tipos, o eletrólito pode sercompartilhado em qualquer lugar dentro da bateria. As estruturas de pilhaenrolada e de pilha prismática sofrem de resistências elétricas elevadas de-vido a seus percursos elétricos que têm que cruzar múltiplas conexões ecobrir distâncias significativamente longas para cobrir o circuito completo deuma pilha para a próxima em uma disposição em série.
Recentemente, as baterias bipolares foram desenvolvidas parageralmente incluir uma série de unidades de eletrodo bipolares empilhadas(BPUs), cada BPU sendo provida com uma camada positiva de eletrodo dematerial ativo e uma camada negativa de eletrodo de material ativo revesti-das nos lados opostos de um coletor de corrente (vide, por exemplo, a Publi-cação de Patente U.S. de Fukuzawa e outros, No. 2004/0161667 A1, publi-cada em 19 de agosto de 2004, que é aqui incorporada para referência emsua totalidade). Quaisquer duas BPUs adjacentes apresentam uma camadade eletrólito entre elas para eletricamente isolar os coletores de correntedessas duas BPUs. A configuração em série de uma bateria bipolar faz comque o potencial de tensão seja diferente entre os coletores de corrente. En-tretanto, se os coletores de corrente estivessem em contato mútuo ou se oeletrólito comum de quaisquer duas BPUs adjacentes fosse compartilhadocom qualquer BPU adicional, a tensão e a energia da bateria se esvairiam(isto é, descarregariam) rapidamente para zero.
Conseqüentemente, seria vantajoso prover uma bateria bipolarcom vedação aperfeiçoada de eletrólitos entre as BPUs adjacentes.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Portanto, é um objetivo desta invenção o de prover uma bateriabipolar com vedação aperfeiçoada do eletrólito entre as unidades de eletrodobipolar adjacentes.
De acordo com a invenção, é provida uma bateria apresentandouma unidade de eletrodo monopolar positiva, uma unidade de eletrodo mo-nopolar negativa, pelo menos uma unidade de eletrodo bipolar empilhadaentre a unidade de eletrodo positiva e a unidade de eletrodo negativa, e umacamada de eletrólito provida entre cada par de unidades de eletrodo adja-centes. A bateria bipolar também inclui uma gaxeta posicionada em torno decada das camadas de eletrólito, onde cada das camadas de eletrólito é ve-dada por sua respectiva gaxeta e seu respectivo par de unidades de eletrodoadjacentes.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
As vantagens da invenção apresentadas acima, bem como ou-tras, se tornarão evidentes através da seguinte descrição detalhada, tomadaem conjunção com os desenhos anexos, nos quais caracteres de referênciasemelhantes se referem a partes semelhantes do início ao fim, e nos quais:
a Figura 1 é uma vista em seção transversal esquemática deuma estrutura básica de uma unidade de eletrodo bipolar (BPU) de acordocom a invenção;
a Figura 2 é uma vista em seção transversal esquemática deuma estrutura básica de uma pilha de BPUs da Figura 1 de acordo com ainvenção;
a Figura 3 é uma vista em seção transversal esquemática deuma estrutura básica de uma bateria bipolar que implementa a pilha deBPUs da Figura 2 de acordo com a invenção;
a Figura 4 é uma vista de topo esquemática da bateria bipolar daFigura 3, tomada da linha IV-IV da Figura 3;
a Figura 4A é uma vista de topo esquemática da bateria bipolarda Figura 3, tomada da linha IVA-IVA da Figura 3;
a Figura 5 é um diagrama de circuito esquemático da constitui-ção básica da bateria bipolar das Figuras 3-4A;
a Figura 6 é uma vista em seção transversal esquemática deta-lhada de uma porção da bateria bipolar das Figuras 3-5;
a Figura 7 é uma vista de topo esquemática da bateria bipolardas Figuras 3-6, tomada da linha Vll-Vll da Figura 6;
a Figura 8 é uma vista de topo esquemática da bateria bipolardas Figuras 3-7, tomada da linha VIII-VIII da Figura 6;
a Figura 9 é uma vista de topo esquemática da bateria bipolardas Figuras 3-8, tomada da linha IX-IX da Figura 6;
a Figura 10 é uma vista em seção transversal esquemática decertos elementos de um primeiro estágio de um método para formar umabateria bipolar de acordo com uma concretização preferida da invenção;
a Figura 11 é uma vista de topo esquemática dos elementos daFigura 10, tomada da linha Xl-Xl da Figura 10;
a Figura 12 é uma vista em seção transversal esquemática decertos elementos em um segundo estágio de um método para formar umabateria bipolar de acordo com uma concretização preferida da invenção;
a Figura 13 é uma vista de topo esquemática dos elementos daFigura 12, tomada da linha XIII-XMI da Figura 12;
a Figura 14 é uma vista em seção transversal esquemática decertos elementos em um terceiro estágio de um método para formar umabateria bipolar de acordo com uma concretização preferida da invenção;
a Figura 15 é uma vista de topo esquemática dos elementos daFigura 14, tomada da linha XV-XV da Figura 14;
a Figura 16 é uma vista em seção transversal esquemática decertos elementos em um quarto estágio de um método para formar uma ba-teria bipolar de acordo com uma concretização preferida da invenção;
a Figura 17 é uma vista de topo esquemática dos elementos daFigura 16, tomada da linha XVII-XVII da Figura 16;
a Figura 18 é uma vista em seção transversal esquemática decertos elementos em um quinto estágio de um método para formar uma ba-teria bipolar de acordo com uma concretização preferida da invenção;
a Figura 19 é uma vista em seção transversal esquemática decertos elementos em um sexto estágio de um método para formar uma bate-ria bipolar de acordo com uma concretização preferida da invenção;
a Figura 20 é uma vista de topo esquemática dos elementos daFigura 19, tomada da linha XX-XX da Figura 19;
a Figura 21 é uma vista em seção transversal esquemática decertos elementos em um sexto estágio de um método para formar uma bate-ria bipolar de acordo com uma concretização alternativa da invenção;
a Figura 22 é uma vista de topo esquemática dos elementos daFigura 21, tomada da linha XVIII-XVIII da Figura 21;
a Figura 23 é uma vista de topo esquemática de uma bateriabipolar de acordo com uma concretização alternativa da invenção; e
a Figura 24 é uma vista em seção transversal esquemática dabateria bipolar da Figura 23, tomada da linha XXIV-XXIV da Figura 23;
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A invenção traz uma bateria bipolar apresentando um terminalde unidade monopolar positiva (MPU), um terminal MPU negativo, e pelomenos uma unidade bipolar (BPU) disposta substancialmente na verticalentre eles. Cada BTU inclui uma camada de eletrodo (por exemplo, umsubstrato condutivo) apresentando dois lados. Um material ativo positivo éformado ou posicionado no primeiro lado da camada de eletrodo, e um mate-rial negativo é formado ou posicionado no segundo lado da camada de ele-trodo. A bateria bipolar desta invenção também inclui uma camada de eletró-lito apresentando um eletrólito entre cada unidade de eletrodo adjacente (is-to é, entre cada MPU e BPU adjacente, e entre cada BPU e BPU adjacente)e uma barreira que eletricamente isola as unidades de eletrodo adjacentesentre as quais é posicionada a camada de eletrólito. Adicionalmente, a bate-ria bipolar desta invenção inclui uma gaxeta posicionada substancialmenteem torno de cada camada de eletrólito para vedar o eletrólito da camada deeletrólito entre a gaxeta e as duas camadas de eletrodo adjacentes à mesma.
A invenção será agora descrita com referência às Figuras 1 -24.
A Figura 1 mostra uma BPU ilustrativa 2, de acordo com umaconcretização da presente invenção, incluindo uma camada positiva de ele-trodo de material ativo 4 provida em um primeiro lado de um substrato con-dutivo impermeável 6, e uma camada negativa de eletrodo de material ativo8 provida no outro lado do substrato condutivo impermeável 6.
Conforme mostrado na Figura 2, múltiplas BPUs 2 podem serempilhadas substancialmente na vertical em uma pilha 20, com uma camadade eletrólito 10 provida entre duas BPUs adjacentes 2, de tal modo que umacamada de eletrodo positiva 4 de uma BPU 2 fique oposta a uma camada deeletrodo negativa 8 de uma BPU adjacente 2 através de uma camada deeletrólito 10. Cada camada de eletrólito 10 preferivelmente inclui um separa-dor 9 que detém um eletrólito 11 (vide, por exemplo, a Figura 6). O separa-dor 9 pode eletricamente separar a camada de eletrodo positiva 4 e a cama-da de eletrodo negativa 8 adjacentes ao mesmo enquanto permite a transfe-rência iônica entre as unidades de eletrodo para recombinação, conformedescrito em maiores detalhes abaixo.
Com referência continuada à condição empilhada das BPUs 2na Figura 2, os componentes incluídos na camada de eletrodo positiva 4 eno substrato 6 de uma primeira BPU 2, na camada de eletrodo negativa 8 eno substrato 6 de uma segunda BPU 2 adjacente à primeira BPU 2, e nacamada de eletrólito 10 entre as primeira e segunda BPUs 2 serão denomi-nados aqui de "segmento de pilha" 22. Cada substrato impermeável 6 decada segmento de pilha 22 é compartilhado pelo segmento de pilha adjacen-te aplicável 22.
Conforme mostrado nas Figuras 3 e 4, terminais positivos e ne-gativos podem ser providos juntamente com a pilha 20 de uma ou maisBPUs 2 para constituir uma bateria bipolar 50 de acordo com uma concreti-zação da invenção. Uma MPU positiva 12, que inclui uma camada positivade eletrodo de material ativo 14 provida em um lado de um substrato condu-tivo impermeável 16, pode ser posicionada em uma primeira extremidade dapilha 20 com uma camada de eletrólito provida entre elas (isto é, a camadade eletrólito 10e), de tal modo que a camada de eletrodo positiva 14 da MPU12 fique oposta a uma camada de eletrodo negativa (isto é, a camada 8d) daBPU (isto é, BPU 2d) nessa primeira extremidade da pilha 20 através dacamada de eletrólito 10e. Uma MPU negativa 32, que inclui uma camadanegativa de eletrodo de material ativo 38 provida em um lado de um substra-to condutivo impermeável 36, pode ser posicionada na segunda extremidadeda pilha 20 com uma camada de eletrólito provida entre elas (isto é, a cama-da de eletrólito 10a), de tal modo que a camada de eletrodo negativa 38 daMPU negativa 32 fique oposta a uma camada de eletrodo positiva (isto é, acamada 4a) da BPU (isto é, a BPU 2a) nessa segunda extremidade da pilha20 através da camada de eletrólito 10a. Caso desejado, as MPUs 12 e 32podem ser providas com fios de eletrodo positivo e negativo corresponden-tes 13 e 33, respectivamente.
Deve ser notado que o substrato e a camada de eletrodo de ca-da MPU podem formar um segmento de pilha 22 com o substrato e a cama-da de eletrodo de sua BPU adjacente 2, e a camada de eletrólito 10 entreeles, conforme mostrado na Figura 3. O número de BPUs empilhadas napilha 20 pode ser um ou mais, sendo apropriadamente determinado a fim decorresponder a uma tensão desejada para a bateria 50. Cada BPU 2 podeprover qualquer potencial desejado, de tal modo que a tensão desejada paraa bateria 50 possa ser conseguida com o acréscimo efeito dos potenciaisprovidos por cada componente BPU 2. Será entendido que cada BPU 2 nãoprecisa prover potenciais idênticos.
Em uma concretização adequada, a bateria bipolar 50 é estrutu-rada de modo que toda a pilha de BPU 20 e suas respectivas MPUs positivae negativa 12 e 32 sejam encapsuladas (por exemplo, hermeticamente ve-dadas) em um estojo ou invólucro de bateria 40 sob pressão reduzida. Ossubstratos condutivos MPU 6 e 36 (ou pelo menos seus respectivos fios deeletrodo 13 e 33) podem ser retirados do estojo de bateria 40 de modo a mi-tigar os impactos externos ocasionados pelo uso e a impedir a degradaçãoambiental. Podem ser providos entalhes 42 nas MPUs 12 e 32 para um esto-jo de perfil baixo e uma superfície plana.
A fim de impedir que o eletrólito de um primeiro segmento depilha 22 (vide, por exemplo, o eletrólito 11a do segmento de pilha 22a daFigura 6A) seja combinado com o eletrólito de outro segmento de pilha 22(vide, por exemplo, o eletrólito 11b do segmento de pilha 22b da figura 6A),as gaxetas são preferivelmente empilhadas com as camadas de eletrólito 10entre unidades de eletrodo adjacentes para vedar o eletrólito dentro de seusegmento de pilha específico 22. Em uma disposição adequada, conformemostrado nas Figuras 3-4A, a bateria bipolar da invenção pode incluir umagaxeta 60 posicionada como um laço contínuo em torno da camada de ele-trólito 10 e das camadas de eletrodo de material ativo 4, 8, 14 e 38 de cadasegmento de pilha 22 para vedar o eletrólito entre a gaxeta e as unidades deeletrodo desse segmento (isto é, as BPUs ou a BPU e a MPU adjacentes aessa gaxeta) e para manter as aberturas apropriadas entre os substratoscondutivos adjacentes 6/16/32 desse segmento.
Conforme será descrito em maiores detalhes abaixo, em umaabordagem adequada, pode ser aplicada pressão ao topo e ao fundo do es-tojo 40 na direção das setas P1 e P2 para comprimir e deter os segmentosde pilha 22 e as gaxetas 60 na configuração vedada mostrada nas Figuras3-4A. Em outra abordagem adequada, pode ser aplicada pressão aos ladosdo estojo 40 na direção das setas P3 e P4 para comprimir e reter os seg-mentos de pilha 22 e as gaxetas 60 na configuração vedada mostrada nasFiguras 3-4A. Em ainda outra abordagem adequada, pode ser aplicadapressão ao topo e ao fundo do estojo 40 na direção das setas P1 e P2, po-dendo também ser aplicada pressão aos lados do estojo 40 na direção dassetas P3 e P4 para comprimir e reter os segmentos de pilha 22 e as gaxetas60 na configuração vedada mostrada nas Figuras 3-4A. Tal bateria bipolar50 pode incluir múltiplos segmentos de pilha 22 empilhados e conectadosem série, conforme mostrado na Figura 5, para prover a tensão desejada.
Com referência agora à Figura 6, é mostrada uma vista explodi-da de dois segmentos de pilha específicos 22 da bateria 50 da invenção. Osegmento de pilha 22a inclui o substrato 36 e a camada de eletrodo negativa38 da MPU 32, a camada de eletrólito 10a, bem como a camada de eletrodopositiva 4a e o substrato 6a da BPU 2a. O segmento de pilha 22b inclui osubstrato 6a e a camada de eletrodo negativa 8a da BPU 2a, a camada deeletrólito 10b, bem como a camada de eletrodo positiva 4b e o substrato 6bda BPU 2b. Conforme descrito acima, cada camada de eletrólito 10 podeincluir um separador 9 e um eletrólito 11. Uma gaxeta 60 pode ser providacomo um laço contínuo em torno da camada de eletrólito 10 de cada seg-mento de pilha 22 de tal modo que o separador 9 e o eletrólito 11 dessesegmento fiquem completamente vedados dentro do espaço definido pelagaxeta 60 e pelos substratos adjacentes desse segmento de pilha específico.
Conforme mostrado nas Figuras 6 e 7, a gaxeta 60a circunda acamada de eletrólito 10a de tal modo que seu separador 9a e o eletrólito 11afiquem completamente vedados dentro do espaço definido pela gaxeta 60a,pelo substrato 36 e pelo substrato 6a do segmento de pilha 22a. Do mesmomodo, conforme mostrado nas Figuras 6 e 8, a gaxeta 60b circunda a cama-da de eletrólito 10b de tal modo que seu separador 9b e o eletrólito 11b se-jam completamente vedados dentro do espaço definido pela gaxeta 60b,pelo substrato 6a, e pelo substrato 6b do segmento de pilha 22b. Além disso,cada gaxeta pode formar uma vedação com as camadas de material ativo deseu segmento de pilha através do contato com seus lados (vide, por exem-plo, a gaxeta 60a e os lados das camadas de material ativo 38 e 4a).
Em uma concretização adequada, a fim de criar uma melhor ve-dação, as áreas de superfície da gaxeta e seus substratos adjacentes queestão em contato mútuo podem ser chanfrados. Conforme mostrado nasFiguras 6-9, as ranhuras 70 podem ser formadas ao longo das áreas de su-perfície das gaxetas e dos substratos em seu ponto de contato mútuo, au-mentando assim o tamanho da área de contato e criando um percurso demaior resistência para qualquer fluido que tente romper a vedação criadaentre a gaxeta e o substrato. A área de seção transversal da ranhura 70 en-tre as superfícies da gaxeta e do substrato específico pode ser de qualquerforma adequada, tal como senoidal (vide, por exemplo, a ranhura 70a naFigura 6), na forma de V (vide, por exemplo, a ranhura 70b na Figura 6), ouretangular (vide, por exemplo, a ranhura 70c na Figura 6), por exemplo. A-lém disso, O percurso da ranhura 70 em torno do substrato específico de seusegmento de pilha pode ser de qualquer desenho adequado, tal como liso oucontínuo (vide, por exemplo, a ranhura 70a na Figura 7), denteado e contí-nuo (vide, por exemplo, a ranhura 70b na Figura 8), ou não-contínuo (vide,por exemplo, a ranhura 7c da Figura 9), por exemplo. As formas e os tama-nhos das ranhuras providas entre as gaxetas e os substratos descritos aquisão apenas exemplificativos, e quaisquer vários tamanhos e formas podemser usados para criar tais ranhuras. Ademais, nenhuma ranhura poderá serprovida entre as gaxetas e os substratos de acordo com certas concretiza-ções da presente invenção.
Os substratos usados para formar as unidades de eletrodo dainvenção (por exemplo, os substratos 6, 16 e 36) podem ser formados dequalquer material impermeável e condutivo adequado, tal como uma folha demetal não-perfurada. O substrato de cada BPU pode estar tipicamente entre1 e 5 milímetros de espessura, enquanto que o substrato de cada MPU podeestar entre 5 e 10 milímetros de espessura e atuar como terminais para abateria, por exemplo. Cada substrato pode ser formado de folha de alumínio,folha de aço inoxidável, material de revestimento compreendendo níquel ealumínio, material de revestimento compreendendo cobre e alumínio, açorevestido de níquel, cobre revestido de níquel, alumínio revestido de níquel,ouro, prata, ou qualquer combinação adequada dos mesmos, por exemplo.Cada substrato pode ser formado de duas ou mais folhas de folhas de metaladeridas entre si, em certas concretizações.
As camadas de eletrodo positivas providas nestes substratospara formar unidades de eletrodo da invenção (por exemplo, as camadas deeletrodo positivas 4 e 14) podem ser formadas de qualquer material ativoadequado, tal como hidróxido de níquel (Ni(OH)2), por exemplo. O materialativo positivo pode ser sinterizado e impregnado, revestido com um agluti-nante aquoso e pressionado, revestido com um aglutinante orgânico e pres-sionado, ou contido por qualquer outro método adequado de conter Ni (O-H0)2 com outros produtos químicos de suporte em uma matriz condutiva. Acamada de eletrodo positiva da unidade de eletrodo pode ter partículas dehidreto de metal (MH) infundidas dentro da matriz de Ni(OH)2 para reduzir adilatação, o que aumenta a vida útil, para aperfeiçoar a recombinação, e pa-ra reduzir a pressão dentro do segmento de pilha. O MH pode também estarem uma ligação de pasta de Ni(OH)2 para aperfeiçoar a condutividade elétri-ca dentro dó eletrodo e suportar a recombinação. Outros produtos químicospoderiam sér substituídos por MH, tal como Pd ou Ag, por exemplo.
As camadas de eletrodo negativas providas nestes substratospara formar as unidades de eletrodo da invenção (por exemplo, camadas deeletrodo negativas 8 e 38) podem ser formadas de qualquer material ativoadequado, tal como hidreto de metal (MH), Cd, Zn e Ag, por exemplo. O ma-terial ativo negativo pode ser sinterizado, revestido com um aglutinante a-quoso e pressionado, revestido com um aglutinante orgânico e pressionado,ou contido por qualquer outro método adequado de conter MH com outrosprodutos químicos de suporte em uma matriz condutiva. O lado do eletrodoMH pode apresentar Ni (OH)2 infundido dentro da matriz MH para estabilizara estrutura, reduzir a oxidação, e prolongar a vida útil. Outros produtos quí-micos poderiam ser substituídos por Ni (OH)2, tal como Zn ou Al, por exemplo.
Vários aglutinantes adequados, tais como aglutinante CMC, bor-racha Creyton, e PTFE (Teflon), por exemplo, poderão ser misturados comas camadas de material ativo para reter as camadas em seus substratos.
O separador 9 de cada camada de eletrólito 10 da bateria bipolarda invenção pode ser formado de qualquer material adequado que eletrica-mente isola suas duas unidades de eletrodo adjacentes enquanto permite atransferência iônica entre essas unidades de eletrodo. O separador podeconter superabsorventes de celulose para aperfeiçoar o enchimento e atuarcomo um reservatório de eletrólito para aumentar a vida útil, onde o separa-dor pode ser formado de um material de fralda poliabsorvente, por exemplo,por meio do qual o separado poderia preferivelmente liberar o eletrólito ante-riormente absorvido quando a carga fosse aplicada à bateria. Em certasconcretizações, o separador pode ser de uma densidade inferior e maisgrosso do que as pilhas normais de modo que o Espaçamento Entre Eletro-dos (IES) possa começar maior do que o normal e ser continuamente redu-zido para manter a taxa Cea capacidade da bateria além de sua vida, bemcomo a prolongar a vida da bateria.
O separador pode ser um material mais fino do que o normalligado à superfície do material ativo das unidades de eletrodo para reduzir oencurtamento e aperfeiçoar a recombinação. Este material separador pode-ria ser borrifado, revestido, pressionado, por exemplo. O separador pode terum agente de recombinação conectado ao mesmo, em certas concretiza-ções. Este agente poderia ser infundido dentro da estrutura do separador(isto poderia ser feito com o aprisionamento físico do agente em um proces-so a úmido usando um PVA para levar o agente às fibras do separador, ou oagente poderia ser colocado aí por eletrodeposição, por exemplo) ou poderiaser disposto em camadas sobre a superfície por deposição a vapor. O mate-rial poderia ser Pb, Ag, ou qualquer outro agente que efetivamente sustentea recombinação. Enquanto o separador preferivelmente apresenta uma re-sistência, se os substratos se moverem um na direção do outro, um separa-dor não poderá ser provido em certas concretizações da invenção que utili-zam os substratos que são rígidos o suficiente para não serem deflexionados.
O eletrólito 11 de cada camada de eletrólito 10 da bateria bipolarda invenção pode ser formado de qualquer composto químico adequado queseja ionizado quando dissolvido ou fundido para produzir um meio eletrica-mente condutivo. O eletrólito é preferivelmente um eletrólito NiMH padrãocontendo hidróxido de lítio (LiOH), hidróxido de sódio (NaOH), hidróxido decálcio (CaOH), ou hidróxido de potássio (KOH), por exemplo. O eletrólitopode também conter aditivos para aperfeiçoar a recombinação, tal comoAg(0H)2, por exemplo. O eletrólito pode também conter RbOH, por exemplo,para aperfeiçoar o desempenho de baixa temperatura. Em algumas concre-tizações da invenção, o eletrólito (por exemplo, o eletrólito 11) pode ser con-gelado dentro do separador (por exemplo, o separador 9) e então desconge-lado depois de a bateria estar completamente montada. Isto permite que ele-trólitos particularmente viscosos sejam inseridos na pilha de unidade de ele-trodo da bateria bipolar antes que as gaxetas tenham formado vedaçõessubstancialmente estanques ao fluido com os substratos adjacentes àsmesmas.
As gaxetas 60 da bateria bipolar da invenção podem ser forma-das de qualquer material adequado ou de uma combinação de materiais quepossa efetivamente vedar um eletrólito dentro do espaço definido pela gaxe-ta e pelos substratos adjacentes à mesma. Em certas concretizações, a ga-xeta poderia ser formada a partir de um laço de vedação sólido, tal comonáilon, polipropileno, cell gard, borracha, PVA1 ou qualquer outro materialnão-condutivo, ou uma combinação dos mesmos, por exemplo. Este anel devedação pode ser compressível para aperfeiçoar a vedação. A compressãopode ser preferivelmente de cerca de 5%, embora uma certa elasticidadeseja necessária para assegurar uma boa vedação.
Alternativamente, as gaxetas podem ser formadas de uma pastaviscosa, tal como epóxi, breu de alcatrão, ou cola impermeável a KOH, porexemplo. Em ainda outras concretizações, as gaxetas utilizadas na bateriabipolar desta invenção podem ser formadas por uma combinação de um laçode vedação sólido e uma pasta viscosa usada para aperfeiçoar a vedaçãoentre a gaxeta e os substratos da unidade de eletrodo adjacentes à mesma.
Alternativamente, os próprios substratos poderiam ser tratados com pastasviscosas antes que as gaxetas fossem empilhadas entre os mesmos.
Conforme mencionado acima, um benefício de se utilizar um de-senho de bateria bipolar é a maior taxa de descarga da bateria. Esta taxa dedescarga maior permite o uso de certos eletrólitos menos corrosivos (porexemplo, através da remoção ou da redução do componente KOH do eletró-lito), o que de outra maneira não poderia ser praticável nos desenhos de ba-teria primástica ou enrolada. Esta tolerância provida pelo desenho bipolarpara usar eletrólitos menos corrosivos permite que certos epóxis (por exem-plo, epóxi de Solda J-B, que não apresenta nenhum eletrólito KOH) sejamutilizados quando da formação de uma vedação com as gaxetas que de ou-tro modo seriam corroídas pelos eletrólitos mais corrosivos.
Conforme descrito acima, o topo e o fundo de cada gaxeta podeser chanfrado para se ajustar contra uma ranhura recíproca em seu substra-to adjacente. Além disso, cada gaxeta pode ser formada em sua borda ex-terna de tal modo que se ajuste sobre a borda externa de seu substrato ad-jacente quando colocada na pilha (vide, por exemplo, a gaxeta 60a com re-lação ao substrato 6a nas Figuras 6 e 8).
O estojo ou o invólucro 40 da bateria bipolar da invenção podeser formado de qualquer material não-condutivo adequado que vede as uni-dades de eletrodo terminais (isto é, as MPUs 12 e 32) para expor suas ca-madas de eletrodo condutivas (isto é, camadas 4 e 38) ou seus fios associa-dos (isto é, os fios 13 e 33). O invólucro também sustenta e mantém preferi-velmente as vedações entre as gaxetas e os substratos de unidade de ele-trodo adjacentes às mesmas para isolar os eletrólitos dentro de seus respec-tivos segmentos de pilha. O invólucro dá preferivelmente o suporte exigidopara estas vedações de tal modo que elas possam resistir à expansão dabateria à medida que aumentam as pressões internas nos segmentos depilha. O invólucro pode ser formado de náilon ou de qualquer outro polímeroou material elástico, incluindo compostos reforçados, ou material de invólu-cro encolhível, ou de um material provido de cristas, tal como aço revestidode esmalte ou qualquer outro metal, por exemplo.
Com referência continuada à Figura 3, a bateria bipolar 50 dainvenção inclui uma pluralidade de segmentos de pilha (por exemplo, seg-mentos de pilha 22a-22e) formada pelas MPUs 12 e 32, a pilha de BPUs(por exemplo, as BPUs 2a-2d) sendo provida entre eles. De acordo com cer-tas concretizações da invenção, âs espessuras e os materiais de cada umdos substratos (por exemplo, os substratos, 6a-6d), das camadas de eletro-do (por exemplo, as camadas positivas 4a-d e 14 e as camadas negativas8a-8d e 38), das camadas de eletrólito (por exemplo, camadas 10a-10e), edas gaxetas (por exemplo, as gaxetas 60a-60e) podem diferir entre si, nãoapenas do segmento de pilha para segmento de pilha, mas também dentrode um segmento de pilha específico, criando assim baterias com um exces-so de benefícios e características de desempenho diferentes.
Por exemplo, o substrato 6a da BPU 2a pode ser revestido comuma variedade de materiais ativos ao longo de diferentes porções dos mes-mos para formar camada positiva de eletrodo de material ativo 4a, conformemostrado, por exemplo, na Figura 4A pela porção extrema 4a1, pela porçãointermediária 4a", e pela porção mais interna 4a'". Cada uma das porções4a'-4a'" pode ser formada por um material ativo diferente e/ou pode ter umaespessura diferente, por exemplo.
Adicionalmente, além de variar os materiais e as espessurasdentro de um substrato específico, a camada de eletrodo, a camada de ele-trólito, ou a gaxeta, conforme descrito acima com relação ao substrato 6a naFigura 4A, os materiais e as espessuras dos substratos, das camadas deeletrodo, das camadas de eletrólito e das gaxetas podem variar ao longo daaltura da pilha de segmentos de pilha. Como um exemplo, o eletrólito usadoem cada das camadas de eletrólito ou bateria 50 pode variar com base emquão próximo está seu respectivo segmento de pilha do meio da pilha desegmentos de pilha. Por exemplo, cada segmento de pilha 22c (isto é, osegmento de pilha intermediário dos cinco (5) segmentos 22 na bateria 50)pode incluir uma camada de eletrólito (isto é, a camada de eletrólito 10c) queé formada de um primeiro eletrólito, enquanto os segmentos de pilha 22b e22d (isto é, os segmentos de pilha adjacentes aos segmentos de pilha termi-nais na bateria 50) podem incluir camadas de eletrólito (isto é, camadas deeletrólito 10b e 10d, respectivamente) que são formadas de um segundo ele-trólito, enquanto os segmentos de pilha 22a e 22 (isto é, os segmentos depilha extremos na bateria 50) podem incluir as camadas de eletrólito (isto é,as camadas de eletrólito 10a e 10e, respectivamente) que são formadas deum terceiro eletrólito. Com o uso de eletrólitos de condutividade mais eleva-da nas pilhas internas, a resistência poderia ser inferior de tal modo que ocalor gerado fosse menor, provendo assim o controle térmico da bateria pelodesenho em vez dos métodos de resfriamento externo.
Conforme mencionado acima, um método de produzir a bateriabipolar desta invenção pode geralmente incluir as etapas de prover umaMPU e de empilhar uma ou mais BPUs na mesma com as camadas de ele-trólito e as gaxetas entre elas, antes de finalmente finalizar a pilha com outraMPU de polaridade oposta. Por exemplo, com relação às Figuras 10 e 11,uma MPU negativa 1032 pode ser inicialmente provida com um substratocondutivo impermeável 1036 e uma camada negativa de eletrodo de materialativo 1038 revestida no mesmo. O substrato 1036 é preferivelmente providocom uma ranhura 1070 pelo menos parcialmente em torno da camada nega-tiva 1038.
A seguir, uma gaxeta 1060 é preferivelmente empilhada sobre osubstrato 1036 em torno da camada de eletrodo 1038 (vide, por exemplo, asFiguras 12 e 13). Uma ranhura 1061 é preferivelmente chanfrada no lado dagaxeta 1060 que entra em contato com o substrato 1036, de tal modo que asranhuras 1070 e 1061 fiquem alinhadas para criarem uma área de superfíciede contato contínua entre a gaxeta e o substrato. Estas ranhuras recíprocasajudam no auto-alinhamento da gaxeta com relação à MPU à medida queela é empilhada na mesma, simplificando assim esta etapa de produção.Uma vez que a gaxeta 1060 foi empilhada firmemente no topo da MPU1032, um receptáculo na forma de copo substancialmente estanque ao fluido(vide, por exemplo, o espaço 1080) é assim definido pelas paredes lateraisinternas da gaxeta e as porções da unidade de eletrodo entre as mesmas(por exemplo, o ângulo 1078 entre as paredes laterais internas da gaxeta1060 e a porções da MPU 1032 entre as mesmas na Figura 13) podem terqualquer ângulo adequado, incluindo ângulos retos, ângulos obtusos, ou ân-gulos agudos.
A seguir, um separador 1009 e um eletrólito 1011 podem serdepositados dentro das paredes internas da gaxeta 1060 no topo da camadade eletrodo negativa 1038 para definir uma camada de eletrólito 1010 dentrodo espaço 1080 (vide, por exemplo, as Figuras 14 e 15). Quando o eletrólitoa ser usado for um tanto viscoso, a vedação criada entre a gaxeta e a MPUpermitirá que o eletrólito seja facilmente injetado no espaço 1080 sem chan-ce de vazamento. Deve ser entendido que se o eletrólito não é viscoso coma inserção na pilha (por exemplo, na concretização onde o eletrólito é conge-lado dentro do separador), a camada de eletrólito poderá ser empilhada so-bre a MPU antes que a gaxeta seja ajustada na mesma.
Uma vez que o separador 1009 e o eletrólito 1011 da camada deeletrólito 1010 tenham sido depositados dentro do espaço 1080 definido pelagaxeta 1060 e pela MPU 1032, uma primeira BPU 1102 poderá ser entãoempilhada (vide, por exemplo, as Figuras 16 e 17). Conforme mostrado naFiugra 16, a BPU 1102 inclui um substrato condutivo impermeável 1106 a -presentandó uma camada de eletrodo positiva 1104 e uma camada de ele-trodo negativa 1108 revestidas nos lados opostos do mesmo. O substrato1106 é preferivelmente provido com uma ranhura 1172 em um de seus ladospelo menos parcialmente em torno da camada de eletrodo positiva 1104.
Com a camada de eletrodo positiva 1104 da BPU 1102 virada para baixo nadireção da camada de eletrodo negativa 1038 da MPU 1032, a BPU 1102 éempilhada sobre a gaxeta 1060, de tal modo que a ranhura 1162 provida notopo da gaxeta 1060 e a ranhura 1172 do substrato 1106 se alinhem e criemuma área de superfície de contato contínua entre a gaxeta e o substrato.
Estas ranhuras recíprocas ajudam no auto-alinhamento da BPU com relaçãoà gaxeta, e, portanto, à MPU, à medida que ela é assim empilhada, simplifi-cando assim esta etapa de produção. Uma vez que a BPU 1102 tenha sidofirmemente empilhada no topo da gaxeta 1060, e, portanto, na MPU 1032, éprovido um primeiro segmento de pilha 1022. Ademais, uma vedação subs-tancialmente estanque ao fluido é assim definida pelo substrato 1106, pelosubstrato 103, e pela gaxeta 1060 em torno da camada de eletrólito 1010 (e,portanto, do eletrólito 1011).
Deve ser notado que, enquanto a ranhura 1062 no topo da gaxe-ta 1060 (e, portanto, a ranhura 1172, no fundo do substrato 1106) pode serdo mesmo tamanho, forma e configuração (tanto em seção transversal comoem torno dos eletrodos) que a ranhura 1061 no fundo da gaxeta 1060, asranhuras no topo e no fundo da gaxeta podem ser diferentes entre si, con-forme mostrado na Figura 16, por exemplo. Similarmente, as ranhuras provi-das no topo e no fundo de cada substrato das unidades de eletrodo podemvariar entre si (vide, por exemplo, as ranhuras 1172 e 1170 da BPU 1102 naFigura 16).
Uma vez que este primeiro segmento de pilha 1022 tenha sidocriado com o empilhamento da gaxeta 1060, da camada de eletrólito 1010, eda BPU 1102 no topo da MPU 1032, conforme descrito acima com relaçãoàs Figuras 10-17, BPUs adicionais podem ser empilhadas aí de maneira si-milar, caso desejado. Uma vez que a quantidade desejada de BPUs tenhasido empilhada para a bateria bipolar, uma segunda MPU terá sido empilha-da aí. Com referência à Figura 18, uma MPU 1012 pode ser empilhada notopo da BPU mais acima (nesta concretização, apenas uma BPU foi provida,de modo que a BPU 1012 seja aquela BPU mais acima). Contudo, antes dea MPU 1012 ser empilhada sobre a BPU 1102, podem ser providas uma ga-xeta adicional (isto é, a gaxeta 1160 com ranhura inferior 1161 e ranhurasuperior 1162) e a camada de eletrólito (isto é, a camada de eletrólito 1110com separador 1109 e eletrólito 1111), conforme descrito acima com relaçãoà gaxeta 1060 e à camada de eletrólito 1010.
A MPU positiva 1012 é preferivelmente provida com um substra-to condutivo impermeável 1016 e uma camada positiva de eletrodo de mate-rial ativo 1014 revestida aí. O substrato 1016 é preferivelmente provido comuma ranhura 1072 pelo menos parcialmente em torno da camada positiva1014. Com a camada de eletrodo positiva 1014 da MPU 1012 virada parabaixo na direção da camada de eletrodo negativa 1108 da BPU 1102, a MPU1012 é empilhada sobre a gaxeta 1160, de tal modo que a ranhura 1162provida no topo da gaxeta 1160 e a ranhura 1072 do substrato 1016 fiquemalinhadas e criem uma área de superfície de contato contínua entre a gaxetae o substrato. Estas ranhuras recíprocas ajudam no auto-alinhamento daMPU positiva 1012 com relação à gaxeta 1160, e, portanto, da BPU 1102, e,portanto, da gaxeta 1060, e, portanto, da MPU negativa 1032, na medida emque ela é empilhada aí. Esta característica de auto-alinhamento da bateriabipolar da invenção significativamente simplifica esta etapa de produção.Uma vez que a MPU 1012 tenha sido firmemente empilhada sobre o topo dagaxeta 1160, e, portanto, da BPU 1102, é provido um segundo segmento depilha (isto é, o segmento 1122). Além disso, uma vedação substancialmenteestanque ao fluido é assim definida pelo substrato 1016, pelo substrato 1106e pela gaxeta 1160 em torno da camada de eletrólito 1110 (e, portanto, doeletrólito 1111).
Uma vez que a pilha é fabricada para incluir uma MPU positiva,uma MPU negativa, pelo menos uma BPU entre elas, e uma gaxeta e umacamada de eletrólito entre cada das unidades de eletrodo, formando assimuma pilha de segmentos de pilha, conforme descrito acima com relação àsFiguras 10-18, um estojo ou invólucro poderá ser provido para vedar os con-teúdos da pilha para formar uma bateria bipolar funcional da invenção. Emuma primeira concretização, conforme mostrada nas Figuras 19 e 20, uminvólucro preferivelmente rígido 1040 é provido em torno da pilha de seg-mentos de pilha (isto é, segmentos de pilha 1022 e 1122), de modo que ascamadas de eletrodo terminais (isto é, camada de eletrodo positiva 1014 ecamada de eletrodo negativa 1038) fiquem expostas (através de substratoscondutivos 1016 e 1036, respectivamente), de tal modo que uma disposiçãode fixação na forma de C seja provida pelo invólucro em torno dos conteú-dos da pilha para prover uma bateria bipolar 1050. A pressão é exercida peloinvólucro tanto descendentemente sobre o substrato 1016 da MPU 1012 nadireção das setas Pd bem como ascendentemente sobre o substrato 1036da MPU 1032 na direção das setas Pu- Esta pressão preferivelmente man-tém a relação vedada entre cada gaxeta e os substratos adjacentes à mes-ma na pilha para criar barreiras substancialmente estanques ao fluido emtorno de cada camada de eletrólito. Deve ser notado que a união de ranhu-ras formadas nas gaxetas e seus substratos adjacentes, conforme descritoacima de acordo com certas concretizações da invenção, diminui o grau depressão de fixação exigido a ser exercido na direção da seta P0 e Pu a fimde criar as vedações substancialmente estanques ao fluido.
Em outra concretização, conforme mostrado nas Figuras 21 e22, um invólucro 1040', preferivelmente formado de um envoltório de veda-ção, de um envoltório encolhível, de uma fita de vedação, ou de qualqueroutro material deformável adequado, é provido em torno da pilha de seg-mentos de pilha (isto é, os segmentos de pilha 1022 e 1122), de tal modoque as camadas de eletrodo terminais (isto é, a camada de eletrodo positiva1014 e a camada de eletrodo negativa 1038) fiquem expostas (através desubstratos condutivos 1016 e 1036, respectivamente), e de modo que umadisposição de fixação unicamente de borda externa seja provida com o en-volvimento do invólucro em torno dos conteúdos da pilha para prover umabateria bipolar 1050'. A pilha de segmentos de pilha, na medida em que en-volta pelo invólucro 1040', é preferivelmente colocada dentro de um recipien-te rígido 1060' cuja área em seção transversal é similar na forma, mas umtanto maior do que aquela da pilha envolta. Uma vez que a pilha envolta écolocada dentro do recipiente rígido 1060', qualquer fluido adequado 1070'que se expandirá quando sob pressão, tal como ar, água ou espuma, porexemplo, será enchido no recipiente 1060' em torno do invólucro 1040'. Orecipiente pode ser então vedado e seu fluido encerrado 1070' pode serpressurizado de tal modo a se expandir para prover pressão interna em tor-no de toda a área de superfície do invólucro 1040' na direção das setas Pspara firmar o invólucro 1040' em torno da pilha de segmentos de pilha. Estapressão mantém a relação vedada entre cada gaxeta e os substratos adja-centes à mesma na pilha para criar barreiras substancialmente estanques aofluido em torno de cada camada de eletrólito de bateria 1050', que pode sersubseqüentemente removida do recipiente 1060'.
Embora cada das concretizações descritas e ilustradas da bate-ria bipolar mostrem uma bateria formada pelo empilhamento de substratosque são enrolados em uma bateria cilíndrica, deve ser notado que qualquerforma de uma ampla variedade de formas pode ser utilizada para formar ossubstratos da bateria bipolar da invenção. Por exemplo, a bateria bipolar dainvenção pode ser formada com o empilhamento de substratos com áreasem seção transversal que são retangulares, triangulares, hexagonais, ou dequalquer outra forma imaginável, incluindo aquelas com um ou mais espaçosdentro de um plano, tal como a "figura-8" (vide, por exemplo, a bateria 2050,apresentando o invólucro 2040', a BPU 2102, e as MPUs 2012 e 2032, nasFiguras 23 e 24), por exemplo.
Portanto, é visto que uma bateria bipolar foi provida com umaunidade de eletrodo positiva, uma unidade de eletrodo negativa, pelo menosuma unidade de eletro bipolar empilhada entre as mesmas, uma camada deeletrólito que separa cada unidade de eletrodo adjacente, e uma gaxeta po-sicionada em torno de cada camada de eletrólito para criar uma vedação emtorno da camada de eletrólito em conjunção com as unidades de eletrodoadjacentes à mesma. Deve ser notado que os materiais, formas e tamanhosdas unidades de eletrodo, camadas de eletrólito, e gaxetas descritas acimasão apenas exemplificativas. Aquele versado na técnica irá apreciar que ainvenção pode ser praticada por outra concretização que não as concretiza-ções descritas, que são apresentadas para fins de ilustração e não de Iimita-ção, e que a invenção é limitada apenas pelas reivindicações, a seguir.

Claims (2)

1. Bateria bipolar que compreende:uma unidade de eletrodo monopolar positiva;uma unidade de eletrodo monopolar negativa;pelo menos uma unidade de eletrodo bipolar empilhada entre adita unidade de eletrodo positiva e a dita unidade de eletrodo negativa;uma camada de eletrólito provida entre cada par de unidades deeletrodo adjacentes; euma gaxeta posicionada em torno de cada das ditas camadas deeletrólito, onde cada das ditas camadas de eletrólito é vedada por sua res-pectiva gaxeta e seu respectivo par de unidades de eletrodo adjacentes.
2. Bateria bipolar que compreende:uma unidade monopolar positiva (MPU) apresentando um mate-rial ativo positivo em uma camada de eletrodo terminal positiva;uma MPU negativa apresentando um material ativo negativo emuma camada de eletrodo terminal negativa;pelo menos uma unidade bipolar (BPU) disposta substancial-mente na vertical em uma pilha entre a dita MPU positiva e a dita MPU nega-tiva, cada BPU compreendendo:uma camada de eletrodo bipolar apresentando dois lados,um material ativo positivo em um primeiro lado da camada deeletrodo bipolar, eum material ativo negativo em um segundo lado da camada deeletrodo bipolar;uma camada de eletrólito compreendendo um material de eletró-lito posicionado entre cada das ditas unidades polares adjacentes substanci-almente na vertical, onde a camada de eletrólito adicionalmente compreendeum material de barreira que eletricamente isola as camadas de eletrodo dasunidades polares adjacentes entre as quais é posicionada a camada de ele-trólito; eum anel de vedação posicionado substancialmente em torno decada camada de eletrólito, onde as unidades polares, as camadas de eletro-lito, e os anéis de vedação são dispostos em uma estrutura empilhada naqual a MPU positiva é posicionada em uma extremidade da estrutura e aMPU negativa é posicionada na extremidade oposta da estrutura, e ondeuma força de sujeição é exercida sobre a estrutura empilhada para fazercom que os anéis de vedação fiquem posicionados substancialmente emtorno das camadas de eletrólito, o material ativo positivo de pelo menos umaunidade polar, e o material ativo negativo de uma unidade polar adjacente,fazendo com que o material de eletrólito seja vedado.
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