ES2201357T3 - Respiradero de seguridad para acumulador o pila. - Google Patents
Respiradero de seguridad para acumulador o pila.Info
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Abstract
RESPIRADERO DE SEGURIDAD PARA BATERIA, SENSIBLE A UNA ELEVACION ANORMAL DE LA TEMPERATURA, POR UNA TAPA SEPARADA DE LOS MATERIALES ACTIVOS POR UN ELEMENTO AISLANTE (21) QUE SOPORTA DOS CONTACTOS (7, 8) CONECTADOS ELECTRICAMENTE A LOS ELECTRODOS MEDIANTE CONEXIONES (5,6), EN EL QUE AL MENOS UNO DE LOS CONTACTOS (7,8) ESTA FORMADO AL MENOS PARCIALMENTE POR UNA VARILLA METALICA RIGIDA (30), MONTADA CON UN JUEGO ANULAR (18) EN UN TUBO (11) EN EL QUE UNA PARTE (11A) DE MENOR DIAMETRO (11) ATRAVIESA EL ELEMENTO AISLANTE (21) Y LA TAPA (4), Y EN EL QUE UNA PARTE (11B) DE MAYOR DIAMETRO SE APOYA EN LA CARA INTERNA (21A) DEL ELEMENTO AISLANTE (21), TENIENDO SU OTRO EXTREMO (13) ENGARZADO CONTRA LA CARA EXTERNA (14B) DE LA TAPA (4) Y PORQUE EL JUEGO (18) FORMADO ENTRE EL TUBO (11) Y LA VARILLA (30) ESTA OBTURADO POR UNA COMPOSICION TERMOFUSIBLE.
Description
Respiradero de seguridad para acumulador o
pila.
La presente invención concierne un respiradero de
seguridad para acumulador o pila, sensible a una elevación anormal
de la temperatura. La invención concierne especialmente
acumuladores o pilas de tipo litio-ion.
Con la expansión de los aparatos portátiles que
exigen una gran densidad de energía, como los teléfonos móviles,
las cámaras de vídeo u otros aparatos electrónicos, se han intentado
desarrollar acumuladores o pilas, en adelante denominados con el
término genérico de "batería", cuya fuente de energía puede
ser recargable o no, que tengan, entre otras características
deseables, una gran densidad de energía y que presenten, con un
coste lo menos elevado posible, las garantías necesarias desde el
punto de vista de la seguridad de empleo, tanto con respecto al
usuario como a los circuitos electrónicos contiguos. Durante las
últimas décadas, las baterías de tipo litio-ion,
con forma de barra, botón o prisma, han experimentado un gran
desarrollo en lo que se refiere a su aptitud para proporcionar una
gran densidad de energía. El perfeccionamiento de este tipo de
baterías tanto en la elección de un par mejor con la intervención
del litio-ion como en los dispositivos destinados a
mejorar su seguridad de empleo. En efecto, cuando la batería se
encuentra en un circuito cerrado con una fuerte demanda de
corriente, durante la fase de carga de los acumuladores o durante
un mal funcionamiento debido a un uso incorrecto, por ejemplo un uso
o un almacenamiento a una temperatura demasiada elevada, las
reacciones químicas que se producen pueden provocar una
descomposición parcial del electrolito con una liberación gaseosa
que origina un aumento de la presión en el interior del contenedor
de la batería y una elevación de la temperatura, lo que puede
ocasionar una explosión, e incluso, una inflamación de dicha
batería. Para remediar este inconveniente, la mayor parte de las
baterías están provistas de un respiradero de seguridad que explota
dicha presión interna, o con más exactitud, que acciona dicho
respiradero más allá de un determinado umbral de presión. A título
de ejemplo, el documento EP0554535 divulga un respiradero en el que
la presión provoca la apertura de una válvula, que normalmente
permanece cerrada por la presión mecánica ejercida por una arandela
elástica. En el documento US4943497, el dispositivo descrito
consiste en provocar la ruptura de los medios de conexión entre los
contactos exteriores y el material activo que se encuentra en el
interior del contenedor de la batería.
Dichos dispositivos recurren a construcciones
mecánicas que presentan el inconveniente de incrementar el coste del
producto final.
Las baterías de litio-ion de
grandes dimensiones constan de diversos dispositivos destinados a
disipar el calor, como en el caso del dispositivo descrito en el
documento EP0620610, o a utilizarlo para fundir un tapón situado en
la pared del contenedor, como en el caso del dispositivo descrito
en el documento US4232796. Para las baterías de pequeñas dimensiones
destinadas a aparatos portátiles que incorporan circuitos
electrónicos frágiles, es comprensible que dicho circuito no sea
satisfactorio, ya que no es posible confinar el inevitable escape de
electrolito.
El objetivo de la presente invención consiste en
paliar los inconvenientes mencionados anteriormente, procurando
crear una batería que disponga de un respiradero de seguridad
alrededor de un contacto exterior, sin que por ello aumente el
coste del producto final.
Con este fin, la invención tiene por objeto un
respiradero de seguridad, sensible a una elevación anormal de la
temperatura, para una batería que consta de un contenedor metálico
en cuyo interior se encuentran materiales activos que forman
respectivamente el ánodo y el cátodo, estando dicho contenedor
obturado en su parte superior por un capot herméticamente sellado,
separado de los materiales activos mediante un elemento aislante y
que soporta dos contactos conectados electrónicamente con el ánodo y
el cátodo a través de medios de conexión, caracterizado porque,
como mínimo, uno de los contactos está formado, al menos
parcialmente, por una varilla metálica rígida, montada con un juego
anular en un tubo cuya parte de diámetro menor atraviesa el
elemento aislante y la tapa, y la parte de diámetro mayor se apoya
sobre la cara interna del elemento aislante, engastando su otra
extremidad contra la cara externa de la tapa, y porque el juego
formado entre el tubo y la varilla está obturado por una
composición termofusible.
Cuando la batería se utiliza en condiciones que
provocan un aumento de la temperatura y de la presión interna
presentando un riesgo de explosión e inflamación de los gases
acumulados, la composición termofusible se funde y permite la
liberación de los gases a través del paso preparado por el juego que
existe inicialmente entre la varilla y la parte del tubo de menor
diámetro. Según técnicas conocidas, el gas emitido puede confinarse
o pasivarse para suprimir cualquier riesgo de inflamación. El
respiradero de seguridad según la invención puede completarse
igualmente con dispositivos cortacircuitos cuando la demanda
energética sobrepasa un umbral crítico, tal como un circuito
electrónico integrado que prolonga un contacto y permite controlar
el estado de carga/descarga de la batería así como cualquier
solicitación anormal de energía susceptible de perjudicar la
seguridad de empleo. La composición termofusible está prevista para
fundirse y librar el paso cuando la temperatura alcanza de 100ºC a
150ºC, es decir, alrededor de 120ºC. Con este fin, pueden emplearse
mezclas eutécticas conocidas me metales seleccionados entre bismuto,
cadmio, estaño, indio y plomo.
El engastado del tubo sobre la tapa se efectúa
preferentemente interponiendo una arandela aislante entre la tapa y
la parte del tubo engastada, lo que permite aislar eléctricamente
el contacto exterior de la tapa, siempre y cuando se haya preparado
un espacio anular entre dicho capot y el tubo. Con el fin de
reforzar la estanqueidad de la batería cuando se utiliza en un
estado de funcionamiento normal, también puede ser ventajoso prever
una junta de estanqueidad situada en un compartimento preparado en
la tapa y que permita la compresión de dicha junta entre la tapa,
el elemento aislante y el tubo al efectuarse la operación de
engastado.
También es posible, y preferible desde el punto
de vista económico, realizar al mismo tiempo el aislamiento
eléctrico y la estanqueidad por medio de una sola pieza que sea, a
la vez, aislante y elástica. Esta pieza consta de una parte tubular
situada entre la tapa y el tubo que se apoya sobre el elemento
aislante por una de sus extremidades y que tiene su otra extremidad
prolongada por una extensión anular en forma de arandela.
La conexión eléctrica entre un contacto provisto
de un respiradero y un electrodo situado en el interior de la
batería puede efectuarse con dos conductores flexibles según las
técnicas conocidas.
Según dos modos de realización preferentes, la
varilla o el tubo pueden formar igualmente los medios de conexión
con los electrodos.
Según un primer modo de realización, el tubo está
limitado con un casquillo cuyo reborde forma un collarín que se
apoya sobre la cara interna del elemento aislante, prolongándose la
varilla de conexión en el interior de la batería más allá del
elemento aislante para soldarse sin contacto intermedio a los
electrodos.
Según un segundo modo de realización, la varilla
de conexión no se extiende más allá del elemento aislante y la
parte del tubo de mayor diámetro se prolonga en el interior de la
batería para soldarse a los electrodos. Para permitir una libre
circulación de los gases, el tubo está provisto de una apertura en
su parte de mayor diámetro próxima al reborde.
Según uno u otro medio de realización, las partes
de la varilla o del tubo que se extienden en el interior de la
batería son achatadas, al menos parcialmente, para facilitar la
soldadura de los electrodos en una producción en serie.
El respiradero de seguridad según la invención
puede utilizarse con todo tipo de baterías. Sin embargo, según un
modo de realización preferente, el elemento aislante sobre el que se
apoya el collarín del casquillo es el plato superior de una bobina
que soporta un arrollamiento de tipo "jelly roll", es
decir, un arrollamiento espiral no circular de bandas compuestas,
que contiene el ánodo y el cátodo. En este modo de realización, la
bobina también dispone de un plato inferior conectado al plato
superior a través de tres istmos que definen dos aperturas que
permiten alojar en la parte comprendida entre los dos platos las
porciones de varilla que forman los medios de conexión. La
invención concierne igualmente una batería provista de un
respiradero de seguridad según la invención, y en particular, una
batería prismática con bobina de arrollamiento tipo "jelly
roll".
Otras características y ventajas de la presente
invención figurarán en la descripción siguiente en referencia a las
ilustraciones anexas, en las que:
la figura 1 es una vista esquemática transversal
de un respiradero de seguridad según la invención,
la figura 2 es una vista transversal de una
primera variante de realización de un respiradero de seguridad
según la invención,
la figura 3 es una vista transversal de una
segunda variante de realización de un respiradero de seguridad
según la invención,
la figura 4 es una vista transversal de una
tercera variante de realización de un respiradero de seguridad
según la invención,
la figura 5 es una vista en perspectiva
despiezada de una batería prismática provista de un respiradero de
seguridad según la invención.
En la figura 1, se ha representado únicamente la
parte de la batería que contiene el respiradero de seguridad. La
parte superior corresponde a un capot 4 metálico que debe soldarse
en la apertura del contenedor 1 de la batería (no representado en
esta figura, pero sí en la figura 5). Debajo de dicho capot 4 está
situado un elemento aislante 21 que tiene sensiblemente la misma
superficie que la tapa 4, estando realizado dicho elemento aislante
preferentemente en un material plástico deformable. El elemento
aislante 21 y la tapa 4 son perforados haciendo un agujero destinado
a recibir un tubo 11 cuya parte de menor diámetro 11a atraviesa el
elemento aislante 21 y la tapa 4 y su parte de mayor diámetro 11b
está limitada con un collarín 12 que se apoya sobre la cara interna
21a del elemento aislante 21. La otra extremidad 13 del tubo 11 está
plegada mediante el engastado de la tapa contra la cara externa 4b.
El tubo 11 es atravesado por la extremidad de una varilla metálica
30 conectada directa o indirectamente a un electrodo de la batería.
La varilla 30 tiene un diámetro inferior al diámetro interior del
tubo 11 de forma que quede un juego anular 18 entre las paredes
internas del tubo 11 y el cuerpo de la varilla 30. Este juego anular
18 es obturado por el exterior con un cordón de una composición
termofusible 14 de tal modo que el contenedor de la batería
permanezca hermético en estado de funcionamiento normal. La
composición termofusible 14 es preferentemente una mezcla eutéctica
de metales seleccionados entre estaño, bismuto, plomo, cadmio e
indio, y cuyo punto de fusión está comprendido entre 100ºC y 150ºC.
Dichas composiciones están disponibles en el mercado, por ejemplo en
Metallwerke Goslar GmbH & Co. KG - Alemania. A título de
ejemplo, puede utilizarse una composición que contenga 27% de cadmio
y 73% de indio con un punto eutéctico de 123ºC.
En el ejemplo que acaba de describirse, se
aprecia, por una parte, que existe un puente eléctrico entre la
tapa 4 y la varilla 30, y por otra parte, que la estanqueidad de la
batería depende de un buen ajuste entre el diámetro del agujero
practicado a través de la tapa 4 y el diámetro exterior del tubo
11. Las variantes de construcción propuestas en las figuras 3 y 4
permiten suprimir el puente eléctrico y reforzar la
estanqueidad.
En la figura 2, se observa que la tapa 4 consta
de una abertura anular 16 abierta hacia el interior del contenedor
de la batería. Antes de colocar la tapa 4 y proceder a la operación
de engastado, se coloca alrededor del casquillo 11 una junta 17 con
una sección que garantice por compresión la estanqueidad entre la
tapa 4, el elemento aislante 21 y el cuerpo exterior del tubo. En
el modo de realización presentado en las figuras 2 y 3, se observará
igualmente que el collarín 12 puede tener forma de burlete,
comparable a la obtenida en la otra extremidad del casquillo
mediante engastado.
Tal como representa la figura 3, puede ser útil o
necesario que el contacto 7 formado por la extremidad de la varilla
30 esté totalmente aislado eléctrica de la tapa 4. Con este fin, la
tapa 4 presenta, con respecto al tubo 11, un juego anular 19, y
aislamiento eléctrico que obtiene mediante una arandela aislante 15
interpuesta entre la tapa 4 y el burlete de engastado 13. Se
observará igualmente que la abertura 16 formada en la tapa 4 para
recibir la junta tórica 17 tiene una forma troncónica, lo que
también contribuye a mejorar la estanqueidad de la batería. En la
figura 3, también se ha representado un circuito electrónico
integrado 40 que permite reforzar la seguridad de empleo controlando
el estado de carga/descarga, así como cualquier solicitación anormal
de energía que pueda provocar un aumento de la presión y/o de la
temperatura.
En los ejemplos que acaban de describirse
referentes a las figuras 1 a 3, se observa que el tubo 11 no se
extiende en el interior de la batería y puede ser asimilado a un
casquillo cuya extremidad situada en el exterior de la batería está
plegada mediante engastado contra la tapa 4. En un modo de
realización preferente, la varilla 30 se extiende, al contrario, en
el interior de la batería para formar un medio de conexión 5
(respectivamente 6), siendo preferentemente achatada en toda su
longitud, lo que se aprecia en la figura 5, con el fin de facilitar
la soldadura de los electrodos, por ejemplo, formada por bandas
compuestas de materiales activos.
Según el modo de realización representado en la
figura 4, se aprecia, por el contrario, que la varilla 30 tiene la
longitud justa necesaria para colocar un cordón de composición
termofusible 14. Por el contrario, la parte de mayor diámetro 11b se
extiende en el interior de la batería para formar un medio de
conexión 5 (respectivamente 6) y consta de un reborde que se apoya
contra la superficie interna 21a del elemento aislante 21. Como se
indica anteriormente, la parte del tubo 11b que se extiende en el
interior de la batería puede ser achatada para facilitar la
soldadura de los electrodos, dejando libre un paso 11c suficiente
para la evacuación de los gases desde la parte baja del tubo hacia
el juego anular 18.
El reborde 12, que se apoya sobre el elemento
aislante 21, puede proceder de la unión entre las dos partes de un
tubo inicialmente formado por una parte de menor diámetro 11a y una
parte de mayor diámetro 11b. También es posible utilizar un tubo
que tenga inicialmente un diámetro uniforme, correspondiente al
diámetro más pequeño, obteniéndose entonces el reborde 12 contra, al
menos, una parte de la abertura practicada en el elemento aislante
21 por la compresión del tubo que produce su ovalización. Se
observará que dicha ovalización puede ocasionar una deformación 21b
de la abertura practicada en el elemento aislante 21, deformación
posible teniendo en cuenta el material utilizado para dicho elemento
aislante 21. Se observa igualmente que la arandela aislante 15 y la
junta 17 forman una sola pieza, realizada en un material aislante y
elástico, al mimo tiempo, como el polipropileno, para garantizar a
la vez el aislamiento eléctrico y la estanqueidad. Entonces, la
junta 17 tiene forma tubular y se extiende sobre toda la longitud de
perforación de la tapa 4.
En la figura 5, se ha representado una batería en
forma de prisma con arrollamiento espiral no circular 2 de tipo
"jelly roll", esquemáticamente representada por el área
de puntos, cuyos dos contactos 7, 8 están provistos de un
respiradero de seguridad 9 del tipo de los que se han descrito
anteriormente. Dicha batería también puede estar provista de un
solo respiradero situado alrededor de uno de los dos contactos. El
arrollamiento espiral 2 se produce alrededor de una bobina rígida
20 de material aislante, por ejemplo plástico, que contiene un plato
inferior 22 conectado a un plato superior 21 mediante tres istmos
23, 24, 25 que delimitan las aberturas 26a, 26c que permiten alojar
las varillas de conexión 30 achatadas en su parte mediana para ser
soldadas a los electrodos 2a, 2c (no representadas) del
arrollamiento espiral 2. Como se puede observar, el plato superior
21 de la bobina 20 forma el elemento aislante contra el cual se
apoya el reborde del tubo de un respiradero de seguridad 9.
La concepción del respiradero de seguridad según
la invención asociado a una batería prismática del tipo que se ha
descrito anteriormente contribuye, al mismo tiempo, a aumentar la
seguridad de empleo y a reducir el coste de fabricación, y puede
adaptarse a distintos tipos de batería, sin salir del marco de la
presente invención.
Claims (12)
1. Respiradero de seguridad, sensible a una
elevación anormal de la temperatura, para una batería que consta de
un contenedor metálico (1) en cuyo interior se encuentran los
materiales activos que forman respectivamente el ánodo y el cátodo
de dicho contenedor (1), estando obturado en su parte superior por
un capot (4) herméticamente sellado, separado de los materiales
activos por un elemento aislante (21) y que soporta dos contactos
(7, 8) conectados eléctricamente al ánodo y al cátodo a través de
medios de conexión (5, 6), caracterizado porque al menos uno
de los contactos (7, 8) está formado, al menos parcialmente, por una
varilla metálica rígida (30), montada con un juego anular (18) en un
tubo (11) cuya parte (11a) de menor diámetro atraviesa el elemento
aislante (21) y la tapa (4) y cuya parte (11b) de mayor diámetro se
apoya sobre la cara interna (21a) del elemento aislante (21),
teniendo su otra extremidad (13) engastada contra la cara externa
(4b) de la tapa (4), y porque el juego (18) formado entre el tubo
(11) y la varilla (30) está obturado por una composición
termofusible (14).
2. Respiradero de seguridad según la
reivindicación 1, caracterizado porque el tubo (11) forma un
casquillo cuyo reborde (12) forma un collarín que se apoya sobre la
cara interna (21a) del elemento aislante (21) y porque la varilla de
conexión (30) se prolonga en el interior de la batería más allá del
elemento aislante (21) para formar un medio de conexión sin contacto
intermedio (5, 6) con los electrodos.
3. Respiradero de seguridad según la
reivindicación 1, caracterizado porque la varilla de conexión
(30) no se prolonga más allá del elemento aislante (21) y porque la
parte del tubo de mayor diámetro (11b) se prolonga en el interior de
la batería para formar un medio de conexión (5, 6) con los
electrodos.
4. Respiradero de seguridad según las
reivindicaciones 2 ó 3, caracterizado porque las partes de
varilla o de tubo prolongadas en el interior de la batería para
formar los medios de conexión son aplanadas o achatadas.
5. Respiradero de seguridad según la
reivindicación 1, caracterizado porque una arandela aislante
(15) está situada sobre la cara externa (4b) de la tapa (4) para
servir de apoyo a la extremidad engastada (13) del casquillo
(11).
6. Respiradero de seguridad según la
reivindicación 1, caracterizado porque la tapa (4) también
está provista de una abertura anular (16) abierta hacia el elemento
aislante (21) para recibir una junta (17) comprimida mediante el
engastado entre la tapa (4), el elemento aislante (21) y la parte
del tubo (11a) de menor diámetro.
7. Respiradero de seguridad según las
reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque la arandela
aislante (15) y la junta (17) forman una sola pieza.
8. Respiradero de seguridad según la
reivindicación 1, caracterizado porque el elemento aislante
(21) es rígido y constituye el plato superior de una bobina (20) que
consta de un plato inferior (22) conectado con dicho plato superior
(21) por tres istmos (23, 24, 25)que definen dos aperturas
(26a, 26c) y que soporta un arrollamiento espiral no circular (2)
que comprende el ánodo y el cátodo.
9. Respiradero de seguridad según la
reivindicación 8, caracterizado porque las varillas metálicas
(30) o los tubos (11) forman los medios de conexión (5, 6) que
atraviesan la bobina y están situados en las aperturas preparadas
entre los istmos (23, 24, 25).
10. Respiradero de seguridad según la
reivindicación 1, caracterizado porque la composición
termofusible (14) es una mezcla eutéctica de metales que tienen un
punto de fusión comprendido entre 100ºC y 150ºC, preferentemente
120ºC.
11. Batería provista de un respiradero de
seguridad, sensible a una elevación anormal de la temperatura, según
una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
12. Batería prismática provista de un respiradero
de seguridad, sensible a una elevación anormal de la temperatura,
según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
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