ES2208564T3 - Elemento de generador electroquimico y bateria correspondiente. - Google Patents

Abstract

Elemento de generador electroquímico (102) que incluye sucesivamente una primera capa de electrodo con una polaridad (114), una primera capa de electrolito (110), una capa de electrodo con una polaridad inversa (108), una segunda capa de electrolito (112), una segunda capa de electrodo de dicha polaridad (116), estando conectadas dichas capas de electrodos de dicha polaridad (114, 116) por una conexión en paralelo, incluyendo además este elemento unos colectores de corriente (118, 120) conectados a las capas de electrodos de dicha polaridad (114, 116), caracterizado en que el grosor de dicha primera capa de electrodo de dicha polaridad (114) es distinta del grosor de dicha segunda capa de electrodo de dicha polaridad (116).

Description

Elemento de generador electroquímico y batería correspondiente.

La presente invención se refiere a un elemento de generador electroquímico cuyas características constan en el preámbulo de la reivindicación 1.

La invención se aplica por ejemplo a las baterías electroquímicas de litio polímero para vehículos eléctricos o aplicaciones estacionarias.

Se conocen generadores electroquímicos de litio con electrolito polímero. Tales generadores incluyen generalmente elementos constituidos por dos semielementos conectados eléctricamente en paralelo.

Cada semielemento está realizado con una capa de cátodo que se aplica por medio de una capa de electrolito sobre una de las dos caras de una capa de litio. La corriente procede de unos colectores de corriente situados en la superficie libre de los cátodos y de las patillas colectoras conectadas a la capa de litio.

Las capas de cátodo situadas a ambos lados de la capa de litio tienen el mismo grosor (figura 1). Con el fin de aumentar la energía específica (energía másica) de tal generador electroquímico, se aumenta el grosor de las dos capas catódicas en el mismo valor. De manera correspondiente, se aumenta también el grosor de la capa de litio. Esto tiene el efecto que la potencia específica (potencia másica) máxima disminuye debido al aumento de la resistencia del elemento.

La invención tiene la finalidad de paliar este inconveniente y suministrar un elemento electroquímico en el que la energía específica sea sensiblemente independiente de la potencia específica máxima.

Para ello, la invención tiene por objeto un elemento de generador electroquímico del tipo indicado, que incluye las características de la parte caracterizante de la reivindicación 1.

Según unas modalidades particulares de realización la invención consta de una o varias características de las reivindicaciones dependientes 2 a 6.

La invención tiene igualmente por objeto una batería electroquímica tal y como se describe en la reivindicación 7.

La invención se comprenderá mejor mediante la lectura de la siguiente descripción, proporcionada únicamente a título de ejemplo y realizada en referencia a los dibujos que se adjuntan en los que:

- la Figura 1 es un corte transversal de un elemento de generador electroquímico de litio polímero conocido;

- la Figura 2 muestra la energía específica y la potencia específica de un elemento electroquímico del estado de la técnica en función del grosor de los cátodos;

- la Figura 3 es un corte transversal de un elemento generador electroquímico de litio polímero según la invención; y

- la Figura 4 muestra la energía específica y la potencia específica de los elementos electroquímicos según la invención e indica el ratio entre estas dos en función del grosor del cátodo.

Para comprender mejor el efecto de la invención, se describirá primero el problema planteado por el estado de técnica en relación a las figuras 1 y 2.

La Figura 1 muestra en corte transversal un elemento de generador electroquímico 2 del estado de la técnica. El elemento consta de dos semielementos 4, 6 que están compuestos cada uno por una capa de litio 8 común, una capa de electrolito 10, 12, una capa de electrodo positivo 14, 16 y un colector de corriente 18, 20.

Unos conductores eléctricos 22, 24 están conectados a los colectores 18, 20 y un conductor eléctrico 26 está conectado a la capa de litio 8.

En función del tipo de acumulador, los conductores 24, 26 pueden estar directamente conectados a las capas de electrodo positivo 14, 16 de manera que la captación de corriente sea efectuada por los conductores 24, 26.

Los dos conductores eléctricos 22, 24 están conectados a un lado de un usuario (no representado), mientras que el conductor eléctrico 26 está conectado al otro lado del usuario de manera que se forme una conexión paralelamente a los dos semielementos 4, 6.

Las capas de electrolito 10, 12 tienen cada una un grosor de 30 \mum y separan las capas de electrodos positivos 14, 16 de la capa de litio 8 común que sirve de electrodo negativo.

La capa de litio tiene un grosor comprendido entre 10 \mum y 150 \mum, preferentemente entre 30 \mum y 70 \mum.

Las capas de electrodos positivos 14, 16 presentan cada una (en este ejemplo) un grosor de 90 \mum y están fabricadas en un material que contiene cierta cantidad Y de V_{2}0_{5}, generalmente más del 50%. Esta cantidad de V_{2}0_{5} determina la capacidad específica que en el de Y = 54% es de 153 Ah/kg.

Como variante, se puede utilizar un óxido de níquel, de cobalto, de manganeso o una mezcla de estos óxidos en vez de V_{2}0_{5}.

La resistencia superficial interna de un semielemento se calcula según la fórmula siguiente:

(1.1.)R_{s\_de} = R_{s\_Li/e1} + r_{s\_e1} \cdot e_{e1}+ r_{s\_cath} \cdot e_{cath}

donde R_{s\_Li/e1} es la resistencia superficial de interfaz entre el electrolito 10, 12 y la capa anódica de litio 8. Su valor es 10 \Omega cm^{2} \cdot r_{s\_e1} que es la resistencia específica del eletrolito 10, 12 (r_{s\_e1} = 0,2 \Omega cm^{2} /\mum) \cdot r_{s\_cath} es la resistencia específica de los cátodos 14, 16 al 80% de la intensidad de descarga (r_{s\_cath} = 3,5 \Omega cm^{2} /\mum).

e_{e1} y e_{cath} son el grosor de la capa de electrolito 10, 12 (e_{e1} = 30 \mum) y el grosor de la capa de cátodo 14, 16 (e_{cath} = 90 \mum).

Las resistencias superficiales indicadas son válidas para una temperatura de 90ºC.

Las resistencias eléctricas de los colectores de corriente 22, 24, 26 y del litio 8 se consideradas como despreciables ante las resistencias superficiales de interfaz, de electrolito y de cátodo.

Para el elemento electroquímico 2 considerado, un semielemento 4, 6 tiene por lo tanto la resistencia superficial:

R_{s\_de} = 10 \ \Omega \ cm^{2} + 0,2 \ \Omega \ cm^{2} /\mu m \cdot 30 \ \mu m + 3,5 \ \Omega \ cm^{2} /\mu m.

90 \ \mu m = 331 \ \Omega \ cm^{2}.

La resistencia superficial interna de tal elemento se calcula según la fórmula siguiente (conexión en paralelo):

R_{s\_e} = \frac{R_{s\_de}R_{s\_de}}{R_{s\_de}+ R_{s\_de}} = \frac{R_{s\_de}}{2}

Para el ejemplo dado la resistencia superficial es

R_{s\_e}= \frac{331 \ \Omega \ cm^{2}}{2} = 165,5 \ \Omega \ cm^{2}

La potencia superficial máxima producida por este elemento 2 de litio polímero viene dada por la relación siguiente:

(1.2.)P_{s\_max} = \frac{U_{0}{}^{2}}{4R_{s\_e}}

donde U_{0} es la tensión en vacío del elemento 2 (2,2 V a 80% de descarga).

La energía por unidad de superficie viene dada por la fórmula siguiente:

(1.2)E_{s\_e} = E_{s\_de1} + E_{s\_de2}= (e_{cath1} + e_{cath2}) \cdot \rho_{cath} \cdot Y \cdot E_{s} \cdot U_{moy}

donde E_{s\_deX} es la energía superficial del semielemento 1 ó 2; e_{cathX} es el grosor del cátodo correspondiente, \rho es la densidad del cátodo (\rho =2,1 g/cm^{3}), Y es el contenido en V del cátodo en % de peso (54%). Es es la capacidad específica de V (153 Ah/kg) y U_{med} es la tensión media de 2,55 V.

E_{s\_e} = 7,98 mWh/ cm^{2} para el ejemplo dado.

\newpage

Con el fin de aumentar la energía superficial específica de un elemento de litio polímero 2, hemos propuesto aumentar el grosor de las dos capas de cátodo 14, 16. El resultado es que la resistencia superficial de los dos semielementos 4, 6 aumenta mientras que la tensión en vacío del elemento 2 sigue constante y de este modo la potencia superficial y, consecuentemente, la potencia específica del elemento 2 disminuyen.

El grosor de la capa de litio permanece constante.

La relación entre la potencia máxima del elemento 2 y la energía específica del elemento 2 disminuye con el aumento del grosor de las capas de cátodos.

El cuadro 1 muestra, en función del grosor de los cátodos, los valores de resistencia superficial, de potencia superficial al 80% de descarga, de energía superficial, la relación de la potencia superficial con la energía superficial, la masa superficial, la potencia específica y la energía específica. Los valores están establecidos a una temperatura de 90ºC.

CUADRO 1

1

La Figura 2 es un gráfico que muestra la energía específica y de la potencia específica en función del grosor del cátodo de un elemento electroquímico conocido.

Se observa que un aumento de la energía específica de una célula de litio polímero por aumento del mismo valor de los grosores de las dos capas catódicas no es factible sin reducir la potencia específica.

Ahora describiremos la invención refiriéndonos a las Figuras 3 y 4.

\newpage

La Figura 3 muestra un elemento de generador electroquímico 102 de litio de electrolito polímero según la invención, en corte transversal.

En la Figura 3, los elementos análogos a los de la Figura 1 están señalados por números de referencia más 100.

El elemento de generador electroquímico 102 consta, como el elemento de la Figura 1, de dos semielementos 104, 106 que tienen cada uno una parte de una capa de litio 108 común, una capa de electrolito 110, 112, y una capa de cátodo 114, 116 así como una capa que forma un colector 118, 120.

Los grosores de la capa de litio 108 y de las capas de electrolito 110, 112 son los mismos que los de las capas 8, 11 y 12 del elemento 2 de la Figura 1.

En cambio, los grosores de las dos capas de cátodo 114, 116 son distintos uno con respecto al otro mientras que su suma es igual a la de las dos capas de cátodo 14, 16 del elemento 2 de la Figura 1. El grosor de la primera capa 114 puede ser por ejemplo de 150 \mum. En este ejemplo, puede estar comprendida entre 130 \mum y 170 \mum, preferentemente entre 140 \mum y 160 \mum. El grosor de la segunda capa 116 es de 30 \mum, y puede estar comprendido entre 10 \mum y 50 \mum, preferentemente entre 20 \mum y 40 \mum.

En general, la capa más gruesa puede tener un grosor comprendido entre 80 \mum y 200 \mum, preferentemente entre 100 y 160 \mum.

Con el fin de poder comparar la potencia y la energía de los dos elementos 2 y 102, se calculará la resistencia superficial del elemento 102 según la invención, de la manera siguiente.

La resistencia superficial eléctrica de cada uno de los dos semielementos se calcula utilizando la fórmula (1.1) para unos valores respectivos de grosor de las capas catódicas 114, 116.

También en este caso, las resistencias superficiales eléctricas de los colectores de corriente 118, 120 y de la capa 108 de litio se consideran como despreciables.

Los valores de las resistencias específicas a una temperatura de funcionamiento de 90ºC siguen siendo los mismos.

Para un elemento constituido por un montaje de dos semielementos que contienen unas capas de cátodo de 30 \mum y 150 \mum respectivamente, el cálculo de la resistencia superficial interna de los dos semielementos 104, 106 proporciona los valores siguientes:

R_{s\_de1} = 60,5 \ \Omega \ cm^{2}

R_{s\_de2} = 270,5 \ \Omega \ cm^{2}

La resistencia superficial del elemento completo 102 se calcula mediante la fórmula siguiente relativa a la conexión en paralelo de los dos elementos.

R_{s\_e} = \frac{R_{s\_de1} R_{s\_de2}}{R_{s\_de1} + R_{s\_de2}}

donde R_{s\_deX} es la resistencia superficial del semielemento X(X \in [1,2]).

Para el conjunto dado la resistencia superficial total del elemento es :

R_{s\_e} = 121 \ \Omega \ cm^{2}

La potencia máxima (a 80% de descarga) por unidad de superficie vale entonces, utilizando la fórmula 1.2.:

P_{s\_max} = 10\frac{mW}{cm^{2}}

La energía contenida por unidad de superficie del elemento 102 se calcula mediante la relación de la fórmula 1.3.:

E_{s\_e} = E_{s\_se1} + E_{s\_de2}= (e_{cath1} + e_{cath2}) \cdot \rho_{cath} \cdot Y \cdot E_{s} \cdot U_{moy}

La relación de la potencia superficial con la energía superficial es entonces:

\frac{P_{max}}{E_{s\_e}}= 1,52

lo que significa un aumento del 60% con respecto al elemento del estado de la técnica que tiene una relación

\frac{P_{max}}{E_{s\_e}} = 0,92 (ver cuadro 1).

Se considera que para un grosor total de cátodo equivalente (180 \mum), el aumento de grosor del primer cátodo 114 de 90 \mum a 150 \mum, por una parte, y la disminución de grosor del segundo cátodo 116 de 90 \mum a 30 \mum, por otra, permite disminuir la resistencia superficial interna del elemento de 160,5 \Omega cm^{2} a 121 cm^{2}. Para una densidad de energía específica constante, puesto que la masa y el volumen no han cambiado, se aumenta en gran medida la potencia específica.

El cuadro 2 muestra las resistencias superficiales de dos semielementos 114, 116 con distintos grosores de un elemento 102 con un grosor total de cátodo de 180 \mum. Además muestra la resistencia superficial resultante del elemento correspondiente, así como la ganancia de potencia con respecto a un elemento 2 de capas catódicas de la figura 1 que tengan cada una un grosor igual a 90 \mum.

La Figura 4 es un gráfico que muestra la potencia específica, la energía específica así como la relación entre estas dos en función del grosor de la capa catódica menos gruesa en un elemento según la invención cuyas capas catódicas tengan una suma de grosores de 180 \mum.

CUADRO 2

2

Se observa que mediante el aumento de grosor de una capa a 170 \mum y la disminución del grosor de la otra capa a 10 \mum, se puede aumentar la potencia específica de un factor 2,5 con respecto a la potencia disponible de un elemento cuyos electrodos positivos tienen cada uno un grosor de 90 \mum.

Por lo tanto, la invención permite aumentar la potencia específica y consecuentemente la densidad de potencia disponible en un elemento de generador electroquímico de litio con electrolito polímero cuya energía específica es constante.

Permite modular la relación de potencia y energía en función de la aplicación considerada para una densidad de energía dada.

Está claro que la invención no se limita al ejemplo proporcionado. Los grosores de las capas de electrodo se pueden modificar en amplios márgenes y la suma de los grosores de las capas catódicas no se limita a 180 \mum, sino que puede ser modificada.

La invención se puede aplicar también a unas células electrogeneradoras que utilicen otros materiales de electrodos positivo o negativo que el litio y el polimero.

En general, se puede aplicar a cualquier tipo de célula electrogeneradora de montaje en capa delgada.

Como variante, la invención también se puede aplicar a unas células que tengan una capa de electrodo positivo común y dos capas de electrodos negativos con distintos grosores, colocándose estas capas en cada uno de los dos lados de la capa de electrodo positivo.

Claims (7)

1. Elemento de generador electroquímico (102) que incluye sucesivamente una primera capa de electrodo con una polaridad (114), una primera capa de electrolito (110), una capa de electrodo con una polaridad inversa (108), una segunda capa de electrolito (112), una segunda capa de electrodo de dicha polaridad (116), estando conectadas dichas capas de electrodos de dicha polaridad (114, 116) por una conexión en paralelo, incluyendo además este elemento unos colectores de corriente (118, 120) conectados a las capas de electrodos de dicha polaridad (114, 116), caracterizado en que el grosor de dicha primera capa de electrodo de dicha polaridad (114) es distinta del grosor de dicha segunda capa de electrodo de dicha polaridad (116).

2. Elemento según la reivindicación 1, caracterizado en que las capas de electrodos de dicha polaridad son capas de electrodo positivas (114, 116), y en que la capa de electrodo de dicha polaridad inversa es una capa de electrodo negativa.

3. Elemento según la reivindicación 2, caracterizado en que dicha capa de electrodo negativo (108) es de litio o de aleación a base de litio, que dichas capas de electrolito (110, 112) son de un material sólido polímero y dichas capas de electrodo positivas (114, 116) son de un material compuesto que incluye óxido de vanadio, níquel, cobalto o manganeso o una mezcla de estos últimos.

4. Elemento según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado en que el grosor de dicha primera capa de electrodo positiva (114) está comprendida entre 80 \mum y 200 \mum, preferentemente entre 100 \mum y 160 \mum.

5. Elemento según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado en que el grosor de dicha primera capa de electrodo positiva (114) está comprendida entre 130 \mum y 170 \mum, preferentemente entre 140 \mum y 160 \mum.

6. Elemento según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, caracterizado en que el grosor de dicho segundo electrodo positivo (116) está comprendido entre 10 \mum y 50 \mum, preferentemente entre 20 \mum y 40 \mum.

7. Batería electroquímica que consta por lo menos de un elemento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.