ES2563807T3

ES2563807T3 - Célula de iones de litio, acumulador de iones de litio, así como vehículo a motor con un acumulador de iones de litio

Info

Publication number: ES2563807T3
Application number: ES11788117.7T
Authority: ES
Inventors: Stephan Leuthner; Thomas Woehrle; Holger Fink; Joachim Fetzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: DE102010062873A1; CN103370814A; EP2652818A1; EP2652818B1; WO2012079921A1; US20140011072A1; US9276265B2

Abstract

Una célula de iones de litio que presenta láminas de descarga y colectores, caracterizada porque la lámina de descarga (15) para un electrodo negativo de la célula de iones de litio se compone de una lámina de aluminio (16) que se encuentra cubierta por una capa metálica (17) a ambos lados o de forma completa, la cual se compone de cobre o de níquel, y porque el colector (10) para el electrodo negativo se compone de una pieza de trabajo de aluminio (14) que al menos en el área de contacto con el electrodo negativo de la célula de iones de litio se encuentra cubierta por una capa metálica (13) que se compone de cobre o de níquel; donde la capa metálica (17) de la lámina de descarga (15) se encuentra aplicada mediante plaqueado por laminación.

Description

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DESCRIPCION

Celula de iones de litio, acumulador de iones de litio, as! como vehlcuio a motor con un acumulador de iones de litio

La presente invencion hace referencia a una celula de iones de litio, a un acumulador de iones de litio con al menos dos celulas de iones de litio, as! como a un vehlculo a motor con un motor de accionamiento electrico para accionar el vehlculo a motor y con un acumulador de iones de litio que se encuentra conectado al motor de accionamiento electrico o que puede conectarse al mismo.

Estado del arte

Las celulas de iones de litio poseen al menos un electrodo positivo y un electrodo negativo (catodo, as! como anodo), que pueden almacenar (intercalar) los iones de litio (Li+) o transferirlos nuevamente (desintercalar) de forma reversible. Los terminos celula de iones de litio, celula de pollmeros de iones de litio, celula, baterla, acumulador y sistema de iones de litio se utilizan como sinonimos en sentido amplio.

Existen elevadas exigencias para los acumuladores de iones de litio, en particular en el area vinculada a los automotores, en cuanto a la densidad energetica gravimetrica (indicada en Wh/kg), por ejemplo para lograr alcances lo mas elevados posibles de vehlculos accionados con motores electricos. La capacidad nominal de una celula de iones de litio es determinada por los as! llamados materiales activos, por ejemplo oxidos de metal de transition litiados, como oxido de litio-nlquel (LiNiO2) en el electrodo positivo y grafitos o carbonos en el electrodo negativo. Sin embargo, en cada celula de iones de litio se encuentran presentes aun los as! llamados materiales pasivos o "materiales muertos" que influencian la densidad energetica de la celula de iones de litio. Entre estos ultimos figuran por ejemplo el material conductor electrico, vinculadores de electrodos, separadores, laminas de descarga, colectores, terminales y la carcasa de la celula o del acumulador.

Las laminas de descarga se utilizan para contactar electricamente y vincular el electrodo negativo y el positivo, donde mediante los colectores se establece un contacto con las terminales.

La estructura de una celula de iones de litio con disipadores, colectores y terminales externas se describe por ejemplo en la solicitud US20080107961A1.

Generalmente, en las celulas de iones de litio se utilizan laminas de descarga, colectores y terminales a base de aluminio para el lado positivo del electrodo. Sobre el lado negativo del electrodo se utiliza cobre, nlquel o cobre niquelado, puesto que si se utilizara aluminio en el lado negativo podrla producirse una aleacion de litio y aluminio debido al potencial dado.

A causa de la utilization de cobre o nlquel como material pasivo en una celula de iones de litio resultan costes de fabrication mas elevados. Ademas, se utilizan materiales pasivos que poseen una densidad cristalografica mayor en comparacion con el aluminio. De este modo el aluminio presenta una densidad de 2,7 g/cm3 y el cobre, as! como el nlquel, presentan una densidad de 8,9 g/cm3. Conforme a ello, la utilizacion de cobre o de nlquel como materiales en los acumuladores de iones de litio tiene una influencia negativa sobre la densidad energetica gravimetrica.

En la solicitud CN 101 383 407 A se describe un disipador negativo de aluminio de una baterla de iones de litio, el cual se encuentra provisto de una capa de nlquel. En la solicitud KR 2010 0127983 A se revela un colector de un acumulador realizado de una lamina de aluminio, el cual se encuentra provisto de una capa de cobre de ambos lados. En la solicitud EP 0 690 517 A1 se muestra igualmente un acumulador de iones de litio que dispone de un anodo de aluminio con una capa de cobre de los dos lados. Description de la invencion

De acuerdo con la invencion se proporciona una celula de iones de litio reducida en peso, la cual dispone de una lamina de descarga a base de aluminio, as! como de un colector a base de aluminio para el lado negativo del electrodo, donde la lamina de descarga y el colector se encuentran provistos a ambos lados, as! como al menos de forma parcial, de una capa metalica que, durante el funcionamiento de la celula de iones de litio, impide una aleacion de la lamina de descarga y del colector con iones de litio, donde las capas metalicas de la lamina de descarga se aplican mediante plaqueado por lamination. La capa metalica se compone de cobre o de nlquel.

Preferentemente, al producir la lamina de descarga acorde a la invencion no se considera una lamina de descarga tradicional de aluminio para el lado positivo, sino que se utilizan laminas de aluminio mas delgadas, de manera que despues del revestimiento a ambos lados con cobre o nlquel, donde de manera preferente se revisten tambien los bordes de la lamina de descarga, se obtiene un grosor habitual de aproximadamente 12 pm. A modo de ejemplo, las capas de cobre pueden presentar respectivamente un grosor de 1 pm, de manera que el grosor del nucleo de aluminio asciende a 10 pm. Naturalmente son posibles tambien otros dimensionamientos de las capas o del grosor total de la lamina de descarga, donde las capas situadas en el exterior deben ser tan delgadas como sea posible. De

este modo se alcanza un peso mas reducido con el mismo grosor de la lamina que en el caso de una lamina de cobre utilizada de forma tradicional.

La capa metalica de cobre o de niquel puede proporcionarse en el colector tambien solo en el area que es contactada por el electrodo. Se considera preferente un revestimiento que se extienda aun mas o un revestimiento 5 completo del colector.

Para simplificar los procesos de fabricacion, el colector debe rodearse completamente con la capa metalica.

Preferentemente, en la fabricacion del colector acorde a la invencion no se considera un colector tradicional para el lado positivo del electrodo de aluminio, sino que se utilizan piezas de trabajo con un grosor del material mas reducido, de manera que despues del revestimiento con cobre o niquel se obtiene un grosor habitual de 10 aproximadamente 1-5 mm.

A modo de ejemplo, la capa de cobre o de niquel puede tener un grosor de 5 mm y el nucleo de aluminio puede tener un grosor de 1000 mm.

Naturalmente son posibles tambien otros dimensionamientos de las capas o del grosor total del colector, donde la capa metalica debe ser lo mas delgada posible. De este modo, con el mismo dimensionamiento del colector, se 15 alcanza un peso mas reducido que segun el estado del arte.

Con ello, se obtienen un colector y una lamina de descarga que, de manera ventajosa, poseen un peso mas reducido con el mismo volumen, en comparacion con los componentes a base de cobre o de niquel tradicionales, de manera que se obtiene una celula de iones de litio optimizada marcadamente en cuanto al peso, con una densidad energetica incrementada.

20 De este modo, las ventajas del peso del aluminio pueden aprovecharse en una celula de iones de litio no solo para el electrodo positivo, sino tambien para el lado negativo del electrodo, donde al mismo tiempo se evita la desventaja de la aleacion a traves del litio.

La lamina de descarga y el colector para la celula de iones de litio acorde a la invencion se confeccionan a traves de la aplicacion de una lamina o capa delgada de cobre sobre la lamina de aluminio o sobre la pieza de trabajo de 25 aluminio. De manera alternativa, para el acabado de la superficie puede utilizarse tambien niquel.

La aplicacion de las capas delgadas de cobre o niquel sobre el colector, de manera preferente tiene lugar

a) de forma galvanica,

b) a traves de plaqueado por laminacion, o

c) mediante deposicion por haz de electrones.

30 En todos los procedimientos debe garantizarse que la capa aplicada no presente ninguna clase de defectos, puesto que de lo contrario se produciria un intercalado de litio en el nucleo de aluminio del colector.

De manera sorprendente, los componentes reducidos en su peso son estables a largo plazo para el lado negativo del electrodo y, con ello, para la celula de iones de litio acorde a la invencion. Asimismo, la celula de iones de litio muestra el mismo rendimiento electrico y un comportamiento identico en el caso de una ciclizacion y 35 almacenamiento a largo plazo, en el caso de hasta 60°C, inclusive en el estado completamente cargado, como una celula de referencia con un componente tradicional de cobre o niquel.

Se consideran llamativas las propiedades del colector acorde a la invencion, entre otras cosas, puesto que a priori no podia excluirse un desprendimiento de la capa de cobre o de niquel de la pieza de trabajo de aluminio durante el almacenamiento o el funcionamiento, debido a una inestabilidad frente a los electrolitos o a traves de fluoruro de 40 hidrogeno (HF) presente en trazas de las celulas. Lo mencionado hubiera sido muy desventajoso para el rendimiento electroquimico de la celula de iones de litio.

Se consideran especialmente preferentes las celulas de iones de litio con un colector acorde a la invencion que fue acabado en la superficie mediante deposicion por haz de electrones, y con laminas de descarga que fueron producidas mediante plaqueado por laminacion. Las celulas de iones de litio con un colector que fue acabado en la 45 superficie mediante deposicion por haz de electrones, y con laminas de descarga que fueron producidas mediante plaqueado por laminacion, han arrojado los mejores resultados en los ensayos de comparacion antes mencionados.

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Tambien son objeto de la presente invencion un acumulador de iones de litio con al menos dos celulas de iones de litio previamente descritas, as! como un vehlculo a motor con un motor de accionamiento electrico para accionar el vehlculo a motor y con un acumulador de iones de litio que se encuentra conectado al motor de accionamiento electrico o que puede conectarse al mismo.

En las reivindicaciones dependientes se indican perfeccionamientos de la invencion, los cuales se explican en la descri pcion.

Dibujos

Ejemplos de ejecucion de la invencion se explican en detalle mediante los dibujos y la siguiente descripcion. Las figuras muestran:

Figura 1: en una vista en perspectiva, un colector para el electrodo negativo de una celula de iones de litio acorde a la invencion con un diseno espacial habitual segun el estado del arte (solicitud US 20080107961A1);

Figura 2: en una vista lateral en seccion, el colector acorde a la figura 1; y

Figura 3: en una vista lateral en seccion, una lamina de descarga para el electrodo negativo de una celula de iones de litio acorde a la invencion.

En la figura 1 se representa un colector 10 para una celula de iones de litio acorde a la invencion, no representada, el cual se encuentra conectado a una terminal 11 que presenta una base 12. El colector 10 se encuentra rodeado por una capa metalica 13 de cobre o nlquel, y presenta un nucleo de una pieza de trabajo de aluminio 14. Para mostrar claramente la estructura, en la figura 2 se representa un corte a traves del colector 10, donde la pieza de trabajo de aluminio 14 esta cubierta por la capa metalica 13 que, en comparacion con la pieza de trabajo de aluminio 14, es muy delgada, para optimizar el peso. En la figura 3 se muestra la estructura de una lamina de descarga 15. La lamina de descarga 15 posee un nucleo de una lamina de aluminio 16 que a ambos lados se encuentra cubierta por una capa metalica 17. Las capas metalicas 17, tal como la capa metalica 13 en el colector segun las figuras 1 y 2, impide que durante el funcionamiento de la celula de iones de litio el litio se alee con la lamina de aluminio 16. La capa 17 se compone de cobre o de nlquel. Puesto que con la lamina de descarga 15 acorde a la invencion puede obtenerse una lamina de descarga 15 optimizada en cuanto al peso, el dimensionamiento de la capa de aluminio 16 y de las dos capas 17 debe determinarse de forma correspondiente, es decir, que las capas 17 se realizan tan delgadas como sea posible.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una celula de iones de litio que presenta laminas de descarga y colectores, caracterizada porque la lamina de descarga (15) para un electrodo negativo de la celula de iones de litio se compone de una lamina de aluminio (16) que se encuentra cubierta por una capa metalica (17) a ambos lados o de forma completa, la cual se compone de

5 cobre o de nlquel, y porque el colector (10) para el electrodo negativo se compone de una pieza de trabajo de aluminio (14) que al menos en el area de contacto con el electrodo negativo de la celula de iones de litio se encuentra cubierta por una capa metalica (13) que se compone de cobre o de nlquel; donde la capa metalica (17) de la lamina de descarga (15) se encuentra aplicada mediante plaqueado por laminacion.
2. La celula de iones de litio segun la reivindicacion 1, donde el colector (10) se encuentra rodeado por la capa

10 metalica (13).
3. La celula de iones de litio segun la reivindicacion 1 o 2, donde la capa metalica (13) del colector (10) se encuentra aplicada de forma galvanica.
4. La celula de iones de litio segun la reivindicacion 1 o 2, donde la capa metalica (13) del colector (10) se encuentra aplicada mediante plaqueado por laminacion.

15 5. La celula de iones de litio segun la reivindicacion 1 o 2, donde la capa metalica (13) del colector (10) se encuentra

aplicada mediante deposicion por haz de electrones.
6. Un acumulador de iones de litio con al menos dos celulas de iones de litio segun una de las reivindicaciones 1 a 5.
7. Un vehlculo a motor con un motor de accionamiento electrico para accionar el vehlculo a motor y con un acumulador de iones de litio segun la reivindicacion 6, el cual se encuentra conectado al motor de accionamiento

20 electrico o puede conectarse al mismo.