ES2709604T3 - Dispositivo portátil de almacenamiento de energía eléctrica con canales de fluidos conformables in situ - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para fabricar un dispositivo portátil de almacenamiento de energía eléctrica, que comprende: proporcionar, dentro de una carcasa de dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica portátil, un primer módulo de celdas de almacenamiento de energía eléctrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energía eléctrica; proporcionar dentro de la carcasa del dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica portátil y junto al primer módulo de celdas de almacenamiento de energía eléctrica, un segundo módulo de celdas de almacenamiento de energía eléctrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energía eléctrica; proporcionar un material de absorción de energía térmica en la carcasa; y proporcionar un elemento de sacrificio dentro de la carcasa y dentro del material absorbente de energía térmica, estando el elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone térmicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone térmicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura.

Description

DESCRIPCION
Dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica con canales de fluidos conformables in situ
ANTECEDENTES
Campo tecnico
Las realizaciones descritas en el presente documento se refieren a dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica, tales como los utilizados en dispositivos electricos, tales como vehiculos, y sistemas electronicos de consumo y sistemas de mitigacion de escape termico para tales dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica.
Descripcion de la tecnica relacionada
Las baterias tales como las de iones de litio son conocidas por empaquetar mas energia en unidades mas pequenas y livianas. Las baterias de iones de litio han encontrado una amplia aplicacion en la alimentacion de dispositivos electronicos portatiles tales como telefonos celulares, tabletas, ordenadores portatiles, herramientas electricas y otros equipos de alta corriente. El bajo peso y la alta densidad de energia tambien hacen que las baterias de iones de litio sean atractivas para su uso en vehiculos hibridos y vehiculos completamente electricos.
Un defecto potencial de las baterias de iones de litio son sus soluciones de electrolitos. A diferencia de otros tipos de baterias, en las cuales los electrolitos consisten en soluciones acuosas de acido o base, el electrolito en las celdas de iones de litio consiste tipicamente en sales de litio en solventes organicos tales como carbonato de etileno y carbonato de etilmetilo (que pueden ser inflamables).
Bajo operation normal, la carga de una bateria de iones de litio hace que los iones de litio en la solucion de electrolito migren desde el catodo a traves de un delgado separador de polimero poroso y se inserten en el anodo. Los electrones de equilibrio de carga tambien se mueven hacia el anodo, pero viajan a traves de un circuito externo en el cargador. Al descargarse, se produce el proceso inverso y los electrones fluyen a traves del dispositivo que se esta alimentando.
En circunstancias muy raras, puede producirse un cortocircuito interno o externo de una bateria de iones de litio. Por ejemplo, el dispositivo electrico que contiene la bateria de iones de litio puede sufrir un impacto grave o una descarga que provoque un fallo en la bateria, lo que podria provocar un cortocircuito. Debido a la naturaleza delgada del separador de polimero, las particulas metalicas del tamano de un micrometro generadas durante el corte, el prensado, el esmerilado u otras etapas de fabrication de la bateria pueden estar presentes o llegar a la celda de la bateria. Estas pequenas particulas metalicas pueden acumularse y eventualmente formar un cortocircuito entre el anodo y el catodo. Estos cortocircuitos deben evitarse, porque pueden dar lugar a temperaturas a las que el catodo puede reaccionar y descomponer la solucion de electrolito, generando calor y gases reactivos tales como hidrocarburos. Normalmente, a temperaturas normales de funcionamiento, las baterias de iones de litio son muy estables; sin embargo, por encima de cierta temperatura, la estabilidad de la bateria de iones de litio se vuelve menos predecible y, a una temperatura elevada, las reacciones quimicas dentro de la carcasa de la bateria se produciran gases que resultaran en un aumento de la presion interna dentro de la carcasa de la bateria. Estos gases pueden reaccionar aun mas con el catodo, liberando mas calor y produciendo temperaturas dentro o adyacentes a la bateria, que pueden encender el electrolito en presencia de oxigeno. Cuando el electrolito se quema, se producen pequenas cantidades de oxigeno, lo que puede ayudar a alimentar la combustion. En algun momento, la acumulacion de presion dentro de la carcasa de la bateria da como resultado la ruptura de la carcasa de la bateria. Con la exposition a mas oxigeno, el gas que se escapa puede inflamarse y arder. Algunos fabricantes de baterias disenan sus celdas, por lo que, en el improbable caso de que una celda se rompa y se encienda, los gases que soportan la combustion salen de la celda en ubicaciones y direcciones predeterminadas. Por ejemplo, las celdas de bateria en forma de celdas AAA o AA convencionales pueden disenarse para ventilar desde los extremos terminales ubicados en cada extremo de la celda.
En aplicaciones donde solo se utiliza una sola bateria de iones de litio, el fallo de una bateria y el potencial de combustion crea una situacion indeseable. La gravedad de esta situacion aumenta cuando se despliega una pluralidad de baterias de iones de litio en forma de un banco o modulo de baterias. La combustion que se produce cuando falla una bateria de iones de litio puede producir temperaturas locales por encima de la temperatura a la que otras baterias de iones de litio son normalmente estables, lo que hace que estas otras baterias fallen, se rompan y ventilen los gases que se encienden y queman. Por lo tanto, es posible que la ruptura de una sola celda en un banco de celdas de iones de litio provoque que otras celdas en el banco se rompan y descarguen los gases que se encienden y queman. Afortunadamente, las baterias de iones de litio han demostrado ser muy seguras, y el fallo y la consiguiente ruptura de una bateria de iones de litio es un evento muy raro. No obstante, se han realizado esfuerzos para reducir el riesgo de rotura e ignition de los gases que salen de una bateria rota de iones de litio. Por ejemplo, el desarrollo de los materiales utilizados para los catodos ha producido materiales de catodo a base de litio que toleran el calor mejor que los catodos hechos del oxido de cobalto de litio ampliamente utilizado. Si bien estos materiales desarrollados mas recientemente pueden ser mas tolerantes al calor, este beneficio tiene un precio. Por ejemplo, los catodos de oxido de manganeso y litio tienen una capacidad de carga menor que el oxido de cobalto de litio y aun se descomponen a altas temperaturas. Los catodos de fosfato de litio y hierro son especialmente resistentes al abuso termico; sin embargo, su tension de operacion y densidad de energia en una base de volumen son mas bajos que los de los catodos de oxido de cobalto de litio.
Otros esfuerzos se han centrado en el separador de polimero y su diseno. Por ejemplo, se ha propuesto utilizar un separador de polimero que empareda una capa de polietileno entre dos capas de polipropileno en un esfuerzo por proporcionar un grado de proteccion contra el sobrecalentamiento leve. Cuando la temperatura de la celda comienza a aproximarse a aquella en la que la estabilidad de la celda se vuelve impredecible, el polietileno se funde y tapa los poros del polipropileno. Cuando los poros de un polipropileno estan tapados por el polietileno, la difusion de litio se bloquea, cerrando efectivamente la celda antes de que tenga la oportunidad de encenderse. Otros esfuerzos se han centrado en utilizar separadores de polimeros con puntos de fusion mas altos que el polipropileno. Por ejemplo, se ha propuesto que los separadores hechos de poliimidas y los separadores hechos de polietileno de alto peso molecular y una capa ceramica incrustada formen un separador de polimero de punto de fusion mas alto y robusto. Tambien se ha investigado la formulacion y la utilizacion de electrolitos menos inflamables y liquidos ionicos no volatiles, no inflamables, fluoroeteres y otros disolventes altamente fluorados como electrolitos de bateria. Los investigadores han desarrollado baterias de iones de litio que no contienen ningun liquido. Estas baterias de estado solido contienen conductores inorganicos de iones de litio, que son intrinsecamente no inflamables y, por lo tanto, son muy estables, seguros y presentan una vida util prolongada y una vida util mas larga. Sin embargo, la fabricacion de estas baterias de estado solido requiere procedimientos de deposicion al vacio costosos e intensivos en mano de obra.
A pesar de estos esfuerzos, sigue existiendo la necesidad de un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica que administre de manera efectiva el riesgo de fallo de las celdas de almacenamiento de energia electrica y la combustion de los gases producidos como resultado de dicho fallo en despliegues de multiples celdas, as! como la propagacion de fallos que induce la energia termica a las celdas de la bateria adyacentes a una celda fallada, y el peligro para el usuario en el caso de un evento tan raro.
El docum ento US20110064997 divulga una bateria a la que se le puede agregar un material de absorcion termica o un producto quimico en descomposicion cuando se calienta. El documento US20140079978 divulga el uso de uno o dos materiales de adsorcion termica.
BREVE SUMARIO
Las realizaciones descritas en esta solicitud se refieren a dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica y a procedimientos para hacer dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica que incluyen elementos de sacrificio dentro del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica que son capaces de descomponerse termicamente. Tras la descomposicion termica de los elementos de sacrificio, se forman canales dentro del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica a traves de los cuales pueden pasar los gases resultantes del fallo de una celda de almacenamiento de energia electrica.
En realizaciones de un aspecto del objeto descrito, el procedimiento de fabricacion de un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye proporcionar, dentro de una carcasa portatil del dispositivo de almacenamiento de energia electrica, un primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica y un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacentes al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. De acuerdo con estas realizaciones, se proporciona un material absorbente de energia termica en la carcasa y un elemento de sacrificio proporcionado dentro de la carcasa y dentro del material absorbente de energia termica. El elemento de sacrificio esta formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura.
En realizaciones adicionales de los procedimientos descritos en este documento, se proporciona otro elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura. El otro elemento de sacrificio esta ubicado entre la carcasa del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica y el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
Otras realizaciones descritas en esta solicitud se refieren a dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica que incluyen un primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica, un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica, estando colocado el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica, un material que absorbe energia termica y un elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno en una segunda temperatura mayor que la primera temperatura, estando el elemento de sacrificio ubicado dentro del material de absorcion de energia termica. En algunas realizaciones, los dispositivos de almacenamiento de energia electrica portatiles descritos incluyen una carcasa de dispositivo de almacenamiento de energia electrica portatil con el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica situado dentro de la carcasa y otro elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura. Este otro elemento de sacrificio esta ubicado entre la carcasa del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica y el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
Realizaciones adicionales descritas en esta solicitud se refieren a dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica que incluyen una carcasa del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica, un primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica y ubicadas dentro de la carcasa del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica, un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica y ubicado dentro de la carcasa del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica, estando el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica colocado adyacente al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica, un tercer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica y ubicadas dentro de la carcasa del dispositivo de almacenamiento de energia electrica portatil, estando el tercer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica colocado adyacente al segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica en un lado del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica frente al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. El dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye ademas un material de absorcion de energia termica y un elemento de sacrificio dentro del material de absorcion de energia termica, estando el elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura. En algunas realizaciones, los dispositivos de almacenamiento de energia electrica portatiles descritos incluyen una carcasa de dispositivo de almacenamiento de energia electrica portatil con el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica situado dentro de la carcasa y otro elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura. Este otro elemento de sacrificio esta ubicado entre la carcasa del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica y tanto el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica como el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica
Otras realizaciones descritas en esta solicitud se refieren a dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica que incluyen una barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que funciona como aislante termico y barrera termica para la propagacion del fallo de la celda que induce energia termica. La barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica tambien incluye un material elastico que funciona para proteger los terminales de las celdas de almacenamiento de energia electrica contra danos, actuando como un aislador electrico y sirviendo como un amortiguador para proteger las celdas de almacenamiento de energia electrica contra danos resultantes de un impacto u otra fuerza.
En realizaciones de un aspecto descrito, un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye una primera celda de almacenamiento de energia electrica, una segunda celda de almacenamiento de energia electrica y una barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que comprende un material de aislamiento termico y un material elastico, estando la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica ubicada entre la primera celda de almacenamiento de energia electrica y la segunda celda de almacenamiento de energia electrica.
En realizaciones de otro aspecto descrito, la primera celda de almacenamiento de energia electrica comprende una pluralidad de primeras celdas de almacenamiento de energia electrica.
En otras realizaciones, la segunda celda de almacenamiento de energia electrica comprende una pluralidad de segundas celdas de almacenamiento de energia electrica.
En otra realizacion mas, la segunda celda de almacenamiento de energia electrica esta adyacente a la primera celda de almacenamiento de energia electrica.
Aunque no se limita a las siguientes formulaciones quimicas, la primera celda de almacenamiento de energia electrica puede comprender quimica del hidruro de niquel-metal o quimica del ion litio y la segunda celda de almacenamiento de energia electrica puede comprender la misma quimica que la primera celda de almacenamiento de energia electrica.
En ciertas realizaciones, la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica comprende una capa de material de aislamiento termico y una capa de material elastico y/o una capa del material de aislamiento termico entre dos capas del material elastico. En realizaciones especificas, el material de aislamiento termico tiene un coeficiente de conductividad termica inferior a aproximadamente 0,5 BTU/pie2/h/pulgada (124,19 rrr1kgs'3) y, preferiblemente, 0,5 BTU/pie2/hr/pulgada (124,19 n r1kgs'3) a temperaturas en las que se produce la ignicion de celdas defectuosas. El material de aislamiento termico puede incluir materiales ceramicos, materiales a base de vermiculita u otros materiales conocidos por proporcionar propiedades aislantes termicas. El soporte para los materiales ceramicos puede ser telas impregnadas con ceramica, a base de papel, fibra de vidrio u otros materiales capaces de formar laminas delgadas que contienen materiales aislantes termicos. Un ejemplo especifico de un material de aislamiento termico es uno que incluye fibra ceramica, tal como un papel de fibra ceramica. Ejemplos de fibras ceramicas adecuadas incluyen alumina, mullita, carburo de silicio, circonia o carbono.
Ejemplos de material elastico incluyen caucho, y mas especificamente, caucho de fluoropolimero, caucho de butilo, caucho de polietileno clorosulfonado, caucho de epiclorohidrina, caucho de etileno-propileno, caucho de fluoroelastomero, caucho de fluorosilicona, caucho de nitrilo hidrogenado, caucho natural de nitrilo, caucho de perfluoroelastomero, caucho poliacrilico, caucho de policloropreno, caucho de poliuretano, caucho desiliconay caucho de estireno butadieno.
En realizaciones de otro aspecto descrito, un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye un primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica y un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica, estando el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica colocado adyacente al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. Este dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica tambien incluye una primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que comprende un material de aislamiento termico y un material elastico ubicado entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica, una segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que comprende un material de aislamiento termico y un material elastico ubicado adyacentes al segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica, y una tercera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que comprende un material elastico, estando la tercera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica colocada adyacente al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
En ciertas realizaciones de este aspecto descrito, el material de aislamiento termico de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica esta entre dos capas del material elastico de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica. En otras realizaciones mas, el material elastico de la segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica esta entre el material de aislamiento termico de la segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
En realizaciones adicionales de este aspecto, el dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye un tercer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente al segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y una cuarta barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que comprende un material de aislamiento termico y un material elastico colocado adyacente al tercer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. En estas realizaciones adicionales, el material de aislamiento termico de la cuarta barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica esta separado de la tercera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica por una capa del material elastico de la cuarta barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica.
En realizaciones de un aspecto adicional descrito en la presente solicitud, un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye una carcasa que incluye una cubierta y una base. Al menos un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica esta contenido en la carcasa y una barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye un material de aislamiento termico y un material elastico ubicado adyacente a la cubierta con el material de aislamiento termico ubicado entre la cubierta y el material elastico. Un material elastico esta ubicado adyacente a la base y se encuentra entre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y la base.
De acuerdo con realizaciones de diversos aspectos descritos en la presente solicitud, un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye una estructura de explosion que permanece intacta cuando la presion dentro del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica esta por debajo de una presion interna maxima y se rompe cuando la presion dentro del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica supera la presion interna maxima.
En realizaciones de otro aspecto descrito, un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye una carcasa que incluye una cubierta y una base. Un primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica y un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica estan contenidos dentro de la carcasa, con el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica posicionado adyacente al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. Un tercer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica se incluye en la carcasa y se coloca adyacente al segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica en un lado del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica opuesto al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. Una primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye un material de aislamiento termico intercalado entre un material elastico se ubica entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. Una segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye un material de aislamiento termico intercalado entre un material elastico se ubica entre el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el tercer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. Una tercera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye un material elastico esta ubicado entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y la base y una cuarta barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye un material de aislamiento termico y un material elastico ubicado entre el tercer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y la cubierta.
En otra realizacion descrita, un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye una carcasa que incluye una pared lateral y un primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica y que se encuentra dentro de la carcasa. Un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica tambien esta ubicado dentro de la carcasa adyacente al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. El dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye una primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que comprende una capa de aislamiento electrico de un material dielectrico intercalada entre una capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica de un material elastico y una capa de barrera de combustion de un material no combustible. La primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica se ubica entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. La capa de aislamiento electrico del material dielectrico de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica incluye al menos un respiradero orientado y la capa de barrera de combustion de un material no combustible de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica incluye al menos un respiradero orientado. El dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica tambien incluye una segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que comprende una capa de aislamiento electrico de un material dielectrico intercalada entre una capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica de un material elastico y una capa de barrera de combustion de un material no combustible. La capa de aislamiento electrico del material dielectrico de la segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica incluye al menos un respiradero orientado y la capa de barrera de combustion de un material no combustible de la segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica incluye al menos un respiradero orientado. La segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica esta ubicada entre el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica. De acuerdo con esta realizacion descrita, el al menos un respiradero orientado incluido en la capa de aislamiento electrico del material dielectrico de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica y el al menos un respiradero orientado incluido en la capa de barrera de combustion de un material no combustible de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica se orienta a una posicion cerrada y se puede mover desde la posicion cerrada a una posicion abierta, impidiendo la posicion cerrada el flujo de gas a traves de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica e impidiendo la posicion abierta el flujo de gas a traves de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica en menor grado que la posicion cerrada. El al menos un respiradero orientado incluido en la capa de aislamiento electrico del material dielectrico de la segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica y el al menos un respiradero orientado incluido en la capa de barrera de combustion de un material no combustible de la segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica se orienta a una posicion cerrada y se puede mover desde la posicion cerrada a una posicion abierta, impidiendo la posicion cerrada el flujo de gas a traves de la segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica e impidiendo la posicion abierta el flujo de gas a traves de la segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica en menor grado que la posicion cerrada.
En realizaciones de un aspecto adicional de un dispositivo portatil de celda de almacenamiento de energia electrica descrito en el presente documento, el dispositivo de almacenamiento de energia electrica portatil incluye una carcasa que incluye una pared lateral con un primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica situadas dentro de la carcasa. Un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica tambien esta ubicado dentro de la carcasa y adyacente al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. Una primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica que comprende una capa de un material dielectrico intercalada entre una capa de un material elastico y una capa de un material no combustible esta ubicada entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica. La capa del material dielectrico de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica incluye al menos un respiradero orientado y la capa de un material no combustible de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica incluye al menos un respiradero orientado. El al menos un respiradero orientado incluido en la capa del material dielectrico de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica y el al menos un respiradero orientado incluido en la capa de un material no combustible de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica se orienta a una posicion cerrada y se puede mover desde la posicion cerrada a una posicion abierta, impidiendo la posicion cerrada el flujo de gas a traves de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica e impidiendo la posicion abierta el flujo de gas a traves de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica en menor grado que la posicion cerrada.
BREVE DESCRIPCION DE LAS VARIAS VISTAS DE LOS DIBUJOS
En los dibujos, numeros de referenda identicos identifican elementos o actos similares. Los tamanos y las posiciones relativas de los elementos en los dibujos no estan necesariamente dibujados a escala. Por ejemplo, las formas de varios elementos y angulos no se dibujan a escala, y algunos de estos elementos se agrandan y posicionan arbitrariamente para mejorar la legibilidad del dibujo. Ademas, las formas particulares de los elementos tal como estan dibujados no pretenden transmitir ninguna informacion con respecto a la forma real de los elementos particulares, y se han seleccionado unicamente para facilitar su reconocimiento en los dibujos.
La figura 1 es una vista isometrica, parcialmente en despiece, de un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica que incluye algunos de los diversos componentes o estructuras descritas en este documento, de acuerdo con una realizacion ilustrada no limitativa.
La figura 2 es una vista isometrica, mas completamente en despiece del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica de la figura 1.
La figura 3 es una vista isometrica, parcialmente en despiece de otra realizacion de un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica que incluye algunos de los diversos componentes o estructuras descritas en este documento, de acuerdo con una realizacion ilustrada no limitativa.
La figura 4 es una vista isometrica de estructuras de explosion formadas de acuerdo con una realizacion ilustrada no limitativa.
La figura 5 es una ilustracion esquematica de un dispositivo de almacenamiento de energia electrica de acuerdo con las realizaciones no limitativas descritas en este documento que ilustran las trayectorias potenciales tomadas por el gas y la energia termica que emana de una celda de almacenamiento de energia electrica fallada de un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
La figura 6 es una vista en despiece de un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica de un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica que incluye algunos de los diversos componentes o estructuras descritas en este documento, de acuerdo con realizaciones no limitativas descritas en este documento.
La figura 7 es una vista en alzado lateral de un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica que incluye dos modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica del tipo ilustrado en la figura 6.
La figura 8 es una vista isometrica de una porcion de un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica con respiraderos orientados en una posicion cerrada, de acuerdo con una realizacion no limitativa.
La figura 9 es una vista isometrica del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica de la figura 8 que muestra los respiraderos orientados en una posicion abierta.
DESCRIPCION DETALLADA
Se apreciara que, aunque se han descrito en el presente documento realizaciones especificas del objeto de esta solicitud con fines ilustrativos, se pueden realizar varias modificaciones sin apartarse del espiritu y del alcance del objeto descrito. En consecuencia, el objeto de esta solicitud no esta limitado, excepto como se indica en las reivindicaciones adjuntas.
En la descripcion siguiente, se exponen ciertos ejemplos y detalles especificos a fin de proporcionar un entendimiento profundo de las diferentes realizaciones divulgadas. Sin embargo, un experto en la tecnica relevante reconocera que las realizaciones pueden ponerse en practica sin uno o mas de estos detalles especificos, o con otros procedimientos, componentes, materiales, etc. En otros casos, estructuras bien conocidas asociadas con celdas portatiles de almacenamiento de energia electrica, por ejemplo, baterias, no se han mostrado ni descrito en detalle para evitar oscurecer innecesariamente las descripciones de las realizaciones.
A menos que el contexto requiera lo contrario, a lo largo de la memoria descriptiva y las reivindicaciones que siguen, la palabra "comprende" y sus variaciones, tales como, "que comprende" y "comprendiendo" deben interpretarse en un sentido abierto e inclusivo que es como "que incluye, pero no limitado a".
La referencia en esta memoria descriptiva a "un modo de realization", "otro modo de realization" significa que un rasgo, estructura o caracteristica particular descrita en conexion con el modo de realization se incluye en al menos un modo de realization. Portanto, la aparicion de la frase "en un modo de realization" presente en diferentes lugares a lo largo de esta memoria descriptiva no necesariamente se refiere al mismo modo de realization.
El uso de ordinales, como primero, segundo y tercero, no implica necesariamente un sentido de orden clasificado, sino que puede que solo distinga entre multiples instancias de un acto o estructura.
La referenda a un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica o un dispositivo de almacenamiento de energia electrica significa cualquier dispositivo capaz de almacenar energia electrica y liberar energia electrica almacenada, incluyendo, entre otras, baterias, supercondensadores o ultracondensadores, y modulos compuestos por una pluralidad de los mismos. La referencia a celda(s) de almacenamiento de energia electrica portatil significa una celda o celdas de almacenamiento de quimicos, por ejemplo, celdas de bateria recargables o secundarias que incluyen, entre otras, celdas de bateria de aleacion de niquel-cadmio o celdas de bateria de iones de litio. Un ejemplo no limitativo de celdas portatiles de almacenamiento de energia electrica se ilustra en las figuras como cilindricas, por ejemplo, similares en tamano y forma a las baterias de tamano AAA convencionales; sin embargo, la presente divulgation no se limita a este factor de forma ilustrado.
Los encabezados y el Resumen de la Divulgation que se proporciona en este documento son solo por conveniencia y no interpretan el alcance o el significado de las realizaciones.
En terminos generales, la presente divulgation esta dirigida a ejemplos de dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica adecuados para alimentar dispositivos electricos tales como vehiculos de tipo electrico o hibrido, por ejemplo, motocicletas, scooters y bicicletas electricas, herramientas electricas, cortadoras de cesped electricas y equipos de jardineria y similares, que incluyen una o mas barreras de celdas de almacenamiento de energia electrica que sirven para prevenir la migration y la propagation de la energia termica desestabilizadora de una celda de almacenamiento de energia electrica de una celda o modulo de almacenamiento de energia electrica a otra celda o modulo de almacenamiento de energia electrica. Se proporciona una description adicional de los dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica de acuerdo con las realizaciones descritas en el presente documento en el contexto de los dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica usados con scooters electricos; sin embargo, debe entenderse que los dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica de acuerdo con las realizaciones descritas en el presente documento no se limitan a las aplicaciones en scooters electricos. Ademas, los dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica se describen a continuation con referenda a un unico modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que contiene una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica y un par de modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica, cada uno de los cuales contiene una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica. La presente description no se limita a dispositivos de almacenamiento de energia electrica que incluyen un solo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica o solo un par de modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica y abarca dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica que incluyen mas de un par de modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica.
En una aplicacion especifica en la que los dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica de acuerdo con las realizaciones descritas en la presente solicitud se utilizan para alimentar vehiculos electricos, tales como un scooter electrico, uno o mas dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica se reciben en un compartimiento ubicado debajo del usuario, por ejemplo, debajo del asiento del scooter. Tipicamente, el dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica incluye un asa por la cual el usuario Neva el dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica, lo coloca y lo saca del compartimiento.
Con referencia a la figura 1, un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica 10 incluye un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica individuales 14. El modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 esta alojado dentro de una carcasa 16 que incluye un armazon 18, una cubierta 20 y una base 22. El armazon 18, la cubierta 20 y la base 22 estan formadas por el mismo material rigido o no combustible o diferente, tal como un metal o no metal, tal como un plastico. Un ejemplo no limitativo de un metal es el aluminio. Aunque no se ilustra, la cubierta 20 puede incluir un asa para facilitar el transporte del dispositivo de almacenamiento de energia electrica. Ademas, aunque no se ilustra, la base 22 incluye elementos electricamente conductores que pasan atraves del armazon 18 y cooperan con elementos electricamente conductores dentro del armazon 18 para proporcionar conexion electrica al modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 desde una ubicacion externa al dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica 10. Ademas, los elementos electricamente conductores estan asociados con cada modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y conectan electricamente las celdas de almacenamiento de energia electrica individuales y tambien conectan electricamente los modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica. El armazon 18 esta sellado hermeticamente a los gases con la cubierta 20 y la base 22 y forma una carcasa hermetica al gas. Los elementos electricamente conductores que pasan a traves de la base 22 tambien estan sellados de forma estanca a los gases a la base 22. Por lo tanto, el armazon 18, la cubierta 20 y la base 22 forman un recinto hermetico a los gases que contiene el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12. Debido a que el armazon 18, la cubierta 20 y la base 22 forman un recinto hermetico a los gases, se puede evacuar el recinto para eliminar el oxigeno que soporta la combustion. La eliminacion del oxigeno que soporta la combustion reduce la cantidad de combustion que se puede producir dentro del recinto sellado. Alternativamente, el recinto puede purgarse del oxigeno que soporta la combustion, desplazando el oxigeno con gases incapaces de soportar la combustion, tal como nitrogeno. El armazon 18 se puede sellar a la cubierta 20 y a la base 22 utilizando materiales convencionales tales como elementos de acoplamiento hembra y macho solos o en combinacion con materiales adhesivos. Alternativa o adicionalmente, pueden proporcionarse juntas para sellar el armazon 18 a la cubierta 20 y la base 22. De manera similar, los elementos electricamente conductores que pasan a traves de la base 22 se pueden sellarse a la base 22 utilizando materiales convencionales tales como materiales adhesivos y/o juntas.
Los intersticios entre las celdas de almacenamiento de energia electrica adyacentes 14 que forman el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12, y el espacio vacio entre las celdas de almacenamiento de energia electrica 14 y la carcasa 16, estan ocupados por un material de absorcion de energia termica capaz de almacenar calor latente. Materiales absorbentes de energia termica adecuados absorben o liberan energia termica sin un cambio sustancial en la temperatura del material, por ejemplo, a traves de un cambio de fase. Ejemplos de materiales que absorben energia termica incluyen materiales capaces de absorber y almacenar grandes cantidades de energia a traves de un cambio de fase. Tales materiales se conocen comunmente como materiales de cambio de fase. Los materiales de cambio de fase generalmente se entienden limitados a materiales en los que el cambio de fase esta entre un solido y un liquido; sin embargo, los materiales de cambio de fase no se limitan a aquellos que cambian entre un estado solido y un estado liquido. Los materiales de cambio de fase pueden ser materiales organicos, tales como parafinas y acidos grasos. Los materiales de cambio de fase tambien pueden ser inorganicos, tal como los hidratos de sal. Los materiales de cambio de fase tambien pueden ser materiales eutecticos o materiales higroscopicos.
Como se senala en los antecedentes, aunque es raro, el cortocircuito interno o externo de las celdas de almacenamiento de energia electrica de iones de litio puede hacer que la temperatura de una celda de almacenamiento de energia electrica individual aumente hasta un nivel en el que el catodo pueda reaccionar y descomponer la solucion de electrolito. Si esto ocurre, se produce energia termica adicional y los gases que se producen a partir de la descomposicion de la solucion de electrolito pueden reaccionar con el catodo, liberando mas energia termica. La produccion de gases dentro de una celda de almacenamiento de energia electrica hace que aumente la presion dentro de la celda sellada. Si la presion dentro de la celda aumenta por encima de la presion de rotura de la celda disenada, la celda se rompe y el gas se escapa. Durante estas reacciones, se produce una cantidad limitada de oxigeno que puede soportar una combustion adicional. Si los gases que escapan estan expuestos a temperaturas superiores a las que los gases se encienden, los gases pueden encenderse y arder. Ademas, si la energia termica liberada de una celda cortocircuitada y la combustion de los gases que escapan de una celda de rotura provocan que la temperatura de otras celdas de almacenamiento de energia electrica aumente por encima de la temperatura a la que dichas celdas son normalmente estables, los catodos de estas otras celdas de almacenamiento de energia pueden reaccionar con la solucion de electrolito y producir gases que causan que estas celdas estallen y se quemen. Aunque tal combustion iniciada por cortocircuito es rara, un buen diseno y la preocupacion por la seguridad del usuario dictan que se tomen medidas para proteger a los usuarios en el improbable caso de que las celdas de almacenamiento de energia electrica fallen.
Continuando con referenda a la figura 1 y refiriendose adicionalmente a la figura 2, una realizacion no limitativa de un aspecto de un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica descrito aqui incluye un unico modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica 14. En la realizacion ilustrada en la figura 1, el unico modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 incluye multiples celdas de almacenamiento de energia electrica individuales 14. Debe entenderse que se puede utilizar un numero mayor o menor de celdas de almacenamiento de energia electrica individuales en comparacion con el numero ilustrado en la figura 1.
Aunque no se ilustra especificamente para evitar ocultar otras caracteristicas del objeto divulgado, los intersticios entre las celdas de almacenamiento de energia electrica 14 estan ocupados por un material de cambio de fase. El material especifico de cambio de fase utilizado se selecciona teniendo en cuenta una serie de factores, incluyendo la magnitud de la energia termica que el material de cambio de fase es capaz de absorber antes de completar su cambio de fase y de que la temperatura comience a subir. En general, se prefieren materiales de cambio de fase que pueden absorber mas energia antes de que se complete el cambio de estado a los materiales de cambio de fase que completan el cambio de estado al absorber menos energia termica. Los materiales de cambio de fase ejemplares incluyen materiales organicos, tales como parafinas y acidos grasos. Los materiales de cambio de fase tambien pueden ser inorganicos, tal como los hidratos de sal. Los materiales de cambio de fase tambien pueden ser materiales eutecticos o materiales higroscopicos. En la realizacion ilustrada en las figuras 1 y 2, una barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 24 esta situada por encima del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12. La barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 24 incluye una capa de material de aislamiento termico 26 y una capa de material elastico 28. Tanto la capa de material de aislamiento termico 26 como la capa de material elastico 28 estan dimensionadas de modo que se superpongan a toda la superficie superior del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12. La periferia de la capa de material de aislamiento termico 26 y la periferia de la capa de material elastico 28 estan conformadas y dimensionadas para que se ajusten estrechamente dentro del armazon 18. El ajuste estrecho entre la capa de material elastico 28 y la capa de material de aislamiento termico 26 no necesita sertolerado tan estrechamente que se proporcione un sellado hermetico entre estas capas y la superficie interna del armazon 18; sin embargo, cuanto mas cerca este el ajuste entre la superficie interior del armazon 18 y al menos una de la capa de material de aislamiento termico 26 y la capa de material elastico 28, mejor sera el bloqueo de la celda de almacenamiento de energia electrica 24 y las llamas por la combustion que pasa entre la superficie interior del armazon 18 y la periferia exterior del material de aislamiento termico 26 y/o el material elastico 28. Se preferirla un ajuste menos ajustado entre la superficie interior del armazon 18 y al menos una de la capa de material de aislamiento termico 26 y la capa de material elastico 28 desde el punto de vista de asegurar que el material de cambio de fase u otro fluido pueda fluir entre la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 24 y el armazon 18. La cooperacion entre la capa de material de aislamiento termico 26 y/o la capa de material elastico 28 y la superficie interior del armazon 18 impide y, en algunas realizaciones, mas preferiblemente evita la migracion de energia termica y las llamas de la combustion de una celda de almacenamiento de energia electrica 14 en el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 a ubicaciones en el lado de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 24 opuesto al lado adyacente al modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12. En otras realizaciones, la cooperacion entre la capa de material de aislamiento termico 26 y/o la capa de material elastico 28 y la superficie interior del armazon 18 impide la migracion de energia termica y las llamas de la combustion de una celda de almacenamiento de energia electrica 14 en el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 a ubicaciones en el lado de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 24 opuesta al lado adyacente al modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12, mientras que permite que los gases fluyan desde un lado de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 24.
El material de aislamiento termico 26 sirve como capa de aislamiento termico y barrera para la migracion de la energia termica producida por la combustion de una celda de almacenamiento de energia electrica dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 hacia el lado de la capa de material de aislamiento termico 26 que es opuesto al modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12. Al proporcionar una barrera a la migracion de la energia termica de un lado de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 24 al otro lado, se reduce o evita la propagacion del fallo de las celdas de almacenamiento de energia electrica inducido portemperaturas elevadas. El material de aislamiento termico 26 se elige entre materiales que tienen una conductividad termica tal que el material de aislamiento termico impide la transferencia de energia termica a traves del material de aislamiento termico. En otros ejemplos no limitativos, el material de aislamiento termico 26 se forma a partir de un material que es electricamente no conductor. La propiedad electricamente no conductora del material de aislamiento termico 26 evita que el material de aislamiento termico afecte de manera adversa, por ejemplo, el cortocircuito, las caracteristicas conductoras conectadas electricamente a las celdas de almacenamiento de energia electrica 14. Ejemplos no limitativos de material de aislamiento termico 26 incluyen materiales que tienen una conductividad termica que es inferior a aproximadamente 0,5 BTU/pie2/hr/pulgada (124,19 n r1kgs-3) a temperaturas correspondientes a las temperaturas donde se producen las celdas de almacenamiento de energia electrica y la ignicion. Ademas, el material de aislamiento termico tambien es resistente al fuego a temperaturas superiores a aproximadamente 130 °C. El material de aislamiento termico puede incluir materiales ceramicos, materiales a base de vermiculita u otros materiales conocidos por proporcionar propiedades aislantes termicas. El soporte para los materiales ceramicos puede ser telas impregnadas con ceramica, a base de papel, fibra de vidrio u otros materiales capaces de formar laminas delgadas que contienen materiales aislantes termicos. Ejemplos no limitativos de material de aislamiento termico incluyen materiales que comprenden fibras ceramicas. Dichas fibras ceramicas pueden formarse a partir de alumina, mullita, carburo de silicio, circonia o carbono. En realizaciones especificas, la capa de material de aislamiento termico 26 incluye fibras ceramicas en forma de papel. Aunque no pretende limitarse a esto, algunos materiales de papel ceramico son resistentes al fuego hasta 1260 °C o mas. De acuerdo con las realizaciones ilustradas en las figuras 1 y 2, la capa de material de aislamiento termico 26 tiene un espesor que varia de aproximadamente 0,5 mm a aproximadamente 2 mm, aunque el material de aislamiento termico puede ser mas grueso o mas delgado dependiendo, entre otras cosas, de la cantidad de material de aislamiento termico deseado.
El material elastico 28 sirve como barrera de combustion al proporcionar una barrera fisica no combustible para la migracion de la combustion de una celda de almacenamiento de energia electrica 14 dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 al lado de la barrera de celdas de almacenamiento de energia 24 opuesta al modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12. Ejemplos no limitativos de materiales para la capa de material elastico 28 incluyen materiales elasticos que no son combustibles a temperaturas de aproximadamente 130 °C y superiores. En realizaciones no limitativas, el material elastico 28 proporciona proteccion a los terminales de las celdas de almacenamiento de energia electrica 14 formandose a partir de un material que es mas blando que el material del que se forman los terminales de la celda de almacenamiento de energia electrica. En otros ejemplos no limitativos, el material elastico 28 se forma a partir de un material que es electricamente no conductor. La propiedad electricamente no conductora del material elastico 28 evita que el material elastico afecte de manera adversa, por ejemplo, el cortocircuito, las caracteristicas conductoras conectadas electricamente a las celdas de almacenamiento de energia electrica 14. Ejemplos no limitativos de materiales para el material elastico 28 incluyen materiales que tienen una dureza inferior a aproximadamente 50 a 100 en una escala Shore y una resistividad electrica de mas de aproximadamente 10 a aproximadamente 20 ohmios o mas. En realizaciones especificas, el material elastico es un caucho de fluoropolimero, caucho de butilo, caucho de polietileno clorosulfonado, caucho de epiclorohidrina, caucho de etileno-propileno, caucho de fluoroelastomero, caucho de fluorosilicona, caucho de nitrilo hidrogenado, caucho natural de nitrilo, caucho de perfluoroelastomero, caucho poliacrilico, caucho de policloropreno, caucho de poliuretano, caucho de silicona y caucho de estireno butadieno. De acuerdo con las realizaciones ilustradas en las figuras 1 y 2, la capa de material elastico 28 tiene un espesor de aproximadamente 0,5 mm a 2,0 mm, aunque el material elastico puede ser mas grueso o mas delgado, dependiendo, entre otras cosas, de la cantidad de inhibition de la migracion de la combustion y/o amortiguacion deseada.
Como se describe en los antecedentes, en aplicaciones donde solo se utiliza una sola celda de almacenamiento de energia electrica, la combustion de la celda crea una situacion indeseable. La gravedad de esta situacion aumenta cuando una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica se despliegan en forma de un banco o modulo de baterias. Por ejemplo, cuando la celda de almacenamiento de energia electrica incluye quimica de iones de litio, la combustion de la celda de iones de litio puede producir temperaturas locales por encima de la temperatura a la que las celdas de iones de litio se vuelven inestables, estallan y se queman. Por lo tanto, es posible que la combustion de una sola celda de iones de litio en un banco de celdas de iones de litio haga que otras celdas en el banco estallen, se encienden y se quemen. Afortunadamente, las celdas de iones de litio han demostrado ser muy seguras y la explosion y la combustion de las celdas de iones de litio es muy rara. No obstante, en interes de la seguridad del usuario y la aceptacion de las celdas de almacenamiento de energia electrica como fuentes de energia para vehiculos electricos, tal como scooters, es importante tomar medidas para reducir la posibilidad de rotura y combustion de un almacenamiento de energia electrica de iones de litio para controlar la combustion en el improbable caso de que dicha celda se encienda.
De acuerdo con las realizaciones descritas en el presente documento, la combustion de una celda de almacenamiento de energia electrica o la combustion de una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica se gestiona a traves de una combination de las siguientes caracteristicas de las realizaciones descritas en el presente documento. Primero, se aprovecha la necesidad de que el oxigeno inicie la ignicion de los gases de una celda de rotura y mantenga la combustion de una celda encendida. En segundo lugar, en el caso de que se produzca la combustion, se restringe la migracion de energia termica de una celda danada y en combustion a otras celdas. En tercer lugar, hasta una cierta presion umbral, los gases formados como resultado del fallo de la celda y los gases formados por la combustion de tales gases estan contenidos dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica sellado hermeticamente. Cuarto, la explosion del dispositivo de almacenamiento de energia electrica se controla para evitar la explosion descontrolada en direcciones impredecibles y potencialmente peligrosas.
En un primer nivel, las celdas de almacenamiento de energia electrica de iones de litio en una carcasa hermetica libre de oxigeno aislan las celdas del oxigeno necesario para encender y mantener la combustion de gases inflamables que pueden salir de una celda con fallo de rotura. Por lo tanto, en el improbable caso de que un fallo de una sola celda resulte en la explosion de la celda y la ignicion del gas ventilado desde la celda, el oxigeno disponible para sostener la combustion se limita al oxigeno producido por las reacciones que se producen entre los reactivos dentro de la celda defectuosa. La limitation del oxigeno disponible para soportar la combustion al oxigeno generado in situ minimiza el tiempo de combustion dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica, lo que reduce la probabilidad de que la temperatura dentro del dispositivo se eleve a un nivel donde se produzca el fallo y la posterior explosion y combustion de gases de otras celdas. Ademas, la ausencia de oxigeno dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica impide la combustion del material de absorcion de energia termica. Por ejemplo, los materiales de cambio de fase utilizados como materiales de absorcion de energia termica son combustibles al cambiar a un estado liquido. Al limitar el contenido de oxigeno dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica, se evita o reduce la combustion del material de cambio de fase.
Por lo general, la ventilation y la combustion de gases de una celda de almacenamiento de energia electrica individual solo dura unos pocos segundos. Durante este tiempo, las temperaturas localizadas pueden acercarse a temperaturas en las que las celdas de almacenamiento de energia electrica adyacentes pueden volverse inestables. Para aislar las celdas de almacenamiento de energia electrica por lo demas estables de la energia termica que emana de una celda defectuosa, los intersticios entre las celdas de almacenamiento de energia electrica adyacentes estan ocupadas por el material de absorcion de energia termica descrito anteriormente. El material de absorcion de energia termica absorbe la energia termica que resulta del fallo de la celda y la combustion de los gases que emanan de la celda fallada sin un aumento en la temperatura del material de absorcion de energia termica. La cantidad de energia termica que puede absorber el material absorbente de energia termica presente dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica antes de que comience a aumentar la temperatura depende de la composition del material absorbente de energia termica y del volumen de material presente. Por ejemplo, un volumen de material absorbente de energia termica sera suficiente para absorber la cantidad total de energia termica producida por el fallo y la combustion de un cierto numero de celdas; sin embargo, si las celdas adicionales fallan y se queman, el material que absorbe energia termica no podra absorber la energia termica adicional sin aumentar la temperatura.
En el caso improbable de que las celdas de almacenamiento de energia electrica no funcionen, se produce una energia termica que supera la cantidad de energia termica que puede absorber el material que absorbe energia termica, la probabilidad de que las celdas de almacenamiento de energia electrica adicional puedan fallar y aumente la combustion, lo que genera un posible fallo de autopropagacion y combustion de celdas adicionales. Dichos fallos de autopropagacion y combustion podrian dar lugar a una acumulacion de presion dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica a niveles que podrian, en ausencia de las caracteristicas incluidas en las realizaciones descritas en el presente documento, provocar una explosion incontrolada del dispositivo. Los dispositivos de celdas de almacenamiento de energia electrica del tipo descrito aqui incluyen una estructura de explosion disenada para explotar en una ubicacion predeterminada y en una direction predeterminada en el caso de que la presion dentro del dispositivo exceda una cantidad umbral. Tales estructuras de explosion se describen a continuacion con mas detalle. Dicho umbral de presion puede establecerse en cualquier nivel, siempre que sea menor que la presion a la que el dispositivo estallaria en lugares donde no se desea estallar. La presion a la que estalla el dispositivo de almacenamiento de energia electrica tambien puede tener en cuenta la acumulacion de presion resultante del fallo y la combustion de mas de X numero de celdas individuales, donde X es la cantidad de celdas por encima de la cual fallo y combustion de tal numero de las celdas que resulta en que la presion dentro del dispositivo supera la presion necesaria para hacer estallar el dispositivo de almacenamiento de energia electrica en lugares no deseados. De acuerdo con las realizaciones que incluyen la estructura de explosion descrita en el presente documento, la carcasa del dispositivo explotara y dirigira los gases calientes y las llamas en una direccion que reduce el riesgo de lesiones para las personas que se encuentran cerca de la carcasa.
Con referenda a la figura 4, en la realizacion ilustrada en las figuras 1 y 2, la base 22 esta provista de una estructura de explosion 30. La estructura de explosion 30 en la Figura 4 incluye una caracteristica "marcada" en la parte inferior de la base 22. La puntuacion del fondo de la base 22 produce porciones punteadas que son mas delgadas que las porciones no puntuadas de la base 22. La puntuacion se proporciona moldeando la puntuacion en la base o se puede proporcionar estampando la puntuacion en la base. La puntuacion tambien puede ser proporcionada por otras tecnicas bien entendidas. Aunque la estructura de explosion 30 se ilustra en la figura 4 con partes puntuadas, debe entenderse que pueden proporcionarse caracteristicas distintas de una caracteristica puntuada como una estructura de explosion. Por ejemplo, la estructura de explosion puede tomar la forma de una valvula de alivio de presion u otra estructura o hardware que ventilara la carcasa 16 cuando la presion dentro de la carcasa exceda un nivel predeterminado.
La estructura de explosion 30 esta disenada para romperse o fracturarse una vez que la presion dentro de la carcasa 16 alcanza una presion predeterminada. La presion predeterminada a la que se fractura la estructura de explosion puede ser cualquier presion, por ejemplo, una presion por encima de la presion que se acumula dentro de la carcasa tras el encendido y la combustion de un numero predeterminado de celdas de almacenamiento de energia electrica individuales 14 dentro de la carcasa 16. Por ejemplo, si el numero de celdas de almacenamiento de energia electrica que se encienden y queman esta por debajo del numero predeterminado, el aumento de la presion dentro de la carcasa 16 no creara un riesgo significative de estallido descontrolado de la carcasa 16. Por otro lado, si el numero de celdas de almacenamiento de energia electrica que se encienden y queman esta por encima del numero predeterminado, el aumento de la presion dentro de la carcasa aumenta el riesgo de que la carcasa explote de manera incontrolable. La estructura de explosion 30 esta disenada para romperse o fracturarse una vez que la presion dentro de la carcasa 16 alcanza la presion predeterminada. En la realizacion ilustrada en la figura 4, la estructura de explosion 30 esta ubicada en la parte inferior de la base 22. Por lo tanto, cuando la estructura de explosion 30 explota, los gases de combustion y las llamas calientes pueden salir del fondo del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica 10 y dirigirse hacia abajo. Aunque la estructura de explosion 30 se ilustra como ubicada en la parte inferior de la base 22, tambien puede ubicarse en otro lugar. Por ejemplo, la estructura de explosion 30 se puede ubicar en el lado de la base 22 o en el lado del armazon 18 o en la parte superior o lateral de la cubierta 20. La ubicacion especifica de la estructura de explosion generalmente se seleccionara de modo que los gases de combustion y las llamas se dirijan fuera de la carcasa 16 en una direccion segura, por ejemplo, lejos de las personas que estan cerca de la carcasa 16 en uso normal. En una realizacion en la que el dispositivo de almacenamiento de energia electrica esta ubicado debajo del asiento de un scooter electrico, la estructura de explosion 30 se ubica preferiblemente en la parte inferior de la base 22, de manera que los gases calientes y las llamas salgan de la carcasa 16 en una direccion alejada del usuario.
Refiriendonos nuevamente a la figura 2, en el lado del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12, adyacente a la base 22, una capa de material elastico 32 separa las celdas de almacenamiento de energia electrica 14 del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 de la base 22 que incluye la estructura de explosion 30. En esta ubicacion, se omite una capa de material de aislamiento termico porque la propagacion de la energia termica y la combustion son menos preocupantes porque en la realizacion ilustrada no hay celdas de almacenamiento de energia electrica adicionales debajo del modulo de celdas 12 y la base 22 esta ubicada mas alejada del usuario.
Con referenda a la figura 3, se ilustra otra realizacion de un dispositivo de celda de almacenamiento de energia electrica e incluye mas de un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12. En la realizacion ilustrada en la figura 3, un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 34 que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica individuales 46 esta situado sobre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica 14. Posicionada por encima del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 34 hay una segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 36 identica a la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 24 descrita con referenda a la figura 1. La realizacion de la figura 3 tambien difiere de la realizacion ilustrada en la figura 1 al incluir una primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 38 que incluye una capa de material de aislamiento termico 40 intercalada entre una capa de material elastico 42 y una capa de material elastico 44. Los materiales elasticos 42 y 44 y el material de aislamiento termico 40 son de naturaleza identica al material elastico 32 y al material de aislamiento termico 26 descritos anteriormente con referenda a las figuras 1 y 2. La segunda capa de material elastico 42 de la primera barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 38 protege los terminales electricos de las celdas de almacenamiento de energia electrica 46 en el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 34.
A diferencia de la realizacion ilustrada y descrita con referenda a las figuras 1 y 2, la realizacion de un dispositivo de almacenamiento de energia electrica ilustrada en la figura 3 incluye un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 34 por encima del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12. La provision de un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 34 hace que sea deseable proteger el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 34 de la combustion que pueda producirse dentro del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 12 y viceversa. Esta proteccion es proporcionada por la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 38 de tres capas.
Debe entenderse que, aunque las realizaciones que incluyen un unico modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y dos modulos de celda de almacenamiento de energia electrica se han descrito anteriormente con referenda a las figuras 1 a 3, de acuerdo con la materia descrita en este documento, se pueden proporcionar mas de dos modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica. Cuando se proporcionan mas de dos modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica, de acuerdo con las realizaciones descritas en el presente documento, se proporciona una barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica de tres capas similar a la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 38 en la figura 3 entre modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica.
Ademas, aunque se han descrito realizaciones especificas de las barreras de celdas de almacenamiento de energia electrica 24, 36 y 38, debe entenderse que se pueden proporcionar capas adicionales de material de aislamiento termico si se desea aislamiento termico adicional. De manera similar, se pueden proporcionar capas adicionales de material elastico si se desea una mayor proteccion de los terminales electricos.
La figura 5 ilustra esquematicamente varias trayectorias diferentes de gases y energia termica que emanan de una celda de almacenamiento de energia electrica defectuosa dentro del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 que puede pasar a traves del material de absorcion termica. En la primera instancia, representada esquematicamente por la linea de puntos 102, los gases y la energia termica que emana de un extremo superior de una celda de almacenamiento de energia electrica (no se muestra) constituyen una porcion del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 que incide sobre la superficie interior de una cubierta superior 104 del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100, se refleja en la superficie interior de la cubierta superior 104 y esta contenida dentro del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100. La desviacion de estos gases y la energia termica hacia el interior del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica no es deseable por al menos las razones por las que los gases y la energia termica pueden danar las celdas de almacenamiento de energia electrica no danadas dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100. Por ejemplo, la energia termica de la combustion de los gases puede hacer que las celdas de almacenamiento de energia electrica que no esten danadas se enciendan por si mismas, lo que podria propagar una fuga termica del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100. Ademas, la combustion de los gases dentro del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 puede resultar en un aumento de la presion dentro del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100. Si dicha acumulacion de presion excede la presion de explosion del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100, el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 puede estallar, posiblemente con fuerza explosiva.
En otro caso, representado esquematicamente por la linea de puntos 106, los gases y la energia termica pasan a traves de la cubierta 104 y escapan del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100. Los gases y la energia termica fluyen alrededor del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108. Aunque esta instancia puede tener una probabilidad reducida de que los gases y la energia termica causen que las celdas de almacenamiento de energia electrica 100 dentro del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 fallen, se rompan o se enciendan, o que la segunda celda de almacenamiento de energia electrica se rompa, existe un mayor riesgo de que los gases y la energia termica que viajan a lo largo de la linea de puntos 106 puedan causar que las celdas de almacenamiento de energia electrica dentro del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108 se rompan, fallen o enciendan, lo que podria aumentar el riesgo de que el dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica 120 explote. La ignicion de las celdas de almacenamiento de energia electrica en el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108 podria ocurrir cuando las temperaturas localizadas dentro del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica se elevan por encima de las temperaturas en las que ocurre un fallo y/o ignicion de celdas de almacenamiento de energia electrica portatiles individuales. Por ejemplo, los gases y la energia termica que emanan del modulo de celdas de almacenamiento electrico 100 impactaran en la parte inferior del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108 y podrian causar que las temperaturas localizadas dentro del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108 aumenten por encima de las temperaturas en las que el almacenamiento de energia electrica individual las celdas dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108 se encienden y/o rompen. Los gases y la energia termica que inciden en el lado inferior del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108 pueden disiparse y moverse hacia la periferia del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108, donde pueden pasar entre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108 y el armazon 110 del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica 120 ilustrado. Los gases y la energia termica presentes en esta ubicacion podrian causar que las temperaturas localizadas en el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108 excedan las temperaturas a las cuales las celdas de almacenamiento de energia electrica individuales dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108 fallan, se rompen y/o se encienden.
Con referencia a la figura 6, una vista en despiece de un dispositivo de almacenamiento de energia electrica de acuerdo con realizaciones no limitativas descritas en el presente documento incluye un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. El modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 se ilustra esquematicamente; sin embargo, se entiende que el modulo 200 incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica individuales similares a las ilustradas en las figuras 2 y 3. Ademas, el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 se ilustra esquematicamente como un modulo rectangular; sin embargo, el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 no esta limitado a formas rectangulares y puede tomar otras formas, tal como un cilindro o una forma rectangular con esquinas redondeadas. Aunque no se ilustra, el modulo 200 incluye conexiones electricas para conectar electricamente celdas de almacenamiento de energia electrica individuales dentro del modulo 200 y conexiones para conectar electricamente el modulo 200 a dispositivos alimentados por el modulo 200. El modulo 200 incluye una pared exterior 202 que define una periferia del modulo 200.
Situados adyacentes a los cuatro lados de la pared exterior 202 hay un par de paredes laterales de modulo 204. Cada pared lateral 204 del modulo incluye una superficie interior 205 que se enfrenta al modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y una superficie exterior 208 en el lado de la pared lateral 204 del modulo opuesto a la superficie interior 205. En la realizacion ilustrada, la superficie exterior 208 esta alejada del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. En realizaciones no limitativas de la figura 6, la pared lateral 204 del modulo se ilustra como dos partes que son imagenes especulares entre si. Debe entenderse que las paredes laterales 204 del modulo pueden estar compuestas por una parte unica que se desliza sobre el modulo 200 o puede estar compuesta por mas de dos partes. La pared lateral 204 del modulo incluye una pluralidad de respiraderos 206 que pasan a traves de la pared lateral 204 del modulo desde su superficie interior 205 hasta su superficie exterior 208. En la realizacion ilustrada, los respiraderos 206 se muestran redondos y alineados en una pluralidad de columnas verticales. Los respiraderos 206 no se limitan a ser redondos y pueden tener otras formas, tal como ovales o rectangulares. Ademas, los respiraderos 206 no necesitan proporcionarse en una pluralidad de columnas verticales y pueden disponerse en diferentes formaciones distintas de las columnas verticales. Los respiraderos 206 estan ubicados en la pared lateral del modulo 204 en ubicaciones que corresponden a espacios vacios dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. Dichos espacios vacios se producen entre celdas individuales de almacenamiento de energia electrica dentro del modulo de celdas 200. Al alinear los respiraderos 206 con dichos espacios vacios, puede ocurrir mas facilmente el flujo de fluidos que promueven la conveccion u otros tipos de transferencia de calor entre las celdas individuales de almacenamiento de energia electrica y el fluido y un lado de la pared lateral 204 del modulo y una cara opuesta de la pared lateral 204 del modulo, por ejemplo, durante la operacion normal. Aunque no se ilustra, en ciertas realizaciones, la pared lateral del modulo 204 puede tener una forma tal que coincida con el contorno del lado exterior del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 resultante de la colocacion de celdas de almacenamiento de energia electrica individuales en la periferia del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. Los materiales utilizados para la pared lateral 204 son del tipo que puede soportar altas temperaturas asociadas con los gases y la energia termica que se generan al fallar una celda de almacenamiento de energia electrica. Dichas temperaturas pueden estar en el rango de 1000 °C o mas. Los materiales ejemplares para la pared lateral 204 incluyen metales o plasticos u otros materiales capaces de soportar tales altas temperaturas sin quemar o distorsionar significativamente.
Ubicado sobre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 hay una barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210. La barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210 cumple varias funciones, incluida la de servir como una barrera para la propagacion de la combustion desde el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 a otro modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica, que sirve para aislar electricamente las celdas de almacenamiento de energia electrica dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 de componentes electricamente conductores de la barrera de celdas de almacenamiento electrico 210, proporciona una barrera para la transferencia de calor desde o hacia el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y protege los electrodos de celdas de almacenamiento de energia electrica dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 del dano causado por contacto con materiales rigidos o abrasivos de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210. En realizaciones no limitativas de la figura 6, la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210 incluye una capa de aislamiento electrico 212 de un material dielectrico intercalado entre una capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica de un material elastico y una capa 216 de barrera de combustion de un material no combustible.
La capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica es un material elastico, cuyos ejemplos no limitativos incluyen materiales elasticos que no son combustibles a temperaturas de aproximadamente 130 °C y mayores. La frase "material elastico" se refiere a materiales que son flexibles, resistentes y capaces de volver sustancialmente a su forma original despues de la deformacion. Los materiales elasticos del tipo descrito aqui no estan limitados a materiales flexibles y elasticos que vuelven completamente a su forma original despues de ser deformados. Los materiales elasticos de acuerdo con los ejemplos no limitativos descritos en el presente documento incluyen materiales que son flexibles y resistentes y que, despues de ser deformados, no vuelven completamente a su forma original. En realizaciones no limitativas, la capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica proporciona proteccion fisica a los terminales de las celdas de almacenamiento de energia electrica que forman una parte del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 al formarse de un material que es mas suave que el material que constituye terminales celulares de almacenamiento de energia electrica. En otros ejemplos no limitativos, el material elastico de la capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica es electricamente no conductor. La propiedad electricamente no conductora de la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214 evita que la capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica afecte adversamente, por ejemplo, cortocircuitos, los terminales o caracteristicas conductoras conectadas electricamente a las celdas de almacenamiento de energia electrica. Ejemplos no limitativos de materiales a partir de los cuales se forma la capa de proteccion 214 de la celda de almacenamiento de energia electrica incluyen materiales elasticos que tienen una dureza de menos de aproximadamente 50 a 100 en una escala Shore y una resistividad electrica de mas de aproximadamente 10 a aproximadamente 20 ohmios o mas. En realizaciones especificas, el material elastico es un caucho de fluoropolimero, caucho de butilo, caucho de polietileno clorosulfonado, caucho de epiclorohidrina, caucho de etileno-propileno, caucho de fluoroelastomero, caucho de fluorosilicona, caucho de nitrilo hidrogenado, caucho natural de nitrilo, caucho de perfluoroelastomero, caucho poliacrllico, caucho de policloropreno, caucho de poliuretano, caucho de silicona y caucho de estireno butadieno. En otras realizaciones especificas, el material elastico es una espuma adaptable de bajo modulo, tal como una espuma termoestable de poliuretano de celda cerrada u otro polimero termoestable de celda cerrada.
La capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica tambien sirve como una barrera o impedimento para la propagacion de la combustion desde un lado de la capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica a un lado opuesto de la capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica. La capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica sirve como barrera o impedimento para la propagacion de la combustion al proporcionar un impedimento incombustible o un bloque de incendio para las llamas resultantes de la combustion de gases que emanan de una celda de almacenamiento de energia electrica defectuosa dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. En otras realizaciones, la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214 proporciona aislamiento termico entre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y la capa de aislamiento electrico 212. Dicho aislamiento termico impide y/o actua como una barrera para la transferencia de energia termica desde el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 a la capa de aislamiento electrico 212. Impedir la transferencia termica entre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y la capa de aislamiento electrico 212 protege las celdas de almacenamiento de energia electrica adyacentes (no mostradas) de un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente (no mostrado) ubicado sobre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 que podria ocasionar el fallo de las celdas de almacenamiento de energia electrica en el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente. Por ejemplo, en el raro caso de que una celda de almacenamiento de energia electrica del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 falle, la celda de almacenamiento emite gases que, al quemarse, generaran grandes cantidades de energia termica. Esta energia termica podria hacer que otras celdas de almacenamiento de energia electrica fallen, y potencialmente emita gases combustibles. Si estos gases se encienden, podria producirse una fuga termica de las celdas de almacenamiento de energia electrica. Ejemplos no limitativos de materiales para uso en la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214 tienen valores de conductividad termica que son menos de aproximadamente 0,5 BTU/pie2/hr/pulgada (124,19 rrr1kgs'3) a temperaturas correspondientes a las temperaturas a las que las celdas de almacenamiento de energia electrica emiten gases combustibles y se produce la ignicion de esos gases. De acuerdo con algunas realizaciones ilustradas en las figuras 6 y 7, la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214 tiene un espesor de aproximadamente 0,1 mm a 3,0 mm. En otras realizaciones, la capa de proteccion 214 de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica tiene un espesor de aproximadamente 0,5 mm a 2,0 mm, y en otras realizaciones mas, la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214 tiene un espesor de aproximadamente 0,75 mm a 1,25 mm. La capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214 puede ser mas gruesa o mas delgada que los rangos no limitativos descritos, dependiendo de, entre otras cosas, la cantidad de inhibicion de la migracion de la combustion, el aislamiento termico, la proteccion del terminal de la celda de almacenamiento de energia electrica y/o la absorcion de choques deseada.
La capa de aislamiento electrico 212 se forma a partir de un material electricamente no conductor, cuyos ejemplos no limitativos incluyen materiales que no son combustibles a temperaturas de aproximadamente 130 °C y superiores y exhiben constantes dielectricas que los hacen aislantes electricos. En realizaciones no limitativas, los materiales electricamente no conductores de la capa de aislamiento electrico 212 evitan que la capa de aislamiento electrico 212 afecte adversamente, por ejemplo, cortocircuitos, los terminales o caracteristicas conductoras conectadas electricamente a las celdas de almacenamiento de energia electrica. Los materiales electricamente no conductores de la capa de aislamiento electrico 212 tambien aislan electricamente los terminales de las celdas de almacenamiento de energia electrica y los circuitos electricos que forman el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 de la capa de barrera de combustion 216. En otras realizaciones no limitativas, el material electricamente no conductor que constituye la capa de aislamiento electrico 212 no es combustible o ignifugo, permitiendo as! que la capa de aislamiento electrico 212 impida o evite la propagacion de la combustion desde un lado de la capa de aislamiento electrico 212 a un lado opuesto de la capa de aislamiento electrico 212. En otras realizaciones no limitativas, el material electricamente no conductor que constituye la capa de aislamiento electrico 212 proporciona aislamiento termico entre la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214 y la capa de barrera de combustion 216. Dicho aislamiento termico impide y/o actua como una barrera para la transferencia de energia termica desde el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 a traves de la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214 a la capa de aislamiento electrico 212. Impedir la transferencia termica entre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y la capa de barrera de combustion 216 ayuda a proteger los modulos de celda de almacenamiento de energia electrica adyacentes (no mostrados) de la energia termica que podria resultar en el fallo de las celdas de almacenamiento de energia electrica en los modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacentes. Por ejemplo, en el caso poco frecuente de que una celda de almacenamiento de energia electrica del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 falle y emita gases, que al quemarse generaran cantidades significativas de energia termica, esta energia termica podria hacer que otras celdas de almacenamiento de energia electrica en modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacentes fallen, se rompan y se autoenciendan. Ejemplos no limitativos de materiales para uso en la capa de aislamiento electrico 212 tienen valores de conductividad termica que son menos de aproximadamente 3 BTU/pie2/h/pulgada (745,14 n r1kgs-3), menos de aproximadamente 2 BTU/pie2/hr/pulgada (496,76 n r1kgs-3) y menos de aproximadamente 1 BTU/pie2/hr/pulgada (248,38 nr1kgs-3) a temperaturas correspondientes a las celdas de almacenamiento de energia electrica que se rompen y emiten gases combustibles que pueden encenderse. En algunas realizaciones, el material electricamente no conductor de la capa de aislamiento electrico 212 es autoextinguible.
El material electricamente no conductor puede incluir materiales ceramicos, materiales basados en vermiculita u otros materiales que se sabe que no son conductores de la electricidad o que son malos conductores de la electricidad y un buen aislante termico. El soporte para los materiales ceramicos puede ser telas impregnadas con ceramica, a base de papel, fibra de vidrio u otros materiales capaces de formar laminas delgadas. Ejemplos no limitativos de materiales no conductores electricamente incluyen materiales que comprenden fibras ceramicas, tales como una lamina de fibra compresible hecha de un tejido de silice y fibras de oxido de calcio unidas con un aglutinante organico no combustible. Dichas fibras ceramicas pueden formarse a partir de alumina, mullita, carburo de silicio, circonia o carbono. En realizaciones especificas, el material electricamente no conductor incluye sflice/fibras de silice, aluminio, Kevlar®, Nomex® y fibras de silicato de calcio-magnesio. Aunque no pretende limitarse a los mismos, algunos materiales no conductores electricamente para uso en la capa de aislamiento electrico 212 son resistentes al fuego hasta 1260 °C o mas. De acuerdo con las realizaciones no limitativas ilustradas en las figuras 6 y 7, la capa de material electricamente no conductor que constituye la capa de aislamiento electrico 212 tiene un espesor que varia de aproximadamente 0,1 mm a aproximadamente 3 mm. En otras realizaciones, la capa de aislamiento electrico 212 tiene un espesor de aproximadamente 0,25 mm a 2,0 mm, y en otras realizaciones, la capa de aislamiento electrico 212 tiene un espesor de aproximadamente 0,35 mm a 1,25 mm. La capa de aislamiento electrico 212 puede ser mas gruesa o mas delgada que los rangos no limitativos descritos, dependiendo de, entre otras cosas, la cantidad de aislamiento electrico, la inhibition de la migration de la combustion y/o el aislamiento termico deseado.
La capa de barrera de combustion 216 es un material no combustible, de alta resistencia, cuyos ejemplos no limitativos incluyen materiales que no son combustibles a temperaturas de aproximadamente 130 °C o mas y son capaces de soportar los tipos de fuerzas impartidas y las condiciones creadas por los gases que emanan de una celda de almacenamiento de energia electrica fallada del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. El fallo de una celda de almacenamiento de energia electrica, por ejemplo, debido a danos estructurales y/o cortocircuitos, puede provocar la ruptura de la celda de almacenamiento de energia electrica fallada como resultado de la acumulacion de presion dentro de la celda. Al romperse, los gases dentro de la celda de almacenamiento de energia electrica pueden escapar a altas velocidades y quemarse. El material no combustible y de alta resistencia de la capa de barrera de combustion 216 se selecciona de materiales que pueden soportar las fuerzas causadas por estos gases que escapan del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica a altas velocidades y que soportan las altas temperaturas asociadas con la combustion de dichos gases. La capa de barrera de combustion 216 impide e idealmente evita que los gases calientes que emanan de una celda de almacenamiento de energia electrica fallada y/o las llamas resultantes de la combustion de tales gases calientes incidan sobre un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente por encima del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. Impedir y/o evitar que los gases y/o las llamas impacten en un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente reduce la probabilidad de que las celdas de almacenamiento de energia electrica en el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente falle debido a la exposition a las temperaturas producidas cuando los gases de una celda de almacenamiento de energia electrica fallada se quemen. En realizaciones no limitativas, el material no combustible y de alta resistencia de la capa de barrera de combustion 216 actua como un impedimento o barrera para la propagation de la combustion desde el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 a los modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacentes. Los ejemplos no limitativos de materiales para uso como capa de barrera de combustion 216 incluyen metales o aleaciones metalicas que pueden soportar temperaturas de aproximadamente 130 °C o mas sin fundirse. En otros ejemplos no limitativos, los materiales para usar como capa de barrera de combustion 216 incluyen metales que no se funden a temperaturas de aproximadamente 500 °C o mas, 750 °C o mas, o incluso mas de 1000 °C. En otras realizaciones, los metales que forman la capa de barrera de combustion 216 no se funden despues de estar expuestos a temperaturas de mas de aproximadamente 1000 °C durante al menos 10 segundos. En otras realizaciones mas, los materiales para uso como capa de combustion 216 incluyen metales que no se funden despues de haber sido expuestos a temperaturas de aproximadamente 1400 °C durante un periodo de al menos 1 segundo. En realizaciones no limitativas especificas, la capa de barrera de combustion 216 se forma a partir de cobre, una aleacion de cobre, niquel o una aleacion de niquel. Aunque el cobre, la aleacion de cobre, el niquel y la aleacion de niquel se han descrito como metales ejemplares a partir de los cuales se puede formar la capa de barrera de combustion 216, la capa de barrera de combustion 216 se puede formar a partir de otros metales o materiales no metalicos capaces de impedir o prevenir que los gases y o las llamas de la combustion de los gases afecten un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente.
Ubicado debajo del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 hay una segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218. La barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218 incluye una capa de proteccion de contacto de celdas de almacenamiento de energia electrica 220, una capa de aislamiento electrico 222 y una capa de barrera de combustion 224. La descripcion con respecto a la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210 y su capa de proteccion de contacto de celdas de almacenamiento de energia electrica 214, la capa de aislamiento electrico en 212, y la capa de barrera de combustion 216 se aplican igualmente a la capa de proteccion de contacto de celdas de almacenamiento de energia electrica 220, la capa de aislamiento electrico 222 y la capa de barrera de combustion 224 de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218. Esa descripcion no se repite por motivos de brevedad. La segunda barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218 se diferencia en la orientacion de su capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 220, la capa de aislamiento electrico 222 y la capa de barrera de combustion 224. Estas tres capas de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218 son una imagen especular de las mismas tres capas de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210. En otras palabras, alejarse del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 en la figura 6 coloca la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 220 mas cercana al modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. Situada debajo de la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 220 esta la capa de aislamiento electrico 222 y debajo de la capa de aislamiento electrico 222 esta la capa de barrera de combustion 224.
Aunque no se ilustra en la figura 6, el dispositivo de almacenamiento de energia electrica 120 como se ilustra adicionalmente en la figura 7 incluye al menos un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adicional 226 ubicado debajo del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 ilustrado en la figura 6. Tanto el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 como el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 incluyen una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica 232. En otras realizaciones, el dispositivo de almacenamiento de energia electrica 120 puede incluir mas de dos modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica. Por ejemplo, el dispositivo de almacenamiento de energia electrica 120 puede incluir tres o mas modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica. En la figura 7, el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 esta intercalado entre la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 228 y la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 230. La barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 228 es identica a la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210 y la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 230 es identica a la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218. Por consiguiente, las descripciones de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 228 y la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 230 se omiten por motivos de brevedad.
Con referencia a la figura 7, el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 esta separado del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 por una distancia D. En realizaciones no limitativas, la distancia D varia de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 20 mm, en otras realizaciones no limitativas, la distancia D varia entre aproximadamente 7 mm y aproximadamente 15 mm, y en otras realizaciones mas, la distancia D varia entre aproximadamente 8 mm y aproximadamente 11 mm. En la realizacion ilustrada de las figuras 6 y 7, cuatro espaciadores 234 estan posicionados entre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226. Los espaciadores 234 son de forma cilindrica y cada uno incluye un orificio central. El orificio central de cada espaciador 234 esta en comunicacion fluida con las aberturas 236 a traves de cada una de las capas protectoras de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214 y 220, las capas de aislamiento electrico 212 y 222 y la capa de barrera de combustion 216 y 224. La combinacion del orificio central para los espaciadores 234 y las aberturas 236 coloca el interior del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 en comunicacion fluida con el interior del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226. Esta comunicacion fluida permite igualar la presion dentro de los modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y 226.
En realizaciones especificas de la materia descrita en el presente documento, la superficie interior 205 de la pared lateral del modulo 204 Neva un material ignifugo o resistente al fuego, tal como una pintura intumescente. Alternativamente, dicho material ignifugo o resistente al fuego puede ser transportado por la pared exterior 202 del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 entre la superficie exterior de dicho modulo y la superficie interior de la pared lateral 204 del modulo. La provision de tal material ignifugo/resistente al fuego impide la migracion de las llamas en el exterior de la pared lateral 204 del modulo al interior del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200.
Como se describio anteriormente con referencia a la figura 6, los modulos individuales de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 u 108 en la figura 5 pueden incluir paredes laterales 204 que incluyen respiraderos 206 que pasan a traves de las paredes laterales 204. En dichas realizaciones, los gases y la energia termica que emanan de una celda de almacenamiento de energia electrica (no mostrada) que conforman una porcion del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 en la figura 5 pueden escapardel modulo 100 atraves de los respiraderos 206 en las paredes laterales 204.
Los presentes inventores han observado que, en ciertas realizaciones, el material absorbente de energia termica dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica impide el flujo, dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica, de gases generados cuando falla una celda de almacenamiento de energia electrica. Sin pretender estar limitado por ninguna teoria particular, se cree que este impedimento surge como resultado de que al menos una parte del material absorbente de energia termica esta en estado solido dentro de un recipiente sellado cuando los gases son producidos por una celda de almacenamiento energia electrica defectuosa. En ciertas realizaciones descritas en el presente documento, se proporcionan elementos de sacrificio en el material absorbente de energia termica, despues de lo cual permanece la descomposicion termica de los elementos de sacrificio y los canales en el material absorbente de energia termica. Estos canales proporcionan trayectorias para que fluyan los fluidos, como los gases generados cuando falla una celda de almacenamiento de energia electrica.
Con referencia a las figuras 5 y 7, un elemento de sacrificio 302 esta situado debajo del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100. Otro elemento de sacrificio 304 esta situado entre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 y el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108. En las figuras 5 y 7, un elemento de sacrificio no se ilustra sobre el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108; sin embargo, se podria proporcionar un elemento de sacrificio por encima del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108. Se proporcionan elementos de sacrificio adicionales 306 y 310 entre las paredes laterales 308 del armazon 110 y ambos modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 y 108. Como se describe a continuacion con mas detalle, estos elementos de sacrificio se forman a partir de un material que se descompone termicamente. Tras la descomposicion termica de los elementos de sacrificio, se forma un vacio o canal en el material absorbente de energia termica en el espacio ocupado por el elemento de sacrificio antes de la descomposicion. Los fluidos, por ejemplo, los gases resultantes del fallo de una celda de almacenamiento de energia electrica, pueden fluir dentro de estos canales sin ser bloqueados por los materiales que absorben energia termica.
Con referencia a la figura 6, se ilustran realizaciones ejemplares de los elementos de sacrificio 302 y 304 en la figura 5. Como se muestra en la figura 6, los elementos de sacrificio 302 y 304 tienen forma rectangular, similar a la forma y tamano de la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214, la capa de aislamiento electrico 212 y la capa de barrera de combustion 216. Debe entenderse que la forma y el tamano particulares de los elementos de sacrificio 302 y 304 no se limitan a los ilustrados en la figura 6 y que los elementos de sacrificio 302 y 304 pueden adoptar diferentes formas y ser de diferentes tamanos. La forma y los tamanos de los elementos de sacrificio 302 y 304 pueden ser dictados por la forma del armazon 110 y/o los modulos 100 y 108. La figura 6 tambien ilustra realizaciones ejemplares de elementos de sacrificio adicionales 306 y 310 en la figura 5. Como se muestra en la figura 6, los elementos de sacrificio 306 y 310 tienen forma rectangular, extendiendose desde la parte inferior del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 hasta aproximadamente la parte superior del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 108. Debe entenderse que una forma y tamano particulares de los elementos de sacrificio adicionales 306 y 310 no se limitan a los ilustrados en la figura 6 y que los elementos de sacrificio 306 y 310 pueden tomar diferentes formas y ser de diferentes tamanos, de nuevo ambos pueden ser dictados por la forma del armazon 110 y/o los modulos 100 y 108. Ademas, los elementos de sacrificio 306 y 310 pueden ubicarse en lados adyacentes adicionales o diferentes de los modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 y 108 o menos lados de los modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica 100 y 108.
Los elementos de sacrificio se forman a partir de un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura que es mayor que la primera temperatura. Ademas, el material del que se forman los elementos de sacrificio preferiblemente no reduce significativamente la capacidad de absorcion termica del material absorbente termico. El material a partir del cual se forman los elementos de sacrificio deberia ser capaz de mantener sustancialmente su forma despues de entrar en contacto con el material absorbente de energia termica cuando el material absorbente de energia termica esta en un estado fluido o en un estado solido.
El material del que se forman los elementos de sacrificio no se descompone termicamente cuando se expone a entornos a temperaturas experimentadas dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica en condiciones normales de operacion; sin embargo, el material se descompondra termicamente cuando se exponga a un entorno experimentado dentro del dispositivo de almacenamiento de energia electrica cuando una o mas celdas de almacenamiento de energia electrica falla. La descomposicion termica se refiere a una reduction en el volumen del material, a partir del cual se forma el elemento de sacrificio, que ocurre cuando la temperatura del entorno que contiene el material aumenta por encima de la temperatura de descomposicion del material. La descomposicion termica puede ser el resultado de la contraction, la combustion, la fusion, la vaporization, la congelation, la condensacion, la sublimacion o cualquier otro fenomeno que resulte en una reduccion en el volumen del material debido a la temperatura del entorno que contiene el material y aumenta por encima de la temperatura de descomposicion del material.
Los materiales ejemplares para uso como elementos de sacrificio incluyen materiales que se descomponen termicamente cuando se exponen a un entorno a temperaturas superiores o iguales a aproximadamente 50 °C, pero no se descomponen termicamente cuando se exponen a un entorno a temperaturas inferiores a aproximadamente 50 °C, materiales que termicamente se descomponen cuando se exponen a un entorno a temperaturas superiores o iguales a unos 60 °C, pero no se descomponen termicamente cuando se exponen a un entorno a temperaturas inferiores a aproximadamente 60 °C y los materiales que se descomponen termicamente cuando se exponen a un entorno a temperaturas superiores a o igual a aproximadamente 70 °C, pero no se descomponen termicamente cuando se exponen a un entorno a temperaturas inferiores a aproximadamente 70 °C. Los materiales ejemplares para uso como elementos de sacrificio pueden incluir materiales que cuando se descomponen termicamente tienen un volumen que es al menos un 25 % menor que el volumen del material antes de la descomposicion termica, al menos un 50 % menos que el volumen del material antes de la descomposicion termica, a al menos aproximadamente un 100 % menos que el volumen del material antes de la descomposicion termica o al menos aproximadamente un 200 % menos que el volumen del material antes de la descomposicion termica. Los materiales ejemplares para uso en la formacion de elementos de sacrificio tambien incluyen materiales que cuando se descomponen termicamente tienen un volumen que es mas de aproximadamente un 200 % menos que el volumen del material antes de la descomposicion termica. Los materiales que despues de la descomposicion termica tienen un volumen que no es al menos un 25 % menor que el material antes de la descomposicion termica tambien se pueden usar para formar elementos de sacrificio; sin embargo, tras la descomposicion termica, tales materiales daran como resultado vacios mas pequenos dentro del material de absorcion termica a traves de los cuales pueden fluir los fluidos.
Los materiales ejemplares a partir de los cuales se pueden formar elementos de sacrificio de acuerdo con las realizaciones descritas en el presente documento incluyen materiales polimericos. Ejemplos no limitativos de materiales polimericos para uso en la formacion de elementos sacrificiales incluyen poliestireno, copolimeros de estireno, copolimeros de polipropileno y propileno y mezclas de estos materiales polimericos con otros materiales polimericos y/o no polimeros. Los materiales polimericos pueden ser en forma solida o en forma espumada. Las formas solidas se pueden producir utilizando tecnicas de moldeo por inyeccion, conformado al vacio o extrusiones. Las formas espumadas incluyen espumas de celdas cerradas expandidas y espumas de celdas cerradas extrudidas.
Con referencia a la figura 6, la capa de aislamiento electrico 212 incluye una pluralidad de respiraderos orientados 238. La capa de barrera de combustion 216 incluye una pluralidad de respiraderos orientados 240. La capa de aislamiento electrico 222 incluye una pluralidad de respiraderos orientados 242 y la capa de barrera de combustion 224 incluye una pluralidad de respiraderos orientados 244. Los respiraderos orientados 238, 240, 242 y 244 son esencialmente identicos. En realizaciones descritas con referencia a la figura 6, los respiraderos orientados 238 y 240 se abren en una direccion hacia arriba, mientras que los respiraderos orientados 242 y 244 se abren en una direccion hacia abajo. Los respiraderos orientados 238, 240, 242 y 244 estan esencialmente alineados con las celdas individuales de almacenamiento de energia electrica 232 que forman el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200.
La siguiente descripcion de respiraderos orientados 240 se aplica igualmente a las respiraderos orientados 238. Con referencia adicional a las figuras 8 y 9, los respiraderos orientados 240 incluyen al menos una solapa 248 formada en la capa de barrera de combustion 216. En la realizacion ejemplar de las figuras 8 y 9, la solapa 248 tiene una forma cuadrada. La solapa 248 se define por una pluralidad de porciones marcadas 250, 252 y 254 que pasan a traves de la capa de barrera de combustion 216. Las porciones marcadas 250, 252 y 254 pueden formarse usando dispositivos de corte adecuados para cortar metal, tales como cuchillas, sellos, laseres y similares. Las porciones marcadas 250, 252 y 254 definieron tres lados de la solapa cuadrada 248. El lado restante esta definido por una porcion de bisagra 256. La porcion de bisagra 256 no pasa completamente a traves de la capa de barrera de combustion 216 y sirve como una estructura a modo de bisagra a lo largo de la cual la solapa 248 se dobla para que la solapa 248 pueda moverse desde una posicion cerrada que se muestra en la figura 8 a una posicion abierta como se ilustra en la figura 9. La porcion de bisagra 256 se puede formar usando dispositivos capaces de comprimir la capa de barrera de combustion 216 en la ubicacion de la porcion de bisagra 256. Mientras que la porcion de bisagra 256 se ilustra y describe como una estructura rizada, las realizaciones descritas en este documento no se limitan a una porcion de bisagra 256 que esta rizada e incluyen otras estructuras que pueden funcionar como una bisagra para la solapa 248. Por ejemplo, la porcion de bisagra 256 se puede proporcionar mediante perforaciones u otra estructura que facilita el plegado o la flexion de la capa de barrera de combustion 216 a lo largo de la porcion de bisagra 256. La porcion de bisagra 256 de la solapa 248 puede disenarse de manera que cuando se ejerza una presion de umbral predeterminada en la solapa 248, el respiradero orientado 238 se doble a lo largo de su porcion de bisagra y se abra de la manera ilustrada en la figura 9.
Ademas de los respiraderos orientados 240 proporcionados en la capa de barrera de combustion 216, respiraderos orientados 238 similares se proporcionan en la capa de aislamiento electrico 212. En las realizaciones ejemplares ilustradas en las figuras 6, 8 y 9, los respiraderos orientados 240 y los respiraderos orientados 238 son sustancialmente identicos; sin embargo, las realizaciones descritas en el presente documento no se limitan a dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica que incluyen respiraderos orientados 240 y respiraderos orientados 238 que son sustancialmente identicos. Con referencia a la figura 9, los respiraderos orientados 238 proporcionados en la capa de aislamiento electrico 212 estan formados portres porciones marcadas y una porcion de bisagra. En las realizaciones ilustradas, las tres porciones marcadas de los respiraderos orientados 238 subyacen a las porciones marcadas 250, 252 y 254 de los respiraderos orientados 240, la porcion articulada de los respiraderos orientados 238 subyacen a la porcion de bisagra 256 de los respiraderos orientados 240 y la solapa 239 del respiradero orientado 238 subyacente a la solapa 248. En otras realizaciones, una porcion marcada de los respiraderos orientados 238 subyace a la porcion de bisagra 256 de los respiraderos orientados 240. En ciertas realizaciones, las dimensiones perifericas de la solapa 239 pueden ser ligeramente menores que las dimensiones perifericas de la solapa 248. Esta diferencia en las dimensiones perifericas entre la solapa 239 y la solapa 248 permite que la solapa 239 pase a traves de la abertura en la capa de la barrera de combustion 216 cuando la solapa 248 esta abierta. A la inversa, las dimensiones perifericas mas pequenas de la solapa 239 en comparacion con la solapa 248 impiden el paso de la solapa 248 a traves de la abertura del respiradero orientado 238. Ademas, la porcion de bisagra de los respiraderos orientados 238 puede desplazarse lateralmente ligeramente con respecto a las porciones de bisagra 256 de los respiraderos orientados 240 para promover una apertura mas libre del respiradero orientado 238 a traves de la abertura en la capa de barrera de combustion 216.
El lado inferior 258 de la solapa de los respiraderos orientados 238 hace contacto con la superficie superior de la capa de proteccion de contacto de la celda de almacenamiento de energia electrica 214. Este contacto impide el movimiento de la solapa en una direccion hacia abajo en las figuras 8 y 9, que a su vez impide el movimiento de la solapa 248 en una direccion hacia abajo. En contraste, las solapas 239 y las solapas 248 pueden moverse en una direccion hacia arriba como se ilustra en la figura 9. De este modo, los respiraderos orientados 238 y los respiraderos orientados 240 son respiraderos "de una via" capaces de abrirse en una direccion alejada del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200, pero no en una direccion hacia el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. Los respiraderos orientados 238 y 240 estan orientados en una position cerrada ilustrada en la figura 8, sin embargo, una acumulacion de presion dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200, o la fuerza de los gases emitidos por una celda de almacenamiento de energia electrica fallada, puede proporcionar una fuerza impulsora que hace que las solapas 239 y 248 se doblen a lo largo de sus respectivas porciones de bisagra y se abran en una direccion hacia arriba. Ademas de permitir que el gas dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 se escape, la caracteristica unidireccional de los respiraderos orientados tambien impide o evita que los gases que pueden afectar a las respiraderos orientados entren en contacto directo con una celda de almacenamiento de energia electrica que forma un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que se encuentra en un lado de los respiraderos orientados opuesto al lado en el que los gases chocan. Debido a que las respiraderos orientados se abren hacia fuera, y no hacia dentro, desde un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica, los respiraderos orientados permiten que los gases de escape y la energia termica que emana de una celda de almacenamiento de energia electrica fallada en el modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica eviten que los gases y la energia termica que inciden en los respiraderos orientados de un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente entren en contacto directo con las celdas de almacenamiento de energia electrica del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente.
La capa de aislamiento electrico 222 incluye una pluralidad de respiraderos orientados 242 y la capa de barrera de combustion 224 incluye una pluralidad de respiraderos orientados 244. La description anterior de los respiraderos orientados 238 y los respiraderos orientados 240 y las caracteristicas que forman los respiraderos orientados 238 y 240 se aplican igualmente a los respiraderos orientados 242 y a los respiraderos orientados 244, respectivamente, con la exception de que los respiraderos orientados 242 y 244 se abren en una direccion hacia abajo con referencia a la realization no limitativa ilustrada en la figura 6.
Con referencia a la figura 7, cuando la presion dentro del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 supera la presion a la que los respiraderos orientados 238 y 240 (en la figura 6) se abren, los respiraderos orientados 238 y 240 se abren, permitiendo que el gas se escape a traves de los respiraderos orientados. Permitir que el gas se escape del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 reduce el riesgo de que el modulo 226 explote. El gas que se escapa puede seguir una trayectoria similar a la linea de puntos 106 en la figura 6. El gas y la energia termica que se escapan del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 inciden con la parte inferior del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200, donde se disipa a lo largo del lado inferior del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200, encontrando su trayectoria hacia la periferia del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y el espacio entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y el armazon 282. A medida que el gas y la energia termica pasan a traves del espacio entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y el armazon 282, se disipa la energia termica del gas o del gas de combustion. En la figura 7, el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 esta separado del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 una distancia D. La separation del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 la distancia D promueve la disipacion de los gases y la energia termica que emana del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 al permitir que el gas y la energia termica se dispersen lateralmente a traves de un area de superficie mas grande. Promover la disipacion de la energia termica de los gases que emanan del segundo modulo de almacenamiento de energia electrica en un area de superficie mas grande reduce la magnitud de la energia termica enfocada en un area pequena del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200, lo que reduce la probabilidad de que dicha energia termica enfocada la energia causara el fallo o explosion de una celda de almacenamiento de energia electrica 232 en el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200. La apertura de los respiraderos orientados 238 y 240 reduce la probabilidad de que los gases y la energia termica que emanan de una celda de almacenamiento de energia electrica fallada 232 en el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226 se dirijan internamente dentro del segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226, por ejemplo, a lo largo de la linea de puntos 102 en la figura 5.
A medida que el gas y la energia termica fluyen entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y el armazon 282, el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 esta al menos total o parcialmente separado de los gases y la energia termica por las paredes laterales 204 del modulo. Los diferenciales de presion en las paredes laterales 204 del modulo estan mitigados por los respiraderos 206 en las paredes laterales 204 del modulo. Los respiraderos 206 tambien facilitan la igualacion de la presion dentro del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica 120 al permitir que la presion en un lado de las paredes laterales 204 del modulo se equilibre con la presion en el otro lado de las paredes laterales 204 del modulo. El igualado de la presion dentro del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica 120 tambien se promueve mediante las aberturas 236 en la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210 y la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218. Las aberturas 236 permiten que los gases dentro del primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 pasen a traves de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210 o la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218 al interior del dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica 120 o al modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica adyacente 226. El paso del gas a traves de la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210 y la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218 sirve para igualar la presion dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y la presion fuera del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 dentro del armazon 282 o la presion dentro del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica 226. En ciertas realizaciones, los tubos o tuberias pueden extenderse entre las aberturas 236 ubicadas por encima de un modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y las aberturas 236 ubicadas debajo del modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
Si bien la operacion y las ventajas de los respiraderos orientados de acuerdo con las realizaciones no limitativas descritas en este documento se han descrito con referenda a los respiraderos orientados en la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 210, la misma operacion y ventajas son proporcionadas por los respiraderos orientados 242 y 244 y la barrera de celdas de almacenamiento de energia electrica 218. Aunque solo dos modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica 200 y 226 se ilustran en las realizaciones no limitativas de las figuras 5 y 7, los dispositivos portatiles de almacenamiento de energia electrica de acuerdo con las realizaciones descritas en el presente documento incluyen aquellos que contienen mas de dos modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica del tipo descrito en el presente documento.
La descripcion detallada anterior ha expuesto varias realizaciones de los dispositivos mediante el uso de ilustraciones esquematicas y ejemplos. En la medida en que dichos esquemas y ejemplos contengan una o mas funciones y/u operaciones, los expertos en la materia entenderan que cada funcion y/u operacion dentro de dichas estructuras y ejemplos puede implementarse, individual y/o colectivamente, por un amplia gama de hardware y combinaciones de los mismos. Las diversas realizaciones descritas anteriormente se pueden combinar para proporcionar realizaciones adicionales. Aspectos de las realizaciones pueden modificarse, si es necesario para emplear conceptos de las diversas patentes, solicitudes y publicaciones para proporcionar otras realizaciones adicionales.
Aunque generalmente se discuten en el entorno y el contexto de los sistemas de energia para uso con vehiculos de transporte personal como scooters y/o motos totalmente electricos, las ensenanzas de este documento pueden aplicarse en una amplia variedad de otros entornos, incluidos otros vehiculos, asi como entornos no vehiculares. Ademas, aunque se ilustran con referenda a formas y orientaciones especificas, las ilustraciones y descripciones no pretenden ser exhaustivas o limitar las realizaciones a las formas precisas ilustradas. Por ejemplo, las celdas de almacenamiento de energia electrica no necesitan ser cilindros redondos, sino que podrian tomar diferentes formas, tal como cilindros cuadrados, cajas cuadradas o cajas rectangulares. De manera similar, las realizaciones que utilizan multiples modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica se han ilustrado y descrito con referenda a los modulos que se apilan uno encima del otro; sin embargo, tales descripciones no pretenden ser exhaustivas o limitar las realizaciones descritas en este documento a configuraciones tan precisas. Por ejemplo, los modulos de celdas de almacenamiento de energia electrica pueden colocarse lado a lado y separados por las barreras de las celdas de almacenamiento de energia electrica, incluidas las capas de material de aislamiento termico y las capas de material elastico. Ademas, las barreras de las celdas de almacenamiento de energia electrica se han ilustrado y descrito con referenda a una combinacion de una capa de material elastico y una capa de material de aislamiento termico, asi como una capa de material de aislamiento termico intercalado entre dos capas de material elastico. Sin embargo, estas ilustraciones y descripciones no estan concebidas para ser exhaustivas o para limitar las realizaciones a las formas precisas reveladas. Por ejemplo, las barreras de celdas de almacenamiento de energia electrica pueden incluir mas que el numero ilustrado y especificamente descrito de capas de material de aislamiento termico y capas de material elastico.
La descripcion anterior de las realizaciones ilustradas, incluido lo que se describe en el resumen, no pretende ser exhaustiva o limitar las realizaciones a las formas precisas descritas. Sin embargo, realizaciones y ejemplos especificos se describen en el presente documento con fines ilustrativos.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para fabricar un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica, que comprende:
proporcionar, dentro de una carcasa de dispositivo de almacenamiento de energia electrica portatil, un primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica;
proporcionar dentro de la carcasa del dispositivo de almacenamiento de energia electrica portatil y junto al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica, un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica;
proporcionar un material de absorcion de energia termica en la carcasa; y
proporcionar un elemento de sacrificio dentro de la carcasa y dentro del material absorbente de energia termica, estando el elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura.
2. El procedimiento de la reivindicacion 1, que comprende ademas ubicar el elemento de sacrificio entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
3. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que la segunda temperatura es mayor o igual a aproximadamente 50 °C.
4. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que la segunda temperatura es mayor o igual a aproximadamente 60 °C.
5. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que el material descompuesto tiene un volumen que es al menos un 100 % menor que el volumen del material antes de la descomposicion.
6. El procedimiento de la reivindicacion 1, en el que el material absorbente de energia termica es un material de cambio de fase.
7. El procedimiento de la reivindicacion 1, que comprende ademas:
proporcionar otro elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura, estando el otro elemento de sacrificio ubicado entre la carcasa del dispositivo de almacenamiento energia electrica portatil y el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
8. Un dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica, que comprende:
un primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica;
un segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica que incluye una pluralidad de celdas de almacenamiento de energia electrica, estando el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica colocado adyacente al primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica; un material de absorcion de energia termica; y
un elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura, estando el elemento de sacrificio ubicado dentro del material de absorcion de energia termica.
9. El dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica de la reivindicacion 8, en el que el elemento de sacrificio esta situado entre el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
10. El dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica de la reivindicacion 8, en el que la segunda temperatura es mayor o igual a aproximadamente 50 °C.
11. El dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica de la reivindicacion 8, en el que la segunda temperatura es mayor o igual a aproximadamente 60 °C.
12. El dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica de la reivindicacion 8, en el que el material descompuesto tiene un volumen que es al menos un 100 % menor que el volumen del material antes de la descomposicion.
13. El dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica de la reivindicacion 8, en el que el material absorbente de energia termica es un material de cambio de fase.
14. El dispositivo portatil de almacenamiento de energia electrica de la reivindicacion 8, que comprende ademas:
una carcasa del dispositivo de almacenamiento de energia electrica portatil, el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica situado dentro de la carcasa; y
otro elemento de sacrificio formado por un material que no se descompone termicamente cuando se expone a un entorno por debajo de una primera temperatura y se descompone termicamente cuando se expone a un entorno a una segunda temperatura mayor que la primera temperatura, estando el otro elemento de sacrificio ubicado entre la carcasa del dispositivo de almacenamiento energia electrica portatil y el primer modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica y el segundo modulo de celdas de almacenamiento de energia electrica.
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