ES2710780T3 - Batería para todo clima y fabricación y uso de la misma - Google Patents

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Abstract

Una batería recargable que comprende: una o más celdas electroquímicas; al menos un terminal negativo y al menos un terminal positivo que forman una primera resistencia interna (R1) sobre un intervalo de temperatura de la batería entre una primera temperatura (T1) y una segunda temperatura (T2); al menos un terminal de alta resistencia conectado eléctricamente al menos a una hoja de resistencia dentro de una celda de la batería o entre celdas de la batería formando una segunda resistencia interna (R2), siendo R2 mayor de R1; y un interruptor configurado para conectar o desconectar eléctricamente el al menos un terminal de alta resistencia con al menos un terminal positivo o al menos un terminal negativo para activar R2 cuando la temperatura de la batería está fuera del intervalo de T1 - T2.

Description

DESCRIPCION
Baterfa para todo clima y fabricacion y uso de la misma
Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de Estados Unidos numero 14/255.780, presentada el 17 de abril de 2014, que reivindica la prioridad de la solicitud provisional de Estados Unidos numero 61/890.012, presentada el 11 de octubre de 2013.
CAMPO TECNICO
La presente invencion se refiere generalmente a baterfas recargables, y mas particularmente, a una baterfa recargable que proporciona alta potencia y energfa a temperaturas bajo cero. Dichas baterfas incluyen baterfas de iones de litio para vehfculos, almacenamiento de energfa de la red y sistemas de respaldo de energfa para exteriores.
ANTECEDENTES
Las baterfas recargables para electronica, transporte y almacenamiento de energfa de la red suelen sufrir problemas de seguridad y bajo rendimiento a temperaturas extremas. A bajas temperaturas, especialmente a temperaturas bajo cero, las baterfas recargables, especialmente las baterfas de iones de litio, muestran un rendimiento de potencia muy bajo y poca energfa debido a la lenta cinetica electroqufmica y los procesos de transporte que tienen lugar en la celda de la baterfa. A altas temperaturas, las baterfas de iones de litio se convierten en un peligro para la seguridad. Existe una gran necesidad de que todas las baterfas para todo clima (ACB) ofrezcan un alto rendimiento de manera eficiente y segura a todas las temperaturas ambientales.
El documento de patente US 2010/173179 A1 describe un paquete de baterfas que tiene al menos una baterfa con dos contactos electricos en el que un circuito paralelo que comprende una primera y una segunda resistencia esta dispuesto entre un primer contacto y un primer polo. La primera resistencia se apaga a una primera temperatura y la segunda resistencia se apaga a una segunda temperatura, por lo que la primera temperatura es mas alta que la segunda temperatura, y la primera resistencia tiene una capacidad de transporte de corriente mas alta que la segunda resistencia. El circuito sirve como una proteccion de fusible para la baterfa contra el sobrecalentamiento tanto cuando la baterfa se esta cargando como cuando la baterfa se esta descargando.
El documento de patente JP 2010 205710 A describe un dispositivo para ajustar la temperatura de la baterfa que incluye una baterfa secundaria y un medio de control. La baterfa secundaria comprende terminales de electrodo que tienen una resistencia diferente en al menos uno de entre un electrodo positivo y un electrodo negativo. Los medios de control cambian a traves de los terminales de electrodo de conexion electrica de acuerdo con la temperatura de la baterfa secundaria.
El documento de patente US 2006/275653 A1 describe una baterfa secundaria y un circuito de proteccion para la baterfa secundaria. El circuito de proteccion puede interrumpir la entrada de corriente electrica en la baterfa secundaria cuando la temperatura de la baterfa secundaria aumenta debido a una sobrecarga y tambien puede proteger la baterfa secundaria en el caso de que la baterfa secundaria ya cargada este expuesta a una temperatura alta debido al aumento de una temperatura externa o interna de la baterfa secundaria. El circuito de proteccion incluye medios que tienen un extremo conectado a un primer electrodo de la baterfa secundaria, para restringir la corriente electrica; medios de conmutacion para conectar un segundo electrodo de la baterfa secundaria a un primer electrodo externo, o al medio de restriccion de corriente en respuesta a la temperatura; y un cable conductor para conectar el primer electrodo de la baterfa secundaria a un segundo electrodo.
El documento de patente JP 2012069280 A describe un dispositivo de calentamiento de baterfa que comprende un elemento resistivo dispuesto en contacto termico con una baterfa de almacenamiento y que genera calor por energizacion; un sensor de temperatura de baterfa para detectar la temperatura de la baterfa de almacenamiento; un convertidor de corriente continua en corriente continua (CC/CC) para transformar una tension de entrada/salida de la baterfa de almacenamiento; y un dispositivo de control para controlar el funcionamiento del convertidor CC/CC. El elemento resistivo tiene tales caracterfsticas de resistencia a la temperatura que aumentan la resistencia con la disminucion de la temperatura del propio elemento resistivo, y se conecta electricamente en serie con la baterfa de almacenamiento. Cuando un valor detectado por el sensor de temperatura de la baterfa es inferior a la temperatura de referencia preestablecida, el dispositivo de control opera el convertidor de CC/CC, por lo que la carga y la descarga se repiten entre la baterfa de almacenamiento y el convertidor de CC/CC.
RESUMEN DE LA DIVULGACION
Una ventaja de la presente divulgacion es una baterfa recargable, tal como una baterfa de iones de litio, que tiene un nivel de resistencia interna (Ri) en un intervalo de temperatura de la baterfa entre una primera temperature (Ti) y una segunda temperatura (T2), y que tiene un segundo nivel de resistencia interna (R2) fuera del intervalo de Ti - T2, y un interruptor que activa R2 cuando la temperatura de la baterfa esta fuera del intervalo de Ti - T2. Dicha baterfa recargable puede operarse a un nivel de resistencia interna en un intervalo de temperatura, por ejemplo, la baterfa puede operarse a un nivel bajo de resistencia interna durante el funcionamiento normal de la baterfa sobre temperatures operativas normales, y al otro nivel de resistencia interna sobre otras temperatures o intervalos. Por ejemplo, la baterfa recargable puede mostrar ventajosamente una resistencia interna inusualmente alta a temperaturas bajo cero, de modo que el calor interno generado por el funcionamiento de la baterfa en R2 se intensifique lo suficiente como para provocar un rapido calentamiento de la baterfa y que posteriormente permita que la baterfa produzca una alta potencia y energfa a pesar de funcionar a baja temperatura ambiente.
Estas y otras ventajas se satisfacen, al menos en parte, por una baterfa recargable que comprende: una o mas celdas electroqufmicas; al menos un terminal negativo y al menos un terminal positivo formando una primera resistencia interna (Ri) sobre un intervalo de temperatura de la baterfa entre una primera temperatura (Ti) y una segunda temperatura (T2); al menos un terminal de alta resistencia conectado electricamente al menos a una hoja de resistencia dentro de una celda de la baterfa o entre las celdas de la baterfa formando una segunda resistencia interna (R2), siendo R2 mayor que Ri; y un interruptor configurado para conectar o desconectar electricamente el al menos un terminal de alta resistencia con al menos un terminal positivo o al menos un terminal negativo para activar R2 cuando la temperatura de la baterfa esta fuera del intervalo de Ti - T2. Las formas de realizacion de la presente divulgacion incluyen en las que el valor de R2/Ri esta comprendido entre e incluyendo de 2 a 500, por ejemplo, el valor de R2/Ri esta comprendido entre e incluyendo de 2 a i00, o de 2 a 50, cuando el valor de R2 se determina a aproximadamente 2°C por debajo de Ti y Ri se determina en Ti. Las formas de realizacion adicionales o alternativas incluyen en las que el valor de R2/Ri esta comprendido entre e incluyendo de 2 a 500, por ejemplo, el valor de R2/Ri esta comprendido entre e incluyendo de 2 a i00, o de 2 a 50, cuando el valor de R2 se determina a aproximadamente 2°C por encima de T2 y Ri se determina en T2.
En ciertos aspectos de la presente divulgacion, una baterfa recargable incluye en la que al menos un terminal de alta resistencia esta conectado electricamente al menos a una hoja de resistencia dentro de una celda de la baterfa o en la que al menos una hoja de resistencia es parte integral del colector de corriente de un electrodo de la celda de la baterfa. Por ejemplo, la baterfa recargable puede incluir una o mas hojas de resistencia incrustadas dentro de pilas o condensadores es espiral de hojas de electrodos-separador de una baterfa convencional y tres terminales para operar la baterfa. Los terminales permiten el funcionamiento de la baterfa en un nivel de baja resistencia Ri o en un nivel de alta resistencia R2. Los tres terminales pueden incluir uno de los terminales positivos y dos negativos o dos terminales positivos y uno negativo. Se prefiere la configuracion anterior. Los dos terminales de la misma polaridad se pueden conectar adicionalmente mediante un interruptor que se auto-activa termicamente o se acciona mediante un controlador de temperatura de tal manera que la baterfa cambia entre los terminales para operar la baterfa en Ri y los terminales para operar la baterfa en R2, dependiendo de la temperatura de la baterfa.
Las formas de realizacion de la presente divulgacion incluyen en las que la al menos una hoja de resistencia esta configurada para tener dos pestanas, con una pestana conectada electricamente a otras pestanas de electrodo en la baterfa para formar un terminal de baja resistencia, y formando la otra pestana de la al menos una hoja de resistencia el al menos un terminal de alta resistencia o en donde la al menos una hoja de resistencia es la misma que uno o ambos de los dos colectores de corriente de metal utilizados en una celda de baterfa, o una porcion de los dos colectores de corriente de metal.
Las formas de realizacion adicionales de la divulgacion incluyen una baterfa recargable que incluye una o mas hojas de resistencia o laminas en el exterior y entre las celdas de baterfa en un modulo, de manera que las hojas de la resistencia no entran en contacto directamente con el electrolito de la baterfa y las celdas de baterfa no necesitan modificacion. Las hojas de resistencia estan conectadas en serie con celdas de baterfa con un interruptor activado termicamente en medio. Tal construccion puede actuar para cambiar los niveles de resistencia del modulo de baterfa en funcion de la temperatura.
Otro aspecto de la presente divulgacion es un metodo para operar una baterfa recargable. El metodo comprende operar una baterfa que comprende una o mas celdas electroqufmicas, al menos un terminal negativo y al menos un terminal positivo formando una primera resistencia interna (Ri) sobre un intervalo de temperatura de la baterfa entre una primera temperatura (Ti) y una segunda temperatura (T2), al menos un terminal de alta resistencia conectado electricamente al menos a una hoja de resistencia dentro de una celda de la batena o entre las celdas de la batena formando una segunda resistencia interna (R2), siendo R2 mayor que R1, activando un interruptor configurado para conectar o desconectar electricamente el al menos un terminal de alta resistencia con al menos un terminal positivo o al menos un terminal negativo que activa R2 cuando la temperatura de la batena esta fuera del intervalo de Ti - T2.
Otro aspecto de la presente divulgacion es un metodo para activar una batena recargable desde una temperatura ambiente muy baja, por ejemplo, -40°C, para una produccion de alta potencia y energfa. En tales entornos fnos, la batena se encuentra inicialmente en el nivel de resistencia alto, y el proceso de activacion comprende descargar la batena mediante un ciclo de tension constante y corriente constante (CVCC) donde se establece la tension constante, por ejemplo, entre 0,2 y 1 V, y el lfmite de corriente se establece en un intervalo de 1 C a 10 C. Entonces se produce la corriente constante en el lfmite. Este proceso de activacion da como resultado la generacion de un calor interno significativo dentro de la batena, elevando la temperatura de la batena mucho mas en un periodo de tiempo muy corto, por ejemplo, 30 segundos. A la temperatura mas alta de la batena, la batena para todo clima cambia automaticamente al modo de baja resistencia, capaz de generar una alta potencia y energfa comparable a la temperatura ambiente.
Las formas de realizacion de los metodos incluyen cualquier caractenstica o configuracion individual la o combinacion de las diversas caractensticas y configuraciones de la batena recargable de la presente divulgacion. En algunas formas de realizacion, por ejemplo, el valor de R2/R1 esta entre e incluyendo de 2 a 500, por ejemplo, el valor de R2/R1 esta entre e incluyendo de 2 a 100, o de 2 a 50, cuando el valor de R2 se determina en aproximadamente 2°C por debajo de T1 y R1 se determina en T1. Las formas de realizacion adicionales o alternativas incluyen en las que el valor de R2/R1 esta comprendido entre e incluyendo de 2 a 500, por ejemplo, el valor de R2/R1 esta comprendido entre e incluyendo de 2 a 100, o de 2 a 50, cuando el valor de R2 se determina a aproximadamente 2°C por encima de T2 y R1 se determina en T2.
Las ventajas adicionales de la presente invencion se haran facilmente evidentes para los expertos en esta tecnica a partir de la siguiente descripcion detallada, en la que solo se muestra y se describe la forma de realizacion preferida de la invencion, simplemente a modo de ilustracion del mejor modo contemplado para realizar la invencion. Como se comprendera, la invencion apta para otras formas de realizacion diferentes, y sus diversos detalles pueden modificarse en diversos aspectos obvios, todos sin apartarse de la invencion. Por consiguiente, los dibujos y la descripcion deben considerarse de naturaleza ilustrativa y no restrictiva.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Se hace referencia a los dibujos adjuntos, en los que los elementos que tienen las mismas designaciones de numeros de referencia representan elementos similares desde el principio hasta el fin y en los que:
La Figura 1 es un esquema que muestra la construccion de una batena para todo clima (ACB) que tiene varias hojas/laminas de resistencia integradas dentro de una pila de conjuntos de electrodo-separador, un terminal negativo de alta resistencia HiR(-) y un terminal negativo de baja resistencia LoR(-), un terminal positivo (+), y un interruptor activado termicamente que conecta los terminales HiR(-) y LoR(-), de acuerdo con una forma de realizacion de la presente divulgacion.
La Figura 2 ilustra una construccion de una batena para todo clima compuesta por una hoja/lamina de resistencia integrada en el medio de una pila de conjunto de electrodo-separador de acuerdo con una forma de realizacion de la presente divulgacion.
Las Figuras 3A-3F muestran seis disenos de una hoja/lamina de resistencia con dos pestanas de acuerdo con las formas de realizacion de la presente divulgacion. Una pestana esta conectada electricamente o soldada a todas las pestanas de las hojas de electrodos negativos para formar el terminal LoR(-), y la otra esta conectada al terminal HiR(-). La Figura 3A ilustra dos pestanas ubicadas en el mismo lado de la hoja separadas por un pequeno corte en el centro para controlar la trayectoria de resistencia entre las dos pestanas; la Figura 3B ilustra dos pestanas que estan ubicadas en el lado opuesto; la Figura 3C ilustra dos pestanas ubicadas en el mismo lado hacia los bordes exteriores; la Figura 3D ilustra dos pestanas en el lado opuesto hacia los bordes exteriores; la Figura 3E ilustra una hoja de resistencia con patron; la Figura 3F ilustra una hoja de resistencia con revestimiento selectivo.
La Figura 4 muestra la construccion de un modulo de batena de doble celda con una hoja/lamina de resistencia entre las dos celdas, es decir, fuera de cada alojamiento de celda sin contacto directo con el electrolito de la batena de acuerdo con una forma de realizacion de la presente divulgacion.
La Figura 5 ilustra un par de condensadores en espiral que intercalan una hoja/lamina de resistencia antes de la insercion en una carcasa rfgida o de empaquetarse en una celda de bolsa, de acuerdo con una forma de realizacion de la presente divulgacion.
La Figura 6 es un diagrama esquematico que ilustra un condensador en espiral desplegado contenido en una celda de bolsa en la que la hoja de electrodo positivo tiene varias pestanas estrechamente separadas soldadas entre si para formar el terminal positivo (+), y la hoja de electrodo negativo tiene algunas pestanas estrechamente separadas soldadas entre si para formar un terminal de baja resistencia LoR(-), asf como una pestana alejada que forma el terminal de alta resistencia HiR(-), de acuerdo con una forma de realizacion de la presente divulgacion. El terminal LoR(-) esta conectado con el terminal HiR(-) mediante un interruptor activado termicamente.
La Figura 7 ilustra un diseno diferente de un condensador en espiral desplegado con hojas de electrodos positivo y negativo que presentan varias pestanas estrechamente separadas y una pestana alejada, respectivamente, de acuerdo con una forma de realizacion de la presente divulgacion. Este diseno tiene cuatro terminales fuera de la carcasa de la celda, es decir, dos positivos, LoR(+) y HiR(+), y dos negativos, LoR(-) y HiR(-). Los dos interruptores en ambos lados proporcionan mas de dos niveles de resistencia interna de acuerdo con la temperatura de la baterfa y los algoritmos de conmutacion.
Las Figuras 8, 9 y 10 ilustran conjuntos de electrodos de condensador en espiral planos que tienen una o mas hojas de resistencia de acuerdo con las formas de realizacion de la presente divulgacion.
Las Figuras 11A-11B muestran una serie de graficos para ilustrar el comportamiento de descarga 1 C desde -30°C de una baterfa para todo clima (ACB) de 26 Ah de acuerdo con una forma de realizacion de la presente divulgacion. La Figura 11A compara la curva de descarga 1 C de la ACB con la baterfa de iones de litio convencional (LiB) a -30°C. La Figura 11B compara la evolucion de la temperatura de la baterfa con el tiempo entre la ACB y la LiB convencional.
Las Figuras 12A y 12B muestran la capacidad de la baterfa y la energfa en funcion de la temperatura ambiente, tanto para la ACB como para la LiB convencional, respectivamente.
Las Figuras 13A-13C son una serie de graficos que muestran el rendimiento de potencia de una ACB a -30°C bajo la prueba de caracterizacion de pulso de potencia hfbrida (HPPC). La Figura 13A muestra el perfil de corriente de una prueba de caracterizacion de pulso de potencia hfbrida (HPPC); la Figura 13B muestra una respuesta de tension de 26 Ah de la ACB en una prueba HPPC; y la Figura 13C muestra la potencia de descarga y carga de la ACB de 26 Ah a -30°C.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA DIVULGACION
La presente divulgacion se refiere a una baterfa recargable que puede suministrar potencia y energfa mejoradas a temperaturas bajo cero en comparacion con las baterfas recargables convencionales. Dichas baterfas se denominan en el presente documento como una baterfa para todo clima (ACB). Como se usa en el presente documento, el termino baterfa representa cualquier dispositivo de almacenamiento de energfa electroqufmica recargable que contiene una o mas celdas electroqufmicas. Los elementos basicos de una celda de baterfa incluyen un electrodo de anodo revestido en un colector de corriente, un separador, un electrodo de catodo revestido en otro colector de corriente y un electrolito.
En un aspecto de la presente divulgacion, la baterfa recargable puede amplificar el calentamiento interno dentro de las celdas de la baterfa a bajas temperaturas ambientales, de modo que los procesos electroqufmicos y de transporte que controlan el rendimiento de la baterfa pueden mejorarse en gran medida. El calentamiento interno de la baterfa se puede abordar, en parte, mediante la configuracion de una baterfa con una o mas hojas de resistencia para calentar una o mas celdas de la baterfa y un interruptor para permitir que la baterfa funcione a una resistencia alta o una resistencia baja en funcion de la temperatura de la baterfa.
La configuracion de la baterfa de la presente divulgacion se puede aplicar a una diversidad de baterfas tales como, pero sin limitacion, baterfas de ion litio, polfmero de litio, acido de plomo, hidruro de nfquel-metal, nfquel-manganesocobalto, litio-azufre, litio-aire y todas las baterfas de estado solido. La baterfa recargable puede estar en forma de, por ejemplo, una bolsa, ser cilfndrica, prismatica o de forma angular. Dichas baterfas son utiles para aplicaciones de transporte, aeroespaciales, militares y de almacenamiento de energfa estacionario.
Una ventaja de la baterfa para todo clima de la presente divulgacion es que la resistencia interna de la baterfa llega a ser muy alta a temperaturas por debajo de las temperaturas operativas normales, por ejemplo, menos de 5°C o a temperaturas bajo cero (temperaturas inferiores a aproximadamente 0°C, por ejemplo, menos de aproximadamente -10°C, -20°C, -30°C, o -40°C). La alta resistencia interna de la baterfa crea calor dentro de la baterfa que puede usarse para calentar la baterfa. Preferiblemente, la resistencia interna de la baterfa llega a ser lo suficientemente alta como para calentar rapidamente la baterfa en decenas de grados Celsius en segundos o en unos pocos minutos.
Una vez que la temperatura de la baterfa alcanza un intervalo entre 0°C y la temperatura operativa normal de la baterfa, tfpicamente a aproximadamente 5°C o mas, la alta resistencia interna se desactiva, lo que permite que la ACB funcione con un modo de baja resistencia interna, tan bajo como en baterfas convencionales, lo que permite que la baterfa entregue alta potencia y energfa a pesar de estar en un entorno de temperatura ambiente muy baja. De manera ventajosa, las baterfas recargables de la presente divulgacion no requieren dispositivos de refuerzo de tension para cambiar la resistencia interna de la baterfa con la temperatura. Por ejemplo, las baterfas recargables de la presente divulgacion no incluyen un transformador o un convertidor de CC/CC para alimentar una resistencia con el fin de cambiar la resistencia interna de la baterfa con la temperatura como una forma de realizacion.
En un aspecto de la presente divulgacion, una baterfa recargable incluye un nivel de resistencia interna (Ri) sobre un intervalo de temperatura de la baterfa entre una primera temperatura (Ti) y una segunda temperatura (T2) y un segundo nivel de resistencia interna (R2) fuera de Ti o T2. En algunas formas de realizacion, el valor de R2/R1 esta entre e incluyendo de 2 a 500, por ejemplo, el valor de R2/R1 esta entre e incluyendo de 2 a 100, o de 2 a 50, cuando el valor de R2 se determina en aproximadamente 2°C por debajo de T1 y R1 se determina en T1. Las formas de realizacion adicionales o alternativas incluyen en las que el valor de R2/R1 esta comprendido entre e incluyendo de 2 a 500, por ejemplo, el valor de R2/R1 esta comprendido entre e incluyendo de 2 a 100, o de 2 a 50, cuando el valor de R2 se determina a aproximadamente 2°C por encima de T2 y R1 se determina en T2. En formas de realizacion adicionales o alternativas, T1 es menor de aproximadamente 5°C, por ejemplo, preferiblemente menor de aproximadamente 0°C, -10°C, -20°C, -30°C, o -40°C; y T2 es una temperatura superior a la temperatura operativa normal u optima de una baterfa recargable determinada, por ejemplo, superior a aproximadamente 50°C.
Un ejemplo de una baterfa de este tipo incluye una baterfa recargable que comprende al menos un terminal negativo y al menos un terminal positivo para operar la baterfa en R1, por ejemplo, a un nivel de resistencia interna baja (LoR), entre T1 y T2, y al menos un terminal de alta resistencia para operar la baterfa en R2, por ejemplo, a un alto nivel de resistencia interna (HiR), cuando la temperatura de la baterfa esta fuera de T1 o T2. El terminal de alta resistencia puede ser un terminal negativo adicional (es decir, un HiR(-)) o un terminal positivo adicional (es decir, un HiR(+)).
Una baterfa recargable de este tipo puede incluir un interruptor que cambia los niveles de resistencia de la baterfa. Por ejemplo, el interruptor puede activar los terminales de baja resistencia de la baterfa, por ejemplo, LoR (-) y/o LoR (+), para operar la baterfa cuando la temperatura de la baterfa esta entre T1 y T2, y puede activar uno o mas terminales de alta resistencia, por ejemplo, HiR(-) y/o HiR(+), cuando la temperatura de la baterfa esta fuera de T1 o T2.
El interruptor de la presente divulgacion puede incluir aquellos activados por dispositivos termicamente sensibles tales como una capsula lfquida de glicol-agua que se expande al congelarse y empuja el interruptor para abrirlo, un material de cambio de fase que experimenta una transicion de fase y un cambio de volumen apreciable en T1 o T2, o ambos, o un interruptor bimetalico, o un material solido cuyo volumen se expande de forma apreciable a la temperatura T1 o T2, o ambas, por ejemplo.
El interruptor de la presente divulgacion puede estar compuesto por un rele electromecanico y un controlador de temperatura, o un rele de estado solido con un sensor de temperatura, un MOSFET de potencia con un sensor de temperatura, o un interruptor de alta corriente con un sensor de temperatura. Como alternativa, el interruptor que conecta los terminales LoR(-) y HiR(-) se puede realizar mediante un controlador que tiene un circuito electrico y un sensor de temperatura de celda en un sistema de administracion de baterfa.
En la presente divulgacion, la baterfa recargable incluye al menos una hoja de resistencia que esta conectada electricamente al terminal de alta resistencia. La al menos una hoja de resistencia se puede ubicar dentro de una celda de baterfa (expuesta al electrolito), o fuera y entre dos celdas de la baterfa, o una combinacion de algunas hojas de resistencia dentro de las celdas y algunas hojas de resistencia fuera de las celdas. Ademas, la hoja de resistencia configurada con una celda de la baterfa puede ser parte integral del colector de corriente de un electrodo de la celda de la baterfa.
Como se usa en el presente documento, una hoja de resistencia es un material que tiene una conductividad electrica similar o inferior en relacion con una lamina colectora de corriente no modificada de un electrodo de baterfa, pero provoca un aumento significativo en la resistencia electrica interna de la baterfa cuando se activa durante el funcionamiento de la baterfa. La hoja de resistencia tiene preferiblemente una resistencia en unidades de ohmios igual al valor numerico de entre 0,1 y 5 dividido por la capacidad de la baterfa en amperios-hora (Ah), por ejemplo, entre aproximadamente 0,5 a 2 dividido por la capacidad de la baterfa en Ah. Por ejemplo, la hoja de resistencia para una baterfa de 20 Ah esta preferiblemente entre aproximadamente 0,005 Ohm (0,1 dividido por 20) a aproximadamente 0,25 Ohm (5 dividido por 20), por ejemplo, entre aproximadamente 0,025 Ohm (0,5 dividido por 20) hasta aproximadamente 0,1 Ohm (2 dividido por 20).
Las hojas de resistencia de la presente divulgacion pueden ser cualquier material suficientemente conductor que sea estable cuando se expone a electrolitos de baterfa y dentro de la ventana de tension electroqufmica de una baterfa para todo clima cuando la hoja de resistencia se expone a un entorno de este tipo. Dichas hojas de resistencia pueden estar hechas de, por ejemplo, grafito, grafito pirolftico altamente ordenado (HOPG), acero inoxidable, nfquel, cromo, nicromo, cobre, aluminio, titanio o combinaciones de los mismos. Si se usan fuera de las celdas de la baterfa y entre dos celdas adyacentes en un modulo, las hojas de resistencia no necesitan ser anticorrosivas y, por lo tanto, hay materiales adicionales disponibles para su uso como hojas de resistencia de la presente divulgacion. En ciertas formas de realizacion, la hoja de resistencia de la presente divulgacion es preferiblemente plana con una gran area de superficie, de modo que puede tener un buen contacto con los componentes adyacentes de la baterfa. Las hojas de resistencia de la presente divulgacion pueden tener un espesor entre aproximadamente 1 micrometro y aproximadamente 150 micrometros con un intervalo preferido de aproximadamente 5 a aproximadamente 60 micrometros. Las laminas de resistencia que tienen una gran resistencia electrica, una alta conductividad termica y una pequena capacidad de calor son utiles para ciertas formas de realizacion de la presente divulgacion.
La resistencia de la hoja de resistencia puede ajustarse por el patron de la hoja, es decir, eliminando material de la hoja de resistencia. El patron permite que una hoja de resistencia tenga un espesor suficiente para la resistencia mecanica y la soldabilidad, pero una resistencia reducida. Los patrones con esquinas redondeadas tienen la ventaja de reducir la acumulacion de temperatura en la esquina de un patron. Se pueden fabricar hojas de resistencia con patron mediante fotograbado, mecanizado de descarga electrica, corte por chorro de agua, corte por laser, estampado, etc.
En algunas formas de realizacion, una porcion sustancial de la superficie de una hoja de resistencia puede revestirse para evitar reacciones qufmicas no deseadas o conexion electrica con un electrolito. Por ejemplo, las hojas de resistencia pueden revestirse selectivamente, con parte de su superficie no recubierta para la conexion electrica a otras pestanas o terminales y con el resto de la superficie recubierta y, por lo tanto, aislada electrica y qufmicamente. Se puede aplicar un revestimiento protector para cubrir completamente toda la superficie de las hojas de resistencia al principio, y luego se puede quitar selectivamente el revestimiento en cierta area para permitir la conexion electrica necesaria con otras pestanas o terminales. El revestimiento protector debe ser termicamente conductor, electricamente aislante y qufmicamente estable dentro de una celda de baterfa. Puede estar hecho de polfmeros, oxidos metalicos y otros. Los ejemplos de materiales polimericos para el revestimiento protector incluyen: polietileno, polipropileno, polipropileno clorado, poliester, poliimida, PVDF, PTFE, nylon o copolfmeros de ellos. Los ejemplos de materiales de oxido metalico para el revestimiento protector incluyen oxidos de Mg, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn y combinaciones de los mismos. Se prefiere que el revestimiento protector tenga una constante dielectrica alta. En algunas formas de realizacion, se puede usar adhesivo entre las hojas de resistencia y el revestimiento protector. El espesor del revestimiento protector puede estar entre 10 nm y 100 um, preferiblemente de 10 nm a 50 um. El revestimiento debe ser lo suficientemente delgado para permitir una buena transferencia de calor, pero impermeable para proteger la hoja de resistencia del contacto con el electrolito dentro de una celda de baterfa. El revestimiento protector se puede aplicar sobre hojas de resistencia mediante metodos tales como encintado, laminado, revestimiento por inmersion, revestimiento por rotacion, revestimiento por pulverizacion, deposicion qufmica de vapor, deposicion de capa atomica, colada de solucion, electrodeposicion, monocapa autoensamblada, estereolitograffa, oxidacion de la superficie, y otros.
En ciertas configuraciones de la presente divulgacion, la baterfa recargable incluye una o mas pestanas o terminales de alta resistencia y una o mas pestanas o terminales de baja resistencia. Los terminales de alta resistencia conectan electricamente una o mas hojas de resistencia y las pestanas o terminales de baja resistencia estan configurados para operar la baterfa en un modo de baja resistencia interna.
Ventajosamente, la baterfa recargable de la presente divulgacion puede configurarse facilmente con componentes de baterfa recargable convencionales con una modificacion minima en ciertas formas de realizacion. En terminos generales, una baterfa convencional, tal como una baterfa de iones de litio, incluye hojas de uno o mas de los electrodos de anodo, separadores y electrodos de catodo que pueden estar apilados o enrollados en un condensador en espiral y empaquetados en una funda de bolsa o carcasa rfgida. Despues, la bolsa o carcasa se llena con un electrolito. Los materiales activos de catodo pueden incluir, por ejemplo, oxido de litio cobalto, fosfato de litio hierro, oxido de litio manganeso, oxidos de litio-nfquel-cobalto-manganeso, oxidos en capas ricos en litio, o sus mezclas, etc. Los materiales activos de anodo pueden incluir, por ejemplo, grafito, silicio, aleaciones de silicio, metal de litio, aleaciones de litio tal como titanato de litio, sus mezclas, etc.
Por ejemplo, una baterfa de iones de litio convencional incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo, un separador, un colector de corriente de electrodo positivo, un colector de corriente de electrodo negativo, un electrolito y una tapa o recipiente de baterfa. El electrodo positivo revestido en una lamina colectora de corriente (por ejemplo, lamina de Al) y el electrodo negativo revestido en otra lamina colectora de corriente (por ejemplo, lamina de Cu) se apilan o enrollan con un separador interpuesto entre los mismos, y una solucion de electrolito en la que se encuentra un electrolito disuelto en un solvente se impregna en el separador y los dos electrodos porosos.
Tanto los electrodos positivos como los negativos incluyen materiales activos, aglutinantes y agentes conductores descritos anteriormente, si es necesario. Los aglutinantes comunes incluyen PVDF (fluoruro de polivinilideno) y caucho de estireno-butadieno (SBR) y sal sodica de carboximetilcelulosa (CMC). Los agentes conductores suelen estar basados en carbono y mezclados con los materiales activos para aumentar la conductividad del electrodo. Las sales de litio tales como LiPF6, LiBF4, etc. pueden usarse individualmente o en combinacion como electrolito. Se pueden usar carbonato encadenado, carbonato anular, ester anular, compuestos de nitrilo y similares como el disolvente usado para disolver las sales de litio. Los ejemplos especfficos de los mismos incluyen carbonato de etileno (EC), carbonato de etilmetilo (EMC), carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de propileno (PC), carbonato de dietilo, dimetoxietano, etc. Ademas, un electrolito de polfmero-gel o un electrolito solido puede utilizarse como el electrolito.
Una baterfa recargable de la presente divulgacion puede incluir los componentes convencionales de una baterfa recargable e incluir adicionalmente uno o mas terminales de alta resistencia conectados a una o mas hojas de resistencia, por ejemplo. La una o mas hojas de resistencia se pueden colocar dentro de una celda de la baterfa o entre las celdas de una baterfa o alguna combinacion de las mismas, para generar calor dentro de la baterfa. Las siguientes figuras ilustran ciertas formas de realizacion de la presente divulgacion.
Las Figuras 1 y 2 ilustran formas de realizacion de la presente divulgacion. Como se muestra en la Figura 1, la baterfa recargable 110 tiene varias hojas de resistencia 112 integradas dentro de una pila de conjuntos de electrodoseparador. Los conjuntos de electrodo-separador incluyen electrodos de anodo 114 que tienen pestanas de anodo 114a, separadores 116 y electrodos de catodo 118 que tienen pestanas de catodo 118a. La baterfa 110 incluye ademas un terminal negativo de baja resistencia LoR(-) 120 y un terminal negativo de alta resistencia HiR(-) 122, un interruptor 124 y un terminal positivo (+) 126.
En esta forma de realizacion, cada hoja de resistencia tiene dos pestanas (112a, 112b), que se pueden unir mediante soldadura. La pestana de resistencia 112a y las pestanas de anodo 114a de los electrodos de anodo 114 estan conectadas electricamente al terminal negativo de baja resistencia LoR(-) 120 para formar un circuito de baja resistencia electrica. La pestana de resistencia 112b esta conectada electricamente al terminal negativo de alta resistencia HiR(-) 122 para formar un circuito de alto nivel de resistencia electrica que se activa mediante el interruptor 124. Las pestanas de catodo 118a de los electrodos de catodo 118 estan conectadas electricamente entre sf y al terminal positivo 126. En este ejemplo en particular, el interruptor 124 es un interruptor activado termicamente que puede conectar o desconectar electricamente un terminal LoR(-) 120 y un terminal HiR(-) 122. El conjunto de anodo-separador-catodo-hoja de resistencia puede colocarse en un envase apropiado, por ejemplo, en una carcasa de una celda de bolsa y rellenarse con electrolito. En esta forma de realizacion, el conjunto de anodo-separador-catodo-hoja de resistencia esta contenido en la carcasa 140. Los terminales negativo y positivo pueden conectarse electricamente a un circuito externo 128a y 128b.
En resumen, la baterfa recargable ilustrada en la Figura 1 cuenta con tres terminales en el exterior de la carcasa 140, dos terminales negativos, LoR(-) y HiR(-), y un terminal positivo (+). Los dos terminales negativos, LoR(-) y HiR(-), se conectan adicionalmente mediante un interruptor sensible a la temperatura que se encuentra inmediatamente fuera de la baterfa. Durante el funcionamiento, cuando la temperatura de la baterfa esta dentro de un intervalo operativo normal, definido como entre una primera temperatura T1 y una segunda temperatura T2, el interruptor esta CERRADO y la corriente de la baterfa pasa por alto las hojas de resistencia ya que la corriente prefiere fluir a traves del circuito de baja resistencia. En este caso, la baterfa funciona entre los terminales (+) y LoR(-), mostrando una baja resistencia interna. Cuando la temperatura de la baterfa esta fuera del intervalo normal de T1 y T2, el interruptor esta ABIERTO, dejando los terminales (+) y HiR(-) operativos. Esto obliga a la corriente de la baterfa a fluir a traves de las hojas de resistencia y, por lo tanto, presenta una alta resistencia interna. Por ejemplo, cuando la temperatura de la baterfa esta por debajo de un intervalo normal, tal como por debajo de aproximadamente 5 °C o en entornos bajo cero, la resistencia interna de la baterfa aumenta varias veces debido a la presencia de hojas de resistencia en la trayectoria de flujo actual. Una vez operado o activado, hay un intenso calentamiento interno (ya que la generacion de calor de la baterfa es proporcional a su resistencia interna), lo que lleva a un rapido aumento de la temperatura de la baterfa hasta un punto que activa el interruptor sensible a la temperatura a CERRADO. El interruptor CERRADO activa inmediatamente el terminal LoR(-) para que este operativo y reduce la resistencia interna de la baterfa. La combinacion de baja resistencia interna y alta temperatura interna mejora sustancialmente la produccion de potencia y energfa de la baterfa a pesar de operar en entornos bajo cero.
La Figura 2 muestra otra configuracion de una baterfa recargable que tiene al menos una hoja de resistencia insertada entre una pila de los conjuntos de electrodo-separador para generar calor en la baterfa. En esta forma de realizacion, la baterfa recargable 210 incluye una hoja de resistencia 212 colocada entre dos conjuntos de electrodoseparador 213a y 213b. La hoja de resistencia se coloca preferiblemente en el centro de la pila de electrodos para un calentamiento mas uniforme y se puede intercalar por los separadores 217 que pueden ser iguales o diferentes a los separadores 216. Cada conjunto de electrodo-separador incluye electrodos de anodo 214, separadores 216 y electrodos de catodo 218. La baterfa 210 incluye ademas un terminal negativo de baja resistencia LoR(-) 220, un terminal negativo de alta resistencia HiR(-) 222, un interruptor 224 y un terminal positivo (+) 226.
En esta forma de realizacion, la hoja de resistencia 212 tiene dos pestanas (212a, 212b), que se pueden unir por soldadura. La pestana de resistencia 212a y las pestanas de anodo 214a de los electrodos de anodo 214 estan conectadas electricamente al terminal negativo de baja resistencia LoR(-) 220 para formar un circuito de baja resistencia electrica. La pestana de resistencia 212b esta conectada electricamente al terminal negativo de alta resistencia HiR(-) 222 para formar un circuito de alto nivel de resistencia electrica que se activa mediante el interruptor 224. Las pestanas de catodo 218a de los electrodos de catodo 218 estan conectadas electricamente entre sf y al terminal positivo 226. En este ejemplo en particular, el interruptor 224 es un interruptor activado termicamente que puede conectar o desconectar electricamente un terminal LoR(-) 220 y un terminal HiR(-) 222.
El conjunto de anodo-separador-catodo-hoja de resistencia puede colocarse en un envase apropiado, por ejemplo, en una carcasa de una celda de bolsa y rellenarse con electrolito. En esta forma de realizacion, el conjunto de anodo-separador-catodo-hoja de resistencia esta contenido en la carcasa 240. Los terminales negativo y positivo pueden conectarse electricamente a un circuito externo 228a y 228b. La baterfa recargable 210 de la Figura 2 se puede operar de la misma manera que se ha descrito para la Figura 1.
La Figura 3 ilustra diferentes configuraciones de hojas de resistencias que pueden usarse en las baterfas recargables de la presente divulgacion, incluidas las configuraciones mostradas en las Figuras 1 y 2. Cada hoja de resistencia, 310, 320, 330, 340, 350, 360 tiene dos pestanas, que se pueden unir mediante soldadura. Las pestanas en las diversas hojas de resistencia se pueden colocar en varias configuraciones, como se muestra en la Figura 3. Estas configuraciones incluyen: (a) 2 pestanas en el mismo lado (311, 312), separadas por el corte 314; (b) 2 pestanas en el lado opuesto de la hoja de resistencia y ubicadas aproximadamente en el centro del borde (321, 322); (c) y (e) 2 pestanas en el mismo lado, pero en los bordes exteriores de la hoja de resistencia (331, 332) y separadas por un corte 334; y (d) y (f) 2 pestanas en el lado opuesto de la hoja de resistencia, pero en los bordes exteriores (341, 342).
En algunas formas de realizacion, la resistencia de la hoja de resistencia se puede ajustar a traves de un patron. Dicho patron permite una hoja de resistencia mas gruesa que si la resistencia de la hoja se ajustara haciendola mas delgada, lo que puede afectar adversamente a la resistencia mecanica o la soldabilidad de la hoja de resistencia con otras pestanas. Cuando se aplica un patron, se prefieren las esquinas redondas sobre las esquinas rectas para minimizar los puntos calientes. Las hojas de resistencia con patron se pueden fabricar por fotograbado, mecanizado de descarga electrica, corte por chorro de agua, corte por laser, estampado, etc. La Figura 3E ilustra una hoja de resistencia con patron que puede usarse en las baterfas recargables de la presente divulgacion. La Figura 3E muestra 2 pestanas en el mismo lado, pero en los bordes exteriores de la hoja de resistencia (331, 332) y tambien el material retirado del interior de la hoja (es decir, el patron general 352) con esquinas redondeadas (354). En otras formas de realizacion o en combinacion con otras formas de realizacion, la hoja de resistencia se puede revestir con una capa delgada de polfmero u oxido que sea termicamente conductora, electricamente aislante y qufmicamente estable dentro de una celda de baterfa. La Figura 3F ilustra una hoja de resistencia que tiene un revestimiento en ambos lados principales de la hoja. En esta forma de realizacion particular, el revestimiento es un laminado (362) que rodea completamente la hoja de resistencia (364) pero expone las pestanas (341, 342).
En una forma de realizacion de la presente divulgacion, una o mas de las hojas de resistencia mostradas en la Figura 3 se pueden usar en las configuraciones de las Figuras 1 o 2. Por ejemplo, para cualquier hoja de resistencia en la Figura 3, las pestanas etiquetadas como Pestana 1 se pueden conectar (por ejemplo, soldarse) con todas las pestanas de las hojas de electrodo de anodo en la baterfa. Juntas, forman el terminal de baja resistencia LoR(-) en la Figura 1 o la Figura 2. Las Pestanas 2 como se muestra en la Figura 3, se pueden soldar juntas para formar el terminal de alta resistencia HiR(-) en cualquiera de las Figura 1 o Figura 2.
En otras formas de realizacion de la presente divulgacion, una baterfa recargable puede configurarse colocando una o mas hojas de resistencia fuera de una celda de baterfa. Por ejemplo, con un modulo de baterfa que incluye multiples celdas, una o mas hojas de resistencia pueden intercalarse entre dos celdas adyacentes dentro del modulo de la baterfa. La Figura 4 ilustra una forma de realizacion de este tipo.
Como se muestra en la Figura 4, el modulo de baterfa 410 incluye una hoja de resistencia 412 colocada entre dos celdas 413a y 413b. La hoja de resistencia esta colocada preferiblemente entre las celdas para proporcionar un calentamiento uniforme de las celdas y el modulo de baterfa, tal como interpuesta firmemente entre las dos celdas. Cada celda incluye electrodos de anodo 414, separadores 416 y electrodos de catodo. El modulo de baterfa 410 incluye ademas un terminal negativo de baja resistencia LoR(-) 420 que esta conectado electricamente a cada celda del modulo y un terminal negativo de alta resistencia HiR(-) 422, que esta conectado electricamente a la hoja de resistencia. El modulo de baterfa tambien incluye el interruptor 424 y los terminales positivos (+) 426a y 426b. Los terminales negativo y positivo pueden conectarse electricamente a un circuito externo 428a y 428b. El modulo de baterfa recargable 410 de la Figura 4 se puede operar de la misma manera que se ha descrito para la Figura 1.
Mientras que el modulo de baterfa 410 en la Figura 4 se ilustra como un modulo de doble celda con una hoja de resistencia entre las dos celdas, los modulos de baterfa de la presente divulgacion pueden tener mas de dos celdas y/o mas de una hoja de resistencia posicionada en el medio de los modulos de celda. Por ejemplo, el modulo de baterfa puede tener 4, 5 o 6 celdas con una o mas hojas de resistencia colocadas entre las celdas y alrededor de otras posiciones cerca de las celdas.
En una forma de realizacion de la presente divulgacion, una o mas de las hojas de resistencia mostradas en la Figura 3 se pueden usar en las configuraciones de la Figura 4. Por ejemplo, para cualquier hoja de resistencia en la Figura 3, las pestanas etiquetadas como Pestana 1 se pueden conectar a los terminales negativos de las celdas, formando un terminal de baja resistencia para el modulo de baterfa, LoR(-). La Pestana 2 de cualquiera de las hojas de resistencia mostradas en la Figura 3 se puede soldar para formar el terminal de alta resistencia del modulo de baterfa, HiR(-). La activacion y el funcionamiento de dicho modulo de baterfa es el mismo que para una sola celda descrita anteriormente.
En otra forma de realizacion de la presente divulgacion, una o mas laminas de resistencia se pueden intercalar entre dos condensadores en espiral de un conjunto de electrodo-separador de una baterfa recargable. La Figura 5 ilustra una forma de realizacion de este tipo. Como se muestra en la Figura 5, la hoja de resistencia 512 esta intercalada entre dos condensadores en espiral (513a, 513b). El diseno en esta forma de realizacion se puede usar con cualquier baterfa recargable convencional que contenga conjuntos de electrodos de condensador en espiral. Como se muestra adicionalmente en la Figura 5, la hoja de resistencia electrica 512 tiene dos pestanas (512a, 512b), que se pueden unir mediante soldadura. La pestana de resistencia 512a esta conectada electricamente a las pestanas de anodo 514a de los electrodos de anodo del condensador en espiral (no mostrado por conveniencia ilustrativa) y a un terminal negativo de baja resistencia LoR(-) (no mostrado) para formar un circuito de baja resistencia electrica. La pestana de resistencia 512b esta conectada electricamente al terminal negativo de alta resistencia HiR(-) (no mostrado) para formar un circuito de alto nivel de resistencia electrica. Las pestanas de catodo 518a de los electrodos de catodo del condensador en espiral estan conectadas electricamente entre sf y a un terminal positivo (no mostrado por conveniencia ilustrativa). La baterfa recargable en esta forma de realizacion tambien incluirfa un interruptor fuera de la baterfa que puede conectar o desconectar electricamente el terminal LoR(-) y el terminal HiR(-). La baterfa recargable 510 de la Figura 5 se puede operar de la misma manera que se ha descrito para la Figura 1.
Mientras que la configuracion de la baterfa en la Figura 5 se ilustra como dos condensadores en espiral con una hoja de resistencia entre los mismos, las baterfas recargables de la presente divulgacion pueden tener mas de dos condensadores en espiral y/o mas de una hoja de resistencia posicionada en el medio del condensador en espiral. Ademas, la una o mas hojas de resistencia se pueden revestir con una capa delgada de un polfmero u oxido para aislarlas de un electrolito dentro de la baterfa. Por ejemplo, la baterfa puede tener tres o mas condensadores en espiral con una o mas hojas de resistencia colocadas entre un par de condensadores en espiral y/o alrededor de otras posiciones cerca de cada uno o algunos de los condensadores en espiral.
En una forma de realizacion de la presente divulgacion, una o mas de las hojas de resistencia mostradas en la Figura 3 se pueden usar en las configuraciones de la Figura 5. Por ejemplo, para cualquier hoja de resistencia en la Figura 3, las pestanas etiquetadas como Pestana 1 se pueden conectar a los terminales negativos de las celdas, formando un terminal de baja resistencia para la baterfa, LoR(-). La Pestana 2 de cualquiera de las hojas de resistencia mostradas en la Figura 3 se puede soldar para formar el terminal de alta resistencia de la baterfa, HiR(-). La activacion y el funcionamiento de tal baterfa son los mismos que se describen para la baterfa de la Figura 1.
En una forma de realizacion de la presente divulgacion, una baterfa recargable puede construirse sin usar una hoja de resistencia separada para producir el alto nivel de resistencia electrica interna de la baterfa. Por ejemplo, un circuito de alta resistencia electrica puede configurarse para ser parte integral del colector de corriente de un electrodo de la celda de la baterfa. En una forma de realizacion de la presente divulgacion, una baterfa recargable incluye al menos un terminal negativo y al menos un terminal positivo para operar la baterfa en Ri sobre Ti y T2; al menos un terminal de alta resistencia (por ejemplo, un terminal negativo o positivo adicional) para operar la baterfa en R2 fuera de Ti o T2; y un interruptor que activa R2 cuando la temperatura de la baterfa esta fuera de Ti o T2, en donde el al menos un terminal de alta resistencia esta conectado electricamente al menos a una hoja de resistencia dentro de una celda de la baterfa, y en donde la al menos una hoja de resistencia forma parte integral del colector de corriente de un electrodo de la celda de la baterfa.
La Figura 6 ilustra una forma de realizacion de este tipo. La Figura 6 muestra un conjunto que incluye un electrodo de anodo 614, un separador 616 y un electrodo de catodo 618. Este conjunto es aplicable a una amplia diversidad de configuraciones de baterfa recargable, tal como un diseno de condensador en espiral en la carcasa de la celda. En esta forma de realizacion, el electrodo de catodo (positivo) 618 incluye varias pestanas estrechamente separadas 618a conectadas electricamente (por ejemplo, soldadas entre sf) para formar el Terminal (+) 626. Por otra parte, el electrodo de anodo (negativo) 614 incluye algunas pestanas estrechamente separadas (614a) conectadas electricamente entre sf para formar el terminal LoR(-) 620 y la pestana 614b que se encuentra a una distancia de la pestana mas cercana 614a. La Pestana 614b puede conectarse electricamente a un terminal de alta resistencia electrica. En este ejemplo, la Pestana 614b forma el terminal de alta resistencia electrica HiR(-).
En este diseno, la porcion de la lamina de electrodo negativo, es decir, la lamina de Cu, entre la pestana 614b (la pestana alejada) y la mas cercana de la pestana estrechamente separada (pestana 614a), actua como una gran resistencia para ser operativa cuando la temperatura de la baterfa esta por debajo del intervalo normal, es decir, por debajo de T1. En otras palabras, el material entre las pestanas 614a y 614b (designado como 630) actua como la hoja de resistencia para este diseno de baterfa. En el exterior de la carcasa de la celda, los terminales LoR(-) y HiR(-) se pueden conectar y desconectar electricamente a traves del interruptor 624, por ejemplo, un interruptor sensible a la temperatura. La activacion y el funcionamiento de una baterfa con la configuracion ilustrada en la Figura 6 se pueden realizar de la misma manera que se describe para la baterfa en la Figura 1.
La resistencia electrica de 630 dependera, entre otras cosas, de la distancia entre la pestana 614b y la pestana mas cercana 614a, del material utilizado para formar el colector de corriente, por ejemplo, la composicion de la lamina, y cualquier material en la lamina entre las dos pestanas y el nivel de resistencia deseado del terminal de alta resistencia. Los electrodos de una baterfa recargable se forman tfpicamente al revestir uno o mas materiales electroqufmicamente activos, con o sin un aglutinante y/o diluyente conductor, sobre un colector de corriente. Dichos materiales tambien pueden afectar a la resistencia electrica de 630.
La Figura 7 ilustra otra forma de realizacion de una baterfa recargable de la presente divulgacion que incluye una hoja de resistencia que es parte integrante del colector de corriente de un electrodo de la celda de la baterfa. En esta forma de realizacion, se muestra un conjunto que incluye el electrodo de anodo 714, el separador 716 y el electrodo de catodo 718. Como se aprecia para la configuracion de la Figura 6, el conjunto que se muestra en la Figura 7 es aplicable a una amplia diversidad de configuraciones de baterfa recargable. En este ejemplo, tanto los electrodos de catodo como los de anodo tienen una serie de pestanas estrechamente separadas conectadas electricamente para formar los Terminales LoR(+) y LoR(-), asf como pestanas alejadas para formar HiR(+) y HiR(-). En particular, el electrodo de catodo (positivo) 718 incluye varias pestanas estrechamente separadas 718a conectadas electricamente para formar el Terminal (+) 726 y la pestana 718b que se encuentran a una distancia de la pestana mas cercana 718a para formar el terminal de alta resistencia electrica HiR(+). El electrodo de anodo (negativo) 714 incluye algunas pestanas estrechamente separadas (714a) conectadas electricamente para formar el terminal LoR(-) 720 y la pestana 714b que esta a una distancia de la pestana mas cercana 714a para formar el terminal de alta resistencia electrica HiR(-)
En este diseno, las porciones de la lamina del electrodo negativo (es decir, Cu) y la lamina del electrodo positivo (es decir, Al) entre el grupo de pestanas estrechamente separadas y la pestana alejada actuan como una gran resistencia para funcionar cuando la temperatura de la batena esta por debajo del intervalo normal, es decir, por debajo de Ti. En otras palabras, el material entre las pestanas 714a y 714b (designado como 730a) y el material entre las pestanas 718a y 718b (designado como 730b) actua como hojas de resistencia para este diseno de batena.
En el exterior de la carcasa de celda 740, se pueden usar dos interruptores independientes (724a, 724b) para conectar el terminal LoR(+) con HiR(+) y LoR(-) con HiR(-), respectivamente. Los dos interruptores pueden funcionar simultaneamente, o independientemente entre sf, o de acuerdo con un algoritmo en funcion de la temperatura de la batena. De otro modo, la activacion y el funcionamiento de una batena con la configuracion ilustrada en la Figura 7 se pueden realizar de la misma manera que se describe para la batena en la Figura 1.
Son posibles muchos mas disenos de pestanas para la configuracion del condensador en espiral de una batena recargable siempre que un grupo de pestanas proporcione una resistencia baja y el otro grupo de pestanas proporcione una resistencia alta.
En otra forma de realizacion de la presente divulgacion, se pueden incluir una o mas hojas de resistencia con un conjunto de electrodo en espiral de una batena recargable. Las Figuras 8, 9 y 10 ilustran formas de realizacion de un conjunto de electrodo de condensador en espiral que tiene una o mas hojas de resistencia. Como se muestra en la Figura 8, la hoja de resistencia 812 se incluye dentro del centro del conjunto de condensador en espiral. En esta forma de realizacion, la resistencia no entra en contacto directamente con ningun electrodo y no debena afectar negativamente a la capacidad de la celda. La hoja de resistencia se puede insertar despues de ensamblar el condensador en espiral o mientras se ensambla el condensador en espiral. La hoja de resistencia tambien puede actuar ventajosamente como soporte estructural para el conjunto de condensador en espiral. El diseno en esta forma de realizacion se puede usar con cualquier batena recargable convencional que contenga conjuntos de electrodos de condensador en espiral. Como se muestra en la Figura 8, el conjunto de condensador en espiral 813 incluye ademas un electrodo de anodo 814 en el colector de corriente 815, por ejemplo, una lamina de cobre, un primer separador 816a, un electrodo de catodo 818 en el colector de corriente 819, por ejemplo, una lamina de aluminio, y un segundo separador 816b. Ademas de tener una hoja de resistencia en mas o menos el centro del conjunto de condensador en espiral, se puede incluir una hoja de resistencia en la capa externa del condensador en espiral. El condensador en espiral puede ser de forma plana, como se muestra en la Figura 8, o cilmdrica.
La Figura 9 ilustra otra forma de realizacion de un conjunto de electrodo de condensador en espiral que tiene una hoja de resistencia. En esta forma de realizacion, una serie de laminas de resistencia se envuelven alrededor de una serie de conjuntos de condensador en espiral. Como se muestra en la Figura 9, las hojas de resistencia 912a y 912b se envuelven alrededor de los conjuntos de condensador en espiral 913a y 913b. La Figura 9 muestra dos conjuntos de condensador en espiral, teniendo cada uno una hoja de resistencia en la circunferencia exterior de los mismos. Esta configuracion puede extenderse a conjuntos de condensador en espiral adicionales, algunos o todos los cuales tienen una hoja de resistencia en su circunferencia exterior para formar un conjunto de condensador en espiral que tiene una serie de laminas de resistencia enrolladas alrededor de una serie de conjuntos de condensador en espiral. Tal conjunto se puede fabricar enrollando un conjunto de condensador en espiral y luego envolviendo la hoja de resistencia en la circunferencia exterior del mismo, seguido de enrollar conjuntos de condensador en espiral adicionales con o sin laminas de resistencia en los mismos.
Cada uno de los conjuntos de condensador en espiral incluye un electrodo de anodo, un electrodo de catodo y un separador. Por ejemplo, los conjuntos de condensador en espiral 913a y 913b incluyen un electrodo de anodo 914 en el colector de corriente 915, por ejemplo, una lamina de cobre, un primer separador 916a, un electrodo de catodo 918 en el colector de corriente 919, por ejemplo, una lamina de aluminio. Se puede incluir un segundo separador despues del colector de corriente 919, que no se muestra en la figura. Ademas de tener laminas de resistencia enrolladas alrededor de la capa externa del condensador en espiral, se puede incluir una hoja de resistencia en mas o menos el centro del conjunto de condensador en espiral interno.
La Figura 10 ilustra otra forma de realizacion de un conjunto de electrodo de condensador en espiral que tiene una hoja de resistencia. En esta forma de realizacion, el recipiente que soporta el conjunto o los conjuntos de condensador en espiral puede actuar como la hoja de resistencia, aunque no tenga la forma de una hoja. Como se muestra en la Figura 10, la hoja de resistencia 1012 rodea dos conjuntos de condensador en espiral 1013a y 1013b. La hoja de resistencia 1012 tiene una superficie interior 1012a en contacto con una porcion sustancial de la capa externa de los conjuntos de condensador en espiral. La hoja de resistencia puede ser un recipiente que soporta los conjuntos, por ejemplo, un bote de acero. En esta forma de realizacion, la hoja de resistencia 1012 esta conformada para tener dos compartimientos para soportar los dos conjuntos de condensador en espiral, pero esta forma de realizacion no esta limitada a tal forma siempre que una superficie interior de la hoja de resistencia 1012 haga contacto con una porcion sustancial de al menos uno de los conjuntos de condensador en espiral, la hoja de resistencia puede funcionar como se describe en la presente divulgacion. Ademas, la configuracion de la Figura 10 puede extenderse a conjuntos de condensador en espiral adicionales, algunos o todos los cuales estan colocados en uno o mas compartimentos o entran en contacto con la hoja de resistencia.
Cada uno de los conjuntos de condensador en espiral incluye un electrodo de anodo, un primer separador, un electrodo de catodo y un segundo separador. Por ejemplo, los conjuntos de condensador en espiral 1013a y 1013b incluyen un electrodo de anodo 1014 en el colector de corriente 1015, por ejemplo, una lamina de cobre, un primer separador 1016a, un electrodo de catodo 1018 en el colector de corriente 1019, por ejemplo, una lamina de aluminio. Se puede incluir un segundo separador despues del colector de corriente 919, que no se muestra en la figura. Ademas de la hoja de resistencia 1012, una hoja de resistencia puede incluirse en mas o menos el centro de uno o todos los conjuntos de condensador en espiral en esta forma de realizacion.
Mientras que las configuraciones de baterfa en las Figuras 8, 9 y 10 se ilustran como condensadores en espiral que tienen una forma asimetrica, los condensadores en espiral y las hojas de resistencia pueden ser simetricos, tales como conjuntos de condensador en espiral cilfndricos con hojas de resistencia cilfndricas correspondientes.
Ademas de los elementos ilustrados en las Figuras 8, 9, 10, se incluyen elementos adicionales para formar baterfas de trabajo con las configuraciones de las Figuras 8, 9 y 10, que no se mostraron por conveniencia ilustrativa. Estos elementos incluyen, por ejemplo, un terminal de alta resistencia conectado electricamente a la hoja de resistencia como parte de un circuito de nivel de alta resistencia electrica; un terminal de baja resistencia que esta conectado electricamente a la hoja de resistencia y a uno de los electrodos, por ejemplo, los electrodos de anodo o de catodo, para formar un circuito de baja resistencia electrica; un interruptor que puede conectar o desconectar electricamente los terminales de baja resistencia y alta resistencia. La baterfa recargable 810, 910 y 1010 de las Figuras 8, 9 y 10, respectivamente, puede operarse de la misma manera que se describe para la Figura 1, por ejemplo.
En otra forma de realizacion de la presente divulgacion, una o mas de las hojas de resistencia mostradas en la Figura 3 se pueden usar en las configuraciones de las Figuras 8, 9 y 10. Por ejemplo, para cualquier hoja de resistencia en la Figura 3, las pestanas etiquetadas como Pestana 1 se pueden conectar a los terminales negativos de las celdas, formando un terminal de baja resistencia para la baterfa, LoR(-). La Pestana 2 de cualquiera de las hojas de resistencia mostradas en la Figura 3 se puede soldar para formar el terminal de alta resistencia de la baterfa, HiR(-). La activacion y el funcionamiento de tal baterfa son los mismos que se describen para la baterfa de la Figura 1.
Todos los disenos de baterfas descritos anteriormente son aplicables a baterfas recargables tales como ion Li, hidruro de nfquel-metal, plomo-acido, etc. Ventajosamente, la baterfa recargable de la presente divulgacion puede implementarse para todas las qufmicas de la baterfa, tales como baterfas recargables de ion litio, hidruro de nfquelmetal o de litio avanzadas, tales como baterfas de litio-azufre, litio-polfmero, litio-aire o todas las baterfas de estado solido, y para todos los factores de forma, ya sean bolsas, cilfndricas, prismaticas o angulares. Los disenos de celda descritos anteriormente para las Figuras 1-10 se pueden utilizar para fabricar una baterfa para todo clima con una baja resistencia interna (R1) para un conjunto de terminales y una alta resistencia interna (R2) para un segundo conjunto de terminales. La estructura de la celda puede acomodar disenos de electrodos en espiral y electrodos apilados, entre otros disenos.
En un aspecto de la presente descripcion, una baterfa recargable funciona con R1 cuando la temperatura de la baterfa esta entre T1 y T2, y en R2 fuera de T1 o T2 activando un interruptor que activa R2 cuando la temperatura de la baterfa esta fuera de T1 o T2. El funcionamiento de la baterfa a un alto nivel de resistencia (R2) puede incluir la aplicacion de un ciclo de tension constante - corriente constante (CVCC) para aumentar la temperatura interna de la baterfa. Tal ciclo de activacion puede generar una gran cantidad de calor interno al hacer funcionar la baterfa en el modo de alta resistencia y en una baja tension de celda. El ciclo de activacion puede incluir el funcionamiento de la baterfa a una tension constante seguida de un lfmite de corriente constante. En ciertas formas de realizacion, la tension constante se establece en un intervalo de 0,2 a 1 V, y el lfmite de corriente se establece en un intervalo de 1 C a 10 C (la tasa de C definida aquf es una relacion de la corriente en amperios con respecto a la capacidad nominal de la baterfa; para una baterfa de 10 Ah, 1 C significa 10 A). Preferiblemente, la tension constante varfa de 0,4 V a 1,0 V y el lfmite de corriente es de 2 C a 5 C, por ejemplo, 4 C.
EJEMPLO
El siguiente ejemplo pretende ilustrar adicionalmente ciertas formas de realizacion preferidas de la invencion y no es de naturaleza limitante. Los expertos en la materia reconoceran, o podran determinar, utilizando tan solo la experimentacion de rutina, numerosos equivalentes a las sustancias y procedimientos especfficos que se describen en el presente documento.
De acuerdo con la construccion descrita en la Figura 1, se desarrollo una baterfa de produccion piloto de 26 Ah, en forma de una celda de bolsa y hecha de catodo de litio-nfquel-manganeso-cobalto (NMC) y anodo de grafito. La hoja de resistencia es una lamina de acero inoxidable de 25 cm de largo, 6 cm de ancho y 100 um de espesor. Su resistencia es de aproximadamente 0,05 ohmios y su peso es de -13 gramos, lo que representa aproximadamente el 2,3% del peso total de la baterfa. El cambio entre los terminales LoR(-) y HiR(-) se realiza mediante un rele electromecanico accionado por un controlador de temperatura. El rele esta configurado para conmutar a aproximadamente 0°C. El rele pesa aproximadamente 7 gramos. Antes de la prueba, la baterfa de prueba esta completamente cargada y luego se empapa durante 5-6 horas en una camara termica preestablecida a una temperatura de congelacion. Durante la prueba de la baterfa para todo clima de 26 Ah, se montan varios termopares en la baterfa y se conectan a voltfmetros para leer la temperatura promedio de la baterfa que impulsa el rele. Un estudio comparativo tambien probo una celda de referencia sin la lamina de resistencia y el interruptor sensible a la temperatura, pero por lo demas, permanecen identicos.
Los resultados de la prueba de la baterfa para todo clima (etiquetada como ACB en la Figura 11) y la baterfa de referencia (etiquetada como LiB conv. en la Figura 11) para una descarga 1 C desde -30°C se muestran en la Figura 11A. En el caso de la ACB, la prueba de la baterfa comienza con un breve periodo de activacion en el que se aplico una corriente constante equivalente a 2 C (es decir, 52 A) a los terminales de alta resistencia durante unos 142 segundos. Se aprecia que la tension de la celda se encuentra entre 0,6 y 1,3 V a partir de la Figura 11A. En este periodo de activacion, la hoja de resistencia integrada dentro de la celda se calienta rapidamente, lo que calienta rapidamente la celda como lo indica la temperatura promedio de la baterfa que se muestra en la Figura 11b . Cuando la temperatura de la baterfa alcanza aproximadamente 0°C, un punto de ajuste en el que la baterfa cambia a la resistencia interna baja, la activacion se completa y la baterfa se somete a una descarga estandar de 1 C (es decir, 26 A) como se muestra en la Figura 11 A. La curva de descarga de la ACB se contrasta con la de la LiB convencional, que muestra una tension, capacidad y produccion de energfa sustancialmente mejoradas en el caso de la ACB. Se realizaron experimentos similares de descarga 1 C de la ACB y la LiB convencional a diversas temperaturas ambiente. La capacidad y la energfa de descarga se muestran en las Figuras 12A y 12B, respectivamente. Se ve que la ACB entrega >90% de la capacidad a temperatura ambiente y >82% de la energfa a temperatura ambiente en el entorno de -30°C. En comparacion, la LiB convencional produce solo el 60% y el 50% de la capacidad a temperatura ambiente y la energfa a -30°C. La mejora del rendimiento de la ACB a -40°C es aun mas sustancial, ya que retiene el 85% y el 70% de la capacidad y la energfa a temperatura ambiente, mientras que la LiB convencional tiene una capacidad de casi cero y una produccion de energfa en las mismas condiciones ambientales. Tambien se han realizado experimentos de descarga 2 C, y la produccion de potencia y energfa son igualmente impresionantes.
Tambien se realizo una prueba de caracterizacion de pulso de potencia hfbrida (HPPC) para cuantificar la capacidad de potencia de la ACB de 26 Ah. La prueba HPPC comienza a partir de un estado de carga (SOC) determinado y continua con un pulso de descarga 3 C durante 20 segundos, luego 20 segundos de descanso, seguido de un pulso de carga 1 C durante 20 segundos. La respuesta de tension a tal carga de HPPC se muestra en la Figura 13B. La potencia de descarga y carga, calculada multiplicando la corriente de descarga/carga con la tension de la celda al final de cada pulso de 20 segundos, se muestran en la Figura 13C. Esta potencia de descarga y carga a -30°C es aproximadamente 6-7 veces mayor que la de una LiB convencional.
Si bien los resultados de las pruebas se muestran para una baterfa de iones de Li regular, las baterfas para todo clima se basan en baterfas avanzadas de iones de Li, hidruro de nfquel-metal (Ni-MH), plomo-acido (Pb-acido) y se espera que otras qufmicas de baterfa tengan las mismas ventajas.
En la presente divulgacion solo se muestran y describen la forma de realizacion preferida de la presente invencion y ejemplos de su versatilidad. Debe entenderse que la presente invencion es capaz de usarse en diversas combinaciones y entornos diferentes y es apta para cambios o modificaciones. Por lo tanto, por ejemplo, los expertos en la tecnica reconoceran, o podran determinar, utilizando tan solo la experimentacion rutinaria, numerosos equivalentes a las sustancias, procedimientos y disposiciones especfficos que se describen en el presente documento. Dichos equivalentes se consideran dentro del alcance de esta invencion, de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.
14

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Una baterfa recargable que comprende:
una o mas celdas electroqufmicas;
al menos un terminal negativo y al menos un terminal positivo que forman una primera resistencia interna (Ri) sobre un intervalo de temperatura de la baterfa entre una primera temperatura (Ti) y una segunda temperatura (T2);
al menos un terminal de alta resistencia conectado electricamente al menos a una hoja de resistencia dentro de una celda de la baterfa o entre celdas de la baterfa formando una segunda resistencia interna (R2), siendo R2 mayor de Ri; y
un interruptor configurado para conectar o desconectar electricamente el al menos un terminal de alta resistencia con al menos un terminal positivo o al menos un terminal negativo para activar R2 cuando la temperatura de la baterfa esta fuera del intervalo de Ti - T2.
2. La baterfa recargable de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que un valor de R2/R1 esta entre e incluyendo de 2 a 100, cuando el valor de R2 se determina a aproximadamente 2°C por debajo de T1 y R1 se determina en T1.
3. La baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en la que al menos una hoja de resistencia esta hecha de grafito, grafito pirolftico altamente ordenado (HOPG), acero inoxidable, nfquel, cromo, nicromo, cobre, aluminio, titanio, o combinaciones de los mismos.
4. La baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en la que la al menos una hoja de resistencia tiene un espesor de 1-150 micrometros.
5. La baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en la que la al menos una hoja de resistencia incluye un revestimiento protector sobre una superficie de la misma seleccionado de polietileno, polipropileno, polipropileno clorado, poliester, poliimida, PVDF, PTFE, nylon o co-polfmeros de los mismos.
6. La baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en la que la al menos una hoja de resistencia se coloca dentro de una celda de la baterfa para generar calor uniformemente dentro de la celda de baterfa.
7. La baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en la que la al menos una hoja de resistencia se coloca entre las celdas dentro de la baterfa para generar calor uniformemente dentro de la baterfa.
8. La baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en la que la al menos una hoja de resistencia esta configurada para tener dos pestanas, con una pestana conectada electricamente a otras pestanas de electrodo en la baterfa para formar un terminal de baja resistencia, y formando la otra pestana de la al menos una hoja de resistencia el al menos un terminal de alta resistencia.
9. La baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en la que al menos una hoja de resistencia tiene una resistencia en unidades de ohmios igual al valor numerico de entre 0,1 a 5 dividido por la capacidad de la baterfa en amperios-hora (Ah).
10. La baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en la que el al menos un terminal de alta resistencia es un terminal negativo adicional.
11. La baterfa recargable de acuerdo con la reivindicacion 1-10, en la que el interruptor esta compuesto por un rele electromecanico y un controlador de temperatura, o un rele de estado solido con un sensor de temperatura, un MOSFET de potencia con un sensor de temperatura, o un interruptor de alta corriente con un sensor de temperatura, o un interruptor bimetalico.
12. La baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en la que la baterfa es una baterfa de ion litio.
13. Un sistema de baterfa que comprende la baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-12 y un controlador que puede cambiar entre el funcionamiento de la baterfa en Ri y el funcionamiento de la baterfa en R2.
14. Un metodo para operar una baterfa recargable de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-13 mediante la activacion de un interruptor que activa R2 cuando la temperatura de la baterfa esta fuera del intervalo de T1 - T2.
15. El metodo de la reivindicacion 14, en el que operar la baterfa en R2 incluye aplicar un ciclo de tension constante - corriente constante (CVCC) para aumentar la temperatura interna de la baterfa.
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