ES2711977T3 - Conjunto de electrodos que comprende estructuras con forma de fibra, y batería que incluye lo mismo - Google Patents

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Abstract

Un conjunto de electrodos que comprende: a. un primer electrodo que comprende al menos una primera estructura, teniendo la al menos una primera estructura una forma fibrosa y cualquiera de polaridades positivas o negativas; y b. un segundo electrodo que comprende al menos una segunda estructura, teniendo la al menos una segunda estructura una forma fibrosa y una polaridad diferente de la polaridad de la primera estructura, y que rodea en espiral a la primera estructura, donde una pluralidad de conjuntos de electrodos se proporciona como una pluralidad de segmentos que tienen longitudes predeterminadas en una caja de batería, donde la pluralidad de los conjuntos de electrodos comprende un separador que está colocado entre los segmentos, donde los segmentos están entretejidos de modo que los segmentos reciproquen a través del separador y se crucen entre sí como hebras de trama y hebras de urdimbre.

Description

DESCRIPCION
Conjunto de electrodos que comprende estructuras con forma de fibra, y baterfa que incluye lo mismo REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUD DE PATENTE RELACIONADA
Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud de patente coreana n. °10-2010-0078550, depositada el 14 de agosto de 2010, en la Oficina de Propiedad Intelectual de Corea.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
1. Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a una tecnologfa de baterfa, y mas particularmente, a un conjunto de electrodos que tiene estructuras con forma de fibra, y baterfa que incluye lo mismo.
2. Descripcion de la tecnica relacionada
Como recientemente se han desarrollado tecnologfas de fabricacion de semiconductores y tecnologfas de comunicacion, se ha expandido la industria de dispositivos electronicos moviles, y se han incrementado las demandas de conservacion medioambiental y el desarrollo de energfa alternativa debido al agotamiento de los recursos, las tecnologfas relacionadas con baterfas han sido estudiadas activamente. Dado que las baterfas de litio primarias, que son baterfas representativas, tienen un voltaje mas alto y una densidad de energfa mas alta que las baterfas acuosas convencionales, las baterfas de litio primarias se pueden fabricar facilmente en formas compactas y ligeras. Dichas baterfas de litio primarias se usan ampliamente, por ejemplo, como fuentes principales de suministro de energfa para dispositivos electronicos moviles o como fuentes de suministro de energfa de reserva.
Las baterfas secundarias son baterfas recargables formadas por un material de electrodo que tiene una alta reversibilidad. Las baterfas secundarias se clasifican en baterfas secundarias cilfndricas y baterfas secundarias poligonales de acuerdo con las apariencias externas, y se clasifican en baterfas secundarias de hidruro de nfquel/metal (Ni-MH), baterfas secundarias de litio (Li) y baterfas secundarias de ion litio (Li-ion) de acuerdo con los materiales de anodo y catodo. Los dispositivos a los que se aplican las baterfas secundarias se han diversificado desde baterfas pequenas tales como para telefonos moviles, ordenadores portatiles y pantallas moviles hasta baterfas medianas y grandes para vehfculos electricos y vehfculos hfbridos. En consecuencia, se requiere que las baterfas tengan una alta estabilidad y rentabilidad, asf como un diseno liviano, alta densidad de energfa, alta velocidad de carga/descarga, alta eficiencia de carga/descarga y excelentes caracterfsticas de ciclo.
El documento KR1020070009231desvela un conjunto de electrodos que comprende un electrodo con forma de fibra que rodea en forma de espiral otro electrodo con forma de fibra.
RESUMEN DE LA INVENCION
La presente invencion proporciona una baterfa que usa un conjunto de electrodos que cuenta con las ventajas anteriores. De acuerdo con la presente invencion, se proporciona un conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 1.
Al menos una de las estructuras primera y segunda puede incluir un nucleo colector de corriente y una capa de material activo que rodea el nucleo colector de corriente. El nucleo colector de corriente para una estructura de catodo de entre las estructuras primera y segunda puede incluir aluminio (Al) o una aleacion de Al. El nucleo colector de corriente para una estructura de anodo de entre las estructuras primera y segunda puede incluir cobre (Cu) o una aleacion de Cu. La capa de material activo puede incluir una capa de material activo para una baterfa primaria o secundaria. Un espesor de capa de material activo para una estructura de catodo de entre las estructuras primera y segunda puede variar de 1 pm a 300 pm, y un grosor de la capa de material activo para una estructura de anodo de entre las estructuras primera y segunda puede variar de 3 pm a 100 pm.
El conjunto de electrodos puede, ademas, incluir una capa de recubrimiento de electrolito que se coloca sobre al menos una de las estructuras primera y segunda. La capa de recubrimiento de electrolito puede incluir una capa de electrolito solido. El conjunto de electrodos puede, ademas, incluir un separador que se coloca entre las estructuras primera y segunda. El separador puede estar recubierto en al menos una de las estructuras primera o segunda.
Se proporciona una pluralidad de conjuntos de electrodos como una pluralidad de segmentos que tienen longitudes predeterminadas en una caja de baterfa. Los segmentos pueden tener una estructura en espiral.
Los segmentos pueden estar dispuestos de forma aleatoria para formar un espacio que se llena con un electrolito. Los segmentos pueden extenderse siendo retorcidos para adquirir una estructura de hilo grueso. El conjunto de electrodos puede, ademas, incluir otros segmentos que rodean en forma de espiral la estructura de hilo grueso.
Los segmentos estan tejidos para cruzarse entre si como hebras de trama y hebras de urdimbre. El conjunto de electrodos incluye, ademas, un separador colocado entre los segmentos, donde los segmentos se tejen de modo que los segmentos reciprocan a traves del separador y se cruzan entre si como hebras de trama y hebras de urdimbre. Los segmentos pueden extenderse en paralelo para formar al menos un plano virtual. Los segmentos pueden extenderse para formar una pluralidad de planos virtuales y el conjunto de electrodos puede incluir, ademas, un separador que este colocado entre la pluralidad de planos virtuales. Los segmentos pueden atravesar una matriz de aislamiento.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, se proporciona una baterfa que incluye: los conjuntos de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 1 que estan dispuestos apilados, doblados, o enrollados; y una caja que rodea los conjuntos de electrodos. La baterfa puede ser una baterfa primaria o una baterfa secundaria.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Lo anterior y otras caracterfsticas y ventajas de la presente invencion se haran mas evidentes con la descripcion en detalle de realizaciones ejemplares especfficas de la misma con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales: La FIG. 1A es una vista que ilustra un conjunto de electrodos de una baterfa, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
Las FIGS. 1B y 1C son vistas transversales tomadas a lo largo de la lfnea A-B de la FIG. 1A, que ilustran las estructuras en espiral de acuerdo con varias realizaciones de la presente invencion.
La FIG. 2 es una vista que ilustra un conjunto de electrodos de una baterfa, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion.
Las FIGS. 3A y 3B son vistas que ilustran los conjuntos de electrodos dispuestos en una caja de baterfa, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
Las FIGS. 4A y 4B son vistas en perspectiva que ilustran segmentos de conjuntos de electrodos que se disponen regularmente, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion.
Las FIGS. 5A y 5B son vistas en perspectiva que ilustran segmentos de conjuntos de electrodos que se disponen regularmente, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, y
la FIG. 6 es una vista transversal para explicar un proceso de disposicion de segmentos de conjuntos de electrodos, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La presente invencion se describira ahora mas completamente con referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestran realizaciones ejemplares de la invencion.
La presente invencion se describira ahora mas completamente, de aquf en adelante, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestran elementos de la invencion. La presente invencion puede, sin embargo, realizarse de muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones ejemplares expuestas en el presente documento. En su lugar, estas realizaciones se proporcionan para que esta descripcion sea minuciosa y completa, transmitiendo completamente el alcance de la presente invencion a un experto en la materia cualquiera. Ademas, en los dibujos, los grosores o tamanos de las capas se exageran por conveniencia de explicacion y claridad, y los mismos numeros de referencia indican los mismos elementos. Tal como se utiliza en este documento, el termino "y/o" incluye cualquiera y todas las combinaciones de uno o mas de los elementos enumerados asociados.
La terminologfa usada en este documento es con el fin de describir realizaciones particulares solamente y no pretende ser limitativa de las realizaciones ejemplares de la presente invencion. Tal como se usan en el presente documento, se pretende que las formas en singular “un”, “una”, “el” y “la” incluyan tambien las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entendera ademas que los terminos "comprende" "que comprende", "incluye" y/o "que incluye" cuando se usan en el presente documento, especifican la presencia de caracterfsticas, numeros enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes, pero no excluyen la presencia o adicion de una o mas de otras caracterfsticas, numeros enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes, y/o grupos de los mismos.
Se entendera que, aunque los terminos primero, segundo, tercero etc. pueden utilizarse en este documento para describir diversos elementos, componentes, regiones, capas, y/o secciones, estos elementos, componentes, regiones, capas, y/o secciones no deberan estar limitados por estos terminos. Estos terminos se utilizan solamente para distinguir un elemento, componente, region, capa, o seccion de otra region, capa, o seccion. Asf, un primer elemento, componente, region, capa, o seccion analizado mas adelante podrfa determinar un segundo elemento, componente, region, capa, o seccion sin apartarse de las ensenanzas de las realizaciones ejemplares.
Las realizaciones de la presente invencion proporcionan un conjunto de electrodos que incluye un electrodo que incluye una pluralidad de estructuras con forma de fibra que pueden aumentar un area superficial interfacial entre electrodos en comparacion con una estructura de baterfa bidimensional (2D) convencional en la que un catodo de tipo placa y un el anodo de tipo placa se enfrentan entre si.
Cuando la expresion "direccion/es diferente/s" se usa en este documento, se refiere a que cuando un conjunto de electrodos que incluye una o mas estructuras primera que tienen formas fibrosas y una o mas estructuras segunda que tienen formas fibrosas forman una estructura de electrodos, cualquiera de las estructuras primera o segunda se extienden en una direccion distinta a la misma direccion en la que se extienden las otras estructuras. Es decir, los diferentes conjuntos de electrodos tienen flexibilidad estructural suficiente para disponerse en diversos angulos y varias direcciones.
Ademas, cuando la expresion "estructura cruzada" se usa en este documento, significa que cuando los segmentos de diferentes conjuntos de electrodos se apilan o enrollan para formar una estructura de electrodos, los segmentos se encuentran al menos en un punto para definir un punto de interseccion.
Ademas, cuando el termino "separador" se usa en este documento, el separador incluye un separador que generalmente se usa comunmente en una baterfa de electrolito lfquido que usa un electrolito lfquido que tiene afinidad con el separador. Ademas, cuando el separador usado en este documento incluye un electrolito de polfmero solido intrfnseco y/o un electrolito de polfmero de solido en gel que esta tan fuertemente unido al separador, el electrolito y el separador se reconocen como iguales. Por consiguiente, el significado del separador tiene que definirse como se describe en este documento.
La FIG. 1A es una vista que ilustra un conjunto de electrodos (100) de una baterfa, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. Las FIGS. 1B y 1C son vistas transversales tomadas a lo largo de la lfnea A-B de la FIG. 1A, que ilustran las estructuras en espiral de acuerdo con varias realizaciones de la presente invencion.
Haciendo referencia a la FIG. 1A, el conjunto de electrodos (100) incluye un primer electrodo que incluye una primera estructura (10) que tiene una forma fibrosa y cualquiera de las polaridades positivas o negativas; y un segundo electrodo que incluye una segunda estructura (20) que tiene una forma fibrosa y una polaridad diferente de la polaridad de la primera estructura (10) y envuelve en forma de espiral a la primera estructura (10). Aunque una primera estructura (10) y una segunda estructura (20) se muestran de forma ejemplar, se puede proporcionar una pluralidad de estructuras primera y segunda (10) y (20). En este caso, una pluralidad de la segunda estructura (20) puede rodear en forma de espiral una pluralidad de la primera estructura (10). Alternativamente, cualquiera de los electrodos primero y segundo puede incluir una estructura unica y el otro puede incluir una pluralidad de estructuras.
Las estructuras primera y segunda (10) y (20) pueden proporcionarse como segmentos que tengan longitudes que varfen entre varios nanometros (nm) y decenas de metros (m). Una seccion final de cada una de las estructuras primera y segunda (10) y (20) puede conectarse a una pestana de electrodos para proporcionar un electrodo externo que tenga una polaridad positiva o negativa con respecto a un circuito externo, y la otra seccion final puede conectarse a otra pestana de electrodo para proporcionar un electrodo externo que tenga una polaridad diferente.
Cada una de las estructuras primera y segunda estructuras (10) y (20) puede tener un grosor que puede proporcionar procesabilidad de formacion adecuada para diversas disposiciones o patrones. Por ejemplo, el grosor respectivo de las estructuras primera y segunda (10) y (20) puede variar de 400 pm a 2000 pm, y puede determinarse propiamente de acuerdo con un campo tecnico al que se aplique la baterfa.
Haciendo referencia a la FIG. 1B, las estructuras primera y segunda (10) y (20) pueden incluir nucleos colectores de corriente (11) y (21), asf como capas de material activo (12) y (22) que envuelvan los nucleos colectores de corriente (11) y (12), respectivamente. Ademas, mientras que los nucleos colectores de corriente (11) y (21) tienen formas de seccion transversal circulares en la FIG. 1B, la realizacion presente no esta limitada a las mismas y los nucleos colectores de corriente (11) y (21) pueden tener formas de seccion transversal rectangulares u ovaladas. Ademas, a fin de proporcionar superficies que puedan unirse facilmente a las capas de material activo (12) y (22), los nucleos colectores de corriente (11) y (21) pueden tener rugosidades superficiales predeterminadas, o se pueden formar capas adhesivas conductivas en los nucleos colectores de corriente (11) y (21).
Los nucleos colectores de corriente (12) y (22) pueden ser, por ejemplo, lfneas de metal blando. Para una estructura para un anodo de entre las estructuras primera y segunda (10) y (20), puede usarse un material de base metalica como acero inoxidable, titanio, aluminio o una aleacion del mismo, para un nucleo colector de corriente. Preferentemente, el nucleo colector de corriente de la estructura para un anodo es aluminio o una aleacion del mismo. Para una estructura para un anodo, puede usarse como nucleo colector de corriente un material de base metalica tal como cobre, acero inoxidable, nfquel o una aleacion de los mismos. Preferentemente, el nucleo colector de corriente de la estructura para un anodo es cobre o una aleacion del mismo.
Sin embargo, la presente realizacion no esta limitada a los anteriores materiales, y cada uno de los nucleos colectores de corriente (12) y (22) puede incluir otro material conductivo cuya forma puede cambiarse facilmente, por ejemplo, un material polimerico que tiene conductividad electronica tal como poli(sulfuritrilo), polipirrol, poli(p-fenileno), poli(sulfuro de fenileno), polianilina o poli(p-fenilenovinileno). Alternativamente, cada uno de los nucleos colectores de corriente (12) y (22) puede estar formado por un material con forma de fibra obtenido mediante la mezcla de una pasta de carbono conductiva, una pasta de nanopartfculas metalicas o una pasta de oxido de indio y estano (ITO) con un aglutinante apropiado.
Las capas de material activo (12) y (22) que respectivamente envuelven los nucleos colectores de corriente (11) y (21) pueden incluir una capa de material adecuada para una baterfa primaria o una baterfa secundaria. Por ejemplo, cuando la baterfa es una baterfa primaria, una capa de material activo para un anodo puede incluir oxido de manganeso, dioxido de manganeso electrolftico (EMD), oxido de nfquel, oxido de plomo, dioxido de plomo, oxido de plata, sulfato de hierro o partfculas de polfmero conductivas. Una capa de material activo para un anodo puede incluir partfculas de zinc, aluminio, hierro, plomo o magnesio.
Cuando la baterfa es una baterfa secundaria, la capa de material activo para el catodo puede incluir un compuesto de Li que incluye al menos un metal de Ni, Co, Mn, Al, Cr, Fe, Mg, Sr, V, La y Ce, y al menos un elemento no metalico seleccionado de entre el grupo que consiste en O, F, S, P o una combinacion de los mismos. El material activo del anodo puede incluir un material a base de carbono tal como un carbono poco cristalizado o un material a base de carbono altamente cristalizado que puede intercalar y desintercalar iones de litio. El carbono poco cristalizado puede ser carbono blando o carbono duro. El carbon altamente cristalizado puede ser grafito natural o carbono horneado a alta temperatura como grafito Kish, carbono pirolftico, fibra de carbono a base de brea mesofasica, microperlas de mesocarbono, brea de mesofase o coque derivado de brea de petroleo o alquitran de hulla. El material activo del catodo puede incluir un aglutinante. El aglutinante puede ser un material polimerico tal como copolfmero de fluoruro de vinilideno-hexfluoropropileno (PVDF-co-HFP), fluoruro de polivinilideno, poliacrilonitrilo o polimetilmetacrilato. Alternativamente, a fin de proporcionar una baterfa secundaria de alta capacidad, la capa de material activo del catodo (113b) puede incluir un compuesto de base metalica o intermetalico que incluye S, Si o Sn.
Las capas de material activo (12) y (22) pueden revestirse respectivamente sobre los nucleos colectores de corriente (11) y (21) como suspensiones que incluyen un material activo correspondiente, un aglutinante y un material conductivo. Las suspensiones pueden incluir el material activo correspondiente en una cantidad de 80 a 98 % en peso, el aglutinante en una cantidad de 1 a 10 % en peso, y el material conductivo en una cantidad de 1 a 10 % en peso basado en 100 % en peso en total.
Los grosores de las capas de material activo (12) y (22) pueden determinarse adecuadamente con objeto de poder reducirse el cortocircuito interno y lograrse un diseno suficientemente delgado. Por ejemplo, un grosor de una capa de material activo para el catodo puede variar de 1 pm a 300 pm, y preferentemente, de 30 pm a 100 pm. Ademas, un grosor de la capa de material activo para el anodo puede variar de 3 pm a 100 pm, y preferentemente, de 3 pm a 40 pm, y mas preferentemente, de 5 pm a 20 pm. Dado que los grosores de las capas de material activo (12) y (22) se determinan en el intervalo anterior, la baterfa puede garantizar una alta potencia de salida y puede fabricarse muy delgada.
Una capa de recubrimiento de electrolito (13) puede estar, ademas, formada en al menos una de las estructuras primera (10) y segunda (20). Aunque la capa de recubrimiento de electrolito (13) esta formada unicamente en la estructura primera (10) en la FIG. 1B, la presente realizacion no se limita a la misma y la capa de recubrimiento de electrolito (13) puede estar formada unicamente en la estructura segunda (20) o tanto en la primera como en la segunda estructura (10) y (20).
Como se muestra en la FIG. 1B, cuando la capa de recubrimiento de electrolito (13) se forma unicamente en una estructura que tiene una polaridad, dado que un volumen puede ser reducido en comparacion con un caso en el que la capa de recubrimiento (13) se forma en ambas estructuras que tienen polaridades positivas y negativas, la densidad de energfa podra mejorarse. Ademas, suponiendo que las estructuras primera y segunda (10) y (20) que tienen polaridades opuestas se acercan entre si, pueden producirse grietas en la capa de recubrimiento de electrolito (13) debido a un cambio en un volumen del conjunto de electrodos (100) durante los procesos de carga/descarga electrica, reduciendo asf la vida util de las primeras y segundas estructuras (10) y (20). En consecuencia, es preferible que la capa de recubrimiento de electrolito (13) se forme unicamente en una estructura que tiene una polaridad, siendo mas preferible que la capa de recubrimiento de electrolito (13) se forme unicamente en una estructura que tenga una polaridad cuyo volumen de carga sea menor durante los procesos de carga/descarga electrica. Por ejemplo, cuando la baterfa es una baterfa secundaria, la capa de recubrimiento de electrolito (13) puede formarse selectivamente solo en la estructura primera (10) que tiene una polaridad negativa cuyo cambio de volumen es menor durante la carga/descarga, como se muestra en la FIG. 1B.
La capa de recubrimiento de electrolito (13) puede ser una capa de electrolito solido. La capa de electrolito solido puede incluir, por ejemplo, una matriz de polfmero compuesta de cualquiera de polietileno, polipropileno, poliimida, polisulfona, poliuretano, cloruro de polivinilo, poliestireno, oxido de polietileno, oxido de polipropileno, polibutadieno, celulosa, carboximetilcelulosa, nailon, poliacrilonitrilo, fluoruro de polivinilideno, politetrafluoroetileno, un copolfmero de fluoruro de vinilideno y hexafluoropropileno, un copolfmero de fluoruro de vinilideno y trifluoroetileno, un copolfmero de fluoruro de vinilideno y tetrafluoroetileno, polimetacrilato, polietilacrilato, polimetilmetacrilato, polietilmetacrilato, polibutilacrilato, polibutilmetacrilato, acetato de polivinilo, alcohol de polivinilo, o una combinacion de los mismos, un aditivo, y una solucion electrolftica.
El aditivo puede ser sflice, talco, alumina (ALOa), TiO2 , arcilla, zeolita, o una combinacion de los mismos. La solucion electrolftica puede ser una solucion electrolftica acuosa que incluya sal tal como hidroxido de potasio (KOH), bromuro de potasio (KBr), cloruro de potasio (KCL), cloruro de zinc (ZnCh) o acido sulfurico (H2SO4). La capa de recubrimiento de electrolito (13) se puede formar usando un proceso de impregnacion consecutiva usando los materiales antes mencionados y con el mismo disolvente que el usado para formar una capa de material activo colocada debajo de la capa de recubrimiento de electrolito (13).
El conjunto de electrodos (100) puede, ademas, incluir un separador (30) que este colocado entre las primeras y segundas estructuras (10) y (20) a fin de garantizar el aislamiento electrico entre las estructuras primera y segunda (10) y (20) que son adyacentes entre sf. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 1C, el separador (30) puede estar recubierto en la estructura segunda (20). Sin embargo, la presente realizacion no se limita a lo mismo y el separador (30) puede formarse unicamente en la estructura primera (10) o tanto en la primera como en la segunda estructura (10) y (20). Sin embargo, la presente realizacion no esta limitada a lo mismo y el separador (30) proporcionado entre las estructuras primera y segunda (10) y (20) puede tener cualquier estructura arbitraria que pueda garantizar aislamiento electrico entre las estructuras primera y segunda (10) y (20) que tenga forma fibrosa. Por ejemplo, el separador (30) puede tener una estructura de capas (vease la FIG. 5A) o una estructura de matriz voluminosa (vease la FIG. 5B) tal como se describira a continuacion. Alternativamente, aunque no se muestra, las estructuras primera y segunda (10) y (20) que tienen forma fibrosa pueden atravesar el separador (30) que tiene estructura de capas o bien la estructura de matriz y extenderse hasta rodearse en espiral entre sf.
El separador (30) puede ser, por ejemplo, una pelfcula microporosa, un material tejido, un material no tejido, una pelfcula de electrolito de polfmero solido intrfnseca, o una pelfcula de electrolito de polfmero en gel. La pelfcula de electrolito de polfmero solido intrfnseca puede incluir un material de polfmero de cadena lineal o un material de polfmero reticulado. La pelfcula de electrolito de polfmero en gel puede ser cualquiera de un polfmero que contiene un plastificante que incluye sal, un polfmero que contiene relleno, o un polfmero puro, o una combinacion de los mismos.
Los materiales del separador (30) son ejemplares, y cualquier material aislante electronico apropiado cuya forma pueda cambiarse facilmente y tener una alta resistencia mecanica y no pueda romperse o agrietarse incluso cuando el conjunto de electrodos (100) es deformado, puede usarse para el separador (30). El material aislante electronico puede tener conductividad ionica apropiada. El separador (30) puede ser una pelfcula de una sola capa o una pelfcula de multiples capas. La pelfcula multicapa puede ser un apilamiento de pelfculas de una sola capa formadas por el mismo material o un apilamiento de pelfculas de una sola capa formadas por diferentes materiales. Teniendo en cuenta la durabilidad, la funcion de apagado, y la estabilidad de la baterfa, un grosor del separador (30) puede variar de 10 pm a 300 pm, preferentemente de 10 pm a 40 pm, y mas preferentemente de 10 pm a 25 pm. Para activar las estructuras primera y segunda (10) y (20), una solucion electrolftica (40) puede envolver las estructuras primera y segunda (10) y (20).
Como se describe anteriormente, dado que las estructuras primera y segunda (10) y (20) se cruzan continuamente entre si mientras se extienden en forma de espiral, puede aumentarse un area superficial interfacial entre los electrodos primero y segundo en el mismo volumen. De esta forma, como los electrodos primero y segundo estan formados mediante el uso de las estructuras primera y segunda (10) y (20), se puede mejorar la densidad de energfa y tambien se pueden mejorar la velocidad de carga/descarga, la eficiencia de carga/descarga, asf como las caracterfsticas del ciclo de la baterfa.
La FIG. 2 es una vista que ilustra un conjunto de electrodos (200) de una baterfa, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. A diferencia del conjunto de electrodos (100) de la FIG. 1A, el conjunto de electrodos (200) tiene una estructura de espiral doble en la que la primera estructura (10) y la segunda estructura (20) se extienden en forma de espiral hasta rodearse entre si. Para elementos desvelados en la FIG. 2, que cuentan con el mismo numero de referencia que aquellos desvelados en las FIGS. 1A a 1C, se podra hacer referencia a la descripcion anterior a menos que resulte contradictorio, por lo que no se aportara una explicacion repetida.
Aunque se muestran una unica estructura primera (10) y una unica estructura segunda (20) en la FIG. 2, la presente realizacion no se limita a lo mismo y puede proporcionarse una pluralidad de estructuras primera y segunda (10) y (20). En este caso, una pluralidad de las estructuras primeras (10) y una pluralidad de las estructuras segundas (20) pueden formar una estructura de espiral doble. Alternativamente, un electrodo puede incluir una estructura unica, y el otro electrodo puede incluir una pluralidad de estructuras. Por ejemplo, una estructura para un anodo y una pluralidad de estructuras para un catodo pueden formar una estructura de espiral doble.
En la FIG. 2, dado que las estructuras primera y segunda (10) y (20) se enfrentan entre si continuamente mientras se extienden en forma de espiral, se puede aumentar, ademas, un area de superficie interfacial, reforzando asf, ademas, el emparejamiento entre los electrodos. En consecuencia, se puede mejorar ademas la densidad de energfa, y tambien se pueden mejorar la velocidad de carga/descarga, la eficiencia de carga/descarga y las caracterfsticas del ciclo de la baterfa. Ademas, como la estructura de espiral doble aumenta la resistencia mecanica de las estructuras primera y segunda (10) y (20) que tienen formas de fibra y una estructura de hilo, la estructura de espiral doble puede disponerse de diferentes maneras en una caja de baterfa.
Las FIGS. 3A y 3B son vistas que ilustran los conjuntos de electrodos dispuestos en una caja de baterfa, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
Haciendo referencia a la FIG. 3A, a fin de proporcionar una baterfa, los conjuntos de electrodos pueden disponerse como una pluralidad de segmentos (300A) y (300B) que tienen longitudes predeterminadas en la caja de la baterfa. Cada uno de los segmentos (300A) y (300B) puede tener una estructura en espiral como se muestra en la FIG. 3A. Como los conjuntos de electrodos en sf mismos tienen una estructura en espiral, cada uno de los segmentos (300A) y (300B) puede dimensionarse facilmente para adquirir una estructura en espiral. Sin embargo, la presente realizacion no se limita a lo mismo, y cada uno de los segmentos (300A) y (300B) puede tener una forma en onda, una forma en rizo, o una forma de Velcro para enredarse, en lugar de la misma estructura en espiral, como las hebras generales. Los segmentos (300A) y (300B), con varias formas, pueden disponerse de forma irregular para enredarse entre sf. Un espacio formado entre los segmentos enredados (300A) y (300B) puede absorber facilmente una solucion electrolftica como una esponja, facilitando, de este modo, un proceso de impregnacion con la solucion electrolftica.
Una seccion final de una estructura de catodo del segmento (300A) y una seccion final de una estructura de catodo del segmento (300B) pueden estar conectadas electricamente entre sf para proporcionar un catodo comun (51). Igualmente, una seccion final de una estructura de anodo del segmento (300A) y una seccion final de una estructura de anodo del segmento (300B) pueden estar conectadas electricamente entre sf para proporcionar un anodo comun (52). El catodo comun (51) y el anodo comun (52) pueden proporcionarse como electrodos externos. Alternativamente, cualquiera de los catodos y cualquiera de los anodos en la baterfa pueden conectarse entre sf para proporcionar cualquiera de varias baterfas bipolares en las cuales el voltaje operativo puede aumentar.
Alternativamente, los segmentos (300A) y (300B) de los conjuntos de electrodos pueden disponerse regularmente. La FIG. 3B ilustra como se disponen regularmente los segmentos (300C) para tener una estructura de hilo (WR, por sus siglas en ingles) grueso en la cual los segmentos (300C) de dos o mas conjuntos de electrodos se extienden retorciendose. La estructura de hilo (WR) grueso puede incrementar la resistencia mecanica y el volumen de los conjuntos de electrodos, para permitir, asf, que la baterfa tenga un diseno sencillo y una alta durabilidad. El hilo (WR) grueso puede hacer que la baterfa tenga una forma lineal, o puede hacer que la baterfa tenga una forma arbitraria mediante su entretejido con otro hilo grueso o mediante una disposicion aleatoria, o bien una disposicion para tener una forma de Velcro. Alternativamente, el hilo (WR) grueso puede estar rodeado de otro segmento (300D) que se extiende en espiral tal como se muestra en la FIG. 3C. Aunque el segmento (300D) se obtiene mediante la combinacion de una estructura de catodo que tiene una forma fibrosa con una estructura de anodo que tiene una forma fibrosa en la FIG. 3C, el hilo (WR) grueso puede obtenerse enrollando al menos una de las estructuras de catodo que tiene una forma fibrosa y una estructura de anodo que tiene una forma fibrosa.
Las FIGS. 4A y 4B son vistas en perspectiva que ilustran segmentos (400A) y (400B) de conjuntos de electrodos que se disponen regularmente, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion.
Haciendo referencia a la FIG. 4A, los segmentos (400A) y (400B) de los conjuntos de electrodos pueden entretejerse para cruzarse entre si como hebras de trama y hebras de urdimbre. En este caso, como los segmentos (400a ) y (400B) poseen una forma plana y, de este modo, son facilmente deformados, por ejemplo, enrollados, plegados, o doblados, se puede proporcionar una baterfa que tenga cualquiera de varias formas. Ademas, tal como se describio con referencia a la FIG. 3A, una solucion electrolftica puede introducirse facilmente dentro de un espacio entre los segmentos (400A) y (400B).
Haciendo referencia a la FIG. 4B, los segmentos (400A) y (400B) de los conjuntos de electrodos pueden entretejerse para reciprocarse a traves del separador (30) y cruzarse entre si como hebras de trama y hebras de urdimbre. El aislamiento entre los segmentos (400A) y (400b ) puede mejorarse y la resistencia mecanica de los conjuntos de electrodos puede mejorarse debido al separador (30).
Las FIGS. 5A y 5B son vistas en perspectiva que ilustran segmentos (500A) y (500B) de conjuntos de electrodos que se disponen regularmente, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion.
Haciendo referencia a la FIG. 5A, los segmentos (500A) y (500B) de los conjuntos de electrodos pueden extenderse en paralelo en una direccion en un plano virtual. El numero de planos virtuales en los que los segmentos (500A) y (500B) se extienden en paralelo puede ser dos o mas como se muestra en la FIG. 5B, y los segmentos (500A) y (500B) en los planos virtuales pueden extenderse en direcciones diferentes. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 5A, los segmentos (500A) en un plano virtual pueden cruzar los segmentos (500B) en otro plano en un angulo de 90°. Cada distancia entre los segmentos (500A) y cada distancia entre los segmentos (500B) puede ser 0 o un valor arbitrario desde 5 pm hasta varios miles de pm en la medida en que la baterfa tenga suficiente procesabilidad de formacion. El separador (30) puede. ademas, colocarse entre planos que incluyen los segmentos (500A) y (500B) que se extienden en paralelo.
Haciendo referencia a la FIG. 5B, los planos virtuales que incluyen los segmentos (500A) y (500B) que se extienden en paralelo se alojan en una matriz de aislamiento (30). La matriz de aislamiento (30) puede estar formada del mismo material que el del separador (30). La matriz de aislamiento (30) puede contar con un grosor lo suficientemente grande para tener planos virtuales de al menos dos segmentos (500A) y (500B). A fin de alinear los segmentos (500A) y (500B) en la matriz de aislamiento (30), la matriz de aislamiento (30) se puede proporcionar mediante la alineacion de los segmentos (500A) y (500B) en una solucion que sera una matriz de aislamiento y despues coagulando la solucion. Se entendera que los segmentos (500A) y (500b ) que atraviesan la matriz de aislamiento (30) no necesitan estar colocados en el mismo plano, y podran colocarse de forma irregular. Ademas, tal como se describio anteriormente, las estructuras con forma de fibra que tienen polaridades opuestas de los segmentos (500A) y (500B) pueden extenderse pasando a traves de la matriz de aislamiento (30) y rodeandose en espiral entre sf.
Las formas de los conjuntos de electrodos, que incluyen las estructuras, pueden cambiarse con facilidad. Las longitudes, numero, formas y conexion electrica de los segmentos pueden determinarse de forma variada a fin de ajustar la capacidad de la baterfa. La FIG. 6 es una vista transversal para explicar un proceso de disposicion de segmentos de conjuntos de electrodos, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. Haciendo referencia a la FIG. 6, dado que las formas de estructuras con forma de fibra se pueden cambiar facilmente, los segmentos se pueden deformar apilandose, doblandose o enrollandose, para proporcionar baterfas (1000A), (1000B), y (1000C) que tengan diferentes volumenes y formas. Un catodo o un anodo de un conjunto de electrodos (600) en una caja CS actua como un catodo (+) o anodo (-) externo de cada baterfa. Las baterfas (1000A), (1000B), y (1000C) pueden usarse como pequenas baterfas mediante la union a o la integracion en ropa o bolsas, o pueden usarse como baterfas medianas o grandes para vehfculos al tener gran capacidad.
De acuerdo con las realizaciones de la presente invencion, dado que los electrodos que tienen polaridades opuestas incluyen estructuras que tienen forma de fibra y dado que las estructuras con forma de fibra se extienden en espiral, puede aumentar un area de superficie interfacial entre los electrodos debido a las superficies curvas de las estructuras y las disposiciones tridimensionales (3D) de las estructuras. En consecuencia, se puede mejorar la densidad de energfa en el mismo volumen y tambien se pueden mejorar la velocidad de carga/descarga, la eficiencia de carga/descarga, y las caracterfsticas del ciclo de la baterfa.
Ademas, como los segmentos de las estructuras se disponen regularmente o irregularmente para formar un espacio apropiado, puede facilitarse un proceso de impregnacion de electrolitos, pudiendose cambiar facilmente una forma. En consecuencia, se pueden proporcionar facilmente baterfas que tengan diversos tamanos, formas y capacidades.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un conjunto de electrodos que comprende:
a. un primer electrodo que comprende al menos una primera estructura, teniendo la al menos una primera estructura una forma fibrosa y cualquiera de polaridades positivas o negativas; y
b. un segundo electrodo que comprende al menos una segunda estructura, teniendo la al menos una segunda estructura una forma fibrosa y una polaridad diferente de la polaridad de la primera estructura, y que rodea en espiral a la primera estructura,
donde una pluralidad de conjuntos de electrodos se proporciona como una pluralidad de segmentos que tienen longitudes predeterminadas en una caja de baterfa,
donde la pluralidad de los conjuntos de electrodos comprende un separador que esta colocado entre los segmentos, donde los segmentos estan entretejidos de modo que los segmentos reciproquen a traves del separador y se crucen entre si como hebras de trama y hebras de urdimbre.
2. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 1, donde al menos una de las estructuras primera y segunda incluye un nucleo colector de corriente y una capa de material activo que rodea el nucleo colector de corriente.
3. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 2, donde un nucleo colector de corriente para una estructura de catodo de entre las estructuras primera y segunda comprende aluminio (Al) o una aleacion de Al, o donde el nucleo colector de corriente para una estructura de anodo de entre las estructuras primera y segunda comprende cobre (Cu) o una aleacion de Cu, o
donde la capa de material activo comprende una capa de material activo para una baterfa primaria o secundaria, o donde un espesor de capa de material activo para una estructura de catodo de entre las estructuras primera y segunda varfa de 1 pm a 300 pm, y un grosor de la capa de material activo para una estructura de anodo de entre las estructuras primera y segunda varfa de 3 pm a 100 pm.
4. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende, ademas, una capa de recubrimiento de electrolito que se coloca sobre al menos una de las estructuras primera y segunda.
5. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 4, donde la capa de recubrimiento de electrolito comprende una capa de electrolito solido.
6. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende, ademas, un separador que se coloca entre las estructuras primera y segunda.
7. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 6, donde el separador esta recubierto en al menos una de las estructuras primera y segunda.
8. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 1, donde la primera estructura se extiende en espiral para tener una estructura de espiral doble en la que la primera estructura y la segunda estructura se rodean entre sf.
9. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 1, donde los segmentos tienen cualquiera de una forma de espiral, una forma de onda, una forma de rizo y una forma de Velcro, o una combinacion de las mismas, o
donde los segmentos estan dispuestos de forma aleatoria para formar un espacio que se llena con un electrolito, o donde los segmentos se extienden retorciendose para adquirir una estructura de hilo grueso, o
donde los segmentos estan tejidos para cruzarse entre sf como hebras de trama y hebras de urdimbre, o donde los segmentos atraviesan una matriz de aislamiento.
10. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 9, que comprende, ademas, otros segmentos que rodean en espiral la estructura de hilo grueso.
11. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 9, donde las hebras de trama y las hebras de urdimbre de los segmentos estan tejidas de modo que los segmentos reciproquen a traves del separador y se crucen entre si.
12. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 9, donde los segmentos tienen una serie en la que los segmentos se extienden en paralelo para formar al menos un plano virtual.
13. El conjunto de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 12, donde el al menos uno plano virtual es una pluralidad de planos virtuales y el conjunto de electrodos comprende, ademas, un separador que esta colocado entre la pluralidad de los planos virtuales.
14. Una baterfa que comprende:
a. los conjuntos de electrodos de acuerdo con la reivindicacion 1 que estan dispuestos apilados, doblados, o enrollados; y
b. una caja que rodea los conjuntos de electrodos.
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