ES2845905T3 - Batería recargable con colector de corriente de oblea y procedimiento de ensamblaje - Google Patents

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Abstract

Un aparato, que comprende una primera placa de batería de plomo-ácido (120A) que incluye: una oblea de silicio conductora (104; 304) para proporcionar un colector de corriente; un primer soporte mecánico (110A; 310A; 315A) depositado sobre un primer lado de la oblea de silicio conductora (104; 304); y un primer material activo (112A; 312A) depositado sobre el primer soporte mecánico (110A, 310A; 315A) y el primer lado de la oblea de silicio conductora (104; 304), teniendo el primer material activo (112A; 312A) una primera polaridad, en donde la oblea de silicio conductora (104; 304) incluye una primera capa de contacto óhmico (106A) entre el primer material activo (112A; 312A) y una mayor parte de la oblea de silicio conductora (104; 304); caracterizado por que el primer material activo (112A; 312A) está formado de pasta curada; y el primer soporte mecánico (110A; 310A; 315A) comprende un patrón de matriz que incluye una matriz de segmentos lineales, una estructura de rejilla, una matriz de estructuras de mesa o un patrón de matriz de protuberancias.

Description

DESCRIPCIÓN
Batería recargable con colector de corriente de oblea y procedimiento de ensamblaje
Antecedentes
La batería de plomo-ácido, inventada por Gaston Planté 1859, puede considerarse como el tipo de batería recargable más antigua. A pesar de tener una densidad de energía relativamente baja en comparación con otros elementos químicos, las baterías de plomo-ácido generalmente disponibles son de construcción simple y económicas. Tales baterías de plomo-ácido generalmente disponibles se utilizan en aplicaciones automovilísticas, a tracción y estacionarias tales como para encendido o para arranque de motores de combustión interna; para iluminación; para aplicaciones tales como sillas de ruedas motorizadas, carritos de golf o montacargas; o para otras aplicaciones como el almacenamiento de energía eléctrica cuando se acopla a la red eléctrica.
Una batería de plomo-ácido incluye, en general, un colector de corriente de aleación de plomo, materiales activos positivos y negativos, un electrolito, separadores y una carcasa de soporte mecánico. El material activo positivo contiene, en general, un dióxido de plomo de gran área superficial, mientras que el material activo negativo contiene, en general, plomo esponjoso. El electrolito es, en general, ácido sulfúrico. En las baterías de plomo-ácido generalmente disponibles, se utiliza una aleación de plomo para los colectores de corriente debido a la compatibilidad de la aleación de plomo con la química del plomo-ácido.
El uso generalizado de baterías de plomo-ácido puede atribuirse al menos en parte a su simplicidad, tanto en términos de estructura como en relación con el acondicionamiento de señales asociado o los circuitos de carga. Una ventaja principal de la batería de plomo-ácido es su bajo coste. El plomo metálico es relativamente abundante y, un ácido, el H2SO4 , es una sustancia química a granel que se produce ampliamente. Además, el proceso de fabricación de las baterías de plomo-ácido generalmente disponibles es relativamente sencillo. La estructura de costes del almacenamiento de energía basado en baterías de plomo-ácido generalmente disponibles da como resultado un coste total de alrededor de 150 $/kWh, que puede resultar atractivo en comparación con otras tecnologías de almacenamiento de energía.
El documento de patente WO2012/155082 enseña una batería de plomo-ácido formada por uno o más electrodos de batería muy delgados (por ejemplo, menos de 1,0 milímetros) que tienen una masa activa (por ejemplo, plomo o un compuesto del mismo) dispuestos sobre un sustrato de silicio muy delgado (por ejemplo, menos de 0,5 milímetros de espesor).
Visión de conjunto
A pesar de las numerosas características deseables, la batería de plomo-ácido tiene varias desventajas, incluida una baja densidad de energía y una vida útil deficiente, especialmente a una alta corriente de descarga. Aunque la baja densidad de energía de las baterías de plomo-ácido generalmente disponibles se puede atribuir a la alta densidad de materiales activos y colectores de corriente de plomo, una vida útil deficiente a rápidas velocidades de descarga puede estar relacionada con las propiedades de los materiales activos. Desde el punto de vista del material, el colector de corriente en las baterías de plomo-ácido generalmente disponibles está fabricado con plomo, el cual es pesado y no contribuye a la capacidad de almacenamiento de energía de la batería. Desde la perspectiva del conjunto de batería, las baterías de plomo-ácido generalmente disponibles incluyen celdas de conjuntos de placas monopolares acopladas eléctricamente en una configuración en paralelo. En tal configuración, se utilizan conexiones eléctricas adicionales y sistemas de conversión para regular el funcionamiento de la batería para suministrar voltajes más altos, lo cual puede afectar aún más la densidad de energía general de las baterías de plomo-ácido. Tal conexión en paralelo, en general, da como resultado una batería de alta corriente y bajo voltaje, lo cual también puede forzar el uso de conductores pesados para minimizar la resistencia interna, ya que las pérdidas óhmicas aumentan con el cuadrado de la corriente.
Una batería puede incluir una placa positiva, una placa negativa y el electrolito. Para construir electrodos de batería de plomo-ácido, los materiales activos basados en PbO2 y Pb se pueden empastar y curar en colectores de corriente de rejilla de plomo para formar las placas positivas y negativas. Los electrodos positivo-negativo pueden formar una celda electroquímica con electrolito H2SO4, con un voltaje de celda de alrededor de 2,1 V. Para ensamblar un paquete de baterías, las celdas se pueden disponer eléctricamente juntas, en una configuración en paralelo, una configuración en serie o una combinación de configuraciones en paralelo y en serie. Se pueden utilizar aditivos, separadores y carcasas como soporte mecánico.
Reemplazar los colectores de corriente de baterías de plomo-ácido generalmente disponibles con un material más ligero puede mejorar significativamente la densidad de energía. En general, el colector de corriente se especifica para proporcionar baja resistividad eléctrica, además de resistir o ser impermeable a la corrosión por H2SO4. Un colector de corriente de este tipo se especifica generalmente para proporcionar una buena adhesión a los materiales activos de Pb y PbO2, además de proporcionar compatibilidad con la electroquímica de la batería de plomo-ácido. Un colector de corriente de este tipo también puede especificarse para proporcionar buena conductividad térmica, baja corriente de fuga, por ejemplo, para integrarse en la infraestructura de reciclaje y fabricación de baterías de plomo-ácido existente, incluida la disponibilidad inmediata a bajos costes.
Se puede utilizar una arquitectura de placa bipolar para simplificar adicionalmente la configuración eléctrica de una batería de plomo-ácido. Las baterías bipolares han sido un área de intensa investigación y desarrollo durante las dos décadas anteriores. Las principales ventajas de la tecnología de batería bipolar son su alta densidad de energía y su alta potencia. Estas pueden proporcionarse al menos en parte mediante una configuración simplificada que acorta la trayectoria de la corriente eliminando así material/masa innecesarios y disminuyendo la resistencia. Una batería bipolar puede incluir una biplaca o colector de corriente y un material activo. El término bipolar se refiere, en general, a una configuración en la que una superficie de la biplaca está revestida con material activo positivo y una superficie opuesta está revestida con material activo negativo.
En contraste con una configuración monopolar, una batería bipolar no requiere conexiones externas que unan las celdas. Por ejemplo, cada biplaca en una configuración bipolar puede estar separada por electrolito, pero dado que la biplaca en sí tiene una polaridad diferente de material activo en cada lado, la corriente fluye directamente a través de la biplaca de una superficie a la otra. A continuación, dicha corriente puede fluir a través del electrolito hasta la siguiente placa biplaca. Esto se conoce como una conexión en serie y puede presentar una trayectoria resistiva mucho más baja que moverse a través de docenas de conexiones en paralelo. Una resistencia de trayectoria más baja significa que se puede extraer más corriente de la batería sin pérdida de eficiencia, en comparación con una configuración monopolar de conexión en paralelo.
Resumen
La presente invención proporciona un aparato que comprende una placa de batería de plomo-ácido y un procedimiento para proporcionar una placa de batería de plomo-ácido tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Los ejemplos descritos en el presente documento abordan el problema de la densidad de energía de las baterías de plomo-ácido utilizando obleas de silicio como colector de corriente con materiales activos. Dichos materiales activos pueden estar en forma de pasta al menos durante su fabricación. Se describe una placa de batería de plomo-ácido bipolar con material de sustrato e innovaciones en el proceso de ensamblaje. El material de oblea de silicio se puede utilizar como colector de corriente porque dicho material puede ser de bajo coste, delgado y ligero, puede doparse para lograr una resistividad baja (por ejemplo, para proporcionar conducción a través de la oblea) y dichos materiales de oblea pueden ser impermeables a la corrosión por H2SO4 , incluida la compatibilidad con numerosos procesos en las industrias de semiconductores, energía solar y placas de circuito impreso.
Se puede formar una capa de contacto óhmico en la superficie de una oblea de silicio, seguido de la deposición de una capa de adhesión para los materiales activos. Se puede depositar un patrón en cada lado del sustrato colector de corriente para mejorar la estabilidad mecánica de la placa, tal como en un ejemplo que incluye una placa bipolar. En un ejemplo, los materiales activos basados en PbO2 y Pb se pueden empastar y curar en estructuras de soporte positivas y negativas (por ejemplo, rejillas o protuberancias), y el colector de corriente se puede emparedar entre dichas rejillas positivas y negativas. El conjunto de placa bipolar se puede formar fusionando los materiales activos sobre el sustrato de oblea de colector de corriente. Los materiales activos se pueden empastar, curar y formar directamente en el colector de corriente modelado. Luego, la placa bipolar puede integrarse en una batería con la integración de electrolito, separadores, carcasas y circuitos de carga o protección.
Breve descripción de los dibujos
En los dibujos, que no están necesariamente dibujados a escala, números similares pueden describir componentes similares en distintas vistas. Los mismos números que tienen diferentes sufijos de letras pueden representar diferentes casos de componentes similares. Los dibujos ilustran, en general, a modo de ejemplo, pero no a modo de limitación, diversas realizaciones analizadas en el presente documento.
Las figuras 1A y 1B ilustran, en general, una vista en sección de un ejemplo que incluye una placa de batería monopolar y una arquitectura de batería monopolar correspondiente.
Las figuras 2A y 2B ilustran, en general, una vista en sección de un ejemplo que incluye una placa de batería bipolar y una arquitectura de batería bipolar correspondiente.
La figura 3A ilustra, en general, un ejemplo de una placa bipolar que puede incluir un colector de corriente de oblea de silicio y una rejilla de soporte mecánico.
La figura 3B ilustra, en general, un ejemplo de una placa bipolar que puede incluir un colector de corriente de oblea de silicio y una matriz de protuberancias de soldadura.
La figura 4 ilustra, en general, un ejemplo ilustrativo de una micrografía electrónica de barrido (SEM) de siliciuro de níquel (NiSi) sobre una oblea de silicio, tal como se puede utilizar como colector de corriente.
La figura 5A ilustra, en general, un ejemplo ilustrativo de una micrografía que muestra un colector de corriente que incluye una capa de plomo de 20 pm de espesor.
La figura 5B ilustra, en general, un ejemplo ilustrativo similar al ejemplo de la figura 5A, pero con un mayor grado de aumento, que ilustra una buena adhesión entre una capa de plomo y una superficie de NiSi.
La figura 6 ilustra, en general, una técnica, tal como un procedimiento, que puede incluir la fabricación de una placa de batería bipolar que incluye un colector de corriente de oblea de silicio, según un ejemplo.
La figura 7 ilustra, en general, una técnica, tal como un procedimiento, que puede incluir la fabricación de una placa de batería bipolar que incluye un colector de corriente de oblea de silicio, que no forma parte de la presente invención.
Descripción detallada
Las figuras 1A y 1B ilustran, en general, una vista en sección de un ejemplo 100 que incluye una placa de batería monopolar 120A en la figura 1A y una arquitectura de batería monopolar correspondiente en la figura 1B. En una configuración monopolar, un colector de corriente incluye, en general, un material activo de una sola polaridad (por ejemplo, positiva o negativa) aplicado a ambos lados (por ejemplo, opuestos) del colector de corriente, por ejemplo, incluye la aplicación del material activo en forma de pasta. Por ejemplo, en la figura 1A, una oblea de silicio conductora 104 puede proporcionar un sustrato para el conjunto de placa de batería 120A, como para proporcionar el colector de corriente. La oblea de silicio conductora 104 puede incluir una capa de contacto óhmico 106A, tal como un siliciuro metálico, para potenciar la conducción entre un material activo 112A y la oblea de silicio conductora 104. Tal siliciuro puede incluir especies metálicas tales como níquel, cobalto, titanio, tántalo, tungsteno, molibdeno o combinaciones de los mismos. En un ejemplo, también se puede incluir una capa de adhesión 108A, tal como para uno o más de promover la adhesión o para proporcionar compatibilidad con un electrolito en la región de electrolito 116A. Pueden utilizarse otras configuraciones, tales como la inclusión de múltiples capas de película para proporcionar una o más de la capa de contacto óhmico 106A o la capa de adhesión 108A.
El material activo 112A se proporciona en forma de pasta y se cura durante su fabricación. Con el fin de mejorar uno o más de adhesión o uniformidad del material activo durante o después de su fabricación, se incluye un soporte mecánico 110A.
Tal soporte mecánico 110A se puede fabricar utilizando una variedad de técnicas, como las que se describen en otro apartado del presente documento, e incluye una o más de una estructura de mesa, de rejilla, de protuberancias o de líneas. Se pueden utilizar uno o más separadores, tal como un separador 114A, para crear una cavidad o preservar una región 116A para el electrolito. En un ejemplo, el electrolito puede ser un líquido o gel, o puede incluirse tal como impregnando otro material, para proporcionar una combinación de electrolito y separador. En el ejemplo de las figuras 1A y 1B, se puede proporcionar una carcasa 122, y puede (pero no es necesario) aislar de forma fluida la región de electrolito 116A de otras regiones de electrolito entre otras placas.
En un ejemplo de una placa monopolar 120A, la segunda superficie de la placa de batería 120A puede incluir una segunda capa de contacto óhmico 106B, una segunda capa de adhesión 108A y un segundo material activo 112B, por ejemplo, que incluye, en general, los mismos materiales que las capas en la primera superficie de la oblea de silicio 104. Por ejemplo, el segundo material activo 112B puede incluir el mismo material activo y polaridad que el primer material activo 112A.
Puede formarse un par positivo-negativo tal como incluyendo la primera placa 120A que tiene un material activo de primera polaridad y una segunda placa 120B que tiene un material activo de segunda polaridad opuesta, para formar una celda electroquímica en el electrolito 114, tal como se muestra de forma ilustrativa en la figura 1B. En un ejemplo de plomo-ácido, tal voltaje de celda única puede ser de alrededor de 2,1 V. Pueden disponerse varias celdas eléctricamente en configuración paralela como una pila 132A. Las pilas individuales de 132A a 132N se pueden conectar en serie para ensamblar un paquete de baterías 102 de modo que el voltaje se pueda representar como Ns*Vcelda, donde Ns puede representar el número de pilas y Vcelda puede representar el voltaje de la celda.
En la figura 1B, un primer terminal 130A puede proporcionar una primera polaridad, y un segundo terminal 130B puede proporcionar una segunda polaridad opuesta. El primer y segundo terminales se pueden acoplar a la primera pila 132a y la última pila 132N, respectivamente, y las pilas se pueden acoplar juntas en serie utilizando un primer bus 124A a través de un bus "N-ésimo" 124N. En contraste con la figura 1B, una arquitectura de batería que utiliza una configuración de placa bipolar puede ofrecer simplicidad de diseño. Se pueden aplicar los respectivos materiales activos positivos y negativos, tal como mediante empastado, en lados opuestos del colector de corriente para formar una placa bipolar.
Las figuras 2A y 2B ilustran, en general, una vista en sección de un ejemplo que incluye una placa de batería bipolar 121A y una arquitectura de batería bipolar correspondiente. Similar al ejemplo de la figura 1A, una primera placa de batería bipolar 121A puede incluir una oblea de silicio conductora 104 como colector de corriente. La placa de batería bipolar 121A puede incluir una o más de una capa de contacto óhmico 106A y una capa de adhesión 108A situada en o cerca de una primera superficie de la oblea de silicio conductora 104. Un material activo 112A puede incluir una primera polaridad, tal como soportada durante o después de la fabricación por un soporte mecánico 110A. Puede incluirse una segunda capa de contacto óhmico 106B en una segunda superficie de la oblea de silicio conductora 104 opuesta a la primera superficie. La segunda capa de contacto óhmico 106B puede incluir el mismo material que la primera capa de contacto óhmico 106A o un material diferente, como para proporcionar un electrodo para la conexión a otras partes de un conjunto de batería, para proporcionar una capa resistente a la corrosión o una configuración de imagen especular que tiene un apilamiento similar a la primera superficie de la oblea de silicio conductora 104. También se puede incluir una segunda capa de adhesión 108B. Puede incluirse un segundo material activo 112B, por ejemplo, que tenga una polaridad opuesta al primer material activo 112A. Como en el ejemplo de la figura 1A, una primera región de electrolito 116A puede separar la placa de batería 121A de una placa de batería adyacente 121C, y una segunda región de electrolito 116B puede separar la placa de batería 121A de otra placa de batería adyacente 121B. Las regiones de electrolito 116A y 116B pueden incluir un separador, para ayudar a mantener una separación especificada entre las placas de la batería. Las regiones de electrolito 116A y 116B están generalmente aisladas de forma fluida entre sí de modo que la conducción se produce en serie a través de la mayor parte de la oblea de silicio conductora 104.
La figura 2B ilustra, en general, un ejemplo que puede incluir un paquete de batería 202 que tiene una o más placas de batería bipolares, tales como placas bipolares 121A, 121B y 121C. Tales placas bipolares se pueden emparedar con electrolito en las regiones 116A y 116B, por ejemplo, para formar celdas selladas. En un ejemplo, un electrolito en la región 116A puede ser uno o más de aislado de forma fluida o sellada herméticamente de manera que el electrolito no pueda desviar la placa bipolar 121A a una región adyacente tal como la región de electrolito 116B. Como se muestra de forma ilustrativa en la figura 2B, las celdas pueden disponerse en una configuración en serie. Las celdas se pueden alinear para formar una pila 131A.
En una arquitectura bipolar, un colector de corriente (por ejemplo, una oblea de silicio 104 tal como se incluye como una porción de la placa bipolar 121A) se puede compartir entre el electrodo negativo de una celda y un electrodo positivo de la siguiente. Un primer bus 124A puede conectarse a un primer electrodo en cada pila de 131A a 131N, y un segundo bus 124B puede conectarse a un electrodo opuesto en cada pila de 131A a 131N. En contraste con la figura 1B, cada una de las pilas de 131A a 131N puede proporcionar conexiones en serie a través de la mayor parte de las obleas de silicio conductoras, como muestran las flechas. De esta manera, se puede reducir un número total de buses de interconexión externos a la pila de 131A a 131N en comparación con una arquitectura que utiliza placas monopolares.
Se pueden utilizar otras configuraciones de interconexión de una o más pilas de 131A a 131N. Por ejemplo, las pilas bipolares de 131A a 131N se pueden conectar en paralelo para aplicaciones de voltaje más bajo, como para ensamblar un paquete de baterías de voltaje más bajo. De modo alternativo, una sola pila bipolar con muchas celdas puede formar un paquete de voltaje más alto. En cualquier caso, el voltaje del paquete de baterías puede ser (Np-1)*Vcelda, donde Np puede representar el número de placas colectoras de corriente en cada pila, y Vcelda puede representar el voltaje de la celda.
Las figuras 3A y 3B ilustran, en general, ejemplos de una placa bipolar que puede incluir un colector de corriente de oblea de silicio 304 y una o más rejillas de soporte mecánico 310A o 310B (como en la figura 3A) o patrones de protuberancias de soldadura 315A o 315B (como en la figura 3B), y como se muestra en una vista en sección en el ejemplo de la figura 2A. Como se ha mencionado en relación con los ejemplos anteriores, una batería de plomoácido puede utilizar una oblea de silicio 304 como colector de corriente, tal como se muestra de forma ilustrativa en las figuras 1A a 1B y 2A a 2B.
Las obleas de silicio se fabrican, en general, para su uso en aplicaciones de semiconductores, solares y otras aplicaciones microelectrónicas o microelectromecánicas (MEMS). Las obleas de silicio, tales como las que tienen una densidad de aproximadamente 2,65 gramos por centímetro cúbico, pueden ser mucho más ligeras cuando se utilizan como colectores de corriente que las estructuras de rejilla de plomo generalmente disponibles. Tales obleas de silicio pueden ser resistentes (o pueden hacerse aún más resistentes) a la corrosión por H2SO4. Debido a un alto volumen de uso en otras aplicaciones, las obleas de silicio están fácilmente disponibles a bajo coste. Aunque el silicio monocristalino es, en general, un semiconductor, se puede convertir en conductor mediante dopaje apropiado. En un ejemplo, una oblea de silicio se puede hacer conductora mediante tal dopaje, de modo que proporcione resistividad inferior a 0,001 Q-cm. Para aplicaciones como colectores de corriente en baterías, no es necesario que la resistividad sea tan baja. Por ejemplo, se puede utilizar una resistividad de oblea de 5 Q-cm o inferior. En un ejemplo, una oblea de silicio para su uso en colectores de corriente puede, por ejemplo, estar fuertemente dopada con fósforo o arsénico para proporcionar un exceso de portadores y una resistividad de menos de 5 Q-cm.
Las obleas de silicio están disponibles en distintos tamaños (por ejemplo, hasta 300 milímetros de diámetro o más), formas (por ejemplo, redondas o cuadradas), orientación y estructura del cristal (por ejemplo, monocristalina o multicristalina) y texturas superficiales (por ejemplo, con textura tal como se presenta después de serrar de un lingote, o lisa después de un tratamiento como lapeado o grabado). Las obleas de silicio generalmente utilizadas por la industria solar se pueden utilizar para aplicaciones de baterías, ya que están disponibles en grandes cantidades a bajo coste. Las obleas solares estándar pueden tener alrededor de 125 milímetros o alrededor de 156 milímetros cuadrados, con un espesor menor a 750 micrómetros, tal como 200 micrómetros. Tales dimensiones son compatibles con las dimensiones de sección transversal de las baterías de plomo-ácido generalmente disponibles. Las obleas circulares u otras formas irregulares también se pueden cortar en otras geometrías, tal como en rectángulos con longitudes laterales que van desde alrededor de 120 milímetros hasta alrededor de 200 milímetros para adaptarse a determinadas aplicaciones. Aunque las obleas de silicio más delgadas pueden mejorar la densidad de energía del paquete de baterías, un grosor de una oblea puede inclinarse hacia, o de otro modo, seleccionarse a favor de la robustez mecánica, tal como lograr un punto de equilibrio de tal robustez con la densidad de energía. Las obleas monocristalinas o multicristalinas recién cortadas pueden tener superficies rugosas. La rugosidad, como a lo largo de las superficies rugosas por la sierra, se puede limpiar y texturizar mediante diversos procesos, tal como los incluidos en procedimientos de grabado químico húmedo. En un ejemplo, se puede especificar una oblea de silicio de grado metalúrgico para su uso en una placa de batería.
La placa de batería bipolar 321A o 321B puede incluir un primer material activo 312A, tal como una pasta, correspondiente a una primera polaridad. La pasta 312A se puede aplicar a un primer soporte mecánico 310a , tal como un soporte mecánico 310A fabricado o modelado utilizando una variedad de materiales. Se puede formar una o más capas tales como una primera capa de adhesión o una primera capa de contacto óhmico 311A sobre o como una porción de la oblea de silicio conductora 304. En un lado opuesto de la oblea de silicio conductora 304, se pueden formar una o más capas tales como una segunda capa de adhesión o una segunda capa de contacto óhmico 311B. Puede usarse un segundo soporte mecánico 310B, para proporcionar soporte para un segundo material activo 312B, correspondiente a una segunda polaridad opuesta a la polaridad del primer material activo 312A.
Los soportes mecánicos 310A, 310B, 315A y 315B que se muestran en los ejemplos de las figuras 3A y 3B son ilustrativos. Según la invención, se utilizan configuraciones tales como un patrón o una matriz de segmentos lineales, o una matriz de estructuras de mesa (por ejemplo, las correspondientes a un "inverso" del patrón del patrón de rejilla de la figura 3A). El soporte mecánico se puede fabricar utilizando una o más de impresión, deposición (por ejemplo, electrodeposición), moldeado, estampado o utilizando una o más de otras técnicas.
La figura 4 ilustra, en general, un ejemplo ilustrativo de una micrografía electrónica de barrido (SEM) de siliciuro de níquel (NiSi) sobre una oblea de silicio, tal como se puede utilizar como colector de corriente. Para crear una interfaz con baja resistencia de contacto entre el material activo y el colector de corriente de oblea de silicio, puede ser deseable formar una capa de contacto óhmica (como en la capa 311A o 311B tal como se muestra en las figuras 3A o 3B) sobre la superficie de la oblea de silicio 304. La capa de contacto óhmico también puede proteger la superficie de silicio de la formación de un óxido nativo, como en una atmósfera ambiental. La formación de una capa de contacto óhmica de este tipo puede incluir depositar una capa delgada de metal sobre la superficie de silicio, seguido de un recocido a alta temperatura. El espesor de la capa de metal puede ser, por ejemplo, tan delgado como aproximadamente 20 nanómetros, aunque se pueden utilizar capas más gruesas, hasta aproximadamente 200 nanómetros, o más, para proporcionar un revestimiento más conformado o continuo sobre superficies texturizadas. Por ejemplo, el níquel (Ni) se puede depositar sobre el silicio por deposición física de vapor (“PVD”, por sus siglas en inglés) utilizando equipo generalmente utilizado para la fabricación de celdas solares.
En un ejemplo ilustrativo, se puede formar una capa de siliciuro usando PVD y recocido del material depositado en nitrógeno o argón ambiente a una temperatura de al menos 450 °C.
El recocido de la oblea entre 500 y 660 °C puede formar un siliciuro de níquel (NiSi) sobre la superficie. En la ilustración de la micrografía mostrada en la figura 4, el espesor de la capa de NiSi es de alrededor de 150 nm. Se puede observar una interfaz borrosa entre el siliciuro de níquel y el silicio en la figura 4, que indica la formación de un contacto óhmico en la interfaz. En algunas realizaciones, también se pueden utilizar metales tales como titanio, tántalo, tungsteno, molibdeno y combinaciones de los mismos para formar siliciuros de baja resistividad con la superficie de silicio tras el recocido a alta temperatura.
Se pueden depositar capas adicionales sobre la superficie de siliciuro metálico para protegerla de la oxidación y mejorar su adhesión a las capas de material activo. Estas capas pueden denominarse capas de barrera y pueden incluir Ti, Ta, W, Mo, Sn, In, TiN, TaN, WN, MoN, TiW, combinaciones de los mismos, o uno o más de otros materiales, y pueden ser relativamente delgados, como tener un espesor de alrededor de 20 a 200 nanómetros. Dichos metales se pueden seleccionar en función de sus características refractarias (por ejemplo, Ti, Ta, W, Mo) o su soldabilidad (por ejemplo, In, Sn).
Estos metales, aleaciones de los mismos, siliciuros o nitruros pueden depositarse en uno o ambos lados del colector de corriente de oblea de silicio utilizando equipos de fabricación como, por ejemplo, equipos suministrados por INTEVAC de Santa Clara, CA, según se pueda utilizar para la fabricación de celdas solares. En un ejemplo ilustrativo, se puede utilizar una “herramienta de agrupación” de alto rendimiento para implementar una o más de limpieza previa de obleas de silicio, deposición de metal, formación de siliciuro, deposición de metal o deposición de nitruro de metal dentro de un proceso integrado.
La figura 5A ilustra, en general, un ejemplo ilustrativo de una micrografía que muestra un colector de corriente que incluye una capa de plomo de 20 mm de espesor. La figura 5B ilustra, en general, un ejemplo ilustrativo similar al ejemplo de la figura 5a , pero con un mayor grado de aumento, que ilustra una buena adhesión entre una capa de plomo y una superficie de NiSi.
Como se ha mencionado anteriormente, una o más capas (por ejemplo, capas de adhesión o de barrera) se pueden depositar sobre una superficie de capa de contacto óhmico de una oblea de silicio para aplicaciones en las que la oblea se va a utilizar como colector de corriente. Tales capas pueden servir para mejorar la adhesión y proporcionar soporte mecánico a las pastas de material activo. En una batería de plomo-ácido, dichas capas se especifican para incluir materiales compatibles con la química del plomo-ácido. La electrodeposición puede ser un procedimiento conveniente de fabricación de tales capas, y en algunos ejemplos se puede formar una película de menos de aproximadamente 20 micrómetros de espesor. En algunos ejemplos, se puede electrodepositar una delgada capa de adhesión de Pb sobre la superficie de NiSi con un baño de galvanoplastia que contiene ácido fluorhídrico, para proporcionar la configuración de capa que se muestra en la figura 5A.
Se puede utilizar un baño de galvanoplastia que contenga tetrafluoroborato de plomo (II) para un proceso de electrodeposición. Una ventaja del baño de galvanoplastia que contiene ácido fluorhídrico puede ser que la capa de contacto óhmico (por ejemplo, una superficie de NiSi) se puede limpiar in situ durante el proceso de electrodeposición. Esto puede mejorar la adhesión en la interfaz entre el NiSi y otra capa (por ejemplo, una capa de adhesión o una capa de barrera). Se pueden utilizar otras químicas de recubrimiento. En un ejemplo, una película delgada de Pb se puede dopar con Sb, Bi o Sn para mejorar sus propiedades de resistencia a la corrosión. En otros ejemplos, la capa de adhesión puede incluir uno o más de otros materiales tales como Sn, TiN, In o combinaciones de los mismos. En un ejemplo, se puede electrodepositar una delgada capa de SnO2 sobre una superficie de Ti para mejorar la adhesión de pastas positivas basadas en PbO2. Las capas de adhesión se pueden depositar en un lado o en ambos lados del colector de corriente, y tales capas no necesitan incluir el mismo material en ambos lados del colector de corriente.
La figura 6 ilustra en general una técnica 600, tal como un procedimiento, que puede incluir la fabricación de una placa de batería bipolar que incluye un colector de corriente de oblea de silicio, según un ejemplo. En 602, se forma un colector de corriente de oblea de silicio. Por ejemplo, una oblea de este tipo se puede serrar a partir de una bola monocristalina, o formar de otro modo, por ejemplo, a partir de una placa de silicio multicristalino. La oblea de silicio se puede comprar en una primera geometría (por ejemplo, una oblea circular) y luego se puede cortar posteriormente en la geometría deseada. La oblea de silicio se puede pulir, grabar, lapear o procesar de otro modo para proporcionar un acabado superficial deseado. La oblea de silicio se puede dopar para lograr un nivel de conductividad deseado, tal como tener un tipo de conductividad deseado (por ejemplo, dopaje de tipo n).
En 604, se forma una capa de contacto óhmico sobre al menos una superficie de la oblea de silicio conductora. Tal capa de contacto óhmico puede incluir un siliciuro. En un ejemplo, cada cara de la oblea puede incluir una capa de contacto óhmico, y las capas de contacto óhmico en cada cara no necesitan ser del mismo material o grosor entre sí. Se pueden incluir una o más capas (por ejemplo, capas de adhesión o de barrera) en una o más caras de la oblea de silicio, tal como depositadas o formadas de otro modo sobre una o más capas de contacto óhmicas.
En 606A o 606B se forma un patrón ordenado sobre la oblea de silicio conductor, tal como sobre la capa de contacto óhmico, para proporcionar o mejorar el soporte mecánico de las pastas de material activo. En un enfoque, en 606A, se puede formar un patrón de rejilla cuadrado o rectangular, con un espesor de alrededor de 100 micrómetros a alrededor de 500 micrómetros. Por ejemplo, tal rejilla puede incluir Pb depositado sobre la superficie de la oblea de silicio conductora, tal como por electrodeposición. Tal electrodeposición puede incluir el uso de una máscara mecánica (por ejemplo, de contacto). En otro enfoque, como en 606B, se puede depositar una matriz de protuberancias o mesas en el colector de corriente, como por electrodeposición. En algunos ejemplos, se puede aplicar una serie de pastas de soldadura Sn, Pb-Sn o In-Sn sobre el colector de corriente, por ejemplo, mediante empastado, prensado en caliente, dispensación por extrusión o serigrafía. El patrón de matriz se puede adherir de forma natural a una superficie de adhesión de Pb (por ejemplo, una capa de adhesión) del conjunto. Aunque las configuraciones de patrón de obleas, rejillas y protuberancias mostradas en la figura 6 son rectangulares, se pueden utilizar otras formas y simetrías. En un ejemplo, se puede utilizar una deposición desenmascarada, seguida de un proceso de grabado al aguafuerte, para proporcionar un patrón específico en 606A o 606B. En un ejemplo, una o más mesas o protuberancias pueden tener un espesor de aproximadamente 100 micrómetros a aproximadamente 500 micrómetros. En un ejemplo, una o más líneas o protuberancias pueden incluir Sb, Bi, In, Pb, Sn, Ag o combinaciones de los mismos (por ejemplo, una aleación).
En 608A o 608B, se pueden utilizar formulaciones de pasta y procedimientos de procesamiento compatibles con las baterías de plomo-ácido generalmente disponibles para aplicar pasta de material activo directamente sobre el conjunto de la oblea de silicio. Por ejemplo, las obleas de silicio conductoras pueden hacerse compatibles con dicho equipo de empastado, tal como con modificaciones menores para adaptar el tamaño de tales obleas. Debido a que el silicio tiene un alto punto de fusión y buena conductividad térmica, se pueden utilizar temperaturas de curado empleadas para los procesos de empastado generalmente disponibles para curar pastas de material activo como una porción del conjunto colector de corriente que incluye la oblea de silicio conductora. Con temperaturas de curado más altas, un soporte mecánico que incluye un patrón de matriz de rejilla de Pb o una matriz de protuberancias de soldadura Sn se puede fusionar con las pastas de material activo en el colector de corriente, lo que puede dar como resultado una fuerte adhesión y un soporte mecánico deseable.
La figura 7 ilustra, en general, una técnica 700, tal como un procedimiento, que puede incluir la fabricación de una placa de batería bipolar que incluye un colector de corriente de oblea de silicio, según un ejemplo que no forma parte de la presente invención. En algunos casos, el equipo de empastado generalmente disponible puede no ser adecuado para aplicar directamente una pasta de material activo a un conjunto colector de corriente de oblea de silicio conductora. En los casos en los que el colector de corriente de la oblea de silicio pueda ser incompatible con el equipo de empastado existente, se pueden aplicar pastas de material activo a rejillas "externas" antes de que dichas rejillas se ensamblen con la oblea de silicio conductora. Por ejemplo, la rejilla externa puede estar hecha de plástico resistente al H2SO4, como uno o más de acrilonitrilo butadieno estireno ("ABS"), polietileno de baja densidad ("LDPE"), polipropileno ("PP"), fluoruro de polivinilideno ("PVDF") o politetrafluoroetileno ("PTFE"). En un ejemplo, se puede formar una rejilla externa de grafito de carbono, que puede tener la ventaja de ser eléctricamente conductora. Las rejillas empastadas se pueden emparedar con el colector de oblea y curar para formar un conjunto de placa bipolar (ver, por ejemplo, la figura 7).
En 702, se puede formar una oblea de silicio conductora, tal como utilizando una o más técnicas analizadas anteriormente en relación con la figura 6 o en otro apartado del presente documento. En 704, se pueden depositar una o más capas tales como una capa óhmica de contacto o adhesión, tal como se describe en otros ejemplos en otro aparato del presente documento. En 706, se puede formar un soporte mecánico "externo", que puede incluir una estructura de rejilla u otra forma. Como se menciona en ejemplos en otros aparatos del presente documento, tal soporte mecánico puede ser conductor o no conductor. En 708, se puede aplicar una pasta de material activo, tal como una pasta de material activo de primera polaridad a un primer soporte mecánico, y una pasta de material activo de segunda polaridad a un segundo soporte mecánico. En 710, el primer y segundo soportes mecánicos empastados se pueden aplicar a la oblea de silicio conductora. En 712, las pastas se pueden curar, por ejemplo, térmicamente.
Para ensamblar la batería de plomo-ácido bipolar utilizando un ensamblaje de placa bipolar como se describe en los ejemplos en el presente documento, las placas bipolares (incluidas las obleas de silicio conductoras) se pueden emparedar con separadores. Como se muestra en las figuras 1A, 1B, 2A y 2B, los espacios entre las placas pueden rellenarse con un electrolito (por ejemplo, H2SO4). Los bordes de las placas bipolares se pueden sellar, de modo que cada compartimento de electrolito esté aislado eléctricamente. En un ejemplo, el electrolito se puede integrar con un separador mecánico. Por ejemplo, el electrolito se puede mezclar con polvo de sílice para formar un gel inmovilizado comúnmente conocido como electrolito gelificado. En un ejemplo, se pueden utilizar separadores de vidrio absorbente (AGM, por sus siglas en inglés), como incluir mallas de silicato de boro saturadas de electrolitos como separadores.
Varias notas y ejemplos
La anterior descripción detallada incluye referencias a los dibujos adjuntos, que forman parte de la descripción detallada. Los dibujos muestran, a modo de ilustración, realizaciones específicas en las que se puede practicar la invención. Estas realizaciones también se denominan en el presente documento "ejemplos". Dichos ejemplos pueden incluir elementos además de los mostrados o descritos. Sin embargo, los presentes inventores también contemplan ejemplos en los que solo se proporcionan los elementos mostrados o descritos.
En el presente documento, los términos "un" o "uno/una" se utilizan, como es común en los documentos de patente, para incluir uno o más de uno, independientemente de cualquier otro caso o uso de "al menos uno" o "uno o más". En el presente documento, el término "o" se utiliza para referirse a un o no exclusivo, tal que "A o B" incluye "A pero no B", "B pero no A" y "A y B", a menos que se indique lo contrario. En el presente documento, los términos "que incluye" y "en el que" se utilizan como equivalentes en inglés simple de los términos respectivos "que comprende" y "en donde". Además, en las siguientes reivindicaciones, los términos "que incluye" y "que comprende" son ilimitados, es decir, un sistema, dispositivo, artículo, composición, formulación o proceso que incluye elementos además de los enumerados después de dicho término en una reivindicación todavía se considera que entra dentro del alcance de esa reivindicación. Además, en las siguientes reivindicaciones, los términos "primero", "segundo" y "tercero", etc. se utilizan simplemente como etiquetas y no pretenden imponer requisitos numéricos a sus objetos.
Se pretende que la descripción anterior sea ilustrativa y no restrictiva. Por ejemplo, los ejemplos descritos anteriormente (o uno o más aspectos de los mismos) se pueden utilizar en combinación entre sí. Se pueden utilizar otras realizaciones, tal como por un experto en la técnica al revisar la descripción anterior. Además, en la descripción detallada anterior, se pueden agrupar diversas características para simplificar la divulgación. Esto no debe interpretarse como la intención de que una característica divulgada no reivindicada sea esencial para cualquier reivindicación. Por el contrario, la materia objecto de la invención puede residir en menos de todas las características de una realización particular descrita. El alcance de la invención debe determinarse haciendo referencia a las reivindicaciones adjuntas.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un aparato, que comprende una primera placa de batería de plomo-ácido (120A) que incluye:
    una oblea de silicio conductora (104; 304) para proporcionar un colector de corriente;
    un primer soporte mecánico (110A; 310A; 315A) depositado sobre un primer lado de la oblea de silicio conductora (104; 304); y
    un primer material activo (112A; 312A) depositado sobre el primer soporte mecánico (110A, 310A; 315A) y el primer lado de la oblea de silicio conductora (104; 304), teniendo el primer material activo (112A; 312A) una primera polaridad,
    en donde la oblea de silicio conductora (104; 304) incluye una primera capa de contacto óhmico (106A) entre el primer material activo (112A; 312A) y una mayor parte de la oblea de silicio conductora (104; 304);
    caracterizado por que el primer material activo (112A; 312A) está formado de pasta curada; y el primer soporte mecánico (110A; 310A; 315A) comprende un patrón de matriz que incluye una matriz de segmentos lineales, una estructura de rejilla, una matriz de estructuras de mesa o un patrón de matriz de protuberancias.
    2. El aparato de la reivindicación 1, que incluye
    un segundo soporte mecánico (110B; 310B; 315B) situado sobre un segundo lado de la oblea de silicio conductora (104; 304) opuesto al primer lado; y
    un segundo material activo (112B; 312B) depositado sobre el segundo soporte mecánico (110B, 310B; 315B) y el segundo lado de la oblea de silicio conductora (104; 304), teniendo el segundo material activo (112B; 312B) una segunda polaridad opuesta;
    en donde la oblea de silicio conductora (104; 304) incluye una segunda capa de contacto óhmico (106B) entre el segundo material activo (112B; 312B) y una mayor parte de la oblea de silicio conductora (104; 304); y
    comprendiendo el segundo soporte mecánico (110B; 310B; 315B) un patrón de matriz que incluye una matriz de segmentos lineales, una estructura de rejilla, una matriz de estructuras de mesa o un patrón de matriz de protuberancias.
    3. El aparato de la reivindicación 2, en donde la primera y segunda capas de contacto óhmico (106A, 106B) incluyen materiales que difieren entre sí.
    4. El aparato de cualquiera una de las reivindicaciones 2 o 3, que comprende un alojamiento (122);
    en donde el alojamiento (122) está configurado para alojar la primera placa de batería bipolar (120A) y una segunda placa de batería bipolar (321B); y
    en donde el aparato incluye un electrolito (114) situado en una región entre una superficie de la primera placa de batería bipolar que tiene una primera polaridad y una superficie de la segunda placa de batería bipolar que tiene una segunda polaridad.
    5. El aparato de la reivindicación 4, en donde el electrolito (114) en la región está herméticamente sellado de otras regiones que contienen electrolito dentro del alojamiento (122).
    6. El aparato de cualquiera una de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la oblea de silicio conductora (104;
    304) incluye una primera capa de adhesión (108) situada entre el primer material activo y la primera capa de contacto óhmico (106).
    7. El aparato de la reivindicación 5, en donde la primera capa de adhesión (108) incluye plomo.
    8. El aparato de cualquiera una de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la oblea de silicio conductora (104;
    304) está n-dopada.
    9. El aparato de cualquiera una de las reivindicaciones 1 a 8, en donde la oblea de silicio conductora (104;
    304) es una de monocristalina o multicristalina.
    10. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 que comprende un alojamiento (122);
    en donde el alojamiento (122) está configurado para alojar la primera placa de batería (321A) y una segunda placa de batería (321B) que tiene una polaridad opuesta; y
    en donde el aparato incluye un electrolito (114) acoplado a ambas placas de batería.
    11. El aparato de la reivindicación 10, que comprende un separador (114A) situado entre la primera y segunda placas de batería (321A; 321B).
    12. El aparato de la reivindicación 11, en donde el separador (114A) incluye un separador de vidrio absorbente.
    13. Un procedimiento para proporcionar una placa de batería de plomo-ácido, comprendiendo el procedimiento las etapas de:
    formar (702) una oblea de silicio conductora (104; 304) para proporcionar un colector de corriente; depositar (706) un primer soporte mecánico (110A; 310A; 315A) sobre un primer lado de la oblea de silicio conductora (104; 304); y
    aplicar (708) un primer material activo (112A; 312A) como una pasta al primer soporte mecánico (110A, 310A; 315A) y el primer lado de la oblea de silicio conductora (104; 304) y curar la pasta, teniendo el primer material activo (112A; 312A) una primera polaridad;
    en donde la oblea de silicio conductora (104; 304) está formada para incluir una primera capa de contacto óhmico (106A) entre el primer material activo (112A; 312A) y una mayor parte de la oblea de silicio conductora (104; 304); y
    el primer soporte mecánico (110A; 310A; 315A) se deposita como un patrón de matriz que incluye una matriz de segmentos lineales, una estructura de rejilla, una matriz de estructura de mesa o un patrón de matriz de protuberancias.
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