ES3055637T3 - Single pouch battery cells and methods of manufacture - Google Patents

Single pouch battery cells and methods of manufacture

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ES3055637T3
ES3055637T3 ES16812533T ES16812533T ES3055637T3 ES 3055637 T3 ES3055637 T3 ES 3055637T3 ES 16812533 T ES16812533 T ES 16812533T ES 16812533 T ES16812533 T ES 16812533T ES 3055637 T3 ES3055637 T3 ES 3055637T3
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Takaaki Fukushima
Naoki Ota
Ricardo Bazzarella
Taison Tan
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Kyocera Corp
24M Technologies Inc
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Abstract

Los aparatos, sistemas y métodos descritos en este documento se refieren a la fabricación y el uso de celdas de batería de bolsa única. En algunas realizaciones, una celda electroquímica incluye un primer colector de corriente acoplado a una primera porción de una bolsa, con un primer material de electrodo dispuesto sobre él, un segundo colector de corriente acoplado a una segunda porción de la bolsa, con un segundo material de electrodo dispuesto sobre él, y un separador dispuesto entre el primer y el segundo material de electrodo. La primera porción de la bolsa está acoplada a la segunda porción de la bolsa para contener la celda electroquímica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Celdas de batería de bolsa única y métodos de fabricación
[0003] Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
[0004] Esta solicitud reivindica la prioridad y el beneficio de la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos de Serial No.621l81.385, titulada "Single Pouch Battery Cells and Methods of Manufacture", presentada el 18 de junio de 2015.
[0005] Antecedentes
[0006] Las realizaciones descritas en el presente documento se refieren en general a la preparación de celdas de batería y, más concretamente, a sistemas y métodos de preparación y uso de celdas de batería de bolsa única en un módulo de batería.
[0007] Las celdas electroquímicas (baterías) de iones de litio suelen incluir capas alternadas de ánodo y cátodo separadas por separadores. Una combinación de un ánodo y un cátodo separados por un separador puede denominarse un apilamiento. Normalmente se conectan múltiples apilamientos en paralelo y se introducen en una bolsa para formar una celda de batería. El número de apilamientos dentro de una celda de batería (y de acuerdo con una bolsa) suele ser relativamente grande (por ejemplo, >20) para aumentar la capacidad. La bolsa también incluye un electrolito (por ejemplo, un disolvente orgánico y sal de litio disuelta), normalmente introducido en un entorno cuidadosamente controlado para proporcionar un medio para el transporte de iones de litio. La cantidad de electrolito dentro de una bolsa puede ser proporcional al número de apilamientos dentro de la bolsa, es decir, más electrolitos para más apilamientos.
[0008] En la fabricación, una celda de batería puede construirse apilando capas alternadas de electrodos (típico de las celdas prismáticas de alta tasa de capacidad), o enrollando largas tiras de electrodos en una configuración "jelly roll" (típico de las celdas cilíndricas). Los apilamientos o rollos de electrodos pueden introducirse en carcasas rígidas selladas con juntas (la mayoría de las celdas cilíndricas comerciales), en carcasas rígidas soldadas con láser o en bolsas de aluminio con costuras termoselladas (denominadas comúnmente celdas de polímero de iones de litio).
[0009] Una aplicación prometedora de las celdas de iones de litio son los paquetes de baterías para automóviles, que suelen incluir un gran número de celdas de batería, a veces varios cientos e incluso miles, para satisfacer las necesidades de potencia y capacidad deseadas. Cada celda de batería puede contener además una pluralidad de apilamientos (es decir, ánodos, cátodos y separadores) y terminales de electrodos (es decir, lengüetas). Varias celdas suelen unirse mediante lengüetas de batería y barras colectoras (es decir, unidades de interconexión) para formar un módulo. Un paquete de baterías típico puede incluir decenas de tales módulos. Como resultado, normalmente se necesita una cantidad significativa de unión, tal como la soldadura, para proporcionar la cantidad deseada de potencia y capacidad en un paquete de baterías.
[0010] El documento EP0 602 976 A1 divulga una celda en forma de hoja de acuerdo con la técnica anterior, que comprende electrodos positivos y electrodos negativos formados en una pluralidad de regiones separadas entre sí sobre un miembro aislante plegable.
[0011] Resumen
[0012] Los aparatos, sistemas y métodos descritos en el presente documento están relacionados con la fabricación y el uso de celdas de batería de bolsa única. En algunas realizaciones, una celda electroquímica incluye un primer colector de corriente acoplado a una primera porción de una bolsa, el primer colector de corriente teniendo un primer material de electrodo dispuesto sobre el mismo, un segundo colector de corriente acoplado a una segunda porción de la bolsa, el segundo colector de corriente teniendo un segundo material de electrodo dispuesto sobre el mismo, y un separador dispuesto entre el primer material de electrodo y el segundo material de electrodo. La primera porción de la bolsa esta acoplada a la segunda porción de la bolsa para encerrar la celda electroquímica.
[0013] Breve Descripción de los Dibujos
[0014] La FIG.1A es una vista esquemática de una celda de batería, de acuerdo con una realización.
[0015] La FIG.1B es una vista esquemática de otro tipo de celda de batería, de acuerdo con algunas realizaciones. La FIG.1C es una vista en planta superior de la celda de batería mostrada en la FIG.1B.
[0016] La FIG.1D es una vista en planta superior de otra celda de batería, de acuerdo con algunas realizaciones. La FIG. 1E es una vista esquemática de un tipo de celda de batería producida utilizando un concepto de auto fusión, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0017] La FIG.1F es una foto de un borde de la celda de batería mostrada en la FIG.1E.
[0018] La FIG. 2 es una vista esquemática de un módulo de batería que incluye una pluralidad de celdas de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0019] La FIG.3 es una vista esquemática de un paquete de baterías que incluye múltiples módulos de baterías mostrados en la FIG.2, de acuerdo con una realización.
[0020] La FIG. 4A es una vista esquemática de las dimensiones relativas de cada componente en una celda de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0021] La FIG.4B muestra una vista ampliada de una esquina de la celda de batería de bolsa única mostrada en la FIG.
[0022] 4A.
[0023] La FIG. 5 es una vista esquemática de un módulo de batería que incluye celdas de batería de bolsa única encerradas en una carcasa metálica, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0024] La FIG.6A es una vista lateral de un módulo de batería (con la tapa abierta) que incluye celdas de batería de bolsa única encerradas en una carcasa metálica, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0025] La FIG.6B es otra vista lateral del módulo de batería mostrado en la FIG.6A después de cerrar la tapa.
[0026] La FIG. 7A es una vista superior de un módulo de batería que incluye múltiples celdas de batería de bolsa única encerradas en un marco de plástico, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0027] La FIG. 7B es una vista lateral del módulo de batería mostrado en la FIG. 7A con las tapas superior e inferior mostradas.
[0028] La FIG. 8A muestra un diseño de lengüeta empleado en un módulo de batería que incluye múltiples celdas de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0029] La FIG. 8B muestra un espaciador del diseño de lengüeta, incluyendo las regiones de conexión de lengüeta en el módulo de batería mostrado en la FIG.8A.
[0030] La FIG.8C muestra una porción de conector del módulo de batería mostrado en la FIG.8A.
[0031] La FIG.9 es un diagrama de flujo de un método de fabricación de módulos y celdas de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0032] La FIG. 10A muestra una disposición de un conjunto de ánodos que incluye múltiples ánodos dispuestos sobre una película de bolsa, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0033] La FIG.10B muestra una vista en sección transversal del conjunto de ánodos mostrado en la FIG.10A.
[0034] La FIG. 11A muestra una disposición de un conjunto de cátodos que incluye múltiples cátodos dispuestos sobre una película de bolsa, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0035] La FIG.11B muestra una vista en sección transversal del conjunto de cátodos mostrado en la FIG.11A.
[0036] La FIG. 12 muestra una vista superior de la disposición de un conjunto de electrodos que incluye un conjunto de cátodos y un conjunto de ánodos, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0037] La FIG. 13A muestra la disposición de un conjunto de celdas unitarias que incluye múltiples celdas unitarias, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0038] La FIG.13B muestra una vista en sección transversal del conjunto de celdas unitarias mostrado en la FIG.13A. La FIG. 14 ilustra un método de preparación de celdas unitarias en bolsas individuales, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0039] Las FIGS.15A-15B ilustran un método de preparación de la unidad de un apilamiento de celdas, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0040] Las FIGS. 16A-16B muestran una vista superior y una vista en sección transversal del apilamiento de celdas unitarias preparado por los métodos ilustrados en las FIGS.15A-15B.
[0041] Las FIGS.17A-17B muestran celdas de bolsa con porciones adicionales para desgasificar, resellar y retirar durante la fabricación de celdas de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0042] La FIG.18 muestra una configuración de lengüeta ejemplar para celdas de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0043] Las FIGS. 19A-19B muestran un método de fabricación ejemplar para preparar celdas de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0044] Las FIGS. 19C-19D muestran un método de fabricación ejemplar para preparar celdas de batería en configuraciones cilíndricas, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0045] Las FIGS. 19E-19G muestran un método de fabricación ejemplar para preparar celdas de batería en configuraciones prismáticas, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0046] La FIG.20 es una ilustración de una celda de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones. La FIG. 21 muestra curvas de retención de capacidad de celdas de batería fabricadas utilizando los métodos descritos anteriormente.
[0047] La FIG.22 es una vista esquemática de un módulo de batería que incluye una matriz de celdas de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0048] Las FIGS. 23A-23B son una vista colapsada y una vista explotada de un módulo de batería que incluye una pluralidad de módulos de batería de bolsa única encerrados en una carcasa metálica, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0049] Las FIGS. 24A-24B son una vista colapsada y una vista explotada de un módulo de batería que incluye una pluralidad de módulos de batería de bolsa única encerrados en una carcasa de plástico, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0050] La FIG. 25 muestra un paquete de baterías que incluye una matriz bidimensional de módulos de baterías, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0051] La FIG. 26 muestra un paquete de baterías que incluye una matriz unidimensional de módulos de baterías, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0052] Las FIGS.27A-27C muestran esquemas de un paquete de baterías que ilustran las características de apilamiento y enclavamiento de los módulos de baterías, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0053] Las FIGS. 28A-28B son una vista colapsada y una vista explotada de un bastidor de baterías que incluye una pluralidad de módulos de batería de bolsa única dispuestos en una configuración de bastidor, de acuerdo con algunas realizaciones.
[0054] Descripción Detallada
[0055] Las realizaciones descritas en el presente documento se refieren en general a celdas de batería de bolsa única y, en particular, a los sistemas y métodos de fabricación y uso de celdas de batería de bolsa única en un módulo de batería o en un paquete de baterías. En algunas realizaciones, una celda de batería de bolsa única incluye un ánodo, un cátodo, un separador dispuesto entre ellos y una bolsa para contener el ánodo, el cátodo y el separador para formar la celda de batería de bolsa única. De acuerdo con la invención, el material del ánodo y/o el material del cátodo es una suspensión semisólida.
[0056] La reducción de la cantidad de material no electroquímicamente activo en una celda de batería puede proporcionar un aumento de la densidad de energía para una celda de batería dada. El grosor de los colectores de corriente se selecciona típicamente para el caso de la manipulación y/o para proporcionar soporte mecánico para el electrodo en contraposición a las consideraciones de densidad de corriente. En otras palabras, los colectores de corriente suelen ser más gruesos de lo necesario para acomodar la alta densidad de corriente producida por la reacción electroquímica en la batería, pero los colectores de corriente más delgados (es decir, optimizados para la densidad de corriente) pueden ser muy frágiles y romperse fácilmente durante el procedimiento de fabricación. Por ejemplo, un colector de corriente de 20 µm de grosor utilizado actualmente en algunas baterías convencionales puede manejar fácilmente la cantidad de corriente producida en una batería convencional, donde sólo se necesitarían unos pocos µm de colector de corriente para transportar los electrones.
[0057] Como se describe en el presente documento, una celda de bolsa única puede permitir el uso de un colector de corriente más delgado, al tiempo que mejora otros aspectos de la arquitectura de la celda de batería. Por ejemplo, un colector de corriente puede estar acoplado a la bolsa y la bolsa puede proporcionar el soporte físico del colector de corriente y mejorar el manejo de modo que un colector de corriente más delgado puede ser utilizado para la conducción eléctrica en conjunción con el uso de la bolsa. Algunos beneficios adicionales de este enfoque incluyen, pero no se limitan a: (i) mitigación o eliminación de la propagación de defectos de una celda de batería a la(s) celdas(s) de batería adyacente(s), (ii) reducción del riesgo de incendio u otros riesgos térmicos inducidos por la gran cantidad de electrolito inflamable en las baterías convencionales; (iii) reducción o eliminación de la contaminación metálica, que puede introducirse en los materiales de los electrodos durante los procedimientos de soldadura en la fabricación de baterías convencionales y que puede causar un cortocircuito dentro de la batería, comprometiendo por lo tanto el rendimiento de la batería, (iv) manejo más fácil de las bolsas individuales cuando se apilan múltiples celdas de batería de bolsa única en un módulo de batería o en un paquete de baterías, (v) comodidad de selección y rechazo de bolsas individuales cuando se fabrican baterías de varias bolsas o de varios apilamientos, aumentando por lo tanto el rendimiento de fabricación (por capacidad, grosor, impedancia, peso. etc.); (vi) proporcionar un medio para soportar el material de electrodo semisólido durante la fabricación de baterías o electrodos, consiguiendo por lo tanto una distribución uniforme (por ejemplo, grosor uniforme) de materiales de electrodos y evitando el derrame de materiales de electrodos por fuera de las celdas de batería; y (vii) reducir o eliminar el riesgo de incendio de los electrodos húmedos en los procedimientos de soldadura, en los que la chispa de soldadura puede inflamar el electrolito, que normalmente es inflamable. El enfoque de las celdas de batería de bolsa única puede reducir o eliminar este riesgo de incendio, ya que todos los procedimientos de soldadura pueden realizarse después de cada celdas de batería individual contenida en la bolsa, evitando por lo tanto que las chispas de soldadura alcancen el electrolito y lo inflamen. Tal y como se utiliza en el presente documento, el término "semisólido" se refiere a un material que es una mezcla de fases líquidas y sólidas, por ejemplo, tal como una suspensión de partículas, una suspensión coloidal, una emulsión, un gel o una micela.
[0059] Tal y como se utiliza en el presente documento, el término "celda de batería de bolsa única" se refiere a una celda de batería (también denominada en el presente documento "celda electroquímica") que incluye una bolsa que normalmente contiene un conjunto de celdas unitarias, que además incluye un ánodo, un cátodo y un separador. En algunos casos, como se indica explícitamente en la memoria descriptiva, una celda de batería de bolsa única puede contener dos conjuntos de celdas unitarias.
[0061] Tal y como se utilizan en esta memoria descriptiva, los términos "alrededor de" y "aproximadamente" generalmente incluyen más o menos el 10% del valor indicado. Por ejemplo, alrededor de 5 incluiría de 4,5 a 5,5, aproximadamente 10 incluiría de 9 a 11, y alrededor de 100 incluiría de 90 a 110.
[0063] La fabricación típica de baterías implica numerosos procedimientos complejos y costosos realizados en serie, cada uno de los cuales está sujeto a pérdidas de rendimiento, incurre en costes de capital para equipos e incluye gastos de explotación por consumo de energía y materiales consumibles. El procedimiento primero consiste en preparar mezclas anódicas y catódicas separadas (también denominadas como "suspensiones") que suelen ser mezclas de compuestos de almacenamiento de iones electroquímicamente activos, aditivos conductores de la electricidad y aglutinantes poliméricos. A continuación, las mezclas se recubren sobre las superficies de láminas metálicas flexibles para formar electrodos (ánodos y cátodos). Los electrodos formados también suelen comprimirse a alta presión para aumentar la densidad y controlar el grosor. A continuación, estos compuestos comprimidos de electrodo/lámina se cortan en tamaños y/o formas apropiados para el factor de forma concreto de la batería fabricada.
[0065] Un ánodo, un cátodo y un separador pueden apilarse para formar un conjunto de celdas unitarias. Cada conjunto de celdas unitarias incluye normalmente también lengüetas conductoras (también denominadas un terminal) para acoplar los electrodos a circuitos externos. A continuación, se apilan o disponen múltiples conjuntos de celdas unitarias para formar una celda de batería. El número de conjuntos de celdas unitarias en una celda de batería puede variar dependiendo, por ejemplo, de la capacidad deseada y/o del grosor de la celda de batería resultante. Estos conjuntos de celdas unitarias apiladas están eléctricamente en paralelo, y las lengüetas respectivas de cada conjunto de celdas unitarias suelen soldarse entre sí mediante procedimientos de soldadura tales como la soldadura por resistencia, la soldadura por láser y la soldadura por ultrasonidos, la soldadura por costura, la soldadura por haz eléctrico, entre otros. A continuación, puede llevarse a cabo un paso de sellado de la bolsa al vacío para formar una celda de batería. Durante el sellado de la bolsa al vacío, normalmente se inyecta un electrolito en el conjunto de celdas unitarias apiladas y los conjuntos de celdas unitarias y el electrolito se escalan en una bolsa.
[0067] A continuación, la celda de batería sellada se somete a un procedimiento de formación, en el que se puede realizar una operación de carga inicial para crear una interfase sólido-electrolito (SEI) estable que pueda pasivar la interfaz electrodo-electrolito, así como evitar reacciones secundarias. Además, también suelen llevarse a cabo varios ciclos de carga y descarga de las baterías para garantizar que la capacidad de las baterías cumple las especificaciones requeridas. Normalmente se realiza una paso de desgasificación para liberar los gases introducidos durante la etapa inicial de carga, denominado paso de precarga, o durante las reacciones electroquímicas en el paso de formación de la batería. La presencia de gas atrapado en los electrodos generalmente reduce la conductividad y la densidad de los electrodos, y limita la cantidad de materiales electroquímicos activos que se pueden colocar en una celda de batería y puede causar el crecimiento de dendritas de litio que pueden erosionar el rendimiento de la batería, es decir, la reducción de la vida de ciclo, y el rendimiento global de seguridad. Un paso de resellamiento puede tomarse para volver a sellar la celda de la batería una vez que se haya liberado el gas atrapado.
[0069] El procedimiento de fabricación descrito anteriormente y las baterías resultantes pueden adolecer de varios problemas. El primer problema puede ser la propagación de defectos, ya sea durante la fabricación o durante el funcionamiento de las baterías. Más concretamente, durante la fabricación, si hay un problema con un conjunto de celdas unitarias, toda la celda, que normalmente incluye múltiples conjuntos de celdas unitarias, puede resultar defectuosa. Por lo tanto, el defecto de un conjunto de celdas unitarias puede propagarse y provocar el rechazo de múltiples conjuntos de celdas unitarias dentro de la misma celda de batería, afectando así al rendimiento de fabricación. Además, durante el funcionamiento de la batería, los defectos también pueden propagarse de un conjunto de celdas unitarias a otro(s) adyacente(s). Por ejemplo, un defecto típico de las baterías es la fuga térmica, en el que un aumento de la temperatura provoca reacciones electroquímicas más activas que pueden aumentar aún más la temperatura, lo que conduce a un bucle de retroalimentación positiva y posiblemente a un ciclo destructivo. Si un conjunto de celdas unitarias en una batería experimenta una reacción de fuga térmica, es probable que provoque una fuga térmica en los conjuntos de celdas unitarias adyacentes mediante diversos mecanismos de transferencia de calor, tal como el contacto directo entre carcasa a carcasa, la incidencia de gases de ventilación calientes o la incidencia de gases de ventilación inflamados. Puede producirse una reacción en cadena en la que un paquete puede destruirse en unos pocos segundos o a lo largo de varias horas a medida que se consume cada celda.
[0071] Un segundo problema en la fabricación convencional de baterías puede ser el riesgo de incendio que introduce la gran cantidad de electrolito que contiene cada celda de la batería. El electrolito, que en las baterías de iones de litio suele ser de hidrocarburo, es normalmente inflamable. El electrolito de hidrocarburo de las celdas de iones de litio significa que, en condiciones de incendio, estas celdas pueden comportarse de forma diferente a las celdas de plomo-ácido, NiMH o NiCd, que contienen un electrolito a base de agua. Más concretamente, las fugas o la ventilación de las celdas de iones de litio pueden liberar vapores inflamables. Si el fuego incide en celdas con electrolito a base de agua, el agua de las celdas puede absorber el calor, reduciendo por lo tanto la liberación total de calor del incendio y mitigando el peligro. En comparación, la incidencia de un incendio en las celdas de iones de litio provocará la liberación de electrolito inflamable, aumentando por lo tanto la liberación total de calor del incendio y exacerbando el riesgo de incendio. La cantidad de electrolito en una celda de batería es, en general, proporcional a la cantidad de materiales de electrodo en la misma celda de batería. Las celdas de batería convencionales, que incluyen múltiples conjuntos de celdas unitarias (es decir, múltiples apilamientos de ánodos y cátodos), normalmente incluyen una cantidad correspondientemente grande de electrolito. Por lo tanto, la gran cantidad de electrolito en cada celda de batería puede suponer un mayor riesgo de incendio.
[0073] Un tercer problema en la fabricación convencional de baterías puede ser la contaminación metálica introducida durante el procedimiento de soldadura. Dado que la soldadura se realiza normalmente antes de que toda la celda de la batería, que incluye múltiples apilamientos de electrodos, se selle en una bolsa, los electrodos están expuestos a partículas metálicas que se desprenden de la porción de soldadura. Puede producirse un cortocircuito eléctrico si las partículas metálicas se adhieren en la proximidad de la porción de soldadura. Además, las partículas metálicas pueden dispersarse en los materiales del electrodo durante la soldadura e inducir cortocircuitos internos. El mismo metal contaminado dentro de la celda puede crear la dendrita metálica que crearía un cortocircuito. Por ejemplo, la contaminación de cobre durante la soldadura en el área del cátodo puede depositarse electroquímicamente en el lado del ánodo durante los ciclos de la batería, lo que puede crear un cortocircuito interno porque el cobre no es estable bajo la mayor parte de la tensión del material del cátodo. Una dendrita de cobre es más robusta en comparación a la dendritas de litio debido a su mayor temperatura de fusión.
[0075] Celdas de Batería de Bolsa Única y Módulos de Baterías
[0077] La FIG. 1A muestra una vista esquemática de una celda de batería que puede resolver, al menos parcialmente, los problemas antes mencionados en la fabricación convencional de baterías. La celda de batería 100 incluye un ánodo 110, que incluye material del ánodo 111 dispuesto sobre un colector de corriente del ánodo 150 (también denominado en el presente documento como "ACC 150"), un cátodo 120, que incluye material del cátodo 121 dispuesto sobre un colector de corriente del cátodo 160 (también denominado en el presente documento como "CCC 160"), y un separador 130 dispuesto entre el ánodo 110 y el cátodo 120. El conjunto del ánodo 110, el cátodo 120 y el separador 130 está contenido sustancialmente en una bolsa 140, que puede separar la celda de la batería 100 de la(s) celda(s) adyacente(s) en un módulo o paquete de baterías, mitigando por lo tanto la propagación de defectos (por ejemplo, riesgo de incendio) al limitar las reacciones electroquímicas no intencionadas al interior de las celdas individuales. Opcionalmente, el ACC 150 y el CCC 160 pueden disponerse en el interior de la bolsa 140 antes de ensamblar el ánodo 110, el cátodo 120 o la celda 100 de la batería. El uso de una bolsa también puede reducir o eliminar la contaminación metálica en los electrodos durante el procedimiento de soldadura en la construcción de un módulo/paquete de batería, ya que los electrodos (es decir, el ánodo 110 y el cátodo 120) están protegidos por la bolsa 140 de partículas metálicas o de cualquier otro material que potencialmente pueda generar un cortocircuito de las celdas de la batería. Opcionalmente, en algunas realizaciones, al menos uno de los ACC 150 y CCC 160 puede incluir una lengüeta o conexión de lengüeta (no mostrada) que actúa como un conductor eléctrico (o punto de conexión) para conectarse a uno o más circuitos eléctricos externos.
[0079] En algunas realizaciones, el ACC 150 y el CCC 160 (denominados colectivamente en el presente documento "colector de corriente") pueden incluir un material conductor en forma de sustrato, hoja o lámina, o cualquier otro factor de forma. En algunas realizaciones, el colector de corriente puede incluir un metal tal como aluminio, cobre, litio, níquel, acero inoxidable, tántalo, titanio, tungsteno, vanadio, o una mezcla, combinaciones o aleaciones de los mismos. En otras realizaciones, el colector de corriente puede incluir un material no metálico, tal como carbono, nanotubos de carbono o un óxido metálico (por ejemplo, TiN, TiB<2>, MoSi<2>, n-BaTiO<3>. Ti2O<3>, ReO<3>, RuO<2>, IrO<2>, etc.). En algunas realizaciones, el colector de corriente puede incluir un recubrimiento conductor dispuesto sobre cualquiera de los materiales metálicos y no metálicos antes mencionados. En algunas realizaciones, el recubrimiento conductor puede incluir un material a base de carbono, un metal conductor y/o un material no metálico, incluyendo compuestos o materiales en capas.
[0081] En algunas realizaciones, el colector de corriente incluye un sustrato base que tiene uno o más recubrimientos superficiales para mejorar las propiedades mecánicas, térmicas, químicas o eléctricas del colector de corriente. En un ejemplo, el recubrimiento o recubrimientos del colector de corriente pueden configurarse para reducir la corrosión y alterar las características de adhesión (por ejemplo, recubrimientos hidrofílicos o hidrofóbicos, respectivamente). En otro ejemplo, el recubrimiento o recubrimientos del colector de corriente pueden comprender un material de alta conductividad eléctrica para mejorar el transporte de carga global del sustrato base. En aún otro ejemplo, los recubrimientos pueden comprender un material de alta conductividad térmica para facilitar la disipación del calor del sustrato base y proteger la batería del sobrecalentamiento. En aún otro ejemplo, los recubrimientos pueden comprender un material resistente al calor o retardante de fuego para evitar que la batería se incendie. En aún otro ejemplo, los recubrimientos pueden estar configurados para ser rugosos con el fin de aumentar el área superficial y/o la adhesión con el material del electrodo (por ejemplo, el material del ánodo 111 y el material del cátodo 121). En aún otro ejemplo, los recubrimientos pueden incluir un material con buenas propiedades de adherencia o pegado con el material del electrodo.
[0083] En algunas realizaciones, el colector de corriente incluye un sustrato conductor, hoja o lámina que tiene una superficie rugosa para mejorar el contacto mecánico, eléctrico y térmico entre el material del electrodo y el colector de corriente. La superficie rugosa del colector de corriente puede aumentar el área de contacto físico entre el material del electrodo y el colector de corriente, aumentando por lo tanto la adherencia del material del electrodo al colector de corriente. El aumento del área de contacto físico también puede mejorar el contacto eléctrico y térmico (por ejemplo, reducir la resistencia eléctrica y térmica) entre el colector de corriente y el material del electrodo.
[0085] En algunas realizaciones, el colector de corriente incluye un colector de corriente poroso, tal como una malla de alambre. La malla de alambre (también denominada en el presente documento como malla) puede incluir cualquier número de alambres de filamento que pueden ensamblarse en diversas configuraciones utilizando procedimientos adecuados, tales como un patrón o estructura regular producido por tejido, trenzado, punto, etc. o un patrón o estructura más aleatorio producido distribuyendo alambres aleatoriamente y uniéndolos mediante soldadura, adhesivos u otras técnicas adecuadas. Además, los alambres que comprenden la malla pueden ser de cualquier material adecuado. Por ejemplo, en algunas realizaciones, los alambres son metálicos tales como, acero, aluminio, cobre, titanio o cualquier otro metal adecuado. En otras realizaciones, los hilos pueden ser un material conductor no metálico tal como, por ejemplo, nanofibra de carbono o cualquier otro material adecuado. En algunas realizaciones, los alambres pueden incluir recubrimientos. Por ejemplo, los recubrimientos pueden configurarse para reducir la corrosión y mejorar o reducir las características de adhesión (por ejemplo, recubrimientos hidrofílicos o hidrofóbicos, respectivamente). Ejemplos de colectores de corriente porosos se describen en la Publicación de Patente de Estados Unidos No. U.S. 2013/0065122, titulada "Semi-Solid Electrode Cell Having A Porous Current Collector and Methods of Manufacture", y en la Solicitud de Patente de Estados Unidos No. U.S.15/097838, titulada "Semi-Solid Electrodes with Porous Current Collectors and Methods of Manufacture", cuyas divulgaciones completas se incorporan en el presente documento por referencia.
[0087] En algunas realizaciones, el colector de corriente puede producirse mediante cualquiera de las siguientes técnicas de recubrimiento o deposición, incluyendo, pero sin limitarse a, la deposición química en fase vapor (CVD) (incluyendo la CVD iniciada, la CVD por hilo caliente, la CVD mejorada por plasma y otras formas de CVD), la deposición física en fase vapor, la deposición por pulverización del cátodo, la pulverización del cátodo por magnetrón, la pulverización del cátodo por radiofrecuencia, la deposición de capas atómicas, la deposición por láser pulsado, el chapado, la galvanoplastia, el recubrimiento por inmersión, el cepillado, el recubrimiento por pulverización, la química sol-gel (mediante recubrimiento por inmersión, cepillado o recubrimiento por pulverización), el recubrimiento por pulverización electrostática, la impresión en 3D, el recubrimiento por centrifugación, la electrodeposición, el recubrimiento en polvo, la sinterización, los métodos de autoensamblaje y cualquier combinación de estas técnicas.
[0089] En algunas realizaciones, las propiedades del colector de corriente depositado o recubierto pueden optimizarse durante la deposición variando los parámetros de deposición. Las propiedades físicas tales como, por ejemplo, la textura del recubrimiento, el grosor del recubrimiento, la uniformidad del grosor, la morfología de la superficie, incluyendo la rugosidad de la superficie, la porosidad y las propiedades mecánicas generales, incluyendo la resistencia a la fractura, la ductilidad y la resistencia a la tracción, pueden optimizarse mediante el ajuste fino de los parámetros de deposición. De forma similar, las propiedades químicas tales como, por ejemplo, la resistencia química y la resistencia a la corrosión del electrolito y las sales, junto con otras propiedades químicas, incluyendo la reactividad específica, la adhesión, la afinidad y similares, pueden optimizarse variando los parámetros de deposición para producir un colector de corriente que funcione. En algunas realizaciones, diversas propiedades físicas y químicas del colector de corriente depositado o recubierto pueden mejorarse o modificarse aún más tras la deposición mediante un tratamiento superficial o térmico posterior, como el recocido o el recocido térmico rápido (flash), o el pulido electromecánico, y utilizando cualquier combinación de las técnicas correspondientes.
[0090] En algunas realizaciones, el colector de corriente del ánodo 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 1 µm hasta alrededor de 20 µm. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 1 µm hasta alrededor de 18 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 1 µm hasta alrededor de 17 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 1 µm hasta alrededor de 16 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 1 µm hasta alrededor de 15 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 1 µm hasta alrededor de 14 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 1 µm hasta alrededor de 13 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 1 µm hasta alrededor de 12 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 11 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 3 µm hasta alrededor de 10 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 4 µm hasta alrededor de 9 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 5 µm hasta alrededor de 8 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 6 µm hasta alrededor de 7 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el ACC 150 puede tener un grosor inferior que alrededor de 1 µm, alrededor de 2 µm, alrededor de 3 µm, alrededor de 4 µm, alrededor de 5 µm, alrededor de 6 µm, alrededor de 7 µm, alrededor de 8 µm. alrededor de 9 µm, alrededor de 10 µm, alrededor de 11 µm, alrededor de 12 µm. alrededor de 13 µm, alrededor de 14 µm, alrededor de 15 µm, alrededor de 16 µm, alrededor de 17 µm, alrededor de 18 µm, alrededor de 19 µm y alrededor de 20 µm, incluidos todos los grosores intermedios.
[0092] El material del ánodo 111 puede seleccionarse entre una variedad de materiales. En algunas realizaciones, el material del ánodo 111 comprende un material a base de carbono, incluyendo, pero sin limitarse a, carbono duro, nanotubos de carbono, nano fibras de carbono, carbono poroso y grafeno. En algunas realizaciones, el material del ánodo 111 comprende un óxido a base de titanio que incluye, pero no se limita a, Li<4>Ti<5>O<12>espinela (LTO) y dióxido de titanio (TiO<2>, Titania). En algunas realizaciones, el material del ánodo 111 comprende material de aleación o desaleación que incluye, pero no se limita a, silicio, monóxido de silicio (SiO), germanio y óxido de estaño (SnO<2>). En algunas realizaciones, el material del ánodo 111 comprende un compuesto de metal de transición (por ejemplo, óxidos, fosfuros, sulfuros y nitruros). La fórmula general de un compuesto de transición puede escribirse como M<x>N<y>, donde M puede seleccionarse entre hierro (Fe), cobalto (Co), cobre (Cu). manganeso (Mn) y níquel (Ni), y N puede seleccionarse entre oxígeno (O), fósforo (P), azufre (S) y nitrógeno (N).
[0094] En algunas realizaciones, el material del ánodo 111 puede incluir un sólido seleccionado del grupo que consiste de carbono amorfo, carbono desordenado, carbono grafítico, o un carbono recubierto de metal o decorado con metal, grafito, carbono no grafítico, microesferas de mesocarbono, aleaciones de boro-carbono, carbono duro o desordenado. espinela de titanato de litio, o un metal sólido o aleación metálica o metaloide o aleación metaloide que reacciona con el litio para formar compuestos intermetálicos, por ejemplo, Si, Ge, Sn, Bi, Zn, Ag, Al, cualquier otra aleación metálica adecuada, aleación metaloide o combinación de las mismas, o un metal o aleación metálica litiada que incluya compuestos tales como LiAl, Li<9>Al<4>, Li<3>Al, LiZn, LiAg, Li<10>Ag<3>. Li<3>B<4>, Li<7>B<6>, Li<12>Si<7>, Li<21>Si<8>, Li<13>Si<4>, Li<21>Si<5>, Li<5>Sn<2>, Li<13>Sn<5>, Li<7>Sn<2>, Li<22>Sn<5>, Li<2>Sb, Li<3>Sb, LiBi, o Li<3>Bi, o aleaciones metálicas amorfas de composiciones litiadas o no litiadas, cualesquiera otros materiales o aleaciones de los mismos, o cualquier otra combinación de los mismos.
[0096] En algunas realizaciones. el material del ánodo 111 comprende un compuesto intermetálico. Un compuesto intermetálico puede basarse en una formulación MM', en la que M es un elemento metálico y M' es un elemento metálico diferente. Un compuesto intermetálico también puede incluir más de dos elementos metálicos. Los átomos M de un compuesto intermetálico pueden ser, por ejemplo, Cu, Li y Mn, y el elemento M' de un compuesto intermetálico puede ser, por ejemplo, Sb. Compuestos intermetálicos ejemplares incluyen Cu<2>Sb, Li<2>CuSb, y Li<3>Sb, entre otros. En un ejemplo, el compuesto intermetálico del material del ánodo 111 puede tener estructuras totalmente desordenadas en las que los átomos M o M' están dispuestos de forma aleatoria. En otro ejemplo, el compuesto intermetálico del material del ánodo 111 tiene estructuras parcialmente desordenadas en las que los átomos M o M' de la red cristalina están dispuestos de forma no aleatoria.
[0098] En algunas realizaciones, el material del ánodo 111 puede ser poroso para aumentar el área superficial y mejorar la tasa de intercalación del litio en los electrodos resultantes. En un ejemplo, el material del ánodo 111 incluye Mn<2>O<3>poroso, que puede prepararse, por ejemplo, por descomposición térmica de microesferas de MnCO<3>. En otro ejemplo, el material del ánodo 111 incluye fibras de carbono porosas preparadas, por ejemplo, por el electrohilado de una solución de mezcla de poliacrilonitrilo y poli(l-lactida), seguida de carbonización. En algunas realizaciones, la porosidad del material del ánodo 111 puede lograrse o aumentarse utilizando un colector de corriente poroso. Por ejemplo, el material del ánodo 111 puede incluir Cu<2>Sb, que se deposita conformado sobre una estructura de espuma porosa, para tener cierto grado de porosidad.
[0100] En algunas realizaciones, el grosor del material del ánodo 111 puede estar en el intervalo de alrededor de 250 µm hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 2.000 µm, 400 µm hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 500 hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 500 hasta alrededor de 1.500 µm. alrededor de 250 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 500 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 500 µm hasta alrededor de 750 µm. alrededor de 250 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 500 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 500 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 500 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 550 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 550 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 550 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 550 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 550 µm, o alrededor de 500 µm hasta alrededor de 550 µm, incluyendo todos los intervalos o cualquier otra distancia intermedia.
[0102] En algunas realizaciones, el cátodo 120 incluye un colector de corriente del cátodo 160 y un material del cátodo 121. El colector de corriente del cátodo 160 en el cátodo 120 puede ser sustancialmente el mismo que el colector de corriente del ánodo 150 en el ánodo 110 como se ha descrito anteriormente, y por lo tanto, las mismas técnicas descritas con respecto a las técnicas de deposición y/o recubrimiento del colector de corriente del ánodo 150 también pueden ser aplicables en la producción de un colector de corriente del cátodo 160. En algunas realizaciones, el colector de corriente del cátodo 160 puede tener un groso en un intervalo de alrededor de 1 µm hasta alrededor de 40 µm. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 38 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 36 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 34 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 32 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 30 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 28 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 26 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 24 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 22 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 20 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 2 µm hasta alrededor de 18 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 3 µm hasta alrededor de 16 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 4 µm hasta alrededor de 14 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 5 µm hasta alrededor de 12 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 6 µm hasta alrededor de 10 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor en un intervalo de alrededor de 7 µm hasta alrededor de 8 µm aproximadamente. En algunas realizaciones, el CCC 160 puede tener un grosor inferior a alrededor de 1 µm, alrededor de 2 µm, alrededor de 3 µm, alrededor de 4 µm, alrededor de 5 µm. alrededor de 6 µm, alrededor de 7 µm, alrededor de 8 µm, alrededor de 9 µm, alrededor de 10 µm, alrededor de 11 µm, alrededor de 12 µm, alrededor de 13 µm, alrededor de 14 µm, alrededor de 15 µm, alrededor de 16 µm, alrededor de 17 µm, alrededor de 18 µm, alrededor de 19 µm, alrededor de 20 µm, alrededor de 21 µm, alrededor de 22 µm, alrededor de 23 µm, alrededor de 24 µm, alrededor de 25 µm, alrededor de 26 µm, alrededor de 27 µm, alrededor de 28 µm, alrededor de 29 µm, alrededor de 30 µm, alrededor de 31 µm, alrededor de 32 µm, alrededor de 33 µm, alrededor de 34 µm, alrededor de 35 µm, alrededor de 36 µm, alrededor de 27 µm, alrededor de 38 µm, alrededor de 39 µm y alrededor de 40 µm, incluidos todos los grosores intermedios.
[0104] El material del cátodo 121 en el cátodo 120 puede ser, por ejemplo, Níquel Cobalto Aluminio (NCA), Gradiente Núcleo-Cáscara (CSG), Litio-ion basado en Espinela (LMO), Litio Hierro Fosfato (LFP), Litio-ion basado en Cobalto (LCO) y Níquel Cobalto Manganeso (NCM). En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 puede incluir compuestos sólidos conocidos por los expertos en la técnica como los utilizados en las baterías de Níquel-hidruro metálico (NiMH) y Níquel-cadmio (NiCd). En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 puede incluir la familia general de compuestos rocosos ordenados LiMO<2>, incluyendo los que tienen el tipo de estructura α-NaFeO<2>(los denominados "compuestos en capas") u ortorrómbica-LiMnO<2>o sus derivados de diferente simetría cristalina, ordenación atómica o sustitución parcial de los metales u oxígeno. M comprende al menos un metal de transición de primera fila, pero puede incluir metales que no sean de transición incluyendo, pero sin limitarse a Al, Ca, Mg o Zr, entre otros. Ejemplos de tales compuestos incluyen LiCoO<2>, LiCoO<2>dopado con Mg, LiNiO<2>, Li(Ni. Co, Al)O<2>(conocido como "NCA") y Li(Ni, Mn, Co)O<2>(conocido como "NMC" o "NCM"). Otras familias de material del cátodo ejemplar 121 puede incluir los de estructura de espinela, tales como LiMn<2>O<4>y sus derivados, los llamados "nanocompuestos de espinela en capas" en los que la estructura incluye regiones nanoscópicas que tienen ordenación de sal de roca y espinela, olivinas LiMPO<4>y sus derivados, en los queMcomprende uno o más de Mn, Fe, Co, o Ni, compuestos parcialmente fluorados, tales como LiVPO<4>F, otros compuestos "polianiónicos" como se describe más adelante, y óxidos de vanadio V<x>O<y>incluyendo V<2>O<5>y V<6>O<11>.
[0106] En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 comprende un compuesto polianiónico de metal de transición, por ejemplo, como se describe en la Patente de Estados Unidos No. 7.338.734. En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 comprende un óxido o fosfato de metal de transición alcalino, y por ejemplo, el compuesto tiene una composición A<x>(M'<1-a>M"<a>)<y>(XD<4>)<z>, A<x>(M'<1-a>M"<a>)<y>(DXD<4>)<z>, o A<x>(M'<1-a>M"<a>)<y>(X<2>D<7>)<z>, y tienen valores tales que x, más y(1-a) veces una valencia o valencias formales de M', más ya veces una valencia o valencias formales de M", es igual a z veces una valencia formal del grupo XD<4>, X<2>D<7>, o DXD<4>; o un compuesto que comprende una composición (A<1-a>M"<a>)<x>M'<y>(XD<4>)<z>, (A<1-a>M"<a>)<x>M'<y>(DXD<4>)<z>(A<1-a>M"<a>)<x>M'<y>(X<2>D<7>)<z>y tengan valores tales que (1-a)x más la cantidad ax veces la valencia o valencias formales de M" más y veces la valencia o valencias formales de M' sea igual a z veces la valencia formal del grupo XD<4>, X<2>D<7>o DXD<4>. En el compuesto, A es al menos uno de un metal alcalino e hidrógeno, M' es un metal de transición de primera fila, X es al menos uno de fósforo, azufre, arsénico, molibdeno y tungsteno, M" es cualquiera de un metal de los Grupos IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB y VIB, D es al menos uno de oxígeno, nitrógeno, carbono o un halógeno. El material del cátodo 121 puede ser un compuesto de estructura olivínica LiMPO<4>, donde M es uno o más de V, Cr, Mn, Fe, Co y Ni, en el que el compuesto está opcionalmente dopado en los sitios Li, M u O. Las deficiencias en el sitio Li se compensan añadiendo un metal o metaloide, y las deficiencias en el sitio O se compensan añadiendo un halógeno. En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 comprende un fosfato metálico de transición de litio dopado con metales de transición, térmicamente estable, que tiene la estructura de olivino y cuya fórmula es (Li<1-x>Z<x>)MPO<4>, donde M es uno o más de V, Cr, Mn, Fe, Co y Ni, y Z es un dopante metálico no alcalino, tal como uno o más de Ti, Zr, Nb, Al o Mg, y x oscila entre 0,005 y 0,05.
[0108] En otras realizaciones, el material de fosfato metálico de transición de litio tiene una composición global de Li<1-xz>M<1+z>PO<4>, donde M comprende al menos un metal de transición de primera fila seleccionado del grupo que consiste de Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co y Ni, donde x es de 0 a 1 y z puede ser positivo o negativo. M incluye Fe. z está comprendido entre alrededor de 0,15 - 0,15. El material puede presentar una solución sólida en un intervalo de composición de 0<x<0,15, o el material puede presentar una solución sólida estable en un intervalo de composición de x entre 0 y al menos alrededor de 0,05, o el material puede presentar una solución sólida estable en un intervalo de composición de x entre 0 y al menos alrededor de 0,07 a temperatura ambiente (22-25 °C). El material también puede presentar una solución sólida en el régimen pobre en litio, por ejemplo, donde x ≥ 0,8. o x ≥ 0,9, o x ≥ 0,95.
[0109] En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 comprende una sal metálica que almacena un ion alcalino sometiéndose a una reacción de desplazamiento o conversión. Ejemplos de tales compuestos incluyen óxidos metálicos, tales como CoO, Co<3>O<4>, NiO, CuO, MnO, típicamente utilizados como electrodo negativo en una batería de litio, que al reaccionar con Li se someten a una reacción de desplazamiento o conversión para formar una mezcla de Li<2>O y el constituyente metálico en forma de un óxido más reducido o la forma metálica. Otros ejemplos incluyen fluoruros metálicos, tales como CuF<3>, FeF<2>, FeF<3>, BiF<3>, CoF<2>, y NiF<2>, que se someten a una reacción de desplazamiento o conversión para formar LiF y el constituyente metálico reducido. Estos fluoruros pueden utilizarse como electrodo positivo en una batería de litio. En otras realizaciones, el material del cátodo 121 comprende monofluoruro de carbono o sus derivados. En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 sometido a la reacción de desplazamiento o conversión está en forma de partículas que tienen unas dimensiones medias de 100 nanómetros o menos. En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 sometido a la reacción de desplazamiento o conversión comprende un nanocompuesto del material del cátodo 121 mezclado con un huésped inactivo, incluyendo pero no limitado a compuestos conductores y relativamente dúctiles tales como el carbono, o un metal, o un sulfuro metálico. El FeS<2>y el FeF<3>también pueden utilizarse como materiales catódicos baratos y conductores electrónicos 121 en un sistema de litio acuoso o no acuoso. En algunas realizaciones, un electrodo CF<x>, un electrodo FeS<2>o un electrodo MnO<2>es un material de cátodo positivo utilizado con un electrodo negativo de metal de litio para producir una batería de litio. En algunas realizaciones, dicha batería es una batería primaria. En algunas realizaciones, dicha batería es una batería recargable.
[0111] En algunas realizaciones, un ion de trabajo en el material del cátodo 121 se selecciona del grupo que consiste de Li<+>, Na<+>, H-, Mg<2+>, Al<3+>, o Ca<2+>. En algunas realizaciones, el ion de trabajo se selecciona del grupo que consiste de Li<+>o Na<+>. En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 incluye un sólido que incluye un compuesto de almacenamiento de iones. En algunas realizaciones, el ion es protón o ion hidroxilo y el material del cátodo 121 incluye aquellos utilizados en una batería de níquel-cadmio o níquel metal hidruro. En algunas realizaciones, el ion es litio y el material del cátodo 121 se selecciona del grupo que consiste de fluoruros metálicos, tales como CuF<2>, FeF<2>, FeF<3>, BiF<3>, CoF<2>, y NiF<2>.
[0113] En algunas realizaciones, el ion es litio y el material del cátodo 121 se selecciona del grupo que consiste de óxidos metálicos, tales como CoO, Co<3>O<4>, NiO, CuO y MnO.
[0114] En algunas realizaciones, el ion es litio y el material del cátodo 121 incluye un compuesto de intercalación seleccionado entre compuestos con fórmula (Li<1-x>Z<x>)MPO<4>, donde M es uno o más de V, Cr, Mn, Fe, Co y Ni, y Z es un dopante metálico no alcalino tal como uno o más de Ti, Zr, Nb, Al. o Mg, y x oscila entre 0,005 y 0,05. En algunas realizaciones, el ion es litio y el material del cátodo 121 incluye un compuesto de intercalación seleccionado entre compuestos con fórmula LiMPO<4>, donde M es uno o más de V, Cr, Mn, Fe, Co y Ni, en el que el compuesto está opcionalmente dopado en los sitios Li, M u O.
[0115] En algunas realizaciones, el ion es litio y el material del cátodo 121 incluye un compuesto de intercalación seleccionado del grupo que consiste de A<x>(M'<1-a>M"<a>)<y>(XD<4>)<z>, A<x>(M'<1-a>M"<a>)<y>(DXD<4>)<z>, y A<x>(M'<1-a>M"<a>)<y>(X<2>D<7>)<z>, en el que x, más y(1-a) veces una valencia o valencias formales de M', más ya veces una valencia o valencias formales de M", es igual a z veces una valencia formal del grupo XD<4>, X<2>D<7>, o DXD<4>: y A es al menos uno de un metal alcalino e hidrógeno. M' es un metal de transición de primera fila, X es al menos uno de fósforo, azufre, arsénico, molibdeno y tungsteno, M" es cualquiera de los metales de los Grupos IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB y VIB, D es al menos uno de oxígeno, nitrógeno, carbono o un halógeno.
[0116] En algunas realizaciones, el ion es litio y el material del cátodo 121 incluye un compuesto de intercalación seleccionado del grupo que consiste de A<1-a>M"<a>)<x>M'<y>(XD<4>)<z>, (A<1-a>M"<a>)<x>M'<y>(DXD<4>)z y A<1-a>M"<a>)<x>M'<y>(X<2>D<7>)<z>, en el que (1-a)x más la cantidad ax veces la valencia o valencias formales de M" más y veces la valencia o valencias formales de M' es igual a z veces la valencia formal del grupo XD<4>, X<2>D<7>o DXD<4>, y A es al menos uno de un metal alcalino e hidrógeno, M' es un metal de transición de primera fila, X es al menos uno de fósforo, azufre, arsénico, molibdeno y tungsteno, M" es cualquiera de los metales de los Grupos IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB y VIB, D es al menos uno de oxígeno, nitrógeno, carbono, o un halógeno.
[0117] En algunas realizaciones, el ion es litio y el material del cátodo 121 incluye un compuesto de intercalación seleccionado del grupo que consiste de compuestos de sales rocosas ordenadas LiMO<2>, incluyendo aquellos que tienen el tipo de estructura α-NaFeO<7>y ortorrómbica - LiMnO<2>o sus derivados de diferente simetría cristalina, ordenación atómica o sustitución parcial para los metales u oxígeno, dondeMincluye al menos un metal de transición de primera fila pero puede incluir metales que no son de transición, incluyendo pero no limitados a Al, Ca, Mg o Zr.
[0118] En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 incluye un sólido que incluye carbono amorfo, carbono desordenado, carbono grafítico o un carbono recubierto de metal o un carbono decorado con metal.
[0119] En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 puede incluir un sólido que incluye nanoestructuras, por ejemplo, nanohilos, nanobarras y nanotetrápodos.
[0120] En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 incluye un sólido que incluye un compuesto redox orgánico. En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 puede incluir un sólido seleccionado de entre los grupos que consisten en compuestos de sales rocosas ordenadas LiMO<2>, incluyendo los que tienen el tipo de estructura α-NaFeO<2>y ortorrómbica-LiMnO<2>o sus derivados de diferente simetría cristalina, ordenación atómica o sustitución parcial de los metales u oxígeno, en los que M Incluye al menos un metal de transición de primera fila, pero puede incluir metales que no son de transición, incluyendo, pero sin limitarse a, Al. Ca, Mg o Zr.
[0121] En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 puede incluir un sólido seleccionado del grupo que consiste de A<x>(M'<1-a>M"<a>)<y>(XD<4>)<z>, A<x>(M'<1-a>M"<a>)<y>(DXD<4>)<z>, y A<x>(M'<1-a>M"<a>)<y>(X<2>D<7>)<z>, y donde x, más y(1-a) veces una valencia o valencias formales de M', más ya veces una valencia o valencias formales de M", es igual a z veces una valencia formal del grupo XD<4>, X<2>D<7>, o DXD<4>. y A es al menos uno de un metal alcalino e hidrógeno, M' es un metal de transición de primera fila, X es al menos uno de fósforo, azufre, arsénico, molibdeno y tungsteno, M" es cualquiera de un metal de los Grupos IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA, VIIIA, IB, IIB, IIIB, IVB, VB y VIB, D es al menos uno de oxígeno, nitrógeno, carbono o un halógeno.
[0122] En algunas realizaciones, el material del cátodo 121 puede incluir un compuesto seleccionado del grupo que consiste de LiMn<2>O<4>y sus derivados; nanocompuestos de espinela en capas en los que la estructura incluye regiones nanoscópicas que tienen sales rocosas ordenadas y ordenación de espinela; las denominadas "espinelas de alta tensión" con un potencial frente a Li/Li+ que supera los 4,3 V, incluyendo pero no limitado a LiNi0<0,3>Mn<1,5>O<4>; olivinas LiMPO<4>y sus derivados, en los que M incluye uno o más de Mn, Fe, Co o Ni, compuestos parcialmente fluorados tales como LiVPO<4>F, otros compuestos "polianiónicos" y óxidos de vanadio V<x>O<y>, incluyendo V<2>O<3>y V<6>O<11>.
[0123] En algunas realizaciones, el grosor del material del cátodo 121 puede estar en el intervalo de alrededor de 250 µm hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 2.000 µm, 400 µm hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 500 hasta alrededor de 2.000 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 500 hasta alrededor de 1.500 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 500 µm hasta alrededor de 1.000 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 500 µm hasta alrededor de 750 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 500 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 500 µm hasta alrededor de 650 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 500 ¡.un hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 250 µm hasta alrededor de 550 µm, alrededor de 300 µm hasta alrededor de 550 µm, alrededor de 350 µm hasta alrededor de 550 µm, alrededor de 400 µm hasta alrededor de 550 µm, alrededor de 450 µm hasta alrededor de 550 µm, o alrededor de 500 µm hasta alrededor de 550 µm, incluyendo todos los intervalos o cualquier otra distancia intermedia entre ellos.
[0125] De acuerdo con la invención, al menos uno de los materiales del ánodo o de los materiales del cátodo es una suspensión semisólida. Por "semisólida" se entiende que el material es una mezcla de fases líquidas y sólidas, por ejemplo, tal como un semisólido, suspensión de partículas, suspensión coloidal, emulsión, gel o micela. "Líquido almacenador de iones condensado" o "líquido condensado" significa que el líquido no es un mero disolvente, como en el caso de un catolito o anolito acuoso de celda de flujo, sino que el líquido es en sí mismo redox-activo. Dicha forma líquida también puede diluirse o mezclarse con otro líquido no redox-activo que sea un diluyente o disolvente, incluyendo la mezcla con dicho diluyente para formar una fase líquida de fusión inferior, una emulsión o micelas que incluyen el líquido almacenador de iones. El material del cátodo o del ánodo pueden ser composiciones líquidas condensadas o fluidas semisólidas. Un semi-sólido anódico fluido (denominado en el presente documento "anolito") y/o un semi-sólido catódico fluido ("catolito") están/está comprendidos por una suspensión de agentes electroquímicamente activos (partículas anódicas y/o partículas catódicas) y, opcionalmente, partículas electrónicamente conductoras. Las partículas catódicas y las partículas conductoras se co-suspenden en un electrolito para producir un semi-sólido catolito. Las partículas anódicas y las partículas conductoras se cosuspenden en un electrolito para producir un semi-sólido anolito. Los semisólidos son capaces de fluir debido a una presión aplicada, fuerza gravitatoria, u otro campo impuesto que ejerza una fuerza sobre el semi-sólido, y opcionalmente, con la ayuda de vibración mecánica. Ejemplos de arquitecturas de baterías que utilizan suspensiones semisólidas se describen en la Publicación de Patente Internacional No. WO 2012/024499, titulada "Stationary, Fluid Redox Electrode", y en la Publicación de Patente Internacional No. WO 2012/088442, titulada "Semi-Solid Filled Battery and Method of Manufacture", cuyas divulgaciones completas se incorporan por referencia en el presente documento.
[0127] Enalgunas realizaciones, el separador 130 puede ser una membrana fina y microporosa que separa eléctricamente el cátodo 120 del ánodo 110 pero permite el paso de iones a través de los poros entre los dos electrodos durante la descarga y la carga. En algunas realizaciones, el separador 130 incluye un polímero termoplástico, tal como poliolefinas, cloruros de polivinilo, náilones, fluorocarbonos y poliestirenos, entre otros. En algunas realizaciones, el separador 130 incluye material de poliolefinas que comprende, por ejemplo, polietileno, polietileno de peso molecular ultra alto, polipropileno, polibuteno, polimetilpenteno, poliisopreno, copolímeros de los mismos y sus combinaciones. Las combinaciones ejemplares pueden incluir, pero no se limitan a, mezclas que contienen dos o más de los siguientes polietilenos, polietilenos de peso molecular ultra alto y polipropilenos, así como mezclas de los anteriores con copolímeros tales como el copolímero de etileno-buteno y el copolímero de etileno-hexeno.
[0129] En algunas realizaciones, la batería 100 incluye además un electrolito (no mostrado en la FIG. 1A), que está sustancialmente contenido en la bolsa 140. El electrolito puede incluir electrolito no acuoso tal como sal de litio (para baterías de iones de litio) o sal de sodio (para baterías de iones de sodio) en un disolvente. Las sales de litio ejemplares pueden incluir LiPF<6>, LiBF<4>, y LiClO<4>, entre otras. Las sales de sodio ejemplares incluyen NaClO<4>, NaPF<6>y Bis-Trifluorometansulfonilimida de sodio (Na-TFSI). Algunos disolventes ejemplares incluyen el carbonato de propileno (PC), el carbonato de etileno (EC), el carbonato de dimetilo (DMC), el dimetoxietano (DME), el carbonato de dietilo (DEC), el tetrahidrofurano (THF) y el éter dimetílico de trietilenglicol (Triglyme).
[0131] La bolsa 140 en la celda de batería 100 mostrada en la FIG.1A contiene sustancialmente el ánodo 110, el cátodo 120, el separador 130 y el electrolito (no mostrado). La bolsa 140 puede separar físicamente la celda de batería 100 de las celdas adyacentes para mitigar o eliminar la propagación de defectos y facilitar la manipulación de la celda de batería 100 durante la fabricación de la batería. La bolsa 140 también puede reducir la posibilidad de ignición del electrolito inflamable durante posibles procedimientos de soldadura en la fabricación de baterías, que a veces generan chispas.
[0133] En algunas realizaciones, el ánodo 110, el cátodo 120, el separador 130 y el electrolito (no mostrado) están completamente sellados en la bolsa 140 (por ejemplo, mediante sellado al vacío). En algunas realizaciones, la bolsa 140 puede estar sólo parcialmente sellada o no sellada en absoluto. En algunas realizaciones, la bolsa 140 puede sellarse alrededor de su perímetro para encerrar el ánodo 110, el cátodo 120, el separador 130 y el electrolito. En algunas realizaciones, el sello de la bolsa 140 puede encerrar sustancialmente el ánodo 110, el cátodo 120, el separador 130 y el electrolito. En algunas realizaciones, el sello de la bolsa 140 tiene una región de sellado, que tiene una anchura en un intervalo de alrededor de 10 µm hasta alrededor de 10 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 9 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 8 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 7 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 6 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 5 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 4 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 3 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 2 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 1 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 900 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 800 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 500 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 400 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 300 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 200 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 100 µm, y alrededor de 10 µm hasta alrededor de 50 µm, incluyendo todas las anchuras y los intervalos de anchura intermedios entre ellas.
[0135] En algunas realizaciones, la región de sellado de la bolsa 140 se encuentra a cierta distancia del borde exterior de la bolsa 140. En algunas realizaciones, la distancia entre la región de sellado y el borde exterior puede ser desde alrededor de 10 µm hasta alrededor de 20 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 15 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 10 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 5 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 4 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 3 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 2 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 1 mm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 900 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 800 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 500 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 400 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 300 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 200 µm, alrededor de 10 µm hasta alrededor de 100 µm, y alrededor de 10 µm hasta alrededor de 50 µm, incluyendo todas las distancias y los intervalos de distancia intermedios entre ellas.
[0137] En algunas realizaciones, la región de sellado de la bolsa 140 se encuentra a cierta distancia de un borde más exterior de al menos uno de los ánodos 110 y el cátodo 120. En algunas realizaciones, la distancia entre la región de sellado y el borde más exterior de al menos uno del ánodo 110 y el cátodo 120 puede ser desde alrededor de 1 µm hasta alrededor de 10 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 9 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 8 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 7 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 6 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 5 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 4 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 3 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 2 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 1 mm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 900 µm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 800 µm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 700 µm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 600 µm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 500 µm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 400 µm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 300 µm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 200 µm, alrededor de 1 µm hasta alrededor de 100 µm, y alrededor de 1 µm hasta alrededor de 50 µm, incluyendo todas las distancias y los intervalos de distancia intermedios entre ellas.
[0139] Enalgunas realizaciones, el separador 130 es mayor que al menos uno de los ánodos 110 y el cátodo 120. En algunas realizaciones, el separador 130 es mayor que al menos uno de los colectores de corriente del ánodo 150 y colector de corriente del cátodo 160. En algunas realizaciones, el separador 130 es mayor que al menos uno de los materiales del ánodo 111 y del material del cátodo 121. En algunas realizaciones, el separador 130 se extiende más allá de al menos uno de los ánodos 110, cátodo 120, material del ánodo 111, material del cátodo 121, ACC 150 y CCC 160, y por lo tanto, puede sellarse en la bolsa 140 dentro de la región de sellado. En otras palabras, el separador 130 se extiende dentro de la región de sellado de la bolsa 140 y separa efectivamente el ánodo 110 y el cátodo 120. En algunas realizaciones, el separador 130 se extiende en la región de sellado de la bolsa 140 y separa completamente el ánodo 110 y el cátodo 120. En algunas realizaciones, el separador 130 se extiende parcialmente dentro de la región de sellado de la bolsa 140 y separa parcialmente el ánodo 110 y el cátodo 120. En algunas realizaciones, el separador 130 se extiende a una pluralidad de ubicaciones de la región de escala de la bolsa 140 y separa efectivamente el ánodo 110 y el cátodo 120 en esas ubicaciones. Por ejemplo, si al menos uno de los ánodos 110 y el cátodo 120 tiene una conexión de lengüeta para realizar una conexión eléctrica externa, el separador 130 puede no extenderse hasta la ubicación y la región alrededor de la conexión de lengüeta de la bolsa 140. En algunas realizaciones, una o más de la pluralidad de ubicaciones y regiones a las que se extiende el separador 130 en la región de sellado de la bolsa 140 se pueden utilizar para formar una o más estructuras con un propósito funcional en la celda de batería de bolsa única 100. Por ejemplo, un propósito funcional puede ser una forma de liberación de presión o alivio de la presión de la acumulación de presión debido a la sobrecarga, la generación de gas o una forma de mal funcionamiento electroquímico. De forma similar, en algunas realizaciones, una o más de la pluralidad de ubicaciones y regiones a las que el separador 130 no se extiende en la región de sellado de la bolsa 140 también se puede utilizar para formar una o más estructuras con un propósito funcional en la celda de batería de bolsa única 100.
[0141] En estas realizaciones, la bolsa 140 puede seguir reduciendo o eliminando las posibilidades de exposición a chispas (por ejemplo, de procedimientos de soldadura) que podrían causar la ignición del electrolito. Tras el procedimiento de soldadura puede llevarse a cabo un último paso de sellado para sellar una o más celdas de batería de bolsa única en una bolsa o envase externo, en cuyo caso la bolsa o envase externo puede funcionar como control de la humedad. En algunas realizaciones, la bolsa 140 está adherida mecánicamente al cátodo 120 y/o al ánodo 110. En algunas realizaciones, la bolsa 140 está adherida al colector de corriente del cátodo 120 y/o al colector de corriente del ánodo 110 mediante, por ejemplo, sellado térmico, pegamento o cualquier otro método conocido en la técnica.
[0142] En algunas realizaciones, la bolsa 140 incluye una estructura de tres capas, a saber, una capa intermedia intercalada por una capa exterior y una capa interior, en la que la capa interior está en contacto con los electrodos y el electrolito. Por ejemplo, la capa exterior puede incluir una película de polímero a base de nailon. La capa interior puede incluir una película de polímero de polipropileno (PP), que puede ser resistente a la corrosión por ácidos u otros electrolitos e insoluble en disolventes electrolíticos. La capa intermedia puede incluir un lámina de aluminio (Al). Esta estructura permite que la bolsa tenga tanto una gran flexibilidad mecánica como una gran resistencia.
[0143] En algunas realizaciones, la capa exterior de la bolsa 140 incluye materiales poliméricos tales como tereftalato de polietileno (PET), tereftalato de polibutileno (PBT), nailon, polietileno de alta densidad (HDPE), polipropileno orientado (o-PP), cloruro de polivinilo (PVC), poliimida (PI), polisulfona (PSU) y cualquier combinación de los mismos.
[0144] En algunas realizaciones, la capa intermedia de la bolsa 140 incluye capas metálicas (láminas, sustratos, películas, etc.) que comprenden aluminio (Al), cobre (Cu), acero inoxidable (SUS), y sus aleaciones o cualquier combinación de las mismas.
[0145] En algunas realizaciones, la capa interior de la bolsa 140 incluye materiales tales como polipropileno fundido (c-PP), polietileno (PE), etilvinilacetato (EVA), PET, acetato de polivinilo (PVA), poliamida (PA), adhesivos acrílicos, resina curable por rayos ultravioleta (UV)/haz de electrones (EB)/infrarrojos (IR), y cualquier combinación de los mismos.
[0146] En algunas realizaciones, la bolsa 140 puede incluir un material no inflamable, tal como por ejemplo, poliéter éter cetona (PEEK), polietileno naftalato (PEN), polietersulfona (PES), PI, polisulfuro de fenileno (PPS), óxido de polifenileno (PPO), y cualquier combinación de los mismos. En algunas realizaciones, la bolsa 140 puede incluir un recubrimiento o una película de material aditivo retardante de fuego, tal como el PET retardante de fuego. En algunas realizaciones, la bolsa 140 incluye una estructura de dos capas, a saber, una capa exterior y una capa interior. En algunas realizaciones, la capa exterior puede incluir PET, PBT u otros materiales como los descritos anteriormente. En algunas realizaciones, la capa interior puede incluir PP, PE u otros materiales descritos anteriormente.
[0147] En algunas realizaciones, la bolsa 140 puede incluir una capa de barrera al agua y/o una capa de barrera al gas. En algunas realizaciones, la capa de barrera puede incluir una capa metálica y/o una capa de óxido. En algunas realizaciones, puede ser beneficioso incluir la capa de óxido porque las capas de óxido tienden a ser aislantes y pueden evitar cortocircuitos dentro de la batería.
[0148] En algunas realizaciones, puede haber sólo un (o dos) conjunto(s) de celda(s) unitaria(s) dentro de la bolsa 140, la bolsa 140 puede ser sustancialmente más delgada que las bolsas comúnmente utilizadas para celdas de batería multi-apilamiento. Por ejemplo, la bolsa 140 puede tener un grosor inferior a 200 µm, inferior a 150 µm, inferior a 100 µm, inferior a 50 µm, inferior a 45 µm, inferior a 40 µm, inferior a 35 µm, inferior a 30 µm, inferior a 25 µm, inferior a 20 µm, inferior a 18 µm, inferior a 16 µm, inferior a 14 µm, menos de 12 µm, menos de 10 µm, menos de 9 µm, menos de 8 µm, menos de 7 µm, menos de 6 µm, menos de 5 µm, menos de 4 µm, menos de 3 µm, menos de 2 µm, o menos de 1 µm, En algunas realizaciones, el grosor de la bolsa 140 puede depender de al menos dos aspectos. En un aspecto, puede ser deseable lograr una alta densidad de energía en las celdas de batería resultantes, en cuyo caso las bolsas más delgadas pueden ser útiles ya que una mayor porción de espacio dentro de una celda de batería puede reservarse para materiales de electrodos. En otro aspecto, puede ser deseable mantener o mejorar la ventaja de seguridad de la bolsa 140. En este caso, una bolsa más gruesa y/o no inflamable puede ser útil para, por ejemplo, reducir el riesgo de incendio. En algunas realizaciones, el grosor de la bolsa puede cuantificarse como una relación entre el volumen ocupado por el material de la bolsa y el volumen total de la celda de batería.
[0149] Enalgunas realizaciones, la relación entre el material de electrodo (por ejemplo, el material del ánodo 111 y/o el material del cátodo 121) y el material que no es de electrodo, tal como el colector de corriente y/o la bolsa 140, puede definirse en términos de relación entre los grosores. En algunas realizaciones, la relación de un material de electrodo a un colector de corriente puede ser mayor que alrededor de 12:1, alrededor de 14:1, alrededor de 16:1, alrededor de 18:1, alrededor de 20:1, alrededor de 22:1, alrededor de 24:1, alrededor de 26:1. alrededor de 28:1. alrededor de 30:1. alrededor de 32:1, alrededor de 34:1, alrededor de 36:1, alrededor de 38:1, alrededor de 40:1, alrededor de 42:1. alrededor de 44:1, alrededor de 46:1, alrededor de 48:1, alrededor de 50:1, alrededor de 52:1, alrededor de 54:1, alrededor de 56:1, alrededor de 58:1, alrededor de 60:1, alrededor de 62:1, alrededor de 64:1, alrededor de 66:1, alrededor de 68:1, alrededor de 70:1, alrededor de 72:1, alrededor de 74:1, alrededor de 76:1, alrededor de 78:1, alrededor de 80:1, alrededor de 82:1, alrededor de 84:1, alrededor de 86:1, alrededor de 88:1. alrededor de 90:1, alrededor de 92:1, alrededor de 94:1. alrededor de 96:1, alrededor de 98:1, alrededor de 100:1.
[0150] alrededor de 110:1, alrededor de 112:1, alrededor de 114:1, alrededor de 116:1, alrededor de 118:1, alrededor de 120:1, alrededor de 122:1, alrededor de 124:1, alrededor de 126:1, alrededor de 128:1, alrededor de 130:1, alrededor de 132:1, alrededor de 134:1, alrededor de 136:1, alrededor de 138:1, alrededor de 140:1, alrededor de 142:1, alrededor de 144:1, alrededor de 146:1, alrededor de 148:1, alrededor de 150:1, alrededor de 152:1, alrededor de 154:1, alrededor de 156:1, alrededor de 158:1, alrededor de 160:1, alrededor de 162:1, alrededor de 164:1, alrededor de 166:1, alrededor de 168:1, alrededor de 170:1, alrededor de 172:1, alrededor de 174:1, alrededor de 176:1, alrededor de 178:1, alrededor de 180:1, alrededor de 182:1, alrededor de 184:1, alrededor de 186:1, alrededor de 188:1, alrededor de 190:1, alrededor de 192:1, alrededor de 194:1. alrededor de 196:1. alrededor de 198:1. alrededor de 200:1, alrededor de 300:1. alrededor de 400:1, alrededor de 500:1. alrededor de 600:1. alrededor de 700:1, alrededor de 800:1, alrededor de 900:1, alrededor de 1000:1, y alrededor de 2000:1, incluyendo todas las relaciones de grosor intermedias entre ellas.
[0152] En algunas realizaciones, el colector de corriente puede estar recubierto sobre la bolsa 140, proporcionando un grosor combinado. En estas realizaciones, la relación entre un material de electrodo y el grosor combinado de un colector de corriente y la bolsa 140 puede ser alrededor de 12:1, alrededor de 14:1, alrededor de 16:1, alrededor de 18:1, alrededor de 20:1, alrededor de 22:1, alrededor de 24:1. alrededor de 26:1. alrededor de 28:1, alrededor de 30:1, alrededor de 32:1, alrededor de 34:1, alrededor de 36:1, alrededor de 38:1, alrededor de 40:1, alrededor de 42:1, alrededor de 44:1, alrededor de 46:1, alrededor de 48:1, alrededor de 50:1, alrededor de 52:1, alrededor de 54:1, alrededor de 56:1, alrededor de 58:1. alrededor de 60:1, alrededor de 62:1, alrededor de 64:1, alrededor de 66:1, alrededor de 68:1, alrededor de 70:1, alrededor de 72:1. alrededor de 74:1, alrededor de 76:1, alrededor de 78:1, alrededor de 80:1, alrededor de 82:1, alrededor de 84:1, alrededor de 86:1, alrededor de 88:1, alrededor de 90:1, alrededor de 92:1, alrededor de 94:1, alrededor de 96:1, alrededor de 98:1, alrededor de 100:1, alrededor de 110:1, alrededor de 112:1, alrededor de 114:1, alrededor de 116:1, alrededor de 118:1, alrededor de 120:1, alrededor de 122:1, alrededor de 124:1, alrededor de 126:1, alrededor de 128:1, alrededor de 130:1, alrededor de 132:1, alrededor de 134:1, alrededor de 136:1, alrededor de 138:1, alrededor de 140:1, alrededor de 142:1, alrededor de 144:1, alrededor de 146:1. alrededor de 148:1, alrededor de 150:1, alrededor de 152:1, alrededor de 154:1, alrededor de 156:1, alrededor de 158:1, alrededor de 160:1, alrededor de 162:1, alrededor de 164:1, alrededor de 166:1, alrededor de 168:1, alrededor de 170:1, alrededor de 172:1, alrededor de 174:1, alrededor de 176:1, alrededor de 178:1, alrededor de 180:1, alrededor de 182:1, alrededor de 184:1, alrededor de 186:1, alrededor de 188:1, alrededor de 190:1, alrededor de 192:1, alrededor de 194:1, alrededor de 196:1, alrededor de 198:1, alrededor de 200:1, alrededor de 300:1, alrededor de 400:1, alrededor de 500:1, alrededor de 600:1, alrededor de 700:1, alrededor de 800:1, alrededor de 900:1, alrededor de 1000:1, y alrededor de 2000:1, incluyendo todas las relaciones de grosor intermedias entre ellas.
[0154] En algunas realizaciones, la bolsa 140 incluye una capa única de materiales de menor coste que son más delgados. Por ejemplo, estos materiales pueden ser polipropileno o una combinación de poliolefinas que pueden sellarse juntas mediante calor o presión (por ejemplo, fusión térmica o sellado al vacío).
[0156] En algunas realizaciones, la bolsa 140 incluye una única capa de materiales retardantes de fuego para evitar la propagación del riesgo de incendio de una celda de batería de bolsa única a otra. En algunas realizaciones, la bolsa 140 incluye un material a prueba de aire para evitar la propagación del gas liberado por una celda de batería de bolsa única a otra, reduciendo así la propagación de defectos.
[0158] En la práctica, la batería 100 puede tener varias ventajas. Por ejemplo, este enfoque de celda de batería de bolsa única (también denominado enfoque de celda empaquetada individualmente) puede integrarse convenientemente en la fabricación de baterías que incluyen electrodos semisólidos. El uso de celdas empaquetadas individualmente facilita la manipulación y el procesamiento de los apilamientos individuales. También proporciona un método para proteger los apilamientos individuales de la deformación que podría producirse en caso de empaquetar un apilamiento de electrodos.
[0160] Otra ventaja de utilizar una bolsa única para un apilamiento único puede ser evitar la contaminación metálica en el material del electrodo o el electrolito. La bolsa de cada celda de batería de bolsa única puede evitar que los contaminantes metálicos (u otros tipos de contaminantes) entren en el material del electrodo y en el electrolito.
[0161] En algunas realizaciones, una bolsa única puede tener una capacidad energética, también denominada en el presente documento "tamaño del envase". En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 0,1 Ah a alrededor de 40 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 0,5 Ah a alrededor de 35 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 1 Ah a alrededor de 30 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 1,5 Ah a alrededor de 25 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 2 Ah a alrededor de 20 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 2,5 Ah a alrededor de 15 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 3 Ah a alrededor de 10 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 3 Ah a alrededor de 8 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 3 Ah a alrededor de 6 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 3 Ah a alrededor de 5 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 0,1 Ah a alrededor de 5 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 0,1 Ah a alrededor de 4 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 0,1 Ah a alrededor de 3 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 0,1 Ah a alrededor de 2 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 0,1 Ah a alrededor de 1 Ah. En algunas realizaciones, el tamaño del envase incluye una capacidad de energía de alrededor de 0,1 Ah, alrededor de 0,2 Ah, alrededor de 0,3 Ah. alrededor de 0,4 Ah, alrededor de 0,5 Ah, alrededor de 0,6 Ah, alrededor de 0,7 Ah. alrededor de 0,8 Ah, alrededor de 0,9 Ah, alrededor de 1 Ah, alrededor de 1,2 Ah, alrededor de 1,4 Ah, alrededor de 1,6 Ah, alrededor de 1,8 Ah, alrededor de 2 Ah, alrededor de 2,2 Ah, alrededor de 2,4 Ah, alrededor de 2,6 Ah, alrededor de 2,8 Ah, alrededor de 3 Ah, alrededor de 3,2 Ah, alrededor de 3,4 Ah, alrededor de 3,6 Ah, alrededor de 3,8 Ah, alrededor de 4 Ah, alrededor de 4,2 Ah, alrededor de 4,4 Ah, alrededor de 4,6 Ah. alrededor de 4,8 Ah, alrededor de 5 Ah. alrededor de 5,5 Ah, alrededor de 6 Ah, alrededor de 6,5 Ah, alrededor de 7 Ah, alrededor de 7,5 Ah, alrededor de 8 Ah, alrededor de 8,5 Ah, alrededor de 9 Ah. alrededor de 9,5 Ah, alrededor de 10 Ah, alrededor de 11 Ah, alrededor de 12 Ah, alrededor de 13 Ah, alrededor de 14 Ah, alrededor de 15 Ah, alrededor de 16 Ah, alrededor de 17 Ah, alrededor de 18 Ah, alrededor de 19 Ah, alrededor de 20 Ah, alrededor de 22 Ah, alrededor de 24 Ah, alrededor de 26 Ah, alrededor de 28 Ah, alrededor de 30 Ah, alrededor de 32 Ah, alrededor de 34 Ah, alrededor de 36 Ah, alrededor de 38 Ah, y alrededor de 40 Ah, incluyendo todas las capacidades de energía y los intervalos de capacidad intermedios entre ellas.
[0163] Además, el uso de un único material de bolsa para sellar el apilamiento único también puede relajar los estrictos requisitos sobre materiales de bolsa y métodos de sellado en la fabricación convencional de baterías. Dado que cada bolsa contiene normalmente sólo uno o dos conjuntos de celdas unitarias y, en consecuencia, menos material de electrodo y electrolito en comparación con las celdas de batería multi-apilamiento convencionales, el material de la bolsa puede tener más opciones, tal como una única capa de polímero en lugar de estructuras multicapa. El grosor de la bolsa también puede ser menor (por ejemplo, <100 µm), y el método de sellado también puede ser flexible (por ejemplo, sellado a presión, sellado térmico y/o sellado UV).
[0165] En algunas realizaciones, el separador 130 puede ser lo suficientemente grande como para ser dispuesto y sellado junto con la bolsa 140. En algunas realizaciones, la bolsa 140 puede incluir una hoja laminada y la hoja laminada puede incluir una porción periférica que se extiende más allá de una periferia del separador 130 de tal manera que la bolsa puede unirse para formar un sello. En algunas realizaciones, las capas internas de la bolsa están formadas cada una con un material que es térmicamente enlazable a sí mismo de tal manera que cuando se unen las dos hojas laminadas, las dos capas internas pueden unirse alrededor de sus periferias y enlazarse térmicamente entre sí para formar un sello hermético. Se describen ejemplos adicionales en la Publicación de Patente Internacional No. WO 2013/173689, titulada "Electrochemical Cells and Methods of Manufacturing the Same", cuya divulgación completa se incorpora al presente documento por referencia.
[0167] En algunas realizaciones, una lengüeta (conductor eléctrico) puede ser lo suficientemente larga como para que cuando la bolsa esté sellada, la lengüeta quede expuesta fuera de la bolsa y pueda utilizarse para conectar eléctricamente la celda de la batería. Por ejemplo, una primera lengüeta del ACC 150 y una segunda lengüeta del CCC 160 pueden utilizarse para conectar al menos uno de los extremos negativo y extremo positivo de un circuito externo. En algunas realizaciones, la lengüeta puede sellarse dentro de la bolsa y, en tales casos, puede crearse un orificio en la bolsa para permitir la conexión eléctrica entre al menos uno de los ACC 150 y CCC 160 y un contacto externo o un circuito eléctrico. Uno o más orificios pueden colocarse en cualquier ubicación de la bolsa, siendo preferentes las posiciones próximas a los respectivos ACC 150 y CCC 160.
[0169] La FIG.1B muestra una vista esquemática de una celda de batería 101 de acuerdo con varias otras realizaciones de la invención y puede ser referida como una "bi-celda" En la celda de la batería 101, un colector de corriente del ánodo 151 está intercalado entre dos materiales del ánodo 111a y 111b (denominados colectivamente "materiales del ánodo 111"). Sobre cada material del ánodo 111a y 111b se dispone un separador respectivo 131a y 131b (denominados colectivamente "separadores 131"). Un par de materiales del cátodo 121a y 121b (denominados colectivamente "materiales del cátodo 121") están dispuestos en cada uno de los separadores 131a y 131b, respectivamente. Sobre cada material del cátodo 121a y 121b se dispone un correspondiente colector de corriente del cátodo 161a y 161b (denominados colectivamente "colectores de corriente del cátodo 161''). Los materiales del ánodo 111, el colector de corriente del ánodo 151, los materiales del cátodo 121, los colectores de corriente del cátodo 161 y los separadores 131 pueden ser sustancialmente los mismos que los descritos anteriormente en relación con la FIG. 1A. En un ejemplo, el colector de corriente del ánodo 151 y los colectores de corriente del cátodo 161 comprenden sustancialmente el mismo material. En otro ejemplo, el colector de corriente del ánodo 151 comprende un primer material metálico (por ejemplo, cobre) y los colectores de corriente del cátodo 161 comprenden un segundo material metálico (por ejemplo, aluminio). La celda de batería 101 está sustancialmente sellada en una bolsa (no mostrada) para formar una celda de batería de bolsa única.
[0171] La celda de batería 101 mostrada en la FIG.1B es una vista en sección transversal de una realización ejemplar de una bi-celda que incluye un ánodo de doble cara (incluyendo el colector de corriente del ánodo 151 y el par de materiales del ánodo 111a y 111b) y dos cátodos de una única cara (incluyendo un primer material del cátodo 121a dispuesto en un primer colector de corriente del cátodo 161a y un segundo material del cátodo 121b dispuesto en un segundo colector de corriente del cátodo 161b) dispuestos a cada lado del ánodo de doble cara. En algunas otras realizaciones, la batería 101 también puede incluir un cátodo de doble cara y dos ánodos de una única cara dispuestos a cada lado del cátodo. Como se describe en el presente documento, la celda de la batería 101 puede envasarse individualmente dentro de una bolsa o puede envasarse con múltiples "bi-celdas" dentro de la bolsa. La FIG.1C muestra una vista en planta superior de la celda de batería 101 mostrada en la FIG.1B. Desde la vista en planta superior, los colectores de corriente del cátodo 161a y 161b pueden verse desalineados o escalonados dentro de la bi-celda. En algunas realizaciones, el colector de corriente del ánodo 151 y los colectores de corriente del cátodo 161 están ubicados en diferentes lados de la celda de batería 101. En algunas realizaciones, el colector de corriente del ánodo 151 y los colectores de corriente del cátodo 161 están ubicados en lados opuestos de la celda de batería 101. En algunas realizaciones, el colector de corriente del ánodo 151 y los colectores de corriente del cátodo 161 están ubicados en el mismo lado de la celda de batería 101.
[0172] La FIG. 1D muestra otra realización de una celda de batería 102. En esta realización, la celda de batería 102 incluye dos bi-celdas que incluyen dos ánodos de doble cara. En algunas realizaciones, la celda de batería 102 puede incluir dos bi-celdas que comprenden dos cátodos de doble cara. Como se muestra en la figura, los colectores de corriente del cátodo 161c, 161d, 161e. y 161f (denominados colectivamente en el presente documento "colectores de corriente del cátodo 161x") pueden verse desalineados o escalonados dentro de la celda de batería 102. De forma similar, los colectores de corriente del ánodo 151a y 151b (denominados colectivamente en el presente documento "colectores de corriente del ánodo 151x") pueden verse desalineados o escalonados dentro de la celda de batería 102. En algunas realizaciones, los colectores de corriente del ánodo 151x y los colectores de corriente del cátodo 161x están situados en diferentes lados de la celda de batería 102. En algunas realizaciones, los colectores de corriente del ánodo 151x y los colectores de corriente del cátodo 161x están situados en lados opuestos de la celda de batería 102. En algunas realizaciones, los colectores de corriente del ánodo 151x y los colectores de corriente del cátodo 161x están situados en el mismo lado de la celda de batería 102.
[0173] En algunas realizaciones, la desalineación o el escalonamiento de los colectores de corriente permiten diversas interconectividades de los colectores de corriente dentro de la celda de bolsa única. En algunas realizaciones, mediante la conexión de los colectores de corriente deseados juntos a través de la lengüeta de extensión, por ejemplo, una única lengüeta de extensión se puede utilizar para extenderse en una región sellada de la celda de bolsa única para el contacto eléctrico externo. Esto puede evitar la contaminación del electrodo o de la batería soldando los contactos eléctricos fuera de la celda de bolsa única.
[0174] La FIG.1E muestra una vista esquemática de una celda de batería de bolsa única que utiliza un concepto de auto fusión. En la FIG. 1E sólo se muestra un electrodo (el ánodo o el cátodo), y el separador y el otro electrodo de la celda de la batería pueden añadirse de acuerdo con las realizaciones descritas en cualquiera de las FIG.1A, FIG.
[0175] 1B, FIG.1C o FIG.1D. La celda de batería 103 incluye una lengüeta 112 para acoplar la celda de batería 103 con otras celdas de batería o a un contacto eléctrico externo, una lámina 122 que incluye una pluralidad de bolsillos de suspensión 142 que contienen materiales de electrodos, una pluralidad de puentes de lámina 152 que acoplan eléctricamente la pluralidad de bolsillos de suspensión 142 entre sí, y una porción epoxi 132 que rellena las porciones de la lámina que no está cubierta por los bolsillos de suspensión 142 y los puentes de lámina 152. La FIG.1F es una foto de una porción de la celda de batería 103.
[0176] La FIG. 2 muestra un módulo de batería 200 que incluye múltiples celdas de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones. Como se muestra, el módulo de batería 200 incluye una pluralidad de celdas de batería de bolsa única 201, 201 y 203, encerradas en una carcasa de módulo 260. El módulo de batería también incluye una conexión de lengüeta 250 que acopla las lengüetas de cada una de las celdas de batería de bolsa única 201-203 a una lengüeta externa 252, que puede entonces conectar eléctricamente el módulo de batería 200 a un circuito externo.
[0177] En algunas realizaciones, la lengüeta respectiva de cada uno de los módulos de batería de bolsa única 201-203 puede formar parte del colector de corriente respectivo. Por ejemplo, cada colector de corriente en las celdas de batería de bolsa única 201-203 puede tener una porción de conductor eléctrico que se extiende fuera de la porción de electrodo (es decir, porciones dispuestas con materiales de electrodo) como la lengüeta. En algunas realizaciones, la lengüeta respectiva de cada celda de batería de bolsa única 201-203 puede ser un componente adicional y componente independiente acoplado eléctricamente al colector de corriente o material de electrodo respectivo. Por ejemplo, cada lengüeta puede ser una tira metálica adherida al colector de corriente mediante soldadura, unión por soldadura, pegado, u otros medios conocidos en la técnica.
[0178] En algunas realizaciones, el acoplamiento entre la conexión de lengüeta 250 y la lengüeta externa 252 puede lograrse mediante, por ejemplo, un punto de soldadura, un remache, un tornillo u otros medios conocidos en la técnica. Obsérvese que cuando se utiliza la soldadura para acoplar la conexión de lengüeta 250 y la externa 252, la contaminación metálica de los materiales de los electrodos puede seguir evitándose sustancialmente, ya que la soldadura puede realizarse después de que cada celda de batería de bolsa única 201-203 haya sido sellada en su respectiva bolsa, lo que puede bloquear la llegada de partículas metálicas a los materiales de los electrodos.
[0179] En algunas realizaciones, la carcasa del módulo 260 puede aplicar una fuerza sobre el apilamiento de celdas de batería de bolsa única 201-203 para ejercer presión de apilamiento sobre el módulo de batería 200. En algunas realizaciones, la carcasa del módulo 260 incluye un material metálico, tal como el acero inoxidable. En algunas realizaciones, la carcasa del módulo 260 incluye un material plástico o polimérico. En algunas realizaciones, la carcasa del módulo 260 comprende sustancialmente el mismo material que constituye la bolsa en cada celda de batería de bolsa única 201-203. En estas realizaciones, la carcasa del módulo 260 puede considerarse como una bolsa adicional, que puede mitigar aún más la propagación de defectos, el riesgo de incendio y la contaminación por metales.
[0180] En algunas realizaciones, las celdas de batería de bolsa única 201-203 pueden apilarse pegándolas, aplicando adhesivo o mediante una estaca de calor para unir las celdas de batería de bolsa única. Por ejemplo, la aplicación de calor o adhesivo puede hacerse secuencialmente, un pegado tras otro, o aplicando pegamento simultáneamente a todas las celdas de batería de bolsa única. En algunas realizaciones, el procedimiento de apilamiento puede incluir un enfoque de calentamiento sin contacto. Por ejemplo, cada una de las celdas de batería de bolsa única puede recubrirse con una capa o una porción de un material que puede activarse para actuar como adhesivo bajo la aplicación de calor, luz, tales como UV o IR, o perturbación mecánica o eléctrica, tales como ultrasonidos u ondas acústicas, o radiofrecuencia o microondas, o cualquier combinación de los mismos.
[0181] El módulo de batería 200 mostrado en la FIG.2 incluye tres celdas de batería de bolsa única 201-203. Sin embargo, en la práctica, el número de celdas de batería de bolsa única en un módulo puede ser superior a tres o inferior a tres, en función de la capacidad de salida deseada, el requisito de grosor u otras especificaciones.
[0182] La FIG. 3 muestra una vista esquemática de un paquete de baterías que incluye una pluralidad de módulos de baterías, de acuerdo con algunas realizaciones. El paquete de baterías 300 incluye un primer módulo de batería 310, un segundo módulo de batería 320 y un tercer módulo de batería 330. Cada módulo de batería en la pluralidad de módulos de batería 310-330 puede ser sustancialmente el mismo que el módulo de batería 200 mostrado en la FIG. 2. Cada módulo de batería de la pluralidad de módulos de batería 310-330 incluye una lengüeta externa respectiva 312, 322. y 332, que están acopladas a una barra colectora externa 352. El acoplamiento entre las lengüetas externas 312-332 y la barra colectora externa 352 puede conseguirse, por ejemplo, mediante soldadura, unión por soldadura, remachado, atornillado u otros medios conocidos en la técnica.
[0183] El diseño modular de cada módulo de batería en la pluralidad de módulos de batería 310-330 permite la construcción conveniente de baterías que pueden satisfacer demandas prácticas en aplicaciones. En algunas realizaciones, la pluralidad de módulos de batería 310-330 pueden conectarse en serie, como se muestra en la FIG. 3, con el fin de lograr una mayor tensión de salida. En algunas realizaciones, la pluralidad de módulos de batería 310-330 puede conectarse en paralelo para conseguir una corriente de salida mayor. En algunas realizaciones, la pluralidad de módulos de batería 310-330 pueden apilarse juntos verticalmente, como se muestra en la FIG.3, para satisfacer ciertos requisitos de grosor o forma. En algunas realizaciones, la pluralidad de módulos de batería 310-330 puede distribuirse horizontalmente para lograr un determinado factor de forma (por ejemplo, cuando se desea una hoja de paquete de batería con un grosor personalizado).
[0184] El paquete de baterías 300 mostrado en la FIG. 3 incluye tres módulos de baterías 310-330. Sin embargo, en la práctica, el número de módulos de batería de un paquete de baterías puede ser superior a tres o inferior a tres, en función de la capacidad de salida deseada, el requisito de grosor u otras especificaciones.
[0185] Conexiones de Lengüeta en Celdas y Módulos de Batería de Bolsa Única
[0186] Las FIGS. 4A-4B muestran vistas en perspectiva de una celda de batería de bolsa única que incluye lengüetas conductoras para acoplar la celda de batería a circuitos externos, celdas de batería vecinas u otros componentes eléctricos en una aplicación. La celda de batería de bolsa única 400 mostrada en la FIG.4A incluye un ánodo 410, un separador 430, y un cátodo 420 (detrás del separador 430, visto en la FIG.4B), que se apilan juntos como se describió anteriormente. A continuación, una bolsa 440 contiene sustancialmente el apilamiento del ánodo 410, el cátodo 420 y el separador 430. El ánodo 410 tiene una porción de conductor eléctrico del ánodo 412 que se extiende fuera de la porción del electrodo (es decir, la porción cubierta por material del ánodo) del colector de corriente (no se muestra) como una lengüeta. De forma similar, el cátodo también tiene una porción de conductor eléctrico del cátodo 422 que se extiende fuera de la porción del electrodo (es decir, la porción cubierta por material del cátodo) del colector de corriente como una lengüeta. En algunas realizaciones, las porciones de conductor eléctrico 412 y 422, como se muestra en la FIG. 4A, son tiras de metal. En algunas realizaciones, los colectores de corriente utilizados en el ánodo 410 y el cátodo 420 pueden ser colectores de corriente de malla y las correspondientes porciones de conductor eléctrico correspondientes 412 y 422 pueden ser, por ejemplo, un alambre metálico, un haz de alambres metálicos, una trenza de alambres metálicos o una matriz de alambres metálicos. En algunas realizaciones, los alambres metálicos pueden ser sustancialmente los mismos que el alambre que constituye los colectores de corriente de malla. En algunas realizaciones, los alambres metálicos pueden comprender un material conductor diferente del material metálico utilizado en el colector de corriente de malla.
[0187] La FIG.4A también ilustra un ejemplo de las dimensiones relativas de cada componente en una celda de batería de bolsa única. Como se muestra en la FIG.4A, tanto el ánodo 410 como el cátodo 420 son más pequeños que el separador 430, con el fin de evitar el contacto eléctrico entre el ánodo 410 y el cátodo 420. La bolsa 440 es mayor que las porciones de electrodo del ánodo 410 y del cátodo 420, así como que el separador 430, con el fin de sellar la celda de la batería y/o evitar fugas de material de electrodo y electrolito. Las dos lengüetas 412 y 422 se extienden fuera de la bolsa 440 para acoplar eléctricamente la celda de batería 400 a elementos externos, tales como otras celdas de batería.
[0188] La FIG. 4B muestra una vista ampliada de la esquina de la celda de batería de bolsa única 400 para ilustrar más claramente las dimensiones relativas de cada uno de los elementos descritos anteriormente. En la FIG. 4B. el cátodo 420 es ligeramente más pequeño que el ánodo 410 y por lo tanto el cátodo 420 está "oculto" a la vista por el ánodo 410. En algunas realizaciones, al menos una porción del separador 430 está sellada térmicamente en la bolsa 440 para evitar cualquier contacto entre el ánodo 410 y el cátodo 420. En algunas realizaciones, el cátodo 420 puede ser sustancialmente del mismo tamaño que el ánodo 410.
[0189] El tamaño relativamente grande de la bolsa 440 proporciona un medio para soportar materiales de electrodo, en particular materiales de electrodo semisólidos, durante la fabricación de la batería, es decir, la bolsa 440 puede contener el material del ánodo y el material del cátodo. La bolsa 440 también puede proteger los electrodos de la deformación, en particular en el borde de los electrodos, que podría producirse en caso de envasar un apilamiento de electrodos.
[0190] Una dimensión ejemplar de cada elemento en una celda de batería de bolsa única 400 puede ser el siguiente: el ánodo 410 y el cátodo 420 tienen unas dimensiones de 202 mm × 150 mm: el separador 430 puede ser 3 mm mayor en cada dirección, es decir, 205 mm × 153 mm: la bolsa 440 tiene unas dimensiones de 214 mm × 162 mm, 12 mm mayor que el ánodo 410 y el cátodo 420 en cada dirección. El grosor de cada electrodo (ánodo 410 o cátodo 420) puede ser, por ejemplo, superior a 150 µm, superior a 200 µm o superior a 300 µm. El grosor total de una batería de bolsa única puede ser, por ejemplo, superior a 600 µm, superior a 800 µm o superior a 1 mm. La FIG. 5 muestra una vista superior de un módulo de batería que incluye una pluralidad de celdas de batería de bolsa única encerradas en una carcasa metálica. El módulo de batería 500 incluye una carcasa metálica 560 que encierra sustancialmente una pluralidad de celdas de batería de bolsa única (en la FIG. 5 sólo se muestra una celda de batería de bolsa única). Cada celda de batería de bolsa única incluye un ánodo 510, un separador 530 y un cátodo (detrás del separador 530. no mostrado en la FIG. 5), todos ellos contenidos y sellados en una bolsa 540. El ánodo 510 tiene un colector de corriente con una porción de conductor eléctrico 512 que se extiende fuera de la porción de electrodo como una lengüeta de ánodo. Del mismo modo, el cátodo tiene un colector de corriente con una porción de conductor eléctrico 522 que se extiende fuera de la porción de electrodo como una lengüeta de cátodo. La pluralidad de lengüetas del ánodo 512 y lengüetas del cátodo 522 están acopladas entre sí, y las lengüetas acopladas 512 y 522 están acopladas además a conectores eléctricos externos 514 y 524. Más específicamente, las lengüetas del ánodo 512 se acoplan a un conector del ánodo 514 del módulo de la batería 500, y las lengüetas del cátodo 522 se acoplan a un conector del cátodo 524 del módulo de la batería 500. El conector del ánodo 514 incluye un elemento conductor 515, que en un extremo se acopla a las lengüetas del ánodo 512 y en el otro extremo se acopla a elementos externos tales como otras baterías o utilidades. El elemento conductor 515 está dispuesto a través de la pared de la carcasa metálica 560 y está separado eléctricamente de la pared de la carcasa metálica 560 a través de un acoplador conector del ánodo 516, que también sujeta sustancialmente el elemento conductor 515 y evita el deslizamiento del elemento conductor 515. De forma similar, el conector del cátodo 524 incluye un elemento conductor 525 acoplado a las lengüetas del cátodo 522 en un extremo y a un elemento externo en el otro extremo. Un acoplador de conector del cátodo 526 está configurado para aislar eléctricamente el elemento conductor 525 de la pared de la carcasa metálica 560 y sujetar sustancialmente el elemento conductor 525. En algunas realizaciones, uno de los elementos conductores 515 o 525 puede conectarse a la carcasa metálica 560 directamente sin ningún aislamiento. En estas realizaciones, la lata metálica 560 puede tener la misma polaridad que la del elemento conductor (es decir, 515 o 525) conectada directamente a la carcasa metálica 560.
[0191] En algunas realizaciones, el acoplador conector del ánodo 516 y/o el conector del cátodo 526 pueden ser un par de sujetadores (por ejemplo, tornillos o pernos) y tuercas, que están hechos de material no conductor o recubiertos con materiales no conductores y están acoplados mecánicamente entre sí y con la pared de la carcasa metálica 560. En algunas realizaciones, el acoplador conector del ánodo 516 y/o el conector del cátodo 526 pueden ser un par de acopladores magnéticos que se acoplan entre sí mediante fuerza magnética. En algunas realizaciones, el acoplador conector del ánodo 516 y/o el conector del cátodo 526 pueden pegarse con y disponerse a través de la pared de la carcasa metálica 560.
[0192] En algunas realizaciones, la carcasa metálica 560 es sustancialmente rígida para proteger las celdas de la batería dentro de la carcasa metálica 560. En algunas realizaciones, la carcasa metálica 560 tiene cierta flexibilidad mecánica para ser más resistente a los impactos. En algunas realizaciones, la carcasa metálica 560 comprende un material tal como acero inoxidable, cobre, aluminio, o sus combinaciones o aleaciones. En algunas realizaciones, la carcasa metálica 560 tiene un grosor de alrededor de 0,2 mm a 2 mm, o de 0,5 mm a 1,5 mm, o de 0,8 mm a 1 mm. En algunas realizaciones, la carcasa metálica 560 puede ser ligeramente más grande que la bolsa 540. En un ejemplo, la bolsa 540 tiene unas dimensiones de 214 mm × 162 mm, y la carcasa metálica 560 tiene unas dimensiones de 232 mm × 165 mm. Por lo tanto, se espera que las celdas de batería de bolsa única estén sustancialmente fijas dentro de la carcasa metálica sin movimiento libre.
[0193] En algunas realizaciones, el módulo de batería 500 funciona como una batería independiente que proporciona energía a través del conector del ánodo 514 y el conector del cátodo 524. En algunas realizaciones, el módulo de batería 500 puede acoplarse con otros módulos de batería, similares o no similares, para formar un paquete de baterías con determinadas especificaciones (por ejemplo, capacidad, tensión, corriente, tamaño, forma, etc.). Las FIGS.6A-6B muestran vistas laterales de un módulo de batería que incluye celdas de batería de bolsa única encerradas en una carcasa metálica. La FIG.6A muestra un módulo de batería 600 que incluye una lata metálica 660 y una tapa 662, las cuales, en conjunto, forman una carcasa metálica para contener una pluralidad de celdas de batería de bolsa única 601. El módulo de batería también incluye un conector del electrodo 614, que puede ser un conector del ánodo o un conector del cátodo. En la FIG.6A sólo se muestra un conector de electrodo, mientras que el otro conector de electrodo puede estar detrás del conector mostrado y, por lo tanto, no se ve.
[0194] En la práctica, la pluralidad de las celdas de batería de bolsa única puede disponerse en la lata metálica 660, después de lo cual la tapa 662 puede disponerse o sellarse sobre la lata metálica 660 para formar el módulo de batería 600. El módulo de batería 600 completo se muestra en la FIG.6B.
[0195] En algunas realizaciones, la tapa 662 y la lata metálica 660 comprenden sustancialmente el mismo material, tal como acero inoxidable, cobre y aluminio, entre otros. En algunas realizaciones, la tapa 662 comprende un material diferente del material de la lata metálica 660. Por ejemplo, la lata metálica 660 está hecha de acero inoxidable y la tapa 662 comprende un papel de aluminio o papel de estaño que se puede soldar más fácilmente a la lata metálica 660. En algunas realizaciones, la tapa 662 puede adherirse a la lata metálica 660 mediante soldadura láser, soldadura por costura, métodos mecánicos tales como el engarzado, o cualquier otro método conocido en la técnica.
[0196] La FIG.7A muestra una vista superior de un módulo de batería que incluye una pluralidad de celdas de batería de bolsa única encerradas en un marco de plástico. El módulo de batería 700 incluye un marco de plástico 760 que contiene sustancialmente la periferia (lados) una pluralidad de celdas de batería de bolsa única (sólo una celda de batería de bolsa única se muestra en la FIG.7A). Cada celda de batería de bolsa única incluye un ánodo 710, un separador 730 y un cátodo (detrás del separador 730, no mostrado en la FIG.7), todos los cuales están contenidos y sellados en una bolsa 740. El ánodo 710 tiene un colector de corriente con una porción de conductor eléctrico 712 que se extiende fuera de la porción de electrodo como una lengüeta de ánodo. Del mismo modo, el cátodo tiene un colector de corriente con una porción de conductor eléctrico 722 que se extiende fuera de la porción de electrodo como una lengüeta de cátodo. La pluralidad de lengüetas del ánodo 712 y lengüetas del cátodo 722 se acoplan entre sí, y las lengüetas acopladas se acoplan además a conectores eléctricos externos. Más específicamente, las lengüetas del ánodo 712 se acoplan a un conector del ánodo 714 del módulo de la batería 700, y las lengüetas del cátodo 722 se acoplan a un conector del cátodo 724 del módulo de la batería 700. En algunas realizaciones, el conector del ánodo 714 y el conector del cátodo 724 están en contacto directo con la pared del marco de plástico 760, ya que el marco de plástico 760 es aislante. En algunas realizaciones, se pueden emplear acopladores adicionales, tales como los acopladores 516 y 526 mostrados en la FIG. 5, para sujetar mecánicamente el conector del ánodo 714 y el conector del cátodo 724.
[0197] En algunas realizaciones, el marco de plástico 760 puede tener un grosor de alrededor de 2 mm hasta alrededor de 10 mm para proporcionar suficiente rigidez y proteger las baterías de bolsa única dentro del marco de plástico 760. En algunas realizaciones, el grosor del marco de plástico 760 puede ser de alrededor de 3 mm hasta alrededor de 7 mm, o de alrededor de 4 mm y hasta alrededor de 6 mm. En algunas realizaciones, el marco de plástico 760 incluye materiales tales como nailon, acrílico, cloruro de polivinilo (PVC), uPVC, polietileno, polipropileno, policarbonato, baquelita, resina epoxi y Melamina, entre otros. En algunas realizaciones, el marco de plástico 760 puede incluir una fina placa o lámina metálica en la superficie exterior, en la superficie interior o dentro del marco de plástico 760 para evitar la penetración de gas y agua. En algunas realizaciones, el marco de plástico 760 puede incluir un recubrimiento superficial. En algunas realizaciones, el recubrimiento de la superficie puede reducir la penetración de agua y gases.
[0198] La FIG.7B muestra una vista lateral del módulo de batería 700 mostrado en la FIG.7A. Como se ve en la FIG.7B, el módulo de batería 700 también incluye un par de tapas 762a y 762b, dispuestas a cada lado (superior e inferior) del marco de plástico 760, para formar un contenedor completo que contenga sustancialmente las celdas de batería de bolsa única. En algunas realizaciones, las tapas 762a y 762b incluyen láminas de polímero que pueden fusionarse térmicamente con el marco de plástico 760. En algunas realizaciones, las tapas 762a y 762b incluyen láminas de polímero u otro plástico que pueden sellarse al vacío con el marco de plástico 760. En algunas realizaciones, las tapas 762a y 762b incluyen láminas que pueden pegarse al marco de plástico 760. En algunas realizaciones, una o ambas tapas 762a y 762b incluyen una placa, que puede ser de plástico o de metal. En algunas realizaciones, la placa de plástico puede incluir una lámina metálica dispuesta en la superficie exterior o interior. En algunas realizaciones, la placa puede tener un recubrimiento superficial.
[0199] Las FIGS. 8A-8C muestran un diseño de lengüeta en un módulo de batería que incluye una pluralidad de celdas de batería de bolsa única encerradas en una carcasa metálica y las correspondientes regiones de conexión de lengüeta, respectivamente. La FIG. 8A muestra una vista lateral de un módulo de batería 800 que incluye una carcasa metálica 860 (en la FIG.8A sólo se muestra una porción de toda la carcasa) que contiene sustancialmente una pluralidad de celdas de batería de bolsa única 801, cada una de las cuales tiene una lengüeta 812 que acopla la respectiva celda de batería de bolsa única con el resto de las celdas de batería del módulo de batería 800 a través de una pluralidad de espaciadores 871. A continuación, un acoplador de espaciador 872 acopla eléctricamente los espaciadores 871, así como las lengüetas 812, a una pieza final 876, que se acopla eléctricamente a un conector del electrodo 814 (ya sea un conector del ánodo o un conector del cátodo). El conector del electrodo 814 incluye además una pieza conductora 815 que penetra a través de la pared de la carcasa metálica 860 y un acoplador de conector 816 que aísla eléctricamente la pieza conductora 815 de la pared de la carcasa metálica 860. El módulo de batería 800 puede proporcionar energía a las utilidades a través del conector del electrodo 814. En algunas realizaciones, la pieza conductora 815 es un conector coaxial. En algunas realizaciones, la pieza conductora 815 es un conector a presión. En algunas realizaciones, la pieza conductora 815 es un conector de pasador, o cualquier otro conector eléctrico conocido en la técnica.
[0200] La FIG.8B muestra una vista lateral de uno de los espaciadores 871 mostrados en la FIG.8A. El espaciador 871 incluye una porción de puente 874 y una porción de extremo 875. La porción de puente 874 en cada espaciador 871 se presiona contra una lengüeta 812 de una celda de batería de bolsa única 801. Por lo tanto, la pluralidad de lengüetas se puede acoplar eléctricamente a la pluralidad de espaciadores, que también sujeta mecánicamente las lengüetas en su lugar. La porción de extremo 875 tiene un orificio que puede recibir el acoplador espaciador 872. En algunas realizaciones, el acoplador espaciador 872 es un remache, un tornillo, un perno o cualquier otra pieza conductora.
[0201] La FIG.8C muestra una porción de conector 870 del módulo de batería 800 que está próxima a las lengüetas 812 y al conector de electrodo 814 para ilustrar el diseño de las lengüetas. Cuando se sujeta el acoplador espaciador 872 (por ejemplo, un remache), cada lengüeta 812 puede estar en contacto físico y eléctrico con la porción de puente 874 del espaciador 871. La porción de puente 874 está además eléctricamente acoplada con la porción de extremo 875, la cual, a través del acoplador espaciador 872, está eléctricamente acoplada a la pieza final 876. A continuación, el conector de electrodos 814 se conecta a la pieza final 876 y suministra energía a las utilidades externas o recibe energía (por ejemplo, para cargar las baterías) de fuentes de alimentación externas. En algunas realizaciones, tanto la porción de puente 874 como la porción de extremo 875 del espaciador 817 pueden ser conductoras para formar una vía conductora desde las celdas de batería de bolsa única 801 hasta el conector del electrodo 814. En algunas realizaciones, sólo una porción (por ejemplo, la porción en contacto con las lengüetas 812) de la porción de puente 874 es conductora.
[0202] En algunas realizaciones, los espaciadores 871 incluyen un material metálico (por ejemplo, acero inoxidable, cobre, aluminio, plata, etc.). En algunas realizaciones, los espaciadores 871 incluyen una base no conductora (por ejemplo, plástico) recubierta con un material conductor (por ejemplo, metal, carbono, óxido metálico conductor, etc.) con el fin de reducir el peso o el coste del módulo de batería 800. En algunas realizaciones, un par de lengüetas 812 pueden conectarse juntas a una lengüeta de extensión en lugar del espaciador 871, y un par de lengüetas de extensión se conectan entonces a la pieza final 876. En algunas realizaciones, todas las lengüetas se recogen y se conectan a la pieza final 876 a la vez.
[0203] En algunas realizaciones, la carcasa metálica 860 y/o el módulo de batería 800 pueden incluir aceite de silicona o cualquier líquido que ayude a la seguridad de la batería. Dicho líquido, aceite de silicona u otro, puede ayudar a mantener la presión (por ejemplo, la presión apilada) dentro de la carcasa metálica 860. En algunas realizaciones, el uso de dicho líquido también puede ayudar a prevenir la penetración de agua en la carcasa metálica 860 y/o en el módulo de batería 800.
[0204] Métodos de Fabricación de Celdas y Módulos de Batería de Bolsa Única
[0205] La FIG. 9 es un diagrama de flujo que ilustra métodos de fabricación de celdas y módulos de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones. El método 900 comienza con la preparación de la suspensión de electrodo en el paso 910, en el que la suspensión de ánodo y la suspensión de cátodo pueden prepararse por separado.
[0206] En algunas realizaciones, la suspensión del electrodo incluye una mezcla de compuestos de almacenamiento de iones electroquímicamente activos, aditivos conductores de la electricidad y aglutinantes poliméricos.
[0207] De acuerdo con la invención, al menos una de la suspensión del ánodo y la suspensión del cátodo incluye un material de electrodo semisólido que incluye una suspensión de un material activo y un material conductor en un electrolito líquido no acuoso. Ejemplos de materiales de electrodos semisólidos se describen en la Publicación de Patente de Estados Unidos No. U.S.2013/0065122 Al, titulada "Semi-solid Electrode Cell Having A Porous Current Collector and Methods of Manufacture", cuya divulgación íntegra se incorpora por referencia en el presente documento.
[0208] A continuación, la suspensión de electrodos preparada se dispone (por ejemplo, se pega o se recubre) sobre colectores de corriente (por ejemplo, láminas, mallas o espumas porosas conductoras) para formar electrodos en el paso 920. Para aumentar la densidad y controlar el grosor, se pueden realizar pasos de compresión adicionales, en los que los colectores de corriente recubiertos con suspensión de electrodos se comprimen a alta presión. En algunas realizaciones, el paso de preparación de la suspensión 910 y el paso de formación del electrodo 920 pueden combinarse en un paso único, denominado mezcla y formación de un electrodo de suspensión, que generalmente incluye: (i) transporte y/o alimentación de la materia prima, (ii) mezcla, (iii) transporte de la suspensión mezclada, (iv) dispensación y/o extrusión, y (v) formación. En algunas realizaciones, pueden llevarse a cabo múltiples pasos del procedimiento al mismo tiempo y/o con la misma pieza de equipo. Por ejemplo, la mezcla y el transporte de la suspensión pueden realizarse al mismo tiempo con una extrusora. Cada paso del procedimiento puede incluir una o más realizaciones posibles. Por ejemplo, cada paso del procedimiento puede realizarse manualmente o mediante una variedad de equipos de procedimiento. Cada paso puede incluir también uno o más subprocesos y, opcionalmente, un paso de inspección para controlar la calidad del procedimiento. El transporte y/o la alimentación de la materia prima pueden incluir: pesaje manual por lotes de material con alimentación natural (por ejemplo, permitiendo que la mezcladora acepte material en la mezcla sin fuerza externa), pesaje manual por lotes de material con alimentación forzada mediante un mecanismo de pistón o un "rellenador lateral" de tornillo, alimentadores gravimétricos de sólidos de tornillo con alimentación natural (por ejemplo, alimentación a la tasa a la que el mezclador puede aceptar material de forma natural), alimentadores gravimétricos de sólidos de tornillo con alimentación forzada (por ejemplo, unidades vendidas por Brabender Industries Inc combinadas con un mecanismo de pistón o un "rellenador lateral" de tornillo), y/o cualquier otro método adecuado de transporte y/o alimentación y/o cualquier combinación adecuada de los mismos.
[0209] En algunas realizaciones, la suspensión puede mezclarse utilizando un mezclador por lotes estilo Banburry<®>, una sección de mezclado de una extrusora de doble tornillo, un mezclador planetario centrífugo y/o un mezclador planetario. En algunas realizaciones, la suspensión puede ser muestreada y/o monitorizada después de la mezcla para medir y/o evaluar la homogeneidad, reología, conductividad, viscosidad, y/o densidad.
[0210] En algunas realizaciones, por ejemplo después de la mezcla, la suspensión puede ser transportada y/o presurizada, por ejemplo utilizando una bomba de pistón, una bomba peristáltica, una bomba de engranajes/lóbulos, una bomba de cavidad progresiva, una extrusora de único tornillo, una sección de transporte de una extrusora de doble tornillo, y/o cualquier otro dispositivo de transporte adecuado. En algunas realizaciones, el par y/o la potencia del dispositivo de transporte, la presión a la salida del dispositivo de transporte, el caudal y/o la temperatura pueden medirse, monitorizarse y/o controlarse durante el transporte y/o la presurización.
[0211] En algunas realizaciones, por ejemplo, tras el transporte y/o la presurización, la suspensión puede dispensarse y/o extruirse. La suspensión puede dispensarse y/o extruirse utilizando, por ejemplo, una matriz de extrusión de láminas de "matriz colgante", una matriz de extrusión de láminas de "colector de invierno", una matriz de extrusión de láminas de estilo perfilado, una boquilla arbitraria operable para aplicar un chorro continuo de material a un sustrato, la inyección en un molde del tamaño y la forma correctos (por ejemplo, llenando un bolsillo con material), y/o cualquier otro dispositivo dispensador adecuado.
[0212] En algunas realizaciones, tras la dispensación, la suspensión se puede convertir en un electrodo final. Por ejemplo, la suspensión puede ser calandrada, estampada y/o prensada, sometida a decantación vibratoria y/o cortada en secciones discretas. Además, en algunas realizaciones, las porciones no deseadas de material pueden eliminarse (por ejemplo, enmascarando y limpiando) y, opcionalmente, reciclarse de nuevo en el procedimiento de fabricación de suspensión.
[0213] Una vez formados los electrodos (ánodos y cátodos), en el paso 930, se pueden ensamblar las celdas unitarias. En algunas realizaciones, cada conjunto de celdas unitarias puede incluir un ánodo, un cátodo y un separador dispuesto entre ambos para aislar eléctricamente el ánodo y el cátodo, por ejemplo, como se muestra en la FIG.
[0214] 1A y se ha descrito anteriormente. En algunas realizaciones, cada conjunto de celdas unitarias puede incluir un ánodo de doble cara, dos cátodos de única cara y dos separadores, como se muestra en la FIG.1B y se ha descrito anteriormente.
[0215] En el paso 940. cada celda unitaria ensamblada se sella en una bolsa. En algunas realizaciones, la bolsa incluye una estructura de tres capas, por ejemplo, una capa exterior que incluye una película de polímero a base de nailon, una capa interior que incluye una película de polímero de polipropileno (PP) y una capa intermedia que incluye una lámina de aluminio (Al). Este tipo de bolsa puede sellarse, por ejemplo, mediante sellado por calor utilizando una selladora por calor compacta MSK-140 suministrada por MTI Corporation. La temperatura de sellado puede ser, por ejemplo, de 50° - 200°, y la presión de sellado puede ser, por ejemplo, de 0 - 0,7 MPa. En algunas realizaciones, la bolsa puede incluir una única capa de materiales de menor coste que son más delgados. Por ejemplo, estos materiales pueden ser polipropileno, resina o una combinación de poliolefinas que pueden sellarse entre sí mediante calor o presión. En algunas realizaciones, se puede realizar un paso de precarga a las celdas unitarias antes de sellar cada bolsa individual. Los pasos de precarga pueden generar gas antes del sellado de la bolsa, por lo que puede eliminarse la necesidad del procedimiento de desgasificación que se realiza convencionalmente tras la formación de la batería.
[0216] De acuerdo con la invención, la suspensión de electrodo es material de electrodo semi-sólido y los electrodos preparados y el posterior conjunto de celdas unitarias ya contienen electrolito en el material del electrodo, en cuyo caso la bolsa puede sellarse justo después de la preparación del conjunto de celdas unitarias. En algunas realizaciones, se introduce un electrolito separado (es decir, electrolito líquido) en la bolsa antes de sellarla. En el paso 950, tras el sellado de la bolsa, se prepara una lengüeta para cada conjunto de celdas unitarias con el fin de facilitar la construcción de módulos de baterías, paquetes de baterías u otras aplicaciones. En algunas realizaciones, la lengüeta puede formar parte del colector de corriente. Por ejemplo, el colector de corriente puede tener una porción de conductor eléctrico que se extiende fuera de la porción de electrodo (por ejemplo, 412 y 422 como se muestra en la FIG. 4A). En algunas realizaciones, la lengüeta puede ser un elemento separado (por ejemplo, una tira de metal o alambre) que se acopla eléctricamente al electrodo. El acoplamiento puede ser al colector de corriente o al material del electrodo (es decir, la suspensión del electrodo), y puede lograrse mediante soldadura, pegado, grapado u otros medios conocidos en la técnica.
[0217] Tras la preparación de cada conjunto de celdas unitarias, se acoplan múltiples conjuntos de celdas unitarias en el paso 960 para formar un módulo de batería preliminar. En este paso, los conjuntos de celdas unitarias múltiples pueden apilarse verticalmente, disponerse horizontalmente, o ambas cosas, dependiendo de las aplicaciones prácticas. También en este paso, todas las lengüetas del cátodo se acoplan típicamente juntas en un punto de conexión que se puede acoplar más lejos a un conector del cátodo. De forma similar, todas las lengüetas del ánodo se acoplan típicamente juntas en un punto de conexión que se puede acoplar más lejos a un conector del ánodo. En algunas realizaciones, las lengüetas (ya sean lengüetas del ánodo, lengüetas del cátodo o ambas) se acoplan entre sí mediante soldadura, unión por soldadura o pegado. En algunas realizaciones, las lengüetas se acoplan entre sí mediante el uso de espaciadores y remaches (por ejemplo, como se muestra en las FIGS. 8A-8C). En algunas realizaciones, las lengüetas se acoplan entre sí mediante tornillos.
[0218] En el paso 970, el módulo de batería preliminar se encierra en una carcasa. En algunas realizaciones, la carcasa es metálica (por ejemplo, como se muestra en la FIG. 5). En estas realizaciones, el módulo de batería preliminar puede colocarse primero en una lata metálica, seguido del acoplamiento de las lengüetas de cada celda de batería de bolsa única a los conectores de ánodo y cátodo. A continuación, puede colocarse una tapa metálica sobre la lata metálica para formar un cerramiento completo del módulo de batería preliminar. La tapa metálica puede acoplarse a la lata metálica mediante, por ejemplo, soldadura, unión por soldadura o medios mecánicos. En algunas realizaciones, la carcasa incluye un marco de plástico en el lado y dos láminas en la parte superior e inferior, respectivamente (por ejemplo, como se muestra en las FIGS. 7A-7B). En estas realizaciones, el módulo preliminar puede acoplarse primero al marco de plástico conectando las lengüetas a los conectores del ánodo y cátodo, tras lo cual las dos láminas pueden acoplarse al marco de plástico mediante, por ejemplo, fusión térmica o sellado a presión.
[0219] A continuación, el módulo de batería cerrado se somete a un procedimiento de formación en el paso 980, en el que se puede realizar una operación de carga inicial para crear una interfase sólido-electrolito (SEI) estable que pueda pasivar la interfaz electrodo-electrolito, así como evitar reacciones secundarias. Además, también suelen llevarse a cabo varios ciclos de carga y descarga de las baterías para garantizar que la capacidad de las baterías cumple las especificaciones requeridas.
[0220] Las FIG. 10A y FIG. 10B muestran una vista superior y una vista lateral, respectivamente, de una disposición de un conjunto de ánodo que incluye múltiples ánodos, de acuerdo con algunas realizaciones. La FIG. 10A muestra un conjunto de ánodos 1000 que incluye una película de bolsa 1040 (por ejemplo, una película de PE/PP) que puede constituir una bolsa para contener la celda de batería resultante, sobre la que se disponen una pluralidad de ánodos 1001a, 1001b, 1001c y 1001d. Por ejemplo, el primer ánodo 1001a incluye un material de ánodo 1010a dispuesto sobre un colector de corriente de ánodo 1020a, que está dispuesto sobre la película de bolsa 1040. El primer ánodo 1001a incluye además una lengüeta de ánodo 1022a, acoplada eléctricamente al colector de corriente del ánodo 1020a, para acoplar el primer ánodo 1001a a un circuito externo. De forma similar, el segundo ánodo 1001b incluye una lengüeta 1022b y un material del ánodo 1010b dispuesto sobre un colector de corriente del ánodo 1020b. Cada ánodo (1001a a 1001d) está eléctricamente aislado (por ejemplo, por separación física) de otro ánodo en el conjunto de ánodos 1000.
[0221] Las lengüetas (1022a, 1022b, etc.) están dispuestas de forma alternada en cuanto a su ubicación con respecto a los respectivos colectores de corriente. Más específicamente, si una lengüeta (por ejemplo, 1022a) está dispuesta en el lado derecho del colector de corriente asociado (1020a), entonces sus lengüetas vecinas (por ejemplo, 1022b) están dispuestas en el lado izquierdo del colector de corriente asociado (1020b), y viceversa. Esta configuración alternada de las lengüetas permite ensamblar cómodamente las celdas unitarias en pasos posteriores durante la fabricación de celdas de bolsa única.
[0222] El conjunto de ánodos 1000 mostrado en la FIG. 10A incluye cuatro ánodos 1001a a 1001d sólo con fines ilustrativos. En la práctica, el número de ánodos dispuestos en una película de bolsa 1040 puede ser mayor o menor que cuatro.
[0224] La FIG.10B muestra una vista en sección transversal (tomada a lo largo de la línea 10B-10B mostrada en la FIG.
[0225] 10A) del conjunto del ánodo 1000 que incluye, de arriba abajo, un material del ánodo 1010, un colector de corriente del ánodo 1020 y una película de bolsa 1040. Se puede observar en las FIGS.10A-10B que el material del ánodo 1010 es más pequeño en tamaño en comparación con el colector de corriente del ánodo 1020, que es aún más pequeño en tamaño en comparación con la película de bolsa 1040. En la práctica, esta estructura piramidal permite manipular cómodamente los ánodos durante la fabricación. Más concretamente, el tamaño relativamente grande de la película de bolsa 1040 puede proporcionar un medio para soportar materiales de electrodo, en particular materiales de electrodo semisólidos, durante la fabricación de la batería, es decir, la película de bolsa puede sostener los materiales de electrodo. La película de bolsa 1040 también puede proteger los electrodos de la deformación, en particular en el borde de los electrodos, que podría producirse en caso de envasar un apilamiento de electrodos. Además, la película de bolsa 1040 también puede evitar el derrame potencial de materiales de electrodos y la contaminación de otros componentes en la fabricación de baterías al contener los materiales de electrodos dentro del espacio definido por la película de bolsa 1040.
[0227] Un método de preparación del conjunto del ánodo 1000 mostrado en las FIGS. 10A-10B puede partir de una película de bolsa. A continuación, se puede laminar una pluralidad de colectores de corriente del ánodo sobre la película de la bolsa (por ejemplo, con un adhesivo, de acuerdo con la invención), , con lengüetas configuradas de forma alternada como se ha descrito anteriormente. La pluralidad de colectores de corriente del ánodo puede disponerse en una estructura periódica para facilitar el posterior ensamblaje de las celdas de batería unitaria. En algunas realizaciones, (por ejemplo, como se muestra en la FIG.10A), los colectores de corriente del ánodo están dispuestos en una matriz unidimensional. En algunas realizaciones, los colectores de corriente del ánodo pueden disponerse en matrices bidimensionales. Después de que la película de la bolsa y los colectores de corriente del ánodo se enlacen, los materiales del ánodo se pueden disponer en cada uno del colector de corriente del ánodo para formar el conjunto del ánodo 1000.
[0229] En algunas realizaciones, la pluralidad de colectores de corriente del ánodo pueden depositarse sobre la película de la bolsa mediante cualquiera de las siguientes técnicas de recubrimiento o deposición, incluyendo, pero sin limitarse a, la deposición química en fase vapor (CVD) (incluyendo la CVD iniciada, la CVD por hilo caliente, la CVD mejorada por plasma y otras formas de CVD), la deposición física en fase vapor, la deposición por pulverización del cátodo, pulverización del cátodo por magnetrón, pulverización del cátodo por radiofrecuencia, deposición en capas atómicas, deposición por láser pulsado, revestimiento, galvanoplastia, recubrimiento por inmersión, cepillado, recubrimiento por pulverización, química sol-gel (mediante recubrimiento por inmersión, cepillado o recubrimiento por pulverización), recubrimiento por pulverización electrostática, impresión 3D, recubrimiento por rotación, electrodeposición, recubrimiento en polvo, sinterización, métodos de autoensamblaje. y cualquier combinación de estas técnicas.
[0231] En algunas realizaciones, las propiedades de los colectores de corriente del ánodo depositados pueden optimizarse durante la deposición variando los parámetros de deposición. Las propiedades físicas tales como, por ejemplo, la textura del recubrimiento, el grosor del recubrimiento, la uniformidad del grosor, la morfología de la superficie, incluyendo la rugosidad de la superficie, la porosidad y las propiedades mecánicas generales, incluyendo la resistencia a la fractura, la ductilidad y la resistencia a la tracción, pueden optimizarse mediante el ajuste fino de los parámetros de deposición. De forma similar, las propiedades químicas tales como, por ejemplo, la resistencia química y la resistencia a la corrosión del electrolito y las sales, junto con otras propiedades químicas, incluyendo la reactividad específica, la adhesión, la afinidad y similares, pueden optimizarse variando los parámetros de deposición para producir un colector de corriente que funcione. En algunas realizaciones, diversas propiedades físicas y químicas del colector de corriente depositado o recubierto pueden mejorarse o modificarse aún más tras la deposición mediante un tratamiento superficial o térmico posterior, como el recocido o el recocido térmico rápido (flash), o el pulido electromecánico, y utilizando cualquier combinación de las técnicas correspondientes.
[0233] La FIG.11A muestra una vista superior y la FIG.11B muestra una vista en sección transversal (tomada a lo largo de la línea 11B-11B mostrada en la FIG. 11A) de la disposición de un conjunto del cátodo que incluye múltiples ánodos, de acuerdo con algunas realizaciones. El conjunto del cátodo 1100 incluye una pluralidad de cátodos 1101a, 1101b, 1101c y 1101d, que están dispuestos sobre una película de bolsa 1140. Cada cátodo (1101a a 1101d) incluye un material del cátodo 1110a (tómese el primer cátodo como ejemplo) dispuesto sobre un colector de corriente del cátodo 1120a, que está laminado a la película de bolsa 1140. Cada cátodo incluye además una lengüeta 1122a para el acoplamiento eléctrico. La FIG.11B muestra una vista en sección transversal del conjunto del cátodo 1000, que incluye, de arriba a abajo, un material del cátodo 1110, un colector de corriente del cátodo 1120 y una película de bolsa 1140.
[0235] El método de preparación del conjunto del cátodo 1100 puede ser sustancialmente similar al método de preparación del conjunto del ánodo 1000 descrito anteriormente. El método puede partir de la laminación de una pluralidad de colectores de corriente del cátodo en una matriz sobre una película de bolsa. A continuación, los materiales del cátodo pueden disponerse en cada uno de los colectores de corriente del cátodo para formar el conjunto del cátodo.
[0236] En algunas realizaciones, el conjunto del ánodo 1000 mostrado en las FIGS. 10A-10B y el conjunto del cátodo mostrado en las FIGS. 11A-11B pueden prepararse en una misma película de bolsa (1040 u 1140). En algunas realizaciones, el conjunto del ánodo 1000 y el conjunto del cátodo 1100 pueden prepararse en películas de bolsa separadas.
[0237] De forma similar, la pluralidad de colectores de corriente del cátodo también se puede depositar en la película de bolsa a través de una serie de técnicas de deposición o recubrimiento como se ha descrito anteriormente con respecto a las FIGS. 10A-10B. Y las propiedades del colector de corriente del cátodo depositado pueden optimizarse mediante las técnicas de optimización anteriormente descritas.
[0238] La FIG.12 muestra una vista superior de una disposición del conjunto de electrodos 1200 que incluye un conjunto del ánodo 1201 y un conjunto del cátodo 1202, dispuestos sobre una película de bolsa común 1240. El conjunto del ánodo 1201 y el conjunto del cátodo 1202 pueden ser sustancialmente similares al conjunto del ánodo 1000 de la FIG.10A y al conjunto del cátodo 1100 de la FIG.10B, respectivamente, por lo que no se describen en detalle aquí. El conjunto del ánodo 1201 y el conjunto del cátodo 1202 están alineados de tal manera que cada ánodo del conjunto del ánodo 1201 se superpone a un cátodo correspondiente del conjunto del cátodo 1202 cuando el conjunto del electrodo 1200 se pliega a lo largo de la línea discontinua 10 en el centro. Además, las respectivas lengüetas 1221 y 1222 del conjunto del ánodo y del conjunto del cátodo están dispuestas de forma complementaria. Más concretamente, cuando se pliega a lo largo de la línea discontinua 10, cada lengüeta del ánodo 1221 está en un lado del colector de corriente respectivo y cada lengüeta del cátodo 1222 está en el otro lado del colector de corriente respectivo. En otras palabras, las lengüetas del ánodo 1221 no están en contacto con las lengüetas del cátodo 1222 cuando el conjunto de electrodos 1200 se pliega a lo largo de la línea discontinua 10.
[0239] En algunas realizaciones, la película de bolsa puede mantenerse plegada durante un período de tiempo prolongado mediante la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado para evitar que pierda su pliegue. En algunas realizaciones, la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado para prolongar los pliegues puede llevarse a cabo antes de laminar los colectores de corriente a la película de bolsa. En algunas realizaciones, la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado para prolongar los pliegues puede llevarse a cabo después de la laminación de los colectores de corriente a la película de bolsa. De forma similar, en algunas realizaciones, la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado para prolongar los pliegues puede realizarse antes de depositar o recubrir los colectores de corriente en la película de la bolsa. En algunas realizaciones, la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado para prolongar los pliegues puede llevarse a cabo después de la deposición o recubrimiento de los colectores de corriente a la película de bolsa. El conjunto de electrodos 1200 puede prepararse mediante métodos similares a los descritos en relación con las FIGS. 10A-10B y FIGS. 11A-11B. Sin embargo, los pasos de los métodos anteriores (por ejemplo, laminación de los colectores de corriente, disposición de los materiales de los electrodos, etc.) pueden disponerse en varios órdenes para preparar el conjunto de electrodos 1200. En algunas realizaciones, un método de preparación del conjunto de electrodos 1200 parte de una película de bolsa, seguida de una laminación separada de los colectores de corriente del ánodo y los colectores de corriente del cátodo. A continuación, los materiales del ánodo pueden disponerse en cada colector de corriente del ánodo y los materiales del cátodo pueden disponerse en cada colector de corriente del cátodo. En algunas realizaciones, un método de preparación del conjunto de electrodos 1200 comienza con el laminado de los colectores de corriente del ánodo sobre una película de bolsa, seguido de la disposición de los materiales del ánodo sobre cada uno de los colectores de corriente del ánodo. A continuación, el método procede al laminado de los colectores de corriente del cátodo y a la disposición de los materiales del cátodo en cada uno de los colectores de corriente del cátodo.
[0240] En algunas realizaciones, los colectores de corriente del ánodo y/o los colectores de corriente del cátodo pueden depositarse uno tras otro sobre la película de la bolsa mediante una serie de técnicas de deposición o recubrimiento, tal como se describe en el presente documento. Las propiedades de los colectores de corriente del ánodo y/o del cátodo depositados también pueden optimizarse como se ha descrito anteriormente mediante las técnicas o enfoques de optimización mencionados.
[0241] En algunas realizaciones, los colectores de corriente pueden laminarse sobre la película de la bolsa de forma alternada. Más concretamente, cada vez que se lamina un colector de corriente de un tipo (ánodo o cátodo) en la película de la bolsa, se lamina un colector de corriente del otro tipo (cátodo o ánodo) y se alinea con el colector de corriente del tipo opuesto. Estas realizaciones descritas anteriormente de forma inmediata sólo tienen fines ilustrativos. Uno de habilidad ordinaria en la técnica debe apreciar que varias otras órdenes pueden ser implementadas para preparar el conjunto de electrodos 1200.
[0242] Se puede colocar un separador en cada electrodo (ánodo o cátodo) del conjunto de electrodos durante o después de la preparación del conjunto de electrodos 1200. En algunas realizaciones, se coloca un separador en cada material del ánodo. En algunas realizaciones, se coloca un separador en cada material del cátodo. En algunas realizaciones, los separadores se colocan sobre los materiales de los electrodos después de preparar el conjunto de electrodos 1200. En algunas realizaciones, los separadores se colocan sobre los materiales de los electrodos durante la preparación del conjunto de electrodos. Por ejemplo, los separadores pueden colocarse en los materiales del ánodo después de preparar el conjunto del ánodo 1201 pero antes de preparar el conjunto del cátodo 1202. Uno con habilidades ordinarias en la técnica apreciará que aquí se pueden implementar otros órdenes de pasos para disponer separadores en los materiales de electrodo.
[0243] Después de colocar los separadores (o una única hoja grande de separador) en el conjunto de electrodos 1200 (en el conjunto del ánodo 1201 o en el conjunto del cátodo 1202), el conjunto de electrodos 1200 se dobla a lo largo de la línea media 10 para formar un conjunto de celdas unitarias 1300, como se muestra en las FIGS.13A-13B. El conjunto de celdas unitarias 1300 incluye una pluralidad de celdas unitarias 1301a, 1301b, 1301c y 1301d. Una película de bolsa 1340 contiene sustancialmente la pluralidad de celdas unitarias 1301a a 1301d, excepto las lengüetas 1321 y 1322, que sobresalen de la película de bolsa 1340 para permitir el acoplamiento eléctrico con componentes externos. Para propósitos ilustrativos solamente, se muestran cuatro celdas unitarias en la FIG.13A. En la práctica, el número de celdas unitarias de un conjunto de celdas unitarias puede ser superior o inferior a cuatro, en función de las especificaciones de fabricación.
[0244] Cada celda unitaria (tomemos como ejemplo la primera celda unitaria 1301a) del conjunto de celdas unitarias incluye una lengüeta del cátodo 1321 en un lado de la celda unitaria y una lengüeta del ánodo 1322 en el otro lado de la celda unitaria. Las celdas unitarias vecinas en el conjunto de celdas unitarias 1300 tienen configuraciones opuestas de las lengüetas 1321 y 1322. Tomemos como ejemplo la primera celda unitaria 1301a y la segunda celda unitaria 1301b. En la primera celda unitaria 1301a, la lengüeta del cátodo 1321 está en el lado izquierdo de la celda unitaria y la lengüeta del ánodo 1322 está en el lado derecho. En la segunda celda unitaria 1301b, sin embargo, la lengüeta del cátodo 1321 está en el lado derecho de la celda unitaria mientras que la lengüeta del ánodo 1321 está en el lado izquierdo. Esta configuración alternada de lengüetas permite un cómodo ensamblaje de las celdas y la fabricación de la batería en pasos posteriores, como se detalla a continuación.
[0245] La FIG.13B muestra una vista en sección transversal (tomada a lo largo de la línea 13B-13B mostrada en la FIG.
[0246] 13A) del conjunto de celdas unitarias 1300, que incluye, de arriba a abajo, una primera película de bolsa 1340a, un colector de corriente del cátodo 1310, un material del cátodo 1320, un separador 1330, un material del ánodo 1330, un colector de corriente del ánodo 1350, y una segunda película de bolsa 1340b. En algunas realizaciones, la primera película de bolsa 1340a y la segunda película de bolsa 1340b pueden ser diferentes porciones de una misma película, por ejemplo, como se muestra en la FIG.12. En algunas realizaciones, la primera película de bolsa 1340a y la segunda película de bolsa 1340b pueden ser películas de bolsa diferentes, sobre las que se disponen respectivamente un conjunto del ánodo y un conjunto del cátodo.
[0247] Se puede realizar un paso de sellado en el conjunto de celdas unitarias 1300 mostrado en las FIGS.13A-13B para formar celdas unitarias individuales, cada una de las cuales está contenida en una bolsa, es decir, celdas unitarias de bolsa única. La FIG.14 ilustra un esquema de sellado de un conjunto de celdas unitarias 1400, que puede ser sustancialmente similar al conjunto de celdas unitarias 1300. El conjunto de celdas unitarias 1400 incluye una pluralidad de celdas unitarias 1401a a 1401d, que están sustancialmente contenidas en una película de bolsa 1440. La línea discontinua 20 indica las ubicaciones de sellado, que puede ser, por ejemplo, sellado al vacío o sellado térmico.
[0248] En algunas realizaciones, el paso de sellado se puede llevar a cabo a lo largo de las dos líneas horizontales (una en la parte superior y otra en la parte inferior del conjunto de celdas unitarias 1400) en primer lugar, seguido de sellado en cada línea vertical. En algunas realizaciones, el orden anterior puede invertirse, es decir, primero el sellado vertical y después el sellado horizontal. En algunas realizaciones, tanto el sellado vertical como el sellado horizontal pueden llevarse a cabo simultáneamente a lo largo de las líneas de sellado predeterminadas 20. Las FIGS.15A-15B ilustran un procedimiento para apilar celdas unitarias después de sellar cada celda unitaria en una bolsa, de acuerdo con algunas realizaciones. La FIG.15A muestra un conjunto de celdas unitarias 1500 que es sustancialmente similar al conjunto de celdas unitarias a escala 1400 mostrado en la FIG. 14. El conjunto de celdas unitarias 1400 incluye una pluralidad de celdas unitarias 1501a a 1501d. El sellado se realiza a lo largo de la línea discontinua 20. Las líneas verticales de puntos 30 indican la ubicación de las líneas a lo largo de las cuales se pliega el conjunto de celdas unitarias 1500 para formar un apilamiento de celdas unitarias. Después del plegado, las lengüetas del ánodo están en un borde del apilamiento resultante y las lengüetas del cátodo están en el otro borde del apilamiento resultante, de manera que las lengüetas del ánodo están eléctricamente aisladas de las lengüetas del cátodo.
[0249] En algunas realizaciones, la pluralidad de celdas unitarias 1501a a 1501d se pliega de forma enrollada. Por ejemplo, la celda unitaria 1501d puede plegarse sobre la celda unitaria 1501c en el sentido contrario a las agujas del reloj, y el apilamiento resultante de 1501c y 1501d puede plegarse sobre la celda unitaria 1501b también en el sentido contrario a las agujas del reloj. Este procedimiento de enrollado puede continuar hasta la última celda unitaria del conjunto (o primera celda unitaria, dependiendo de la celda unitaria de partida).
[0250] En algunas realizaciones, como se muestra en la FIG. 15B, la pluralidad de celdas unitarias 1501a a 1501d se pliega en forma de zigzag. Por ejemplo, las celdas unitarias 1501a y 1501b pueden plegarse en sentido contrario a las agujas del reloj. Sin embargo, las celdas unitarias 1501c y 1501d pueden plegarse en el sentido de las agujas del reloj. El apilamiento de 1501a y 1501b puede plegarse con el apilamiento de 1501c y 1501d en el sentido contrario a las agujas del reloj o en el sentido de las agujas del reloj. En otras palabras, la dirección de plegado puede ser diferente para diferentes celdas unitarias en el conjunto de celdas unitarias 1500.
[0251] En algunas realizaciones, el plegado de la pluralidad de celdas unitarias 1501a a 1501d puede realizarse simultáneamente. Por ejemplo, se puede aplicar una fuerza tanto desde el lado izquierdo como desde el lado derecho del conjunto de celdas unitarias para empujar las celdas unitarias que se van a apilar, de forma similar al panel lateral de un acondicionador de aire de ventana.
[0252] En algunas realizaciones, el plegado de la pluralidad de celdas unitarias 1501a a 1501d puede mantenerse durante un periodo de tiempo prolongado mediante la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado para evitar que pierda su plegado. En algunas realizaciones, la aplicación de calor o de cualquier otro método adecuado para prolongar los pliegues puede llevarse a cabo después del plegado en el sentido contrario a las agujas del reloj, después del plegado en el sentido de las agujas del reloj, después del plegado en dirección de zigzag, o en cualquier combinación de direcciones de plegado del mismo. En algunas realizaciones, los pliegues de la pluralidad de celdas unitarias 1501a a 1501d pueden mantenerse durante un periodo de tiempo prolongado mediante la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado antes del plegado de la pluralidad de celdas. En algunas realizaciones, el plegado de la pluralidad de celdas unitarias 1501a a 1501d puede mantenerse durante un período de tiempo prolongado mediante la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado después de que tenga lugar cada plegado de la pluralidad de celdas. En algunas realizaciones, el plegado de la pluralidad de celdas unitarias 1501a a 1501d puede mantenerse durante un período de tiempo prolongado mediante la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado después de que se hayan realizado todos los plegados de la pluralidad de celdas.
[0253] La FIG.16A muestra una vista superior y la FIG.16B muestra una vista en sección transversal (tomada a lo largo de la línea 16B-16B mostrada en la FIG. 16A) de un apilamiento de celdas unitarias preparado a partir de los métodos mostrados en las FIGS.15A-15B. El apilamiento de celdas unitarias 1600 incluye una pluralidad de celdas unitarias 1601a-1601d (denominadas colectivamente celdas unitarias 1601). Cada celda unitaria está sellada en una bolsa 1640. Las lengüetas del cátodo 1621 están alineadas en el borde izquierdo del apilamiento de celdas unitarias 1600 y las lengüetas del ánodo 1622 están alineadas en el borde derecho del apilamiento de celdas unitarias 1600. Tanto las lengüetas del cátodo 1621 como las lengüetas del ánodo 1622 sobresalen de la bolsa 1640 para permitir el acoplamiento eléctrico con otros componentes de un sistema, como otros apilamientos de celdas, utilidades o conectores.
[0254] Las FIGS.17A-17B muestran celdas de bolsa con porciones adicionales para acomodar la generación de gas y el resellado para ilustrar métodos ejemplares de realizar pasos de desgasificación durante la fabricación de celdas de batería de bolsa única, de acuerdo con algunas realizaciones. La FIG. 17A muestra una vista superior de un conjunto de celdas unitarias 1700 que incluye una pluralidad de celdas unitarias 1701a, 1701b, 1701c y 1701d, que se sellan en cada bolsa respectiva a lo largo de la línea de sellado 20. Cada celda unitaria 1701a a 1701d incluye además una porción para alojar el gas generado en la formación de las celdas, también denominada en el presente documento porción de desgasificación 1761a a 1761d, respectivamente. Las porciones de desgasificación 1761a a 1761d se extienden desde las porciones de electrodo de las celdas unitarias e incluyen espacio de bolsa vacío. Los gases generados durante los pasos de desgasificación pueden ser contenidos en estas porciones de desgasificación 1761a a 1761d. Una vez completados los pasos de desgasificación, las porciones de desgasificación 1761a a 1761d pueden cortarse a lo largo de la línea de puntos blancos mostrada en la FIG. 17B para liberar los gases contenidos y retirarse del conjunto de celdas unitarias 1700. El conjunto de celdas unitarias desgasificado 1700 puede entonces volver a sellarse a lo largo de una nueva línea de sellado 25 para formar un conjunto de celdas unitarias resellado para su posterior procesamiento (por ejemplo, apilamiento de celdas unitarias como se muestra en las FIG.15A-15B). En algunas realizaciones, los pasos de desgasificación también se pueden hacer después del apilamiento de las celdas unitarias sellando un par de material de bolsa apilado a la vez. Este enfoque puede hacer que la producción sea más eficaz.
[0255] En algunas realizaciones, el conjunto de celdas unitarias 1700 que incluye porciones de desgasificación en cada celda unitaria puede prepararse mediante métodos sustancialmente similares descritos anteriormente en relación con la FIG.12, excepto que aquí se utilizan películas de bolsa de mayor tamaño. Más específicamente, el área a ambos lados de la línea media 10 de la FIG. 12 puede extenderse para permitir la formación de las porciones de desgasificación cuando el conjunto de electrodos se pliega a lo largo de la línea media 10.
[0256] En algunas realizaciones, el conjunto del cátodo y el conjunto del ánodo pueden prepararse en películas de bolsa separadas, con películas adicionales en la parte inferior del conjunto de enseñanza. Luego, los dos conjuntos pueden apilarse juntos y sellarse a lo largo de la línea discontinua 20, como se muestra en la FGI.17A para formar el conjunto de celdas unitarias 1700.
[0257] Las FIG. 10A a FIG. 17B ilustran métodos para preparar conjuntos de celdas unitarias que tienen tanto lengüetas del ánodo como lengüetas del cátodo en el mismo lado de los conjuntos de celdas unitarias resultantes. En algunas realizaciones, como se muestra en la FIG.18, las lengüetas del ánodo 1821 y las lengüetas del cátodo 1822 están en lados opuestos del conjunto de celdas unitarias 1800. En este ejemplo, las lengüetas del ánodo 1821 y las lengüetas del cátodo 1822 de las celdas unitarias 1801a a 1801d pueden aprovechar una mayor anchura disponible de los colectores de corriente, es decir, las lengüetas pueden ser más anchas. La mayor anchura de las lengüetas puede reducir la resistencia eléctrica de las lengüetas, mejorando así el rendimiento de la batería resultante. Una mayor anchura también puede mejorar la estabilidad mecánica y eléctrica de la batería resultante, ya que es más difícil que una lengüeta de mayor anchura se corroa, se fatigue o se vea comprometida de otro modo debido a razones físicas y/o químicas.
[0259] El conjunto de celdas unitarias 1800 puede prepararse apilando un conjunto del ánodo (por ejemplo, 1000 mostrado en la FIG.10A, con lengüetas ensanchadas) sobre un conjunto del cátodo (por ejemplo, 1100 mostrado en la FIG.
[0260] 11A, con lengüetas ensanchadas) que está boca abajo para configurar las lengüetas del cátodo y las lengüetas del ánodo en lados opuestos del conjunto de celdas unitarias resultante. El conjunto de celdas unitarias 1800 resultante puede entonces sellarse a lo largo de las líneas de sellado 20 para formar celdas de batería de bolsa única empaquetadas individualmente.
[0262] Las FIGS. 19A-19B muestran un método de fabricación ejemplar para preparar celdas de batería de bolsa única, en el que los conjuntos de electrodos incluyen tanto ánodos y cátodos en la misma fila. Para fines ilustrativos únicamente, la FIG. 19A muestra un conjunto de electrodos 1900 que incluye dos ánodos (1901a y 1901c) y dos cátodos (1901b y 1901d) que están dispuestos sobre una misma película de bolsa 1940 y se disponen de manera alternada en una misma secuencia. El primer ánodo 1901a y el primer cátodo 1901b forman una primera celda unitaria 1901 cuando se pliegan a lo largo de una primera línea de puntos 50. El segundo ánodo 1901c y el segundo cátodo 1901d forman una segunda celda unitaria 1902 cuando se pliegan a lo largo de una segunda línea de puntos 55. En algunas realizaciones, las dos celdas unitarias 1901 y 1902 se pliegan aún más a lo largo de la línea sólida 40 para formar un apilamiento de celdas unitarias simples. En algunas realizaciones, el plegado a lo largo de la línea sólida 40 de la pluralidad de las celdas unitarias 1901 y 1902 puede mantenerse durante un período de tiempo prolongado mediante la aplicación de calor o cualquier otro método adecuado para evitar que pierda su pliegue. En algunas realizaciones, las dos celdas unitarias 1901 y 1902 se cortan a lo largo de la línea sólida para formar dos celdas unitarias individuales e independientes para su posterior procesamiento (por ejemplo, apilamiento, sellado, etc.).
[0264] La FIG.19B muestra una vista en sección transversal de la región plegada en la primera celda unitaria 1901, que incluye una película de bolsa 1904 que contiene sustancialmente, desde tres direcciones (inferior, superior y lado derecho), un material del cátodo 1902 dispuesto sobre un colector de corriente del cátodo 1910, un material del ánodo 1950 dispuesto sobre un colector de corriente del ánodo 1960, y un separador 1930 dispuesto entre el material del ánodo 1950 y el material del cátodo 1920. En algunas realizaciones, se pueden utilizar películas de bolsa más largas en una porción de conexión 1942 de la película de bolsa 1940 para formar una porción de desgasificación.
[0266] Las FIGS. 19C-19D muestran un método de fabricación ejemplar para preparar celdas de batería en configuraciones cilíndricas, de acuerdo con algunas realizaciones. La FIG.19C muestra una vista superior de una celda de batería cilíndrica 1903 que incluye múltiples apilamientos de electrodos. Cada apilamiento de electrodos incluye además un cátodo 1913, un ánodo 1923, un separador 1933 dispuesto entre el cátodo 1913 y el ánodo 1923. Los apilamientos de electrodos adyacentes están separados por una capa de bolsa 1943. La FIG. 19D muestra una vista esquemática de la celda de batería cilíndrica 1903.
[0268] Las FIGS. 19E-19G muestran un método de fabricación ejemplar para preparar celdas de batería en configuraciones prismáticas, de acuerdo con algunas realizaciones. La FIG.19E muestra una vista superior parcial de una celda de batería prismática 1905 que ilustra estructuras detalladas en la porción encerrada en un círculo en la FIG.19F, que muestra una vista superior completa de la celda de batería prismática 1095. La celda de batería prismática 1905 incluye múltiples apilamientos de electrodos, cada uno de los cuales incluye además un cátodo 1915, un ánodo 1925, un separador 1935 dispuesto entre el cátodo 1915 y el ánodo 1925. Los apilamientos de electrodos adyacentes están separados por una capa de bolsa 1945. La FIG.19G muestra una vista esquemática de la celda de batería prismática 1905.
[0270] Tanto la celda de batería cilíndrica 1903 como la celda de batería prismática 1905 pueden prepararse mediante los métodos que se exponen a continuación. En algunas realizaciones, el cátodo (1913 o 1915) y el ánodo (1923 o 1925) pueden prepararse por separado. Por ejemplo, el cátodo puede prepararse disponiendo un material del cátodo en un colector de corriente del cátodo, y el ánodo puede prepararse disponiendo un material del ánodo en un colector de corriente del ánodo. A continuación, puede disponerse un separador en el material del ánodo o en el material del cátodo. A continuación, el cátodo y el ánodo preparados pueden apilarse juntos para formar un apilamiento de electrodos, seguido de la disposición de una capa de bolsa en un lado del apilamiento de electrodos (ya sea el lado del ánodo o el lado del cátodo). A continuación, el apilamiento de electrodos junto con la capa de bolsa puede enrollarse en una celda de batería cilíndrica o en una celda de batería prismática. En algunas realizaciones, la capa de bolsa puede disponerse sobre uno de los electrodos antes de que los dos electrodos se apilen juntos para facilitar la preparación del electrodo.
[0271] En algunas realizaciones, el apilamiento de electrodos (incluyendo la capa de bolsa) puede prepararse de una manera capa por capa. Por ejemplo, la fabricación puede comenzar disponiendo un colector de corriente del ánodo sobre una capa de bolsa, seguido de la disposición de un material del ánodo sobre el colector de corriente del ánodo. Sobre el material del ánodo puede disponerse un separador, sobre el que se dispone un material del cátodo, seguido del colector de corriente del cátodo. Tras este procedimiento por capas, el apilamiento de electrodos resultante puede enrollarse en una celda de batería con una configuración cilíndrica o con una configuración prismática. En algunas realizaciones, la capa de bolsa puede disponerse después de la formación del apilamiento de electrodos.
[0272] En algunas realizaciones, antes de enrollar el apilamiento de electrodos en una celda de batería, se puede realizar un paso de corte longitudinal para conseguir los factores de forma deseados para la celda de batería resultante después del enrollado.
[0273] En algunas realizaciones, las celdas de batería mostradas en las FIGS.19C-19F pueden sellarse aún más en una bolsa o envase externo. La bolsa o envase externo puede utilizarse para mitigar la corrosión inducida, por ejemplo, por la humedad o los productos químicos del entorno.
[0274] Aunque las FIGS. 19C-19F muestran sólo una capa de bolsa en una celda de batería individual 1903 o 1905, en la práctica pueden usarse más de una capa de bolsa. En algunas realizaciones, pueden utilizarse dos capas de bolsa. Una capa de bolsa puede disponerse sobre el colector de corriente del ánodo y la otra capa de bolsa puede disponerse sobre el colector de corriente del cátodo para facilitar la preparación de los electrodos (por ejemplo, evitando el derrame o la deformación del material del electrodo).
[0275] La FIG. 20 es una ilustración de una celda de batería de bolsa única fabricada de acuerdo con los métodos descritos anteriormente. La celda de batería 2000 incluye una bolsa 2040 que contiene un ánodo 2010, un cátodo y un separador. El cátodo y el separador están detrás del ánodo 2010 y no están etiquetados. La celda de batería también incluye una lengüeta del ánodo 2010 hecha de cobre y una lengüeta del cátodo 2014 hecha de aluminio. Como puede verse en la FIG. 20, la bolsa 2040 contiene sustancialmente las porciones de electrodos, mientras que las lengüetas 2012 y 2014 se extienden fuera de la bolsa para las conexiones externas.
[0276] La FIG. 21 muestra las curvas de retención de capacidad de tres grupos de celdas de batería de bolsa única. El primer grupo, también denominado grupo de control, incluye celdas de batería de bolsa única que han sido sometidas a un paso de desgasificación antes de probar la retención de capacidad. El segundo grupo, también denominado grupo "sin desgasificación", incluye celdas de batería de bolsa única sin desgasificación previa a la prueba. Las celdas de batería de bolsa única del tercer grupo, también denominado grupo de "precarga", se someten a un paso de precarga antes del sellado de la bolsa. La precarga se realiza con una tasa C/10 durante aproximadamente 1 hora. No se realiza ningún paso de desgasificación para las baterías en el tercer grupo. Las celdas de batería en todos los grupos de paso tienen una suspensión del cátodo que comprende un 50% en volumen de fosfato de hierro y litio (LFP) y un 0,936% en volumen de aditivo de carbono, que se mezclan en un mezclador de velocidad. En algunas realizaciones, el protocolo para mezclar la suspensión del cátodo incluye dos repeticiones de 3 minutos de mezcla a 650 RPM, seguidas de 1 minuto de mezcla a 1250 RPM. El ánodo utilizado en las celdas de batería incluye un 50% en volumen de polvo de grafito y un 2% en volumen de aditivo de carbono, que también se mezclan en un mezclador. En algunas realizaciones, el protocolo para mezclar la suspensión del ánodo incluye 6 minutos de mezcla a 650 RPM. El ánodo tiene un grosor de alrededor de 265 µm. El electrolito utilizado en estas celdas de batería incluye un disolvente de 50/50 carbonato de etileno (EC)/y-butirolactona (GBL), 1M LiTFSI disuelto en el disolvente. El electrolito incluye además aditivos tales como un 2% de carbonato de vinileno (VC). El grosor total de las celdas de batería es de alrededor de 900 µm.
[0277] Como se observa en la FIG.21, las celdas de batería en el grupo de precarga muestran sustancialmente la misma retención de capacidad en comparación con las celdas de batería en el grupo de control. Además, las celdas de batería del grupo sin desgasificación muestran una mayor capacidad durante los primeros 15-20 ciclos, lo que indica que la capacidad total de las celdas de la batería del grupo sin desgasificación puede no obtenerse durante esos ciclos. La comparación de la retención de capacidad muestra que se puede realizar un procedimiento de precarga para las celdas de bolsa única para eliminar la necesidad de pasos de desgasificación y eliminar aún más el paso de resellado en la fabricación convencional de baterías.
[0278] Módulos de Batería y Paquetes de Batería Ejemplares que Incluyen Celdas de Batería de Bolsa Única
[0279] La FIG.22 muestra una vista superior de un módulo de batería 2200 que incluye una matriz de celdas de batería de bolsa única 2210(1) a 2210(8) (denominadas colectivamente como celda de batería 2210), que está encerrada en una carcasa 2220. Cada celda de batería 2210 incluye una lengüeta del ánodo 2212 y una lengüeta del cátodo 2214, que pueden utilizarse para acoplar la celda de batería a otras celdas de batería. El módulo de batería 2200 mostrado en la FIG. 22 incluye 8 celdas de batería de bolsa única para propósitos ilustrativos solamente. En la práctica, el número de celdas de batería de bolsa única en un módulo de batería puede ser superior a 8 o inferior a 8, dependiendo de, por ejemplo, de las especificaciones deseadas de la batería.
[0280] Además, la pluralidad de celdas de batería 2210 está dispuesta en una matriz bidimensional también sólo con fines ilustrativos. En algunas realizaciones, la pluralidad de celdas de batería 2210 está dispuesta en una secuencia (es decir, una matriz unidimensional). En algunas realizaciones, la pluralidad de celdas de batería 2210 está dispuesta radialmente hacia un punto central común de tal manera que el módulo de batería 2200 puede tener una configuración cilíndrica.
[0281] Además, la FIG.22 muestra sólo una capa del módulo de batería con fines ilustrativos únicamente. En la práctica, uno o más módulos de batería como el módulo de batería 2200 pueden acoplarse entre sí para lograr la especificación de salida deseada, tal como la capacidad, la tensión o la corriente.
[0282] Las FIGS.23A-23B muestran una vista explotada y una vista colapsada, respectivamente, de un módulo de batería que incluye una pluralidad de módulos de batería de bolsa única encerrados en una carcasa metálica. Como se muestra en la FIG.23A, el módulo de batería 2300 incluye una cubierta superior 2310, una espuma superior 2320, un apilamiento de celdas 2330, y una carcasa integrada 2340 para contener el apilamiento de celdas.
[0283] El apilamiento de celdas 2330 incluye además una lengüeta del ánodo 2334 y una lengüeta del cátodo 2332. La lengüeta del ánodo 2334 está en comunicación eléctrica con cada ánodo de las celdas de batería del apilamiento de celdas 2330, y la lengüeta del cátodo 2332 está en comunicación eléctrica con cada cátodo de las celdas de batería del apilamiento de celdas 2330. La carcasa integrada 2340 incluye además un conector del ánodo 2344 y un conector del cátodo 2342. Cuando el apilamiento de celdas 2330 se coloca correctamente en la carcasa integrada 2340, la lengüeta del ánodo 2334 se acopla eléctricamente al conector del ánodo 2344, y la lengüeta del cátodo 2332 se acopla eléctricamente al conector del cátodo 2342. de tal forma que el módulo de batería 2300 puede suministrar energía (durante la descarga) o recibir energía (durante la carga) a través del conector del ánodo 2344 y el conector del cátodo 2342.
[0284] En algunas realizaciones, la cubierta superior 2310 incluye el mismo material metálico (por ejemplo, acero inoxidable, aluminio, cobre, etc.) que el utilizado en la carcasa integrada 2340. En algunas realizaciones, la cubierta superior 2310 incluye un material ligero (por ejemplo, polímero, plástico, metal ligero, etc.) para facilitar la extracción y reinstalación de la cubierta superior 2310.
[0285] En algunas realizaciones, la espuma superior 2320 es blanda (por ejemplo, una espuma amortiguadora) para reducir el daño potencial al apilamiento de celdas 2330 en caso de impacto. En algunas realizaciones, la espuma superior 2320 incluye espuma retardante de fuego tales como espumas sintéticas, espumas formadoras de película acuosa, espumas resistentes al alcohol y espumas proteicas, entre otras.
[0286] Las FIGS.24A-24B muestran una vista explotada y una vista colapsada, respectivamente, de un módulo de batería que incluye una pluralidad de módulos de batería de bolsa única encerrados en una carcasa de plástico. Como se muestra en la FIG.24A, el módulo de batería 2400 incluye una cubierta superior 2410, una espuma superior 2420, un apilamiento de celdas 2430, un revestimiento interior 2450, y una carcasa integrada 2440 para contener el apilamiento de celdas. La cubierta superior 2410, la espuma superior 2420, y el apilamiento de celdas 2430 pueden ser sustancialmente las mismas que la cubierta superior 2310, la espuma superior 2320, y el apilamiento de celdas 2330 mostradas en la FIG. 23A y descritas anteriormente. La carcasa integrada 2440 incluye un material plástico para, por ejemplo, reducir el peso del módulo de batería 2400.
[0287] En algunas realizaciones, el revestimiento interior 2450 incluye un material blando (por ejemplo, plástico, polímero, caucho, etc.) para reducir el daño potencial al apilamiento de celdas 2430 en caso de impacto. En algunas realizaciones, el revestimiento interior 2450 incluye un material retardante de fuego para reducir el riesgo de incendio. En algunas realizaciones, el revestimiento interior 2450 incluye un material antiestático tal como materiales basados en aminas alifáticas de cadena larga (opcionalmente etoxiladas) y amidas, sales de amonio cuaternario (por ejemplo, cloruro de behentrimonio o cocamidopropil betaína), ésteres de ácido fosfórico, ésteres de polietilenglicol o polioles. En algunas realizaciones, el revestimiento interior 2450 incluye un material antihumedad para evitar cortocircuitos en el apilamiento de celdas 2430 inducidos por humedades. En algunas realizaciones, el revestimiento interior 2450 incluye un material compuesto. Por ejemplo, el revestimiento interior 2450 puede incluir un material blando con fines de amortiguación recubierto con un material retardante de fuego para reducir el riesgo de incendio.
[0288] Los módulos de batería 2300 mostrados en las FIGS. 23A-23B y los módulos de batería 2400 mostrados en las FIGS.24A-24B, generalmente referidos como módulos de batería, pueden tener varias características que pueden facilitar las aplicaciones prácticas. En algunas realizaciones, los módulos de la batería pueden permitir el enclavamiento de módulo a módulo con el fin de permitir la construcción conveniente de paquetes de baterías con cierta especificación deseada (por ejemplo, tensión, corriente, capacidad, etc.). En algunas realizaciones, los módulos de batería incluyen un diseño modular tal que cada módulo de batería puede funcionar independientemente como fuente de alimentación o cooperar con otros componentes en una aplicación específica. En algunas realizaciones, los módulos de batería pueden tener las siguientes especificaciones: tensión de salida a 3,2 V. capacidad de celda de 280 Ah, peso de celda de 4,5 kg, energía total de 0,896 kWh, volumen de celda de 4,14 L, densidad de energía volumétrica de 216 Wh/L, y densidad de energía específica de 200 Wh/kg. Esta especificación sólo tiene fines ilustrativos. En la práctica, se pueden emplear diferentes especificaciones para satisfacer distintos requisitos prácticos en las aplicaciones.
[0289] La FIG.25 muestra una vista esquemática de un paquete de baterías 2500 que incluye una pluralidad de módulos de baterías 2510(1) a 2510(4), denominados colectivamente como módulo de batería 2510. El módulo de batería 2510 puede ser sustancialmente el mismo que el módulo de batería 2300 mostrado en las FIGS. 23A-23B o el módulo de batería 1400 mostrado en las FIGS. 24A-24B. El paquete de baterías 2500 mostrado en la FIG. 25 incluye cuatro módulos de batería 2510 dispuestos en una matriz bidimensional para propósitos ilustrativos solamente. En la práctica, el número de módulos de batería dentro de un paquete de baterías puede variar, dependiendo, por ejemplo, de las especificaciones deseadas. La configuración de la matriz también puede variar. Por ejemplo, la FIG. 26 muestra un módulo de batería 2600 incluyendo una matriz de cuatro módulos de batería 2610(1) a 2610(4) dispuestos en una secuencia unidimensional para, por ejemplo, ajustarse a cierto requerimiento de espacio.
[0290] Las FIGS. 27A-27C muestran esquemas de un paquete de baterías que incluye módulos de batería apilados verticalmente y una porción ampliada del módulo apilado para ilustrar las características de enclavamiento del paquete de baterías. El paquete de baterías 2700 mostrado en la FIG. 27A incluye un primer módulo de batería 2710a y un segundo módulo de batería 2710b, que están apilados verticalmente juntos. Una presión de apilamiento puede ser aplicada por el peso del primer módulo de batería 2710a al segundo módulo de batería 2710b. En algunas realizaciones, si 28 módulos se apilan uno tras otro, la diferencia de presión entre el módulo de batería superior y el módulo de batería inferior puede ser de aproximadamente 5 PSI.
[0291] El paquete de baterías 2700 incluye una porción de contacto izquierda 2712a y una porción de contacto derecha 2712b entre los dos módulos de batería. Las dos porciones de contacto 2712a y 2712b se muestran en la FIG.
[0292] 27B y FIG. 27C, respectivamente. Las FIGS. 27B y 27C muestran que la porción superior del módulo de batería inferior 2710b puede configurarse para recibir la porción inferior del módulo de batería superior 2710a. Con esta configuración, varios módulos de batería pueden acoplarse convenientemente entre sí y formar un paquete de baterías de las especificaciones deseadas.
[0293] Las FIGS. 28A-28B muestran una vista colapsada y una vista explotada de un bastidor de baterías 2800 que incluye una pluralidad de módulos de batería 2850 (por ejemplo, los módulos de batería 2300 y/o 2400) dispuestos en una configuración de bastidor (es decir, una matriz vertical bidimensional). Una pluralidad de marcos de soporte 2840 está dispuesta en los cuatro bordes de la pluralidad de módulos de batería 2850 para sostener unidos los módulos de batería 2850. Los marcos de soporte 2840 están acoplados mecánicamente a los módulos de batería 2850 a través de una pluralidad de pernos 2870. Una placa de extremo superior 2810 y una placa de extremo inferior 2880 encierran la pluralidad de módulos de batería 2850 desde arriba y desde abajo, respectivamente. Una pluralidad de placas de compresión 2830 con una pluralidad de resortes de compresión 2820 dispuestos sobre las mismas pueden colocarse entre la placa de extremo superior 2810 y la pluralidad de módulos de batería 2850 para amortiguación de impactos. Cada módulo de batería incluye un cable de batería 2860 para facilitar el acoplamiento eléctrico del módulo de batería con otros módulos de batería. Una vista colapsada del bastidor de baterías 2800 resultante se muestra en la FIG.28A.
[0294] Una especificación ejemplar del bastidor de baterías 2800 puede ser: tensión de salida a 716 V, capacidad de las celdas de 280 Ah, peso de las celdas de 1150 kg, energía total de 200 kWh, dimensión del bastidor de 600 mm × 760 mm × 2100 mm, densidad de energía volumétrica de 210 Wh/L, y densidad de energía específica de 175 Wh/kg. Esta especificación sólo tiene fines ilustrativos. En la práctica, se pueden emplear diferentes especificaciones para satisfacer distintos requisitos prácticos en las aplicaciones.
[0295] Si bien se han descrito diversas realizaciones anteriormente, debe entenderse que se han presentado únicamente a modo de ejemplo y no como limitación. Por ejemplo, aunque las realizaciones descritas en el presente documento describen dispositivos electroquímicos tales como, por ejemplo, baterías de iones de litio, los sistemas, métodos y principios aquí descritos en el presente documento son aplicables a todos los dispositivos que contienen medios electroquímicamente activos. Dicho de otro modo, cualquier electrodo y/o dispositivo que incluya al menos un material activo (fuente o sumidero de portadores de carga), un aditivo conductor de la electricidad y un medio conductor iónico (electrolito) tal como, por ejemplo, baterías, condensadores, condensadores eléctricos de doble capa (por ejemplo, ultracondensadores), condensadores de iones de litio (condensadores híbridos), pseudocondensadores, etc., están dentro del alcance de la presente divulgación. Además, las realizaciones pueden utilizarse con químicas de batería de electrolito no acuoso y/o acuoso.
[0296] Cuando los métodos y pasos descritos anteriormente indican que ciertos eventos ocurren en cierto orden, aquellos con habilidades ordinarias en la técnica que tengan el beneficio de esta divulgación reconocerían que el orden de ciertos pasos puede modificarse y que tales modificaciones están de acuerdo con las variaciones de la invención. Además, algunos de los pasos pueden realizarse simultáneamente en un procedimiento paralelo cuando sea posible, así como realizarse secuencialmente como se ha descrito anteriormente. Además, algunos pasos pueden completarse parcialmente y/u omitirse antes de proceder a los pasos siguientes.
[0297] Aunque se han mostrado y descrito en particular diversas realizaciones, pueden introducirse diversos cambios en la forma y los detalles. Por ejemplo, aunque se han descrito varias realizaciones con características particulares y/o combinaciones de componentes, son posibles otras realizaciones teniendo cualquier combinación o subcombinación de cualquier característica y/o componente de cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento. Las configuraciones específicas de los distintos componentes también pueden variar.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES
1. Una celda electroquímica (100, 101, 102), que comprende:
un primer colector de corriente (150, 151) laminado a una primera porción de una bolsa con un adhesivo, teniendo el primer colector de corriente un primer material de electrodo (111,111a,111b) dispuesto sobre el mismo; un segundo colector de corriente (160, 161a,161b) laminado a una segunda porción de la bolsa, teniendo el segundo colector de corriente un segundo material de electrodo (121, 121a, 121b) dispuesto sobre el mismo; y un separador (130, 131a, 131b, 430, 530) dispuesto entre el primer material de electrodo y el segundo material de electrodo,
la primera porción de la bolsa acoplada a la segunda porción de la bolsa para encerrar la celda electroquímica en la que al menos uno de los materiales del primer electrodo y del segundo electrodo es una suspensión semisólida que comprende un material activo y un material conductor en un electrolito líquido no acuoso.
2. La celda electroquímica de la reivindicación 1, en la que la bolsa está plegada a lo largo de una línea de plegado entre la primera porción y la segunda porción de la bolsa de tal manera que el separador está dispuesto entre el primer material de electrodo y el segundo material de electrodo.
3. La celda electroquímica de la reivindicación 1, en la que el separador es mayor que al menos uno de los materiales del primer electrodo y del segundo electrodo.
4. La celda electroquímica de la reivindicación 1, en la que al menos uno de los materiales del primer electrodo y del segundo electrodo tiene un grosor comprendido en el intervalo de 250 µm hasta 2.000 µm, o en un intervalo de 250 µm hasta 500 µm.
5. La celda electroquímica de la reivindicación 1, en la que al menos uno del primer colector de corriente y del segundo colector de corriente tiene un grosor inferior a 20 µm, inferior a 12 µm o inferior a 5 µm.
6. La celda electroquímica de la reivindicación 1, en la que una relación entre el grosor del primer material de electrodo y el grosor del primer colector de corriente y/o entre el grosor del segundo material de electrodo y el grosor del segundo colector de corriente es al menos superior a 12:1, o al menos superior a 20:1.
7. La celda electroquímica de la reivindicación 1, en la que una capacidad energética es de 0,1 Ah hasta 40 Ah.
8. La celda electroquímica de la reivindicación 1, que comprende:
un primer electrodo que comprende el primer colector de corriente y el primer material de electrodo;
un segundo electrodo que comprende el segundo colector de corriente y el segundo material de electrodo; en la que el separador es sustancialmente mayor que al menos uno de los electrodos primero y segundo, y en la que el separador está sellado entre la primera porción y la segunda porción de la bolsa para formar una región de sellado que encierra la celda electroquímica.
9. La celda electroquímica de la reivindicación 8, en la que la bolsa tiene un grosor inferior a 20 µm, una anchura de la región de sellado en un intervalo de 10 µm hasta 10 mm, y/o la región de sellado es de 10 µm hasta 20 mm desde un borde exterior de la bolsa.
10. Un método de fabricación de una celda electroquímica de la reivindicación 2, el método comprendiendo: laminar el primer colector de corriente sobre una primera porción de un material de bolsa con un adhesivo; disponer el primer material de electrodo en el primer colector de corriente;
laminar el segundo colector de corriente sobre una segunda porción del material de bolsa;
disponer el segundo material de electrodo en el segundo colector de corriente;
disponer el separador sobre al menos uno de los materiales del primer electrodo y del segundo electrodo; y plegar el material de la bolsa a lo largo de una línea de plegado entre la primera porción y la segunda porción del material de bolsa; y sellar el material de bolsa para formar la bolsa que aloja la celda electroquímica
en el que al menos uno de los materiales del primer electrodo y del segundo electrodo es una suspensión semisólida que comprende un material activo y un material conductor en un electrolito líquido no acuoso.
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