IT201800010729A1 - Batteria a celle cave - Google Patents

Description

Batteria a celle cave

La presente domanda di brevetto per invenzione industriale riguarda un accumulatore di energia elettrica (batteria).

Più in particolare la presente invenzione riguarda un accumulatore elettrochimico comprendente un involucro plastico ed elettrodi in piombo solidali tra loro, con gli elettrodi divisi da elementi separatori che permettono di ottenere in un corpo unico tutte le caratteristiche necessarie al funzionamento in continuo dell'accumulatore.

Questo tipo di batterie potrà essere configurato per lavorare in condizioni climatiche avverse o superare facilmente i 10 anni di vita del prodotto, per gestire forti carichi elettrici come anche assicurare grande disponibilità di energia.

Sono noti allo stato dell'arte molti modi di realizzazione di celle secondarie (o ricaricabili) in cui l'anodo, il catodo ed il separatore sono realizzati in modo da presentare al loro interno dei fori o condotti di collegamento all'interno dei quali può scorrere l'elettrolita.

Tra i tanti, un esempio è descritto in WO2017/055984, in cui è mostrato un accumulatore in cui anodo, catodo e separatore sono formati sulle superfici interne di un substrato di supporto in cui siano presenti una pluralità di cavità. Un latro esempio è mostrato in US 8237538 in cui è descritta un a batteria in cui un materiale conduttivo è depositato su una struttura monolitica e porosa con porosità tra il 74 ed il 99%. Un altro esempio è descritto in US 2008/0176139, in cui è descritta una batteria con elettrodi fibrosi.

Questi, e molti altri esempi noti allo stato dell'arte, presentano ancora alcuni limiti tecnici, tra i quali l'assenza di accorgimenti volti a recuperare e continuare ad utilizzare quella parte degli elettrodi (materia attiva) che, in utilizzo, tende a precipitare e ad accumularsi sul fondo dell'involucro.

Inoltre, nei modi di realizzazione noti allo stato dell'arte non sono moti accorgimenti che consentano di integrare in maniera geometricamente efficiente e strutturalmente efficace i separatori all'interno della struttura della batteria e di ottimizzare il rapporto tra volume della batteria e superficie degli elettrodi.

Ancora, non sono noti allo stato deN'arte accorgimenti tecnici che consentano di procedere, durante il funzionamento della batteria, ad un suo efficiente raffreddamento, dal momento che non sono noti allo stato dell'arte sistemi di raffreddamento in grado di agire in maniera capillare all'interno del corpo della batteria ed in particolare in maniera vascolare all'interno degli elettrodi, dei separatori o dell'involucro.

Scopo del trovato oggetto della presente invenzione è pertanto quello di fornire un accumulatore di energia elettrica (o batteria) che superi i limiti tecnici dei modi di realizzazione noti allo stato deN'arte, ed in particolare: che consenta di ottimizzare il rapporto tra volume della batteria e superficie degli elettrodi, con ciò consentendo di avere batterie di maggiore capacità a parità di dimensioni; che consenta di integrare i separatori e gli elettrodi in un'unica struttura, in modo che i separatori possano fungere da elementi di separazione tra gli elettrodi ma anche da elementi di supporto del peso della batteria; che consenta, in virtù della propria geometria interna, di recuperare e continuare ad utilizzare quella parte degli elettrodi (materia attiva) che, in utilizzo, tende a precipitare e ad accumularsi sul fondo dell'involucro; che consenta un efficace raffreddamento della batteria ovviando al noto problema della stratificazione;

Il trovato realizza gli scopi prefissati, in quanto trattasi di una batteria comprendente un involucro isolante esterno configurato per contenere un elettrolita al cui interno è contenuto, oltre a detto elettrolita, un blocco interno caratterizzata dal fatto che detto blocco interno ha una struttura geometrica formata da una pluralità di celle cave tra loro comunicanti a formare una struttura trabecolare, ciascuna cella cava comprendente una parete in cui è ricavato almeno un foro configurato in modo da mettere in comunicazione il volume interno a detta parete con il volume esterno alla stessa, dal fatto che detto blocco è formato da una alternanza di regioni di materiale conduttivo e di regioni di materiale isolante tra loro solidali ed alternate a formare elettrodi e separatori e dal fatto che detta struttura geometrica formata da una pluralità di celle cave tra loro comunicanti non ha soluzione di continuità in corrispondenza delle superfici di separazione tra dette regioni di materiale conduttivo e dette regioni di materiale isolante.

Questi ed altri vantaggi saranno evidenti dalla descrizione dettagliata del trovato, che sarà ora esposta con riferimento alle allegate figure da 1 a 4.

Come mostrato in figura 1, la batteria (1) secondo l'invenzione comprende un blocco interno (10) comprendente una pluralità di elettrodi positivi (11), negativi (12) e di separatori (13) contenuto all'interno di un involucro esterno (20).

Come mostrato in figura 2, il blocco interno (10) comprende una struttura geometrica formata da una pluralità di celle cave (14) tra loro comunicanti.

Il blocco (10) è formato da una alternanza di materiale conduttivo che forma gli elettrodi (11, 12) e di materiale isolante, che forma i separatori della batteria (13). Senza che ciò sia limitativo per gli scopi dell'invenzione, possono esser utilizzati piombo e polipropilene come materiali conduttivo ed isolante. Detti materiale attivo ed isolante sono tra loro alternati a formare elettrodi e separatori di idoneo spessore. Le regioni del blocco formate da materiale attivo e le regioni formate da materiale isolante sono tra loro solidali lungo una pluralità di superfici di separazione, che in un modo di realizzazione preferenziale ma non limitativo mostrato in figura possono essere superfici di separazione piane. Secondo altri modi di realizzazione dette superfici di separazione tra elettrodi e separatori potranno assumere forme differenti (es. a spirale, cilindriche, piane con protrusioni) al fine di ottimizzare il funzionamento della batteria in funzione della forma dell'involucro esterno.

Senza che ciò sia limitativo per gli scopi dell'invenzione inoltre, al fine di garantire che gli strati siano tra loro solidali il blocco (10) può essere realizzato con tecnologie di additive manufacturing, quale ad esempio la stampa 3D multi materiale.

E' opportuno precisare sin da subito che una delle caratteristiche della batteria secondo l'invenzione è che la superficie di separazione tra materiale attivo e materiale isolante non deve necessariamente trovarsi con corrispondenza del confine tra una cella cava (14) e l'adiacente, ma può trovarsi in una posizione arbitraria rispetto alla struttura geometrica del blocco (10).

Come anticipato, da un punto di vista geometrico il blocco (10) comprende una pluralità di celle cave (14) tra loro comunicanti a formare una struttura trabecolare. Ciascuna cella cava (14) ha una parete (141) in cui è ricavato almeno un foro (142) in modo da mettere in comunicazione il volume interno a detta parete (141) con il volume esterno. Preferibilmente ciascuna cella cava comprende una pluralità di fori sulla propria parete, in modo che, quando il blocco (10) è immerso nell'elettrolita, questo possa circolare all'interno del blocco (10) transitando anche all'interno delle celle. Secondo un primo modo di realizzazione, ciascuna cella comprende una pluralità di coppie di fori disposti sulla parete (141) della cella (14) in modo da essere tra loro opposti.

Convenientemente ciascuna cella (14) e ciascuno spazio tra due celle adiacenti presenta inoltre un foro sulla propria sommità, in modo da consentire all'aria di scorrere verso l'alto in fase di riempimento con l'elettrolita ed evitare che bolle di aria restino intrappolate nella struttura.

Da un punto di vista geometrico, secondo un primo modo di realizzazione mostrato in figura 3, ciascuna cella (14) può avere forma sferica, e le celle (14) possono essere disposte in strati tra loro sovrapposti con i centri in verticale. Secondo un altro modo di realizzazione le celle sferiche possono essere tra loro disposte in strati sovrapposti tra loro sfalsati, con i centri delle sei celle intorno a ciascuna cella vicine a formare un esagono.

Altre forme delle celle potranno essere utilizzate senza uscire dagli scopi dell'invenzione, quali a puro titolo di esempio il tetraedro, il cubo, l'ottaedro, il dodecaedro o l'icosaedro.

Il blocco (10) è quindi inserito all'interno di un involucro esterno (20). Convenientemente l'involucro esterno può essere dello stesso materiale dei separatori, ed essere a questi solidale, in modo che il peso del blocco (10) si scarichi tramite i separatori (13) sull'involucro esterno (20), e gli elettrodi non debbano reggere altri carichi se non il peso proprio. A tale scopo l'involucro può essere realizzato, mediante additive manufacturing, unitamente ai separatori ed agli elettrodi.

L'involucro inoltre può comprendere al suo interno differenti ulteriori sistemi utili al funzionamento della batteria quali il sistema di raffreddamento e collegamenti elettrici tra gli elettrodi. La forma dell'involucro, eventualmente, può comprendere fori, rientranze, sporgenze o depressioni utili all'assemblaggio di parti esterne alla batteria, nonché fori di ispezione provvisti di coperchi trasparenti oppure di coperchi rimovibili.

In virtù della composizione geometrica degli elettrodi e dell'accumulatore che comprende una pluralità di celle cave tra loro comunicanti, l'elettrolita può circolare nell'intero volume interno della batteria, fungendo in questa maniera da vettore termico. Pertanto in un modo di realizzazione preferenziale la batteria secondo l'invenzione comprende mezzi di pompaggio e relativi condotti (40) di comunicazione tra l'interno e l'esterno dell'elettrolita, configurati in maniera tale da far circolare l'elettrolita all'interno della batteria, estrarlo, inviarlo a mezzi di dissipazione del calore e quindi reimmetterlo all'interno dell'involucro.

I mezzi di dissipazione potranno essere mezzi di dissipazione passivi o attivi del tipo noto allo stato dell'arte senza uscire dagli scopi dell'invenzione.

Secondo un ulteriore modo di realizzazione, la batteria secondo l'invenzione può comprendere, all'interno dell'involucro, un insieme di condotti (50) che definiscono un volume, separato da quello all'interno del quale può circolare l'elettrolita, entro cui può circolare un secondo liquido di raffreddamento senza che si abbia mescolanza con l'elettrolita.

Avendo descritto la geometria della batteria, è ora possibile descrivere il funzionamento ella batteria così ottenuta.

Quando all'interno dell'involucro (20) contenente il blocco (10) è inserito un elettrolita, lo stesso riempie tutto il volume lasciato libero dal materiale che forma il blocco (10), riempiendo quindi tutte le celle. A questo punto la batteria funziona secondo quanto noto allo stato deN'arte, ma in virtù del modo in cui è realizzata presenta i seguenti vantaggi.

Gli elettrodi, in virtù della loro geometria, sono permeabili al flusso dell'elettrolita e al contempo permettono di recuperare, all'interno di dette celle cave (14) il precipitato della materia attiva che si forma durante il funzionamento. Il precipitato tenderà difatti a a posarsi sulle superfici inferiori di ciascuna cella, e sarà perciò ancora disponibile per l'utilizzo. Ciò permette di ovviare al problema della polverizzazione delle piastre causata dalla sovraccarica dell'accumulatore ed al conseguente calo di prestazioni. Inoltre in questa maniera si evita il formarsi di ponti elettrici causati dall'accumulo casuale del materiale precipitato.

Inoltre la consistenza geometrica appena descritta, che permette di ottimizzare la superficie di contatto tra elettrodi ed elettrolita consente di ottenere una maggiore densità elettrica per unità di volume rispetto ai modi di realizzazione noti allo stato dell'arte.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Batteria (1) comprendente un involucro isolante esterno (20) configurato per contenere un elettrolita al cui interno è contenuto, oltre a detto elettrolita, un blocco interno (10) caratterizzata dal fatto che detto blocco interno (10) ha una struttura geometrica formata da una pluralità di celle cave (14) tra loro comunicanti a formare una struttura trabecolare, ciascuna cella cava (14) comprendente una parete (141) in cui è ricavato almeno un foro (142) configurato in modo da mettere in comunicazione il volume interno a detta parete (141) con il volume esterno alla stessa, dal fatto che detto blocco (10) è formato da una alternanza di regioni di materiale conduttivo e di regioni di materiale isolante tra loro solidali ed alternate a formare elettrodi e separatori e dal fatto che detta struttura geometrica formata da una pluralità di celle cave tra loro comunicanti non ha soluzione di continuità in corrispondenza delle superfici di separazione tra dette regioni di materiale conduttivo e dette regioni di materiale isolante.
2. 2. Batteria secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che la superficie di separazione tra dette regioni di materiale attivo e dette regioni di materiale isolante si trova in una posizione arbitraria rispetto alla struttura geometrica del blocco (10).
3. 3. Batteria secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzata dal fatto che dette superfici di separazione tra dette regioni di materiale conduttivo e dette regioni di materiale isolante sono piane.
4. 4. Batteria secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che ciascuna cella cava (14) comprende una pluralità di fori sulla propria parete, in modo che, quando il blocco (10) è immerso nell'elettrolita, questo possa circolare all'interno del blocco (10) transitando anche all'interno delle celle.
5. 5. Batteria secondo la rivendicazione 4 caratterizzata dal fatto che ciascuna cella cava (14) comprende una pluralità di coppie di fori disposti sulla parete (141) della cella (14) in modo da essere tra loro opposti.
6. 6. Batteria secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che ciascuna cella cava (14) presenta inoltre un foro sulla propria sommità, in modo da consentire all'aria di scorrere verso l'alto in fase di riempimento con l'elettrolita ed evitare che bolle di aria restino intrappolate all'interno di detta cella cava (14).
7. 7. Batteria secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che dette celle (14) hanno forma sferica, e sono disposte in strati tra loro sovrapposti
8. 8. Batteria secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detto involucro esterno è realizzato nello stesso materiale dei separatori, ed è a questi solidale.