IT202100013016A1 - Accumulatore elettrochimico di carica elettrica - Google Patents

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Description

Accumulatore elettrochimico di carica elettrica
Descrizione
La presente invenzione ha come oggetto in generale un accumulatore di carica elettrica, o accumulatore elettrico di tipo elettrochimico, che pu? essere operato come batteria ricaricabile, e che per semplicit? viene d?ora in avanti menzionato come accumulatore.
Negli accumulatori elettrochimici convenzionali, l?estrazione della carica elettrica da un elettrodo si effettua solo su un punto, generalmente un connettore sulla sommit? dell?elettrodo stesso. A causa di questa architettura, la carica elettrica generata in un punto distante dal connettore deve attraversare tutta la lunghezza dell?elettrodo prima di poter defluire verso il connettore.
Questo tipo di costruzione, sebbene adatta per alimentazioni a tensioni elevate, crea zone con resistenza maggiore e zone con resistenza minore, insieme ad un fenomeno di surriscaldamento della specifica zona interessata in proporzione alla distanza dal connettore (Legge di Ohm).
Il carico elettrico concentrato in transito dai connettori degli accumulatori, sia nella fase di carica che di scarica, crea un collo di bottiglia che rischia di sovraccaricare contatti e cablaggio intermedio, rendendo necessario l?utilizzo di specifici accorgimenti.
Lo spazio solitamente occupato dai connettori e dal cablaggio sulla superficie superiore degli accumulatori tradizionali ? spazio prezioso sottratto all?ottimizzazione di assemblaggi di molti accumulatori in serie o in parallelo.
Un altro svantaggio ? dato dal fatto che il peso dell?accumulatore ? generalmente trasferito dalla base dell?involucro dell?accumulatore e non pu? quindi essere impilato senza una struttura portante esterna dedicata, capace di sopportare grandi pesi, in quanto l?impilaggio di batterie su batterie prive di struttura portante esterna causerebbe lo schiacciamento delle batterie pi? in basso.
Svantaggiosamente, gli assemblaggi di accumulatori di grandi dimensioni hanno bisogno di strutture esterne capaci di reggere un peso anche notevole mentre permettono l?accesso ai singoli accumulatori per la manutenzione.
Un ulteriore svantaggio ? che la presenza di connettori sulla faccia superiore degli accumulatori, caratteristica pressoch? uniforme, non permette di esplorare agilmente particolari opzioni di forma per gli accumulatori tradizionali.
Il problema tecnico che ? alla base della presente invenzione ? fornire un accumulatore di carica elettrica che consente di ovviare agli inconvenienti menzionati con riferimento alla tecnica nota.
Tale problema viene risolto da un accumulatore a carica elettrica come sopra specificato, e come definito nella rivendicazione 1 annessa.
Pertanto, secondo la presente invenzione, l?accumulatore elettrochimico ha una struttura che gli permette di adottare connettori multipli trasversali alle celle elettrolitiche che lo compongono, avendo sia la funzione di connessione elettrica che strutturale.
Tale accumulatore comprende quindi almeno due connettori che attraversano trasversalmente ciascun elettrodo di forma sostanzialmente laminare, ottenendo cos? uno o pi? connettori trasversali che attraversano e collegano gli elettrodi positivi (catodi) e uno o pi? connettori trasversali che attraversano e collegano gli elettrodi negativi (anodi).
Il principale vantaggio dell?accumulatore secondo la presente invenzione consente di ottimizzare la forma degli accumulatori e la posizione dei loro connettori, in modo tale da poter realizzare cluster di batterie impilandole le uno sulle altre senza la necessit? di creare una struttura portante esterna, e di ridurre gli ingombri senza ridurre l?efficienza.
Inoltre, la struttura di accumulatore a carica elettrica sopra definita consente l?impiego di una pluralit? di connettori trasversali che possono estrarre la carica in diversi punti di ciascun elettrodo, e fuoriuscire quindi da una o pi? pareti dell?involucro dell?accumulatore stesso.
La disposizione trasversale di detti connettori garantisce la distribuzione del peso degli elettrodi, migliorando la resistenza strutturale del singolo accumulatore o di un cluster di accumulatori.
Ulteriormente, elementi di rinforzo possono collegare i connettori trasversali di pi? accumulatori in impilaggi capaci di notevole resistenza strutturale.
La presente invenzione verr? qui di seguito descritta secondo un suo esempio di realizzazione preferita, fornito a scopo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:
* la figura 1 mostra una vista assonometrica in esploso di un esempio di realizzazione di accumulatore a carica elettrica secondo l?invenzione;
* la figura 2 mostra un particolare ingrandito dell?accumulatore di figura 1;
* la figura 3 mostra una vista assonometrica compatta dell?accumulatore di figura 1;
* la figura 4 mostra una rappresentazione schematica che illustra una sezione trasversale, secondo un piano che interseca perpendicolarmente i suoi elettrodi, dell?accumulatore di figura 1 secondo l?invenzione;
* la figura 5 mostra una vista frontale di una configurazione di reticolo multi-connettore con gli elementi di rinforzo strutturale e di connessione elettrica secondo l?invenzione;
* la figura 6 mostra una vista assonometrica del reticolo multi-connettore di figura 5 secondo l?invenzione; e
* la figura 7 mostra un?altra vista assonometrica di una configurazione di reticolo multi-connettore con gli elementi di rinforzo strutturale e di connessione elettrica secondo l?invenzione.
L?accumulatore di carica elettrica 1, con riferimento alle figure, comprende un involucro 9 in materiale polimerico destinato a contenere un liquido elettrolita, al cui interno ? contenuta una successione in cui si alternano uno o pi? elettrodi anodo 2 (di seguito menzionati in breve come anodo), uno o pi? elementi separatori 3 e uno o pi? elettrodi catodo 4 (di seguito menzionati in breve come catodo).
Questa successione costituisce una cella elettrolitica singola dell?accumulatore 1, che a sua volta comprende una pluralit? di tali successioni che si susseguono affiancate in serie (figura 4), con un elemento separatore 3 che separa il catodo 4 di una successione e l?anodo 2 della successione seguente.
Facoltativamente, oltre all?elemento separatore 3, la singola cella comprende anche un separatore corazzato 15 tra l?elemento separatore 3 e il catodo 4; detto corazzato perch? presenta uno spessore e un materiale differente rispetto ai separatori 3 normali secondo le esigenze di progetto.
L?anodo 2, l?elemento separatore 3 e il catodo 4 della successione hanno tutti una forma sostanzialmente laminare, e sono disposti affiancati in parallelo, uno adiacente all?altro, nell?ordine sopra menzionato.
Ciascun anodo 2, elemento separatore 3 e catodo 4 della successione presentano un rispettivo foro di connessione 5 e una rispettiva apertura passante 6, la cui posizione ? sostanzialmente arbitraria.
Preferibilmente, essi sono posizionati in un raggio intermedio tra il centro dell?elettrodo, indicato genericamente con 16, e i suoi lati, questo per permettere di distribuire meglio le cariche in transito sulla superficie dell?elettrodo 16.
L?accumulatore 1 comprende anche almeno una coppia di connettori 7 che interseca detta successione, in modo tale che ciascun connettore 7 ? connesso all?anodo 2 in corrispondenza del rispettivo foro di connessione 5, e attraversa detta apertura passante 6 del catodo 4 senza contatto con esso, e viceversa, alternativamente, ovvero il conduttore 7 che ? connesso al catodo 4 in corrispondenza del suo rispettivo foro di connessione 5 attraversa poi detta apertura passante 6 dell?anodo 2 senza contatto con esso (figura 4).
Il presente esempio di accumulatore comprende due coppie di connettori 7 per pi? successioni di anodo 2, elemento separatore 3 e catodo 4.
Come conseguenza, se l?anodo 2 e il separatore 3 hanno i fori di connessione 5 e le apertura passanti 6 corrispondenti, il catodo 4 li ha invertiti e pertanto i connettori 7 che attraversano anodo 2 e catodo 4 in corrispondenza dei fori di connessione 5, attraversano il catodo 4 in corrispondenza delle aperture passanti 6 e viceversa.
In base alla geometria del presente esempio di realizzazione, l?elemento separatore 3 presenta due rispettivi fori di connessione 5 disposti in corrispondenza dei fori di connessione 5 dell?anodo 2 a esso adiacente, e due rispettive aperture passanti 6 disposte in corrispondenza delle aperture passanti 6 dell?anodo 2 a esso adiacente (figura 4).
Preferibilmente, l?anodo 2 e il separatore 3 sono simili nella forma e nel posizionamento dei fori di connessione 5 e delle aperture passanti 6, pertanto secondo una realizzazione preferita i fori di connessione 5 e le aperture passanti 6 del separatore sono corrispondenti a quelli dell?anodo 2.
Inoltre, sempre in base alla geometria del presente esempio di realizzazione, i fori di connessione 5 e le aperture passanti 6 di anodo 2 e elemento separatore 3 sono coassiali, mentre i fori di connessione 5 del catodo 4 sono coassiale alle aperture passanti 6 di anodo 2 e elemento separatore 3 e le aperture passanti 6 del catodo 4 sono coassiali ai fori di connessione 5 dell?anodo 2 e dell?elemento separatore 3.
Quindi, ciascun connettore 7 attraversa l?elemento separatore 3 in corrispondenza dei foro di connessione 5, e, senza contatto, le aperture passanti 6 e cos? via.
Pertanto, secondo la presente forma di realizzazione dell?invenzione, dopo aver assemblato anodo 2, separatore 3 e catodo 4, tutti i fori 5 di connessione dei catodi 4 risulteranno coassiali e allineati nella stessa posizione cos? come quelli degli anodi 2 e i rispettivi separatori 3, dall?assemblaggio risulter? inoltre che tutte le aperture 6 passanti dell?anodo 2 e dei separatori 3 saranno coassiali e allineate sullo stesso asse dei fori 5 di connessione del catodo 4 e viceversa, in modo da ottenere un allineamento dei fori 5 di connessione alternato tra gli elettrodi 16 positivo e negativo.
Solitamente, anodo 2 e elemento separatore 3 conservano spessori e materiali differenti, al solo scopo di esempio si utilizza piombo per gli elettrodi 16 e PP o simili per separatore 3 e involucro 9.
Facoltativamente, l?accumulatore 1 comprende anche separatori corazzati 15, cio? realizzati con materiali e spessore adeguati ad aumentare la resistenza alla compressione, trazione o torsione dell?accumulatore 1.
Inoltre, l?accumulatore 1 comprende almeno un primo elemento di rinforzo 10 trasversale ai connettori 7, sporgente dall?involucro 9.
Nel presente esempio di realizzazione, l?involucro 9 ha una forma scatolare che presenta delle pareti 8, in particolare una parete frontale e una posteriore da cui sporgono i connettori 7 e quattro pareti laterali da cui sporge l?almeno un primo elemento di rinforzo 10.
In generale, detto almeno un primo elemento di rinforzo 10 sporge da una o pi? pareti 8 da cui non sporgono i connettori 7. In altre parole, detto primo elemento di rinforzo 10 si estende sostanzialmente perpendicolarmente a detti connettori 7 tra l?interno e l?esterno di un involucro 9.
Detto primo elemento di rinforzo 10 ? conformato a lamina nastriforme, e attraversa l?accumulatore 1 e comprende rispettivi fori di passaggio 14 attraverso cui passano i connettori 7; esso ? solidale a detto accumulatore 1.
Preferibilmente, detto primo elemento di rinforzo 10 comprende nella parte sporgente 11 dall?involucro 9 un sistema di connessione con i primi elementi di rinforzo 10 di altri accumulatori 1 in modo tale da formare una struttura reticolata e autoportante, comprendente una pluralit? di accumulatori 1 connessi tra loro.
A titolo di esempio, per ciascuna di dette successioni i primi elementi di rinforzo 10 sono quattro e sono disposti a coppie di primi elementi di rinforzo 10 paralleli, le coppie essendo perpendicolari tra loro, in cui il suddetto sistema di connessione comprende una pluralit? di fori di fissaggio 12, praticati sulle porzioni sporgenti 11 dei primi elementi di rinforzo 10, che sono posizionati coassialmente a rispettivi uno o pi? fori di fissaggio 12 di un altro primo elemento di rinforzo 10 per essere fissati tra loro attraverso elementi di fissaggio come viti e bulloni.
L?insieme dei componenti sopra descritti, secondo diverse realizzazioni dell?invenzione, viene alloggiato all?interno dell? involucro 9 che ? preferibilmente realizzato tramite un processo di stampa 3d.
Preferibilmente, l?involucro 9 comprende sulle pareti 8, in corrispondenza del foro di connessione 5 e dell?apertura passante 6, un invito 17 costituito da una depressione cilindrica, con il diametro dell?invito 17 uguale al diametro del foro di connessione 5 presente sugli elettrodi 16 e sui separatori 3, 15.
Preferibilmente le pareti 8 interessate dalla presenza degli inviti 17 hanno uno spessore maggiore per permettere l?alloggiamento dei connettori 7 trasversali utili a connettere un accumulatore 1 ad un suo omologo per la formazione di un accumulatore 1 pi? grande.
I connettori 7 sono guidati attraverso gli inviti 17 ad attraversare i fori 5 di connessione e le aperture 6 passanti degli elettrodi 16 ma anche dei separatori 3, degli eventuali separatori corazzati 15 e dei primi elementi di rinforzo 10, in questo modo i separatori 3 e i separatori corazzati 15 anch?essi forati collaborano alla distribuzione omogenea del peso.
Vantaggiosamente, per realizzare altri scopi di progetto, possono essere previsti uno o pi? secondi elementi di rinforzo 18 della stessa geometria dei separatori 3, 15 anche esternamente all?accumulatore 1.
Vantaggiosamente, l?accumulatore 1 cos? realizzato ? in grado di essere collegato ad altri accumulatori 1 adiacenti condividendo sia la connessione elettrica in serie o in parallelo, secondo specifiche di progetto; sia il peso, tramite il formarsi di una solida struttura reticolare autoportante omogenea, molto resistente in caso di eventi meteorologici avversi come eventi sismici o temporali di forte intensit?. Questo tipo di struttura rende possibile la realizzazione di forme architettoniche e di design versatili non ancora possibili allo stato dell?arte.
Preferibilmente, l?involucro 9 ingloba interamente gli elementi separatori 3, 15 e gli elettrodi 16 in modo ermetico e senza possibilit? di accesso alle volumetrie interne se non tramite canalizzazione o foratura.
Vantaggiosamente, la presenza di pi? punti di estrazione della carica elettrica da ciascun elettrodo 16 grazie a due o pi? connettori 7 per elettrodo 16 fa s? che la carica elettrica generata in un punto non dovr? pi? attraversare tutta la lunghezza dell?elettrodo 16 prima di poter defluire verso il connettore 7. L?accumulatore 1 secondo la presente invenzione realizza una riduzione della resistenza e quindi del surriscaldamento della specifica zona interessata che risulter? sempre prossima ad uno dei connettori 7 disponibili.
Inoltre, la presenza del carico elettrico su pi? connettori 7 degli accumulatori riduce il collo di bottiglia che mitigher? il rischio di sovraccaricare contatti e cablaggio intermedio in fase di carica e scarica.
Un altro vantaggio dell?invenzione ? che la superficie superiore dell?accumulatore 1 ? libera da connettori 7 e cablaggio, disponibile per l?ottimizzazione di assemblaggi di accumulatori 1 di grandi dimensioni. Inoltre, anche grazie agli elementi di rinforzo 10,18, si possono realizzare accumulatori 1 che senza bisogno di ulteriori strutture di sostegno e raccolta, generalmente denominate rack o scaffalature, possono assumere la forma di pannellatura, rivestimento per esterni o interni, accumulatori 1 a forma di tramezzature o elementi architettonici di separazione, accumulatori a forma di pergola fotovoltaica, batterie a forma di totem ultra-compatto, veicoli e/o natanti.
Vantaggiosamente, il peso dell?accumulatore 1 ? trasferito tramite i connettori 7 sulle pareti 8 dell?involucro 9 dell?accumulatore 1 stesso che pu? quindi essere impilato su altri accumulatori 1 simili grazie ai primi elementi di rinforzo 10 sporgenti, che insieme ai connettori 7 hanno la doppia funzione di collegamento elettrico e struttura portante capace di sopportare grandi pesi.
Un ulteriore vantaggio ? che avendo i connettori 7 sulle pareti 8 l?accesso ai singoli accumulatori 1 per la manutenzione avviene anteriormente o posteriormente senza problemi di accessibilit?.
Preferibilmente, per realizzare gli accumulatori 1 secondo l?invenzione, si utilizza un?apposita stampante 3d dotata di multi-estrusore di cui uno specifico per il piombo. La stampante realizza l?involucro 9 esterno, gli inviti 17, i separatori 3, 15 e gli elettrodi 16 in piombo in un'unica sessione di lavoro. Secondo un altro metodo di realizzazione, le parti in materiale polimerico e in piombo vengono precedentemente realizzati per poi essere assemblati.
Al sopra descritto accumulatore elettrolitico di carica elettrica, un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare ulteriori e contingenti esigenze, potr? apportare numerose ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro comprese nell'ambito di protezione della presente invenzione, quale definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

RIVENDICAZIONI
1. Accumulatore (1) elettrochimico di carica elettrica, operabile come batteria ricaricabile, comprendente:
? almeno una successione formata da un anodo (2), almeno un elemento separatore (3) e un catodo (4), tutti di forma sostanzialmente laminare, disposti affiancati in parallelo uno all?altro; detti anodo (2) e catodo (4) presentando rispettivamente almeno un foro di connessione (5) e almeno un?apertura passante (6); e
? almeno una coppia di connettori (7) che interseca detta successione, attraversando l?anodo (2), l?elemento separatore (3) e il catodo (4),
in cui ciascun connettore (7) ? connesso all?anodo (2) in corrispondenza del rispettivo foro di connessione (5) e attraversa detta apertura passante (6) del catodo (4) senza contatto con esso, e viceversa alternativamente.
2. Accumulatore (1) secondo la rivendicazione 1, in cui l?elemento separatore (3) presenta un rispettivo foro di connessione (5) disposto in corrispondenza del foro di connessione (5) dell?anodo (2) a esso adiacente, e una rispettiva apertura passante (6) disposta in corrispondenza dell?apertura passante (6) dell?anodo (2) a esso adiacente.
3. Accumulatore (1) secondo le rivendicazioni 1 e 2, comprendente una pluralit? di dette successioni disposte affiancate in serie, in cui i fori di connessione (5) e le aperture passanti (6) di anodo (2) e elemento separatore (3) sono coassiali, mentre il foro di connessione (5) del catodo (4) ? coassiale all?apertura passante (6) di anodo (2) e elemento separatore (3) e l?aperura passante (6) del catodo (4) ? coassiale al foro di connessione (5) dell?anodo (2) e dell?elemento separatore (3).
4. Accumulatore 1 secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un involucro (9) isolante esterno configurato per contenere un elettrolita, a sua volta comprendente una o pi? pareti (8) da cui sporgono i connettori (7).
5. Accumulatore (1) secondo la rivendicazione 4, in cui sulle pareti (8) dell?involucro (9), in corrispondenza del foro di connessione (5) e dell?apertura passante (6), ? presente un invito (17) costituito da una depressione cilindrica, con il diametro dell?invito (17) uguale al diametro del foro (5) di connessione.
6. Accumulatore (1) secondo la rivendicazione 4 o 5, comprendente almeno un elemento di rinforzo (10) trasversale ai connettori (7), solidale ad almeno un elemento separatore (3), sporgente dall?involucro (9) su una o pi? pareti (8) da cui non sporgono i connettori (7); detto elemento di rinforzo (10) presentando almeno un foro di passaggio (14) posizionato in corrispondenza di un foro di connessione (5) o di un?apertura passante (6) e attraversato da un connettore (7) che rende l?elemento di rinforzo (10) solidale all?accumulatore (1).
7. Accumulatore (1) secondo la rivendicazione 6, in cui detto almeno un elemento di rinforzo (10) comprende, nella parte sporgente (11) dall?involucro (9), un sistema di connessione con gli elementi di rinforzo (10) di altri accumulatori (1) in modo tale da formare una struttura reticolata e autoportante, comprendente una pluralit? di accumulatori (1) connessi tra loro sia elettricamente che strutturalmente.
8. Accumulatore (1) secondo la rivendicazione 7, in cui gli elementi di rinforzo (10), per ciascuna successione di anodo (2), elemento separatore (3) e catodo (4), sono quattro e disposti a coppie perpendicolari tra loro, in cui il sistema di connessione consiste in una pluralit? di fori di fissaggio (12) sulle parti sporgenti (11) degli elementi di rinforzo (10) che, disposti coassialmente a rispettivi uno o pi? fori di fissaggio (12) di un altro elemento di rinforzo (10), vengono fissati attraverso elementi di fissaggio come viti e bulloni.
9. Accumulatore (1) secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, comprendente uno o pi? separatori corazzati (15), che presentano una forma simile a quella degli elementi separatori (3).
10. Accumulatore (1) secondo la rivendicazione 8 o 9, comprendente uno o pi? ulteriori elementi di rinforzo (18) , che presentano una forma simile a quella degli elementi separatori (3).
11. Accumulatore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?involucro (9) ? realizzato con un processo di stampa 3D.
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