MX2007013852A

MX2007013852A - Bateria electroquimica recargable bipolar.

Info

Publication number: MX2007013852A
Application number: MX2007013852A
Authority: MX
Inventors: Ogg Randy; Smith David Russell; Park David Fraser
Original assignee: Ogg Randy
Priority date: 2005-05-03
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2008-10-22
Also published as: EP2273580A3; US20060292443A1; US20100310923A1; EP2273580A2; RU2007144705A; EP1878083A2; JP2008541353A; WO2006119289A2; US20100304216A1; WO2006119289A3; US7794877B2; JP2009164146A; RU2414023C2; BRPI0611426A2

Abstract

Una batería bipolar tiene una unidad de electrodos positivos, una unida de electrodos negativos, al menos una unidad de electrodos bipolares apilada entre las mismas, una capa electrolítica que separa cada unidad de electrodos adyacente, y una junta obturadora colocada aproximadamente en cada capa electrolítica para crear un sello en aproximadamente la capa electrolítica junto con las unidades de electrodos adyacentes a las mismas. La batería bipolar también incluye una envoltura para mantener los sellos creados por las juntas obturadoras.

Description

BATERÍA ELECTROQUÍMICA RECARGABLE BIPOLAR Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos No. 60/677,512, presentada el 3 de mayo de 2005, que se incorpora en la presente como referencia en su totalidad.

CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona en general con baterías y, más particularmente, con baterías bipolares con sellado mejorado.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las baterías bipolares son capaces de proporcionar una intensidad de descarga aumentada y un potencial de voltaje mayor entre sus conectores externos que el bobinado estándar o las baterías prismáticas, y por lo tanto tienen alta demanda para determinadas aplicaciones. Las baterías convencionales se han fabricado ya sea como un acumulador bobinado que tiene únicamente dos electrodos o un acumulador prismático que tiene muchos conjuntos de placas en paralelo. En los dos tipos, el electrólito se puede compartir en todas partes dentro de la batería. Las estructuras de acumulador bobinado y de acumulador prismático adolecen de altas resistencias eléctricas debido a que sus trayectorias eléctricas tienen que cruzar múltiples conexiones y cubrir distancias significativamente largas para cubrir el circuito completo desde un acumulador al siguiente en una disposición en serie. Recientemente, las baterías bipolares se han desarrollado para que incluyan en general una serie de unidades de electrodos bipolares encadenadas (BPUs) , cada BPU se proporcionará con una capa de electrodos positivos de material activo y una capa de electrodos negativos de material activo recubiertas sobre los lados opuestos de un recolector de corriente (véase, por ejemplo, Fukuzawa et al. publicación de patente de los Estados Unidos No. 2004/0161667 Al, publicada el 19 de agosto de 2004, que se incorpora en la presente como referencia en su totalidad) . Cualesquiera de los BPU adyacentes tienen una capa de electrólitos entre los mismos para aislar eléctricamente los recolectores de corriente de esos dos BPU. La configuración en serie de una batería bipolar provoca que el voltaje potencial sea diferente entre los recolectores de corriente. Sin embargo, si los recolectores de corriente están en contacto entre sí o si el electrólito común de cualesquiera de los dos BPU adyacentes se comparte con cualquier BPU adicional, el voltaje y la energía de la batería podría perder intensidad (es decir, descargarse) rápidamente a cero. Por consiguiente, podría ser ventajoso teñen la capacidad de proporcionar una batería bipolar con sellado mejorado del electrólito entre los BPU adyacentes .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Por lo tanto, un objetivo de esta invención es proporcionar una batería bipolar con sellado mejorado del electrólito entre las unidades de electrodos bipolares adyacentes. De acuerdo con la invención, se proporciona una batería bipolar que tiene una unidad de electrodos mono-polares positivos, una unidad de electrodos mono-polares negativos, al menos una unidad de electrodos bipolares encadenada entre la unidad de electrodos positivos y la unidad de electrodos negativos, y una capa de electrólitos proporcionada entre cada par de unidades de electrodos adyacentes. La batería bipolar también incluye una junta obturadora colocada sobre cada una de las capas de electrólitos, en donde cada una de las capas de electrólitos se sella mediante su junta obturadora respectiva y su par respectivo de unidades de electrodos adyacentes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las ventajas anteriores y otras de la invención serán más evidentes tomando en consideración la siguiente descripción detallada, tomada en conjunto con los dibujos adjuntos, en los cuales los números de referencia similares hacen referencia a partes similares de forma consistente, y en cuáles : la FIG. 1 es una vista en sección transversal esquemática de una estructura básica de una unidad de electrodos bipolares (BPU) de acuerdo con la invenc ión ; la FIG. 2 es una vista en sección transversal esquemática de una estructura básica de una cadena de las BPU de la FIG. 1 de acuerdo con la invención; la FIG. 3 es una vista en sección transversal esquemática de una estructura básica de una batería bipolar que implementa la cadena de las BPU de la FIG. 2 de acuerdo con la invención; la FIG. 4 es una vista superior esquemática de la batería bipolar de la FIG. 3, tomada desde la línea IV-IV de la FIG. 3; la FIG. 4A es una vista superior esquemática de la batería bipolar de la FIG. 3, tomada desde la línea IVA- IVA de la FIG. 3; la FIG. 5 es un diagrama esquemático de circuitos de la constitución básica de la batería bipolar de las FIGS. 3-4A; la FIG. 6 es una vista en sección transversal esquemática detallada de una porción particular de la batería bipolar de las FIGS. 3-5; la FIG. 7 es una vista superior esquemática de la batería bipolar de las FIGS. 3-6, tomada desde la línea VII-VII de la FIG. 6 ; la FIG. 8 es una vista superior esquemática de la batería bipolar de las FIGS. 3-7, tomada desde la línea VIII-VIII de la FIG. 6 ; la FIG. 9 es una vista superior esquemática de la batería bipolar de las FIGS. 3-8, tomada desde la línea IX-IX de la FIG. 6; la FIG. 10 es una vista en sección transversal esquemática de ciertos elementos en una primera etapa de un método para formar una batería bipolar de acuerdo con una modalidad preferida de la invención ; la FIG. 11 es una vista superior esquemática de los elementos de la FIG. 10, tomada desde la línea XI-XI de la FIG. 10; la FIG. 12 es una vista en sección transversal esquemática de ciertos elementos en una segunda etapa de un método para formar una batería bipolar de acuerdo con una modalidad preferida de la invención; la FIG. 13 es una vista superior esquemática de los elementos de la FIG. 12, tomada desde la línea XIII-XIII de la FIG. 12; la FIG. 14 es una vista en sección transversal esquemática de ciertos elementos en una tercera etapa de un método para formar una batería bipolar de acuerdo con una modalidad preferida de la invención ; la FIG. 15 es una vista superior esquemática de los elementos de la FIG. 14, tomada desde la línea XV-XV de la FIG. 14; la FIG. 16 es una vista en sección transversal esquemática de ciertos elementos en una cuarta etapa de un método para formar una batería bipolar de acuerdo con una modalidad preferida de la invención ; la FIG. 17 es una vista superior esquemática de los elementos de la FIG. 16, tomada desde la línea XVII-XVII de la FIG. 16; la FIG. 18 es una vista en sección transversal esquemática de ciertos elementos en una quinta etapa de un método para formar una batería bipolar de acuerdo con una modalidad preferida de la invención; la FIG. 19 es una vista en sección transversal esquemática de ciertos elementos en una sexta etapa de un método para formar una batería bipolar de acuerdo con una modalidad preferida de la invención; la FIG. 20 es una vista superior esquemática de los elementos de la FIG. 19, tomada desde la línea XX-XX de la FIG. 19; la FIG. 21 es una vista en sección transversal esquemática de ciertos elementos en una sexta etapa de un método para formar una batería bipolar de acuerdo con una modalidad alternativa de la invención; La FIG. 22 es una vista superior esquemática de los elementos de la FIG. 21, tomada desde la línea XXII-XXII de la FIG. 21; la FIG. 23 es una vista superior esquemática de una batería bipolar de acuerdo con una modalidad alternativa de la invención; y la FIG. 24 es una vista en sección transversal esquemática de la batería bipolar de la FIG. 23, tomada desde la línea XXIV-XXIV de la FIG. 23.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención proporciona una batería bipolar que tiene una terminal con unidad mono-polar positiva (MPU) , una terminal con MPU negativa, y al menos una unidad bipolar (BPU) dispuesta entre los mismos subs tancialmente en forma vertical. Cada BTU incluye una capa de electrodos (por ejemplo, un substrato conductor) que tiene dos lados. Un material activo positivo se forma o coloca en el primer lado de la capa de electrodos, y un material negativo se forma o coloca en el segundo lado de la capa de electrodos. La batería bipolar de esta invención también incluye una capa de electrólitos que tiene un electrólito entre cada unidad de electrodos adyacente (es decir, entre cada MPU y BPU adyacente, y entre cada BPU y BPU adyacente) y una barrera que aisla eléctricamente las unidades de electrodos adyacentes entre las cuales se coloca la capa de electrólitos. Adicionalmente, la batería bipolar de esta invención incluye una junta obturadora colocada subs tancialmente sobre cada capa de electrólitos para sellar el electrólito de la capa de electrólitos entre la junta obturadora y las dos capas de electrodos adyacentes entre la misma. La invención ahora se describirá haciendo referencia a las FIGS. 1-24. La FIG. 1 muestra una BPU 2 ilustrativa, de acuerdo con una modalidad de la presente invención, incluyendo una capa de electrodos 4 con material activo positivo proporcionado en un primer lado de un substrato conductor impermeable 6, y una capa de electrodos 8 de material activo negativo proporcionado sobre el otro lado del substrato conductor impermeable 6. Como se muestra en la FIG. 2, múltiples BPU 2 se pueden encadenar substancialmente de forma vertical en una cadena 20, con una capa de electrólitos 10 proporcionada entre dos BPU 2 adyacentes, de tal forma que una capa de electrodos positivos 4 de una BPU 2 se oponga a una capa de electrodos negativos 8 de una BPU 2 adyacente vía una capa de electrólitos 10. Cada capa de electrólitos 10 de preferencia incluye un separador 9 que mantiene un electrólito 11 (véase, por ejemplo, la FIG. 6) . Un separador 9 puede separar eléctricamente la capa de electrodos positivos 4 y la capa de electrodos negativos 8 adyacentes al mismo, mientras que permita la transferencia iónica entre las unidades de electrodos para recombinación, como se describirá con mayor detalle posteriormente. Haciendo referencia al estado encadenado de las BPU 2 en la FIG. 2, los componentes incluidos en la capa de electrodos positivos 4 y el substrato 6 de una primera BPU 2, la capa de electrodos negativos 8 y el substrato 6 de una segunda BPU 2 adyacente a la primera BPU 2, y la capa de electrólitos 10 entre la primera y segunda de las BPU 2 se les denominará en la presente como "segmento de acumulador" 22. Cada substrato impermeable 6 de cada segmento de acumulador 22 se comparte por el segmento de acumulador 22 adyacente aplicable. Como se muestra de las FIGS. 3 y 4, se pueden proporcionar terminales positivas y negativas junto con la cadena 20 de una o más de las BPU 2 para constituir una batería bipolar 50 de acuerdo con una modalidad de la invención. Una MPU positiva 12, que incluye una capa de electrodos positivos 14 con material activo proporcionada en un lado de un substrato conductor impermeable 16, se puede colocar en un primer extremo de la cadena 20 con una capa de electrólitos proporcionada entre la misma (es decir, la capa de electrólitos lOe) , de tal forma que la capa de electrodos positivos 14 de la MPU positiva 12 se oponga a una capa de electrodos negativos (es decir, la capa 8d) de la BPU (es decir, la BPU 2.d) en ese primer extremo de la cadena 20 vía la capa de electrólitos lOe. Una MPU negativa 32, que incluye una capa de electrodos negativos 38 de material activo proporcionada en un lado de un substrato conductor impermeable 36, se puede colocar en el segundo extremo de la cadena 20 con una capa de electrólitos proporcionada entre el mismo (es decir, la capa 10a de electrólitos), de tal forma que la capa de electrodos negativos 38 de la MPU negativa 32 se oponga a una capa de electrodos positivos (es decir, la capa 4a) de la BPU (es decir, la BPU 2a) en ese segundo extremo de la cadena 20 vía la capa de electrólitos 10a. Si se desea, las MPU 12 y 32 se pueden proporcionar con cables de electrodos positivos y negativos 13 y 33 correspondientes, respectivamente . Se debe observar que el substrato y la capa de electrodos de cada MPU pueden formar un segmento de acumulador 22 con el substrato y la capa de electrodos de su BPU 2 adyacente, y la capa de electrólitos 10 entre los mismos, como se muestra en la FIG. 3. El número de las BPU 2 encadenadas en la cadena 20 puede ser de una o más, y se determina adecuadamente para que corresponda con un voltaje deseado para la batería 50. Cada BPU 2 puede proporcionar un potencial deseado, de tal que se pueda alcanzar un voltaje deseado para la batería 50 al agregar los potenciales proporcionados por cada componente BPU 2. Se debe entender que cada BPU 2 no necesita proporcionar potenciales idénticos. En una modalidad adecuada, la batería bipolar 50 se estructura de modo que se encapsule la cadena 20 de la BPU y sus MPU positivas y negativas 12 y 32 respectivas (por ejemplo, sellado herméticamente) en una cubierta o envoltura de batería 40 bajo presión reducida. Los sustratos conductores de la MPU 6 y 36 (o al menos sus cables de electrodos respectivos 13 y 33) se pueden extraer de la cubierta de la batería 40, para mitigar los impactos del exterior en el momento de la utilización y evitar la degradación ambiental. Se pueden proporcionar muescas 42 en las MPU 12 y 32 para una envoltura de bajo perfil y una superficie lisa. Para evitar que el electrólito de un primer segmento de acumulador 22 (véase, por ejemplo, el electrólito lia del segmento de acumulador 22a de la FIG. 6A) se combine con el electrólito de otro segmento de acumulador 22 (véase, por ejemplo, el electrólito 11b del segmento de acumulador 22b de la FIG. 6A) , las juntas obturadoras de preferencia se encadenan con capas de electrólitos 10 entre las unidades de electrodos adyacentes para sellar el electrólito dentro de su segmento de acumulador 22 particular. En una disposición adecuada, como se muestra en las FIGS . 3-4A, la batería bipolar de la invención puede incluir una junta obturadora 60 colocada como un bucle continuo sobre la capa de electrólitos 10 y las capas de electrodos 4, 8, 14, y 38 de material activo de cada segmento de acumulador 22 para sellar el electrólito entre la junta obturadora y las unidades de electrodos de ese segmento (es decir, las BPU o la BPU y MPU adyacentes a esa junta obturadora) y para mantener los espacios de separación adecuados entre los substratos conductores adyacentes 6/16/32 de ese segmento. Como se describirá con mayor detalle posteriormente, en un procedimiento adecuado, se puede aplicar presión a la parte superior e inferior de la cubierta 40 en la dirección de las flechas Pl y P2 para comprimir y mantener los segmentos de acumulador 22 y las juntas obturadoras 60 en la configuración sellada mostrada en las FIGS. 3-4A. En otro procedimiento adecuado, se puede aplicar presión a los lados de la cubierta 40 en la dirección de las flechas P3 y P4 para comprimir y mantener los segmentos de acumulador 22 y las juntas obturadoras 60 en la configuración sellada mostrada en las FIGS. 3-4A. Todavía en otro procedimiento adecuado, se puede aplicar presión a la parte superior e inferior de la cubierta 40 en la dirección de las flechas Pl y P2 y también se puede aplicar presión a los lados de la cubierta 40 en la dirección de las flechas P3 y P4 para comprimir y mantener los segmentos de acumulador 22 y las juntas obturadoras 60 en la configuración sellada mostrada en las FIGS. 3-4A. Esta batería bipolar 50 puede incluir múltiples segmentos de acumulador 22 encadenados y conectados en serie, como se muestra en la FIG. 5, para proporcionar el voltaje deseado . Haciendo referencia ahora a la FIG. 6, se muestra una vista en despiece de dos segmentos de acumulador 22 particulares de la batería 50 de la invención. El segmento de acumulador 22a incluye el substrato 36 y la capa de electrodos negativos 38 de la MPU 32, capa de electrólitos 10a, así como también la capa de electrodos positivos 4a y el substrato 6a de la BPU 2a. El segmento de acumulador 22b incluye el substrato 6a y la capa de electrodos negativos 8a de la BPU 2a, la capa de electrólitos 10b, así como la capa de electrodos positivos 4b y el substrato 6b de la BPU 2b. Como se describió anteriormente, cada capa de electrólitos 10 puede incluir un separador 9 y un electrólito 11. Se puede proporcionar una junta obturadora 60 como un bucle continuo sobre la capa de electrólitos 10 de cada segmento de acumulador 22 de tal forma que el separador 9 y el electrólito 11 de ese segmento se sellen totalmente dentro del espacio definido por la junta obturadora 60 y los substratos adyacentes de ese segmento de acumulador particular. Como se muestra en las FIGS. 6 y 7, la junta obturadora 60a rodea la capa de electrólitos 10a de tal forma que su separador 9a y el electrólito lia queden totalmente sellados dentro del espacio definido por la junta obturadora 60a; el substrato 36, y el substrato 6a del segmento de acumulador 22a. Asimismo, como se muestra en las FIGS . 6 y 8, la junta obturadora 60b rodea la capa de electrólitos 10b de tal forma que su separador 9b y el electrólito 11b queden totalmente sellados dentro del espacio definido por la junta obturadora 60b, el substrato 6a, y el substrato 6b del segmento de acumulador 22b. Además, cada junta obturadora puede formar un sello con las capas de material activo de su segmento de acumulador al poner en contacto sus lados (véase, por ejemplo, la junta obturadora 60a y los lados de las capas de material activo 38 y 4a) . En una modalidad adecuada, para crear un mejor sello, las áreas superficiales de la junta obturadora y sus substratos adyacentes que están en contacto entre sí se pueden acanalar. Como se muestra en las FIGS. 6-9, se pueden formar acanaladuras 70 a lo largo de las áreas superficiales de las juntas obturadoras y los substratos en su punto de contacto entre sí, aumentando con esto la dimensión del área de contacto y creando una trayectoria de mayor resistencia para cualquier fluido que intente romper el sello creado entre la junta obturadora y el substrato. El área en sección transversal de la acanaladura 70 entre las superficies de la junta obturadora y el substrato particular puede ser de cualquier forma adecuada, tal como sinusoidal (véase, por ejemplo, la acanaladura 70a en la FIG. 6), en forma de V (véase, por ejemplo, la acanaladura 70b en la FIG. 6) , o rectangular (véase, por ejemplo, la acanaladura 70c en la FIG. 6) , por ejemplo. Además, la trayectoria de la acanaladura 70 sobre el substrato particular de su segmento de acumulador puede ser de cualquier diseño adecuado, tal como liso y continuo (véase, por ejemplo, la acanaladura 70a en la FIG. 7), recortado y continuo (véase, por ejemplo, la acanaladura 70b en la FIG. 8), o no continuo (véase, por ejemplo, la acanaladura 70c en la FIG. 9), por ejemplo. Las configuraciones y dimensiones de las acanaladuras proporcionadas entre las juntas obturadoras y los substratos descritos en la presente son sólo de ejemplo, y se pueden utilizar cualesquiera de diversas dimensiones y configuraciones para crear estas acanaladuras. Además, puede no haber ninguna acanaladura entre las juntas obturadoras y substratos de acuerdo con ciertas modalidades de la presente invención.

Los substratos utilizados para formar las unidades de electrodos de la invención (por ejemplo, los substratos 6, 16, y 36) se pueden formar de cualquier material conductor y impermeable adecuado, tal como una lámina metálica no perforada. El substrato de cada BPU típicamente puede estar entre 1 y 5 milímetros de grueso, mientras que el substrato de cada MPU puede tener entre 5 y 10 milímetros de grueso y actuar como terminales a la batería, por ejemplo. Cada substrato se puede fabricar de lámina delgada de aluminio, de lámina delgada del acero inoxidable, de material revestido que comprende níquel y el aluminio, material revestido que comprende cobre y aluminio, acero chapeado con níquel, cobre chapeado con níquel, aluminio chapeado con níquel, oro, plata, o cualquier combinación adecuada de los mismos, por ejemplo. Cada substrato se puede elaborar de dos o más capas de láminas metálicas adheridas entre sí, en ciertas modalidades. Las capas de electrodos positivos proporcionadas en estos substratos para formar las unidades de electrodos de la invención (por ejemplo, las capas de electrodos positivos 4 y 14) se pueden formar de cualquier material activo adecuado, tal como hidróxido de níquel (Ni(OH)2)# por ejemplo. El material activo positivo se puede sinterizar e impregnar, revestido con un aglutinante acuoso y sometido a presión, recubierto con un aglutinante orgánico y sometido a presión, o contenido mediante cualquier otro método adecuado para contener Ni(OH)2 con otros compuestos químicos portadores en una matriz conductora. La capa de electrodos positivos de la unidad de electrodos puede tener partículas de hidruro metálico (MH) perfundidas dentro de la matriz de Ni (OH) 2 para reducir el aumento de volumen, lo cual aumenta el ciclo de vida, para mejorar la recombinación, y reducir la presión dentro del segmento de acumulador. El MH también puede estar en un aglutinamiento de pasta de Ni(0H)2 para mejorar la conductividad eléctrica dentro del electrodo y soportar la recombinación. El MH se podría sustituir con otros compuestos químicos tales como por ejemplo Pd o AG. Las capas de electrodos negativos proporcionadas en estos substratos para formar las unidades de electrodos de la invención (por ejemplo, las capas de electrodos negativos 8 y 38) se pueden formar de cualquier material activo adecuado, tal como por ejemplo hidruro metálico (MH) , Cd, Zn, y Ag . El material activo negativo se puede sinterizar, recubierto con un aglutinante acuoso y someter a presión, recubierto con un aglutinante orgánico y sometido a presión, o contenido mediante cualquier otro método adecuado para contener el MH con otros compuestos químicos portadores en una matriz conductora. El costado del electrodo de MH puede tener Ni(OH)2 perfundido dentro de la matriz de MH para estabilizar la estructura, reducir la oxidación, y prolongar el ciclo de vida. El Ni(OH)2 se podría sustituir por otros compuestos químicos tales como por ejemplo Zn o Al. Diversos aglutinantes adecuados, tales como el aglutinante CMC orgánico, caucho Creyton, y PTFE (Tef Ion) , por ejemplo, se pueden mezclar con las capas de material activo para sostener las capas a sus substratos. El separador 9 de cada capa de electrólitos 10 de la batería bipolar de la invención se puede formar de cualquier material adecuado que aisla eléctricamente sus dos unidades de electrodos adyacentes mientras que permitan la transferencia iónica entre esas unidades de electrodos . El separador puede contener superabsorbentes de celulosa para mejorar el relleno y actúan como el depósito de electrólitos para prolongar el ciclo de vida, en donde el separador se puede producir de un material de pañal de polyabsorb, por ejemplo, mediante el cual el separador de preferencia pudiera liberar el electrólito absorbido anteriormente cuando se aplica la carga a la batería. En ciertas modalidades, el separador puede tener una densidad menor y ser más grueso que los acumuladores normales de modo que la Separación Entre Electrodos (IES, por sus siglas en inglés) se pueda iniciar con mayor intensidad de lo normal y se reduzca continuamente para mantener la estimación C y la capacidad de la batería sobre su vida así como prolongar la vida de la batería. El separador puede ser más delgado que el material normal unido a la superficie del material activo sobre las unidades de electrodos para reducir el cortocircuito y mejorar la recombinación. Este material separador por ejemplo se podría rociar, recubrir, o someter a presión. En ciertas modalidades, el separador puede tener un agente de recombinación unido al mismo. Este agente se podría perfundir dentro de la estructura del separador (esto se podría realizar físicamente al atrapar al agente en un proceso en húmedo utilizando un PVA para unir al agente a las fibras separadoras, o el agente podría colocar en el mismo mediante electrodeposición, por ejemplo), o se podría estratificar sobre la superficie mediante deposición por vapor. El material podría ser Pb, Ag, o cualquier otro agente que soporte con eficacia la recombinación. Mientras que el separador de preferencia presenta una resistencia si el substrato se mueve entre sí, puede no proporcionarse un separador en ciertas modalidades de la invención que utilicen substratos que sean bastante rígidos para no desviarse. El electrólito 11 de cada capa de electrólitos 10 de la batería bipolar de la invención se puede formar de cualquier compuesto químico adecuado que se ionice cuando se disuelve o funde para producir un medio eléctricamente conductor. El electrólito de preferencia es un electrólito de NiMH estándar que contiene hidróxido de litio (LiOH) , hidróxido de sodio (NaOH) , hidróxido de calcio (CaOH) , o hidróxido de potasio (KOH) , por ejemplo. El electrólito también puede contener aditivos para mejorar la recombinación, tales como Ag(0H)2, por ejemplo. El electrólito también puede contener RbOH, por ejemplo, para mejorar el desempeño a baja temperatura. En algunas modalidades de la invención, el electrólito (por ejemplo, el electrólito 11) se puede congelar dentro del separador (por ejemplo, el separador 9) y luego descongelar después de que la batería quede totalmente montada. Esto permite que se inserten electrólitos particularmente viscosos en la cadena de la unidad de electrodos de la batería bipolar antes de que las juntas obturadoras hayan formado substancialmente sellos herméticos contra fluidos con los substratos adyacentes a los mismos. Las juntas obturadoras 60 de la batería bipolar de la invención se pueden formar de cualquier material adecuado o una combinación de materiales que puedan sellar con eficacia un electrólito dentro del espacio definido por la junta obturadora y los substratos adyacentes al mismo. En ciertas modalidades, la junta obturadora se podría formar de un bucle con sello sólido, tal como nylon, polipropileno, acumulador gard, caucho, PVA, o cualquier otro material no conductor, o combinación del mismo, por ejemplo. Este anillo de estancamiento se puede someter a presión para mejorar el sellado. La compresión de preferencia puede ser de aproximadamente 5%, puede ser de cualquier elasticidad que sea necesaria para asegurar un buen sel lado .

Alternativamente, las juntas obturadoras se pueden formar de una pasta viscosa, tal como epoxi, alquitrán de brea, o pegamento impermeable a KOH , por ejemplo. Todavía en otras modalidades, las juntas obturadoras utilizadas en la batería bipolar de esta invención se pueden formar por una combinación de un bucle con sello sólido y una pasta viscosa utilizada para mejorar el sellado entre la junta obturadora y los substratos de la unidad de electrodos adyacentes a la misma. Alternativamente, los substratos mismos se podrían tratar con pastas viscosas antes de que las juntas obturadoras se apilen entre sí. Como se mencionó anteriormente, un beneficio de utilizar un diseño de batería bipolar es la intensidad aumentada de descarga de la batería. Esta intensidad aumentada de descarga permite el uso de ciertos electrólitos menos corrosivos (por ejemplo, al eliminar o reducir el componente de KOH del electrólito) que de otra manera podría no ser factible en los diseños de la batería prismática o bobinada. Esta libertad proporcionada por el diseño bipolar para utilizar electrólitos menos corrosivos permite que ciertos epoxies (por ejemplo, el epoxi J-B Weld, por ejemplo, que no tiene ningún electrólito de KOH) se pueda utilizar al formar un sello con las juntas obturadoras que de otra manera se podrían corroer por electrólitos más corrosivos. Como se describió anteriormente, la parte superior e inferior de cada junta obturadora se puede acanalar para que se ajuste contra una acanaladura recíproca en su substrato adyacente. Además, cada junta obturadora se puede conformar en su borde exterior de tal forma que se ajuste sobre el borde externo de su substrato adyacente cuando se coloca en la cadena (véase, por ejemplo, la junta obturadora 60a con respecto al substrato 6a en las FIGS. 6 y 8) . La cubierta o el envoltura 40 de la batería bipolar de la invención se puede formar de cualquier material no conductor adecuado que sella las unidades de electrodos de la terminal (es decir, las MPU 12 y 32) para exponer sus capas de electrodos conductores (es decir, las capas 4 y 38) o sus cables asociados (es decir, los cables 13 y 33) . La envoltura de preferencia también soporta y mantiene los sellos entre las juntas obturadoras y los substratos de la unidad de electrodos adyacentes a los mismos para aislar los electrólitos dentro de sus segmentos de acumulador respectivos. La envoltura de preferencia proporciona el apoyo requerido para estos sellos de tal forma que puedan resistir la expansión de la batería a medida que aumentan las presiones internas en los segmentos del acumulador. La envoltura se puede producir de nylon o cualquier otro polímero o material elástico, incluyendo compuestos reforzados, o un material de envoltura contráctil, o de un material estriado, tal como acero recubierto con esmalte o cualquier otro metal, por ejemplo. Con referencia a la FIG. 3, la batería bipolar 50 de la invención incluye una pluralidad de segmentos de acumulador (por ejemplo, los segmentos de acumulador 22a-22e) formados por las MPU 12 y 32, y la cadena de las BPU (por ejemplo, las BPUs 2a-2d) entre las mismas. De acuerdo con ciertas modalidades de la invención, los espesores y materiales de cada uno de los substratos (por ejemplo, los substratos 6a-6d), las capas de electrodos (por ejemplo, las capas positivas 4a-d y 14, y las capas negativas 8a-8d y 38) , las capas de electrólitos (por ejemplo, las capas 10a-10e), y las juntas obturadoras (por ejemplo, las juntas obturadoras 60a-6Oe) pueden diferir entre sí, no sólo del segmento de acumulador al segmento de acumulador, sino que también dentro de un segmento de acumulador particular, creando con esto baterías con una plétora de diferentes beneficios y características de desempeño.

Por ejemplo, el substrato 6a de la BPU 2a se puede recubrir con una variedad de materiales activos a lo largo de diferentes porciones de los mismos para formar la capa de electrodos positivos 4a de material activo, como se muestra, por ejemplo, en la FIG. 4A por la porción 4a' más externa, la porción media 4a' ' , y la porción más interna 4a' ' ' . Cada una de las porciones 4a' -4a''' se puede formar por un diferente material activo y/o puede ser de un espesor diferente, por ejemplo. Adicionalmente, junto con la variación de los materiales y espesores dentro de un substrato, capa de electrodos, capa de electrólitos, o junta obturadora particulares como se describió anteriormente con respecto al substrato 6a en la FIG. 4A, los materiales y espesores de los substratos, capas de electrodos, capas de electrólitos, y juntas obturadoras pueden variar a lo largo de la altura de la cadena de segmentos del acumulador. Como un ejemplo, el electrólito utilizado en cada una de las capas de electrólitos de la batería 50 puede variar con base en la forma en que cierra su segmento de acumulador respectivo a la mitad de la cadena de los segmentos de acumulador. Por ejemplo, el segmento de acumulador 22c (es decir, el segmento de acumulador central de los cinco (5) segmentos 22 en la batería 50) puede incluir una capa de electrólitos (es decir, capa de electrólitos 10c) que se forma de un primer electrólito, mientras que los segmentos de acumulador 22b y 22d (es decir, los segmentos de acumulador adyacentes a los segmentos de acumulador terminales en la batería 50) puede incluir capas de electrólitos (es decir, las capas de electrólitos 10b y 10d, respectivamente) que se forman cada una de un segundo electrólito, mientras que los segmentos de acumulador 22a y 22e (es decir, los segmentos de acumulador exteriores en la batería 50) pueden incluir capas de electrólitos (es decir, las capas de electrólitos 10a y lOe, respectivamente) que se forman cada una de un tercer electrólito. Al utilizar electrólitos de mayor conductividad en los encadenamientos internos, la resistencia podría ser menor de tal forma que el calor generado podría ser menor, proporcionando con resto el control térmico de la batería por diseño en lugar de los métodos de enfriamiento externo. Como se mencionó anteriormente, un método para producir la batería bipolar de esta invención puede incluir en general los pasos de proporcionar una MPU y encadenar una o más de las BPU en la misma con capas y juntas obturadoras de electrólitos entre las mismas, antes de rematar finalmente la cadena con otra MPU de polaridad opuesta. Por ejemplo, con respecto a las FIGS . 10 y 11, una MPU negativa 1032 inicialmente se puede proporcionar con un substrato conductor impermeable 1036 y una capa de electrodos negativos 1038 de material activo recubierta sobre el mismo. El substrato 1036 de preferencia se proporciona con una acanaladura 1070 al menos parcialmente sobre la capa negativa 1038. Después, una junta obturadora 1060 de preferencia se encadena sobre el substrato 1036 sobre la capa de electrodos 1038 (véanse, por ejemplo, las FIGS. 12 y 13) . Una acanaladura 1061 de preferencia se acanala en el costado de la junta obturadora 1060 que está en contacto con el substrato 1036, de tal forma que las acanaladuras 1070 y 1061 se alineen para crear un área superficial de contacto continuo entre la junta obturadora y el substrato. Estas acanaladuras recíprocas ayudan la auto-alineación de la junta obturadora con respecto a la MPU a medida que se encadena sobre la misma, simplificando así el paso de producción. Una vez que la junta obturadora 1060 se haya encadenado firmemente sobre la parte superior de la MPU 1032, un receptáculo en forma de copa prácticamente hermético (véase, por ejemplo, el espacio 1080) de esta forma se define por las paredes laterales internas de la junta obturadora 1060 y las porciones de la PU 1032 entre las mismas. El ángulo formado entre las paredes laterales internas de la junta obturadora y las porciones de la unidad de electrodos entre las mismas (por ejemplo, el ángulo 1078 entre las paredes laterales internas de la junta obturadora 1060 y las porciones de la MPU 1032 entre las mismos en la FIG. 13) pueden tener cualquier ángulo adecuado, incluyendo ángulos rectos, ángulos obtusos, o ángulos agudos. Después, se pueden depositar un separador 1009 y un electrólito 1011 dentro de las paredes internas de la junta obturadora 1060 encima de la capa de electrodos negativos 1038 para definir una capa de electrólitos 1010 dentro del espacio 1080 (véanse, por ejemplo, las FIGS. 14 y 15) . Cuando el electrólito que se utilizará sea muy viscoso, el sello creado entre la junta obturadora y la MPU permite que el electrólito se inyecte fácilmente en el espacio 1080 sin posibilidad de fuga. Se debe entender que si el electrólito no es viscoso en el momento de la inserción en la cadena (por ejemplo, en la modalidad donde el electrólito se congela dentro del separador) , la capa de electrólitos se puede encadenar sobre la PU antes de que la junta obturadora se ajuste sobre la misma. Una vez que el separador 1009 y el electrólito 1011 de la capa de electrólitos 1010 se hayan depositado dentro del espacio 1080 definido por la junta obturadora 1060 y la MPU 1032, se puede encadenar sobre la misma una primera BPU 1102 (véanse, por ejemplo, las FIGS. 16 y 17) . Como se muestra en la FIG. 16, la BPU 1102 incluye un substrato conductor impermeable 1106 que tiene una capa de electrodos positivos 1104 y una capa de electrodos negativos 1108 recubierta sobre los costados opuestos de la misma. El substrato 1106 de preferencia se proporciona con una acanaladura 1172 en uno de sus costados al menos parcialmente sobre la capa de electrodos positivos 1104. Con la capa de electrodos positivos 1104 de la BPU 1102 orientada hacia abajo de la capa de electrodos negativos 1038 de la MPU 1032, la BPU 1102 se puede encadenar sobre la junta obturadora 1060, de tal forma que la acanaladura 1062 proporcionada sobre la parte superior de la junta obturadora 1060 y la acanaladura 1172 del substrato 1106 se alineen y creen un área superficial de contacto continuo entre la junta obturadora y el substrato. Estas acanaladuras recíprocas ayudan en el auto - al ineamiento de la BPU con respecto a la junta obturadora, y por lo tanto la MPU a medida que se pueda encadenar con la misma, simplificando con esto el paso de producción. Una vez que la BPU 1102 se haya encadenado firmemente sobre la parte superior de la junta obturadora 1060, y de esta forma la MPU 1032, existe un primera segmento de acumulador 1022. Además, un sello prácticamente hermético se define con esto mediante el substrato 1106, el substrato 1036, y la junta obturadora 1060 sobre la capa de electrólitos 1010 (y de esta forma el electrólito 1011) . Se debe observar que, mientras que la acanaladura 1062 en la parte superior de la junta obturadora 1060 (y de esta forma la acanaladura 1172 sobre la parte inferior del substrato 1106) pueden tener el mismo tamaño, configuración, y forma (ambas en sección transversal y sobre los electrodos) que las de la acanaladura 1061 en la parte inferior de la junta obturadora 1060, las acanaladuras sobre la parte superior e inferior de la junta obturadora pueden ser diferentes entre sí, como se muestra en la FIG. 16, por ejemplo. De manera similar, las acanaladuras proporcionadas sobre la parte superior e inferior de cada substrato de las unidades de electrodos pueden variar con respecto entre sí (véase, por ejemplo, las acanaladuras 1172 y 1170 de la BPU 1102 en. la FIG. 16) . Una vez que este primer segmento de acumulador 1022 se haya creado al encadenar la junta obturadora 1060, la capa de electrólitos 1010, y la BPU 1102 en la parte superior de la MPU 1032, como se describió anteriormente con respecto a las FIGS . 10- 17, las BPU adicionales se pueden encadenar sobre el mismo de una manera similar, si se desea. Una vez que se haya encadenado la cantidad deseada de las BPU para la batería bipolar, una segunda MPU se debe encadenar sobre la misma. Con referencia a la FIG. 18, se puede encadenar una MPU positiva 1012 sobre la parte más superior de la BPU (en esta modalidad, sólo se proporcionó una BPU, de esta forma la BPU 1102 es aquella BPU en la parte más superior) . Sin embargo, antes de que se aplie la MPU 1012 sobre la BPU 1102, se pueden proporcionar una junta obturadora adicional (es decir, una junta obturadora 1160 con una acanaladura inferior 1161 y una acanaladura superior 1162) y una capa de electrólitos (es decir, la capa de electrólitos 1110 con el separador 1109 y el electrólito 1111) como se describió anteriormente con respecto a la junta obturadora 1060 y a la capa de electrólitos 1010. La MPU positiva 1012 de preferencia se proporciona con un substrato conductor impermeable 1016 y una capa de electrodos positivos 1014 con material activo recubierto sobre el mismo. El substrato 1016 de preferencia se proporciona con una acanaladura 1072 al menos parcialmente sobre la capa positiva 1014. Con la capa de electrodos positivos 1014 de la MPU 1012 orientada hacia abajo de la capa de electrodos negativos 1108 de la BPU 1102, la MPU 1012 se encadena sobre la junta obturadora 1160, de tal forma que la acanaladura 1162 proporcionada sobre la junta obturadora 1160 y la acanaladura 1072 del substrato 1016 se alineen y creen un área superficial de contacto continuo entre la junta obturadora y el substrato. Estas acanaladuras recíprocas ayudan en el auto-alineamiento de la MPU positiva 1012 con respecto a la junta obturadora 1160, y por lo tanto la BPU 1102, y con esto la junta obturadora 1060, y por lo tanto la MPU negativa 1032 a medida que se encadena sobre la misma. Esta característica de auto-alineamiento de la batería bipolar de la invención simplifica significativamente este paso de producción. Una vez que la MPU 1012 se haya encadenado firmemente sobre la junta obturadora 1160, y de esta forma la BPU 1102, existe un segundo segmento de acumulador (es decir, el segmento 1122) . Además, un sello prácticamente hermético se define con esto por el substrato 1016, el substrato 1106, y la junta obturadora 1160 sobre la capa de electrólitos 1110 (y de esta forma el electrólito 1111) . Una vez que se haya producido una cadena para incluir una MPU positiva, una MPU negativa, al menos una BPU entre las mismas, y una junta obturadora y una capa de electrólitos entre cada una de las unidades de electrodos, formando con esto una cadena de segmentos de acumulador, como se describió anteriormente con respecto a las FIGS. 10-18, una cubierta o un envoltura se pueden proporcionar para sellar el contenido de la cadena para formar una batería bipolar funcional de la invención. En una primera modalidad, como se muestra en las FIGS. 19 y 20, de preferencia se proporciona un envoltura rígida 1040 sobre la cadena de segmentos de acumulador (es decir, los segmentos de acumulador 1022 y 1122), de tal forma las capas de electrodos terminales (es decir, la capa de electrodos positivos 1014 y la capa de electrodos negativos 1038) se expongan (vía los substratos conductores 1016 y 1036, respectivamente), y de tal forma que la disposición de sujeción con conforma de C se proporciona por la envoltura sobre el contenido de la cadena para proporcionar una batería bipolar 1050. Se ejerce presión por la envoltura tanto hacia abajo sobre el substrato 1016 de la MPU 1012 en la dirección de las flechas PD así como también hacia arriba sobre el substrato 1036 de la MPU 1032 en la dirección de las flechas Pu- Esta la presión de preferencia mantiene la relación sellada entre cada junta obturadora y los substratos adyacentes a la misma en la cadena para crear barreras prácticamente herméticas sobre cada capa de electrólitos. Se debe observar que el acoplamiento de las acanaladuras formadas en las juntas obturadoras y sus substratos adyacentes, como se describió anteriormente de acuerdo con ciertas modalidades de la invención, disminuye la cantidad de presión de sujeción requerida para que se ejerza en la dirección de las flechas PD y Pu para crear las juntas prácticamente herméticas. En otra modalidad, como se muestra en las FIGS . 21 y 22, una envoltura 1040', de preferencia hecha de envoltura para sellado, una envoltura contráctil, cinta para sellado, o cualquier otro material deformable adecuado, se proporciona sobre la cadena de segmentos de acumulador (es decir, los segmentos de acumulador 1022 y 1122) , de tal forma que las capas de electrodos terminales (es decir, la capa de electrodos positivos 1014 y la capa de electrodos negativos 1038) se expongan (vía los substratos conductores 1016 y 1036, respectivamente), y de tal forma que se proporcione una disposición de sujeción de borde externo únicamente al envolver la envoltura sobre el contenido de la cadena para proporcionar una batería bipolar 1050' . La cadena de segmentos de acumulador, según se cubre por la envoltura 1040', de preferencia se coloca dentro de un recipiente rígido 1060' cuya área en sección transversal tiene forma similar aunque algo más larga que la de la cadena envuelta. Una vez que se coloca la cadena envuelta dentro del recipiente rígido 1060', cualquier fluido 1070' adecuado que se expande cuando está bajo la presión, tal como aire, agua, o espuma, por ejemplo, se rellena en el recipiente 1060' sobre la envoltura 1040'. El recipiente entonces se puede sellar y su fluido encerrado 1070' se puede someter a presión de tal forma que se expanda para proporcionar presión interna sobre la superficie total de la envoltura 1040' en la dirección de las flechas Ps para apretar la envoltura 1040 sobre la cadena de segmentos de acumulador. Esta presión mantiene la relación sellada entre cada junta obturadora y los substratos adyacentes a la misma en la cadena para crear barreras prácticamente herméticas sobre cada capa de electrólitos de la batería 1050', las cuales se pueden retirar posteriormente del recipiente 1060' . Aunque cada una de las modalidades descritas e ilustradas anteriormente de la batería bipolar muestran una batería formada al encadenar los substratos que son redondos en una batería cilindrica, se debe observar que cualquiera de una amplia variedad de configuraciones se puede utilizar para formar los substratos de la batería bipolar de la invención. Por ejemplo, la batería bipolar de la invención se puede formar al encadenar los substratos con áreas en sección transversal que son rectangulares, triangulares, hexagonales, o de cualquier otra configuración imaginable, incluyendo aquellas con uno o más espacios vacíos dentro de un plano, tales como una "figura-8" (véase, por ejemplo, la batería 2050, que tiene la envoltura 2040', la BPU 2102, y las MPU 2012 y 2032, en las FIGS . 23 y 24), por ejemplo.

De esta forma, se observa que una batería bipolar se ha proporcionado con una unidad de electrodos positivos, una unidad de electrodos negativos, al menos una unidad de electrodos bipolares encadenada entre los mismos, una capa de electrólitos que separa cada unidad de electrodos adyacentes, y una junta obturadora colocada sobre cada capa de electrólitos para crear un sello sobre la capa de electrólitos junto con las unidades de electrodos adyacentes a la misma. Se debe observar que los materiales, configuraciones, y dimensiones de las unidades de electrodos, capas de electrólitos, y las juntas obturadoras descritas anteriormente son únicamente de ejemplo. Alguien con experiencia en la técnica apreciará que la invención se puede practicar mediante modalidades distintas a las descritas, la cuales se presentan para fines de ilustración y no como limitación, y la invención se limita únicamente por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Una batería bipolar que comprende: una unidad de electrodos positivos mono-polares ; una unidad de electrodos negativos mono-polares ; al menos una unidad de electrodos bipolar encadenada entre la unidad de electrodos positivos y la unidad de electrodos negativos; una capa de electrólitos proporcionada entre cada par de unidades de electrodos adyacentes; y una junta obturadora colocada sobre cada una de las capas de electrólitos, en donde cada una de las capas de electrólitos se sella mediante su junta obturadora respectiva y su par respectivo de unidades de electrodos adyacentes.
2. Una batería bipolar que comprende: una unidad mono-polar positiva (MPU) que tiene un material activo positivo sobre una capa de electrodos terminales positivos; una MPU negativa que tiene un material activo negativo sobre una capa de electrodos terminales negativos ; al menos una unidad bipolar (BPU) dispuesta prácticamente de forma vertical en una cadena entre la MPU positiva y la MPU negativa, cada BPU comprende : una capa de electrodos bipolares que tiene dos costados, un material activo positivo sobre un primer costado de la capa de electrodos bipolares, y un material activo negativo sobre un segundo costado de la capa de electrodos bipolares; una capa de electrólitos que comprende un material de electrólitos colocado entre cada una de las unidades polares prácticamente de forma vertical adyacentes, en donde la capa de electrólitos comprende además un material barrera que aisla eléctricamente las capas de electrodos de las unidades polares adyacentes entre las cuales se coloca la capa de electrólitos; y un anillo de estancamiento colocado prácticamente alrededor de cada capa de electrólitos, en donde las unidades polares, las capas de electrólitos, y los anillos de estancamiento están dispuestos en una estructura encadenada en la cual la MPU positiva se coloca sobre un extremo de la estructura y la MPU negativa se coloca en el extremo opuesto de la estructura, y en donde se ejerce una fuerza de sujeción sobre la estructura encadenada para provocar que los anillos de estancamiento se coloquen prácticamente alrededor de las capas de electrólitos, el material activo positivo de al menos de una unidad polar, y el material activo negativo de una unidad polar adyacente, provocando que el material de electrólitos se selle en la misma.