ES2353463T3 - Estructura de células unitarias estratificadas para batería de polímero de litio de alta potencia. - Google Patents
Estructura de células unitarias estratificadas para batería de polímero de litio de alta potencia. Download PDFInfo
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Abstract
Un sistema de batería, que comprende una primera y una segunda células unitarias (31a; 31b) que tiene, cada una de ellas, una bolsa (34) y terminales (32a; 33a; 33b; 32b) de ánodo y de cátodo, que están conectados a una superficie de la bolsa y están doblados opuestamente en direcciones hacia arriba y hacia abajo, en el que el terminal de cátodo de la segunda célula unitaria (31b) está directamente conectado al terminal de ánodo de la primera célula unitaria (31a), y caracterizado porque las partes (35) de conexión entre el terminal (32a, 33b) del ánodo y la bolsa (34) y entre el terminal (32b, 33a) del cátodo y la bolsa (34) están escalonadas.
Description
Estructura de células unitarias estratificadas
para batería de litio de alta potencia.
La presente invención está relacionada con una
estructura de células unitarias estratificadas para una batería de
polímero de litio de alta potencia.
Más en particular, la presente invención está
relacionada con una estructura de células unitarias estratificadas
para una batería de polímero de litio, en la cual los terminales de
los electrodos están dispuestos sobre las superficies de las
respectivas células unitarias para la batería de polímero de litio,
y están estratificadas alternativamente, permitiendo así que las
células unitarias se conecten en serie a través solamente de una
operación de superposición, sin un dispositivo adicional de
conexión.
Generalmente, una batería secundaria se puede
recargar y descargar, a diferencia de una batería primaria. Las
investigaciones de las baterías secundarias han sido llevadas a cabo
para adaptar la batería secundaria a un campo de alta tecnología,
tal como el de las cámaras digitales, teléfonos celulares,
ordenadores portátiles o coches híbridos. Como ejemplos de baterías
secundarias existen la batería de níquel-cadmio, la
batería híbrida de níquel-metal, la batería de
níquel-hidrógeno, la batería de níquel recargable y
otras. Entre ellas, la batería recargable de litio tiene una tensión
de funcionamiento de 3,6 V o mayor, y se utiliza como fuente de
potencia para equipos electrónicos portátiles. Además, se conectan
en serie varias baterías recargables de litio para uso en un coche
híbrido. La tensión de funcionamiento de la batería de litio
recargable es 3 veces más alta que la batería de
níquel-cadmio o la batería híbrida de
níquel-metal. Además, la batería recargable de litio
tiene una alta densidad de energía por unidad de peso. Por estas
razones, el uso de baterías recargables de litio se ha incrementado
rápidamente.
La batería recargable de litio puede ser
fabricada con diversas formas, por ejemplo con forma cilíndrica o
con forma prismática, que se utiliza para una batería de
litio-ión. Una batería de polímero de litio que ha
recibido mucha atención recientemente se fabrica en forma de bolsa
flexible, de manera que su forma puede ser cambiada de varias
maneras. Además, la batería de polímero de litio es excelente en
estabilidad y ligera de peso, de manera que es ventajosa para
conseguir los delgados y ligeros equipos electrónicos
portátiles.
Haciendo referencia a la figura 1, una batería
convencional 10 de litio recargable del tipo de bolsa incluye una
parte 11 de batería y un estuche 12. El estuche 12 proporciona un
espacio 12a para acomodar en él la parte 11 de la batería.
La parte 11 de la batería está hecha disponiendo
una placa anódica, un separador y una placa catódica secuencialmente
y devanándolas en una dirección, o bien superponiendo una pluralidad
de placas anódicas, separadores y placas catódicas. Cada placa de
electrodo de la parte 11 de la batería está eléctricamente conectada
a un terminal de ánodo o de cátodo 13 o 14.
Un extremo de cada uno de los terminales 13 y 14
de ánodo y cátodo emerge desde una superficie 12b de hermeticidad
del estuche 12. Los extremos salientes de los terminales 13 y 14 de
ánodo y cátodo están conectados a los terminales de una placa de
circuito protector, que no está ilustrada en los dibujos.
Hay devanada una cinta 15 de hermeticidad
alrededor de una junta de la superficie exterior de cada uno de los
terminales 13 y 14 de ánodo y cátodo y de la superficie 12b de
hermeticidad, para impedir un cortocircuito entre el estuche 12 y
los terminales 13 y 14 de los electrodos.
El estuche 12 no tiene una estructura de forma
cilíndrica o de bote prismático hecha de un material grueso de oro,
sino que tiene una estructura de bolsa que tiene una lámina metálica
en una capa intermedia y en las capas internas y externas unidas a
superficies opuestas de la lámina metálica y hecha de una película
aislante. En su lugar, el estuche en forma de bolsa tiene una
excelente maleabilidad, de manera que puede ser doblado como se
desee. Como se ha descrito anteriormente, el estuche 12 tiene el
espacio 12a para acomodar en él la parte 11 de la batería, y la
superficie 12b de hermeticidad está dispuesta sobre una superficie
que está fundida térmicamente a lo largo del borde del espacio
12a.
La figura 2 es una vista ampliada tomada a lo
largo de la línea I-I de la figura 1.
Haciendo referencia a los dibujos, el estuche 12
comprende una película compuesta que tiene una capa intermedia 12c y
unas capas internas y externas 12d y 12e. La capa intermedia 12c
está hecha de hoja metálica, por ejemplo de una hoja de aluminio.
Las capas interna y externa 12d y 12e comprenden películas aislantes
que están unidas a las superficies interna y externa de la capa
intermedia 12c, para proteger la capa intermedia 12c.
La parte 11 de la batería, que tiene la placa
11a del ánodo, el separador 11c y la parte 11b del cátodo dispuestas
secuencialmente, está alojada en el espacio 12a definido en el
estuche 12. El terminal 13 del ánodo y el terminal 14 del cátodo se
extienden desde la placa 11a del ánodo y desde la placa 11b del
cátodo, como se ilustra en la figura 1. Los extremos de los
terminales 13 y 14 de los electrodos están expuestos al exterior a
través de la superficie 12b de hermeticidad del estuche 12. La cinta
15 de hermeticidad rodea la superficie exterior de cada uno de los
terminales 13 y 14 de los electrodos en la superficie 12b de
hermeticidad.
La parte 11 de la batería recargable 10 de litio
del tipo de bolsa, construida como se ha descrito anteriormente, se
obtiene a través del proceso siguiente. Primero, los terminales 13 y
14 del ánodo y del cátodo se conectan eléctricamente a las placas
11a y 11b del ánodo y del cátodo. A continuación, la placa 11a del
ánodo, el separador 11c y la placa 11b del cátodo se disponen
secuencialmente. En tal estado, se bobinan en una dirección, de
manera que la parte 11 de la batería queda completada.
La parte 11 de la batería completada se monta en
el estuche 12, que tiene el espacio 12a, a través de un proceso de
estiramiento. Durante una operación de montaje, un extremo de cada
uno de los terminales 13 y 14 de los electrodos, queda expuesto al
exterior del estuche 12. En tal estado, se aplican un calor y una
presión predeterminados a la superficie 12b de hermeticidad del
estuche 12, de manera que se ejecuta una fusión térmica. Con eso, se
completa la batería recargable 10 de litio del tipo de bolsa. La
batería recargable 10 de litio en forma de bolsa ya completada, pasa
a través de una serie de procesos de formación, incluyendo una
operación de carga, una operación de envejecimiento, una operación
de descarga, detectando con ello las baterías defectuosas, y
estabilizando una estructura de la batería.
La técnica anterior que trata del método para
estuchar la batería recargable de litio del tipo de bolsa, está
divulgada en la publicación coreana divulgada con el núm.
2005-594. De acuerdo con el citado documento, la
batería recargable de litio del tipo de bolsa aplica el mismo
potencial positivo a una capa metálica del estuche y al terminal de
ánodo, destruyendo así una capa interna del estuche. Debido a la
destrucción de la capa interna, se origina un cortocircuito cuando
el terminal del cátodo y la capa metálica del estuche entran en
contacto mutuo, de manera que se detecta fácilmente una diferencia
en la tensión de circuito abierto.
Por otra parte, cuando se requiere una batería
de litio de alta potencia, por ejemplo en un coche híbrido, se
superponen y conectan en serie varias decenas o cientos de baterías
estuchadas, ilustradas en las figuras 1 y 2, para proporcionar una
tensión alta.
Los sistemas de baterías convencionales están
divulgados en los documentos WO 03/071616, JP 2006/19075, US
2004/119442 y US 6.255.015.
Como la batería de polímero de litio del tipo de
bolsa comprende una bolsa frágil de aluminio, que se dobla o curva
con facilidad, la bolsa debe estar protegida por un estuche fuerte
para ser utilizada en periodos de tiempo largos. De acuerdo con la
técnica anterior, con el fin de conectar las bolsas en serie, los
terminales de ánodo y cátodo de cada bolsa se conectan a través de
una PCB (placa de circuito impreso) que tiene el diseño de un
circuito. Las bolsas conectadas se ponen después en el estuche.
Sin embargo, el método convencional para
proporcionar la batería de litio de alta potencia, superponiendo las
bolsas de polímero de litio, es problemático porque es difícil
proteger perfectamente las frágiles bolsas de polímero de litio.
Además, el método para superponer varias bolsas y conectarlas a la
PCB es incompleto, de manera que es susceptible de variación
ambiental, tal como choques externos.
Por tanto, se requiere un método para superponer
bolsas más firmemente y de manera estable, que constituyen las
baterías de litio utilizadas como fuente de alta potencia, y para
conectar fiablemente las bolsas en serie.
Consecuentemente, la presente invención se ha
efectuado teniendo en cuenta los problemas anteriores que ocurren en
la técnica anterior, y un objeto de la presente invención es
proporcionar una estructura que sea capaz de superponer firmemente y
de manera estable una pluralidad de células unitarias de litio.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una estructura estratificada que es capaz de superponer
y conectar simultáneamente una pluralidad de células unitarias de
litio, sin un dispositivo adicional de conexión.
Un objeto adicional de la presente invención es
proporcionar una estructura estratificada que sea capaz de
superponer fácilmente una pluralidad de células unitarias de litio
sin un dispositivo adicional de soporte.
Con el fin de conseguir el objeto, la presente
invención proporciona un sistema de batería de acuerdo con la
reivindicación 1. Dicho sistema de batería incluye una primera y una
segunda células unitarias, que tiene cada una de ellas una bolsa y
terminales de ánodo y cátodo que están conectados a una superficie
de la bolsa y están opuestamente dobladas en direcciones hacia
arriba y hacia abajo. En este caso, el terminal del cátodo de la
segunda célula unitaria está directamente conectado al terminal del
ánodo de la primera célula unitaria.
Como se ha descrito anteriormente, la presente
invención proporciona una estructura que es capaz de superponer
firmemente y de manera estable una pluralidad de células unitarias
de litio.
Además, la presente invención proporciona una
estructura estratificada que es capaz de superponer y conectar
simultáneamente una pluralidad de células unitarias de litio, sin un
dispositivo adicional de conexión.
Más aún, la presente invención proporciona una
estructura estratificada que es capaz de superponer fácilmente una
pluralidad de células unitarias de litio, sin un dispositivo
adicional de soporte.
La figura 1 ilustra una batería recargable
convencional de litio del tipo de bolsa;
la figura 2 es una vista ampliada de la batería
recargable convencional de litio del tipo de bolsa, tomada a lo
largo de la línea I-I de la figura 1;
la figura 3 es una vista en perspectiva de una
célula unitaria de litio, de acuerdo con la presente
invención;
invención;
la figura 4 ilustra la construcción en la que
hay superpuestas dos células unitarias de la figura 3;
la figura 5 es una vista en perspectiva que
muestra un marco principal para contener la célula unitaria, de
acuerdo con la presente invención;
la figura 6 es una vista en perspectiva que
ilustra un marco de tapa para cubrir la célula unitaria, de acuerdo
con la presente invención;
la figura 7 es una vista que ilustra una
estructura de superposición de la célula unitaria, de acuerdo con la
presente invención; y
la figura 8 es una vista en perspectiva que
muestra una estructura de estratificación de un sistema de batería
de litio, de acuerdo con la presente invención.
De aquí en adelante, se describirán en detalle
los modos de realización preferidos de la presente invención, con
referencia a los dibujos que se acompañan.
La figura 3 es una vista en perspectiva de una
célula unitaria 31 de litio, de acuerdo con la presente
invención.
De acuerdo con esta invención, la célula
unitaria 31 de litio incluye una bolsa 34 y una pareja de terminales
32 y 33 de ánodo y cátodo. La bolsa 34 tiene dentro una estructura
de batería de litio recargable. Los terminales 32 y 33 de ánodo y
cátodo, cada uno en forma de estante, están dispuestos sobre una
superficie de la bolsa 34.
La bolsa 34 puede tener la estructura de una
batería recargable convencional de litio del tipo de bolsa ilustrada
en la figura 2, es decir, una estructura hecha superponiendo varias
veces placas de ánodo, placas de cátodo y separadores. Además, tal
bolsa no es rígida, sino que es flexible, a diferencia de las
típicas de metal o plástico.
El terminal 32 de ánodo y el terminal 33 de
cátodo están conectados a la placa anódica y a la placa catódica (no
ilustradas), que están dispuestas en la bolsa 34. Un extremo del
terminal 32 del ánodo y un extremo del terminal 33 del cátodo están
doblados en direcciones opuestas con respecto a la bolsa 34.
Preferiblemente, como se ilustra en la figura 3,
las partes 35 de conexión entre el terminal 32 del ánodo y la bolsa
34 y entre el terminal 33 del cátodo y la bolsa 34, son escalonadas
para ser conectados fácilmente a los terminales de los electrodos de
otras células unitarias.
Preferiblemente, el terminal 32 del ánodo puede
estar hecho de aluminio, y el terminal 33 del cátodo puede estar
hecho de níquel o cobre.
La figura 4 muestra el estado en el que hay
superpuestas dos células unitarias 31a y 31b de la figura 3.
La primera célula unitaria 31a y la segunda
célula unitaria 31b de la figura 4, tienen la misma forma. Los
extremos de los terminales del ánodo de la primera y segunda células
unitarias 31a y 31b están doblados en direcciones opuestas. De forma
similar, los extremos de los terminales del cátodo de la primera y
segunda células unitarias 31a y 31b están doblados en direcciones
opuestas.
Cuando se superpone una célula unitaria sobre
otra célula unitaria que tiene la misma forma, esta última célula
unitaria se pone boca abajo. Es decir, las células unitarias quedan
superpuestas, como se ilustra en la figura 4. Los terminales del
ánodo y los terminales del cátodo están conectados entre sí de
manera alternada, de forma que las dos células unitarias se conectan
en serie.
Es decir, como se ilustra en la figura 4, un
extremo del terminal 32a del ánodo de la primera célula unitaria 31a
se dobla hacia abajo, y un extremo del terminal 33a del cátodo se
dobla hacia arriba. Además, un extremo del terminal 33b del ánodo de
la segunda célula unitaria 31b se dobla hacia abajo y un extremo del
terminal 32b se dobla hacia arriba.
El terminal 32a del ánodo de la primera célula
unitaria 31a se conecta al terminal 33b del cátodo de la segunda
célula unitaria 31b.
Por medio de tal construcción, la primera célula
unitaria 31a y la segunda célula unitaria 31b pueden conectarse
mutuamente en serie solamente a través de una operación de
superposición, sin una unidad adicional de conexión, tal como una
PCB, a diferencia de la técnica anterior. La resistencia de contacto
se hace muy baja.
Se pueden superponer células unitarias
adicionales sobre la estructura estratificada de la figura 4, según
sea necesario. Las células unitarias adicionales se superponen
conectando alternativamente los terminales de ánodo y los terminales
de cátodo, de forma que se conectan en serie.
La figura 5 es una vista en perspectiva de un
marco principal 41 para empaquetar la célula unitaria que tiene la
bolsa y los terminales de electrodos de la figura 3, o una unidad de
batería que tiene otra bolsa y otros terminales de electrodos, de
acuerdo con la presente invención.
El marco principal 41 incluye un marco 47 de
soporte de la bolsa, una parte 46 radiante de calor y un soporte 42
de terminales. El marco 47 de soporte de la bolsa soporta la bolsa
de la célula unitaria. La parte 46 radiante de calor está unida a
una superficie lateral del marco 47 de soporte de la bolsa, en forma
de estante. El soporte 42 de terminales está unido a una pared
lateral de la parte 46 radiante de calor en forma de pared, y
soporta los terminales de los electrodos de la célula unitaria.
Preferiblemente, el marco principal 41 se
fabrica utilizando un producto de plástico integrado.
El marco 47 de soporte de la bola mantiene en él
la bolsa y sirve para soportar la bolsa por la superficie externa
del marco 47 de soporte de la bolsa. La parte 46 radiante de calor
funciona dispersando el calor generado en la bolsa.
Como se ilustra en la figura 5, el marco 47 de
soporte de la bolsa tiene, preferiblemente, una profundidad
predeterminada para mantener la bolsa en él.
Preferiblemente, hay dispuesta una rejilla 43 de
soporte en el marco 47 de soporte de la bolsa, y sirve para soportar
establemente la bolsa contenida en el marco principal 41.
El marco 47 de soporte de la bolsa puede tener
unas partes 44a y 44b de bloqueo del marco, para ser conectadas a
otro marco mediante la inserción de tornillos en las partes 44a y
44b de bloqueo del marco.
El soporte 42 de terminales sirve para soportar
los terminales de ánodo y cátodo de la célula unitaria.
Preferiblemente, el soporte de terminales puede tener unas partes 45
de bloqueo de terminales, de manera que los terminales de ánodo y
cátodo quedan fijados a las partes 45 de bloqueo de terminales,
utilizando tornillos.
Además, las partes 48a y 48b de conexión del
marco están dispuestas en extremos opuestos del soporte 42 de
terminales, y están conectadas a las partes de conexión de otro
marco, cuando se conectan mutuamente los marcos. Preferiblemente el
marco principal 41 puede tener otra parte 44c de bloqueo del marco,
para quedar fijado a otro marco.
La figura 6 es una vista en perspectiva de un
marco 51 de tapa que está superpuesto sobre el marco principal 41 de
la figura 5 y conectado al marco principal 41 para tapar la célula
unitaria.
El marco 51 de tapa incluye un marco 57 de
soporte de la bolsa, una parte 56 radiante de calor y un soporte 52
de terminales, como el marco principal 41. El marco 57 de soporte de
la bolsa soporta la bolsa de la célula unitaria. La parte 56
radiante de calor está unida a una superficie lateral del marco 57
de soporte de la bolsa, en forma de estante. El soporte 52 de
terminales está unido a una pared lateral de la parte 56 radiante de
calor en forma de pared, y soporta los terminales de los electrodos
de la célula unitaria.
Preferiblemente, el marco 51 de tapa está
fabricado utilizando un producto plástico integrado.
El marco principal 41 y el marco 51 de tapa
definen un estuche de la batería. El marco 51 de tapa está
superpuesto sobre el marco principal 41, para ser conectado al marco
principal 41. Preferiblemente, el marco 51 de tapa sirve como una
tapa que cubre el marco principal 41. En este caso, las partes 48a y
48b de conexión con otro marco del marco principal 41 están
conectadas a las correspondientes partes 58a y 58b de conexión con
otro marco, del marco 51 de tapa.
Es decir, la célula unitaria se pone en el marco
principal 41 y, de ahí en adelante, el marco 51 de tapa cubre el
marco principal 41, constituyendo así un estuche estable de la
célula unitaria.
La figura 7 es una vista que ilustra tal
estructura estratificada. Los marcos principales 41 y los marcos 51
de tapa están superpuestos, y las células unitarias de la figura 3
están insertadas en el marco principal 41 y en el marco 51 de tapa.
En este caso, las células unitarias están superpuestas de tal manera
que los terminales de ánodo y los terminales de cátodo se cruzan
entre sí para ser conectados en serie.
Tal estructura de soporte permite al marco
principal 41 y al marco 51 de tapa quedar establemente conectados
entre sí sin un dispositivo adicional de soporte o conexión. Las
células unitarias flexibles pueden ser insertadas en la
estructura.
Además, se insertan tornillos o pernos en las
partes 44a, 44b, 44c, 54a, 54b y 54c de bloqueo de los marcos,
dispuestas sobre los marcos 47 y 57 de soporte de las bolsas y los
soportes 42 y 52 de los terminales, según sea necesario, aumentando
así la estabilidad. Además, los terminales de los electrodos pueden
ser fijados a las partes 45 y 55 de bloqueo de los terminales,
dispuestas sobre los soportes 42 y 52 de los terminales, utilizando
tornillos o pernos.
El marco principal, la célula unitaria y el
marco de tapa constituyen una unidad. Se insertan otras células
unitarias en la unidad para ser superpuestas. Con eso, se puede
conectar en serie una pluralidad de células unitarias, por ejemplo
100 células unitarias.
La figura 8 es una vista en perspectiva que
muestra la estructura estratificada de un sistema de baterías de
litio que incluye una pluralidad de marcos principales y marcos de
tapa, y las células unitarias insertadas entre los marcos
principales y los marcos de tapa.
Como se ha descrito anteriormente, la presente
invención es capaz de superponer firmemente y de manera estable una
pluralidad de células unitarias de litio.
Además, de acuerdo con la presente invención, es
capaz de superponer simultáneamente y conectar una pluralidad de
células unitarias de litio, sin un dispositivo adicional de
conexión.
Más aún, de acuerdo con esta invención, es capaz
de superponer fácilmente una pluralidad de células unitarias de
litio, sin un dispositivo adicional de soporte.
Aunque los modos de realización preferidos de la
presente invención han sido divulgados con fines ilustrativos, los
expertos en la técnica apreciarán que son posibles diversas
modificaciones, adiciones y sustituciones, sin apartarse del alcance
y espíritu de la invención, como se divulga en las reivindicaciones
que se acompañan.
Claims (3)
1. Un sistema de batería, que comprende una
primera y una segunda células unitarias (31a; 31b) que tiene, cada
una de ellas, una bolsa (34) y terminales (32a; 33a; 33b; 32b) de
ánodo y de cátodo, que están conectados a una superficie de la bolsa
y están doblados opuestamente en direcciones hacia arriba y hacia
abajo, en el que el terminal de cátodo de la segunda célula unitaria
(31b) está directamente conectado al terminal de ánodo de la primera
célula unitaria (31a), y caracterizado porque las partes (35)
de conexión entre el terminal (32a, 33b) del ánodo y la bolsa (34) y
entre el terminal (32b, 33a) del cátodo y la bolsa (34) están
escalonadas.
2. El sistema de batería de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que cada uno de los terminales (32a; 33a;
33b; 32b) de ánodo y de cátodo de la primera y segunda células
unitarias (31a; 31b) está conectado a una superficie de la bolsa
(34) en forma de estante.
3. El sistema de batería según la reivindicación
1 o 2, que comprende además al menos una célula unitaria que tiene
la misma forma que la primera y segunda células unitarias (31a;
31b), superpuesta adicionalmente sobre la primera y segunda células
unitarias (31a; 31b), y que tiene terminales de ánodo y de cátodo
que están alternados y directamente conectados a los terminales
(32a; 33a; 33b; 32b) de ánodo y de cátodo de la primera y segunda
células unitarias (31a; 31b).
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