ES2990139T3 - Separador de celda electroquímica con aplicación de calor - Google Patents

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Abstract

Un separador para una celda electroquímica de tipo bobina se inserta en una abertura interior dentro de un cátodo en forma de anillo en una lata de celda electroquímica. Luego se aplica una fuerza de expansión a una superficie interior del separador para presionar el separador contra las paredes interiores del cátodo. Luego, una herramienta puede eliminar varios pliegues y/o arrugas en el separador y/o puede luego sellar con calor al menos una parte de las paredes tubulares del separador para minimizar el espacio vacío entre el separador y el material activo (por ejemplo, cátodo y/o ánodo) dentro de la celda electroquímica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Separador de celda electroquímica con aplicación de calor
Antecedentes
Las celdas electroquímicas alcalinas se comercializan en tamaños comúnmente conocidos como LR6 (AA), LR03 (AAA), LR14 (C) y LR20 (D). Las celdas tienen una forma cilíndrica que debe cumplir con los estándares de dimensiones establecidos por organismos tales como la Comisión Electrotécnica Internacional. Las celdas electroquímicas son utilizadas por los consumidores para alimentar una amplia gama de dispositivos eléctricos, por ejemplo, relojes, radios, juguetes, juegos electrónicos, cámaras de película que generalmente incluyen una unidad de flash, así como cámaras digitales. El documento US2004/058234A1 divulga celdas de Zn/MnO<2>, el documento US6177210B1 divulga baterías alcalinas con separadores plegados y un método de fabricación que comprende la disposición de un mandril con separador en una lata cilíndrica de celdas, el documento US4669183 divulga baterías alcalinas y un método para formar dichas baterías alcalinas que comprende los etapas de insertar en una celda parcialmente ensamblada un separador formado que tiene una cavidad central y está construido con material termoplástico.
Los fabricantes de baterías han hecho grandes avances a la hora de mejorar la capacidad de las celdas y aumentar así el tiempo que pueden funcionar los dispositivos eléctricos, cumpliendo al mismo tiempo con los estándares de dimensiones aplicables para cada tamaño de celda. Como la forma y el tamaño de las baterías suelen ser fijos, los fabricantes de baterías deben modificar las características de las celdas para proporcionar un mayor rendimiento. Por ejemplo, los fabricantes de baterías generalmente buscan maximizar la cantidad total de material activo, incluyendo tanto el material de electrodo positivo (cátodo) como el material de electrodo negativo (ánodo).
Debido a la creciente necesidad por parte de los consumidores de celdas electroquímicas de alta capacidad que ofrezcan un tiempo de funcionamiento máximo, existe una necesidad constante de construcciones de celdas electroquímicas perfeccionadas que ofrezcan un mejor rendimiento de descarga.
Breve sumario
Para proporcionar un mayor rendimiento de descarga de las celdas electroquímicas, varias realizaciones se refieren a construcciones de celdas electroquímicas que comprenden un recipiente hueco que alberga un anillo catódico tubular que rodea un interior del recipiente hueco. Un separador de celda electroquímica se coloca dentro del interior hueco del cátodo y se comprime contra la pared interior del cátodo, para minimizar la cantidad de pliegues dentro del propio separador y/o para minimizar la cantidad de huecos entre el separador y el cátodo. La invención es tal y como se define en las reivindicaciones independientes 1 y 12. Las realizaciones preferidas son tal y como se definen en las reivindicaciones dependientes. El separador de acuerdo con la presente invención se vaporiza in situ para reducir aún más el número de pliegues dentro del separador. La celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación 12 está sellada térmicamente para evitar que los materiales activos positivo y negativo entren en contacto directo.
La invención consiste también en un método para formar un separador dentro de una celda electroquímica de acuerdo con la reivindicación independiente 1.
En diversas realizaciones, el separador comprende al menos dos capas adyacentes, y en donde el método comprende además calentar al menos una porción del separador para unir al menos una porción de las capas adyacentes entre sí. Asimismo, el separador puede comprender paredes laterales prensadas contra las paredes interiores del anillo de material activo y un extremo inferior cerrado, y en donde el método puede comprender además calentar al menos una porción de las paredes laterales del separador para sellar por calor las capas adyacentes de las paredes laterales entre sí.
El método puede comprender además etapas para formar un separador contorneado enrollando una lámina de separador alrededor de un troquel; y en donde prensar el separador en la abertura comprende prensar el separador contorneado en la abertura. En ciertas realizaciones, el separador contorneado tiene una pared lateral tubular y un extremo inferior cerrado, y la pared lateral tubular comprende al menos una porción superpuesta que comprende al menos dos capas adyacentes de la lámina de separador; y el método comprende además etapas para calentar al menos una parte de la porción superpuesta para sellar por calor las capas adyacentes de la lámina de separador. Asimismo, el método puede comprender además etapas para calentar al menos una parte del extremo inferior cerrado para sellar térmicamente el extremo inferior cerrado. La lámina de separador de ciertas realizaciones puede ser una lámina de separador fibrosa no tejida que comprende fibras termoplásticas, y calentar al menos una parte de la porción superpuesta puede derretir al menos una parte de las fibras termoplásticas. En ciertas realizaciones, calentar al menos una parte de la porción superpuesta comprende aplicar un calor al menos sustancialmente uniforme en la superficie interior del separador.
El método de acuerdo con la presente invención comprende vaporizar el separador después de prensarlo en la abertura. En diversas realizaciones, prensar el separador en la abertura comprende prensar el separador en la abertura con una herramienta de inserción de separador; y expandir el separador comprende inflar una vejiga expandible que define una superficie exterior de la herramienta de inserción de separador para aplicar presión radial al separador. En ciertas realizaciones, inflar la vejiga expandible comprende proporcionar un fluido calentado en una parte interior de la vejiga expandible para aplicar calor al separador.
La celda electroquímica de acuerdo con la presente invención comprende un recipiente; un cátodo en forma de anillo dispuesto dentro del recipiente, en donde el cátodo define una superficie exterior en contacto con el recipiente y una superficie interior que rodea un interior hueco; un ánodo dispuesto dentro del interior hueco del cátodo; y un separador situado entre el cátodo y el ánodo, en donde el separador tiene una pared lateral tubular y un extremo inferior cerrado, en donde la pared lateral tubular tiene al menos una porción superpuesta definida por al menos dos capas de una lámina de separador colocada entre el cátodo y el ánodo, y en donde al menos parte de las porciones superpuestas se sella térmicamente de manera que las al menos dos capas queden unidas entre sí, y en donde el separador (22) se vaporiza mientras está en su sitio contra la superficie interior del cátodo en forma de anillo (20).
En diversas realizaciones, el separador es un separador fibroso no tejido. Asimismo, el separador fibroso no tejido puede comprender fibras termoplásticas y en donde porciones de las fibras termoplásticas posicionadas dentro de al menos parte de las porciones superpuestas pueden unirse por fusión entre sí. Asimismo, la lámina de separador puede ser permeable a los iones y/o las porciones superpuestas de la lámina de separador pueden ser permeables a los iones.
En ciertas realizaciones, el separador es un separador contorneado que comprende una lámina de separador enrollada en espiral que tiene un primer extremo y un segundo extremo, y en donde el primer extremo se superpone al segundo extremo para formar la porción superpuesta sellada térmicamente. Asimismo, al menos una porción del extremo inferior cerrado puede sellarse térmicamente. En ciertas realizaciones, el separador tiene un extremo superior abierto opuesto al extremo inferior cerrado, y en donde la porción sellada térmicamente se extiende entre el extremo superior abierto y el extremo inferior cerrado.
Ciertas realizaciones están dirigidas a una herramienta de inserción de separador para insertar un separador en una celda electroquímica cilíndrica, la herramienta de inserción de separador comprende: una porción de cuerpo para prensar el separador en la celda electroquímica cilíndrica; y un miembro de expansión para expandir selectivamente la porción de cuerpo para aplicar fuerzas expansivas sobre una superficie interior del separador.
En diversas realizaciones, la porción de cuerpo comprende un vástago cilíndrico rígido. Asimismo, el elemento de expansión comprende una vejiga hinchable que rodea el vástago cilíndrico rígido. En ciertas realizaciones, la herramienta de inserción de separador comprende además un conducto de fluido que se extiende al menos parcialmente a través de la porción de cuerpo, y la herramienta de inserción de separador puede estar configurada para expandir de manera selectiva la vejiga hinchable dirigiendo el fluido a través del conducto de fluido y hacia el interior de la vejiga hinchable. Asimismo, la herramienta de inserción de separador puede comprender además un elemento calentador configurado para sellar térmicamente al menos una porción del separador y/o al menos un respiradero de vapor configurado para emitir vapor hacia el interior del separador.
Breve descripción de las diversas vistas de los dibujos
A continuación, se hará referencia a los dibujos adjuntos, que no están necesariamente dibujados a escala y, en donde:
la FIG. 1 es una vista en sección transversal de una celda electroquímica de tipo bobina de acuerdo con una realización;
la FIG. 2 es una vista despiezada de una celda electroquímica de tipo bobina de acuerdo con una realización; las FIGS. 3A-3B ilustran realizaciones de una herramienta de inserción de separador de acuerdo con la presente descripción; y
las FIGs . 4 y 5 ilustran realizaciones de ejemplo adicionales de una herramienta de inserción de separador de acuerdo con la presente descripción.
Descripción detallada
Celda electroquímica
Haciendo referencia ahora a la FIG. 1, se muestra una celda electroquímica10de tipo bobina de acuerdo con una realización de la presente invención. En la realización ilustrada de la FIG. 1, la celda electroquímica es una celda alcalina que tiene un material activo de cátodo de dióxido de manganeso y un material activo de ánodo de zinc. Sin embargo, debe entenderse que la celda electroquímica puede tener cualquiera de varias químicas en sus materiales activos.
La celda electroquímica alcalina10mostrada en el ejemplo de realización y descrita en el presente documento es una celda de batería primaria cilíndrica (no recargable) de tamaño LR6 (AA). Sin embargo, se debe tener en cuenta que las enseñanzas de la presente invención pueden ser aplicables a otras celdas electroquímicas alcalinas con otras formas y tamaños, incluyendo celdas de batería cilíndricas de tamaño LR03 (AAA), LR14 (C) y LR20 (D), a modo de ejemplos. Asimismo, aunque en lo sucesivo se exponen específicamente celdas electroquímicas cilíndricas, debe entenderse que varias realizaciones son aplicables a otras formas de celda, tales como celdas electroquímicas rectangulares y/o similares. Adicionalmente, la celda electroquímica10puede emplearse como una batería de una sola celda o puede emplearse en una batería de celdas múltiples.
La celda electroquímica10comprende un recipiente cilíndrico12que puede realizarse como una lata metálica (por ejemplo, de acero), que tiene un extremo cerrado14,un extremo abierto16opuesto, y una pared lateral cilíndrica que se extiende entre los extremos opuestos. El recipiente cilíndrico12está hecho de un metal conductor de electricidad adecuado que puede moldearse a una forma deseada y que está adaptado para sellar el contenido interno dentro de la celda10.En la realización mostrada, el recipiente cilíndrico12también funciona como colector de corriente de cátodo y, por lo tanto, presenta una buena conductividad eléctrica. En una realización, el recipiente cilíndrico12puede recubrirse con níquel y cobalto, tal como en un proceso de recocido. La superficie interior del recipiente cilíndrico12puede recubrirse con grafito, si se desea. En un ejemplo de una celda de tamaño LR6, el recipiente cilíndrico12tiene un espesor de pared de aproximadamente 0,025 cm (0,010 pulgadas o 10 milésimas de pulgada) y la pared cilíndrica tiene un diámetro exterior de aproximadamente 1,392 cm (0,548 pulgadas).
Un terminal de contacto positivo30que comprende acero revestido u otro material metálico conductor está soldado o fijado de otro modo al extremo cerrado14del recipiente cilíndrico12en la realización ilustrada en la FIG. 1. Sin embargo, en ciertas realizaciones, el terminal de contacto positivo30puede formarse integralmente como una porción del recipiente cilíndrico12.El terminal de contacto positivo30tiene una protuberancia sobresaliente (es decir, un saliente), en su centro que sirve como terminal de contacto positivo de la celda10.En el extremo abierto16opuesto del recipiente cilíndrico12está montado un conjunto de colector y sello formado por un colector de corriente de ánodo34(p. ej., un clavo, un sello26de polímero (por ejemplo, de nailon) y un terminal de contacto negativo32.El extremo abierto16del recipiente12se comprime sobre el sello26, que hace tope con un reborde28, para cerrar y sellar el extremo abierto16del recipiente12.El terminal de contacto negativo32forma un terminal de contacto negativo de la celda10.Los terminales de contacto positivo y negativo30y32están hechos de un metal conductor de electricidad y sirven como terminales eléctricos positivo y negativo, respectivamente. Adicionalmente, una camisa18puede estar formada sobre la superficie exterior del recipiente cilíndrico12y puede incluir una capa adhesiva, tal como una capa de película plástica metalizada.
Dispuesto dentro del volumen sellado del recipiente cilíndrico12hay un electrodo positivo, denominado anillo catódico20,generalmente posicionado adyacente a la superficie interior del recipiente cilíndrico12.El cátodo tiene una forma exterior que se corresponde con la forma del recipiente (por ejemplo, el cátodo colocado dentro del recipiente cilíndrico12tiene una forma generalmente cilíndrica) con una superficie interior que tienen definida una cavidad interior en la misma. Por ejemplo, la cavidad interior puede tener una forma generalmente cilíndrica, que tienen un diámetro interior ID. Sin embargo, debe entenderse que la cavidad interior puede tener diversas formas. A modo de otros ejemplos, la cavidad interior puede tener forma de estrella, una forma elíptica, una forma de "engranaje" (con una pluralidad de cavidades interconectadas que se extienden alrededor de un conector central, proporcionando así la forma general de un engranaje), y/o similares. Un separador22está dispuesto en la cavidad interior y entra en contacto con la superficie interior del anillo catódico20.Un electrodo negativo, denominado ánodo24,está dispuesto dentro de la cavidad interior dentro del separador22.Adicionalmente, una solución electrolítica alcalina, que incluye agua, está dispuesta dentro del volumen sellado del recipiente12en contacto tanto con el ánodo24como con el anillo catódico20.
Como se expone en el presente documento, el anillo catódico20ilustrado en la FIG. 1 incluye dióxido de manganeso (MnO<2>) como material electroquímicamente activo del electrodo positivo. El anillo catódico20generalmente está formado por una mezcla de dióxido de manganeso, grafito, sulfato de bario y una solución electrolítica alcalina acuosa. De acuerdo con una realización de moldeo por impacto, el cátodo20puede formarse colocando una cantidad de mezcla de cátodo en el recipiente12de extremo abierto y, usando un ariete de moldeo por impacto, moldear la mezcla hasta lograr un tubo sólido (por ejemplo, con una configuración cilíndrica) que defina una cavidad generalmente concéntrica con la pared lateral del recipiente12.Como alternativa, de acuerdo con una realización de moldeo de anillo, el anillo catódico20puede formarse mediante la preformación de una pluralidad de anillos (por ejemplo, tres o cuatro anillos) a partir de la mezcla de cátodo y a continuación insertando los anillos preformados en el recipiente12para formar el anillo catódico20con forma tubular. En ciertas realizaciones, la superficie interior del anillo catódico20(tanto si se ha formado mediante moldeo por impacto como mediante moldeo de anillo) puede tener una sección transversal generalmente circular, una sección transversal generalmente elíptica, una sección transversal en forma general de "estrella", y/o similares.
El ánodo24, también denominado en el presente documento electrodo negativo, puede incluir una mezcla homogénea de un electrolito alcalino acuoso, un polvo de zinc y un agente gelificante, tal como ácido poliacrílico reticulado. El polvo de zinc es el material electroquímicamente activo del ánodo24.El electrolito alcalino acuoso puede incluir un hidróxido de metal alcalino, tal como hidróxido de potasio (KOH), hidróxido de sodio o mezclas de los mismos. Un agente gelificante adecuado para su uso en el ánodo24puede incluir un ácido poliacrílico reticulado, tal como Carbopol 940®, comercializado por Noveon, Inc., de Cleveland, Ohio. Ejemplos de otros agentes gelificantes que pueden ser adecuados para su uso en la celda10pueden incluir carboximetilcelulosa, poliacrilamida y poliacrilato de sodio. El polvo de zinc puede incluir zinc puro o una aleación de zinc. Algunos componentes opcionales adicionales del ánodo24pueden incluir inhibidores de formación de gases, agentes anticorrosivos orgánicos o inorgánicos, aglutinantes o tensioactivos que pueden añadirse a los ingredientes enumerados anteriormente. Entre los ejemplos de inhibidores de formación de gases o agentes anticorrosivos adecuados se incluyen sales de indio (tal hidróxido de indio), sales de perfluoroalquil amonio, sulfuros de metales alcalinos, etc. Ejemplos de tensioactivos adecuados incluyen óxido de polietileno, polietileno, alquiléteres, compuestos de perfluoroalquilo y similares. El ánodo24se puede fabricar combinando los ingredientes en un mezclador de cinta o un mezclador de tambor y, a continuación, procesando la mezcla de ánodo hasta obtener una suspensión húmeda.
Además del electrolito alcalino acuoso absorbido por el agente gelificante durante el proceso de fabricación de ánodo, se añade una cantidad adicional de solución acuosa que contiene una solución de hidróxido de potasio y agua, también denominada en el presente documento electrolito libre, a la celda electroquímica10durante el proceso de fabricación. El electrolito libre puede incorporarse a la celda10colocándolo en la cavidad definida por el anillo catódico20después de insertar el separador22, y también puede inyectarse después de disponer el ánodo24en la celda. De acuerdo con una realización, la solución acuosa contiene aproximadamente un treinta y siete por ciento (37 %) en peso de KOH y un sesenta y tres por ciento (63 %) de agua desionizada.
En la celda alcalina10de dióxido de zinc/manganeso de tipo bobina mostrada y descrita en el presente documento, el separador22puede proporcionarse como un tejido fibroso no tejido en capas, permeable a iones, que separa el anillo catódico20del ánodo24.El separador22mantiene una separación dieléctrica física entre el material electroquímicamente activo del cátodo (dióxido de manganeso) y el material electroquímicamente activo del ánodo (zinc), y permite el transporte de iones entre los materiales de los electrodos positivo y negativo. Adicionalmente, el separador22actúa como medio absorbente para la solución electrolítica acuosa y como un collar que evita que porciones fragmentadas del ánodo24entren en contacto con la parte superior del anillo catódico20.El separador22puede incluir un separador convencional no tejido, típicamente hecho de dos o más capas de papel en forma de canasta que tiene una pared cilíndrica y un extremo inferior cerrado.
El separador22comprende un material permeable a iones que tiene una alta resistencia eléctrica (es decir, una baja conductividad eléctrica), tal como una tela fina no tejida. El separador puede ser una construcción de una sola capa o de varias capas (por ejemplo, de dos capas) para proporcionar la porosidad deseada para lograr la resistencia eléctrica y la permeabilidad iónica deseadas mientras se mantiene un volumen general bajo dentro de una celda electroquímica. Como se ha mencionado antes, dado que el volumen total de las celdas electroquímicas es generalmente fijo, minimizar el volumen total de materiales no activos (tales como el separador) dentro de una celda electroquímica proporciona volumen adicional dentro de la celda que puede ocuparse con materiales electroquímicos tales como el cátodo y/o el ánodo.
La tela no tejida del separador22puede estar realizada como un papel de fibra que comprenda fibras naturales, fibras artificiales y/o sintéticas. Por ejemplo, el papel de fibra puede comprender una mezcla de fibras sintéticas y artificiales, una mezcla de fibras sintéticas y materiales naturales (por ejemplo, pulpa de madera), y/o similares. Como ejemplo específico, el papel de fibra puede comprender fibras de celulosa fibrilada y fibras sintéticas. En ciertas realizaciones, las fibras sintéticas pueden comprender un material termoplástico, tal como fibras de alcohol polivinílico que tienen un punto de fusión de al menos aproximadamente 60 °C, fibras de ácido fenilborónico (fibras PBA) y/o similares. En ciertas realizaciones, las fibras sintéticas pueden comprender unas primeras fibras sintéticas que sean solubles en agua a una temperatura de al menos 60 °C y unas segundas fibras sintéticas que sean insolubles en agua. Asimismo, el papel de fibra puede comprender fibras de celulosa hiladas con disolvente sujetas a fibrilación en procesos de refinamiento y digestión bien conocidos en la fabricación de papel.
La combinación de las fibras de celulosa y las fibras sintéticas proporciona una tela no tejida porosa, que puede enrollarse/serpentearse para obtener una forma tubular y/o contorneada antes o después de la inserción en una celda electroquímica10.Asimismo, el extremo inferior del separador tubular22puede doblarse para formar un extremo inferior cerrado que tiene forma de "copa" que puede insertarse en una celda electroquímica. A modo de otro ejemplo más, el separador22puede comprender una construcción de tiras cruzadas que comprenda dos tiras de separador de papel/tela cuyos centros estén superpuestos con las tiras dispuestas en ángulos rectos, de manera que las tiras superpuestas tengan colectivamente 4 partes de al menos sustancialmente igual tamaño que se extiendan en ángulos rectos entre sí desde una porción de conector central. Tras la inserción, se pliega hacia arriba cada una de las 4 partes hacia la porción central para obtener una forma al menos sustancialmente cilíndrica donde la porción de conector central defina la base del cilindro formado. Tal realización puede formar 4 porciones superpuestas, como se expone con mayor detalle en el presente documento.
Una vez insertado en la celda electroquímica, el separador22resultante define una superficie exterior que rodea el exterior del separador resultante. El exterior de las paredes laterales está en contacto con una superficie interior del cátodo, y la superficie inferior exterior del separador está en contacto con una porción de la lata. Como se muestra en la vista despiezada de la FIG. 2, el separador contorneado22insertado define una o más porciones superpuestas23en las que al menos dos capas de papel de separador están alineadas en superposición una sobre otra dentro de la celda electroquímica10.En realizaciones en las que el separador22se define como una lámina de papel plana al menos sustancialmente continua que se enrolla para formar el separador contorneado, las porciones superpuestas están ubicadas adyacentes a los extremos opuestos de la lámina continua de papel de separador y tienen una longitud (medida a lo largo de la longitud enrollada del papel de separador) igual a la porción de papel superpuesto. Por tanto, el tamaño total de las porciones superpuestas23es igual al área de la porción más gruesa (medida en términos del mayor número de capas de la lámina de separador) del separador22.Asimismo, el extremo inferior plano del separador22comprende porciones superpuestas para definir un extremo inferior cerrado del separador22.
En ciertas realizaciones, una o más porciones superpuestas de las paredes laterales y/o el extremo inferior del separador22se sellan térmicamente para asegurar al menos parcialmente las porciones superpuestas del separador entre sí. Como se expone con más detalle en el presente documento, las porciones superpuestas del separador22se sellan térmicamente mediante la aplicación de una fuente de calor (por ejemplo, una cámara llena de vapor, un calentador de resistencia y/o similares) en al menos las porciones superpuestas del separador22.El calor aplicado hace que al menos una porción de las fibras sintéticas dentro del papel de separador se funda y se una con porciones de una porción superpuesta del separador22,uniendo de este modo mecánicamente las porciones superpuestas del separador22.Por ejemplo, una porción (por ejemplo, una porción lineal) de las paredes laterales del separador22que se extiende entre un extremo superior abierto del separador22y un extremo inferior cerrado del separador22puede sellarse con calor.
El separador22termosellado resultante define un separador al menos sustancialmente continuo que tiene una forma correspondiente a la superficie interior del anillo catódico20(p. ej., una forma cilíndrica del separador correspondiente a un anillo catódico20cilíndrico) sin huecos entre las porciones superpuestas del separador22.El separador22termosellado evita de esta manera el movimiento indeseable del material de ánodo o de cátodo entre las láminas del material de separador, que podría provocar cortocircuitos internos dentro de la celda electroquímica.
Asimismo, en ciertas realizaciones, el separador22puede aplicarse directamente sobre la superficie interior del anillo catódico20una vez insertado en la celda electroquímical0.El separador22puede aplicarse así para minimizar el número y/o el tamaño de los huecos entre la superficie interior del anillo catódico20y la superficie exterior del separador22.Dado que cada uno de estos huecos ocupa un volumen interior dentro de la celda electroquímica10que de otro modo podría llenarse con material activo, minimizar el número y/o volumen de huecos entre el anillo catódico20y el separador22puede proporcionar una mayor porción utilizable del volumen interior, que puede utilizarse para material activo dentro de la celda electroquímica10.
En ciertas realizaciones, se aplica presión radial en el separador22utilizando una herramienta de inserción100expandible como se analiza con mayor detalle en el presente documento. La herramienta de inserción100expandible puede estar configurada para prensar (por ejemplo, prensar radialmente) el separador22contra la superficie interior del anillo catódico20.Asimismo, la herramienta de inserción100expandible puede estar configurada para aplicar vapor al separador22una vez insertado en la celda electroquímica10para eliminar y/o minimizar uno o más pliegues dentro del material de separador.
En diversas realizaciones, la herramienta de inserción100puede estar configurada para expandir y vaporizar el papel de separador antes de aplicar calor para sellar con calor porciones de las paredes laterales del separador22para minimizar los huecos y/o pliegues entre el separador22y el anillo catódico20antes de sellar térmicamente el separador22.Sin embargo, en ciertas realizaciones la herramienta de inserción100puede estar configurada para expandir y prensar simultáneamente el separador22contra la superficie interior del anillo catódico20y aplicar calor (por ejemplo, calor seco o calor húmedo) para sellar por calor las porciones superpuestas del separador22.En ciertas realizaciones, la herramienta de inserción100está configurada para emitir vapor a una temperatura suficiente para eliminar simultáneamente los pliegues dentro del separador22y sellar con calor las porciones superpuestas23del separador22en relación mutua.
Herramienta de inserción de separador
Varias realizaciones se refieren a una herramienta de inserción100configurada para insertar un separador22(p. ej., un separador contorneado, un separador de tiras cruzadas y/o similares) en una celda electroquímica10y para alisar el separador22a lo largo de la pared interior de un anillo catódico20dentro de una celda electroquímica10.La herramienta de inserción100puede realizarse como un componente al menos sustancialmente cilíndrico que puede usarse para acoplar e insertar un separador22al menos sustancialmente cilíndrico en una celda electroquímica10al menos sustancialmente cilíndrica. En ciertas realizaciones, la herramienta de inserción100está configurada para insertar un separador22en una cavidad irregular o no cilíndrica dentro de un anillo catódico20.Por consiguiente, la herramienta de inserción100puede tener cualquiera de diversas formas de sección transversal, tal como una forma correspondiente a la forma de la cavidad interior del anillo catódico20.
Las FIGS. 3A-3B ilustran esquemáticamente una realización de una herramienta de inserción de separador100.Como se muestra en las FIGS. 3A-3B, la herramienta de inserción de separador100puede comprender un componente de expansión configurado para expandir un diámetroDde la herramienta de inserción de separador100para proporcionar fuerzas radiales sobre la superficie interior del separador22.El componente de expansión puede comprender una vejiga hinchable110que puede llenarse selectivamente con un fluido (por ejemplo, aire, aire caliente, vapor, gas inerte, gas inerte calentado, agua, agua caliente, aceite, aceite caliente y/o similares) para expandir el diámetroDde la vejiga hinchable110.
La vejiga hinchable110puede rodear un vástago de inserción rígido120configurado para prensar el separador22en el interior de la celda electroquímica10.El vástago de inserción rígido120puede comprender un material metálico (por ejemplo, aluminio, acero, acero inoxidable, titanio y/o similares), un material plástico (por ejemplo, un plástico resistente a altas temperaturas, un termoplástico, un plástico termoendurecible y/o similares), un material compuesto, un material cerámico, y/o similares. En ciertas realizaciones, el vástago de inserción rígido120puede comprender uno o más respiraderos de fluido121,válvulas y/o similares configurados para permitir añadir selectivamente fluido al interior de la vejiga hinchable110.Por ejemplo, el uno o más respiraderos de fluido121pueden extenderse hacia el interior del vástago de inserción rígido120en comunicación fluida con un conducto de fluido113que se extiende a través de una porción interior del vástago de inserción rígido120hasta una fuente de fluido (por ejemplo, una bomba, un recipiente de almacenamiento de fluido comprimido y/o similares). A modo de otro ejemplo más, el vástago de inserción rígido120puede realizarse como un vástago rígido poroso (por ejemplo, que comprende una pluralidad de partículas sinterizadas que forman colectivamente un vástago rígido y poroso a través del cual puede fluir un fluido), que define un conducto de fluido113a través de una porción central del vástago rígido120.
En ciertas realizaciones, la vejiga hinchable110puede comprender un material elástico que tenga una superficie al menos sustancialmente lisa. Por ejemplo, la vejiga hinchable110puede comprender un material plástico elástico configurado para expandirse y estirarse tras la introducción de un fluido (por ejemplo, un fluido a alta presión) dentro del interior de la vejiga hinchable110.En ciertas realizaciones, la vejiga hinchable110comprende un saco elástico que encierra uno o más respiraderos de fluido121,válvulas y/o similares del vástago de inserción rígido120,y el saco elástico puede tener un extremo cerrado111y un extremo abierto112.El extremo abierto112se asegura con un sello hermético con respecto a una porción de la herramienta de inserción en un miembro de sello122.El extremo cerrado111puede extenderse alrededor de una porción inferior rígida del vástago de inserción rígido120.Cuando está en la configuración no expandida, la vejiga hinchable110puede ajustarse a la forma del vástago de inserción rígido120de la herramienta de inserción de separador100,de tal manera que el vástago de inserción rígido120de la herramienta de inserción de separador100puede utilizarse para formar el separador cilíndrico22(p. ej., envolviendo papel plano de separador alrededor del vástago de inserción rígido120)y para guiar inicialmente el separador22hacia la celda electroquímica10.Una vez que el separador22está colocado dentro de la celda electroquímica10,puede inflarse la vejiga hinchable110de manera que se expanda en dirección opuesta al vástago de inserción rígido120en el separador22, para aplicar presión radial sobre el separador22y prensar el mismo contra las paredes interiores del anillo catódico22.La vejiga hinchable110puede expandirse y contornearse hacia la superficie interior del anillo catódico20,formando de este modo el separador22contra el anillo catódico20.Por tanto, si el anillo catódico20tiene una superficie interior irregular, la vejiga hinchable110puede prensar el separador22contra la superficie interior irregular para conformar el separador22a la forma del anillo catódico20.Como ejemplo específico, el separador22y la vejiga hinchable110pueden expandirse dentro de una abertura interior del anillo catódico20que tiene una sección transversal en forma de engranaje (como se describe en el presente documento) de manera que el separador22se prense en la pluralidad de cavidades interconectadas de modo que el separador22adquiera una sección transversal en forma de engranaje que se ajuste a la forma de la superficie interior del anillo catódico20.Por ejemplo, un mecanismo de bomba en comunicación fluida con el interior de la vejiga hinchable110a través del conducto de fluido113y uno o más respiraderos de fluido120puede estar configurado para bombear fluido al interior de la vejiga hinchable110hasta que la vejiga alcance una presión definida, para prensar un separador22formado alrededor del vástago de inserción rígido110contra las paredes interiores de un anillo catódico20.Asimismo, la bomba puede ser reversible en ciertas realizaciones, para desinflar la vejiga hinchable110de tal manera que la herramienta de inserción de separador100pueda retirarse fácilmente del interior de la celda electroquímica tras colocar del separador22contra las paredes interiores del anillo catódico20.En ciertas realizaciones, la vejiga hinchable110puede comprender uno o más respiraderos, orificios, válvulas y/o similares para permitir la salida de fluido (por ejemplo, aire, vapor y/o similares) a través de la vejiga hinchable110hacia la celda electroquímica10.
En ciertas realizaciones, la vejiga hinchable110puede expandirse lateralmente, con la porción inferior (por ejemplo, el extremo cerrado111)de la vejiga hinchable110asegurada con respecto al vástago de inserción rígido120de la herramienta de inserción100para prensar la pared lateral del separador22contra la pared lateral interior del anillo catódico20.Sin embargo, en ciertas realizaciones, la parte inferior cerrada111de la vejiga hinchable110puede estar configurada para expandirse en dirección opuesta al vástago de inserción rígido120de la herramienta de inserción100para presionar el extremo inferior cerrado del separador contorneado22contra el extremo inferior cerrado de la celda electroquímica10.
En diversas realizaciones, la vejiga hinchable110puede comprender un material plástico elástico que tenga un alto punto de fusión, de modo que puedan utilizarse fluidos a alta temperatura para inflar la vejiga hinchable110.En tales realizaciones, el material elástico de la vejiga hinchable110también puede ser un material termoconductor (o un aislante térmico ineficiente) de modo que el calor del fluido calentado pueda transferirse (por ejemplo, mediante transferencia de calor conductiva y/o convectiva) desde la vejiga hinchable110al separador22.Como se expone en el presente documento, la herramienta de inserción100puede estar configurada para aplicar suficiente calor al material de separador para sellar térmicamente las porciones superpuestas del separador22.Por consiguiente, el líquido dentro de la vejiga hinchable110puede estar lo suficientemente caliente como para que la vejiga hinchable110pueda sellar con calor el separador22al comprimir la vejiga hinchable110contra la superficie interior del separador22.En realizaciones en las que el fluido utilizado para expandir la vejiga hinchable110se utiliza para sellar térmicamente el separador22,la herramienta de inserción de separador100puede estar configurada para aplicar un calor al menos sustancialmente uniforme a través de al menos sustancialmente la totalidad de la superficie interior de la pared lateral del separador22.
En ciertas realizaciones, el mecanismo de expansión puede realizarse como uno o más paneles150que pueden expandirse hacia fuera desde una porción rígida120de la herramienta de inserción100.Cada uno de los paneles150pueden ser al menos parcialmente rígidos, y cada uno puede estar configurado para expandirse hacia fuera a través de un mecanismo mecánico (por ejemplo, un mecanismo hidráulico o neumático, varillaje mecánico y/o similares) para aplicar una presión radial hacia fuera sobre el separador22para prensar el separador22contra la superficie interior del anillo catódico20.En ciertas realizaciones, la herramienta de inserción100puede comprender una pluralidad de paneles expandibles150(p. ej., 2 paneles, 3 paneles, 4 paneles, 6 paneles, 8 paneles y/o similares) para proporcionar una presión generalmente uniforme sobre el separador22.
Asimismo, la herramienta de inserción puede comprender uno o más mecanismos de sello térmico160,tal como un cable calefactor de resistencia, que pueden estar configurados para aplicar (por ejemplo, conducir) calor directamente en el separador22para sellar térmicamente el separador22.El mecanismo de sellado térmico160puede proporcionarse en herramientas de inserción100con o sin uno o más mecanismos de expansión, de tal manera que el mecanismo de sellado térmico160está configurado para sellar térmicamente el separador22una vez que el separador22esté en su posición final dentro de la celda electroquímica10.El mecanismo de sellado térmico160puede estar configurado para un sellado térmico casi instantáneo, un sellado térmico gradual y/o similares. El mecanismo de sellado térmico160puede estar configurado además para sellar al menos una porción de la pared lateral tubular del separador y/o al menos una porción del extremo inferior cerrado del separador22.
El mecanismo de sellado térmico160puede extenderse a lo largo de al menos una porción de la longitud de la herramienta de inserción de separador100para sellar térmicamente al menos una porción de la pared lateral del separador22. Por ejemplo, el mecanismo de sellado térmico160puede extenderse al menos sustancialmente de manera lineal a lo largo de al menos una porción de la longitud de la herramienta de inserción de separador100para formar un sello térmico a lo largo de al menos sustancialmente toda la altura del separador22,que se extienda entre un extremo superior abierto del separador22y el extremo inferior cerrado del separador22.
La herramienta de inserción100puede comprender adicionalmente una o más boquillas de vapor170configuradas para aplicar vapor al separador22para calentar y humedecer al menos parcialmente el separador22y promover la unión entre porciones superpuestas del separador22cuando está situado dentro de la celda electroquímica10.En ciertas realizaciones, las boquillas de vapor170pueden estar configuradas para aplicar vapor al separador22antes de aplicar calor y presión para prensar el separador22contra el anillo catódico20.La combinación de calor y humedad aplicadas al separador22puede provocar que uno o más materiales sintéticos dentro del separador22se disuelvan y, al secarse, se plastifiquen para sellar térmicamente porciones adyacentes del separador22.
Método de fabricación
La fabricación de una celda electroquímica10de acuerdo con diversas realizaciones comienza proporcionando un recipiente cilíndrico12que tiene un extremo superior abierto y un extremo inferior cerrado. En ciertas realizaciones, el extremo inferior cerrado puede definir un saliente (por ejemplo, en forma de placa soldada al extremo inferior cerrado o un saliente formado integralmente con propio el recipiente cilíndrico12. A continuación se añaden materiales activos al interior del recipiente cilíndrico12a través del extremo superior abierto. Primero se añade material de cátodo en el recipiente cilíndrico12para formar un anillo catódico20adyacente a la pared exterior del recipiente cilíndrico12.
Como se ha indicado anteriormente, el material de cátodo puede premoldearse para formar anillos de cátodo y pueden añadirse uno o más anillos de cátodo en el interior del recipiente cilíndrico12.Como alternativa, puede añadirse material de cátodo granular al interior del recipiente cilíndrico12y puede insertarse un ariete de moldeo en el interior del recipiente cilíndrico12, para moldear por impacto el material de cátodo y obtener un anillo catódico20continuo.
Una vez que el anillo catódico está situado dentro del interior del recipiente cilíndrico12,el anillo catódico20tiene una superficie exterior adyacente a la superficie interior de la pared del recipiente cilíndrico12y una superficie interior que define una abertura (por ejemplo, una abertura cilíndrica) al menos sustancialmente dentro del centro del recipiente cilíndrico12.A continuación puede colocarse el separador22dentro de la abertura, en el interior del anillo catódico22.En ciertas realizaciones, el separador22puede formarse mediante una lámina de papel rectangular al menos sustancialmente continua que se enrolla alrededor de una herramienta de inserción100al menos sustancialmente cilíndrica para formar un separador contorneado22.La lámina de papel enrollada puede formar un anillo de una sola capa que tiene una porción superpuesta corta, donde las porciones próximas a los extremos opuestos de la lámina de papel se superponen para formar una porción superpuesta23que comprende una porción de dos capas. En ciertas realizaciones, la lámina de papel enrollada puede formar un anillo multicapa (por ejemplo, de al menos dos capas) que tiene una porción superpuesta donde las porciones próximas a los extremos opuestos de la lámina de papel se superponen para formar una porción superpuesta23que comprende al menos una capa adicional (por ejemplo, de al menos tres capas donde el separador contorneado22comprende al menos dos capas). Un extremo inferior del separador contorneado22resultante se pliega hacia dentro sobre un extremo de la herramienta de inserción para formar un extremo inferior cerrado del separador contorneado22.
Debe entenderse que el separador22puede formarse doblando y/o enrollando papel de diversas maneras para proporcionar un separador22que tiene un extremo inferior cerrado. En ciertas realizaciones, el separador22puede comprender una pluralidad de porciones superpuestas. Por ejemplo, un separador puede ser un separador de tiras cruzadas que comprenda una o más láminas de papel de separador dobladas sobre un extremo de una herramienta de inserción100(p. ej., en forma de "U"), y las porciones de la lámina de papel de separador ubicadas en lados opuestos de la herramienta de inserciónl0opueden plegarse unas hacia otras, alrededor de la herramienta de inserción cilíndrica100para formar un separador cilíndrico22.En una realización de este tipo, el separador cilíndrico22tiene dos porciones superpuestas23en lados opuestos del separador cilíndrico22resultante.
Una vez que se ha formado el separador cilíndrico22alrededor de la herramienta de inserción100,la herramienta de inserción100empuja el separador hacia el interior del anillo catódico20.Tras la inserción inicial, la combinación de la herramienta de inserción100y el separador22presentan un diámetro menor que el diámetro interno del anillo catódico20,de modo que el separador22puede insertarse en la celda cilíndrica10sin perturbar sustancialmente el anillo catódico20.Una vez que el separador22se ha insertado al menos parcialmente en la celda10,puede expandirse la herramienta de inserción100para prensar el separador22contra las paredes interiores del anillo catódico20y conformar el separador22para obtener la forma de la superficie interior del anillo catódico20.Tal y como se indica en el presente documento, la herramienta de inserción100puede comprender un mecanismo de expansión tal como una vejiga hinchable110que rodea el exterior de la herramienta de inserción100y que puede inflarse para aplicar una presión radial, para empujar el separador22contra las paredes interiores del anillo catódico20.La vejiga hinchable110puede inflarse con un fluido, tal como una composición gaseosa (por ejemplo, aire, aire caliente, vapor, gas inerte, vapor de agua y/o similares) o una composición líquida (por ejemplo, agua, agua caliente, aceite, aceite caliente y/o similares). En otras realizaciones, la herramienta de inserción100puede comprender uno o más paneles de expansión150accionados mecánicamente que pueden estar accionados por pistones, varillajes mecánicos y/o similares dentro del interior de la herramienta de inserción100.
El mecanismo de expansión está configurado para prensar el separador22contra las paredes interiores del anillo catódico20para minimizar y/o eliminar los huecos existentes entre el anillo catódico20y el separador22.Asimismo, la herramienta de inserción100puede comprender uno o más mecanismos de calentamiento160y/o mecanismos de vapor para eliminar pliegues y/u otras imperfecciones dentro del separador22mientras se coloca dentro del anillo catódico20.En diversas realizaciones, la herramienta de inserción100comprende una o más boquillas de vapor170configuradas para aplicar vapor sobre el separador22mientras se coloca dentro del anillo catódico20.La aplicación de vapor directamente sobre el separador22provoca la eliminación de uno o más pliegues, arrugas y/o similares dentro del separador22para proporcionar un separador22al menos sustancialmente liso con una forma al menos sustancialmente lisa correspondiente a la forma de la superficie interior del anillo catódico20.
Asimismo, la herramienta de inserción100puede configurarse para aplicar calor en al menos una porción del separador22para sellar térmicamente al menos las porciones superpuestas del separador22.Como se ha indicado anteriormente, la herramienta de inserción100puede incluir una vejiga hinchable110que puede llenarse con un fluido calentado, tal como vapor, agua caliente y/o aceite caliente. El fluido calentado dentro de la vejiga hinchable100puede aplicar sobre el separador22un calor suficiente para fundir al menos una porción de las fibras sintéticas dentro del papel de separador, para sellar por calor las capas del separador22entre sí. Sin embargo, cabe señalar que la herramienta de inserción100puede comprender elementos de calentamiento160separados (p. ej., calentadores de resistencia) configurados para aplicar calor directamente en las porciones superpuestas del separador22(p. ej., porciones superpuestas dentro de las paredes del separador y/o porciones superpuestas en el extremo inferior cerrado del separador).
Una vez que el separador22está colocado dentro del anillo catódico20,puede retirarse del anillo catódico20la herramienta de inserción100,dejando el separador22. Particularmente en aquellas realizaciones en las que la herramienta de inserción100comprende una o más configuraciones de expansión, la herramienta de inserción100puede reducir su diámetro (por ejemplo, reduciendo el diámetro de la configuración de expansión) de modo que el diámetro exteriorDde la herramienta de inserción100no esté en contacto directo con la superficie interior del separador contorneado22.A continuación puede retirarse de la celda electroquímica10la herramienta de inserción100,dejando una porción interior del separador22abierta para la colocación de material anódico en la misma.
Después de retirar la herramienta de inserción100,se puede añadir material de ánodo en la abertura restante dentro del interior del separador22y se puede añadir electrolito libre en el interior de la celda electroquímica10.Dado que la herramienta de inserción de separador100eliminó prácticamente todos los pliegues y/o arrugas dentro del separador22,el material de ánodo añadido forma un componente de ánodo24cuya pared lateral tienen una forma correspondiente a la forma de la superficie interior del separador22(y correspondiente a la forma interior del anillo catódico20).El material de ánodo puede ser un material de ánodo gelificado, que puede extruirse o agregarse de otro modo al interior del separador22.Seguidamente, se ponen el ánodo24, el colector de corriente34y la disposición de sello32en su sitio para sellar el extremo abierto del recipiente12y formar una celda electroquímica10completa. De nuevo, dado que el separador22se proporciona sustancialmente libre de pliegues y/o arrugas, se maximiza el volumen útil ocupado por el material activo, incluyendo material tanto de cátodo como de ánodo, dentro del interior de la celda electroquímica10.
Conclusión
Se debe entender que la divulgación no está limitada a las realizaciones específicas divulgadas y que las modificaciones y otras realizaciones están destinadas a ser incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para formar un separador (22) dentro de una celda electroquímica (10), comprendiendo el método:
proporcionar una celda electroquímica cilíndrica (12) que tiene un anillo de material activo (20) dispuesto próximo a una superficie interior de la celda (12);
prensar un separador (22) en una abertura dentro del anillo de material activo (20);
aplicar vapor al separador; y
aplicar presión radial para prensar el separador (222) contra las paredes interiores del anillo de material activo (20).
2. El método de la reivindicación 1, en donde el separador (22) comprende al menos dos capas adyacentes, y en donde el método comprende además calentar al menos una porción del separador para unir al menos una porción de las capas adyacentes entre sí.
3. El método de la reivindicación 2, en donde el separador (22) comprende paredes laterales prensadas contra las paredes interiores del anillo de material activo (20), y un extremo inferior cerrado, y en donde el método comprende además calentar al menos una porción de las paredes laterales del separador para sellar por calor las capas adyacentes de las paredes laterales entre sí.
4. El método de la reivindicación 1, comprendiendo además formar el separador (22) como un separador contorneado enrollando una lámina de separador alrededor de un troquel; y
prensar el separador contorneado en la abertura tras el bobinado.
5. El método de la reivindicación 4, en donde el separador contorneado (22) tiene una pared lateral tubular y un extremo inferior cerrado, y la pared lateral tubular comprende al menos una porción superpuesta (23) que comprende al menos dos capas adyacentes de la lámina de separador; y
el método comprende además calentar al menos una parte de la porción superpuesta (23) para sellar por calor las capas adyacentes de la lámina de separador.
6. El método de la reivindicación 5, comprendiendo además calentar al menos una porción del extremo inferior cerrado para sellar térmicamente el extremo inferior cerrado.
7. El método de la reivindicación 5, en donde la lámina de separador es una lámina de separador fibrosa no tejida que comprende fibras termoplásticas, y en donde calentar la al menos una parte de la porción superpuesta (23) funde al menos una porción de las fibras termoplásticas.
8. El método de la reivindicación 5, en donde calentar la al menos una parte de la porción superpuesta (23) comprende aplicar un calor al menos sustancialmente uniforme en una superficie interior del separador (22).
9. El método de la reivindicación 1, en donde aplicar vapor al separador (22) comprende aplicar vapor al separador después de prensar el separador en la abertura.
10. El método de la reivindicación 1, en donde prensar el separador (22) en la abertura comprende prensar el separador en la abertura con una herramienta de inserción de separador (100); y
en donde aplicar una presión radial en el separador comprende inflar una porción de vejiga expandible (110) de la herramienta de inserción de separador (100) contra el separador (22).
11. El método de la reivindicación 10, en donde inflar la vejiga expandible (110) comprende proporcionar un fluido calentado en una porción interior de la vejiga expandible (110) para aplicar calor al separador.
12. Una celda electroquímica (10) que comprende:
un recipiente (12);
un cátodo en forma de anillo (20) dispuesto dentro del recipiente (12), en donde el cátodo (20) incluye una superficie exterior en contacto con el recipiente y una superficie interior que rodea un interior hueco;
un ánodo (24) dispuesto dentro del interior hueco del cátodo (20); y
un separador (22) situado entre el cátodo (20) y el ánodo (24) y prensado contra la superficie interior del cátodo en forma de anillo (20), en donde el separador (22) tiene una pared lateral tubular y un extremo inferior cerrado, en donde la pared lateral tubular tiene al menos una porción superpuesta (23) definida por al menos dos capas de una lámina de separador colocada entre el cátodo (20) y el ánodo (24), y en donde al menos parte de la porción superpuesta (23) se sella térmicamente de manera que las al menos dos capas queden unidas entre sí, y en donde el separador (22) se vaporiza mientras está en su sitio contra la superficie interior del cátodo en forma de anillo (20).
13. La celda electroquímica de la reivindicación 12, en donde el separador (22) es un separador fibroso no tejido y el separador fibroso no tejido comprende fibras termoplásticas, y en donde porciones de las fibras termoplásticas posicionadas dentro de al menos parte de las porciones superpuestas se unen por fusión entre sí.
14. La celda electroquímica de la reivindicación 12, en donde el separador (22) es un separador contorneado que comprende una lámina de separador enrollada en espiral y que tiene un primer extremo y un segundo extremo, y en donde el primer extremo se superpone al segundo extremo para formar una porción superpuesta.
15. La celda electroquímica de la reivindicación 12, en donde el separador (22) tiene una parte superior abierta opuesta al extremo inferior cerrado, y en donde el sello térmico se extiende entre la parte superior abierta y el extremo inferior cerrado.
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