ES2203843T3 - Acumulador o pila prismatica con envase rigido y compresivo. - Google Patents
Acumulador o pila prismatica con envase rigido y compresivo.Info
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Abstract
BATERIA PRISMATICA PARA UN ENROLLAMIENTO ESPIRAL NO CIRCULAR, QUE TIENE UN CONTENEDOR (1) METALICO DE IGUAL ESPESOR FORMADO POR UNA BASE RECTANGULAR (15) Y PERPENDICULARMENTE A ESTA ULTIMA, POR DOS PEQUEÑAS PAREDES (11, 14) SOLIDARIAS POR UNA PARTE DE DICHAS PEQUEÑAS PAREDES (12, 14) MEDIANTE BANDAS ESTRECHAS (21 A 24) DE ANCHO L 1 , POR OTRA PARTE DE LA PASE (1 5) MEDIANTE ESTRECHAS BANDAS (25, 25A) DE ANCHO L 2 , ESTANDO DICHAS BANDAS (21 A 24, 25 A 25A) INCLINADAS CONTRA LAS CARAS EXTERNAS DE LAS PAREDES GRANDES (11, 13) Y TENIENDO ENTRE SI LINEAS DE UNION (26) DESDE LOS CUATRO ANGULOS DE LA BASE (15). PROCEDIMIENTO DE FABRICACION POR ESTAMPADO DE UNA FORMA CONCAVA CORRESPONDIENTE, OBTENIDA POR MATRIZADO DE UNA HOJA METALICA.
Description
Acumulador o pila prismática con envase rígido y
compresivo.
La presente invención se refiere a un acumulador
o una pila prismática, designado en lo que sigue por el término
genérico de "batería", independientemente de que esta fuente de
energía sea recargable o no. La invención se refiere más
particularmente a una batería en la que la fuente de energía está
formada por un arrollamiento de materiales activos del tipo "jelly
roll".
En los aparatos portátiles, tales como los
teléfonos móviles, las baterías de forma prismática son generalmente
preferidas a las de forma de bastón principalmente para reducir el
tamaño del aparato en su conjunto. Estos aparatos portátiles, que
deben ser por definición ligeros, incorporan generalmente circuitos
y componentes electrónicos frágiles y a menudo exigentes desde el
punto de vista del consumo de energía. Es pues deseable que las
baterías prismáticas utilizadas en tales aparatos posean una gran
densidad de energía siendo a la vez ligeras y de un coste de
fabricación lo menos elevado posible, que tengan una longevidad
suficiente principalmente en el caso de acumuladores y que presenten
en el empleo todas las garantías necesarias desde el punto de vista
de la seguridad, tanto en lo que respecta al usuario como en lo
referente a los circuitos electrónicos contiguos.
La presente invención tiene por objeto procurar
una batería prismática, que para una densidad de corriente
determinada, sea más ligera, que tenga un coste de fabricación menos
elevado que las baterías prismáticas del arte anterior y cuya
concepción permita también incrementar la seguridad de empleo.
Las baterías prismáticas del arte anterior,
esquemáticamente representadas en la figura 1, están constituidas
por un envase metálico 1 de forma paralelepipédica, en el interior
del cual se coloca un arrollamiento 2 espiral no circular, llamado
del tipo "jelly roll" (visible en las figuras 1A, 1B) que es
impregnado de un electrólito después de la colocación de dicho
arrollamiento. Este arrollamiento se obtiene a partir de por lo
menos una banda compuesta que comprende una capa de un material
activo formador del ánodo 2a, un separador poroso 2b, una capa de un
material activo que forma el cátodo 2c y un segundo separador poroso
2b. El ánodo y el cátodo incluyen cada uno medios de conexión 5, 6
generalmente dispuestos cerca de la pared interna del envase 1 y en
el centro del arrollamiento 2. Este arrollamiento "jelly roll"
se mantiene en general comprimido por medio de dos láminas elásticas
onduladas 3a, 3b, dispuestas entre las paredes mayores 11, 13 del
envase 1 y dicho arrollamiento 2. Estás láminas elásticas permiten
también absorber las pequeñas variaciones de volumen del
arrollamiento 2 durante los ciclos de carga/descarga. La unidad así
formada es sellada herméticamente por una tapa 4 que soporta los
contactos 7, 8 unidos eléctricamente a los electrodos 2a, 2c por los
medios de conexión 5, 6, siendo efectuadas dichas conexiones
eléctricas por soldadura. Este tipo de batería prismática,
principalmente en el caso de un acumulador, incluye además
generalmente un respiradero de seguridad esquemáticamente
representado en 9. Este respiradero de seguridad 9 es en efecto
necesario habida cuenta de las reacciones químicas que se producen y
que pueden provocar una elevación de la presión y/o de la
temperatura. Debido a las tensiones mecánicas que se ejercen sobre
la envuelta de la batería, se ha escogido primeramente formar el
envase en una hoja de acero de igual espesor del orden de 0,5 mm
(figura A). Para hacer esta batería más ligera y menos cara, se ha
propuesto seguidamente reemplazar el acero por el aluminio o una
aleación de aluminio. Para tener la misma resistencia a la
deformación es entonces necesario aumentar el espesor de la pared
del envase, lo que presenta el inconveniente, bien sea de aumentar
el tamaño de la batería para una densidad de energía dada, o bien
reducir la cantidad de material activo y por tanto la densidad de
energía si se quiere mantener el tamaño de la batería en dimensiones
normalizadas.
Para evitar este inconveniente, el documento US
5.556.722 propone reforzar los ángulos 1a, 1d del envase, es decir,
tener localmente un sobreespesor, como se ha representado en la
figura 1B. Aunque no sea descrito el procedimiento de fabricación
de tal envase, es evidente que tal configuración aumenta el coste
del producto final puesto que no se puede utilizar ya como material
de partida una hoja metálica de igual espesor.
El fin de la presente invención es paliar los
inconvenientes antes citados proporcionando una batería prismática
con arrollamiento tipo "jelly roll", que tiene un peso y un
coste de fabricación reducidos, disponiendo al mismo tiempo de una
densidad de energía por lo menos igual a las baterías prismáticas
conocidas que tienen las mismas dimensiones exteriores.
A tal efecto, la invención tiene por objeto una
batería prismática que comprende un envase metálico de espesor
sensiblemente idéntico en todos sus puntos, en el interior del cual
se dispone un arrollamiento espiral no circular formado por una
banda compuesta que comprende un ánodo, separadores y un cátodo
impregnados de un electrólito, siendo obturado dicho envase en su
parte superior por una cubierta sellada que soporta dos contactos
unidos eléctricamente al ánodo y al cátodo por intermedio de medios
de conexión, caracterizada porque dicho envase está formado por una
base rectangular y, perpendicularmente a ella, por dos paredes
menores solidarias de dicha base, dos paredes mayores solidarias de
una parte de las paredes menores por intermedio de estrechas bandas
de anchura I_{1}, de otra parte de la base por intermedio de
estrechas bandas de anchura I_{2}, estando inclinadas dichas
bandas contra las caras externas de las paredes mayores y teniendo
entre ellas líneas de unión a partir de los cuatro ángulos de la
base.
Las bandas que unen las paredes mayores a las
paredes menores forman con relación al plano de las paredes mayores
un ángulo \alpha1 y las bandas que unen las paredes mayores a la
base, un ángulo \alpha_{2}. Para que las líneas de unión de las
bandas entre ellas al nivel de los ángulos sean perfectas, es
necesario que las variables \alpha_{1}, \alpha_{2}, I_{1}
e I_{2} estén ligadas por la relación I_{1} sen \alpha_{1}
= I_{2} sen \alpha_{2}.
Es así posible, haciendo una utilización racional
del espacio libre dejado en los ángulos por el arrollamiento
espiral, y sin prever por ello un perfil particular para la parte
tubular del envase, dar a las paredes mayores una rigidez suficiente
para resistir las presiones internas de la batería prismática. En
efecto, se crea así una nervadura periférica que acorta la distancia
de flexión al nivel de las aristas. Si se utiliza el aluminio o una
aleación de aluminio para la fabricación del envase, el espesor de
las paredes podrá ser sensiblemente el mismo que el de los envases
de acero, es decir, del orden de 0,5 mm para las baterías de tipo
corriente, y se obtendrá pues una ventaja en lo que respecta al peso
y al coste.
Si se utiliza también el acero, o una de sus
aleaciones, será entonces posible reducir el espesor de las paredes
del envase, por ejemplo en 0,5 mm a 0,35 mm, conservando las mismas
características mecánicas, teniendo todavía una ventaja en lo que
respecta al peso y al coste.
Según otro aspecto de la invención, la reducción
de coste resulta también del hecho de que ya no es necesario
interponer un espaciador elástico entre las paredes mayores y el
arrollamiento espiral para obtener una buena cohesión del
arrollamiento espiral, cohesión necesaria para obtener el
rendimiento óptimo de los materiales activos, y por tanto la mejor
densidad de energía posible.
Se obtiene este resultado gracias a un
procedimiento de fabricación del envase consistente en deformar por
matrizado una hoja metálica de forma que se obtenga un envase
convexo que tiene en su base bandas de unión correspondientes a los
valores \alpha_{1}, \alpha_{2}, I_{1} e I_{2},
introduciendo después el arrollamiento espiral y finalmente
estampar las paredes mayores para conferirles una forma cóncava.
Se observará que el procedimiento según la
invención ofrece la ventaja de presentar, antes de la estampación de
las paredes mayores, una cavidad que tiene un volumen superior al
volumen final, lo que permite colocar en su sitio el arrollamiento
"jelly roll" ya impregnado de electrólico, a pesar del
hinchamiento que esto ha provocado.
Otras características y ventajas de la presente
invención aparecerán en la descripción siguiente con referencia a
los dibujos anexos, en los cuales:
las figuras 1, 1A y 1B representan baterías
prismáticas del arte anterior;
la figura 2 representa en perspectiva
parcialmente arrancada una batería prismática según la
invención;
la figura 3 es una vista en corte según la línea
III-III de la figura 2;
la figura 4 es una vista desde arriba del envase
de la figura 2, antes de estampar las paredes mayores;
la figura 5 es una vista de costado de una
pequeña pared del envase de la figura 2 antes de estampar las
paredes mayores; y
la figura 6 representa en corte la deformación
posible del envase representado en la figura 3.
Como las figuras 1, 1A y 1B han sido ya descritas
en el preámbulo como representativas del estado de la técnica, se
considera ahora las figuras 2 a 6 que representan una batería
prismática según la invención, permitiendo también estas figuras
comprender las etapas principales del procedimiento de
fabricación.
La batería prismática representada en la figura 2
comprende un envase 1 metálico formado por un elemento tubular
cerrado en su parte inferior por un fondo de forma general
rectangular 15. El elemento tubular comprende dos paredes mayores
planas 11, 13, dos paredes menores planas 12, 14 y estrechas bandas
rectangulares verticales 21, 22, 23, 24, y horizontales 25 y 25a (no
visible en la figura 2) que aseguran las uniones de las paredes
entre ellas y de las paredes con el fondo. Todos los elementos
mencionados que constituyen el envase tienen sensiblemente el mismo
espesor. No existe en particular sobreespesor creado en los ángulos
verticales del envase. Las bandas 21 a 24 de anchura I_{1}
permiten unir las paredes menores 12, 14 a las paredes mayores 11,
13 y están inclinadas hacia el interior del envase 1 en un ángulo
\alpha_{1}. Las bandas 25 y 25a de anchura I_{2} permiten unir
el fondo 15 a las paredes mayores 11, 13 y están igualmente
inclinadas hacia el interior del envase en un ángulo \alpha_{2}.
A uno y otro lado de las caras mayores de la batería dos bandas
verticales 21 y 22, respectivamente 23 y 24, están unidas a una
banda horizontal 25, respectivamente 25a, según líneas de unión 26,
siendo dichas líneas de unión perfectas si los parámetros
\alpha_{1}, \alpha_{2}, I_{1} e I_{2} que definen las
orientaciones de las bandas y sus anchuras responden a la relación
I_{1} sen \alpha_{1} = 12 sen \alpha_{2}. El envase
contiene un arrollamiento 2 de material activo del tipo
jelly-roll impregnado de un electrólito estando
cerrado en su parte superior por una cubierta 4 provista de
contactos 7, 8 y de un respiradero de seguridad 9. Los contactos
están unidos eléctricamente a los electrodos del arrollamiento 2 por
medios de conexión 5, 6. La cubierta 4 tiene la misma forma que la
sección interna del envase, es decir, una forma general rectangular
que tiene picos triangulares en los ángulos, y está soldada a dicho
envase. La batería prismática así obtenida se caracteriza pues por
el aspecto cóncavo de sus caras mayores exteriores. Si se desea, la
batería prismática así obtenida puede ser recubierta por una funda
de plástico termorretráctil que tiene el perfil apropiado y que
puede servir para inscripciones, tales como las características de
la batería o el nombre del fabricante.
El envase que se acaba de describir se obtiene de
manera simple y económica como se ha explicado anteriormente con
referencia a los dibujos 4 a 6. Para obtener el envase representado
en la figura 2, se parte de una hoja metálica que tiene las
dimensiones apropiadas. Esta hoja está constituida, por ejemplo, por
una aleación de aluminio al magnesio y silicio, tipo Alpax® o
Duralumin®, y tiene un espesor suficiente para obtener un producto
final que tiene un espesor uniforme del orden de 0,45 mm. Se somete
dicha hoja a una operación de matrizado según el eje de la abertura
para obtener un envase convexo 10, representada en las figuras 4 y
5, pudiendo ir seguida eventualmente dicha operación por un
tratamiento térmico para conferir al envase las propiedades
mecánicas deseadas. Esta operación permite conformar los ángulos de
unión entre las paredes mayores 11, 13 y las paredes menores 12, 14
con el fin de tener bandas estrechas 21 a 24, de anchura I_{1} y
formando un ángulo agudo \alpha_{1} con el plano de las paredes
mayores 11, 13 (figura 4). Del mismo modo, esta operación permite
conformar los ángulos de unión de las paredes mayores 11, 13 con el
fondo 15 con el fin de tener bandas estrechas 25, 25a de anchura
I_{2} y formando un ángulo agudo \alpha_{2} con el plano de
las paredes mayores 11, 13 (figura 5). Como se ha indicado
anteriormente, con el fin de tener una línea de unión 26 perfecta
entre las bandas 25, 25a y las bandas 21 a 24 (visible en la figura
2), los valores I_{1}, I_{2}, \alpha_{1} y \alpha_{2}
deben estar ligados por la relación I_{1} sen \alpha_{1} =
I_{2} sen \alpha_{2}. En la práctica se escogerá para los
ángulos \alpha_{1} y \alpha_{2} valores parecidos, y por
tanto para las anchuras de banda I_{1}, I_{2} igualmente valores
parecidos.
A título de ejemplo, para una batería prismática
que tenga sensiblemente como dimensiones exteriores 48 x 34 x 10 mm
y un espesor de 0,45 mm, se puede dar a las bandas 21 a 24 la
anchura I_{2} = 2,7 mm con una ángulo \alpha_{1} = 15º y a las
bandas 25, 25a, la anchura I_{2} = 3,6 mm con un ángulo
\alpha_{2} = 11,2º. Las partes angulares formadas en hueco por
las bandas en el interior del envase pueden ser útiles para la
construcción de la batería como se explicará más adelante. Una vez
obtenido el envase convexo 10, se introduce en su cavidad un
arrollamiento 2 tipo "jelly roll", sin interponer láminas de
compresión en el espacio libre dejado entre las caras internas de
las paredes mayores 11, 13 y dicho arrollamiento 2, como se ve en la
figura 4. Como se ha indicado anteriormente, este arrollamiento
puede introducirse ventajosamente en su estado ya impregnado de
electrólito. Se procede seguidamente al estampado de las paredes
mayores 11, 13 por medio de una matriz en forma de tronco de
pirámide cuya cabeza tiene una superficie rectangular igual a la de
una pared mayor y cuyos ángulos corresponden a los valores
\alpha_{1} y \alpha_{2}. Se obtiene entonces la
configuración representada en la figura 3, en la que el
arrollamiento 2 es comprimido ahora por las paredes mayores, con una
presión que es función del valor dado al ángulo \alpha_{1}. Se
termina la fabricación de la batería según las técnicas conocidas,
ajustando si es necesario la cantidad de electrólito, efectuando
ciclajes en el caso de un acumulador, y realizando después con los
medios de conexión 5, 6 la unión eléctrica entre el ánodo y el
cátodo y los dos contactos 7, 8 y sellando por último herméticamente
la cubierta 4.
Con referencia a la figura 6, se observará
igualmente que las paredes mayores 11, 13 permiten, como lo hacían
las láminas elásticas de las baterías del arte anterior, absorber
las variaciones de volumen del arrollamiento espiral en el curso de
los ciclos de carga/descarga.
Escogiendo un metal distinto del aluminio, que
tenga características mecánicas más elevada, tal como un acero
inoxidable, el cobre o el latón, es posible reducir el espesor del
envase, por ejemplo a 0,35 mm teniendo así incluso una ventaja en lo
que respecta al peso y al coste.
Los modos de realización descritos anteriormente
en relación con la elección de los materiales así como en relación
con las dimensiones del envase de la batería, son susceptibles de
ser adaptados por el especialista en la materia al destino
específico de una batería, sin salir del marco de la presente
invención.
Claims (7)
1. Batería prismática que comprende un envase (1)
metálico de espesor sensiblemente idéntico en todos sus puntos, en
el interior del cual se dispone un arrollamiento espiral no
circular (2), formado por una banda compuesta que comprende un
ánodo (2a), separadores (2b, 2d) y un cátodo (2c) impregnados de un
electrólito, siendo obturado dicho envase (1) en su parte superior
por una cubierta (4) sellada que soporta dos contactos (7, 8) unidos
eléctricamente al ánodo (2a) y al cátodo (2c) por intermedio de
medios de conexión (5, 6), caracterizada porque dicho envase
(1) está formado por una base rectangular (15) y, perpendicularmente
a ella, por dos paredes menores (12, 14) solidarias de dicha base
(15), dos paredes mayores (11, 13) solidarias de una parte de las
paredes menores (12, 14) por intermedio de estrechas bandas (21 a
24) de anchura I_{1}, de otra parte de la base (15) por intermedio
de estrechas bandas (25, 25a) de anchura I_{2}, estando inclinadas
dichas bandas (21 a 24, 25 a 25a) contra las caras externas de las
paredes mayores (11, 13) y teniendo entre ellas líneas de unión (26)
a partir de los cuatro ángulos de la base (15).
2. Batería prismática según la reivindicación 1,
en la que las bandas (21 a 24) que unen las paredes mayores (11, 13)
y las paredes menores (12, 14) forman con el plano de las paredes
mayores un ángulo á1 y las bandas (25, 25a) que unen las paredes
mayores (11, 13) a la base (15), un ángulo \alpha_{2},
caracterizada porque los valores \alpha_{1},
\alpha_{2}, I_{1} e I_{2} están ligados por la relación
I_{1} sen \alpha_{1} = I_{2} sen \alpha_{2} para hacer
perfectas las líneas de unión (26).
3. Batería prismática según la reivindicación 1,
caracterizada porque el metal que forma el envase (1) es
escogido entre el aluminio y una aleación de aluminio.
4. Batería prismática según la reivindicación 1,
caracterizada porque el metal que forma el envase (1) es
escogido entre el acero inoxidable, el cobre y el latón.
5. Batería prismática según la reivindicación 1,
caracterizada porque las paredes mayores (11, 13) están en
contacto con el arrollamiento (2) para asegurar su compresión.
6. Batería prismática según la reivindicación 1,
caracterizada porque las partes en depresión formadas por las
paredes mayores (11, 13) y las bandas (21 a 24, 25 a 25a) son
guarnecidas con un material plástico.
7. Procedimiento de fabricación de una batería
prismática según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado
porque se obtiene el envase (1) a partir de una hoja metálica
efectuando sucesivamente:
- -
- un matrizado según el eje de la abertura para obtener un envase convexo (10) cuyas dimensiones y las orientaciones de las bandas de unión (21 a 24, 25, 25a) corresponden a los valores \alpha_{1}, \alpha_{2}, I_{1} e I_{2},
- -
- un estampado de las paredes mayores (11, 13) habiendo colocado previamente en el interior del envase convexo (10) un arrollamiento espiral no circular (2).
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