BR102013018778B1 - bateria de lítio recarregável, e, composições de eletrodo e de eletrólito para a bateria de lítio recarregável - Google Patents

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Abstract

BATERIA DE LÍTIO RECARREGÁVEL, E, COMPOSIÇÕES DE ELETRODO E DE ELETRÓLITO PARA A BATERIA DE LÍTIO RECARREGÁVEL Uma bateria de lítio recarregável (100; 1) inclui um composto representado pela Fórmula Química 1: Fórmula Química 1 Na Fórmula Química 1, cada um de k, 1, e m é 1 O independentemente um número inteiro de O a 20, n é um número inteiro de 1 a 7, e k, 1 e m são selecionados tal que o composto da Fórmula Química 1 tem uma estrutura assimétrica, isto é, k, 1 e m são diferentes um do outro. O composto da Fórmula Química 1 pode ser incluído no eletrodo positivo (114; 3), no eletrodo negativo (112; 2), ou no elerólito da bateria de lítio 15 recarregável (100; 1).

Description

BATERIA DE LÍTIO RECARREGÁVEL, E, COMPOSIÇÕES DE ELETRODO E DE ELETRÓLITO PARA A BATERIA DE LÍTIO RECARREGÁVEL REFERÊNCIA CRUZADA AO PEDIDO RELACIONADO
[001] Este pedido reivindica prioridade a e o benefício do Pedido Provisório U.S. N- 61/698.311 depositado com a Patente dos Estados Unidos e Escritório de Marcas em 7 de Setembro de 2012, e Pedido US N⍛13/830.119 depositado com a Patente dos Estados Unidos e Escritório de Marcas em 14 de Março de 2013, os conteúdos inteiros dos quais são incorporados aqui por referência.
FUNDAMENTOS 1. Campo técnico
[002] Esta divulgação refere-se a uma bateria de lítio recarregável tendo um composto que fornece durabilidade em impacto térmico melhorada.
2. Descrição da Técnica Relacionada
[003] Recentemente, dispositivos eletrônicos portáteis (tais como telefones celulares, computadores portáteis, tablets, e semelhantes) estão tomando-se menores e mais leves, aumentando a demanda por baterias com alta capacidade como fontes de energia. Em resposta a esta demanda, baterias de lítio recarregáveis de eletrólito não aquoso usando eletrólitos não aquosos e transportando íons de lítio entre eletrodos positivos e negativos foram amplamente usadas como baterias recarregáveis tendo força alta e densidade de energia alta. Como o material ativo positivo, a bateria de lítio recarregável de eletrólito não aquoso usa um óxido capaz de intercalar íons de lítio, tais como aqueles fabricados de lítio e elementos de transição, por exemplo, LiCoO2, LiMn2O4, LiNi1-xCoxO2 (0 < x < 1), e semelhantes. Como o material ativo negativo, a bateria de lítio recarregável de eletrólito não aquoso pode incluir grafita artificial ou natural para intercalar/desintercalar lítio, um material com base em carbono tal como carbono duro, ou um material capaz de ligar com lítio (tal como Si, Sn, ou semelhantes), e semelhantes. Entretanto, o uso de dispositivos eletrônicos portáteis para executar filmes de cinema, jogos, e semelhantes é aumentando, e os dispositivos tendem a consumir mais eletricidade quando usados para estas tarefas. Assim, dispositivos eletrônicos portáteis requerem baterias com alta capacidade como fontes de energia. A bateria de lítio recarregável de eletrólito não aquoso pode obter alta capacidade 1) aumentando-se a capacidade de um material ativo, 2) aumentando-se a voltagem de carga, 3) aumentando-se a quantidade de carga do material ativo e assim, a densidade de carga, e semelhantes. Entretanto, estes métodos têm certos desafios, por exemplo, o método de aumentar a voltagem de carga de um material ativo decompõe o eletrólito. Em particular, quando o material ativo é armazenado em temperaturas altas, ou é continuamente carregado, o eletrólito pode ser decomposto e gerar gás, assim expandindo a bateria ou aumentando a pressão interna da bateria. Consequentemente, tentativas para garantir a segurança da bateria foram continuamente feitas usando-se um aditivo para aumentar o ponto de fulgor e retardar a queima, e para diminuir mudanças de espessura, assim melhorando a durabilidade no impacto térmico.
[004] Convencionalmente, PS (1,3-propano sultona) foi usado como um aditivo para melhorar s durabilidade de baterias de lítio recarregáveis contra o impacto térmico. PS é conhecido melhorar a segurança térmica da bateria de lítio recarregável, e assim a retenção de capacidade em temperaturas altas. Entretanto, PS é um material tóxico que pode causar câncer. Em geral, um teste de impacto térmico é realizado aquecendo-se e resfriando-se uma bateria 30 vezes de 80 °C a -40 °C por uma hora para aplicar tensão. Quando a bateria é deixada repousar na temperatura ambiente depois de aplicar tensão, e depois registra uma mudança de espessura que é menor do que ou igual a um padrão predeterminado, a bateria é considerada como tendo segurança em impacto térmico.
SUMÁRIO
[005] Uma forma de realização da presente invenção fornece uma bateria de lítio recarregável tendo durabilidade em impacto térmico melhorada. A bateria de lítio recarregável desta invenção inclui um composto representado pela Fórmula Química 1 seguinte:
Figure img0001
[006] Na Fórmula Química 1, cada um de k, 1, e m é independentemente um número inteiro de 0 a 20, e k, 1 e m são selecionados tal que o composto da Fórmula Química 1 tem uma estrutura assimétrica. Como usado aqui, o termo “estrutura assimétrica” significa que o composto da Fórmula Química 1 é assimétrico sobre o átomo de carbono central (isto é, o átomo de carbono central representado na fórmula geral da Fórmula Química 1). Em algumas formas de realização, k, 1 e m são diferentes um do outro. Na Fórmula Química 1, n é um número inteiro de 1 a 7. Por exemplo, na Fórmula Química 1, n pode ser 1 a 5, e k, 1, e m podem todos ser diferentes um do outro e podem todos ser independentemente números inteiros de 0 a 10. Em um outro exemplo, na Fórmula Química 1, n pode ser 1 a 3, e k, 1, e m podem todos ser diferentes um do outro e podem todos ser independentemente números inteiros de 0 a 7. Ainda em um outro exemplo, na Fórmula Química 1, n pode ser 1 ou 2, k pode ser 0, e 1 e m podem ser diferentes um do outro e podem ser independentemente números inteiros de 1 a 5. Ainda em um outro exemplo, na Fórmula Química 1, n pode ser 1, k pode ser 0, 1 pode ser 2, e m pode ser 3. Em uma forma de realização exemplar, o composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser HTCN (tri-cianeto de hexano). Por exemplo, o composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser tri-cianeto de 1,3,6-hexano, ou tri-cianeto de 1,2,6-hexano.
[007] O composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser incluído em um eletrodo positivo para uma bateria de lítio recarregável. O composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser incluído em um eletrólito para uma bateria de lítio recarregável. O composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser incluído em um eletrodo negativo para uma bateria de lítio recarregável. O composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser incluído no eletrodo positivo, eletrodo negativo ou eletrólito em uma quantidade de 0,1 a 50 %, por exemplo 0,1 a 10 %, com base no peso total do eletrodo positivo, eletrodo negativo, ou eletrólito, respectivamente.
[008] Em uma outra forma de realização, uma composição de eletrodo para uma bateria de lítio recarregável inclui o composto representado pela Fórmula Química 1. A composição pode ser uma composição de eletrodo positivo ou negativo para uma bateria de lítio recarregável. Ainda em uma outra forma de realização, uma composição de eletrólito para uma bateria de lítio recarregável inclui o composto representado pela Fórmula Química 1. Ainda em uma outra forma de realização, um método de fabricar uma bateria de lítio recarregável inclui preparar uma composição de eletrodo para uma bateria de lítio recarregável e aplicar a composição de eletrodo em um coletor de corrente tipo eletrodo. Consequentemente, em uma forma de realização da presente invenção, uma bateria de lítio recarregável tem durabilidade aumentada em impacto térmico e assim, segurança melhorada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[009] A presente invenção será melhor entendida por referência à descrição detalhada seguinte quando considerada em combinação com os desenhos anexos, em que:
A FIG. 1 é uma vista em perspectiva explodida de uma bateria de lítio recarregável cilíndrica de acordo com uma forma de realização;
A FIG. 2 é uma vista em seção transversal de uma bateria de lítio recarregável prismática de acordo com uma outra forma de realização;
A FIG. 3 é uma esquemática que mostra as formas de ligação de SN (succinonitrila), AN (adiponitrila), e 1,3,6-HTCN (tri-cianeto de 1,3,6- hexano), respectivamente, com a superfície de um material ativo de eletrodo;
A FIG. 4 é uma esquemática que mostra as formas de ligação de coordenação de SN (succinonitrila), AN (adiponitrila), e 1,3,6-HTCN (tri- cianeto de 1,3,6-hexano), respectivamente, com íons metálicos;
As FIGS. 5 (a) a (c) são esquemáticas que mostram que os compostos tendo dois ou mais grupos funcionais CN e uma estrutura de simetria global, isto é, SN (succinonitrila), 1,2,3-PTCN, e 1,3,5-PTCN, são respectivamente ligados na superfície de um material ativo de eletrodo; e
As FIG. 5 (d) e 5 (e) são uma esquemática que mostra que dois compostos, 1,3,6-HTCN (tri-cianeto de 1,3,6-hexano) e 1,2,6-HTCN (tri- cianeto de 1,2,6-hexano), representados pela Fórmula Química 1 de acordo com a presente invenção, são respectivamente ligados na superfície de um material ativo de eletrodo.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO
[0010] Formas de realização exemplares da presente divulgação em seguida serão descritas em detalhe. Entretanto, estas formas de realização são apenas exemplares, e esta divulgação não é limitada a isto.
[0011] Em uma forma de realização da presente invenção, uma bateria de lítio recarregável inclui um composto representado pela Fórmula Química 1 seguinte:
Figure img0002
[0012] Na Fórmula Química 1, cada um de k, 1, e m é independentemente um número inteiro de 0 a 20, e k, 1 e m são selecionados tal que o composto da Fórmula Química 1 tem uma estrutura assimétrica. Como usado aqui, o termo “estrutura assimétrica” significa que o composto da Fórmula Química 1 é assimétrico sobre o átomo de carbono central (isto é, o átomo de carbono central representado na fórmula geral da Fórmula Química 1). Em algumas formas de realização, k, 1 e m são diferentes um do outro. Na Fórmula Química 1, n é um número inteiro de 1 a 7. Por exemplo, na Fórmula Química 1, n pode ser 1 a 5, e k, 1, e m podem todos ser diferentes um do outro e podem todos ser independentemente números inteiros de 0 a 10. Em um outro exemplo, na Fórmula Química 1, n pode ser 1 a 3, e k, 1, e m podem todos ser diferentes um do outro e podem todos ser independentemente números inteiros de 0 a 7. Ainda em um outro exemplo, na Fórmula Química 1, n pode ser 1 ou 2, k pode ser 0, e 1 e m podem ser diferentes um do outro e podem ser independentemente números inteiros de 1 a 5. Ainda em um outro exemplo, na Fórmula Química 1, n pode ser 1, k pode ser 0,1 pode ser 2, e m pode ser 3.
[0013] Em uma forma de realização exemplar, o composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser HTCN (tri-cianeto de hexano). Por exemplo, o composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser tri- cianeto de 1,3,6-hexano, ou tri-cianeto de 1,2,6-hexano.
[0014] O composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser incluído em um eletrodo positivo para uma bateria de lítio recarregável. O composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser incluído em um eletrólito para uma bateria de lítio recarregável. O composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser incluído em um eletrodo negativo para uma bateria de lítio recarregável. O composto representado pela Fórmula Química 1 acima pode ser incluído no eletrodo positivo, eletrodo negativo ou eletrólito em uma quantidade de 0,1 a 50 %, por exemplo 0,1 a 10 %, com base no peso total do eletrodo positivo, eletrodo negativo ou eletrólito, respectivamente. Em geral, quando baterias de lítio recarregáveis têm capacidade mais alta (e assim, densidade de energia mais alta), a bateria de lítio recarregável tende a tomar-se mais espessa devido à segurança interna deteriorada contra impacto térmico. É importante minimizar esta mudança de espessura na bateria de lítio recarregável devido ao impacto térmico, o que pode determinar a espessura do dispositivo móvel (que foram ficando cada vez mais finos) e impedir a destruição do dispositivo móvel.
[0015] De acordo com formas de realização da presente invenção, uma bateria de lítio recarregável inclui o composto representado pela Fórmula Química 1, e assim tem uma mudança de espessura reduzida devido ao impacto térmico, e assim tem durabilidade em impacto térmico melhorada e segurança em impacto térmico melhorada.
[0016] Em geral, um teste de impacto térmico é realizado aquecendo- se e resfriando-se uma bateria 30 vezes de 80 °C a -40 °C por uma hora para aplicar tensão. Quando a bateria é deixada repousar na temperatura ambiente depois de aplicar tensão, e depois registra uma mudança de espessura que é menor do que ou igual a um padrão predeterminado, a bateria é considerada como tendo segurança em impacto térmico. De acordo com formas de realização da presente invenção, uma bateria de lítio recarregável incluindo o composto representado pela Fórmula Química 1 tem uma mudança de espessura diminuída depois do impacto térmico (como mencionado nos exemplos seguintes), e assim tem segurança melhorada.
[0017] O composto representado pela Fórmula Química 1 é um composto de hidrocarboneto incluindo 3 a 9 grupos funcionais CN, por exemplo 3 a 7 grupos funcionais CN, 3 a 5 grupos funcionais CN, ou 3 grupos funcionais CN. Sem ser ligado por qualquer teoria particular, devido a uma ligação de coordenação entre pares de elétrons não compartilhados no N na extremidade terminal do grupo CN e vários metais (tais como elementos de transição e semelhantes) do material ativo positivo, o composto representado pela Fórmula Química 1 forma uma película estável na superfície do eletrodo positivo e suprime uma reação lateral entre o eletrodo positivo e o eletrólito. Além disso, o composto é ligado com outros materiais incluídos na bateria e decompõe os materiais e suprime um fenômeno exotérmico, suprimindo assim aumentos de temperatura na bateria. Além disso, o composto é ligado com outros materiais incluídos na bateria e assim bloqueia a formação de um ponto preto na bateria, e suprime o curto-circuito devido à extração na superfície do eletrodo negativo por impurezas metálicas.
[0018] Consequentemente, o composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser incluído em qualquer um do eletrodo positivo, eletrodo negativo, ou eletrólito da bateria, e pode melhorar a durabilidade da bateria contra o impacto térmico.
[0019] Como ilustrado nos exemplos seguintes, o composto representado pela Fórmula Química 1 (tendo k, 1, m, e n como definido acima) tem uma energia de ligação muito mais baixa com íons metálicos na bateria e assim, forma uma ligação mais estável e mais forte do que um composto de hidrocarboneto tendo apenas dois grupos funcionais CN na extremidade terminal, ou um composto similar tendo uma estrutura simétrica sobre o centro do composto tendo um grupo funcional CN na extremidade terminal. Consequentemente, o composto representado pela Fórmula Química 1 mais dramaticamente diminui a mudança de espessura na bateria devido ao impacto térmico.
[0020] O efeito de diminuir uma mudança de espessura pode ser ilustrado com referência às FIGS. 3 a 5. Em particular, a FIG. 3 é uma esquemática que mostra que cada SN (succinonitrila), AN (Adiponitrila), e 1,3,6-HTCN (tri-cianeto de 1,3,6-hexano) é ligado em uma superfície de um material ativo de eletrodo. Com base no desenho, 1,3,6-HTCN é mais estavelmente ligado na superfície de um material ativo de eletrodo do que SN ou AN.
[0021] A FIG. 4 é uma esquemática que mostra que SNs (succinonitrilas), ANs (adiponitrilas), e 1,3,6-HTCNs (tri-cianetos de 1,3,6- hexano) têm ligações coordenadas com um íon metálico no centro. Como para os 1,3,6-HTCNs (ao contrário de SN ou AN), dois compostos (cada um tendo três grupos funcionais CN) estericamente impedem e são ligados a um íon metálico no centro. Ao contrário, como para os SNs ou ANs, três compostos (cada um tendo dois grupos funcionais CN) circundam um íon metálico e têm ligações coordenadas com o íon metálico. Entretanto, estes compostos bidimensionalmente (não cubicamente) circundam o íon metálico, e têm ligações coordenadas com o íon metálico, ao contrário de 1,3,6-HTCN, representado pela Fórmula Química 1 acima.
[0022] A FIG. 5 é uma esquemática que mostra que os compostos, SN (succinonitrila), 1,2,3-PTCN (tri-cianeto de 1,2,3-propano), 1,3,5-PTCN (tri- cianeto de 1,3,5-pentano), 1,3,6-HTCN (tri-cianeto de 1,3,6-hexano), e 1,2,6- HTCN (tri-cianeto de 1,2,6-hexano), são respectivamente ligados em uma superfície de um material ativo de eletrodo. Como mostrado nos exemplos seguintes 11 a 14, 1,3,6-HTCN tendo uma estrutura assimétrica mostra adsorção mais forte na superfície de um material ativo de eletrodo do que 1,2,3-PTCN (tri-cianeto de 1,2,3-propano) ou 1,3,5-PTCN (tri-cianeto de 1,3,5-pentano) tendo uma estrutura simétrica entre compostos tendo três 3 grupos funcionais CN. Quando o composto representado pela Fórmula Química 1 é incluído em um eletrodo positivo ou um eletrodo negativo para uma bateria de lítio recarregável, o composto representado pela Fórmula Química 1 pode ser incluído em uma composição para fabricar o eletrodo positivo ou o eletrodo negativo.
[0023] Em uma outra forma de realização da presente invenção, uma composição de eletrodo para uma bateria de lítio recarregável inclui o composto representado pela Fórmula Química 1. A composição pode ser uma composição de eletrodo positivo ou negativo para uma bateria de lítio recarregável.
[0024] Ainda em uma outra forma de realização da presente invenção, uma composição de eletrólito para uma bateria de lítio recarregável inclui o composto representado pela Fórmula Química 1.
[0025] Ainda em uma outra forma de realização da presente invenção, um método de fabricar uma bateria de lítio recarregável inclui preparar uma composição de eletrodo para uma bateria de lítio recarregável e aplicar a composição de eletrodo em um coletor de corrente tipo eletrodo. De acordo com uma forma de realização da presente invenção, uma bateria de lítio recarregável pode ser fabricada por qualquer método comumente conhecido usando materiais conhecidos na técnica relacionada, exceto que o composto representado pela Fórmula Química 1 é usado.
[0026] Baterias de lítio recarregáveis podem ser classificadas em baterias de íon de lítio, baterias de polímero de íon de lítio, e baterias de polímero de lítio de acordo com a presença de um separador e o tipo de eletrólito usado na bateria. Baterias de lítio recarregáveis podem ter uma variedade de formas e tamanhos, e incluem baterias cilíndricas, prismáticas, ou do tipo moeda, e podem ser baterias de película fina ou podem ser preferivelmente grandes em tamanho. Estruturas e métodos de fabricação para estas baterias são conhecidos na técnica.
[0027] Referindo-se à FIG. 1, a bateria de lítio recarregável 100 inclui um eletrodo negativo 112, um eletrodo positivo 114, e um separador 113 entre o eletrodo negativo 112 e eletrodo positivo 114. Um eletrólito (não mostrado) impregna o eletrodo negativo 112, eletrodo positivo 114, e separador 113. A bateria inclui ainda uma caixa de bateria 120 e um membro de vedação 140 para vedar a caixa de bateria 120. Uma tal bateria recarregável de lítio 100 é fabricada sequencialmente empilhando-se o eletrodo negativo 112, separador 113, e eletrodo positivo 114, enrolando-se em espiral a pilha, e alojando o produto enrolado na caixa de bateria 120.
[0028] Referindo-se à FIG. 2, a bateria de lítio recarregável 1 inclui uma montagem de eletrodo incluindo um eletrodo negativo 2, um eletrodo positivo 3, e um separador 4 entre o eletrodo negativo 2 e o eletrodo positivo 3. Uma caixa de bateria 5 aloja a montagem de eletrodo, um eletrólito é injetado na caixa a partir de cima, e uma placa protetora 6 veda a caixa de bateria 5.
[0029] A bateria de lítio recarregável pode ter uma forma cilíndrica ou prismática, como descrito acima, mas não é limitada a esta, e pode ter qualquer forma (tal como um cilindro, uma moeda, uma bolsa, ou semelhantes) contanto que ela inclua um separador para uma bateria de lítio recarregável e basicamente funcione como uma bateria. O eletrodo negativo para uma bateria de lítio recarregável inclui um coletor de corrente e uma camada de material ativo negativo formada no coletor de corrente, e a camada de material ativo negativo inclui um material ativo negativo.
[0030] O material ativo negativo pode incluir um material que reversivelmente intercala/desintercala íons de lítio, metal lítio, uma liga metálica de lítio, um material capaz de dopar/desdopar lítio, ou um óxido de metal de transição. O material que reversivelmente intercala/desintercala íons de lítio pode ser um material de carbono. O material de carbono pode ser qualquer material com base em carbono ativo negativo geralmente usado em baterias de íon de lítio recarregáveis. Exemplos do material de carbono incluem carbono cristalino, carbono amorfo, e uma combinação dos mesmos. O carbono cristalino pode ser grafita natural ou grafita artificial sem forma, ou na forma de folha, floco, esférica, ou fibra. O carbono amorfo pode ser um carbono mole, um carbono duro, um produto carbonizado de breu de mesofase, coque queimado, ou semelhantes.
[0031] A liga metálica de lítio inclui lítio e pelo menos um metal selecionado de Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Si, Sb, Pb, In, Zn, Ba, Ra, Ge, Al, ou Sn. Exemplos do material capaz de dopar/desdopar lítio incluem Si, SiOx (0 < x < 2), um compósito de Si-C, uma liga de Si-Q (onde Q é um metal alcalino, um metal alcalino terroso, um elemento do Grupo 13 a 16, um elemento de transição, um elemento de terras-raras, ou uma combinação dos mesmos, mas não é Si), Sn, SnO2, um compósito de Sn-C, Sn-R (onde R é um metal alcalino, um metal alcalino terroso, um elemento do Grupo 13 a 16, um elemento de transição, um elemento de terras-raras, ou uma combinação dos mesmos, mas não é Sn), e semelhantes. Elementos exemplares para Q e R incluem Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Tc, Re, Bh, Fe, Pb, Ru, Os, Hs, Rh, Ir, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, Al, Ga, Sn, In, Ti, Ge, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Po, ou uma combinação dos mesmos.
[0032] O óxido de metal de transição pode ser óxido de vanádio, óxido de lítio e vanádio, ou semelhantes.
[0033] A camada de material ativo negativo pode incluir um aglutinante e opcionalmente incluir ainda um material condutor. O aglutinante melhora as propriedades de ligação das partículas de material ativo negativo entre si e com o coletor de corrente. Exemplos do aglutinante incluem álcool polivinílico, carboximetilcelulose, hidroxipropilcelulose, cloreto de polivinia, cloreto de polivinia carboxilado, fluoreto de polivinila, polímeros contendo óxido de etileno, polivinilpirrolidona, poliuretano, politetrafluoroetileno, fluoreto de polivinilideno, polietileno, polipropileno, borrachas de estireno- butadieno, borrachas de estireno-butadieno acriladas, resinas epóxi, náilon, e semelhantes, mas não são limitados a estes.
[0034] O material condutor é incluído para melhorar a condutividade do eletrodo. Qualquer material eletricamente condutivo pode ser usado como um material condutor contanto que ele não cause uma mudança química. Exemplos do material condutor incluem materiais com base em carbono tais como grafita natural, grafita artificial, negro de fumo, negro de fumo de acetileno, ketjen black, fibras de carbono, e semelhantes; materiais com base em metal tais como pós metálicos ou fibras metálicas incluindo cobre, níquel, alumínio, prata, ou semelhantes; polímeros condutores tais como derivados de polifenileno; ou misturas destes.
[0035] O coletor de corrente pode ser uma folha de cobre, uma folha de níquel, uma folha de aço inoxidável, uma folha de titânio, uma espuma de níquel, uma espuma de cobre, um substrato de polímero revestido com um metal condutor, ou uma combinação dos mesmos.
[0036] O eletrodo positivo da bateria de lítio recarregável inclui um coletor de corrente e uma camada de material ativo positivo disposta no coletor de corrente. O material ativo positivo inclui um composto que reversivelmente intercala e desintercala íons de lítio (isto é, um composto de intercalação litiado). O material ativo positivo pode incluir um óxido compósito incluindo lítio e pelo menos um selecionado de cobalto, manganês, e níquel. Em particular, os compostos seguintes podem ser usados:
LiaA1-bRbD2 (0,90 ≤ a≤ 1,8e0≤ b≤ 0,5);
LiaEi-bRbCh-cDc (0,90 ≤ a≤ 1,8, 0≤ b≤ 0,5e0≤ c≤ 0,05);
LiE2-bRbO4-cDc (0 ≤ b ≤ 0,5, 0 ≤ c ≤ 0,05);
LiaNi1-b-cCobRcDa (0,90 ≤ a ≤ 1,8, 0 ≤ b ≤ 0,5, 0 ≤ c ≤ 0,05 e 0 ≤ a ≤ 2);
LiaNi1-b-cCobRcO2-aZa(0,90 ≤ a ≤ 1,8, 0 ≤ b ≤ 0,5, 0 ≤ c ≤ 0,05 e 0 ≤ a ≤ 2);
LiaNi1-b-cCobRcO2-aZ2 (0,90 ≤ a ≤ 1,8, 0 ≤ b ≤ 0,5, 0 ≤ c ≤ 0,05 e 0 ≤ a ≤ 2);
LiaNi1-b-cMnbRcDa (0,90 ≤ a ≤ 1,8, 0 ≤ b ≤ 0,5, 0 ≤ c ≤ 0,05 e 0 ≤ a ≤ 2);
LiaNi1-b-cMnbRcO2-aZa (0,90 ≤ a ≤ 1,8, 0 ≤ b ≤ 0,5, 0 ≤ c ≤ 0,05 e 0 ≤ a ≤ 2);
LiaNi1-b-cMnbRcO2-aZ2 (0,90 ≤ a ≤ 1,8, 0≤ b≤ 0,5, 0 ≤ c ≤ 0,05 e 0 < a < 2);
LiaNibEcGdOh (0,90 ≤a≤l,8, 0≤b≤ 0,9, 0 ≤ c ≤ 0,5 e 0,001 ≤ d ≤ 0,1);
LiaNibCocMndGeO2 (0,90 ≤ a≤ l,8, 0≤ b≤ 0,9, 0 ≤ c ≤ 0,5, 0 ≤ d ≤ 0,5, 0,001 ≤ e ≤ 0,1);
LiaNiGbO2 (0,90 ≤ a ≤ 1,8 e 0,001 ≤ b ≤ 0,1);
LiaCoGbO2 (0,90 ≤ a ≤ 1,8 e 0,001 < b ≤ 0,1);
LiaMnGbO2 (0,90 ≤ a ≤ 1,8 e 0,001 < b ≤ 0,1);
LiaMn2GbO4 (0,90 ≤ a ≤ 1,8 e 0,001 < b ≤ 0,1);
QO2;
QS2;
LiQS2;
V2O5;
LiV205;
LiTO2;
LiNiVO4;
Li(3-f)J2(PO4)3 (0 ≤ f ≤ 2);
Li(3-f)Fe2(PO4)3 (0 ≤ f ≤ 2); e
LiFePO4.
[0037] Nas fórmulas químicas acima, A é Ni, Co, Mn, ou uma combinação dos mesmos. R é Al, Ni, Co, Mn, Cr, Fe, Mg, Sr, V, um elemento de terras-raras, ou uma combinação dos mesmos. D é O, F, S, P, ou uma combinação dos mesmos. E é Co, Mn, ou uma combinação dos mesmos. Z é F, S, P, ou uma combinação dos mesmos. G é Al, Cr, Mn, Fe, Mg, La, Ce, Sr, V, ou uma combinação dos mesmos. Q é Ti, Mo, Mn, ou uma combinação dos mesmos. T é Cr, V, Fe, Sc, Y, ou uma combinação dos mesmos. J é V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, ou uma combinação dos mesmos.
[0038] O composto pode ter uma camada de revestimento na superfície ou pode ser misturado com um composto tendo uma camada de revestimento. A camada de revestimento pode incluir pelo menos um composto de elemento de revestimento selecionado de óxidos de um elemento de revestimento, hidróxidos de um elemento de revestimento, oxi-hidróxidos de um elemento de revestimento, oxicarbonatos de um elemento de revestimento, e carbonatos de hidroxila de um elemento de revestimento. Os compostos para a camada de revestimento podem ser amorfos ou cristalinos. O elemento de revestimento para a camada de revestimento pode incluir Mg, Al, Co, K, Na, Ca, Si, Ti, V, Sn, Ge, Ga, B, As, Zr, ou uma mistura destes. A camada de revestimento pode ser formada por qualquer método contanto que não exista nenhuma influência negativa nas propriedades do material ativo positivo incluindo-se o(s) elemento(s) no composto. Por exemplo, o método pode incluir qualquer método de revestimento tal como revestimento por pulverização, imersão, e semelhantes, que são conhecidos àqueles que trabalham no campo relacionado.
[0039] A camada de material ativo positivo pode incluir um aglutinante e um material condutor. O aglutinante melhora as propriedades de ligação das partículas de material ativo positivo entre si e ao coletor de corrente. Exemplos não limitantes do aglutinante incluem álcool polivinílico, carboximetilcelulose, hidroxipropilcelulose, diacetilcelulose, cloreto de polivinia, cloreto de polivinia carboxilado, fluoreto de polivinila, polímeros contendo óxido de etileno, polivinilpirrolidona, poliuretano, politetrafluoroetileno, fluoreto de polivinilideno, polietileno, polipropileno, borrachas de estireno-butadieno, borrachas de estireno-butadieno acriladas, resinas epóxi, náilon, e semelhantes.
[0040] O material condutor é usado para fornecer condutividade ao eletrodo. O material condutor pode incluir qualquer material eletricamente condutivo contanto que ele não cause uma mudança química. Exemplos do material condutor incluem um ou uma mistura de um material condutor tal como grafita natural, grafita artificial, negro de fumo, negro de fumo de acetileno, ketjen black, uma fibra de carbono, um pó metálico, uma fibra metálica ou semelhantes tais como cobre, níquel, alumínio, prata ou semelhantes, ou um derivado de polifenileno ou semelhantes.
[0041] O coletor de corrente pode ser Al mas não é limitado a este.
[0042] Os eletrodos negativos e positivos podem todos ser fabricados misturando-se o material ativo, material condutor, e aglutinante para preparar uma composição de material ativo, e revestindo-se a composição em um coletor de corrente. O método de fabricação de eletrodo é conhecido. O solvente inclui N-metilpirrolidona ou semelhantes mas não é limitado a este.
[0043] O eletrólito inclui um solvente orgânico não aquoso e um sal de lítio. O solvente orgânico não aquoso serve como um meio para transmitir íons que participam na reação eletroquímica da bateria. O solvente orgânico não aquoso pode incluir um solvente com base em carbonato, com base em éster, com base em éter, com base em cetona, com base em álcool, ou aprótico. Exemplos do solvente com base em carbonato podem incluir carbonato de dimetila (DMC), carbonato de dietila (DEC), carbonato de dipropila (DPC), carbonato de metilpropila (MPC), carbonato de etilpropila (EPC), carbonato de metiletila (MEC), carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de butileno (BC), e semelhantes. Exemplos do solvente com base em éster podem incluir acetato de metila, acetato de etila, acetato de n-propila, acetato de 1,1-dimetiletila, propionato de metila, propionato de etila, y-butirolactona, decanolida, valerolactona, mevalonolactona, caprolactona, e semelhantes. Exemplos do solvente com base em éter incluem éter dibutílico, tetraglima, diglima, dimetoxietano, 2- metiltetetraidrofurano e tetraidrofurano. Exemplos do solvente com base em cetona incluem cicloexanona, e semelhantes. Exemplos do solvente com base em álcool incluem álcool etílico, álcool isopropílico, e semelhantes. Exemplos do solvente aprótico incluem nitrilas tais como R-CN (onde R é um grupo hidrocarboneto C2 a C20 linear, ramificado, ou cíclico incluindo uma ligação dupla, um anel aromático, ou uma ligação de éter), amidas tais como dimetilformamida, dioxolanos tais como 1,3-dioxolano, sulfolanos, ou semelhantes.
[0044] Um único solvente orgânico não aquoso pode ser usado, ou uma mistura de solventes pode ser usada. Quando uma mistura de solventes orgânicos é usada, a razão de mistura pode ser controlada de acordo com o desempenho desejado da bateria.
[0045] O solvente com base em carbonato pode ser preparado misturando-se um carbonato cíclico e um carbonato linear. O carbonato cíclico e o carbonato linear podem ser misturados entre si em uma razão de volume de cerca de 1:1 a cerca de 1:9. Dentro desta faixa, o desempenho do eletrólito pode ser melhorado.
[0046] Em algumas formas de realização da presente invenção, o eletrólito orgânico não aquoso pode incluir uma mistura de um solvente com base em carbonato com um solvente com base em hidrocarboneto aromático. Os solventes com base em carbonato e com base em hidrocarboneto aromático podem ser misturados entre si em uma razão de volume variando de cerca de 1:1 a cerca de 30:1. O solvente orgânico com base em hidrocarboneto aromático pode ser representado pela Fórmula Química 2 seguinte.
Figure img0003
[0047] Na Fórmula Química 2, R1 a R6 são todos independentemente hidrogênio, um halogênio, um grupo alquila C1 a C10, um grupo haloalquila C1 a C10, ou uma combinação dos mesmos.
[0048] O solvente orgânico com base em hidrocarboneto aromático pode incluir benzeno, fluorobenzeno, 1,2-difluorobenzeno, 1,3- difluorobenzeno, 1,4-difluorobenzeno, 1,2,3-trifluorobenzeno, 1,2,4- trifluorobenzeno, clorobenzeno, 1,2-diclorobenzeno, 1,3-diclorobenzeno, 1,4- diclorobenzeno, 1,2,3-triclorobenzeno, 1,2,4-triclorobenzeno, iodobenzeno, 1,2-diiodobenzeno, 1,3-diiodobenzeno, 1,4-diiodobenzeno, 1,2,3- triiodobenzeno, 1,2,4-triiodobenzeno, tolueno, fluorotolueno, 1,2- difluorotolueno, 1,3-difluorotolueno, 1,4-difluorotolueno, 1,2,3- trifluorotolueno, 1,2,4-trifluorotolueno, clorotolueno, 1,2-diclorotolueno, 1,3- diclorotolueno, 1,4-diclorotolueno, 1,2,3-triclorotolueno, 1,2,4- triclorotolueno, iodotolueno, 1,2-diiodotolueno, 1,3-diiodotolueno, 1,4- diiodotolueno, 1,2,3-triiodotolueno, 1,2,4-triiodotolueno, xileno, ou uma combinação dos mesmos.
[0049] Como um aditivo para melhorar o ciclo de vida, o eletrólito não aquoso pode incluir ainda carbonato de vinileno, um composto com base em carbonato de etileno representado pela Fórmula Química 3 seguinte, ou uma combinação dos mesmos.
Figure img0004
[0050] Na Fórmula Química 3, R7 e R8 são todos independentemente selecionados de hidrogênio, hidrogênio pesado, halogênio, um grupo ciano (CN), um grupo nitro (NO2), ou um grupo fluoroalquila C1 a C5, contanto que pelo menos um de R7 e R8 não seja hidrogênio ou hidrogênio pesado. Especificamente, pelo menos um de R7 e R8 é selecionado de halogênio, um grupo ciano (CN), um grupo nitro (NO2), ou um grupo fluoroalquila C1 a C5. Exemplos do composto com base em carbonato de etileno incluem difluoro carbonato de etileno, clorocarbonato de etileno, diclorocarbonato de etileno, bromocarbonato de etileno, dibromocarbonato de etileno, nitrocarbonato de etileno, cianocarbonato de etileno, fluorocarbonato de etileno, e semelhantes. A quantidade do carbonato de vinileno ou do composto com base em carbonato de etileno usado para melhorar o ciclo de vida pode ser ajustada dentro de uma faixa apropriada.
[0051] Sais de lítio dissolvidos em um solvente orgânico, fornecem íons de lítio na bateria, permitem a operação básica da bateria de lítio recarregável, e melhoram o transporte de íon de lítio entre os eletrodos positivos e negativos. Exemplos do sal de lítio incluem sais eletrolíticos de suporte, tais como LiBF4, LiBF4, LiSbF6, LíAsF6, LiC4F9SO3, LÍC1O4, LiAIO2, LiAlCl4, LiN(CxF2 x+1SO2)(CyF2 y+1SO2), (onde x e y são números naturais), LiCl, Lil, LiB(C2O4)2 (bis(oxalato) borato de lítio, LiBOB), ou uma combinação dos mesmos.
[0052] O sal de lítio pode ser usado em uma concentração variando de cerca de 0,1 M a cerca de 2,0 M. Quando o sal de lítio é incluído nesta faixa de concentração, o eletrólito pode ter bom desempenho e mobilidade de íon de lítio devido à condutividade e viscosidade de eletrólito ideal.
[0053] O separador 113 pode incluir qualquer material comumente usado em baterias de lítio convencionais, contanto que ele separe o eletrodo negativo 112 do eletrodo positivo 114 e forneça uma passagem de transporte para íons de lítio. Em outras palavras, o separador pode ter resistência baixa contra transporte de íon e boa impregnação de eletrólito. Por exemplo, o separador pode ser selecionado de fibra de vidro, poliéster, TEFLON (tetrafluoroetileno), polietileno, polipropileno, politetrafluoroetileno (PTFE), ou uma combinação dos mesmos. O separador pode ser um pano não tecido ou um pano tecido. Por exemplo, para uma bateria de íon de lítio, um separador de polímero com base em poholefina tal como polietileno, polipropileno ou semelhantes pode ser usado. De modo a garantir resistência térmica ou resistência mecânica da bateria de íon de lítio, um separador revestido incluindo um componente cerâmico ou um material polimérico pode ser usado. O separador pode ter uma camada única ou camadas múltiplas.
[0054] De acordo com formas de realização da presente invenção, a bateria de lítio recarregável pode incluir ainda 1,3-propano sultona (PS), que foi convencionalmente usada para aumentar a durabilidade em impacto térmico, assim como o composto representado pela Fórmula Química 1. De acordo com uma forma de realização da presente invenção, a bateria de lítio recarregável incluindo o composto representado pela Fórmula Química 1 tem durabilidade notavelmente aumentada em impacto térmico devido à inclusão do composto, e assim pode incluir pouca ou nenhuma 1,3-propano sultona (PS) (que foi convencionalmente usada para melhorar a durabilidade em impacto térmico, mas pode causar câncer).
[0055] Os exemplos seguintes ilustram ainda mais a presente invenção. Estes exemplos são apresentados para propósitos ilustrativos apenas, e não devem em nenhum sentido ser interpretados como limitando o escopo da presente invenção.
Exemplos 1 a 9: Fabricação da célula de bateria de lítio recarregável
[0056] Células de bateria de lítio recarregável de acordo com os Exemplos 1 a 9 foram fabricadas usando LiMnO2 como um eletrodo positivo, grafita como um eletrodo negativo, e uma solução de eletrólito tendo uma mistura de carbonato de etileno (EC), carbonato de etil metila (EMC), e carbonato de dietila (DEC) em uma razão de volume de 3:5:2 como um solvente e a composição indicada na Tabela 1 seguinte. O eletrólito foi preparado misturando-se o solvente e depois dissolvendo-se 0,95 M de LiPF6 no solvente misto, e depois adicionando-se 6 partes em peso de FEC (fluorocarbonato de etileno), 0,5 partes em peso de VEC (carbonato de vinil etileno), e 0,2 partes em peso de LiBF4 como aditivos de eletrólito a este com base em 100 partes em peso do eletrólito. Também, SN (succinonitrila), PS (1,3-propano sultona), 3-MSPN (3-metanosulfonilpropionitrila), e/ou 1,3,6- HTCN (tri-cianeto de 1,3,6-hexano) foram respectivamente adicionados (como indicado na tabela 1) em uma quantidade de 0 a 3 partes em peso.
Figure img0005
Exemplo Experimental 1: Teste característico de impacto térmico
[0057] As células de bateria de lítio recarregável de acordo com os Exemplos 1 e 4 a 9 foram testadas quanto ao impacto térmico de modo a comparar as características de impacto térmico de baterias incluindo eletrólitos com diferentes tipos de aditivos. Os resultados são fornecidos na Tabela 2 seguinte. O teste de impacto térmico foi realizado aquecendo-se e resfriando-se repetidamente (30 vezes) as células de bateria de lítio recarregável de 80 °C a -40 °C por uma hora para aplicar tensão. Depois, as células de bateria de lítio recarregável foram deixadas repousar na temperatura ambiente (depois de aplicar tensão de impacto térmico) e depois medidas quanto à taxa de espessura aumentada em relação a uma espessura inicial (ΔT Ini. (%)), uma taxa de espessura aumentada em relação a uma espessura aumentada máxima (ΔT Max. (%)), uma espessura aumentada (mm) em relação à espessura aumentada máxima (T Max. (mm)), uma taxa de espessura aumentada em relação a uma espessura desejada (ΔT Abs. (%)), e retenção de capacidade e capacidade de recuperação.
[0058] A retenção de capacidade (%) das células de bateria de lítio recarregável foi calculada medindo-se a capacidade nominal antes do teste, capacidade de descarga depois do teste (carregando-se as baterias de lítio recarregáveis pelo mesmo método), e calculando-se a “capacidade de descarga/capacidade nominal X 100”.
[0059] A capacidade de recuperação (%) das células de bateria de lítio recarregável foi avaliada realizando-se carga e descarga calculadas e calculando-se “capacidade de descarga/capacidade nominal X 100” depois de medir a retenção de capacidade. Os resultados são fornecidos na Tabela 2 seguinte.
Figure img0006
[0060] Como mostrado na tabela 2, a célula de bateria de lítio recarregável incluindo 1,3,6-HTCN (tri-cianeto de 1,3,6-hexano) representada pela Fórmula Química 1 de acordo com os Exemplos 7 a 9 teve resultados melhorados (incluindo a taxa de espessura aumentada em relação a uma espessura inicial (ΔT Ini. (%)), a taxa de espessura aumentada em relação à espessura aumentada máxima (ΔT Max. (%)), a espessura aumentada (mm) em relação à espessura aumentada máxima (T Max. (mm)), a taxa de espessura aumentada em relação a uma espessura desejada (ΔT Abs. (%)), e taxa de retenção e recuperação depois do impacto térmico) comparado à célula incluindo nenhum BMSE (Bismetanossulfoniletano), 3-MSPN (3- metanossulfonilpropionitrila), ou 1,3,6-HTCN de acordo com o Exemplo 1 e Exemplos 4 a 6.
[0061] Consequentemente, as células da bateria incluindo o composto de 1,3,6-HTCN representado pela Fórmula Química 1 exibiram características de impacto térmico melhoradas.
Exemplo Experimental 2: Comparação característica de impacto térmico usando composto similar
[0062] Succinonitrila (SN, C2H4(CN)2) e adiponitrila (AN, (CH2)4(CN)2) foram convencionalmente usados como aditivos para baterias de lítio recarregáveis, e têm estruturas similares a HTCN (tricarbonato de hexano), que é um composto que pode ser representado pela Fórmula Química 1. De modo a prognosticar efeitos de estabilização de superfície, efeitos de supressão de reação lateral, e força de ligação com íons metálicos de um eletrodo positivo, a ligação de energias de coordenação de succinonitrila (SN, C2H4(CN)2), adiponitrila (AN, (CH2)4(CN)2) e 1,3,6- HTCN (tricarbonato de hexano) entre a superfície do eletrodo positivo (LCO) e um material ativo de eletrodo foi quântica e quimicamente calculada através de teoria funcional de densidade (DFT) usando um método de PAW (projetor de ondas aumentadas) e uma função de PBE (Perdew Burke Emzerhof). Como um resultado, 1,3,6-HTCN (um composto que pode ser representado pela Fórmula Química 1) acabou se revelando ligado na superfície do eletrodo positivo (LCO) com cerca de 3,9 e 7,3 kcal/mol de força de ligação mais alta do que os aditivos convencionais, succinonitrila (SN, C2H4(CN)2) e adiponitrila (AN, (CH2)4(CN)2), respectivamente. Os resultados são fornecidos na tabela 3.
Figure img0007
* indica o potencial de oxidação (volt).
[0063] Além disso, as energias de formação de composto complexo de 1,3,6-HTCN foram calculadas com respeito a vários íons metálicos, que existem como íons livres (PBE0/6 - 311+g(d,p)). Estes cálculos mostraram que 1,3,6-HTCN foi fortemente ligado com íons tais como Co3+, Ni2+, Fe2+, Mn4+, Cu+, e semelhantes, e suprimem curtos-circuitos causados pela extração devido a impurezas metálicas em uma célula de bateria na superfície do eletrodo negativo, como SN ou AN. A energia de ligação com íons metálicos é fornecida na Tabela 4 seguinte.
Figure img0008
* indica o número de compostos que formam um composto complexo com a superfície de um material ativo ou um íon metálico, como mostrado na FIG. 4.
[0064] Sem ser ligado com uma teoria específica, acredita-se que as diferenças nas energias de ligação sejam causadas pelo fato de que o composto da Fórmula Química 1 (tendo 3 a 9 grupos funcionais CN e tendo k, 1, e m, que são diferentes um do outro e são independentemente números inteiros de 0 a 20) tem uma estrutura assimétrica, que permite que o composto forme uma ligação de coordenação mais forte com o íon metálico na superfície do material ativo ou outros íons metálicos na bateria do que os compostos de SN ou AN, que têm estruturas simétricas.
[0065] Referindo-se às FIGs. 3 e 4, o composto representado pela Fórmula Química 1 (1,3,6-HTCN) de acordo com formas de realização da presente invenção tem uma ligação mais forte com o material ativo na superfície do eletrodo ou íons metálicos em uma célula de bateria do que compostos convencionais tendo estruturas simétricas, tais como SN ou AN. De modo a confirmar este efeito, as células da bateria seguintes de acordo com os Exemplos 10 a 16 foram adicionalmente fabricadas.
Exemplos 10 a 16: Fabricação de células de bateria de lítio recarregável
[0066] Células de bateria de lítio recarregável de acordo com os Exemplos 10 a 16 foram fabricadas usando LiMnO2 como um eletrodo positivo, grafita como um eletrodo negativo, e uma solução de eletrólito preparada misturando-se carbonato de etileno (EC), carbonato de etil metila (EMC), e carbonato de dietila (DEC) em uma razão de volume de 3:5:2 como um solvente e dissolvendo-se 0,95 M de LiPF6 nesta, e depois adicionando-se 6 partes em peso de FEC (fluorocarbonato de etileno), 0,5 partes em peso de VEC (carbonato de vinil etileno), e 0,2 partes em peso de LiBF4 como aditivos de eletrólito com base em 100 partes em peso do eletrólito. Também, SN (succinonitrila) e PS (1,3-propano sultona) foram adicionados em uma quantidade de 0 a 4 partes em peso de acordo com a Tabela 5 abaixo. Adicionalmente, 1,3,6-HTCN (tri-cianeto de 1,3,6-hexano) em uma quantidade de 0 a 3 partes em peso, ou 1,2,3-PTCN (1,2,3-propano tricarbonitrila), ou 1,3,5-PTCN (1,3,5-penta tri-cianeto) em uma quantidade de 0 a 1 parte em peso foi adicionado de acordo com a Tabela 5 abaixo. Tanto 1,2,3-PTCN quanto 1,3,5-PTCN são similares a 1,3,6-HTCN em que eles todos são compostos de hidrocarboneto tendo três grupos funcionais CN. Entretanto, 1,2,3-PTCN e 1,3,5-PTCN têm estruturas moleculares simétricas, ao contrário de 1,3,6-HTCN.
[0067] A célula de bateria de lítio recarregável de acordo com o Exemplo 10 foi usada como um grupo de controle visto que ela não incluiu nem 1,3,6-HTCN nem um composto tendo uma estrutura simétrica. As composições dos aditivos de eletrólito de acordo com os Exemplos são fornecidas na Tabela 5 seguinte, e as baterias de lítio recarregáveis incluindo os aditivos foram testadas para averiguar as características de impacto térmico como no Exemplo Experimental 1. Os resultados são fornecidos na tabela 6. Na Tabela 5 seguinte, as quantidades listadas de cada aditivo ou solvente são relatadas como partes em peso.
Figure img0009
Figure img0010
[0068] Como mostrado na tabela 6, quando 1,3,6-HTCN (que pode ser representado pela Fórmula Química 1) foi usado como um aditivo (Exemplos 11 a 14) as baterias tiveram efeitos melhorados em termos de taxa de espessura aumentada em relação à espessura inicial, taxa de espessura aumentada em relação à espessura aumentada máxima, retenção de capacidade, e capacidade de recuperação depois do impacto térmico quando comparado com os Exemplos não incluindo nenhum 1,3,6-HTCN (Exemplo 10) e Exemplos incluindo 1,2,3-PTCN ou 1,3,5-PTCN tendo estrutura similares, mas simétricas (Exemplos 15 e 16).
Exemplo Experimental 3: Energias de ligação de coordenação entre compostos em uma superfície de um eletrodo e material ativo de eletrodo
[0069] As energias de ligação de coordenação de 1,2,3-PTCN, 1,3,5- PTCN, 1,3,6-HTCN, e 1,2,6-HTCN entre os compostos na superfície do eletrodo positivo (LiMnO2) e o material ativo de eletrodo foram quântica e quimicamente calculadas através de uma teoria funcional de densidade (DFT) usando um método de PAW (projetor de ondas aumentadas) e uma função de PBE de modo a prognosticar o efeito de estabilização de superfície do eletrodo positivo, os efeitos de supressão de reações laterais, e as forças de ligação com íons metálicos. Os resultados são fornecidos na Tabela 7 seguinte. Aqui, os resultados do composto de SN são também fornecidos para comparação.
Figure img0011
[0070] Como mostrado na tabela 7, 1,3,6-HTCN e 1,2,6-HTCN (compostos que podem ser representados pela Fórmula Química 1) são ligados na superfície do eletrodo positivo (LiMnO2) com força de ligação mais alta do que 1,2,3-PTCN ou 1,3,5-PTCN, que têm estruturas similares, mas simétricas.
[0071] Além disso, a FIG. 5 é uma esquemática que mostra as formas de ligação dos compostos com a superfície do material de eletrodo. Como mostrado na FIG. 5, os compostos (1,3,6-HTCN e 1,2,6-HTCN) representados pela Fórmula Química 1 de acordo com formas de realização da presente invenção são mais estavelmente ligados na superfície do eletrodo positivo (LCO) do que 1,2,3-FTCN ou 1,3,5-PTCN, que têm estrutura similares, mas simétricas.
[0072] Células de bateria de lítio recarregável incluindo o composto representado pela Fórmula Química 1 têm durabilidade em impacto térmico notavelmente melhorada visto que o composto representado pela Fórmula Química 1 é ligado com o material da superfície do eletrodo e suprime a geração de gás na superfície do eletrodo positivo. Além disso, as células da bateria têm ligações de coordenação do composto representado pela Fórmula Química 1 com íons metálicos, impedindo assim curtos-circuitos devido à extração dos íons metálicos na superfície do eletrodo negativo. Consequentemente, baterias de lítio recarregáveis incluindo o composto representado pela Fórmula Química 1 podem substituir baterias de lítio recarregáveis incluindo PS (um aditivo convencional usado para melhorar a durabilidade em impacto térmico, mas que possivelmente causa câncer).
[0073] Embora a presente invenção tenha sido ilustrada e descrita em relação a certas formas de realização exemplares, deve ser entendido que a invenção não é limitada às formas de realização divulgadas, mas, ao contrário, é intencionada a abranger várias modificações e arranjos equivalentes incluídos dentro do espírito e escopo das reivindicações anexas.

Claims (7)

  1. Bateria de lítio recarregável (100; 1), compreendendo:
    um eletrodo positivo (114; 3);
    um eletrodo negativo (112; 2); e
    uma composição de eletrólito;
    a bateria (100; 1) sendo caracterizada pelo fato de compreender adicionalmente
    um composto representado pela Fórmula Química 1 em pelo menos um do eletrodo positivo (114; 3), do eletrodo negativo (112; 2) ou do eletrólito:
    Figure img0012
    em que:
    cada um de k, 1 e m é independentemente um número inteiro de 0 a 7, e k, 1 e m são diferentes um do outro, com os quais o composto da Fórmula Química 1 tem uma estrutura assimétrica, e
    n é um número inteiro de 1, e
    em que uma quantidade do composto representado pela Fórmula Química 1 é de 0,1 a 10 % em peso com base em um peso total do eletrodo positivo (114; 3), do eletrodo negativo (112; 2) ou do eletrólito em que o composto representado pela Fórmula Química 1 está presente.
  2. Bateria de lítio recarregável (100; 1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que k é 0, e 1 e m são independentemente números inteiros de 1 a 5.
  3. Bateria de lítio recarregável (100; 1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o composto representado pela Fórmula Química 1 é tri-cianeto de 1,3,6-hexano, ou tri-cianeto de 1,2,6- hexano.
  4. Composição de eletrodo para a bateria de lítio recarregável (100; 1) como definida em qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, a composição de eletrodo caracterizada pelo fato de que compreende:
    um material ativo de eletrodo; e
    um composto representado pela Fórmula Química 1:
    Figure img0013
    em que:
    cada um de k, 1 e m é independentemente um número inteiro de 0 a 7, e k, 1 e m são diferentes um do outro, com os quais o composto da Fórmula Química 1 tem uma estrutura assimétrica, e
    n é um número inteiro de 1, e
    em que uma quantidade do composto representado pela Fórmula Química 1 é de 0,1 a 10 % em peso com base em um peso total da composição de eletrodo.
  5. Composição de eletrodo de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o material ativo de eletrodo é um material ativo positivo.
  6. Composição de eletrodo de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o material ativo de eletrodo é um material ativo negativo.
  7. Composição de eletrólito para a bateria de lítio recarregável (100; 1) como definida em qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, a composição de eletrólito caracterizada pelo fato de que compreende:
    um solvente;
    um sal de lítio; e
    um composto representado pela Fórmula Química 1:
    Figure img0014
    em que:
    cada um de k, 1 e m é independentemente um número inteiro de 0 a 7, e k, 1 e m são diferentes um do outro, com os quais o composto da Fórmula Química 1 tem uma estrutura assimétrica, e
    n é um número inteiro de 1 a 1, e
    em que uma quantidade do composto representado pela Fórmula Química 1 é de 0,1 a 10 % em peso com base em um peso total da composição de eletrodo.
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