BR102019013896A2 - Coletor de corrente de grade e dispositivos e métodos associados - Google Patents

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Pierre Guichard
Simon BERTHOME
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Abstract

coletor de corrente de grade e dispositivos e métodos associados a presente invenção se refere a um coletor de corrente (20) que compreende: - um substrato (22), o substrato (22) sendo produzido a partir de um primeiro material (m1), o primeiro material (m1) compreendendo um polímero, e - uma grade (24) depositada no substrato (22), a grade (24) sendo produzida a partir de um segundo material (m2), o segundo material (m2) compreendendo partículas de metal.

Description

“COLETOR DE CORRENTE DE GRADE E DISPOSITIVOS E MÉTODOS ASSOCIADOS”
Campo da Invenção [001]A presente invenção se refere a um coletor de corrente. A presente invenção também se refere a uma montagem, a um acumulador eletroquímico ou a um supercapacitor que compreende tal um coletor de corrente. A presente invenção também fornece os métodos para a fabricação do coletor de corrente.
Antecedentes da Invenção [002]Um acumulador eletroquímico normalmente compreende, pelo menos, quatro elementos: um eletrodo positivo, um eletrodo negativo, um eletrólito, bem como os coletores de corrente para cada eletrodo. A montagem, que compreende um eletrodo negativo e um coletor de corrente, forma um ânodo enquanto a montagem, que compreende um eletrodo positivo e um coletor de corrente, forma um cátodo.
[003]O princípio de funcionamento destes acumuladores é com base no armazenamento reversível de energia elétrica em energia química através da implementação efetiva de duas reações eletroquímicas que são separadas e acopladas. São os eletrodos positivos e negativos que estão imersos no eletrólito, que servem de sede às reações eletroquímicas, denominadas de reações farádicas. Os eletrodos principalmente são os compostos de materiais ativos que possibilitam armazenar e liberar os íons por meio das reações de oxidação e redução.
[004]Durante a descarga, o material ativo no eletrodo negativo é oxidado e libera, por um lado, os elétrons que são encaminhados através do intermediário do coletor de corrente para o circuito externo e, por outro lado, os cátions que migram através do eletrólito em direção ao eletrodo positivo. Em seguida, os elétrons que passaram através do circuito que utilizou esta energia,
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2/23 e os cátions são capturados através do material ativo no eletrodo positivo que é reduzido. A densidade de energia que um acumulador pode liberar é uma função de potencial ou de capacidade da célula eletroquímica, ambas diretamente relacionadas à química do sistema. O potencial de uma bateria é determinado através da diferença entre os potenciais das reações de oxidação - redução que ocorrem simultaneamente nos eletrodos positivos e negativos.
[005]Devido ao desenvolvimento de baterias, para uma série de aplicações, é desejado aprimorar a condutividade das baterias bem como a sua durabilidade ao longo do tempo.
[006]Para isso, a produção de cada parte de uma bateria deve ser aprimorada.
[007]Em geral, um coletor de corrente é produzido de um material que é suficientemente condutor para garantir o transporte eletrônico, que também é leve, fino e resistente mecanicamente para servir como um substrato para o eletrodo. Por exemplo, o coletor de corrente é uma chapa de metal produzida de ferro, cobre, alumínio, níquel, titânio ou aço inoxidável ou outras ligas associadas.
[008]No entanto, a espessura dos coletores de metal, em geral, é limitada por sua flexibilidade e propriedades mecânicas durante os revestimentos e calendário de grande escala para a produção de eletrodos ou supercapacitores de acumulador. Além disso, esses coletores podem romper, enrugar ou rasgar sob essas condições de utilização, o que dificulta sua produção.
Descrição Resumida da Invenção [009]Existe uma necessidade de coletores de corrente para os acumuladores que são mais fáceis de fabricação.
[010]Para este propósito, um coletor de corrente é fornecido. O coletor de corrente compreende um substrato, o substrato sendo produzido de
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3/23 um primeiro material, o primeiro material compreende um polímero e uma grade em contato com o substrato, a grade sendo produzida de um segundo material, o segundo material que compreende as partículas de metal.
[011]De acordo com realizações específicas, o coletor de corrente compreende uma ou mais das seguintes características, isoladamente considerando ou de acordo com qualquer combinação tecnicamente possível:
- o segundo material consiste, pelo menos, em partículas.
- o segundo material compreende, pelo menos, um polímero e partículas.
- o segundo material consiste em, pelo menos, um polímero e partículas.
- o segundo material compreende, pelo menos, um ligante e partículas.
- o segundo material consiste em, pelo menos, um ligante e partículas.
- o segundo material compreende as partículas dispersas em, pelo menos, um ligante.
- o segundo material consiste em partículas dispersas em, pelo menos, um ligante.
- o segundo material compreende, pelo menos, um elemento selecionado a partir da lista que consiste em metais e ligas eletricamente condutivas, em especial, o ouro, prata, cobre, alumínio, níquel, paládio, platina e titânio; e os óxidos de metal, tais como o óxido de índio e estanho, óxido de estanho fluorado, óxido de estanho e óxido de zinco.
- a grade é constituída através da repetição de um padrão;
- o coletor de corrente ainda compreende uma camada de revestimento, a camada de revestimento estando em contato com a grade e formando uma pilha de camadas sobrepostas ao substrato ao longo de uma
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4/23 direção de empilhamento.
- a camada de revestimento é produzida de acordo com uma segunda composição, a segunda composição que compreende um material condutor e um material ligante, o material condutor que compreende, pelo menos, um elemento selecionado a partir da lista que consiste em carbono, negro de fumo, grafite, grafeno, um nanotubo de carbono, uma fibra de carbono ativado, uma nanofibra de carbono não ativada, um floco de metal, um pó de metal, uma fibra de metal e um polímero eletricamente condutivo.
- o teor, em peso, do material ligante é superior ou igual a 30%, de preferência, inferior a 80%.
- o teor, em peso, do material condutor é superior ou igual a 20%, de preferência, inferior a 70%.
- o material ligante consiste em um ou mais polímeros;
- toda a montagem da camada de revestimento e da grade possui uma espessura inferior ou igual a 15 micrômetros, de preferência, inferior ou igual a 3 micrômetros;
- a pilha constituída pela grade e a camada de revestimento possui uma espessura inferior ou igual a 15 micrômetros, de preferência, inferior ou igual a 3 micrômetros.
- o primeiro material é selecionado a partir do grupo que consiste em um polímero que compreende, pelo menos, um grupo funcional de amida; um polímero que compreende, pelo menos, um grupo funcional de imida; um polímero que compreende, pelo menos, um grupo funcional de imida e um grupo funcional de amida; poli(cetona de éter de éter de fenileno); e poli(naftalato de etileno).
[012]A presente descrição também se refere a uma montagem que forma um ânodo ou um cátodo que compreende um eletrodo e um coletor de corrente, conforme descrito acima.
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5/23 [013]A presente descrição também se refere a um dispositivo de armazenamento de energia para o armazenamento de energia elétrica, acumulador eletroquímico ou supercapacitor, que compreende uma montagem, conforme descrito acima.
[014]Também é proposto um método para a fabricação de um coletor de corrente incluindo uma etapa de fornecimento de um substrato, o substrato sendo produzido de um primeiro material, o primeiro material que compreende um polímero, e uma etapa para depositar uma grade em contato com o substrato, a grade sendo produzida de um segundo material, o segundo material que compreende as partículas de metal.
[015]De acordo com realizações específicas, o método de fabricação inclui uma ou mais das seguintes características, consideradas isoladamente ou de acordo com qualquer combinação tecnicamente possível:
- o método inclui uma etapa adicional para depositar uma camada de revestimento em contato com a grade, a camada de revestimento sendo formada depositando uma composição que compreende um material condutor e um material ligante.
- pelo menos, uma das etapas para depositar realizada por uma técnica de impressão.
Breve Descrição das Figuras [016]Outras características e vantagens da presente invenção irão se tornar evidentes ao ler a Descrição Detalhada a seguir, das realizações da presente invenção, fornecidas apenas a título de exemplo, e fazendo referência às Figuras em anexo, em que:
- a Figura 1 é uma visão esquemática de um exemplo de um acumulador;
- a Figura 2 é uma vista esquemática em corte transversal de um exemplo de um coletor de corrente que forma parte de um acumulador
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6/23 representado na Figura 1 e que compreende uma grade;
- as Figuras de 3 a 8 são vistas esquemáticas de exemplos das grades do coletor de corrente da Figura 2 observadas de cima; e
- a Figura 9 é uma vista esquemática em corte transversal de outro exemplo de um coletor de corrente que forma parte de um acumulador representado na Figura 1.
Descrição Detalhada da Invenção [017]Um acumulador elétrico (10) é representado na Figura 1.
[018]O acumulador (10) é destinado a ser conectado a outros acumuladores elétricos para formar um gerador elétrico de voltagem e capacitância desejadas. Tal gerador é referido como uma bateria acumuladora ou simplesmente uma bateria.
[019]Um acumulador (10) utiliza uma técnica de conversão de energia reversível para armazenar a energia e posteriormente liberar a mesma.
[020]O acumulador (10) descrito utiliza uma reação eletroquímica, o acumulador (10) é um acumulador eletroquímico.
[021]No exemplo fornecido, o acumulador (10) é um acumulador de íons de lítio destinado a uma bateria de íons de lítio.
[022]Como variante, o acumulador (10) corresponde a outra tecnologia e é um acumulador do tipo: Chumbo-Ácido, Níquel-Cádmio (NiCd), Níquel-Hidreto de Metal (NiMH), Níquel-Zinco (NiZn), Sódio-Enxofre (NaS), Sódio-Íon (Na-íon), Polímero de Metal de Lítio (LMP), Lítio-Polímero (Li-Po), Lítio-Enxofre (Li-S), ou Níquel-Lítio (Ni-Li). Essa lista pretende ser não limitativa.
[023]No caso da Figura 1, o acumulador (10) compreende um eletrólito (12), um ânodo (14) e um cátodo (16).
[024]A interação entre o eletrólito (12), o ânodo (14) e o cátodo (16) possibilita que o acumulador (10) funcione como um acumulador eletroquímico.
[025]O eletrólito (12) é composto de diferentes sais iônicos
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7/23 conduzindo os íons que são utilizados para as reações farádicas ou de armazenamento de carga, de carbonatos e de um solvente ou mistura de solvente para possibilitar a solubilização de íons.
[026]Em um acumulador de íons de lítio, os sais iônicos, por exemplo, são o hexafluorofosfato de lítio (LiPF6), o sal de bis(sulfonila de trifluormetano) de lítio, o Imida (LiTFSI), o tetrafluoroborato de lítio (LiBF4) e o bis(oxalato)borato de lítio (LiBOB), difluoro(oxalato)borato de lítio (LiDFOB).
[027]Os carbonatos, por exemplo, são o carbonato de propileno (PC), carbonato de etileno (EC), carbonato de dimetila (D(MC), carbonato de metila de etila (E(MC) ou carbonato de dietila (DEC).
[028]Também é possível encontrar, em menor proporção, o acetato de metila ou formato de metila, acetonitrila, tetraidrofurano ou gamabutirolactona, e misturas binárias ou ternárias ou até mesmo quaternárias deste último, assim como os líquidos iônicos.
[029]A seguir, apenas o cátodo (16) está descrito mais especificamente com o entendimento de que todos os elementos descritos são igualmente válidos para o ânodo (14), adaptando apenas a composição do ânodo.
[030]O cátodo (16) compreende um eletrodo (18) e um coletor de corrente (20).
[031]O eletrodo (18) é uma camada depositada no coletor de corrente (20).
[032]O eletrodo (18) está em contato com o eletrólito (12).
[033]Um exemplo de um coletor de corrente (20) é representado esquematicamente na Figura 2.
[034]O coletor de corrente (20) compreende um substrato (22) e uma grade (24) em contato com o substrato (22).
[035]O substrato (22) é uma camada planar, isto é, uma camada
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8/23 que se estende principalmente em um plano.
[036]A direção perpendicular ao plano é a direção do empilhamento. A direção de empilhamento é simbolizada por um eixo Z na Figura 2. Além disso, a direção de empilhamento é indicada como a direção de empilhamento Z no seguinte. Por uma questão de conveniência, duas direções transversais correspondentes aos eixos X e Y também são definidas na Figura 2, cada uma das direções transversais sendo perpendiculares à direção de empilhamento Z e perpendiculares entre si. A primeira direção transversal X é perpendicular ao plano da Figura 2, enquanto a segunda direção transversal Y está no plano da Figura 2.
[037]Além disso, por definição, a espessura de uma camada ou elemento é a dimensão ao longo da direção de empilhamento Z.
[038]O substrato (22) possui uma espessura que é inferior ou igual a 18 micrômetros (pm).
[039]O substrato (22) é flexível.
[040]O termo flexível deve ser entendido neste contexto como significando que o substrato (22) é mais flexível do que um substrato de metal.
[041]O substrato (22) é produzido de um primeiro material (M1).
[042]O primeiro material (M1) compreende um polímero ou uma mistura de polímeros.
[043]A seguir, por simplicidade, o termo um polímero é utilizado para significar um único polímero ou uma mistura de polímeros.
[044]O primeiro material (M1) é ou consiste em um polímero.
[045]Em algumas realizações, o polímero é poroso.
[046]Por meio de uma variante, o primeiro material (M1) é o papel ou um tecido.
[047]A título de exemplo, o primeiro material (M1) é o poli(tereftalato de etileno) também referido como PET.
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9/23 [048]Mais em geral, o primeiro material (M1) é, pelo menos, um material selecionado a partir do grupo que consiste dos seguintes compostos: poliacrilatos (AA); acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS); álcool de vinila de etileno (E/VAL); propileno de etileno fluorado (FEP); perfluoroalcóxi (PFA); clorotrifluoroetileno (CTFE); poliestireno de impacto elevado (HIPS); formaldeído de melamina (MF); polímeros de cristais líquidos (LCP); poliacetal (POM); acrilonitrila (PAN); plástico fenol-formaldeído (PF); poliamida (PA); poliamidaimida (PAI); cetona de éter de politarila (PAEK); cetona de éter de poliéter (PEEK); c/s-1,4-polibutadieno (PBD); írans-1,4-polibutadieno (PBD); poli 1buteno (PB); poli(tereftalato de butileno) (PBT); policaprolactama; policarbonato (PC); policarbonato / acrilonitrila-butadieno-estireno (PC/ABS); éter de poli-2,6dimetil-1,4-fenileno (PPE); polidiciclopentadieno (PDCP); poliéster (PL); cetona de éter de poliéter (PEEK); polietirimida (PEI); polietileno (PE); polietileno de densidade inferior (LDPE); polietileno de densidade média (MDPE); polietileno de densidade elevada (HDPE); polietileno de densidade ultra elevada (UHDPE); polietilenoclorinatos (PEC); poli(etileno glicol) (PEG); dicarbamato de hexametileno de polietileno (PEHD); óxido de polietileno (PEO); polietersulfona (PES); sulfeto de polietileno (PES); tereftalato de polietileno (PET); fenólicos (PF); adipamida de poliexametileno (PHMA); sebacamida de poliexametileno (PHMS); metacrilato de poliidroxietilo (HEMA); poliimida (PI, tal como o KAPTON); poliisobutileno (PM); policetona (PK); ácido polilático (PLA); metacrilato de polimetila (PMMA); penteno de polimetila (PMP); estireno de poli m-metila (PMMS); estireno de poli p-metila (PPMS); polioximetileno (POM); dicarbamato de hexametileno de polipentametileno (PPHD); poli(m-fenileno); isoftalamida (PMIA); óxido de polifenileno (PPO); sulfato de poli p-fenileno (PPS); tereftalamida de poli p-fenileno (PPTA); poliftalamida (PTA); polipropileno (PP); óxido de polipropileno (PPDX); poliestireno (PS); polissulfona (PSU); etileno de politetrafluoro (PTFE); poli(tereftalato de trimetileno) (PTT); poliuretano (PU);
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10/23 butiral de polivinila (PVB); cloreto de polivinila (PVC); cloreto de polivinilideno (PVDC); fluoreto de polivinilideno (PVDF); éter de metila de polivinila (PVME); poli(pirrolidona de vinila) (PVP), silicone (SI); resina de estireno-acrilonitrila (SAN); elastômeros termoplásticos (TPE); polímeros termoplásticos (TP) e ureiaformaldeído (UF).
[049]De maneira vantajosa, o primeiro material (M1) pode ser utilizado para temperaturas até 160° C.
[050]A utilização de outros primeiros materiais (M1) possibilita reforçar uma tal propriedade de estabilidade a temperatura elevada, por exemplo, até uma temperatura de 300° C.
[051]Por exemplo, o primeiro material (M1) é um polímero que compreende, pelo menos, um grupo funcional de amida e/ou pelo menos, um grupo funcional de imida.
[052]De um ponto de vista funcional, a grade (24) serve como uma rede condutora.
[053]Estruturalmente, a grade (24) é um elemento que delimita as zonas internas.
[054]De acordo com o exemplo ilustrado, as zonas correspondem a orifícios.
[055]Por meio de uma variante, as zonas são produzidas do mesmo material que a grade (24) e possuem uma espessura inferior àquela da grade (24).
[056]A grade (24) é um mosaico constituído por um padrão elementar, isto é, a repetição de um padrão elementar ao longo de toda a extensão da grade.
[057]Uma pluralidade de formatos de grades (24) e, em especial, uma pluralidade de padrões elementares, pode ser considerada com referência às Figuras de 3 a 8.
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11/23 [058]O padrão elementar na Figura 3 é um quadrado, o padrão elementar na Figura 4 é um triângulo, o padrão elementar na Figura 5 é um alvéolo, o padrão elementar na Figura 6 é um alvéolo, cujos vértices opostos estão conectados por segmentos, o padrão elementar na Figura 7 é um quadrado do qual os meios de lados opostos são conectados por segmentos, e o padrão elementar na Figura 8 é um quadrado provido de diagonais.
[059]Mais em geral, o padrão elementar é um conjunto finito de pontos, alguns dos quais estão conectados por segmentos.
[060]A grade (24) possui uma espessura que é inferior ou igual a 15 micrômetros, de maneira vantajosa, inferior a 5 micrômetros, de preferência, inferior a 3 micrômetros.
[061]A grade (24) é produzida de um segundo material (M2).
[062]A grade (24) é depositada na forma de uma tinta líquida ou primeira composição (C1).
[063]A grade (24), por conseguinte, é depositada no substrato (22).
[064]Dita primeira composição (C1) compreende o segundo material (M2) (o segundo material (M2) pode estar na presença de elementos adicionais, tais como os ligantes, a totalidade destes formando a primeira composição (C1)) que é selecionada a partir de:
- metais e ligas eletricamente condutivas, em especial, o ouro, prata, cobre, alumínio, níquel, paládio, platina, titânio, ferro, zinco, manganês, cromo, vanádio ou aço inoxidável; e
- óxidos de metal, tais como o óxido de cobre, alumínio, índio e estanho, óxido de estanho fluorado, óxido de estanho e óxido de zinco ou uma sua mistura.
[065]De maior preferência, a primeira composição (C1) compreende as partículas de metal.
[066]De acordo com o exemplo descrito, a primeira composição
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12/23 (C1) compreende as partículas de metal.
[067]Tais partículas podem possuir qualquer tipo de formato. De preferência, as partículas são esféricas.
[068]Para cada partícula, um diâmetro é definido como a distância máxima entre dois pontos na superfície da partícula.
[069]O diâmetro é medido, por exemplo, através de uma técnica de granulometria a laser.
[070]A técnica de medição do tamanho de partícula por difração a laser mede a distribuição do tamanho das partículas medindo a variação angular na intensidade da luz difusa à medida que um feixe de laser atravessa através de uma amostra de partículas dispersas. As partículas grandes dispersam a luz em pequenos ângulos para o feixe de laser e as partículas pequenas dispersam a luz em ângulos mais elevados.
[071]Entre as partículas da primeira composição (C1), o diâmetro de cada partícula é inferior ou igual a 100 micra.
[072]De preferência, as partículas são as nanopartículas.
[073]As nanopartículas são as partículas das quais cada dimensão é inferior a 100 nanômetros.
[074]A primeira composição (C1) é depositada no substrato (22) através dos métodos de impressão, em especial, incluindo a serigrafia, flexografia, gravura, offset ou impressão a jato de tinta, o que torna possível aplicar os revestimentos de composições com base em partículas de metal.
[075]O funcionamento do acumulador (10) está de acordo com o funcionamento de um acumulador eletroquímico do estado da técnica.
[076]Por meio de um breve resumo, o coletor (20) é formado por um substrato (22) relativamente fino de polímero e uma camada condutora de nanopartículas de metal na forma de uma grade (24) com uma espessura relativamente pequena.
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13/23 [077]Como resultado disso, tal coletor (20) possibilita obter uma preservação em termos do material depositado no substrato (22), o que torna possível reduzir a massa.
[078]O ganho em relação à massa também é derivado do substrato (22) que é um material polimérico em vez de uma folha de metal. Na verdade, a densidade de um metal é, pelo menos, duas vezes superior à densidade de um material polimérico. Por exemplo, a densidade do cobre é de 8,9 g/cm3 (gramas por centímetro cúbico), enquanto a densidade do PET é de 1,3 g/cm3.
[079]Isto torna possível obter um coletor (20) que seja mais fino, mais leve e mais flexível do que os coletores de corrente padrões, também mantendo um bom grau de condutividade elétrica do coletor (20).
[080]Além disso, a flexibilidade fornecida através da utilização de um substrato de polímero impresso torna possível prever um substrato mais fino e mais resistente às restrições associadas à sua utilização.
[081]A utilização de partículas de metal também possibilita a redução da massa, uma vez que a densidade do metal é inferior na composição (C1).
[082]Além disso, o resultado é uma espessura reduzida para a grade (24), especialmente em relação às folhas de metal disponíveis e suficientemente condutoras que não possuem uma espessura inferior a 3 pm.
[083]Ainda em relação a uma chapa de metal, o modo de deposição proposto e à utilização de partículas de metal fornecem maior flexibilidade. Por um lado, diversos padrões de diferentes formatos ou malhas são possíveis para a grade (24) e, por outro lado, mais tipos de materiais e composições (C1) são acessíveis.
[084]Isto torna possível prever a otimização das propriedades do coletor de corrente (20), em especial, em termos de condutividade, adesão ao substrato (22) ou peso por uma variação simples das propriedades da grade (24).
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14/23 [085]Além disso, deve ser observado, que um ou mais ligantes que formam o material de ligação que serve para ligar as partículas de metal também tornam possível facilitar a adesão do portão (24) ao substrato (22).
[086]Por conseguinte, pode ser possível obter um coletor de corrente (20) que seja adaptado de maneira a operar com uma densidade de energia mais elevada.
[087]Esta propriedade foi demonstrada experimentalmente através do Depositante, conforme aparece na seção “Experiência”.
[088]Além disso, esse coletor é fácil de fabricar. Isto se torna evidente, em especial, na descrição de uma implementação operacional exemplar de um exemplo de método para a fabricação do coletor (20).
[089]O método de fabricação inclui o depósito da grade em relação ao substrato, utilizando uma técnica de impressão, em especial, a serigrafia rotativa.
[090]Outro exemplo de um coletor de corrente (20) é ilustrado na Figura 9.
[091]O coletor de corrente (20) também compreende um substrato (22) e uma grade (24).
[092]As observações relativas ao substrato (22) e à grade (24) do coletor de corrente (20) mostradas na Figura 2 também são aplicáveis ao substrato (22) e à grade (24) do coletor de corrente (20) mostrado na Figura 9. Estas observações não são repetidas no seguinte.
[093]O coletor de corrente (20) ainda compreende uma camada de revestimento (26), a camada de revestimento (26) estando em contato com a grade (24) e formando uma pilha de camadas sobrepostas ao substrato (22) ao longo de uma direção de empilhamento Z.
[094]A camada de revestimento (26) possui uma espessura inferior ou igual a (10) pm, de maneira vantajosa, inferior a 5 pm e, de preferência,
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15/23 inferior a 2 pm.
[095]Em alguns casos, a camada de revestimento (26) possui uma espessura que é inferior a espessura da grade (24) de uma maneira tal que a grade (24) é aparente.
[096]A pilha é constituída pela grade (24) e camada de revestimento (26) sobreposta na mesma, esta pilha possui uma espessura que é inferior ou igual a 15 pm, de preferência, inferior a 3 pm.
[097]A camada de revestimento (26) é produzida de acordo ou com base em uma segunda composição (C2).
[098]A segunda composição (C2) compreende um material condutor (MC) e um material ligante (ML).
[099]A segunda composição (C2) consiste em um material condutor (MC) e em um material ligante (ML).
[0100]A seleção do material ligante (ML) consideravelmente pode variar desde que o material ligante (ML) seja inerte em relação aos outros materiais da segunda composição (C2). O material ligante (ML) compreende um ou mais polímeros selecionados a partir de polímeros termoplásticos, polímeros termoendurecíveis, elastômeros e as suas misturas.
[0101]Os exemplos de polímeros termoplásticos incluem, mas não estão limitados aos: polímeros derivados a partir da polimerização de monômeros de vinila alifáticos ou cicloalifáticos, tais como as poliolefinas (incluindo os polietilenos ou polipropilenos); os polímeros derivados a partir da polimerização de monômeros de vinila aromáticos, tais como os poliestirenos, os polímeros derivados a partir da polimerização de monômeros acrílicos e/ou (met)acrilatos; as poliamidas; as polieterquetonas; poliimidas; álcoois de polivinila; os polímeros fluorados e poliacrilonitrila.
[0102]Os exemplos de polímeros termoendurecíveis incluem, mas não estão limitados às resinas termoendurecíveis (tais como as resinas epóxi,
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16/23 resinas de poliéster) opcionalmente em mistura com os poliuretanos ou com os polióis de poliéter ou vice-versa.
[0103]Os exemplos de polímeros elastoméricos incluem, mas não estão limitados às borrachas naturais, borrachas sintéticas, copolímeros de estireno-butadieno (também conhecidos pela abreviação SBR), copolímeros de etileno-propileno (também conhecidos pela abreviação EPM), silicones.
[0104]O material ligante (ML) compreende ou é uma mistura de polímero(s) termoplástico(s), polímero(s) termoendurecível(is) e/ou polímero(s) elastomérico(s).
[0105]Outro material ligante (ML) adequado inclui os polímeros reticulados, tais como aqueles produzidos de polímeros que possuem os grupos carboxila e agentes de reticulação.
[0106]Deve ser observado que as observações que acabam de ser realizadas para o material de ligação (ML) da segunda composição (C2) também são válidas para o caso em que a primeira composição (C1) compreende as partículas de metal e um material ligante, incluindo na realização em que a camada de revestimento (26) está ausente.
[0107]Em especial, o material ligante de tal primeira composição (C1) compreende um ou mais polímeros selecionados a partir de polímeros termoplásticos, polímeros termoendurecíveis, elastômeros e suas misturas.
[0108]O teor do material ligante (ML) é superior ou igual a 30% em peso. O teor em peso ou teor em peso de um elemento X em uma mistura é a proporção entre o peso do elemento X e o peso de todos os elementos na mistura.
[0109]De preferência, o teor do material ligante (ML) é inferior ou igual a 80% em peso.
[0110]De maneira vantajosa, o teor do material ligante (ML) está entre 40% em peso e 70% em peso.
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17/23 [0111]O material condutor (MC) compreende um ou mais tipos de elementos condutores para intensificar a condutividade elétrica.
[0112]Os exemplos de elementos condutores incluem, mas não estão limitados aos carbonos condutivos, negro de fumo, grafites, grafenos, nanotubos de carbono, fibras de carvão ativado, nanofibras de carbono não ativadas (uma nanofibra é uma fibra que possui dimensão inferior a 1 pm), flocos de metal, pós de metal, fibras de metal e polímeros eletricamente condutivos.
[0113]O teor do segundo material condutor (MC) é superior ou igual a 20% em peso.
[0114]De preferência, o teor do segundo material condutor (MC) é inferior ou igual a 70% em peso.
[0115]De maneira vantajosa, o teor do segundo material condutor (MC) está entre 30% em peso e 60% em peso.
[0116]O funcionamento do coletor de corrente (20), de acordo com a segunda realização, é similar ao funcionamento do coletor de corrente (20) de acordo com a primeira realização.
[0117]A camada de revestimento (26) é uma camada destinada a proteger a grade (24).
[0118]Mais precisamente, a camada de revestimento (26) evita a degradação das partículas de metal em contato com os componentes corrosivos, tais como o eletrólito, as cargas ativas ou os solventes.
[0119]Isto também torna possível, em especial, impedir a dissolução das partículas de metal nos outros componentes do acumulador.
[0120]Por outro lado, a camada de revestimento (26) possibilita aprimorar a adesão e a interface entre a camada de material ativo e o coletor de corrente (20).
[0121]O aprimoramento de tal contato possibilita o aumento da condutividade elétrica do eletrodo. Isto implica que se torna possível reduzir
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18/23 ainda mais a espessura ou aumentar a área de superfície das zonas internas da grade (24), resultando em uma redução na quantidade de materiais envolvidos na fabricação do coletor (20) e, por conseguinte, em uma redução do custo de fabricação.
[0122]Também deve ser observado que a capacidade de proteção da camada de revestimento (26) torna possível prever os materiais para a grade (24) que de outra maneira não poderiam ser utilizados na ausência da camada de revestimento (26) devido ao risco de corrosão.
[0123]Por conseguinte, em seguida, é possível beneficiar das vantagens adicionais fornecidas através da utilização de partículas de metal com as propriedades intensificadas.
[0124]Também pode ser considerado propor que a grade (24) seja produzida com uma pluralidade de materiais de metal, o que tornaria possível reduzir o preço de custo dos materiais ao mesmo tempo que preserva, ou até mesmo aprimora, a condutividade elétrica do coletor de corrente (20).
[0125]A utilização da camada de revestimento (26) também torna possível produzir a grade (24) de partículas de metal revestidas ou revestidas com outro metal. Um exemplo especial é as partículas de alumínio ou cobre revestidas com a prata. Essas partículas de metal apresentam condutividade elétrica aprimorada.
[0126]Tal coletor (20) é fácil de fabricar, conforme se torna evidente na descrição de um exemplo de realização de um exemplo do método para a fabricação do coletor (20).
[0127]O método para a fabricação, além das etapas anteriores, inclui uma etapa adicional para formar a camada de revestimento (26).
[0128]A etapa para a formação inclui uma etapa de fornecer uma segunda composição (C2) e uma etapa de aplicação de revestimento.
[0129]A etapa para formar, por exemplo, é realizada através de
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19/23 uma técnica de revestimento da segunda composição (C2) aplicada ao substrato (22) fornecido com a grade (24). A etapa de formar a camada de revestimento (26), de preferência, é produzida através de uma técnica de revestimento por rolo ou impressão, utilizando um processo úmido, em especial, selecionado a partir de matriz de ranhura, rotogravura, serigrafia e flexografia.
[0130]O método de fabricação é rápido e econômico.
[0131]Outras realizações também podem ser consideradas.
[0132]Por meio de uma variante, o coletor de corrente (20) é parte de um supercapacitor em vez de um acumulador eletroquímico.
[0133]Em especial, o supercapacitor é um supercapacitor com o eletrólito líquido aquoso, orgânico e iônico.
[0134]Mais em geral, o coletor de corrente (20), de maneira vantajosa, é utilizado em um dispositivo de armazenamento de energia elétrica.
Experiências [0135]As experiências foram conduzidas pelo Depositante para comparar os dois coletores atuais.
[0136]O primeiro coletor de corrente é um coletor de corrente que compreende uma folha de alumínio que possui uma espessura de 20 micra revestida com uma camada de revestimento. A camada de revestimento é produzida de um material à base de carbono. Mais especificamente, o material da camada de revestimento compreende 70% em peso de polímero termoplástico e 30% em peso de negro de fumo. A espessura da camada de revestimento após a secagem do revestimento está entre 1 pm e 1,5 pm.
[0137]O primeiro coletor de corrente não possui uma grade.
[0138]O segundo coletor de corrente (20) é um coletor de corrente (20), de acordo com a Figura 9.
[0139]O primeiro material (M1) do substrato (22) é o PET. A espessura do substrato (22) é de 18 pm.
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20/23 [0140]A grade (24) é produzida com o padrão da Figura 8. O segundo material (M2) é uma tinta que compreende de 50 a 60% em peso de nanopartículas de prata e um ligante.
[0141]A segunda composição (C2) é idêntica à composição utilizada para formar a camada de revestimento no caso do primeiro coletor de corrente.
[0142]A grade (24) e a camada de revestimento (26) possuem uma espessura de 3,5 micra.
[0143]Com cada um dos coletores atuais, uma célula eletroquímica é formada.
[0144]A primeira célula eletroquímica, por conseguinte, é formada através do primeiro coletor de corrente, um eletrodo positivo, um separador, um eletrodo negativo, um coletor de corrente de alumínio.
[0145]De maneira similar, a segunda célula eletroquímica é formada através do segundo coletor de corrente, um eletrodo positivo, um separador, um eletrodo negativo, um coletor de corrente de alumínio.
[0146]Em cada caso, o eletrodo positivo é produzido de um material ativo revestido com o carbono e um ligante. O material ativo é o LiFePO4 revestido com o carbono preto e o ligante é o fluoreto de polivinilideno também conhecido como PVDF.
[0147]O separador é uma membrana de polipropileno. A membrana é impregnada com o eletrólito de hexafluorofosfato de lítio em carbonato de etileno e carbonato de dietila (também conhecido como LiPF6 EC DEC.
[0148]O eletrodo negativo é produzido de LÍ4TíõOi2 (LTO).
[0149]O coletor de corrente de alumínio está na forma de uma folha.
[0150]Por conseguinte, isto torna possível obter uma primeira
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21/23 célula eletroquímica a ser comparada com uma segunda célula eletroquímica.
[0151]Cada célula eletroquímica é do tipo saco de tensão e está posicionada dentro de um recipiente do tipo de envelope flexível aluminizado.
[0152]Os desempenhos eletroquímicos das duas células foram caracterizados através de um multipotenciostato de VMP3 (Biológico).
[0153]Três ciclos de treinamento entre 2,05 volts (V) e 1,0 volts na velocidade C / 10 (C/n corresponde ao nível corrente utilizado para (des)carregar uma bateria até sua capacidade máxima em n horas). foram realizados para formar a camada de interfase de eletrólito sólido (também referida como SEI) no eletrodo negativo e para garantir que ambos os eletrodos sejam totalmente funcionais. A velocidade C / 10 foi calculada utilizando a capacidade teórica.
[0154]Em seguida, as duas células foram recicladas a 50% do estado de carga (muitas vezes referida como SOC, que significa estado de carga) e deixadas em repouso durante 1 hora para assegurar um potencial estável.
[0155]Os espectros de espectroscopia de impedância eletroquímica (também referidos como EIS), em seguida, foram gravados no intervalo de frequência de 500 kiloHertz (kHz) a 10 milliHertz (mHz) a uma amplitude de 5 miliVolts (mV).
[0156]A espectroscopia de impedância eletroquímica é uma técnica utilizada para estudar, entre outras coisas, os fenômenos eletroquímicos e físicos nas interfaces coletoras de corrente / eletrodo / eletrólito da célula eletroquímica.
[0157]A espectroscopia de impedância eletroquímica é com base no estudo da função de transferência destes sistemas eletroquímicos sob condições estacionárias e lineares. Para ser colocado em tais condições com os sistemas não lineares, uma pequena perturbação de amplitude é aplicada em torno do ponto operacional supostamente estacionário (sistema de equilíbrio).
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22/23 [0158]Nos experimentos realizados pelo Depositante, as medidas de impedância foram realizadas aplicando uma perturbação de potencial senoidal de uma amplitude de 5 mV em torno da tensão de equilíbrio da célula eletroquímica correspondente à diferença de potencial entre os dois eletrodos quando a célula está em repouso.
[0159]Deve ser observado que a representação da impedância no plano de Nyquist torna possível destacar os diversos fenômenos envolvidos nas células estudadas.
[0160]Na verdade, os espectros de impedância correspondem às diferentes contribuições dentro de uma célula eletroquímica e, por conseguinte, são o sinal da existência de diversos fenômenos: resistência de contato resultante da montagem da célula eletroquímica e do coletor de corrente, resistência de transferência de carga ou difusão de íons de Li+ dentro dos eletrodos. Para comparar as resistências resultantes do coletor de corrente, é medida a diferença entre dois pontos de frequência diferentes correspondentes à largura do semicírculo obtida através de todas as contribuições mencionadas acima, o que possibilita obter uma resistência também denominada de impedância.
[0161]Por conseguinte, um estudo da capacidade de descarga foi realizado através da descarga das células entre C / 10 e C, a carga das células foi fixada no mesmo regime que a descarga, respectivamente.
[0162]O protocolo experimental conduziu aos resultados a seguir.
[0163]A segunda célula possui uma impedância inferior (16,64 O.cm2) do que aquela da primeira célula (24,72 O.cm2). Uma vez que o eletrólito, a camada de eletrodo positivo e o eletrodo negativo são idênticos, somente a contribuição do coletor de corrente (20) possibilita explicar o aprimoramento da impedância.
[0164]Além disso, as medições elétricas foram realizadas a partir
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23/23 dos resultados do estudo de capacidade entre C / 10 e C.
[0165]Os valores obtidos são reproduzidos no seguinte:
Célula considerada Densidade de potência (W / gramas de eletrodo) Densidade de energia (Wh/ gramas de eletrodo)
Primeira célula 0,0099 0,1317
0,0199 0,1198
0,0497 0,0887
0,0996 0,0437
Segunda célula 0,0119 0,1532
0,0239 0,1388
0,0599 0,0995
0,1188 0,0526
[0166]A Tabela anterior (que fornece os valores do diagrama de
Ragone) mostra que a densidade de massa de energia é melhor para a segunda célula em comparação com a primeira célula. Isto realça o ganho fornecido através da leveza do coletor de corrente (10). A vantagem pode ser mais pronunciada no caso da utilização de um coletor de corrente (10) no ânodo ou no cátodo.
[0167]Além disso, os resultados demonstram o aprimoramento do desempenho eletroquímico das células eletroquímicas que compreendem o coletor de corrente (10) induzidas através do ganho de massa obtido graças ao coletor de corrente (10).

Claims (15)

  1. Reivindicações
    1. COLETOR DE CORRENTE (20) caracterizado pelo fato de que compreende:
    - um substrato (22), o substrato (22) sendo produzido a partir de um primeiro material (M1), o primeiro material (M1) compreendendo um polímero, e
    - uma grade (24) depositada no substrato (22), a grade (24) sendo produzida a partir de um segundo material (M2), o segundo material (M2) compreendendo partículas de metal.
  2. 2. COLETOR DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo material (M2) compreende, pelo menos, um elemento selecionado a partir da lista que consiste em:
    - metais e ligas eletricamente condutivas; e
    - óxidos de metal.
  3. 3. COLETOR DE CORRENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que a grade (24) é a repetição de um padrão.
  4. 4. COLETOR DE CORRENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o coletor de corrente (20) ainda compreende uma camada de revestimento (26), a camada de revestimento (26) estando em contato com a grade (24) e formando uma pilha de camadas sobrepostas com o substrato (22) ao longo de uma direção de empilhamento.
  5. 5. COLETOR DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento (26) é produzida de acordo com uma segunda composição (C2), a segunda composição (C2) compreendendo um material condutor (MC) e um material ligante (ML), o material condutor (MC) compreendendo, pelo menos, um elemento selecionado
    Petição 870190062495, de 04/07/2019, pág. 32/38
    2/4 a partir da lista que consiste em:
    - carbono,
    - negro de fumo,
    - grafite,
    - grafeno,
    - um nanotubo de carbono,
    - uma fibra de carbono ativada,
    - uma nanofibra de carbono não ativada,
    - um floco de metal,
    - um pó de metal,
    - uma fibra de metal e
    - um polímero eletricamente condutivo.
  6. 6. COLETOR DE CORRENTE, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o teor, em peso, do material ligante (ML) é superior ou igual a 30%.
  7. 7. COLETOR DE CORRENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 6, caracterizado pelo fato de que o teor em peso de material condutor (MC) é superior ou igual a 20%.
  8. 8. COLETOR DE CORRENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pelo fato de que o material ligante (ML) consiste em um ou mais polímeros.
  9. 9. COLETOR DE CORRENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizado pelo fato de que a montagem inteira da camada de revestimento (26) e da grade (24) possui uma espessura inferior ou igual a 15 micrômetros ou a pilha constituída pela grade (24) e a camada de revestimento (26) possui uma espessura que é inferior ou igual a 15 micrômetros.
  10. 10. COLETOR DE CORRENTE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o primeiro material (M1) é
    Petição 870190062495, de 04/07/2019, pág. 33/38
    3/4 selecionado a partir do grupo que consiste em:
    - um polímero que compreende, pelo menos, um grupo funcional de amida;
    - um polímero que compreende, pelo menos, um grupo funcional de imida;
    - um polímero que compreende, pelo menos, um grupo funcional de imida e um grupo funcional de amida;
    - poli(cetona de éter de éter de fenileno); e
    - poli(naftalato de etileno).
  11. 11. MONTAGEM FORMANDO UM ÂNODO OU UM CÁTODO caracterizado pelo fato de que compreende:
    - um eletrodo e
    - um coletor de corrente (20), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 10.
  12. 12. DISPOSITIVO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA, ACUMULADOR ELETROQUÍMICO OU SUPERCAPACITOR, caracterizado pelo fato de que compreende uma montagem, conforme definida na reivindicação 11.
  13. 13. MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE UM COLETOR DE CORRENTE (20) caracterizado pelo fato de que inclui:
    - uma etapa de fornecer um substrato (22), o substrato (22) sendo produzido a partir de um primeiro material (M1), o primeiro material (M1) compreendendo um polímero, e
    - uma etapa para depositar uma grade (24) depositada no substrato (22), a grade (24) sendo produzida a partir de um segundo material (M2), o segundo material (M2) compreendendo partículas de metal.
  14. 14. MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE UM COLETOR DE CORRENTE (20), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de
    Petição 870190062495, de 04/07/2019, pág. 34/38
    4/4 que compreende uma etapa adicional para depositar uma camada de revestimento (26) em contato com a grade (24), a camada de revestimento (26) sendo produzida depositando uma composição (C2) que compreende um material condutor (MC) e um material ligante (ML).
  15. 15. MÉTODO PARA A FABRICAÇÃO DE UM COLETOR DE CORRENTE (20), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que, pelo menos, uma das etapas para depositar é realizada através de uma técnica de impressão.
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