BR102020015846A2 - estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo - Google Patents

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Abstract

A invenção descreve uma estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, que inclui principalmente as esferas de material ativo feitas das partículas de material ativo, um primeiro eletrólito misto localizado dentro das esferas de material ativo e um segundo eletrólito misto localizado fora das esferas de material ativo. O primeiro eletrólito misto é feito principalmente do eletrólito deformável. O segundo eletrólito misto é feito principalmente do eletrólito com deformação relativamente menor que o eletrólito deformável do primeiro eletrólito misto. A invenção utiliza o primeiro eletrólito misto para efetivamente a esfera do material ativo, reduzir os problemas derivados da mudança de volume dos materiais ativos. Além disso, a configuração diferente do primeiro eletrólito misto e do segundo eletrólito misto dentro e fora das esferas de material ativo é utilizada para reduzir a resistência à transferência de carga. Além disso, a resistência à expansão é fornecida para as esferas de material ativo.

Description

ESTRUTURA DA CAMADA DE ELETRODO DE ESFERA DE MATERIAL ATIVO ANTECEDENTES DA INVENÇÃO REFERÊNCIAS CRUZADAS A PEDIDOS RELACIONADOS
[0001] O presente pedido reivindica prioridade ao Pedido de Patente TW108127695 depositado no Escritório de Patentes de Taiwan em 05 de agosto de 2019, cujo conteúdo inteiro está incorporado aqui por referência.
CAMPO DA INVENÇÃO
[0002] A presente invenção refere-se a uma estrutura da camada de eletrodo, em particular a uma estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo.
TÉCNICA RELACIONADA
[0003] O eletrólito líquido é geralmente usado para a bateria secundária de íon de lítio existente como um meio para o transporte de íon de lítio. No entanto, a propriedade volátil do eletrólito líquido pode afetar adversamente o corpo humano e o meio ambiente. Além disso, também é uma grande preocupação de segurança para os usuários da bateria devido à inflamabilidade do eletrólito líquido.
[0004] Além disso, uma razão para a desestabilização das baterias de lítio é a maior atividade superficial do eletrodo negativo e a tensão mais alta do eletrodo positivo. Quando o eletrólito líquido é diretamente contatado com os eletrodos, as interfaces entre eles são desestabilizadas e a reação exotérmica ocorre para formar uma camada de passivação. Essas reações consumiriam o eletrólito líquido e o íon de lítio e gerariam calor. Quando ocorre um curto-circuito local, a temperatura local aumenta rapidamente. A camada de passivação se tornará instável e liberará calor. Essa reação exotérmica é cumulativa para fazer com que a temperatura de toda a bateria continue aumentando. Uma das preocupações de segurança do uso de uma bateria é que, uma vez que a temperatura da bateria é aumentada para uma temperatura inicial (temperatura do gatilho), a fuga térmica é iniciada para causar uma ignição ou explosão da bateria. Essa é uma questão de segurança importante para o uso.
[0005] Nos últimos anos, os eletrólitos sólidos são uma pesquisa focada. A condutividade iônica dos eletrólitos sólidos é semelhante à condutividade iônica dos eletrólitos líquidos, sem ter as propriedades de evaporação e queima. Além disso, as interfaces entre os eletrólitos sólidos e a superfície dos materiais ativos são relativamente estáveis, seja de modo químico ou eletroquímico. No entanto, diferindo do eletrólito líquido, a área de contato entre os eletrólitos sólidos e os materiais ativos é muito pequena, a superfície de contato é ruim e o coeficiente de transferência de carga é baixo. Portanto, existe um problema que as resistências da interface de transferência de carga dos materiais ativos com os eletrodos positivo e negativo são grandes. Esse problema prejudica a transmissão eficiente de íons de lítio. Portanto, ainda é difícil substituir completamente os eletrólitos líquidos pelos eletrólitos sólidos.
[0006] Além disso, para os materiais de eletrodos negativos das baterias de íons de lítio, a capacidade volumétrica teórica dos materiais convencionais de eletrodos negativos de carbono grafite é de apenas 372 mAh/g, o que limita a melhoria da densidade de energia das baterias de íons de lítio. Visto que a capacidade volumétrica é de até 4.200 mAh/g, o silício se tornou o foco da pesquisa atual. No entanto, quando o silício elementar é usado como eletrodo negativo, ocorre uma grande mudança de volume (até 300%) durante os processos de carga e descarga, o que pode facilmente levar à formação de uma interface vazia entre o eletrólito e o silício elementar para causar o declínio contínuo no desempenho do eletrodo.
[0007] Portanto, como adaptar eletrólitos sólidos eficientemente em grande quantidade, considerando a melhoria da capacidade elétrica da camada de eletrodos, é um problema urgente a ser resolvido nesta técnica.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0008] É um objetivo desta invenção fornecer uma estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo para superar as deficiências anteriores. Os eletrólitos do tipo duplo com diferentes porcentagens ou características são utilizados. Portanto, os problemas da alta resistência da transferência de carga e área de contato pequena, causada pelo contato direto do eletrólito sólido e do material ativo, são eliminados. A quantidade de solventes orgânicos é reduzida e a segurança da bateria é melhorada.
[0009] Além disso, outro objetivo desta invenção é fornecer uma estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo. Utiliza-se as diferentes percentuais e configurações de características dos eletrólitos dentro e fora das esferas de material ativo. Os problemas de espaço vazio causados pela enorme mudança de volume dos materiais ativos podem ser resolvidos pelos eletrólitos dentro das esferas de material ativo e a resistência à expansão pode ser fornecida para os materiais ativos pelos eletrólitos fora das esferas do material ativo.
[00010] Para implementar a solução mencionada acima, esta invenção descreve uma estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, que inclui uma pluralidade de esferas de material ativo e um segundo eletrólito misto. A esfera de material ativo inclui uma pluralidade de partículas de material ativo, um primeiro material eletricamente condutor, um primeiro aglutinante e um primeiro eletrólito misto. As esferas de material ativo e a configuração de características diferentes do primeiro eletrólito misto e do segundo eletrólito misto são utilizadas. Os problemas de espaço vazio causados pela grande mudança de volume das partículas de material ativo podem ser resolvidos pelo primeiro eletrólito misto dentro das esferas de material ativo e a resistência à expansão pode ser fornecida para as esferas de material ativo pelo segundo eletrólito misto fora das esferas de material ativo. Além disso, os problemas da alta resistência da transferência de carga e área de contato pequena, causados pelo contato direto do eletrólito sólido e do material ativo, são eliminados. Portanto, a melhor condução iônica é alcançada com maior segurança.
[00011] Um escopo adicional de aplicabilidade da presente invenção se tornará aparente a partir da descrição detalhada fornecida a seguir. No entanto, deve-se entender que a descrição detalhada e exemplos específicos, embora indiquem modalidades preferidas da invenção, são fornecidos apenas como ilustração, uma vez que várias alterações e modificações dentro do espírito e escopo da invenção serão evidentes para os versados na técnica a partir desta descrição detalhada.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[00012] A presente invenção se tornará mais completamente compreendida a partir da descrição detalhada fornecida a seguir apenas como ilustração, e, portanto, não é limitativa da presente invenção e em que:
[00013] A Figura 1 é um diagrama esquemático da esfera de material ativo desta invenção.
[00014] A Figura 2 é um diagrama esquemático da estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo desta invenção.
[00015] A Figura 3 é um diagrama esquemático de outra modalidade da estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo desta invenção.
[00016] A Figura 4 é um diagrama esquemático de outra modalidade da esfera de material ativo desta invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[00017] Referindo-se à Figura 1, que é um diagrama esquemático da esfera de material ativo desta invenção. Como mostrado, a esfera de material ativo 10 é pré-formada como uma esfera. A esfera de material ativo 10 inclui uma pluralidade de primeiras partículas de material ativo 11, um primeiro material eletricamente condutor 12 e um primeiro eletrólito misto 14. O diâmetro médio de partícula D50 das primeiras partículas de material ativo 11 não excede 60% do diâmetro da esfera de material ativo 10. A mudança de volume das primeiras partículas de material ativo 11 durante as reações de extração e inserção é de 15% a 400%.
[00018] Veja também a Figura 2, que é um diagrama esquemático da estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo desta invenção. A estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo 20 desta invenção é composta pela esfera de material ativo pré-formada 10. Um primeiro eletrólito misto 14 está localizado dentro da esfera de material ativo 10, e um segundo eletrólito misto 24 está localizado fora da esfera de material ativo 10. O primeiro eletrólito misto 14 é composto principalmente por um eletrólito deformável, e o segundo eletrólito misto 24 é composto principalmente por um eletrólito com capacidade de deformação relativamente menor que o eletrólito deformável do primeiro eletrólito misto 14. O diâmetro médio de partícula D50 da esfera de material ativo 10 não excede 70% de uma espessura da estrutura da camada de eletrodo 20. O eletrólito com deformação relativamente maior é selecionado a partir de um eletrólito em gel, um eletrólito líquido, um líquido iônico, um eletrólito líquido iônico, um eletrólito sólido macio ou uma combinação dos mesmos. O eletrólito sólido macio é selecionado a partir de um eletrólito sólido à base de sulfeto, um eletrólito sólido com hidreto, um eletrólito sólido à base de halogeneto, um eletrólito sólido de polímero ou uma combinação dos mesmos. O eletrólito sólido do polímero inclui um óxido de polietileno (PEO), um fluoreto de polivinilideno (PVDF), um poliacrilonitrila (PAN), um polimetilmetacrilato (PMMA) e um cloreto de polivinila (PVC).
[00019] O eletrólito sólido à base de sulfeto pode ser o Tio-LISICON (LixM1_x005FyM0yS4, em que M é Si ou Ge, M0 é P, Al, Zn, Ga ou Sb), Li4-x005FxGe1-x005FxPxS4, Li4GeS4, Li3,9Zn0,05GeS4, Li4,275Ge0,61Ga0,25S4, Li3,25Ge0,25P0,75S4, Li3,4Si0,4P0,6S4, Li2,2Zn0,1Zr0,9S3, Li7P3S11, Li4SnS4, Li10GeP2S12, Li10Ge0,95Si0,05P2S12, Li9,54Si1,74P1,44S11,7Cl0,3 ou a família LGPS como Li10GeP2S12, Li10MP2S12 (em que M é Si4+ ou Sn4+), Li10+dM1+dP2-x005FdS12 (em que M é Si4+ ou Sn4+) ou Li10Ge1-x005FxSnxP2S12 ou sistema de cristais de argirodita, como Li6PS5X (em que X é Cl, Br ou I) ou 67 (0,75 Li2S · 0,25 P2S5)·33LiBH4, ou tipo de tiofosfatos, como Li4PS4I ou Li7P2S8I ou sulfeto em camadas, como Li3x[LixSn1-x005FxS2], Li2Sn2S5, Li2SnS3 ou Li0,6[Li0,2Sn0,8S2]. O eletrólito sólido à base de borohidreto pode ser LiBH4-LiI (-LiNH2; -P2I4; -P2S5).
[00020] Exceto pelos materiais mencionados acima, o eletrólito sólido polimérico também pode ser PEO–LiX (em que X é ClO4, PF6, BF4, N(SO2CF3)2), PEO–LiCF3SO3, PEO–LiTFSI, Compósito sólido polimérico de PEO–LiTFSI–Al2O3, Compósito sólido polimérico PEO–LiTFSI–10% de TiO2, Compósito sólido polimérico PEO –LiTFSI – 10% de HNT, Compósito sólido polimérico PEO–LiTFSI–10% de MMT, Compósito sólido polimérico PEO–LiTFSI–1% de LGPS, PEO–LiClO4–LAGP ou diacrilato de poli(etileno glicol) (PEGDA), dimetacrilato de poli(etileno glicol) (PEGDMA), éter monometílico de poli(etileno glicol) (PEGME), éter dimetílico de poli(etilenoglicol) (PEGDME), poli[óxido de etileno-co-2-(2-metoxietoxi)etil éter glicidílico] (PEO/MEEGE), poli(metacrilato de etila) (PEMA), poli(oxietileno), poli(cianoacrilato) (PCA), Polietilenoglicol (PEG), Poli(álcool vinílico) (PVA), butiral polivinílico (PVB), poli(cloreto de vinil) (PVC), PVC-PEMA, PEO-PMMA, poli(metacrilato de acrilonitrila-co-metil) P(AN-co-MMA), PVA-PVdF, PAN-PVA, PVC-PEMA ou polímeros hiper-ramificados, como poli[bis(trietilenoglicol)benzoato], ou policarbonatos, como poli(óxido de etileno-co-carbonato de etileno) (PEOEC), silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS), carbonato de polietileno (PEC), poli(carbonato de propileno) (PPC), poli(carbonato de etil glicidil éter) (P(Et-GEC), poli(carbonato de t-butil glicidil éter) P(tBu-GEC), ou carbonatos cíclicos, como poli(carbonato de trimetileno) (PTMC) ou à base de polissiloxano, como polidimetilsiloxano (PDMS), poli(dimetil siloxano-co-óxido de etileno) P(DMS-coEO), poli(siloxano-g-etilenoóxido) ou eletrólitos de cristal plástico (PCEs), como succinonitrila (SN), PEO/SN, ETPTA/SN, PAN/PVA-CN/SN ou poliésteres, como adipato de etileno, succinato de etileno, malonato de etileno ou polinitrilos, como poliacrilonitrila (PAN), poli(metacrilonitrila) (PMAN), poli(N-2- cianoetil)etilenamina (PCEEI), poli(vinilidenodifluoretohexafluoropropileno) (PvdF-HFP), poli(difluoreto de vinilideno) (PvdF), poli(ε-caprolactona) (PCL).
[00021] O eletrólito com deformação relativamente menor é selecionado a partir do eletrólito sólido com maior dureza (tenacidade à fratura inerentemente menor), como um eletrólito sólido à base de óxido e sua tenacidade à fratura é de aproximadamente 1 MPa.m0,5). O eletrólito sólido à base de óxido é um eletrólito de óxido de zircônio lantânio e lítio (LLZO) ou um eletrólito de fosfato de titânio e alumínio e lítio (LATP) e seus derivados. De modo geral, a descrição dos materiais eletrolíticos com deformação relativamente maior ou deformação relativamente menor é apenas para ilustração e não se destina a limitar a presente invenção a esses eletrólitos com a deformação relativamente maior ou a deformação relativamente menor. A deformação relativamente maior e a deformação relativamente menor definidas acima se referem à deformação em que os eletrólitos podem ser recuperados para a situação original após a deformação. Por exemplo, se a fragmentação ocorrer durante a deformação, a mesma deverá ser chamada de irrecuperável. Isso não deve estar dentro do escopo de deformação relativamente maior e deformação relativamente menor definidas nesta invenção.
[00022] Quando o primeiro eletrólito misto 14 é selecionado a partir de um eletrólito em gel, um eletrólito líquido ou um líquido iônico, o primeiro eletrólito misto 14 é extrudado pelas partículas do primeiro material ativo 11 causada pela expansão durante os processos de carga e descarga. Portanto, o primeiro eletrólito misto 14 seria levemente extrudado da esfera de material ativo 10. Quando ocorre a contração do volume das primeiras partículas de material ativo 11, o primeiro eletrólito misto 14 é sugado para dentro da esfera de material ativo 10. Portanto, durante todo o processo de carga e descarga, o espaço vazio não ocorrerá e os problemas derivados do espaço vazio ocorreriam. Quando o primeiro eletrólito misto 14 é um eletrólito sólido macio, o primeiro eletrólito misto espremido 14 formará uma zona tampão devido à elasticidade do eletrólito sólido macio. Além disso, se a proporção do eletrólito sólido macio no primeiro eletrólito misto 14 for maior, ele também poderá restringir as partículas do material ativo 11.
[00023] O segundo eletrólito misto 24 é disposto fora das esferas de material ativo 10 e preenche as lacunas entre as esferas de material ativo 10 para estar contra as superfícies externas das esferas de material ativo 10. Devido ao segundo eletrólito misto 24 ser composto principalmente de um eletrólito com deformação relativamente menor, o mesmo pode formar uma resistência à expansão de volume das esferas do material ativo 10. Quando é configurado, o segundo eletrólito misto 24 pode interceptar ou invadir parcialmente o limite das esferas de material ativo 10. Como mostrado nas figuras, as esferas de material ativo 10 são apenas para ilustração e não limitam o seu âmbito, sendo mantido um estado completo. O segundo eletrólito misto 24 representado nas figuras também serve apenas para ilustração, não para limitar sua posição, tamanho, distribuição, etc.
[00024] O primeiro eletrólito misto 14 também pode incluir o eletrólito com deformação relativamente menor, e o segundo eletrólito misto 24 também pode incluir o eletrólito com deformação relativamente maior, mas com diferentes teores de volume. Por exemplo, o teor em volume do eletrólito com deformação relativamente maior do primeiro eletrólito misto 14 é superior a 50% do teor em volume total do primeiro eletrólito misto 14, de preferência superior a 90%. O teor em volume do eletrólito com deformação relativamente menor do segundo eletrólito misto 24 é superior a 50% do teor em volume total do segundo eletrólito misto 24, de preferência superior a 90%.
[00025] Portanto, pelas diferentes porcentagens e configurações de características dos eletrólitos dentro e fora das esferas de material ativo 10, a resistência à expansão pode ser fornecida para as esferas de material ativo 10. Além disso, a área de contato e as condições das partículas de material ativo e dos eletrólitos são mantidas em um estado melhor, e os problemas de espaço vazio causados pela enorme mudança de volume das partículas de material ativo podem ser resolvidos.
[00026] Para tornar as esferas de material ativo 10 acima mencionadas mais claras, a descrição a seguir ilustra apenas um possível processo de fabricação. Quando o primeiro eletrólito misto 14 está no líquido, primeiro, as partículas de material ativo 11, o primeiro material eletricamente condutor 12 e o primeiro aglutinante (não mostrado na figura) são misturados com um solvente e depois revestidos no substrato temporário. O substrato temporário é removido após secagem e remoção sucessivas do solvente e, depois, trituração e uso de moagem em moinho de esferas para se obter as esferas de material ativo 10. Enquanto isso, quando o solvente é removido, os orifícios formados nas esferas de material ativo 10 têm uma forma grosseiramente irregular. O primeiro eletrólito misto 14 pode ser preenchido nos orifícios.
[00027] Uma vez que os orifícios devem ser preenchidos com eletrólitos, o primeiro eletrólito misto 14 é composto principalmente pelo eletrólito com deformação relativamente maior para preencher facilmente os espaços dos orifícios. Pelas características de maciez e deformabilidade, o eletrólito pode ser deformado de acordo com o tamanho ou a forma dos orifícios. Portanto, o eletrólito pode ser definitivamente preenchido nos orifícios para se garantir o estado de contato do primeiro eletrólito misto 14 e das partículas de materiais ativos 11. Além disso, quando o primeiro eletrólito misto 14 é composto principalmente pelo eletrólito sólido macio, o eletrólito sólido macio pode ser misturado diretamente com as partículas de material ativo 11, o primeiro material eletricamente condutor 12 e o primeiro aglutinante.
[00028] As primeiras partículas de material ativo 11 são selecionadas um metal de lítio, um material de carbono, um material à base de silício, como um silício e/ou um óxido de silício, ou uma combinação dos mesmos, que pode ter mudança de volume durante as reações eletroquímicas. O primeiro aglutinante é usado para fixar suas posições relativas ou pode ser selecionado, ajustado ou modificado de acordo com as características de diferentes materiais ativos para resolver os problemas derivados. Por exemplo, no caso do silício e/ou óxido de silício como materiais ativos, para controlar a expansão do volume durante os processos de carga e descarga, o primeiro aglutinante inclui principalmente um polímero reticulado. O teor em volume do polímero reticulado no primeiro aglutinante é superior a 70%. Além disso, com uma proporção mais alta do primeiro material eletricamente condutor 12 e do primeiro aglutinante, pode-se fornecer força de restrição de expansão e condutividade elétrica altas o suficiente.
[00029] Na camada de eletrodo convencional (no exemplo em que o silício e/ou o óxido de silício (Si/SiOx) e grafite são misturados diretamente), o teor em volume do material eletricamente condutor é de cerca de 5%, o teor em volume do aglutinante é de cerca de 7% e o teor em volume dos materiais ativos, incluindo silício e/ou óxido de silício (Si/SiOx) e grafite, é de cerca de 88%. No entanto, nesta invenção, o teor em volume do primeiro material eletricamente condutor 12 nas esferas de material ativo 10 é de 7% a 10%, e o teor em volume do primeiro aglutinante nas esferas de material ativo 10 é de 10% a 15%. Portanto, com uma quantidade maior do primeiro aglutinante, cujo componente principal é um polímero reticulado, pode-se aumentar bastante a força de restrição de expansão para controlar efetivamente a enorme variação de volume do material de silício durante os processos de carga e descarga.
[00030] O primeiro material eletricamente condutor 12 pode incluir uma grafite artificial, um negro de fumo, um negro de acetileno, um grafeno, um nanotubo de carbono, uma fibra de carbono cultivada a vapor (VGCF) ou uma combinação dos mesmos. O nanotubo de carbono e a VGCF não só podem ser usados como materiais eletricamente condutores, mas também têm a capacidade de absorver eletrólitos e deformações elásticas. O primeiro aglutinante é principalmente um polímero reticulado com forte adesão física ou química. Portanto, o primeiro aglutinante tem menos elasticidade. Por exemplo, o primeiro aglutinante também pode ter um bom doador de elétrons com grupo ácido, incluindo poliimida (PI), resina acrílica, epóxi ou uma combinação dos mesmos. Com a maior quantidade de aglutinante acima mencionada, o primeiro aglutinante com forte rigidez pode ser usado para restringir as partículas de material ativo para controlar a escala de expansão das partículas de material ativo após carga e descarga. Portanto, a zona vazia irrecuperável seria controlada ou eliminada.
[00031] A quantidade mais alta do primeiro aglutinante rígido e do primeiro material eletricamente condutor 12 reduzirá a capacidade de flexão e também limitará para reduzir a razão dos materiais ativos restantes. Portanto, a capacidade específica será reduzida. No entanto, a esfera de material ativo 10 da presente invenção serve apenas como parte dos materiais ativos na estrutura da camada de eletrodo, não existem tais preocupações, ou seja, esses defeitos não afetarão a estrutura da camada de eletrodo desta invenção, que será descrita em detalhes posteriormente.
[00032] Referindo-se, novamente, à Figura 2, as esferas de material ativo pré-formadas 10 e o segundo aglutinante são misturados para formar a estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo 20. O segundo aglutinante é diferente do primeiro aglutinante. Por exemplo, o primeiro aglutinante é composto principalmente pelo aglutinante rígido para controlar a alteração de volume das esferas de material ativo 10. Portanto, a elasticidade do primeiro aglutinante é baixa. O segundo aglutinante é selecionado com uma boa elasticidade. Portanto, a elasticidade do segundo aglutinante é melhor que a elasticidade do primeiro aglutinante. O segundo aglutinante é composto principalmente pelo polímero linear com boa elasticidade, incluindo fluoreto de polivinilideno (PVDF), fluoreto de polivinilideno hexafluoropropileno (PVDF-HFP), borracha de estireno-butadieno (SBR) e carboximetil celulose de sódio (CMC), para manter a flexibilidade da estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo 20. As características do material de PVDF, PVDF-HFP, SBR têm uma estrutura tipo de esponja que pode ter uma alta capacidade de absorver eletrólitos.
[00033] O segundo aglutinante, o segundo material eletricamente condutor 22 e o segundo eletrólito misto 24 são misturados entre as esferas de material ativo 10, isto é, fora das esferas de material ativo 10. O segundo eletrólito misto 24 está longe das primeiras partículas de material ativo 11 do que o primeiro eletrólito misto 14 das esferas de material ativo 10.
[00034] Em comparação com os requisitos do primeiro eletrólito misto 14, que enfatiza maior superfície de contato das partículas do material ativo 11 para obter alta transferência de carga, os requisitos do segundo eletrólito misto 24, que está longe das partículas do material ativo 11, para área de contato eficaz são menores. Portanto, o segundo eletrólito misto 24 é composto principalmente pelo eletrólito com deformação relativamente menor. Além de reduzir bastante a quantidade de solvente orgânico, o eletrólito em gel e líquido, possui melhor estabilidade térmica e desempenho de dissipação de calor para manter continuamente a segurança. Além disso, o eletrólito com deformação relativamente menor pode restringir as esferas de material ativo 10.Isso significa que o eletrólito com deformação relativamente menor, como um eletrólito sólido duro, é usado para limitar ou resistir à deterioração da distribuição interna das esferas de material ativo 10 causada pela expansão das partículas internas de material ativo 11, especialmente o encolhimento e expansão de volume durante o ciclo de carga e descarga. Além disso, devido aos requisitos para uma área de contato eficaz serem menores, o eletrólito com deformação relativamente menor pode ser usado para pré-formar a condução de íons para permitir que os íons de lítio realizem transporte a alta velocidade e em grande volume entre o eletrólito com deformação relativamente menor e as esferas de material ativo ou entre os eletrólitos com deformação relativamente menor. A composição do eletrólito com deformação relativamente menor e do eletrólito com deformação relativamente maior pode ser a mesma que a descrita acima, e o processo de formação ou enchimento também é o mesmo e não será repetido aqui.
[00035] Referindo-se à Figura 3, existe uma pluralidade de segundas partículas de material ativo 21 e o segundo material eletricamente condutor 22 disposto entre as esferas de material ativo 10. O segundo material eletricamente condutor 22 pode incluir uma grafite artificial, um negro de fumo, um negro de acetileno, um grafeno, um nanotubo de carbono, uma fibra de carbono cultivada a vapor (VGCF) ou uma combinação dos mesmos. A composição do primeiro material eletricamente condutor 12 e do segundo material eletricamente condutor 22 são iguais ou diferentes. As segundas partículas de material ativo 21 devem ser selecionadas de acordo com as propriedades das esferas de material ativo 10. A característica do material das segundas partículas de material ativo é diferente da característica do material das primeiras partículas de material ativo 11.
[00036] Além disso, as esferas de material ativo 10 podem incluir uma pluralidade de terceiras partículas de material ativo 31, mostradas na Figura 4 com uma característica de material diferente da característica de material das primeiras partículas de material ativo 11. A composição das terceiras partículas de material ativo 31 e das primeiras terceiras partículas de material ativo 11 são iguais ou diferentes.
[00037] Por conseguinte, esta invenção descreve uma estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo que inclui uma pluralidade de esferas de material ativo e um segundo eletrólito misto, um segundo material eletricamente condutor e um segundo aglutinante localizado fora das esferas de material ativo. A esfera de material ativo foi pré-formada. A esfera de material ativo inclui um primeiro eletrólito misto, que é composto principalmente do eletrólito com deformação relativamente maior. Um segundo eletrólito misto é composto principalmente do eletrólito com deformação relativamente menor. Nessas configurações, a transmissão de alta velocidade fora das esferas de material ativo e a transmissão multidirecional dentro das esferas de material ativo são pré-formadas para se obter uma melhor condução iônica. Além disso, a quantidade de uso do solvente orgânico (eletrólito em gel/líquido) é reduzida para se obter melhor desempenho térmico e manter a segurança. Além disso, um primeiro aglutinante composto pelo aglutinante rígido é usado para formar as esferas de material ativo e suas restrições, que podem efetivamente controlar a enorme mudança de volume do material de silício, devido aos processos de carga e descarga ou aos outros problemas derivados, enquanto mantêm a razão dos materiais de condutividade elétrica e do ligante. E os problemas de espaço vazio causados pela grande mudança de volume podem ser resolvidos. A flexibilidade da camada de eletrodo pode ser mantida e melhorar a capacidade específica, a condutividade elétrica e a condutividade de íons.
[00038] Sendo a invenção assim descrita, será óbvio que a mesma pode variar de várias maneiras. Tais variações não devem ser consideradas como um desvio do espírito e escopo da invenção, e todas as modificações que seriam óbvias para uma pessoa versada na técnica devem ser incluídas no escopo das reivindicações a seguir.

Claims (12)

  1. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo caracterizada pelo fato de que compreende:
    uma pluralidade de esferas de material ativo, cada uma das esferas de material ativo inclui uma pluralidade de primeiras partículas de material ativo, um primeiro material eletricamente condutor, um primeiro aglutinante e um primeiro eletrólito misto; e
    um segundo eletrólito misto, disposto fora das esferas de material ativo e lacunas preenchidas entre as esferas de material ativo para estar contra uma superfície externa das esferas de material ativo para formar uma resistência de expansão de volume das esferas de material ativo;
    em que o primeiro eletrólito misto é composto principalmente de um eletrólito, e o segundo eletrólito misto é composto principalmente de um eletrólito com capacidade de deformação relativamente menor em comparação com o eletrólito principal do primeiro eletrólito misto.
  2. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o eletrólito do primeiro eletrólito misto é selecionado a partir de um eletrólito em gel, um eletrólito líquido, um líquido iônico, um eletrólito líquido iônico, um eletrólito sólido à base de sulfeto, um eletrólito sólido à base de hidreto, um eletrólito sólido à base de halogeneto, um eletrólito sólido polimérico ou uma combinação dos mesmos.
  3. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o eletrólito sólido polimérico inclui um óxido de polietileno (PEO), um fluoreto de polivinilideno (PVDF), uma poliacrilonitrila (PAN), um polimetilmetacrilato (PMMA) e um cloreto de polivinila (PVC).
  4. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que um teor em volume do eletrólito com deformação relativamente menor do segundo eletrólito misto é superior a 50% de um teor em volume total do segundo eletrólito misto.
  5. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o teor em volume do eletrólito com deformação relativamente menor do segundo eletrólito misto é superior a 90% do teor em volume total do segundo eletrólito misto.
  6. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o eletrólito com deformação relativamente menor é selecionado a partir de um eletrólito sólido à base de óxido.
  7. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o eletrólito sólido à base de óxido é um eletrólito de óxido de zircônio e lantânio e lítio (LLZO) ou um eletrólito de fosfato de titânio e alumínio e lítio (LATP).
  8. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as primeiras partículas de material ativo são selecionadas a partir de um metal de lítio, um material de carbono, um silício, um óxido de silício ou uma combinação dos mesmos.
  9. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que um diâmetro médio de partícula D50 das esferas de material ativo é 70% de uma espessura da estrutura da camada de eletrodo, e o diâmetro médio de partícula D50 das primeiras partículas de material ativo é 60% de um diâmetro da esfera de material ativo.
  10. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que inclui ainda uma pluralidade de segundas partículas de material ativo com uma característica de material diferente de uma característica de material das primeiras partículas de material ativo, em que as segundas partículas de material ativo estão localizadas fora das esferas de material ativo.
  11. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as esferas de material ativo incluem ainda uma pluralidade de terceiras partículas de material ativo com uma característica de material diferente de uma característica de material das primeiras partículas de material ativo.
  12. Estrutura da camada de eletrodo de esfera de material ativo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma mudança de volume das primeiras partículas de material ativo durante as reações de extração e inserção de íons é de 15% a 400%.
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