BR102020021602B1 - Material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos e sistema de eletrólito composto do mesmo - Google Patents

Material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos e sistema de eletrólito composto do mesmo Download PDF

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Abstract

material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos e sistema de eletrólito composto do mesmo. trata-se de um material de ajuste de superfície de con-tato para eletrólitos sólidos e seu sistema de eletrólito compósito do mesmo. o material de ajuste da superfície de contato é composto principalmente de um material de base de polímero, que é capaz de permitir que os íons metálicos se movam dentro do material, e um aditivo, que é capaz de dissociar os sais metálicos e é servido como um plastificante. o material de ajuste da superfície de contato é aplicado a uma superfície dos eletrólitos sólidos para construir um modo de transmissão frente a frente. portanto, os problemas das altas re-sistências causados pelo contato direto dos eletrólitos sólidos são eliminados.

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO CAMPO DA INVENÇÃO
[0001] A presente invenção se refere a um eletrólito de uma estrutura de camada de sistema eletroquímico, em particular a um material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos e o sistema de eletrólito compósito do mesmo.
TÉCNICA RELACIONADA
[0002] Na era da crise energética e da revolução energética, a energia química secundária desempenha um papel muito importante, especialmente as baterias de íons metálicos com alta energia específica e potência específica, como baterias de íon de sódio, baterias de íon de alumínio, baterias de íon de magnésio ou baterias de íons de lítio. Essas baterias são aplicadas em produtos eletrônicos de informação e de consumo, e recentemente se expandiram para o campo de energia de transporte.
[0003] Os sistemas eletrolíticos bem conhecidos em energia química secundária são sistemas eletrolíticos líquidos e sistemas eletrolíticos sólidos. Os sistemas de eletrólitos sólidos acima mencionados incluem os eletrólitos inorgânicos e os eletrólitos de polímero orgânico. Para atender aos sistemas de bateria com tensões de trabalho de até 3 a 4V, como baterias de íon de lítio, no sistema de eletrólito líquido, o uso de água como solvente é eliminado, mas os solventes orgânicos e os sais eletrolíticos, que não são facilmente decompostos em alta tensão, são usados como as principais composições. No entanto, esses solventes orgânicos são inflamáveis e voláteis, e podem fazer com que o vazamento da bateria conduza a explosões e incêndios. Sob considerações de segurança, a composição do sistema de eletrólito é alterada de um sistema de eletrólito líquido para um de eletrólito sólido com maior segurança, especialmente nos sistemas de eletrólito sólido inorgânico com alta estabilidade térmica, como eletrólitos sólidos de óxido.
[0004] No entanto, a característica não deformável dos eletrólitos sólidos de óxido acarretaria alguns problemas na aplicação. Por exemplo, a interface entre os eletrólitos sólidos de óxido ou entre os eletrólitos sólidos de óxido e o material ativo da camada de eletrodo é principalmente o contato ponto a ponto. O contato entre o eletrólito líquido ou o eletrólito em gel e outro material é o tipo de revestimento de superfície a superfície ou de impregnação aproximada. Portanto, a alta resistência da interface se torna uma das principais desvantagens para o eletrólito sólido de óxido na energia química secundária.
[0005] Portanto, a invenção fornece um material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos e sistema de eletrólito compósito dos mesmos para resolver os problemas acima.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[0006] É um objetivo desta invenção fornecer um material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos e sistema de eletrólito compósito dos mesmos para superar os problemas de alta resistência de interface do eletrólito sólido inorgânico.
[0007] A fim de implementar o acima mencionado, esta invenção descreve um material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos, adaptado para um sistema eletroquímico. O material de ajuste de superfície de contato inclui um material de base de polímero e um aditivo misturado no mesmo. O material de base do polímero é capaz de permitir que os íons metálicos se movam para dentro, e o aditivo é capaz de dissociar os sais metálicos e servir como um plastificante.
[0008] A invenção fornece ainda um sistema de eletrólito compósito com o material de ajuste de superfície de contato acima. O sistema de eletrólito compósito inclui uma primeira partícula, que é um primeiro eletrólito sólido inorgânico, uma segunda partícula, que é selecionada a partir de um segundo eletrólito sólido inorgânico, um material cerâmico passivo ou um material ativo e uma porção de ponte localizada entre a primeira partícula e a segunda partícula e composta do material de ajuste da superfície de contato para eletrólitos sólidos é usada para aderir a primeira partícula e a segunda partícula para formar um caminho de transmissão de íons.
[0009] A invenção fornece ainda um sistema de eletrólito compósito com o material de ajuste de superfície de contato acima. O sistema de eletrólito compósito inclui uma primeira partícula, que é um primeiro eletrólito sólido inorgânico, uma segunda partícula, que é selecionada a partir de um segundo eletrólito sólido inorgânico, um material cerâmico passivo ou um material ativo e uma primeira camada de envoltório, que cobre uma superfície externa da primeira partícula. A primeira camada de envoltório composta do material de ajuste da superfície de contato para eletrólitos sólidos é usada para aderir a primeira partícula e a segunda partícula para formar um caminho de transmissão de íons.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[00010] A presente invenção será melhor compreendida pela leitura da descrição detalhada a seguir apenas a título ilustrativo e, portanto, não limitativo da presente invenção, e em que:
[00011] A Figura 1a é um diagrama esquemático do sistema de eletrólito compósito construído pelo material de ajuste da superfície de contato para eletrólitos sólidos desta invenção.
[00012] A Figura 1b é um diagrama esquemático da superfície de contato entre a porção de ponte e o eletrólito sólido inorgânico desta invenção.
[00013] As Figuras 1c a 1g são diagramas esquemáticos das diferentes modalidades do sistema de eletrólito compósito desta invenção.
[00014] As Figuras 2a a 2h são diagramas esquemáticos das diferentes modalidades do sistema de eletrólito compósito desta invenção.
[00015] A Figura 2a’ é uma vista parcial ampliada da Figura 2a.
[00016] As Figuras 3a a 3f são diagramas esquemáticos das diferentes modalidades do sistema de eletrólito compósito desta invenção.
[00017] A Figura 4 é um diagrama esquemático da relação entre a condutividade iônica e a frequência de diferentes materiais.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[00018] A presente invenção será descrita com relação a modalidades específicas e com referência a certos desenhos, porém, a invenção não se limita a estes, mas somente às reivindicações. Nas reivindicações, nenhum símbolo de referência deve ser interpretado de modo a limitar o escopo. Os desenhos descritos são meramente esquemáticos e não exaustivos. Nos desenhos, o tamanho de alguns dos elementos pode ser exagerado e não proporcional às dimensões reais para fins ilustrativos.
[00019] A terminologia usada neste documento serve apenas ao intuito de descrever modalidades específicas, e não tem a intenção de limitar o conceito inventivo geral. Como utilizado na presente invenção, as formas singulares "um", "uma", "o" e "a" pretendem incluir também as formas plurais, salvo clara indicação em contrário pelo contexto. A menos que definido de outra maneira, todos os termos (incluindo termos técnicos e científicos) usados aqui têm o mesmo significado que compreendido de forma comum por alguém versado na técnica à qual as modalidades exemplificativas pertencem. Será compreendido ainda que termos como os definidos em dicionários comuns devem ser interpretados de forma que tenham um significado que condiz com seu significado no contexto da técnica relevante, e não devem ser interpretados em um sentido idealizado ou excessivamente formal, a menos que explicitamente definido no texto.
[00020] Qualquer referência neste relatório descritivo a "uma modalidade" ou "certa modalidade" significa que um traço, estrutura ou característica específicos descritos com referência a essa modalidade estão incluídos em ao menos uma modalidade da presente invenção. Sendo assim, a ocorrência dos sintagmas "em uma modalidade" ou "em certa modalidade" em vários trechos ao longo de todo este relatório descritivo não se refere necessariamente à mesma modalidade, mas pode. Além disso, traços, estruturas ou características específicos podem ser combinados de qualquer maneira adequada, como será aparente a uma pessoa versada na técnica a partir desta descrição, em uma ou mais modalidades.
[00021] Na descrição da presente invenção, deve-se notar que os termos "instalação", "conectado" e "disposto" devem ser entendidos de forma ampla, e podem ser fixos ou destacáveis, por exemplo, podem ser mecânicos ou elétricos, podem ser conectados direta ou indiretamente, por um meio intermediário, que pode ser a conexão interna entre dois componentes. Os significados específicos dos termos acima na presente invenção podem ser entendidos nas circunstâncias específicas por aqueles versados na técnica.
[00022] Em primeiro lugar, o material de ajuste da superfície de contato para eletrólitos sólidos desta invenção inclui principalmente um material de base de polímero e um aditivo misturado no mesmo. O material de base de polímero é capaz de permitir que íons de metal, como íons de lítio, se movam para dentro, e o aditivo é capaz de dissociar sais de metal, como sais de lítio, e é servido como um plastificante. Além disso, o material de ajuste de superfície de contato inclui ainda um material de fornecimento de íons e um material de inibição de crescimento de cristal. Na descrição a seguir, os íons de metal são apresentados como íons de lítio e os sais de metal são apresentados como sais de lítio.
[00023] O dito material de base de polímero que permite que os íons de lítio se movam dentro do material se refere a um material que não possui íons de lítio por si só (no estado de matéria-prima ou no início da reação eletroquímica), mas pode transferir íons de lítio. Por exemplo, o material de base de polímero pode ser um material estrutural linear sem conter sais, tal como um óxido de polietileno (PEO). Ou, além de ser capaz de transferir íons de lítio, também é um material que pode aumentar a resistência mecânica da formação do filme devido à sua estrutura reticulada, como um diacrilato poli(etilenoglicol) (PEGDA), um dimetacrilato poli(etilenoglicol) (PEGDMA), um monometiléter poli(etilenoglicol) (PEGME), um dimetiléter poli(etilenoglicol) (PEGDME), um poli[óxido de etileno-co-2-(2-metoxietoxi)etil glicidil éter] (PEO/MEEGE), um polímero hiper-ramificado, como um poli[bis(trietilenoglicol)benzoato], ou uma polinitrila, como uma poliacrilonitrila (PAN), uma poli(metacrilonitrila) (PMAN) ou uma poli(N-2-cianoetil)etilenamina) (PCEEI).
[00024] O material de inibição de crescimento de cristal é selecionado a partir do material para diminuir a cristalinidade, tal como um poli(metacrilato de etila) (PEMA), um poli(metacrilato de metila) (PMMA), um poli(oxietileno), um poli(cianoacrilato) (PCA), um polietilenoglicol (PEG), um poli(álcool vinílico) (PVA), um polivinil butiral (PVB), um poli(cloreto de vinila) (PVC), um PVC-PEMA, um PEO-PMMA, um poli(acrilonitrila-co-metacrilato de metila) P(AN-co-MMA), um PVA-PVdF, um PAN-PVA, um PVC-PEMA, um policarbonato, tal como um poli(óxido de etileno-co-carbonato de etileno) (PEOEC), um silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS), um carbonato de polietileno (PEC), um poli(carbonato de propileno) (PPC), um poli(carbonato de etil glicidil éter) (P(Et-GEC) ou um poli(carbonato de t-butil glicidil éter) P(tBu-GEC), um carbonato cíclico, tal como um poli(carbonato de trimetileno) (PTMC), um à base de polissiloxano, tal como um polidimetilsiloxano (PDMS), um poli(dimetilsiloxano-co-óxido de etileno) P(DMS-co-EO) ou um poli(siloxano-g-óxido de etileno), um poliéster, tal como um adipato de etileno, um succinato de etileno ou um malonato de etileno. Além disso, o material de inibição de crescimento de cristal pode ser um poli(vinilidenodifluoreto-hexafluoropropileno) (PvdF-HFP), um poli(vinilidenodifluoreto) (PvdF) ou um poli(ε-caprolactona) (PCL).
[00025] O aditivo, que é capaz de dissociar sais de metal, como sais de lítio, e é servido como um plastificante, pode ser selecionado a partir de eletrólitos de cristal de plástico (PCEs), como um Succinonitrila (SN) [ETPTA//SN; PEO/SN; PAN/PVA-CN/SN], um N-etil-N-metilpirrolidínio, [C2mpyr] + AnionsN, N-dietil-pirrolidínio, [C2epyr], um alquilamônio quaternário, um n-alquiltrimetilfosfônio, [P1,1,1,n], um decametilferro-cênio, [Fe(C5Me5)2], um triflato de 1-(N,N-dimetilamônio)-2-(amônio)etano ([DMEDAH2][Tf]2), um ânions=[FSI], [FSA], [CFSA], [BETA], um LiSi(CH3)3(SO4), ou um trimetil(trimetilsilil sulfato de lítio), ou um líquido iônico, que pode selecionar a partir de um imidazólio, como um ânion/bis(trifluorometanossulfonil)imida, um ânion/bis(fluorossulfonil)imida, ou um ânion/trifluorometanossulfonato, ou um amônio, tal como um ânion/bis(trifluorometanossulfonil)imida, ou um pirrolidínio, tal como um ânion/bis(trifluorometanossulfonil)imida, um ânion/bis(fluorossulfonil)imida, ou um piperidínio, tal como um ânion/bis(trifluorometanossulfonil)imida, um ânion/bis(fluorossulfonil)imida.
[00026] O material de fornecimento de íons pode ser um sal de lítio, como LiTFSI, LiFSI, LiBF4 ou LiPFe.
[00027] Além disso, o material de ajuste de superfície de contato inclui ainda um segundo contaminante com escala nanométrica, o segundo contaminante é selecionado a partir de um eletrólito sólido inorgânico, um material de cerâmica passivo, tal como um óxido não eletrolítico, um material eletricamente condutor ou combinações dos mesmos.
[00028] Quando o segundo contaminante é o material cerâmico passivo (não um eletrólito), a quantidade de uso dos materiais de base de polímero e os aditivos pode ser reduzida, e a capacidade de formação de filme também pode ser melhorada para servir como um intensificador de formação de filme. O material cerâmico passivo pode ser, por exemplo, o dióxido de silício. Quando o segundo contaminante é o eletrólito sólido inorgânico em escala nanométrica, exceto para reduzir a quantidade de uso dos materiais de base de polímero e os aditivos, o segundo contaminante pode fornecer um caminho de condução de íons de alta velocidade. O eletrólito sólido inorgânico pode ser, por exemplo, um eletrólito sólido à base de óxido, um eletrólito sólido à base de sulfeto ou outros eletrólitos sólidos inorgânicos. Por exemplo, quando os íons são transmitidos no material de ajuste da superfície de contato, os íons podem ser transferidos pelo material de ajuste da superfície de contato diretamente, ou os íons podem ser transferidos pelo eletrólito sólido inorgânico em escala nanométrica quando em contato. Quando o segundo contaminante é o material eletricamente condutor, a condutividade pode ser melhorada, especialmente quando aplicada à camada de eletrodo.
[00029] Além disso, a fluidez do material de base do polímero é melhorada com a adição do aditivo. O material de base de polímero teria maior condutividade iônica e propriedades mecânicas piores à temperatura ambiente para preencher entre as partículas de eletrólito sólido ou as partículas de eletrólito sólido e partículas com outro material para atingir o contato do tipo superfície a superfície, não ponto a ponto ou o de revestimento de impregnação por aproximação. Portanto, a resistência da interface dos eletrólitos sólidos pode ser diminuída. Além disso, o aditivo, como líquidos iônicos, não é volátil. Não ocorrerão aqui os problemas de geração de gás inflamável. Além disso, o material de ajuste da superfície de contato não causará encolhimento de tamanho e queda de condutividade de íons por volatilização do aditivo adicionado durante o processo de secagem.
[00030] Consultar a Figura 1a, que mostra uma modalidade do sistema de eletrólito compósito construído pelo material de ajuste da superfície de contato para eletrólitos sólidos desta invenção. Como mostrado, o sistema de eletrólito compósito 1 inclui uma primeira partícula 11, que é um primeiro eletrólito sólido inorgânico, uma segunda partícula 12, que é selecionada a partir de um segundo eletrólito sólido inorgânico, um material cerâmico passivo ou um material ativo; e uma porção de ponte 13, que está localizada entre a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12, e é composta do material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos e é usada para aderir a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12 para formar um caminho de transmissão de íons frente a frente. Como mencionado acima, a fluidez do material de base de polímero é melhorada adicionando-se o aditivo, como o líquido iônico. O material de base de polímero teria maior condutividade de íons e propriedades mecânicas piores à temperatura ambiente para preencher o espaço entre a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12. Portanto, o eletrólito sólido inorgânico (a primeira partícula 11) e outra partícula (a superfície do eletrólito sólido ou o material ativo) atingiriam o contato do tipo superfície a superfície ou de revestimento de impregnação por aproximação, em vez do contato ponto a ponto convencional para transmitir íons entre as partículas de eletrólito sólido para outras partículas. Portanto, a resistência da interface dos eletrólitos sólidos pode ser diminuída. O eletrólito sólido inorgânico acima pode ser, por exemplo, um eletrólito sólido à base de óxido, um eletrólito sólido à base de sulfeto ou outros eletrólitos sólidos inorgânicos.
[00031] O contato do tipo superfície a superfície ou de revestimento de impregnação por aproximação da invenção é ilustrado na Figura 1b. Por exemplo, a primeira partícula 11 é uma esfera com raio D1 e a segunda partícula 12 é uma esfera com raio D2. O contato entre a porção de ponte 13 e a primeira partícula 11 é o comprimento do arco r1 com um ângulo central θ1. Portanto, o comprimento do arco r1 seria 2πD1*θ1/360, 0<θ1<90. O contato entre a porção de ponte 13 e a segunda partícula 12 é o comprimento do arco r2 com um ângulo central θ2. Portanto, o comprimento do arco r2 seria 2πD2*θ2/360, 0<θ2<90. Os comprimentos de contato efetivos para a transmissão de íons da primeira partícula 11 e da segunda partícula 12 são os comprimentos de arco r1, r2. No entanto, o contato convencional para transmitir íons entre as partículas de eletrólito sólido para outras partículas consiste em contato ponto a ponto, ou seja, comprimento de arco r=0(θ=0).
[00032] Com exceção da transmissão de íons, o material de base de polímero acima do sistema eletrolítico compósito atua como adesivo e formador de filme para aderir a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12.
[00033] Consultar a Figura 1c, que mostra outra modalidade da presente invenção. Como mostrado, as superfícies da porção de ponte 13, que não estão em contato com a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12, incluem ainda uma pluralidade do primeiro contaminante 14. O primeiro contaminante 14 é selecionado a partir de um eletrólito sólido inorgânico de três com um diâmetro menor do que os diâmetros da primeira partícula 11 e a segunda partícula 12, ou um material cerâmico passivo, isto é, eletrólitos não óxidos, para melhorar a formação do filme. Além disso, o primeiro contaminante 14 pode se estender para se depositar nas superfícies externas da primeira partícula 11 e a segunda partícula 12, como mostrado na Figura 1d. Além disso, os primeiros contaminantes 14 podem se depositar apenas na superfície externa da primeira partícula 11 ou a segunda partícula 12. Quando a segunda partícula 12 for o material ativo, o primeiro contaminante 14 pode ser um material eletricamente condutor, que é selecionado a partir de grafite, negro de acetileno, negro de fumo, nanotubo de carbono, fibra de carbono, grafeno ou uma combinação dos mesmos.
[00034] Consultar a Figura 1e, que mostra outra modalidade da presente invenção. Como mostrado, a porção de ponte 13 inclui ainda um segundo contaminante 15 com escala nanométrica. O segundo contaminante 15 é selecionado a partir de um eletrólito sólido inorgânico, um material cerâmico passivo ou uma combinação dos mesmos. As funções do segundo contaminante misturado 15 são substancialmente as mesmas que as modalidades acima e, portanto, a descrição repetida é omitida para maior clareza. Além disso, quando a segunda partícula 12 for o material ativo, o segundo contaminante 15 pode ser um material eletricamente condutor ou mistura adicional com partículas com escala nanométrica, como um óxido ou um eletrólito sólido. O material eletricamente condutor é selecionado a partir de grafite, negro de acetileno, negro de fumo, nanotubo de carbono, fibra de carbono, grafeno ou uma combinação dos mesmos.
[00035] A modalidade na qual o segundo contaminante 15 é misturado na porção de ponte 13 pode ser combinada com a modalidade acima mencionada na Figura 1c ou Figura 1d. Por exemplo, como mostrado na Figura 1f, o segundo contaminante 15 é misturado na porção de ponte 13 e as superfícies da porção de ponte 13, que não estão em contato com a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12, inclui uma pluralidade de primeiros contaminantes 14.
[00036] Nas modalidades subsequentes, os componentes com a mesma estrutura, material ou características serão denotados com o mesmo nome e número.
[00037] Consultar a Figura 2a, que mostra outra modalidade do sistema de eletrólito compósito construído pelo material de ajuste da superfície de contato para eletrólitos sólidos desta invenção. Como mostrado, o sistema de eletrólito compósito 2 inclui uma primeira partícula 11, que é um primeiro eletrólito sólido inorgânico, uma segunda partícula 12, que é selecionada a partir de um segundo eletrólito sólido inorgânico, um material cerâmico passivo ou um material ativo e uma primeira camada de envoltório 21, que cobre uma superfície externa da primeira partícula 11. A primeira camada de envoltório 21 composta pelo material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos é usada para aderir a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12, para formar um caminho de transmissão de íons de ponto não único. Conforme ilustra a Figura 2a’, que é uma vista parcial ampliada da Figura 2a, com base no material de ajuste da superfície de contato tem propriedades mecânicas piores, o local aderido da segunda partícula 12 e a primeira camada de envoltório 21 é realizada no caminho de contato do tipo superfície a superfície ou de revestimento de impregnação por aproximação instalado ponto a ponto. Na descrição subsequente, os componentes formados pelo material de ajuste da superfície de contato serão o mesmo contato do tipo de revestimento de impregnação ao tocar em outra substância (partícula) com superfície dura ou aparência de forma fixa.
[00038] Consultar a Figura 2b, em comparação com a modalidade na Figura 2a, a superfície externa da primeira camada de envoltório 21 inclui ainda uma pluralidade de primeiros contaminantes 14, e ainda se estende para depositar na superfície externa da segunda partícula 12. Além disso, uma das superfícies externas da primeira camada de envoltório 21 ou a segunda partícula 12 pode incluir a pluralidade dos primeiros contaminantes 14. Consultar a Figura 2c, em comparação com a modalidade na Figura 2b, o segundo contaminante 15 é misturado na primeira camada de envoltório 21. Consultar a Figura 2d, uma segunda camada de envoltório 22 é formada na superfície externa da segunda partícula 12. A segunda camada de envoltório 22 também é composta do material de ajuste da superfície de contato para eletrólitos sólidos.
[00039] Consultar a Figura 2e, em comparação com a modalidade na Figura 2d, a superfície externa da primeira camada de envoltório 21 e a segunda camada de envoltório 22 incluem ainda uma pluralidade de primeiros contaminantes 14. Além disso, uma das superfícies externas da primeira camada de envoltório 21 ou da segunda camada de envoltório 22 pode incluir a pluralidade de primeiros contaminantes 14. Consultar a Figura 2f, em comparação com a modalidade na Figura 2e, o segundo contaminante 15 é misturado na primeira camada de envoltório 21 e na segunda camada de envoltório 22. Além disso, o segundo contaminante 15 pode apenas se misturar na primeira camada de envoltório 21 ou na segunda camada de envoltório 22.
[00040] Consultar a Figura 3a, que mostra outra modalidade do sistema de eletrólito compósito construído pelo material de ajuste da superfície de contato para eletrólitos sólidos desta invenção. Como mostrado, o sistema de eletrólito compósito 3 inclui uma primeira partícula 11, que é um primeiro eletrólito sólido inorgânico, uma segunda partícula 12, que é selecionada a partir de um segundo eletrólito sólido inorgânico, ou um material ativo, uma primeira camada de envoltório 21, que cobre uma superfície externa da primeira partícula 11, uma segunda camada de envoltório 22, que cobre uma superfície externa da segunda partícula 12 e uma porção de ponte 13, que está localizada entre a primeira camada de envoltório 21 e a segunda camada de envoltório 22 e aderida entre as mesmas. A primeira camada de envoltório 21, a segunda camada de envoltório 22 e a porção de ponte 13 composta por um material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos são usadas para formar um caminho de transmissão de íons do tipo de contato de superfície a superfície da primeira partícula 11 e da segunda partícula 12.
[00041] Consultar a Figura 3b, em comparação com a modalidade na Figura 3a, a pluralidade de primeiros contaminantes 14 está incluída nas superfícies externas da porção de ponte 13, que não estão em contato com a primeira camada de envoltório 21 e a segunda camada de envoltório 22. Consultar a Figura 3c, em comparação com a modalidade na Figura 3b, a pluralidade do primeiro contaminante 14 é ainda estendida às superfícies externas da primeira camada de envoltório 21 e da segunda camada de envoltório 22. Além disso, a pluralidade do primeiro contaminante 14 pode ainda ser estendida nas superfícies externas da primeira camada de envoltório 21 ou na segunda camada de envoltório 22.
[00042] Consultar a Figura 3d, em comparação com a modalidade na Figura 3a, o segundo contaminante 15 é misturado na primeira camada de envoltório 21, na segunda camada de envoltório 22 e na porção de ponte 13.
[00043] Consultar a Figura 3e, em comparação com a modalidade na Figura 3d, o primeiro contaminante 14 é ainda estendido para as superfícies externas da primeira camada de envoltório 21 e da segunda camada de envoltório 22. Além disso, a pluralidade do primeiro contaminante 14 pode ainda ser estendida nas superfícies externas da primeira camada de envoltório 21 ou na segunda camada de envoltório 22.
[00044] Nas modalidades acima, quando a segunda partícula 12 for o material ativo, o sistema de eletrólito compósito pode ser aplicado à camada de eletrodo. Um filme passivo artificial pode ser formado na superfície da segunda partícula 12 para evitar a degradação na estrutura, ocorrida quando o eletrólito (material de ajuste de superfície de contato) entra em contato com o material ativo, e a resultante diminuição na condutividade superficial e a taxa de lítio íons passando pela camada superficial. Por exemplo, consultar a Figura 1g, a segunda partícula 12 pode ainda ter um filme passivo artificial 16 em sua superfície. Ou consultar a Figura 2g, a Figura 2h e a Figura 3f, a segunda partícula 12 pode ter ainda uma película passiva artificial 16 em sua superfície. O filme passivo artificial 16 está localizado entre a segunda partícula 12 e a segunda camada de envoltório 22, como mostrado na Figura 2h e na Figura 3f. O filme passivo artificial 16 é usado para reduzir ou prevenir eficientemente que o material de ajuste da superfície de contato entre em contato abertamente com a segunda partícula 12. O material do filme passivo artificial 16 pode ser uma série de eletrólitos não sólidos ou uma série de eletrólitos sólidos, com base na transferência ou não de íons. A espessura do filme passivo artificial 16 é substancialmente menor do que 100 nanômetros. A série de eletrólitos não sólidos pode ser selecionada a partir de um material eletricamente condutor, um material cerâmico sem lítio e suas combinações. O material cerâmico sem lítio pode incluir uma zircônia, uma sílica, uma alumina, um óxido de titânio ou um óxido de gálio.
[00045] Quando a segunda partícula 12 for o eletrólito sólido inorgânico ou o material cerâmico passivo, o sistema de eletrólito compósito pode ser aplicado ao separador. E é necessário que o sistema de eletrólito compósito tenha um material de fornecimento de íons, como sais. Além disso, quando a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12 forem eletrólitos sólidos inorgânicos e não tiverem uma estrutura de camada de envoltório, a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12 devem ser selecionadas de acordo com a polaridade do elemento de bateria. Por exemplo, quando o sistema de eletrólito compósito é aplicado no eletrodo positivo, a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12 podem ser selecionadas LATP (LÍI+XAIXTÍ2-X(PO4)3) ou LLZO (óxido de lítio lantânio zircônio, Li7La3Zr2O12). Quando o sistema de eletrólito compósito é aplicado no eletrodo negativo, a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12 podem ser apenas o LLZO para evitar a reação de redução quando LATP contendo titânio é usado no eletrodo negativo. No entanto, quando a primeira partícula 11 e a segunda partícula 12 tiverem ambas a estrutura da camada de envoltório, não é necessário selecionar o tipo de eletrólito sólido usado de acordo com a polaridade (positiva ou negativa). Ou seja, tanto a primeira partícula 11 quanto a segunda partícula 12 podem ser selecionadas no LATP com menor custo e aplicadas aos eletrodos positivos e negativos.
[00046] O primeiro contaminante 14 da presente invenção pode ser selecionado, de acordo, a partir de três tipos. O primeiro tipo é o eletrólito sólido, e o tamanho de partícula é menor do que os tamanhos da primeira partícula 11 e da segunda partícula 12. O segundo tipo é o material cerâmico passivo. A quantidade de uso do material de ajuste da superfície de contato pode ser reduzida e pode servir como um intensificador de formação de filme. O terceiro tipo é o material eletricamente condutor, que é usado principalmente na camada de eletrodo. O primeiro tipo e o segundo tipo são aplicáveis tanto às camadas de eletrodo quanto ao separador.
[00047] Os tamanhos ou diâmetros das partículas do segundo contaminante 15 da presente invenção estão em escala nanométrica e também podem ser selecionados a partir de três tipos. O primeiro tipo é o eletrólito sólido. O segundo tipo é o material cerâmico passivo. A quantidade de uso do material de ajuste da superfície de contato pode ser reduzida e pode servir como um intensificador de formação de filme. O terceiro tipo é o material eletricamente condutor, que é usado principalmente na camada de eletrodo. O primeiro tipo e o segundo tipo são aplicáveis tanto às camadas de eletrodo quanto ao separador.
[00048] Por exemplo, quando a segunda partícula 12 for o material ativo, o segundo contaminante em escala nanométrica 15 misturado ou preenchido com o material de ajuste de superfície de contato (como a porção de ponte e/ou a camada de envoltório) pode ser o eletrólito sólido, o material cerâmico passivo, o material eletricamente condutor ou uma combinação dos mesmos. Da mesma forma, quando a segunda partícula 12 for o material ativo, a superfície da primeira partícula 11, a segunda partícula 12 ou qualquer superfície da primeira camada de envoltório 21, a segunda camada de envoltório 22 e a porção de ponte 13 podem incluir o primeiro contaminante 14. O primeiro contaminante 14 pode ser o eletrólito sólido, o material cerâmico passivo, o material eletricamente condutor ou uma combinação dos mesmos.
[00049] Consultar a Figura 4, que é um gráfico de características da condutividade iônica do material de ajuste da superfície de contato da presente invenção e o eletrólito sólido, LATP, em baixas e altas frequências. Neste diagrama, a curva A representa LATP e a curva B representa o material de ajuste da superfície de contato sem o material de fornecimento de íons da presente invenção. A curva C representa o sistema eletrólito compósito contendo o material de ajuste da superfície de contato da presente invenção, que pode ser considerado como uma mistura de 70% A e 30% B em peso. Ela não contém o material de fornecimento de íons, e LATP é equivalente à primeira partícula mencionada acima. A curva D é a composição da curva C com íons de lítio adicionados. Pode-se ver no diagrama que, na área de alta frequência, o eletrólito sólido de óxido LATP tem melhor condutividade iônica. Portanto, no estado de alta frequência, o movimento dos íons tende a ser principalmente na estrutura homogênea do eletrólito sólido de óxido. A estrutura homogênea geralmente se refere à estrutura homogênea do cristal, do vidro ou da solução sólida. Por outro lado, na faixa de média e baixa frequência, o material de ajuste da superfície de contato da presente invenção sem material de fornecimento de íons tem melhor desempenho. Portanto, pode-se observar que, na faixa de média e baixa frequência, o movimento dos íons é principalmente na interface sólido-sólido (diferentes fases ou materiais). O material de ajuste de superfície de contato da presente invenção tem um modo de contato superfície a superfície melhor (tipo de revestimento de impregnação por aproximação) para ter um melhor desempenho. Portanto, o sistema de eletrólito compósito da presente invenção adota as composições da curva A e da curva B para ser misturadas em uma razão específica. Conforme mostrado no diagrama, as características de condutividade do íon (a curva C ou D) podem atingir o melhor desempenho em baixa frequência e alta frequência.
[00050] Além disso, de acordo com a curva C na Figura 4, a porcentagem de volume do material de ajuste da superfície de contato é A0, e a porcentagem de volume do eletrólito sólido é B0 (A0+B0=100, A0 é 30 a 40 e B0 é 70 a 60) para se obter o sistema de eletrólito sólido compósito (quando o segundo contaminante 15 for um eletrólito sólido, também está incluído na porcentagem B). Se o material de ajuste da superfície de contato for usado para entrar em contato com o material ativo na camada de eletrodo, a porcentagem de volume do material de ajuste da superfície de contato e o eletrólito sólido no sistema de eletrólito compósito pode ser ajustado apropriadamente como A1 e B1 (A1+B1=100, 50<A1<100). Por outro lado, se o sistema de eletrólito compósito estiver longe do material ativo, a porcentagem de volume do material de ajuste da superfície de contato e do eletrólito sólido no sistema de eletrólito compósito pode ser adequadamente ajustado como A2 e B2 (A2+B2=100, 50<B2<100). Desta forma, poderá cumprir os requisitos em baixa frequência. E a demanda de condutividade de alta frequência está localizada longe do material ativo, então uma porcentagem maior do eletrólito sólido é usada. Ou seja, com a distância da superfície externa do material ativo indo de perto para longe, o material de ajuste da superfície de contato no sistema de eletrólito compósito exibe uma distribuição percentual de volume alto a baixo.
[00051] Em outras palavras, uma bateria composta por este sistema de eletrólito compósito inclui uma camada de material ativo e um separador. Quando o sistema de eletrólito compósito é aplicado ao separador, o teor de volume do material de ajuste da superfície de contato é menor do que o teor de volume do eletrólito sólido no sistema de eletrólito compósito. Quando o sistema de eletrólito compósito é aplicado à camada de material ativo, quanto mais próximo da superfície do material ativo, maior é o teor de volume do material de ajuste da superfície de contato em comparação com o teor de volume do eletrólito sólido no sistema de eletrólito compósito.
[00052] Consequentemente, a presente invenção fornece um novo material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos e o sistema eletrólito compósito do mesmo, para ser adaptado a um sistema eletroquímico, tal como uma bateria secundária de íon de lítio. O material de ajuste de superfície de contato inclui principalmente um material de base de polímero e um aditivo misturado nele. O material de base de polímero é capaz de permitir que os íons metálicos se movam para dentro, e o aditivo é capaz de dissociar sais metálicos e é servido como um plastificante. O contato entre o eletrólito sólido de óxido e outro material de partícula é do tipo superfície a superfície ou do tipo de revestimento de impregnação por aproximação. Portanto, o problema da alta resistência da interface para o eletrólito sólido de óxido é superado.
[00053] A invenção sendo, assim, descrita, será óbvio que a mesma pode ser variada em muitas maneiras. Tais variações não devem ser interpretadas como um afastamento do espírito e âmbito da invenção, e todas essas modificações, como seriam óbvias a uma pessoa versada na técnica, devem ser incluídas no âmbito das reivindicações a seguir.

Claims (7)

1. Sistema de eletrólito compósito (1) caracterizado pelo fato de que compreende: uma primeira partícula (11), sendo um primeiro eletrólito sólido inorgânico; uma segunda partícula (12), selecionada a partir de um segundo eletrólito sólido inorgânico, um material cerâmico passivo ou um material ativo; e uma porção de ponte (13), localizada entre a primeira partícula (11) e a segunda partícula (12) e composta de um material de ajuste de superfície de contato para eletrólitos sólidos e usada para aderir a primeira partícula (11) e a segunda partícula (12), para formar um caminho de transmissão de íons entre as mesmas, em que o material de ajuste de superfície de contato compreende um material de base de polímero e um aditivo misturados no mesmo, o material de base de polímero é configurado para permitir que íons metálicos se movam para dentro, e o aditivo é configurado para dissociar sais metálicos é um plastificante.
2. Sistema de eletrólito compósito (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de ajuste de superfície de contato compreende ainda um material de inibição de crescimento de cristal e/ou um material de fornecimento de íons.
3. Sistema de eletrólito compósito (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de ajuste de superfície de contato compreende ainda um segundo contaminante com escala nanométrica, quando a segunda partícula for selecionada a partir do segundo eletrólito sólido inorgânico ou do material cerâmico passivo, o segundo contaminante (15) é selecionado a partir de um eletrólito sólido inorgânico, um material cerâmico passivo ou uma combinação dos mesmos; e quando a segunda partícula (12) for o material ativo, o segundo contaminante (15) é selecionado a partir de um eletrólito sólido inorgânico, um material de cerâmica passivo, um material eletricamente condutor ou uma combinação dos mesmos.
4. Sistema de eletrólito compósito (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que superfícies da porção de ponte (13), que não estão em contato com a primeira partícula (11) e a segunda partícula (12), incluem uma pluralidade de primeiros contaminantes (14), quando a segunda partícula (12) for selecionada a partir do segundo sólido inorgânico eletrólito ou do material cerâmico passivo, o primeiro contaminante (14) é selecionado a partir de um eletrólito sólido inorgânico, um material cerâmico passivo ou uma combinação dos mesmos; e quando a segunda partícula (12) for o material ativo, o primeiro contaminante (14) é selecionado a partir de um eletrólito sólido inorgânico, um material cerâmico passivo, um material eletricamente condutor ou uma combinação dos mesmos.
5. Sistema de eletrólito compósito (1), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o primeiro contaminante (14) é mais estendido para se depositar em uma superfície externa da primeira partícula (11) e/ou da segunda partícula (12).
6. Sistema de eletrólito compósito (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, quando a segunda partícula (12) for o material ativo, a segunda partícula (12) inclui ainda um filme passivo artificial disposto em uma superfície externa da segunda partícula (12).
7. Sistema de eletrólito compósito (1), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o material de base de polímero é selecionado a partir de um óxido de polietileno (PEO), um diacrilato poli(etilenoglicol) (PEGDA), um dimetacrilato poli(etilenoglicol) (PEGDMA), um monometiléter poli(etilenoglicol) (PEGME), um dimetiléter po-li(etilenoglicol) (PEGDME), um poli[óxido de etileno-co-2-(2-metoxietoxi)etil glicidil éter] (PEO/MEEGE), um polímero hiper-ramificado ou um polinitrila; e em que o aditivo é um eletrólito de cristal plástico (PCEs) ou um líquido iônico.
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