[0001] A presente invenção se relaciona a um novo separador poroso compósito orgânico/inorgânico que pode apresentar excelente segurança térmica, segurança eletroquímica e condutividade de íons de lítio e um grau alto de dilatação com um eletrólito, se comparado aos separadores baseados em poliolefina convencionais, e um dispositivo eletroquímico incluindo o mesmo. assegurando melhor segurança e qualidade.
ESTADO DA TÉCNICA
[0002] Recentemente, tem havido um interesse crescente na tecnologia de armazenamento de energia. As baterias têm sido extensamente usadas como fontes de energia em telefones portáteis, filmadoras, computadores notebook, CPs e carros elétricos, resultando em uma intensiva pesquisa e desenvolvimento. A este respeito, os dispositivos eletroquímicos são um assunto de grande interesse. Particularmente, o desenvolvimento de baterias secundárias recarregáveis são o foco de atenção.
[0003] Entre as baterias secundárias atualmente usadas, as baterias secundárias de lítio, desenvolvidas no início dos anos 1990, têm uma voltagem de excitação e uma densidade de energia mais alta do que as baterias convencionais usando eletrólitos aquosos (tal como as baterias de Ni-MH, as baterias de Ni-Cd e as baterias de H2SO4-Pb), e assim elas estão dentro do campo das baterias secundárias. Porém, as baterias secundárias de lítio têm problemas relacionados à sua segurança, devido à ignição e explosão causada pelo uso de eletrólitos orgânicos, e além disso elas são fabricadas através de um processo complicado. As baterias de polímero de íons de lítio, que apareceram mais recentemente, resolvem as desvantagens acima mencionadas das baterias secundárias de íons de lítio, e assim se tornam um dos candidatos mais potentes para serem as baterias da próxima geração. Porém, tais baterias secundárias de polímero de íons de lítio ainda têm baixa capacidade se comparadas às baterias secundárias de íons de lítio. Particularmente, elas apresentam capacidade de descarga insuficiente a baixa temperatura. Consequentemente, há necessidade iminente por melhores baterias secundárias de íons de lítio.
[0004] Uma bateria de íons de lítio é fabricada recobrindo-se um material ativo de catodo (por exemplo LiCoO2) e um material ativo de anodo (por exemplo grafite), tendo estruturas cristalinas incluindo volumes intersticiais, sobre o coletor de corrente correspondente (isto é, chapa de alumínio e chapa de cobre, respectivamente) para prover um catodo e um anodo. Então, um separador é interposto entre ambos eletrodos para formar uma montagem de eletrodos, e um eletrólito é injetado na montagem de eletrodos. Durante um ciclo de carga da bateria, o lítio intercalado na estrutura cristalina do material ativo de catodo é de- intercalado, e então intercalado na estrutura cristalina do material ativo de anodo. Por outro lado, durante um ciclo de descarga, o lítio intercalado no material ativo de anodo é novamente de-intercalado, e então intercalado novamente na estrutura cristalina do catodo. Como os ciclos de carga/descarga são repetidos, os íons de lítio se alternam entre o catodo e o anodo. Considerando isto, a bateria de íons de lítio é também chamada de bateria do tipo “cadeira de balanço”.
[0005] Tais baterias têm sido produzidas por muitos fabricantes de baterias. Porém, a maioria do baterias secundárias de lítio têm diferentes características de segurança que dependem de vários fatores. A avaliação da segurança das baterias é uma questão muito importante a ser considerada. Particularmente, os usuários devem ser protegidos para não serem prejudicados por baterias tendo funcionamento defeituoso. Então, a segurança das baterias fica estritamente restringida pelos padrões de segurança, em termos de ignição e combustão de baterias.
[0006] Foram feitas muitas tentativas de resolver o problema relacionado à segurança de baterias. Porém, o problema de ignição de uma bateria, causada por um curto-circuito interno forçado, devido a impactos externos (particularmente, no caso de uma bateria utilizada erradamente pelo cliente) ainda não pode ser resolvido.
[0007] Recentemente, a patente US 6,432,586 descreveu um separador baseado em poliolefina recoberto com uma camada inorgânica tal como carbonato de cálcio, sílica, etc., para prevenir um curto-circuito interno, causado pelo crescimento de dendrite dentro de uma bateria. Porém, o separador baseado em poliolefina somente usando partículas inorgânicas convencionais não pode prover melhorias significativas para a segurança de uma bateria, quando a bateria experimenta um curto-circuito interno devido a impactos externos. Não há nenhum mecanismo para prevenir tal problema no separador. Adicionalmente, a camada de partículas inorgânicas descrita na patente acima não é definida particularmente em termos de espessura, tamanho de poros e porosidade. Além disso, as partículas inorgânicas usadas no separador não têm condutividade de lítio, e assim causa uma queda significativa na qualidade das baterias.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0008] Outros objetivos, características e vantagens da presente invenção ficarão mais aparentes a partir da seguinte descrição detalhada quando tomada junto com os desenhos acompanhantes, nos quais:
[0009] A fig. 1 é uma vista esquemática mostrando um separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, e sua função em uma bateria;
[0010] A fig. 2a e a fig. 2b são fotografias tomadas por um Microscópio de Esquadrinhamento de Elétrons (MEE) mostrando para o separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE-PVdF/BaTiO3) de acordo com o Exemplo 1, em que a fig. 2a e a fig. 2b exibem a camada ativa e o substrato separador, respectivamente;
[0011] A fig. 3 é uma fotografia tomada por MEE mostrando um separador compósito de acordo com o Exemplo Comparativo 2, onde o separador compósito compreende partículas inorgânicas e um polímero, o polímero estando presente em uma proporção mais alta do que as partículas inorgânicas;
[0012] A fig. 4 é um gráfico mostrando variações na condutividade de íons dependendo da relação de mistura de partículas inorgânicas e polímero ligante que formam o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção;
[0013] A fig. 5a e a fig. 5b são fotografias exibindo os resultados para um teste de encolhimento de separadores pelo calor, em que a fig. 5a e a fig. 5b mostram um separador de PE usado atualmente, e o separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE- PVdF/BaTiO3) de acordo com o Exemplo 1, respectivamente, depois que cada um dos separadores é mantido a 150 °C durante 1 hora;
[0014] A fig. 6a e a fig. 6b são fotografias mostrando os resultados para um teste de pseudo-curto-circuito interno de separadores, em que a fig. 6a e a fig. 6b exibem um separador de PE usado atualmente, e o separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE- PVdF/BaTiO3) de acordo com o Exemplo 1, respectivamente;
[0015] A fig. 7 é um gráfico que mostra variações de voltagem de cada bateria secundária de lítio incluindo o separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE- PVdF/BaTiO3) de acordo com o Exemplo 1 e o separador de PE usado atualmente de acordo com o Exemplo Comparativo 1, depois de esmagamento local causando um curto- circuito interno artificial;
[0016] A fig. 8a e a fig. 8b são fotografias ilustrando os resultados para o teste de segurança de bateria, depois de esmagamento local causando curto- circuito interno artificial, em que a fig. 8a e a fig. 8b exibem o separador de PE usado atualmente de acordo com o Exemplo Comparativo 1 e o separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE-PVdF/BaTiO3) de acordo com o Exemplo 1, respectivamente; e
[0017] A fig. 9a e a fig. 9b são gráficos mostrando os resultados para o teste de segurança de baterias depois da sobrecarga, em que a fig. 9a e a fig. 9b ilustram o separador de PE usado atualmente de acordo com o Exemplo Comparativo 1 e o separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE-PVdF/BaTiO3) de acordo com o Exemplo 1, respectivamente.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[0018] A presente invenção revela que um separador poroso compósito orgânico/inorgânico, formado usando (1) um substrato separador baseado em poliolefina, (2) partículas inorgânicas e (3) um polímero ligante, melhoram a segurança térmica de um separador convencional baseado em poliolefina. Adicionalmente, porque o separador poroso compósito orgânico/inorgânico tem estruturas de poros presentes em ambos substrato separador baseado em poliolefina e em uma camada ativa formada por partículas inorgânicas e polímero ligante recoberto no substrato separador, ele provê um volume de espaço aumentado, no qual um eletrólito líquido se infiltra, resultando em melhorias na condutividade de íons de lítio e no grau de intumescência com o eletrólito. Então, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico pode melhorar a qualidade e a segurança de um dispositivo eletroquímico usando um separador assim.
[0019] Quando partículas inorgânicas tendo piezo- eletricidade derivada de uma alta constante dielétrica e/ou partículas inorgânicas tendo condutividade de íons de lítio são usadas como partículas inorgânicas que formam a camada ativa, é possível prevenir um curto- circuito completo entre ambos eletrodos por meio das partículas inorgânicas, mesmo se o separador em uma bateria for quebrado devido a impactos externos. Também é possível resolver o problema relacionado à segurança, tal como a explosão da bateria, reduzindo-se gradualmente a voltagem da bateria devido ao fluxo de corrente elétrica, causado pela condutividade de lítio e/ou piezo-eletricidade das partículas inorgânicas.
[0020] Então, é um objetivo da presente invenção prover um separador poroso compósito orgânico/inorgânico, um método para fabricar o mesmo e um dispositivo eletroquímico incluindo o mesmo.
[0021] De acordo com um aspecto da presente invenção, é provido um separador poroso compósito orgânico/inorgânico que compreende (a) um substrato separador baseado em poliolefina; e (b) uma camada ativa formada recobrindo-se pelo menos uma região selecionada do grupo consistindo em uma superfície do substrato e uma parte dos poros presentes no substrato com uma mistura de partículas inorgânicas e um polímero ligante, em que as partículas inorgânicas na camada ativa ficam interconectadas entre eles e são fixadas pelo polímero ligante, e os volumes intersticiais entre as partículas inorgânicas formam uma estrutura de poros. Também é provido um dispositivo eletroquímico (preferivelmente, uma bateria secundária de lítio) incluindo o mesmo.
[0022] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é provido um método para fabricar um separador poroso compósito orgânico/inorgânico, o qual inclui as etapas de: (a) dissolver um polímero ligante em um solvente para formar uma solução de polímero; (b) adicionar partículas inorgânicas tendo condutividade de íons de lítio à solução de polímero obtida na etapa (a) e misturá-las; e (c) recobrir a mistura de partículas inorgânicas com um polímero ligante obtida na etapa (b) sobre pelo menos uma região selecionada do grupo que consiste em uma superfície do substrato e uma parte dos poros presentes no substrato, seguido por secagem.
[0023] Em seguida, a presente invenção será explicada em mais detalhes.
[0024] A presente invenção é caracterizada por prover um novo separador poroso compósito orgânico/inorgânico, que apresenta excelentes segurança térmica, segurança eletroquímica e condutividade de íons de lítio, e um alto grau de intumescência com eletrólito, comparado com um separador baseado em poliolefina atualmente usado como separador em baterias.
[0025] O separador poroso compósito orgânico/inorgânico é obtido recobrindo-se uma camada ativa compreendendo partículas inorgânicas e um polímero ligante em um substrato separador baseado em poliolefina. Aqui, os poros presentes no próprio substrato separador e uma estrutura de poros uniforme formada na camada ativa pelos volumes intersticiais entre as partículas inorgânicas permitem que o separador poroso compósito orgânico/inorgânico seja usado como um separador. Adicionalmente, se um polímero capaz de ser gelificado quando intumescido com um eletrólito líquido é usado como o componente de polímero ligante, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico também pode servir como um eletrólito.
[0026] As características particulares do separador poroso compósito orgânico/inorgânico são apresentadas a seguir.
[0027] (1) Separadores compósitos convencionais, formados por recobrimento de partículas inorgânicas ou uma mistura de partículas inorgânicas e um polímero ligante sobre um separador convencional de poliolefina não têm estrutura de poros ou, se tiverem alguma, têm uma estrutura de poros irregular tendo um tamanho de poro de vários ângstroms. Então, eles não podem servir suficientemente como espaçadores, através dos quais os íons de lítio podem passar (veja-se a fig. 3). Adicionalmente para formar uma estrutura micro-porosa, a maioria de tais separadores convencionais é sujeita à extração com um plasticizante de modo que uma estrutura micro-porosa pode ser formada em um eletrólito de polímero do tipo gel, resultando em degradação na qualidade da bateria.
[0028] Ao contrário, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção tem estruturas de poros uniformes tanto na camada ativa como no substrato separador baseado em poliolefina, conforme mostrado nas figs. 2 e 3, e as estruturas de poros permitem que os íons de lítio se movam suavemente através delas. Então, é possível introduzir uma grande quantidade de eletrólito pelas estruturas de poros, para obter um alto grau de intumescência com eletrólito, resultando em melhoria na qualidade da bateria.
[0029] (2) Embora separadores convencionais baseados em poliolefinas causem encolhimento pelo calor a alta temperatura, porque eles têm um ponto de fusão de 120140 °C (veja-se a fig. 5a), o separador poroso compósito orgânico/inorgânico incluindo as partículas inorgânicas e o polímero ligante não causa encolhimento pelo calor devido à resistência ao calor das partículas inorgânicas (veja-se a fig. 5b). Então, um dispositivo eletroquímico usando o separador poroso compósito orgânico/inorgânico acima previne o curto-circuito interno completo entre catodo e anodo pela camada ativa porosa composta orgânica/inorgânica, mesmo quando o separador é quebrado sob condições extremas causadas por fatores internos ou externos, tal como alta temperatura, sobrecarga, impactos externos, etc. Mesmo se acontecer um curto- circuito, a região de curto-circuito pode ser inibida de se estender ao longo da bateria. Como resultado, é possível melhorar significativamente a segurança da bateria.
[0030] (3) Separadores convencionais ou eletrólito de polímero são formados no formato de filmes permanência livre e então montados junto com eletrodos. Ao contrário, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção é formado recobrindo-se a camada ativa diretamente na superfície de um substrato separador baseado em poliolefina, de maneira que os poros na superfície do substrato separador baseado em poliolefina e na camada ativa possam ficar ancorados uns aos outros, provendo assim uma firme ligação física entre a camada ativa e o substrato poroso. Então, os problemas relacionados às propriedades mecânicas, tal como a fragilidade, podem ser melhorados. Adicionalmente, tal adesão interfacial aumentada entre o substrato poroso e a camada ativa pode diminuir a resistência interfacial. Na realidade, o filme poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção inclui a camada ativa composta orgânico/inorgânico organicamente unida ao substrato separador baseado em poliolefina. Adicionalmente, a camada ativa não afeta estrutura de poros presente no substrato baseado em poliolefina, de sorte que a estrutura pode ser mantida. Mais adiante, a própria camada ativa tem uma estrutura de poros uniforme formada pelas partículas inorgânicas (vejam-se as figs. 2 e 3). Porque as estruturas de poros acima mencionadas são preenchidas com um eletrólito líquido subsequentemente injetado, a resistência interfacial gerada entre as partículas inorgânicas ou entre as partículas inorgânicas e o polímero ligante pode ser significativamente diminuída.
[0031] (4) Separadores baseados em poliolefinas recobertos com uma camada compreendendo um óxido de metal ou uma mistura de um óxido de metal com um polímero são já conhecidos de acordo com o estado da arte anterior. Porém, a maioria de tais separadores convencionais não inclui nenhum polímero ligante para suportar e interconectar as partículas inorgânicas. Mesmo se um polímero for usado em tais separadores convencionais, o polímero deve ter sido usado em uma grande quantidade, de modo que tais separadores convencionais não têm estruturas de poros ou têm uma região de poros não-uniforme no polímero, e assim não podem servir suficientemente como separadores, através dos quais os íons de lítio possam passar (veja-se a fig. 4). Adicionalmente, não há nenhum entendimento correto com respeito às propriedades físicas, diâmetro de partícula e homogeneidade das partículas inorgânicas e uma estrutura de poro formada pelas partículas inorgânicas. Então, tais separadores de acordo com o estado da arte anterior têm o problema de que eles causam degradação na qualidade da bateria. Mais particularmente, quando as partículas inorgânicas tiverem um diâmetro relativamente grande, a espessura de uma camada de cobertura orgânica/inorgânica obtida sob o mesmo conteúdo sólido aumenta, resultando em degradação das propriedades mecânicas. Adicionalmente, neste caso, há uma grande possibilidade de curto-circuito interno durante os ciclos de carga/descarga de uma bateria devido ao tamanho de poros excessivamente grande. Além do mais, devido à falta de um ligante que sirva para fixar as partículas inorgânicas no substrato, um filme acabado formado se deteriora em termos de propriedades mecânicas, e não é satisfatório para ser aplicado em um processo prático de montagem de baterias. Por exemplo, os separadores convencionais de acordo com o estado da arte anterior podem não ser susceptíveis a um processo de laminação.
[0032] Ao contrário, a presente invenção reconhece que o controle da porosidade e do tamanho de poros do separador poroso compósito orgânico/inorgânico é um dos fatores que afetam a qualidade de uma bateria. Então, variou-se e aperfeiçoou-se o diâmetro de partícula das partículas inorgânicas ou a relação de mistura das partículas inorgânicas com o polímero ligante. Na realidade, foi demonstrado pelos Exemplos Experimentais a seguir que o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, que compreende uma estrutura de poros formada pelos volumes intersticiais entre as partículas inorgânicas no substrato separador baseado em poliolefina, tem uma condutividade de íons significativamente mais alta, quando comparado a um separador compósito convencional tendo uma estrutura de poros artificial formada em um filme de polímero no substrato separador baseado em poliolefina (veja-se a fig. 4). Adicionalmente, de acordo com a presente invenção, o polímero ligante usado na camada ativa pode servir suficientemente como uma ligante para interconectar e fixar estavelmente as partículas inorgânicas entre si, entre as partículas inorgânicas e a superfície do substrato poroso resistente ao calor, e entre as partículas inorgânicas e uma parte dos poros no substrato, prevenindo assim a degradação das propriedades mecânicas de um separador poroso compósito orgânico/inorgânico acabado.
[0033] (5) O separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção pode prover excelente adesão controlando-se a relação de mistura dos componentes que formam a camada ativa, isto é, a relação de mistura das partículas inorgânicas com o polímero ligante. Então, é possível facilitar a montagem da bateria.
[0034] No orgânico/inorgânico filme poroso compósito de acordo com a presente invenção, um componente presente na camada ativa formada na superfície do substrato separador baseado em poliolefina ou em uma parte dos poros no substrato são partículas inorgânicas atualmente usadas no estado da arte. As partículas inorgânicas permitem formar um volume intersticial entre si, servindo para formar micro-poros e para manter o formato físico como um espaçador. Adicionalmente, porque as partículas inorgânicas são caracterizadas pelo fato de que suas propriedades físicas não se modificam mesmo a uma alta temperatura de 200 °C ou maior, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico usando as partículas inorgânicas pode ter excelente resistência ao calor.
[0035] Não há nenhuma limitação particular nas partículas inorgânicas, contanto que elas sejam eletroquimicamente estáveis. Em outras palavras, não há nenhuma limitação particular nas partículas inorgânicas que podem ser usadas na presente invenção, contanto que elas não sejam sujeitas a redução e/ou oxidação na faixa de voltagens de excitação (por exemplo, 0~5 V baseado em Li/Li+) de uma bateria na qual elas sejam aplicadas. Particularmente, é preferível usar partículas inorgânicas tendo condutividade de íons tão alta quanto possível, porque tais partículas inorgânicas podem melhorar a condutividade de íons e a qualidade de um dispositivo eletroquímico. Adicionalmente, quando partículas inorgânicas tendo uma alta densidade forem usadas, elas terão dificuldade de dispersão durante a etapa de cobertura e poderão aumentar o peso da bateria a ser fabricada. Então, é preferível usar partículas inorgânicas tendo uma densidade tão baixa quanto possível. Mais adiante, quando partículas inorgânicas tendo uma alta constante dielétrica são usadas, elas podem contribuir para aumentar o grau de dissociação de um sal de eletrólito em um eletrólito líquido, tal como um sal de lítio, melhorando assim a condutividade de íons do eletrólito.
[0036] Por estas razões, é preferível usar partículas inorgânicas tendo uma alta constante dielétrica de 5 ou mais, preferivelmente de 10 ou mais, partículas inorgânicas tendo condutividade de lítio, partículas inorgânicas tendo piezo-eletricidade, ou misturas relacionadas.
[0037] Em geral, um material tendo piezo-eletricidade significa um material que é um isolador sob pressão normal, mas permite fluxo de corrente devido à mudança de sua estrutura interna, quando uma certa faixa de pressão é aplicada. As partículas inorgânicas tendo piezo-eletricidade mostram uma alta constante dielétrica, de 100 ou mais. Elas são carregadas positivamente em uma superfície enquanto sendo carregadas negativamente na outra superfície, quando elas são contraídas ou comprimidas sob a aplicação de uma certa faixa de pressão. Consequentemente, as partículas inorgânicas tendo piezo-eletricidade causam uma diferença de potencial elétrico entre ambas as superfícies.
[0038] Quando as partículas inorgânicas tendo as características acima forem usadas na camada ativa porosa, um catodo e um anodo são impedidos de entrar em contato direto entre si pelas partículas inorgânicas recobertas no separador, quando um curto-circuito interno acontece entre ambos eletrodos devido a impactos externos tal como esmagamento local, puncionamento, ou similar. Adicionalmente, como mostrado na fig. 1, tal piezo-eletricidade das partículas inorgânicas pode permitir a geração de uma diferença de potencial nas partículas, permitindo assim movimentos de elétrons, isto é, um fluxo diminuto de corrente elétrica entre ambos eletrodos. Então, é possível realizar uma lenta diminuição na voltagem da bateria e melhorar a segurança da bateria (veja-se a fig. 7). Logo, os separadores recobertos com partículas inorgânicas convencionais poderiam prevenir a explosão da bateria devido às partículas inorgânicas, quando já ocorreu um curto- circuito interno entre ambos eletrodos devido a impactos externos. Porém, no caso de uma bateria usando tais separadores convencionais, a bateria está presente praticamente em um estado de perigo oculto, porque ela está danificada interiormente mas mantém o potencial entre ambos eletrodos devido à falta de eletrocondutividade das partículas inorgânicas. Assim, a bateria pode ter a possibilidade de ignição ou explosão com o tempo, ou quando um impacto secundário é aplicado. No separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, os problemas acima mencionados podem ser resolvidos satisfatoriamente. Exemplos particulares não-limitativos das partículas inorgânicas tendo piezo-eletricidade incluem BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 (PLZT), PB(Mg3Nb2/3)O3- PbTiO3 (PMN-PT), háfnia (HfO2), ou suas misturas.
[0039] Como usado aqui, "partículas inorgânicas tendo condutividade de íons de lítio" se refere a partículas inorgânicas contendo elementos de lítio e tendo capacidade de conduzir íons de lítio sem armazenar lítio. Partículas inorgânicas tendo condutividade de íons de lítio podem conduzir e mover íons de lítio devido a defeitos presentes na sua estrutura, e assim podem melhorar a condutividade de íons de lítio de uma bateria e contribuir para melhorar a qualidade de uma bateria. Exemplos não-limitativos de tais partículas inorgânicas tendo condutividade de íons de lítio incluem: fosfato de lítio (Li3PO4), fosfato de titânio de lítio (LixTiy(PO4)3, 0<x<2, 0<y<3), fosfato de titânio de alumínio de lítio (LixAlyTiz(PO4)3, 0<x<2, 0<y<1, 0<z<3), vidro tipo (LiAlTiP)xOy (0<x<4, 0<y<13) tal como 14Li2O- 9Al2O3-38TiO2-39P2O5, titanato de lantânio de lítio (LixLayTiO3, 0<x<2, 0<y<3), tiofosfato de germânio de lítio (LixGeyPzSw, 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1, 0<w<5), tal como Li3,25Ge0,25P0,75S4, nitridos de lítio (LixNy, 0<x<4, 0<y<2) tal como Li3N, vidro tipo SiS2 (LixSiySz, 0<x<3, 0<y<2, 0<z<4) tal como Li3PO4-Li2S-SiS2, vidro tipo P2S5 (LixPySz, 0<x<3, 0<y<3, 0<z<7) tal como LiI-Li2S-P2S5, ou suas misturas.
[0040] Adicionalmente, exemplos particulares não- limitantes de partículas inorgânicas tendo uma constante dielétrica de 5 ou mais incluem SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, ou suas misturas. A combinação de partículas inorgânicas tendo uma constante dielétrica alta, de partículas inorgânicas tendo piezo-eletricidade e de partículas inorgânicas tendo condutividade de íons de lítio pode prover um efeito sinérgico.
[0041] É possível formar a estrutura de poros da camada ativa além dos poros presentes no substrato separador controlando-se o tamanho de partículas inorgânicas, o conteúdo de partículas inorgânicas e a relação de mistura de partículas inorgânicas e de polímero ligante. Também é possível controlar o tamanho de poros bem como a porosidade.
[0042] Embora não haja nenhuma limitação particular no tamanho das partículas inorgânicas, partículas inorgânicas tendo preferivelmente um tamanho de 0,001~10 □ têm a finalidade de formar um filme tendo uma espessura uniforme e prover uma porosidade satisfatória. Se o tamanho for menor do que 0,001 □, as partículas inorgânicas terão pobre dispersibilidade de modo que as propriedades físicas do separador poroso compósito orgânico/inorgânico não podem ser controladas com facilidade. Se o tamanho for maior do que 10 □, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico resultante terá uma espessura aumentada sob o mesmo conteúdo sólido, resultando em degradação das propriedades mecânicas. Além disso, tais poros excessivamente grandes podem aumentar a possibilidade de curto-circuito interno gerado durante repetidos ciclos de carga/descarga.
[0043] Não há nenhuma limitação particular no conteúdo das partículas inorgânicas. Porém, as partículas inorgânicas estão presentes na mistura das partículas inorgânicas com o polímero ligante formando o separador poroso compósito orgânico/inorgânico, preferivelmente em uma quantidade de 50~99% em peso, mais particularmente em uma quantidade de 60~95% em peso baseado em 100% em peso do peso total da mistura. Se o conteúdo das partículas inorgânicas for menor do que 50% em peso, o polímero ligante está presente em uma quantidade tão grande de modo a diminuir os volumes intersticiais formados entre as partículas inorgânicas e assim diminuir o tamanho dos poros e a porosidade, resultando em degradação na qualidade da bateria. Se o conteúdo das partículas inorgânicas for maior do que 99% em peso, o conteúdo de polímero é muito baixo para prover adesão suficiente entre as partículas inorgânicas, resultando em degradação das propriedades mecânicas de um separador poroso compósito orgânico/inorgânico formado e acabado.
[0044] No separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, outro componente presente na camada ativa formada na superfície do substrato separador baseado em poliolefina ou em uma parte dos poros no substrato é um polímero ligante atualmente usado no estado da arte. O polímero ligante tem uma temperatura de transição vítrea (Tv) preferivelmente tão baixa quanto possível, mais preferivelmente uma Tv entre -200 °C e 200 °C. Polímeros ligantes tendo uma baixa Tv como descrito acima são preferidos, porque eles podem melhorar as propriedades mecânicas tais como flexibilidade e elasticidade de um separador formado e acabado. O polímero serve como uma ligante que interconecta e fixa estavelmente as partículas inorgânicas entre si, entre as partículas inorgânicas e a superfície do substrato separador, e uma parte dos poros presentes no separador, e assim previne degradação das propriedades mecânicas de um separador poroso compósito orgânico/inorgânico finalmente formado.
[0045] Quando o polímero ligante tem condutividade de íons, ele pode melhorar a qualidade de um dispositivo eletroquímico. Porém, não é essencial usar um polímero ligante que tenha condutividade de íons. Então, o polímero ligante tem uma constante dielétrica preferivelmente tão alta quanto possível. Porque o grau de dissociação de um sal em um eletrólito depende da constante dielétrica de um solvente usado no eletrólito, o polímero tendo uma constante dielétrica mais alta pode aumentar o grau de dissociação de um sal no eletrólito usado na presente invenção. A constante dielétrica do polímero ligante pode variar de 1,0 a 100 (conforme medido a uma frequência de 1 kHz), e é preferivelmente de 10 ou mais.
[0046] Além das funções acima descritas, o polímero ligante usado na presente invenção pode ser caracterizado adicionalmente pelo fato de ficar gelificado quando intumescido com um eletrólito líquido, e assim apresenta um alto grau de intumescência. Na realidade, quando o polímero ligante é um polímero que tem um grau alto de intumescência com um eletrólito, o eletrólito injetado depois da montagem da bateria se infiltra no polímero, e o polímero que contêm o eletrólito infiltrado no mesmo também tem a condutividade dos íons do eletrólito. Consequentemente, é possível melhorar a qualidade de um dispositivo eletroquímico comparado aos eletrólitos compósitos convencionais orgânicos/inorgânicos. Adicionalmente, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção melhora o umedecimento com um eletrólito para uma bateria, se comparado aos separadores hidrofóbicos convencionais baseados em poliolefinas, e permite o uso de um eletrólito polar para uma bateria, que não pode ser aplicado em baterias convencionais. Mais adiante, quando o polímero ligante é um polímero que pode ser gelificado quando intumescido com um eletrólito, o polímero pode reagir com um eletrólito subsequentemente injetado em uma bateria, e assim pode ser gelificado para formar um eletrólito compósito orgânico/inorgânico do tipo gel. O eletrólito formado como descrito acima é obtido com facilidade e apresenta alta condutividade de íons e um alto grau de intumescência com um eletrólito, comparado a eletrólitos convencionais do tipo gel, contribuindo assim para melhorar a qualidade de uma bateria. Então, é preferível usar um polímero que tenha um parâmetro de solubilidade entre 15 e 45 MPa1/2, mais preferivelmente entre 15 e 25 MPa1/2, e entre 30 e 45 MPa1/2. Se o polímero ligante tiver um parâmetro de solubilidade menor do que 15 Mpa1/2 ou maior do que 45 Mpa1/2, ele terá dificuldade em se intumescer com um eletrólito líquido convencional para uma bateria.
[0047] Exemplos não-limitativos do polímero ligante que pode ser usado na presente invenção incluem polivinilideno fluoreto-co-hexafluoropropileno, polivinilideno fluoreto-co-tricloroetileno, polimetilmetacrilato, poliacrilonitrilo, polivinilpirrolidona, acetato de polivinil, acetato de polietileno-co-vinil, óxido de polietileno, acetato de celulose, butirato de acetato de celulose, propionato de acetato de celulose, cianoetilpululano, álcool de polivinil cianoetila, cianoetilcelulose, cianoetilsucrose, pululano, carboximetil celulose, copolímero de acrilonitrilo-estireno-butadieno, poli- imida, ou misturas relacionadas. Podem ser usados outros materiais sozinhos ou em combinação, contanto que eles satisfaçam as características acima.
[0048] Embora não haja nenhuma limitação particular na relação de mistura das partículas inorgânicas com o polímero ligante, que forma a camada ativa, a relação de mistura pode ser controlada na faixa de 10:90~99:1 (com base em % de peso), e uma relação de mistura preferida é de 80:20~99:1 (com base em % de peso). Se a relação de mistura for menor do que 10:90 (com base em % de peso), o conteúdo de polímero é excessivamente alto, de forma que o tamanho de poros e a porosidade são reduzidos devido a uma diminuição nos volumes intersticiais formados entre as partículas inorgânicas, resultando em degradação na qualidade da bateria. Se a relação de mistura for maior do que 99:1 (% em peso base), o conteúdo de polímero é muito baixo para prover adesão suficiente entre as partículas inorgânicas, resultando em degradação das propriedades mecânicas de um separador poroso compósito orgânico/inorgânico formado e acabado.
[0049] O separador poroso compósito orgânico/inorgânico pode incluir aditivos diferentes das partículas inorgânicas e polímero ligante, como ainda outros componentes da camada ativa.
[0050] No separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, o substrato recoberto com a mistura de partículas inorgânicas e polímero ligante, que forma a camada ativa, é um separador baseado em poliolefina atualmente usado no estado da arte. Exemplos não-limitantes do separador baseado em poliolefina que pode ser usado na presente invenção incluem polietileno de alta densidade, polietileno de baixa densidade linear, polietileno de baixa densidade, polietileno de peso molecular ultraalto, polipropileno ou seus derivados.
[0051] Embora não haja nenhuma limitação particular na espessura do substrato separador baseado em poliolefina, o substrato tem uma espessura preferivelmente entre 1 □ e 100 □, mais preferivelmente entre 5 □ e 50 □. Se o substrato tem uma espessura menor do que 1 □, é difícil manter as propriedades mecânicas. Se o substrato tem uma espessura maior do que 100 □ , ele pode funcionar como uma camada de resistência.
[0052] Embora não haja nenhuma limitação particular no tamanho de poro e porosidade do substrato separador baseado em poliolefina, o substrato tem uma porosidade preferivelmente entre 10% e 95%. O tamanho de poro (diâmetro) preferivelmente está na faixa de 0,1 □ até 50 □. Quando o tamanho de poro e porosidade são menores do que 0,1 □ e 10%, respectivamente, o substrato pode funcionar como uma camada de resistência. Quando o tamanho de poro e porosidade sã maiores do que 50 □ e 95%, respectivamente, é difícil manter as propriedades mecânicas. Adicionalmente, o substrato separador baseado em poliolefina pode ser provido na forma de fibras ou como uma membrana.
[0053] Conforme descrito acima, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico formado recobrindo-se a mistura de partículas inorgânicas com polímero ligante sobre o substrato separador baseado em poliolefina tem poros contidos no próprio substrato separador e forma estruturas de poros no substrato bem como também na camada ativa devido aos volumes intersticiais entre as partículas inorgânicas, formados no substrato. O tamanho de poro e porosidade do separador poroso compósito orgânico/inorgânico depende principalmente do tamanho das partículas inorgânicas. Por exemplo, quando partículas inorgânicas tendo um diâmetro de partícula de 1 □ ou menor são usadas, os poros assim formados também têm um tamanho de 1 □ ou menos. A estrutura de poros é preenchida com um eletrólito subsequentemente injetado e o eletrólito serve para conduzir íons. Então, o tamanho e porosidade dos poros são fatores importantes para controlar a condutividade de íons do separador poroso compósito orgânico/inorgânico.
[0054] Não há nenhuma limitação particular na espessura da camada ativa tendo uma estrutura de poros, que é formada recobrindo-se a mistura acima sobre o substrato separador de poliolefina. A camada ativa tem uma espessura preferivelmente entre 0,01 e 100 □. Adicionalmente, os tamanhos dos poros e a porosidade da camada ativa estão preferivelmente na faixa de 0,001 a 10 □ e de 5 a 95%, respectivamente. Porém, o escopo da presente invenção não é limitado às faixas acima.
[0055] Preferivelmente, o tamanho de poro e porosidade de um separador poroso compósito orgânico/inorgânico finalmente formado de acordo com a presente invenção são de 0,001 a 10 De de 5 a 95%, respectivamente. Adicionalmente, não há nenhuma limitação particular na espessura do separador poroso compósito orgânico/inorgânico formado e acabado de acordo com a presente invenção, e a espessura pode ser controlada em consideração à qualidade da bateria. O separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção tem uma espessura preferivelmente de 1~100 □, mais preferivelmente de 1~30 □.
[0056] O separador poroso compósito orgânico/inorgânico pode ser fabricado por um processo convencional conhecido por aqueles qualificados na arte. Uma forma de incorporação de um método para fabricar o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, inclui as etapas de: (a) dissolver um polímero ligante em um solvente para formar uma solução de polímero; (b) acrescentar partículas inorgânicas à solução de polímero obtida na etapa (a) e misturá-las; e (c) recobrir a mistura obtida na etapa (b) sobre pelo menos uma região selecionada do grupo que consiste na superfície de um substrato separador baseado em poliolefina e uma parte dos poros presentes no substrato, seguido por secagem.
[0057] Em seguida, o método para fabricar o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção será explicado em detalhes.
[0058] (1) primeiro, um polímero ligante é dissolvido em um solvente orgânico adequado para prover uma solução de polímero.
[0059] É preferível que o solvente tenha um parâmetro de solubilidade semelhante ao do polímero a ser usado, e um baixo ponto de ebulição, porque tal solvente facilita a mistura uniforme e a subsequente remoção do solvente. Exemplos não-limitativos do solvente que pode ser usado incluem acetona, tetrahidrofurano, cloreto de metileno, clorofórmio, dimetilformamida, N-metil-2-pirrolidona, ciclohexano, água ou misturas relacionadas.
[0060] (2) Depois, partículas inorgânicas são adicionadas e espalhadas na solução de polímero obtida na etapa precedente para prover uma mistura de partículas inorgânicas com o polímero ligante.
[0061] É preferível executar uma etapa de pulverização das partículas inorgânicas depois de acrescentar as partículas inorgânicas à solução de polímero ligante. O tempo necessário para a pulverização é, adequadamente, de 1~20 horas. O tamanho de partícula das partículas pulverizadas preferivelmente está na faixa de 0,001 e 10 □. Podem ser usados métodos de pulverização convencionais, preferivelmente um método usando um moinho de esferas.
[0062] Embora não haja nenhuma limitação particular na composição da mistura contendo partículas inorgânicas e polímero ligante, tal composição pode contribuir para controlar a espessura, o tamanho de poro e a porosidade do separador poroso compósito orgânico/inorgânico a ser formado e acabado.
[0063] Em outras palavras, à medida em que a relação de peso (I/P) das partículas inorgânicas (I) para o polímero (P) aumenta, a porosidade do separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção aumenta. Então, a espessura do separador poroso compósito orgânico/inorgânico aumenta sob o mesmo conteúdo sólido (peso das partículas inorgânicas + peso do polímero ligante). Adicionalmente, os tamanho de poro aumenta em proporção à formação de poros entre as partículas inorgânicas. À medida em que o tamanho (diâmetro de partícula) das partículas inorgânicas aumenta, aumenta a distância intersticial entre as partículas inorgânicas, aumentando assim o tamanho dos poros.
[0064] (3) a mistura de partículas inorgânicas com polímero ligante é recoberta no substrato separador baseado em poliolefina, seguido por secagem para prover o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção.
[0065] Para recobrir o substrato separador baseado em poliolefina com a mistura de partículas inorgânicas e polímero ligante, pode ser usado qualquer método conhecido pelos qualificados na arte. É possível usar vários processos incluindo cobertura por imersão, cobertura por moldagem, cobertura por rolagem, cobertura simples ou combinações relacionadas. Adicionalmente, quando a mistura contendo partículas inorgânicas e polímero é recoberta no substrato separador baseado em poliolefina, qualquer uma ou ambas as superfícies do substrato separador podem ser recobertas.
[0066] O separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, obtido como descrito acima, pode ser usado como um separador em um dispositivo eletroquímico, preferivelmente em uma bateria secundária de lítio. Se o polímero ligante usado na camada ativa for um polímero capaz de ser gelificado quando intumescido com um eletrólito líquido, o polímero pode reagir com o eletrólito injetado depois da montagem da bateria usando-se o separador, sendo assim gelificado para formar um eletrólito compósito orgânico/inorgânico do tipo gel.
[0067] O eletrólito compósito orgânico/inorgânico do tipo gel de acordo com a presente invenção é preparado com facilidade se comparado a eletrólitos de polímero do tipo gel de acordo com o estado da arte anterior, e tem um grande espaço para ser preenchido com um eletrólito líquido devido à sua estrutura micro-porosa, apresentando excelente condutividade de íons e um alto grau de intumescência com o eletrólito, resultando assim em melhorias na qualidade da bateria.
[0068] Aqui, quando o separador poroso compósito orgânico/inorgânico é usado como um separador em um dispositivo eletroquímico, preferivelmente em uma bateria secundária de lítio, a condução de lítio pode ser realizada pelo substrato separador e pela camada ativa porosa. Além de tal condutividade de íons de lítio melhorada, o dispositivo eletroquímico pode apresentar melhor segurança conforme descrito acima, quando ocorre um curto-circuito interno devido a impactos externos.
[0069] Mais adiante, a presente invenção provê um dispositivo eletroquímico compreendendo: um catodo; um anodo; o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, que é interposto entre o catodo e o anodo; e um eletrólito.
[0070] Tais dispositivos eletroquímicos incluem qualquer dispositivo no qual ocorram reações eletroquímicas, e exemplos particulares incluem todos os tipos de baterias primárias, baterias secundárias, células termo-elétricas, células solares ou capacitores. Particularmente, o dispositivo eletroquímico é uma bateria secundária de lítio incluindo uma bateria secundária de metal de lítio, uma bateria secundária de íons de lítio, uma bateria secundária de polímero de lítio ou uma bateria secundária de polímero de íons de lítio.
[0071] O dispositivo eletroquímico pode ser fabricado por um método convencional conhecido pelos qualificados na arte. Em uma forma de incorporação do método para fabricar o dispositivo eletroquímico, o dispositivo eletroquímico é provido formando-se uma montagem de eletrodos do separador poroso compósito orgânico/inorgânico interposto entre o catodo e o anodo, e injetando-se então um eletrólito na montagem.
[0072] O eletrodo que pode ser aplicado junto com o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção pode ser formado aplicando-se um material ativo de eletrodo em um coletor de corrente de acordo com um método conhecido pelos qualificados na arte. Particularmente, materiais ativos de catodo podem ser quaisquer materiais ativos convencionais de catodo atualmente usados em um catodo de um dispositivo eletroquímico convencional. Exemplos particulares não- limitativos de material ativo de catodo incluem materiais de intercalação de lítio tais como óxidos de manganês de lítio, óxidos de cobalto de lítio, óxidos de níquel de lítio, ou seus óxidos compósitos. Adicionalmente, materiais ativos de anodo podem ser quaisquer materiais ativos convencionais de anodo atualmente usados em um anodo de um dispositivo eletroquímico convencional. Exemplos particulares não- limitativos de material ativo de anodo incluem materiais de intercalação de lítio tais como metal de lítio, ligas de lítio, carbono, coque de petróleo, carbono ativado, grafite ou outros materiais carbonáceos. Cada material ativo de eletrodo é unido ao respectivo coletor de corrente para prover o eletrodo correspondente. Exemplos não-limitantes de um catodo coletor de corrente incluem chapa formada de alumínio, níquel ou uma combinação relacionada. Exemplos não-limitativos de um anodo coletor de corrente incluem chapa formada de cobre, ouro, níquel, ligas de cobre ou uma combinação relacionada.
[0073] O eletrólito que pode ser usado na presente invenção inclui um sal representado pela fórmula de A+B-, em que A+ representa um cátion de metal alcalino selecionado do grupo que consiste em Li+, Na+, K+ e suas combinações, e B- representa um ânion selecionado do grupo que consiste em PF6-, BF4-, Cl-, Br-, I-, ClO4-, AsF6- , CH3CO2-, CF3SO3-, N(CF3SO2)2-, C(CF2SO2)3- e suas combinações, o sal sendo dissolvido ou dissociado em um solvente orgânico selecionado do grupo que consiste em carbonato de propileno (CP), carbonato de etileno (CE), carbonato de dietila (CDE), carbonato de dimetila (CDM), carbonato de dipropila (CDP), sulfóxido de dimetila, acetonitrilo, dimetóxi-etano, dietóxi-etano, tetrahidrofurano, N-metil-2-pirrolidona (NMP), carbonato de etilmetila (CEM), gama-butirolactona (GBL) e suas misturas.
[0074] Mais particularmente, o eletrólito pode ser injetado em uma etapa adequada durante o processo de fabricação de um dispositivo eletroquímico, de acordo com o processo de manufatura e propriedades desejadas do produto final. Em outras palavras, o eletrólito pode ser injetado antes que o dispositivo eletroquímico seja montado ou em uma etapa final durante a montagem do dispositivo eletroquímico.
[0075] Processos que podem ser usados para aplicar o separador poroso compósito orgânico/inorgânico em uma bateria não apenas incluem um processo de enrolamento convencional mas também um processo de laminação (empilhamento) e dobragem de um separador e um eletrodo.
[0076] Quando o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção é aplicado em um processo de laminação, há a vantagem de que a bateria pode ser montada com facilidade em virtude da excelente adesão do polímero presente no separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção. Neste caso, a adesão pode ser controlada dependendo do conteúdo de partículas inorgânicas e do conteúdo e propriedades do polímero. Mais particularmente, à medida em que a polaridade do polímero aumenta e como a temperatura de transição vítrea (Tv) ou ponto de fusão (Tf) do polímero diminui, é possível realizar uma adesão mais forte entre o separador poroso compósito orgânico/inorgânico e o eletrodo.
MELHOR MODO DE EXECUÇÃO DA INVENÇÃO
[0077] Referência será feita agora em detalhes às formas de incorporação preferidas da presente invenção. Será entendido que os exemplos a seguir são apenas ilustrativos e que a presente invenção não se limita a eles.
Exemplo de referência - Avaliação para a condutividade de íons um sistema compósito orgânico/inorgânico
[0078] O seguinte teste foi executado para determinar variações na condutividade de íons do sistema compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, dependendo da relação de mistura de partículas inorgânicas e polímero ligante.
[0079] BaTiO3 e FCTE-PVdF foram usados como partículas inorgânicas e polímero ligante, respectivamente. A relação de mistura (% em peso de partículas inorgânicas/% em peso de polímero ligante) variou de 0:100 a 70:30 para prover separadores porosos compósitos orgânicos/inorgânicos. Então, cada separador foi intumescido com um eletrólito contendo 1M de hexafluorofosfato de lítio (LiPF6) dissolvido em carbonato de etileno/carbonato de propileno/carbonato de dietila (CE/CP/CDE = 30:20:50% em peso). Então, o separador intumescido com o eletrólito foi medido para a condutividade de íons usando um instrumento Metrohm 712. A medição foi executada a uma temperatura de 25 °C.
[0080] Conforme mostrado na fig. 4, à medida em que o conteúdo de partículas inorgânicas aumenta, a condutividade de íons é melhorada. Particularmente, quando as partículas inorgânicas são usadas em uma quantidade maior do que 50% em peso, a condutividade de íons é significativamente melhorada.
[0081] Então, imagina-se que o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção apresenta excelente condutividade de íons, se comparado a um separador convencional que compreende partículas inorgânicas e um polímero, onde o conteúdo de polímero é maior do que o conteúdo de partículas inorgânicas.
[EXEMPLOS 1-7]
Exemplo 1
1-1. Preparação de um separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE-PVdF/BaTiO3)
[0082] Copolímero de fluoreto-clorotrifluoroetileno polivinilideno (FCTE-PVdF) foi acrescentado a acetona em uma quantidade de cerca de 5% em peso e dissolvido a 50 °C durante aproximadamente 12 horas ou mais para formar uma solução de polímero. À solução de polímero obtida como descrito acima, foi adicionado pó de BaTiO3 em uma quantidade correspondendo à relação de BaTiO3/FCTE-PVdF = 90/10 (relação de % em peso). Depois, o pó de BaTiO3 foi esmagado e pulverizado durante aproximadamente 12 horas ou mais usando um método de moinho de esferas para formar uma borra. O pó de BaTiO3 na borra obtida como descrito acima tem um tamanho controlável de acordo com o tamanho (tamanho de partícula) das esferas usadas no moinho de esferas e o tempo de aplicação do moinho de esferas. Neste exemplo, o pó de BaTiO3 foi pulverizado em um tamanho de cerca de 400 nm para prover a borra. Então, a borra obtida como descrito acima foi recoberta em um separador de polietileno (porosidade: 45%) tendo uma espessura de cerca de 18 □ usando um processo de cobertura por imersão para uma espessura de camada de cobertura de cerca de 3 □. Depois da medição com um porosímetro, a camada ativa recoberta no separador de polietileno teve um tamanho de poro de 0,5 □ e uma porosidade de 58%. A fig. 1 mostra a estrutura da camada ativa.
1-2. Fabricação de uma bateria secundária de lítio (Fabricação do catodo)
[0083] A N-metil-2-pirrolidona (NMP) como um solvente, 94% em peso de LiCoO2 como um material ativo de catodo, 3% em peso de negro de fumo como agente condutivo e 3% em peso de PVDF como um ligante foram adicionados para formar a borra para um catodo. A borra foi recoberta em folha de Al tendo uma espessura de cerca de 20 □ como um coletor de catodo, e então secada para formar um catodo. Então, o catodo foi sujeito a prensagem por rolo.
(Fabricação do anodo)
[0084] A N-metil-2-pirrolidona (NMP) como um solvente, 96% em peso de pó de carbono como um material ativo de anodo, 3% em peso de PVDF como um ligante e 1% em peso de negro de fumo como um agente condutivo foram adicionados para formar uma borra misturada para um anodo. A borra foi recoberto em folha de cobre tendo uma espessura de cerca de 10 □ como um coletor de anodo, e então secada para formar um anodo. Então, o anodo foi sujeito a prensagem por rolo.
(Fabricação da bateria)
[0085] O catodo e o anodo obtidos como descrito acima foram montados com o separador poroso compósito orgânico/inorgânico obtido conforme descrito no Exemplo 1-1 por meio de um processo de empilhamento e dobramento para formar uma montagem de eletrodos. Então, um eletrólito (carbonato de etileno (CE)/carbonato de etilmetila (CEM) = 1:2 (relação de volume) contendo 1M de hexafluorofosfato de lítio (LiPF6)) foi injetado na montagem para prover uma bateria secundária de lítio.
Exemplo 2
[0086] O Exemplo 1 foi repetido para prover um separador poroso compósito orgânico/inorgânico (PVdF- HFP/BaTiO3) e uma bateria secundária de lítio compreendendo o mesmo, exceto que PVDF-HFP foi usado em vez de PVDF-CTFE. Depois da medição com um porosímetro, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico final teve uma espessura de 3 □ , e apresentou um tamanho de poro de 0,4 □ e uma porosidade de 56%.
Exemplo 3
[0087] O Exemplo 1 foi repetido para prover um separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE- PVdF/PMNPT) e uma bateria secundária de lítio compreendendo o mesmo, exceto que pó de PMNPT foi usado em vez de pó de BaTiO3. Depois da medição com um porosímetro, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico final teve uma espessura de 3 □ , e apresentou um tamanho de poro de 0,5 □ e uma porosidade de 57%.
Exemplo 4
[0088] O Exemplo 1 foi repetido para prover um separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE- PVdF/BaTiO3-Al2O3) e uma bateria secundária de lítio compreendendo o mesmo, exceto que pó misturado de BaTiO3 e Al2O3 (relação de peso = 90:10) foi usado em vez de pó de BaTiO3. Depois da medição com um porosímetro, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico final teve uma espessura de 3 □ , e apresentou um tamanho de poro de 0,4 □ e uma porosidade de 56%.
Exemplo 5
[0089] O Exemplo 1 foi repetido para prover um separador poroso compósito orgânico/inorgânico (PVDF- CTFE/LiTi2(PO4)3) e uma bateria secundária de lítio compreendendo o mesmo, exceto que pó de LiTi2(PO4)3 foi usado em vez de pó de BaTiO3, e o pó de LiTi2(PO4)3 foi pulverizado em um diâmetro de partícula de cerca de 500 nm para formar uma borra. Depois da medição com um porosímetro, a camada ativa recoberta no separador de polietileno teve um tamanho de poro de 0,5 □ e uma porosidade de 58%.
Exemplo 6
[0090] O Exemplo 1 foi repetido para prover um separador poroso compósito orgânico/inorgânico (PVdF- HFP/LiTi2(PO4)3) e uma bateria secundária de lítio compreendendo o mesmo, exceto que nem pó de BaTiO3 nem FCTE-PVdF foram utilizados, e pó de LiTi2(PO4)3 e PVDF- HFP foram usados, e o pó de LiTi2(PO4)3 foi pulverizado em um diâmetro de partícula de cerca de 500 nm para formar uma borra. Depois da medição com um porosímetro, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico final teve uma espessura de 3 □, e apresentou um tamanho de poro de 0,4 □ e uma porosidade de 56%.
Exemplo 7
[0091] O Exemplo 1 foi repetido para prover um separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE- PVdF/LiTi2(PO4)3-BaTiO3) e uma bateria secundária de lítio compreendendo o mesmo, exceto que pó misturado de LiTi2(PO4)3/BaTiO3 (relação de peso = 50:50) foi usado em vez de pó de BaTiO3. Depois da medição com um porosímetro, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico final teve uma espessura de 3 □, e apresentou um tamanho de poro de 0,4 □ e uma porosidade de 57%.
[Exemplos 1-2 comparativos]
Exemplo Comparativo 1
[0092] O Exemplo 1 foi repetido para prover uma bateria secundária de lítio, exceto que um separador de polietileno (PE) foi usado.
Exemplo Comparativo 2
[0093] O Exemplo 1 foi repetido para prover um filme compósito e uma bateria secundária de lítio compreendendo o mesmo, exceto que PVDF-CTFE e partículas inorgânicas (BaTiO3) foram usados em uma relação de peso de 70/30.
Exemplo Experimental 1 - Análise de superfície do separador poroso compósito orgânico/inorgânico
[0094] O seguinte teste foi executado para analisar a superfície do separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção.
[0095] A amostra usada neste teste foi o separador poroso compósito orgânico/inorgânico (FCTE-PVdF/BaTiO3) de acordo com o Exemplo 1, que é obtido recobrindo-se a mistura das partículas inorgânicas e polímero sobre um separador de polietileno.
[0096] Quando analisado usando-se um Microscópio de Esquadrinhamento de Elétrons (MEE), o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção apresentou estruturas de poros uniformes formadas no próprio substrato separador de polietileno (veja-se a fig. 2b) bem como na camada ativa na qual as partículas inorgânicas estão incorporadas (veja-se a fig. 2a).
Exemplo Experimental 2 - Avaliação do encolhimento por calor do separador poroso compósito orgânico/inorgânico
[0097] A seguinte experiência foi executada para comparar o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção com um separador convencional.
[0098] Os separadores porosos compósitos orgânicos/inorgânicos de acordo com os Exemplos 1 a 7 foram usados como amostras. Como um controle, um separador de PE foi usado.
[0099] Cada das amostras de teste foi conferida para o seu encolhimento por calor depois de armazenada a uma alta temperatura de 150 °C durante 1 hora. As amostras de teste proveram resultados diferentes depois de 1 hora a 150 °C. O separador de PE como o controle foi encolhido devido à alta temperatura, deixando somente seu formato exterior (veja-se a fig. 5a). Ao contrário, os separadores porosos compósitos orgânicos/inorgânicos de acordo com a presente invenção mostraram bons resultados sem encolhimento pelo calor (veja-se a fig. 5b).
Exemplo Experimental 3 - Avaliação da segurança do separador poroso compósito orgânico/inorgânico
[00100] O seguinte teste foi executado para avaliar a segurança do separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, comparado a um separador convencional.
[00101] Os separadores porosos compósitos orgânicos/inorgânicos de acordo com os Exemplos 1 a 7 foram usados como amostras. Como um controle, um separador de PE foi usado.
[00102] Geralmente, quando um curto-circuito interno acontece em uma bateria devido a fatores externos ou internos, o separador usado na bateria é quebrado e causa um contato direto entre o catodo e o anodo, e rápida emissão de calor e extensão da região de curto- circuito, resultando em degradação na segurança da bateria. Neste exemplo, um teste de pseudo-curto- circuito interno foi executado para avaliar a segurança de uma bateria em um curto-circuito interno.
[00103] Uma região pré-determinada do separador foi quebrada usando um punção tal como uma agulha aquecida a aproximadamente 450 °C para causar um curto-circuito interno artificial. O separador de PE de acordo com o Exemplo Comparativo 1 apresentou uma extensão significativa da região do separador, quebrada pelo punção (veja-se a fig. 6a). Isto indica que há grande possibilidade de curto-circuito interno em uma bateria. Ao contrário, no separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, a região quebrada do separador foi significativamente inibida de se estender (veja-se a fig. 6b). Isto demonstra que a camada ativa porosa composta orgânica/inorgânica previne um curto-circuito completo mesmo entre catodo e anodo se o separador for quebrado em uma bateria. Mais adiante, se um curto-circuito acontecer, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico inibe a extensão da região de curto- circuito, e assim contribui para melhorar a segurança da bateria.
Exemplo Experimental 4 - Avaliação da segurança contra curto-circuito interno da bateria secundária de lítio
[00104] O seguinte teste foi executado para avaliar a segurança da bateria secundária de lítio compreendendo o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção, contra um curto-circuito interno.
[00105] Um teste de esmagamento local foi executado usando a bateria secundária de lítio de acordo com o Exemplo 1 como uma amostra, e a bateria de acordo com o Exemplo Comparativo 1 compreendendo o separador de PE convencional como um controle.
[00106] No teste de esmagamento local, uma moeda com um diâmetro de 1 cm foi posicionada em uma bateria, e comprimida a uma velocidade constante para causar um curto-circuito interno artificial pelo contato direto entre o catodo e o anodo. Então, a bateria foi observada para explosão, ou não.
[00107] Depois do teste, na bateria de acordo com o Exemplo Comparativo 1 usando o separador baseado em poliolefina convencional, o separador explodiu imediatamente devido ao curto-circuito interno da bateria (veja-se a fig. 8a), e apresentou uma queda rápida na voltagem para zero (0) (veja-se a fig. 7).
[00108] Ao contrário, a bateria de acordo com o Exemplo 1 usando o separador poroso compósito orgânico/inorgânico não causou nenhuma explosão (veja-se a fig. 8b), e apresentou uma queda lenta na voltagem (veja-se a fig. 7). Isto indica que as partículas inorgânicas usadas no separador poroso compósito orgânico/inorgânico previnem o curto-circuito interno completo mesmo se o separador for quebrado por impactos externos, e a piezo-eletricidade das partículas inorgânicas permite um fluxo diminuto de corrente elétrica entre catodo e anodo, e assim contribui para melhorar a segurança da bateria em virtude de uma queda lenta na voltagem da bateria.
[00109] Então, pode ser visto a partir dos resultados anteriores que a bateria secundária de lítio compreendendo o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção tem excelente segurança.
Exemplo Experimental 5 - Avaliação da segurança da bateria secundária de lítio em sobrecarga
[00110] O seguinte teste foi executado para avaliar a segurança da bateria secundária de lítio em sobrecarga compreendendo o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção.
[00111] O seguinte teste de sobrecarga foi executado usando a bateria secundária de lítio de acordo com o Exemplo 1 como uma amostra, e a bateria de acordo com o Exemplo Comparativo 1 usando o separador de PE convencional como um controle.
[00112] No teste de sobrecarga, uma bateria foi avaliada para explosão ou não sob uma pré-determinada sobre-voltagem e sobre-corrente.
[00113] Depois do teste, a bateria de acordo com o Exemplo Comparativo 1 apresentou uma zona de segurança muito pequena na sobrecarga (veja-se a fig. 9a), enquanto a bateria de acordo com o Exemplo 1 apresentou uma zona de segurança significativamente estendida na sobrecarga (veja-se a fig. 9b). Isto indica que o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção tem excelentes propriedades térmicas.
Exemplo Experimental 6 - Avaliação da qualidade da bateria secundária de lítio
[00114] O seguinte teste foi executado para avaliar as características de taxa-C da bateria secundária de lítio compreendendo o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção.
[00115] As baterias secundárias de lítio de acordo com os Exemplos 1-7 foram usadas como amostras. Como controles, foram usadas a bateria com o separador de PE convencional de acordo com o Exemplo Comparativo 1, e a bateria usando o filme compósito compreendendo FCTE- PVdF/BaTiO3 (relação de peso = 30:70 % em peso) como um separador de acordo com o Exemplo Comparativo 2. Cada bateria tendo uma capacidade de 760 mAh foi sujeita a um ciclo com uma taxa de descarga de 0,5C, 1C e 2C. A Tabela 3 a seguir mostra a capacidade de descarga de cada bateria, a capacidade sendo expressa com base nas características de taxa-C.
[00116] Depois do teste, as baterias secundárias de lítio compreendendo os separadores porosos compósitos orgânicos/inorgânicos de acordo com os Exemplos 1 a 7 apresentaram características de taxa-C comparável àquelas da bateria usando um separador baseado em poliolefina convencional sob uma taxa de descarga de até 2C. Porém, a bateria compreendendo o separador compósito com um conteúdo mais alto de polímero de acordo com o Exemplo Comparativo 2 apresentou uma queda significativa na capacidade à medida em que a taxa de descarga aumentou. Isto indica que a bateria de acordo com o Exemplo Comparativo 2 tem pobre qualidade (veja-se a Tabela 1).Tabela 1
Aplicabilidade industrial
[00117] Como pode ser visto acima, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção tem uma camada ativa compreendendo partículas inorgânicas e um polímero ligante, que são recobertos em um substrato separador baseado em poliolefina tendo poros. Na camada ativa, as partículas inorgânicas são interconectadas entre si e fixadas pelo polímero ligante, e os volumes intersticiais entre as partículas inorgânicas formam uma estrutura micro-porosa resistente ao calor. Então, o separador poroso compósito orgânico/inorgânico de acordo com a presente invenção contribui para melhorar a segurança térmica, a segurança eletroquímica e a qualidade de uma bateria.
[00118] Enquanto esta invenção foi descrita com relação ao que é considerado agora ser a forma de incorporação mais prática e preferida, será entendido que a invenção não é limitada à forma de incorporação descrita e aos desenhos. Ao contrário, é pretendido que cubra várias modificações e variações dentro do espírito e escopo das reivindicações anexas.