BRPI0922248B1 - eletrodo e método de produção do mesmo - Google Patents

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Hosaka Kenji
Shimamura Osamu
Ibuka Shigeo
Inoue Shiho
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Nissan Motor
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Abstract

eletrodo e método de produção do mesmo um eletrodo inclui um coletor formado com uma camada de resina condutora e uma camada de material ativo formada sobre a camada de resina condutora. a camada de material ativo compreende um material ativo e um polímero de ligação e a camada de resina condutora está ligada por ligação por fusão térmica à camada de material ativo.

Description

ELETRODO E MÉTODO DE PRODUÇÃO DO MESMO
REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS CORRELATOS [001]Este pedido reivindica prioridade do Pedido de Patente Japonesa No. de Série 2008-324131, depositado em 19 de dezembro de 2008, que é incorporado ao presente documento a título de referência integralmente.
CAMPO TÉCNICO [002]A presente invenção se refere a um eletrodo e a um método de produção.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [003]Recentemente, a redução de emissões de carbono vem sendo genuinamente desejável visando-se a proteção ambiental. A indústria automotiva tem uma expectativa crescente para a introdução de veículos elétricos (EV) e veículos elétricos híbridos (HEV) para a redução de emissões de óxido de carbono e vem desenvolvendo cada vez mais baterias secundárias para o acionamento do motor, e que se tornam chave para a aplicação prática destes veículos elétricos. Dentre as baterias secundárias, dá se atenção a baterias secundárias de íon lítio, com uma alta densidade de energia e alta densidade de rendimento.
[004]Na bateria secundária de íon lítio, um eletrodo é geralmente formado aplicandose material ativo de eletrodo positivo ou material ativo de eletrodo negativo a um coletor com o uso de um material de ligação.
[005]Convencionalmente o coletor da bateria secundária de íon lítio é uma lâmina metálica. como um substituto de coletor em lâmina metálica, recentemente foi colocado em uso um coletor contendo resina condutora (Veja, por exemplo, a Publicação de patente divulgada japonesa No. 61.285664). O coletor condutor contendo resina é de peso menor do que o coletor de lâmina metálica e espera-se assim que melhore o rendimento energético da bateria.
SUMÁRIO [006]No entanto, o eletrodo com o coletor condutor contendo resina convencional tem o problema de uma grande resistência de contato ente o coletor condutor contendo resina e a camada de material ativo. Além disso, a bateria secundária de íon lítio tem o problema da separação da camada de material ativo do eletrodo negativo do positivo proveniente do coletor condutor contendo resina por aplicação de estresse à medida que a camada de material ativo do eletrodo positivo ou negativo se expande e se contrai devido à absorção ou liberação do lítio para a camada de material ativo durante os ciclos de carga/descarga.
[007]Em decorrência de uma pesquisa extensa, chegou-se à conclusão de que o problema acima pode ser solucionado por um eletrodo em que um coletor condutor tem uma camada de resina ligada por fusão térmica que se liga a uma camada de material ativo.
[008]Em modalidades da presente invenção, o eletrodo é formado por ligação por fusão térmica da camada de resina do coletor com a camada de material ativo. Isso torna
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2/30 possível melhorar a adesão entre o coletor e a camada de material ativo, impedir a separação da camada de material ativo do coletor e reduzir a resistência de contato entre o coletor e a camada de material ativo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [009]A descrição do presente documento faz referência aos desenhos apensos em que numerais de referência iguais se referem a componentes iguais em todas as diversas vistas e em que:
a Figura 1 é uma seção transversal esquemática de um eletrodo bipolar da uma modalidade da invenção;
a Figura 2 é uma seção transversal esquemática de uma bateria bipolar de acordo com uma modalidade da invenção;
a Figura 3 é uma vista em perspectiva da bateria bipolar de acordo com uma modalidade da invenção;
as Figuras 4A, 4B e 4C são uma vista em planta, uma vista em elevação e uma vista lateral de um conjunto de bateria respectivamente de acordo com uma modalidade da invenção;
a Figura 5 é uma vista esquemática de um veículo automotivo no qual o conjunto de bateria é montado de acordo com uma modalidade da invenção;
a Figura 6 é uma microfotografia ótica de um eletrodo bipolar de acordo com o exemplo 1 da invenção;
as Figuras 7A e 7B são vistas ampliadas de um lado positivo de eletrodo do eletrodo bipolar da Figura 6; e as Figuras 8A e 8B são vistas ampliadas de um lado negativo do eletrodo do eletrodo bipolar da Figura 6.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES DA INVENÇÃO [010]A presente invenção será descrita abaixo em detalhes com referência aos desenhos. Nos desenhos, as dimensões das partes e porções respectivas podem ser exageradas para fins de ilustração nos desenhos e podem ser diferentes das dimensões reais.
[011]A Figura 1 é uma vista esquemática mostrando eletrodo bipolar 1 par uma bateria bipolar secundário de íon lítio de acordo com uma modalidade (a que se refere como uma primeira modalidade) da invenção. O eletrodo bipolar 1 tem coletor 11, camada positiva de eletrodo (camada de material ativo positivo de eletrodo) 13 formada de um lado do coletor 11 e camada negativa de eletrodo (camada de material ativo negativo de eletrodo) 15 formada do outro lado do coletor 11. O coletor 11 é ligado por ligação por fusão térmica à camada de material ativo positiva de eletrodo 13 e à camada de material ativo negativo de eletrodo 15. Na primeira modalidade, o coletor 11 consiste em uma camada ou camadas de resina condutora.
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3/30 [012]A ligação por fusão térmica do coletor 11 às camadas de material ativo 13, 15 permite uma redução em resistência entre o coletor 11 e as camadas de material ativo 13, 15 e uma melhora na resistência de separação entre o coletor 11 e as camadas de material ativo 13, 15.
[013]No presente documento, ligação por fusão térmica se refere a um estado em que um material polimérico é amaciado e se faz aderir o mesmo a um material de substrato por aquecimento do material polimérico durante diversos segundo a diversas horas a uma temperatura superior ao ponto de amolecimento do material polimérico.
[014]No caso de uma bateria convencional diferente de uma bateria bipolar, um coletor tem a função de se coletar uma carga elétrica de um eletrodo negativo e de fornecer a carga elétrica em um lingueta ou de transmitir uma carga elétrica fornecida de um lingueta para um eletrodo positivo. É, portanto, necessário que o coletor da bateria convencional apresente uma baixa resistência elétrica em uma direção de transferência de carga horizontal (plana). Para se reduzir a resistência elétrica horizontal do coletor uma lâmina metálica de determinada espessura é usada como coletor da bateria convencional. No caso de uma bateria bipolar, por outro lado, um coletor fornece diretamente uma carga elétrica de seu lado de eletrodo negativo para o seu lado de eletrodo positivo. A carga elétrica corre em uma direção de laminação dos componentes estruturais da bateria bipolar e não precisa correr na direção horizontal da bateria bipolar. O coletor da bateria bipolar não é necessariamente fabricado de uma lâmina metálica assim como não é necessário se reduzir a resistência elétrica horizontal do coletor. Além disso, a aplicação de um coletor condutor contendo uma camada(s) de resina, de preferência um coletor consistindo em uma camada(s) de resina condutora ao eletrodo de bateria bipolar permite uma redução no peso de eletrodo. A redução do peso do eletrodo leva com vantagem a uma densidade de rendimento alta da bateria.
[015]Por estas razões, o eletrodo 1 da presente invenção é adequado para uso na bateria bipolar e é, portanto, de preferência, do tio bipolar como na primeira modalidade da Figura 1. Quando o eletrodo 1 da presente invenção for do tipo bipolar como na primeira modalidade, o coletor tem, de preferência, mas não necessariamente uma resistividade volumétrica de 102 a 10-5 Q*cm. O coletor com uma tal resistividade volumétrica é especialmente adequado para uso na bateria bipolar.
[016]Os componentes estruturais do eletrodo 1 serão explicados com mais detalhes abaixo.
[017]O coletor 11 tem pelo menos uma camada de resina condutora. Para a ligação por fusão térmica do coletor 11 às camadas de material ativo 13, 15, pelo menos uma camada mais externa do coletor 11 adjacente e contígua à camada de material ativo 13 ou 15 é formada em forma de camada de resina. Exemplos específicos do coletor 11 são os formados de uma ou mais camadas de resina ou formadas de um laminado de camadas de
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4/30 resina e lâmina metálica. Em termos de redução de peso, o coletor é formado, de preferência, de uma ou mais camadas de resina (isto é, uma única camada de resina ou duas ou mais camadas de resina).
[018]A camada de resina contém um material polimérico como um componente essencial. Para que a camada de resina apresente condutividade elétrica, há duas formas possíveis: (1) a forma em que o material polimérico é um polímero condutor; e (2) a forma em que a camada de resina contém uma carga condutora.
[019]O polímero condutor é selecionado dentre aqueles que tem condutividade elétrica, mas que não permitem a condução de íons como um meio de transferência de carga. Pode ser usado polieno conjugado como o polímero condutor, que se pressupõe que apresente condutividade elétrica por formação de faixa de energia e é atualmente prosseguindo na direção de uso prático em capacitores eletrolíticos etc. Os exemplos preferidos dos polienos conjugados são polianilina, polipirrol, politiofeno,poliacetileno, poliparafenileno, polifenileno vinileno, poliacrilonitrila, polioxadiazol e suas misturas. Especialmente preferidos são polianilina, polipirrol, politiofeno e poliacetileno em termos de condutividade elétrica e uso estável na bateria.
[020]A carga condutora é selecionada dentre aqueles que têm condutividade elétrica, mas que não permitem a condução de íons como um meio de transferência de carga e que têm a capacidade de resistir aos potenciais de eletrodo positivo e negativo a serem aplicados. Exemplos de carga condutora são partículas de alumínio, partículas de SUS, partículas de carbono, tais como grafite e negro de carbono, partículas de prata, partículas de ouro, partículas de cobre, partículas e titânio e quaisquer partículas condutoras de liga deles. A carga condutora não é limitada aos casos acima. a carga condutora pode consistir em uma única espécie ou em duas ou mais espécies. Quaisquer outras cargas condutoras práticas do ponto de vista comercial tal como as cargas denominadas de resina condutora tais como nanotubos de carbono também podem ser adequadamente usadas.
[021]A distribuição da carga condutora na camada de resina não é necessariamente uniforme e pode ser alterada dependendo da posição no interior da camada de resina. É possível se empregar duas ou mais espécies de materiais de carga condutora em combinação de tal modo, que os materiais de carga condutora tenham distribuições diferentes. A carga condutora do lado positivo do eletrodo pode ser diferente em espécie da carga do lado negativo do eletrodo. A carga condutora do lado positivo do eletrodo é, de preferência, selecionada dentre partículas de alumínio, partículas de SUS, partículas de ouro e partículas de carbono, sendo mais preferível em termos de condutividade elétrica, as partículas de carbono. A carga condutora do lado negativo do eletrodo é, de preferência, selecionada dentre partículas de prata, partículas de ouro, partículas de cobre, partículas de titânio, partículas de SUS e partículas de carbono, sendo mais preferível, em termos de condutividade elétrica,
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5/30 as partículas de carbono. As partículas de carbono tais como de negro de carbono e grafite têm uma janela de grande potencial de modo a serem estáveis dentro de limites amplos de potenciais negativos e positivos do eletrodo e de apresentarem uma condutividade elétrica elevada. As partículas de carbono também economizam peso para minimizar o aumento em peso. Além disso, as partículas de carbono estão frequentemente contidas como um adjuvante condutor na camada de eletrodo. NO caso de se usar as partículas de carbono como a carga condutora, as partículas de carbono podem ser submetidas a um tratamento hidrófobo de modo a reduzir a compatibilidade de um material eletrólito com o coletor e tornando, assim, improvável que o material do eletrólito penetrará nos poros do coletor.
[022]O tamanho médio de partícula da carga condutora não é especialmente restrito, mas geralmente se encontra dentro dos limites de 10 nm e 100 pm. No presente relatório, o termo “tamanho de partícula” se refere a uma distância L máxima entre dois pontos no contorno de uma partícula. O termo “tamanho médio de partícula” se refere a uma média dos tamanhos de partícula de partículas observadas. Um procedimento do método de cálculo do tamanho médio de partícula é o seguinte. Primeiro é observada uma parte aleatória dos materiais alvo por meios de observação tais como um microscópio eletrônico de varredura (SEM) ou um microscópio eletrônico de transmissão (TEM). Em seguida mede-se um diâmetro de partícula de uma partícula existente no campo aleatório observado de visão. Em seguida altera-se o campo de visão e o diâmetro de partícula de partículas em um outro campo de visão é medido pelo mesmo método. Enquanto se altera um campo de visão a mesma observação é repetida diversas vezes ou dúzias de vezes. O tamanho médio de partícula é a média dos diâmetros de partícula medidos em cada campo de visão.
[023]Quando a carga condutora está contida na camada de resina, o material polimérico da camada de resina inclui, de preferência, um polímero não condutor que cumpre a função de ligação à carga condutora. O uso de tal polímero não condutor na camada de resina melhora a ligação da carga condutora para melhorar a confiabilidade das baterias. O polímero não condutor é selecionado dentre aqueles que têm a capacidade de resistir aos potenciais positivo e negativo do eletrodo a serem aplicados. É preferido que o polímero não condutor seja um polímero termoplástico pra a ligação por fusão térmica do coletor 11 às camadas de material ativo 13, 15.
[024]Os exemplos do polímero não condutor são: poliolefinas tais como polietileno (PE) e polipropileno (PP); poliésteres tais como tereftalato de polietileno (PET) e polieternitrila (PEN); poliimida (PI); poliamida (PA); fluoreto de polivinilideno (PVdF); politetrafluoretileno (PTFE); borracha de estireno-butadieno (SBR); poliacrilonitrila (PAN); poli (acrilato de metila) (PMA); poli(metacrilato e metila) (PMMA) e poli (cloreto de vinila) (PVC). Os compostos poliméricos acima podem ser usados isoladamente ou em combinação de dois ou mais deles.
Dentre estes, são preferidas as poliolefinas, poliésteres, poliimida, poliamida e fluoreto de
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6/30 polivinilideno. Estes compostos poliméricos se fundem facilmente por calor e são assim facilmente ligados por ligação por fusão à camada de material ativo. Além disso, estes compostos poliméricos têm uma janela de potenciais grande, de modo que são estáveis os potenciais positivo e negativo e economizam peso para uma densidade de rendimento elevada da bateria.
[025]O polímero condutor tem, de preferência, um ponto de amolecimento de 50 a 400°C, sendo mais preferível de 100 a 200°C. O polímero não condutor tem, de preferência, um ponto de amolecimento de 50 a 400°C. Quando a camada de material ativo contém um polímero de ligação termoplástico, o material polimérico tem, de preferência um ponto de amolecimento de 100 a 200°C. Controlando-se o ponto de amolecimento dos polímeros para se manter dentro de tais limites é possível se melhorar a ligação por fusão térmica e se obter um aumento da produtividade. No presente relatório, o ponto de amolecimento é medido pelo teste do ponto de amolecimento Vicat de acordo com JIS K 7206 (1999). No caso do material polimérico ser uma mistura de dois ou mais polímeros, o ponto de amolecimento da mistura de polímeros é medido e empregado como um ponto de amolecimento geral. O mesmo se aplica ao ponto de amolecimento do polímero de ligação que será descrito a seguir.
[026]A relação entre os teores do material polimérico e da carga condutora não é especialmente restrita. O teor da carga condutora varia, de preferência, de 2 a 90% em massa, sendo mais preferível de 10 a 50% em massa com base na massa total do material polimérico e da carga condutora. Acrescentando-se uma quantidade suficiente de carga condutora, é possível se conferir uma condutividade elétrica adequada ao coletor.
[027]O material polimérico da camada de resina pode ser selecionado conforme for adequado, dependendo do polímero de ligação da camada de material ativo. É preferível que o material polimérico da camada de resina tenha um ponto de amolecimento inferior a um ponto de fusão do polímero de ligação da camada de material ativo, ou que o polímero de ligação da camada de material ativo seja um polímero de ligação termorrígido. Se o polímero de ligação do eletrodo fundir, ocorre a possibilidade de aumentar a resistência do eletrodo produzindo a deterioração do desempenho de uma bateria devido a uma redução no contato do material ativo do eletrodo ou do adjuvante condutor. É, portanto, desejável se ajustar a temperatura de ligação por fusão térmica adequadamente selecionando-se o material polimérico da camada de resina e o polímero de ligação da camada de material ativo de tal modo que o ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina seja inferior ao ponto de fusão do polímero de ligação da camada de material ativo ou selecionando-se o polímero de ligação termorrígido para a camada de material ativo. Esta seleção de material e ajuste da temperatura de ligação por fusão térmica permite que o material polimérico da camada de resina funda, mas não permite que o polímero de ligação da camada
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7/30 de material ativo funda, durante o processo de ligação por fusão térmica do coletor 11 às camadas de material ativo 13, 15, visando prevenir um aumento na resistência de partícula a partícula na camada de eletrodo e para garantir uma ligação por fusão térmica adequada do coletor 11 à camada de eletrodo (camadas de material ativo 13, 15). É, portanto, possível se obter uma redução da resistência de contato entre a camada de resina condutora e a camada de eletrodo para melhorar o desempenho de rendimento da bateria. Os limites adequados da temperatura de ligação por fusão térmica serão explicados mais adiante. O ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina se encontra, de preferência de 10 a 100°C mais baixo, sendo mais preferível de 10 a 55°C mais baixo, do que o ponto de fusão do polímero de ligação, embora ele varie dependendo do material.
[028]Quando duas camadas de material ativo 13, 15 são formadas dos lados opostos do coletor 11, os polímeros de ligação destas camadas de material ativo 13, 15 podem ser de espécies diferentes entre si. Neste caso, é preferível se selecionar o material polimérico da camada de resina do coletor 11 de tal modo, que o ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina é inferior do que o inferior dos pontos de fusão dos polímeros de ligação das camadas de material ativo 13, 15. Quando o coletor 11 tem uma multiplicidade de camadas de resina, é preferível que o ponto de fusão do polímero de ligação das camadas de material ativo 13, 15 seja superior ao ponto de amolecimento do material polimérico da camada mais externa do coletor 11 contígua às camadas de material ativo 13, 15. É ainda preferível que, quando o coletor 11 tem uma estrutura laminada de duas ou mais camadas de resina em que as duas camadas mais externas contêm materiais poliméricos de diferentes pontos de amolecimento e se encontra entre duas camadas de material ativo 13, 15, os pontos de fusão dos polímeros de ligação sejam superiores ao mais alto dos pontos de amolecimento dos materiais poliméricos das camadas mais externas do coletor 11.
[029]O coletor 11 pode conter qualquer aditivo ou aditivos ao material polimérico e à carga condutora.
[030]Embora a espessura do coletor 11 não seja especialmente restrita, é desejável se minimizar a espessura do coletor 11 para uma densidade de rendimento elevada da bateria. Na bateria bipolar, o coletor 11 entre os eletrodos positivo e negativo (camada de material ativo positiva 13 e camada de material ativo negativa 15) pode ser produzido tendo uma alta resistência elétrica e assim ter uma pequena espessura. Mais especificamente, a espessura do coletor 11 é de preferência de 500 pm ou menos, sendo mais preferível que seja de 0,1 a 80 pm.
[031]Conforme foi explicado acima, o coletor 11 pode ser formado por uma única camada de resina ou ser formado por um material laminado tendo duas ou mais camadas de resina. É desejável que o coletor 11 compreende uma única camada de resina em termos de produtividade e economia. Por outro lado, é também desejável que o coletor 11 comprePetição 870190054166, de 12/06/2019, pág. 17/53
8/30 enda um material laminado de três ou mais camadas de resina. quando o coletor 11 compreende um material laminado de três camadas, por exemplo, para uso no eletrodo bipolar, o material laminado inclui duas camadas mais externas contíguas às camadas de material ativo 13, 15 e uma camada interna entre estas duas camadas mais externas. A presença de uma tal camada no coletor 11 leva a um aumento na resistência a destaque entre o coletor 11 e as camadas de material ativo 13, 15. Pressupõe-se que o motivo para o aumento de resistência a destaque seja o fato de que a camada interna exerce um efeito tampão para aumentar a adesão da camada de resina mais externa e das camadas de material ativo 13, 15. Doravante, no caso do material laminado de três ou mais camadas, duas das três ou mais camadas localizadas o mais externamente do material laminado são denominadas de “camadas mais externas”; e qualquer uma das camadas interpostas entre as camadas mais externas são denominadas “camada(s) interna(s)”. Em termos de espessura geral do coletor, o número de camadas de resina do material laminado do coletor 11 é, de preferência, dez ou menos. Além disso, a espessura de cada uma das camadas de resina do coletor 11 é, de preferência de 0,1 a 500 pm, sendo, de preferência, de 0,1 a 80 pm.
[032]Quando o coletor 11 tem três ou mais camadas de resina, é preferível que o ponto de amolecimento do material polimérico das camadas de resina mais externas adjacentes e contíguas às camadas de material ativo 13, 15 seja inferior ao ponto de amolecimento do material polimérico da camada interna interposta entre as camadas mais externas. Se o material polimérico da camada interna fundir antes do material polimérico das camadas mais externas adjacentes e contíguas às camadas de material ativo 13, 15 no processo de ligação por fusão térmica, ocorre a possibilidade de que o efeito tampão da camada interna seja reduzido e possa deixar de aumentar a resistência a destaque do coletor 11 e das camadas de material ativo 13, 15. É, portanto, desejável se ajustar a temperatura de ligação por fusão térmica selecionando-se os materiais poliméricos de tal modo que o ponto de amolecimento do material polimérico da camada interna seja superior ao ponto de amolecimento do material polimérico da camada mais externa. Esta seleção de material e ajuste da temperatura da ligação por fusão térmica permitem que a camada interna exerça seu efeito tampão adequadamente e assim melhore a resistência a destaque do coletor 11 e das camadas de material ativo 13, 15. Os limites adequados da temperatura de ligação por fusão térmica serão explicados mais tarde. Quando duas ou mais camadas internas estão presentes, é preferível se selecionar os materiais poliméricos de tal modo que o ponto de amolecimento das camadas mais externas adjacentes e contíguas às camadas de material ativo 13, 15 seja inferior ao mais inferior dos pontos de amolecimento dos materiais poliméricos das camadas internas.
[033]Quando o coletor 11 tem duas camadas mais externas adjacentes e contíguas às camadas de material ativo 13, 15 como no eletrodo bipolar, é preferível se selecionar os
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9/30 materiais poliméricos de tal modo, que o ponto de amolecimento do material polimérico da camada interna seja superior ao mais alto dos pontos de amolecimento dos materiais poliméricos das duas camadas mais externas.
[034]A resistência do coletor 11 tampouco é especialmente restrita. É preferível se selecionar o material ou materiais do coletor 11 de tal modo, que a resistência do coletor 11 seja inferior ou igual a um centésimo da resistência total da bateria, sendo mais preferível inferior ou igual a um milésimo da resistência total da bateria.
[035]As camadas de material ativo 13, 15 contêm um material ativo e opcionalmente um aditivo ou aditivos.
[036]Mais especificamente, a camada de material ativo do eletrodo positivo 13 contém um material ativo de eletrodo positivo. Exemplos de material ativo de eletrodo positivo são óxidos de compósitos de lítio-metais de transição tais como LiMn2O4, LiCoO2, LiNiO2, Li (NiCo-Mn) O2 e aqueles em que um outro elemento substitui parte do metal de transmissão. Dois ou mais tipos de materiais ativos podem ser usados em combinação. em termos de capacidade e características de saída, os óxidos de compósitos de lítio-metal de transição são preferidos como material ativo de eletrodo positivo. É desnecessário se dizer que qualquer outro material ativo de eletrodo positivo pode ser adequadamente usado.
[037]A camada de material ativo de eletrodo negativo 15 contém um material ativo de eletrodo negativo. Exemplos de material ativo de eletrodo negativo são materiais de carbono tais como grafite, carbono macio e carbono duro, óxido de compósito de lítio-metal de transição tais como LÍ4TÍ5O12, materiais de eletrodo negativo de liga de materiais metálicos e lítio. Dois ou mais tipos de materiais ativos de eletrodo negativo podem ser usados em combinação. Em termos de capacidade e características de rendimento, os materiais de carbono e óxidos de compósitos de lítio-metais de transição são preferidos como o material ativo de eletrodo negativo. É desnecessário se dizer que outros materiais ativos de eletrodo negativo podem ser adequadamente usados.
[038]O tamanho de partícula médio do material ativo nas camadas de material ativo 13, 15 não é especialmente restrito e varia de preferência de 1 a 20 pm em termos de desempenho de alto rendimento.
[039]As camadas de material ativo 13, 15 também contêm o polímero de ligação conforme mencionado acima. Não existe nenhuma restrição especial ao polímero de ligação contido nas camadas de material ativo 13, 15. Os exemplos preferidos do polímero de ligação contido nas camadas de material ativo 13, 15 são: polipropileno; poliésteres tais poli(tereftalato de etileno) (PET) e polieternitrila (PEN); poliimida; poliamida; poli(fluoreto de vinilideno (PVdF); resina epoxídica; e borracha sintética. Estes compostos poliméricos de ligação têm uma grande janela de potenciais de modo a serem estáveis a uma ampla faixa de potenciais de eletrodos positivos e negativos e apresentam uma alta resistência a calor
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10/30 por serem usados adequadamente nas camadas de material ativo 13, 15. Os compostos poliméricos podem ser usados sozinhos ou em combinação de dois ou mais deles. Dentre os exemplos, os mais preferidos são PVdF e a resina epoxídica em termos de temperatura de ligação por fusão térmica e propriedade de ligação de eletrodos. Quando o polímero de ligação é um polímero termoplástico, o ponto de amolecimento do polímero de ligação varia, de preferência, de 10 a 1000°C, sendo mais preferível de 50 a 5000°C. Além disso, o ponto de fusão do polímero de ligação varia de preferência, de 15 a 1050°C, sendo mais preferível de 55 a 510°C. Empregando-se o controle dos limites térmicos, é possível se aumentar a facilidade da ligação por fusão térmica e se obter um aumento de produtividade. É também preferível que o polímero de ligação seja um polímero termorrígido para facilitar a ligação por fusão térmica. Os exemplos preferidos do polímero de ligação termorrígido são poliimida termorrígida, poliamida termorrígida, resina epoxídica e borracha sintética. Dentre estes, a poliimida termorrígida e a resina epoxídica são especialmente preferidas.
[040]O teor do material de ligação polimérico nas camadas de material ativo 13, 15 não é especialmente restrito, desde que seja suficiente para ligar o material ativo. É preferível que o teor do polímero de ligação seja de 0,1 a 99% em massa, sendo mais preferível de 1 a 50% em massa com base na massa total da camada de material ativo 13, 15.
[041]Os demais aditivos da camada de material ativo incluem um adjuvante condutor, um sal eletrolítico (sal de lítio) e um polímero condutor de íons.
[042]O adjuvante condutor se refere a um aditivo para melhorar a condutividade da camada de material ativo do eletrodo positivo ou negativo 13, 15. Exemplos de adjuvante condutor são materiais de carbono tais como negro de carbono, tal como negro de acetileno, grafite e fibra de carbono criada no vapor. A adição do adjuvante condutor às camadas de material ativo 13, 15 permite a formação efetiva de uma rede eletrônica no interior das camadas de material ativo 13, 15 e contribui para melhorar o desempenho do rendimento da bateria.
[043]Exemplos de sal eletrolítico (sal de lítio) são Li(C2F5SO2)2, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6 e UCF3SO3.
[044]Exemplos de polímero condutor de íons são polímeros de óxido de polietileno (PEO) e polímeros de óxido de polipropileno (PPO).
[045]A relação entre teores das camadas de material ativo 13, 15 não é especialmente restrita e pode ser ajustada conforme adequado à luz de qualquer conhecimento sobre baterias secundárias de solvente não aquoso. A espessura das camadas de material ativo 13, 15 tampouco é especialmente restrita e pode ser ajustada à luz de conhecimento sobre baterias. A espessura de cada uma das camadas de material ativo 13, 15 varia entre aproximadamente 2 e 100 pm.
[046]O eletrodo 1 da presente invenção não é limitado ao eletrodo bipolar como na
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11/30 primeira modalidade da Figura 1 e pode ser alternativamente configurado como eletrodo positivo, no qual as camadas de material ativo de eletrodo positivo 13 são formadas nos lados opostos do coletor ou um eletrodo negativo em que as camadas de material ativo de eletrodo negativo 15 são formadas de lados opostos do coletor. Deve se observar, no entanto, que, quando o eletrodo é configurado como eletrodo bipolar, os efeitos da presente invenção são mais acentuados conforme foi mencionado acima.
[047]Um método de produção de eletrodo preferível (a que se refere como a segunda modalidade) inclui uma primeira etapa para dotar um coletor 11 com a camada de resina condutora e para formar as camadas de material ativo 1,3, 15 contendo o material ativo e o polímero de ligação na camada de resina e uma segunda etapa para a ligação da camada de resina às camadas de material ativo 13, 15 por ligação por fusão térmica.
[048]Conforme foi explicado acima, o coletor 11 com a camada de resina condutora tem uma vantagem em redução de peso, mas pode levar a dificuldades na produção do eletrodo 1. Ocorre um caso, por exemplo, em que, no momento de se revestir com a pasta de eletrodo a camada de resina, ocorre um escorrimento do material de revestimento devido à baixa compatibilidade do solvente de revestimento de eletrodo com a camada de resina. Existe também um caso em que o coletor 11 não pode ser submetido a uma pressão forte uma vez que o material polimérico está contido no coletor 11. NO entanto, a ligação por fusão térmica do coletor 11 com as camadas de material ativo 13, 15 permite uma fácil produção do eletrodo 1 com uma resistência maior à destaque entre o coletor 11 e as camadas de material ativo 13, 15.
[049]Cada uma das etapas de produção será explicada abaixo, começando com a primeira etapa [050]A camada de resina contendo polímero do coletor 11 pode ser formada, de preferência, por pulverização ou aplicação. Mais especificamente a camada de resina pode ser formada preparando-se uma posta contendo material polimérico e aplicando-se e curandose a pasta. Como o material polimérico para a preparação da pasta foi exemplificado acima, será omitida uma explicação mais detalhada do material polimérico. A carga condutora pode estar adicionalmente contida na pasta. Explicações mais detalhadas da carga condutora serão também omitidas uma vez que a carga condutora já foi exemplificada acima. Alternativamente, a camada de resina pode ser formada pelo seguinte procedimento: uma pelota é preparada fundindo-se/sovando-se o material polimérico e, em alguns casos, a carga condutora e opcionalmente qualquer solvente adequado, extrusando-se em seguida a pelota preparada sobre uma folha ou película.
[051]Quando o coletor 11 tem uma multiplicidade de camadas de resina, não existe nenhuma limitação especial quanto ao processo de laminação das camadas de resina contendo polímero. As camadas de resina podem ser laminadas por qualquer processo conhePetição 870190054166, de 12/06/2019, pág. 21/53
12/30 cido tal como o processo de laminação a seco, processo de laminação por extrusão, processo de laminação termofusível, processo de laminação úmida ou processo de laminação térmico.
[052]Um exemplo preferido da primeira etapa inclui a preparação da pasta com a adição do material ativo e do polímero de ligação ao sol, aplicando-se então a pasta de eletrodo a um substrato de transferência. O material do substrato de transferência não é especialmente limitado. No entanto, é desejável que o substrato de transferência seja fácil de ser separado da camada de eletrodo (camadas de material ativo de eletrodo positivo e negativo 13, 15) e que tenha uma resistência a destaque suficiente para resistir à separação mesmo quando submetido a operação da prensa. Exemplos específicos do substrato de transferência são materiais em lâmina de metal tais como lâmina de alumínio, lâmina de cobre, lâmina SUS e lamina de titânio. É preferível, depois da formação das camadas de material ativo 13, 15 com a aplicação da pasta do eletrodo ao substrato de transferência, se laminar o coletor 11 sobre as camadas de material ativo 13, 15 e submeter em seguida o laminado resultante (a que se refere também como “laminado de eletrodo-substrato de transferência”) à segunda etapa subsequente, O escorrimento da pasta de eletrodo tem a probabilidade de ocorrer quando a pasta de eletrodo é diretamente aplicada ao coletor 11. No entanto a formação das camadas de material ativo 13, 15 no coletor 11 por tal técnica de transferência torna improvável que ocorra o escorrimento da pasta de eletrodo e torna possível assim se melhorar a adesão entre as camadas de material ativo 13, 15 e o coletor 11. É preferível ainda que depois da aplicação da pasta de eletrodo ao substrato de transferência, se submeta o laminado a compressão conforme apropriado.
[053]Um outro exemplo preferível da primeira etapa inclui a preparação de uma pasta de eletrodo de alta viscosidade (como um precursor de camada de material ativo), aplicando-se então a pasta de eletrodo à camada de resina. A formação das camadas de material ativo 13, 15 pela aplicação direta da pasta de eletrodo ao coletor 11 elimina o processo de se aplicar o material de eletrodo o substrato de transferência como na técnica de transferência acima, tornando, assim, possível a simplificação do método de produção de eletrodos. Quando a pasta de eletrodo é de baixa viscosidade, existe uma possibilidade de que o escorrimento da pasta de eletrodo ocorra durante a aplicação da pasta ao coletor 11. É, portanto, preferível que a pasta tenha uma viscosidade alta, de modo a ser aplicada sobre a camada de resina sem escorrer. A viscosidade da pasta é, de preferência, na faixa de 100 a 100.000 cps a 30 a 40°C.
[054]Não existe nenhuma limitação específica ao processo de aplicação da pasta de eletrodo ao substrato de transferência/coletor 11. A pasta de eletrodo pode ser aplicada por qualquer processo comum tal como processo de revestidor de escorrimento automático, processo de bisturi ou processo de pulverização.
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13/30 [055]A pasta de eletrodo é preparada por mistura do material ativo, adjuvante condutor e polímero de ligação, opcionalmente juntamente com outros componentes (polímero condutor de íons, por exemplo, sal de suporte (sal de lítio), iniciador de polimerização, dispersante etc.), conforme necessário em um solvente. Como os componentes da pasta já forma exemplificados acima, serão omitidas explicações detalhadas adicionais dos componentes da pasta.
[056]O solvente da pasta não é especificamente limitado e pode ser selecionado conforme adequado à luz do conhecimento sobre a produção de eletrodos. exemplos do solvente são N-metil-2-pirrolidona (NMP), N, N-dimetilformamida, dimetilacetamida e metilformamida. No caso em que se emprega fluoreto de polivinilideno (PVdF) como o polímero de ligação, é aconselhável se empregar NMP como solvente. A viscosidade da pasta pode ser selecionada aumentando-se ou diminuindo-se a quantidade do solvente usado.
[057]A relação entre os teores dos componentes da pasta não é especialmente imitada.
[058]A segunda etapa consiste em ligar a camada de resina às camadas de material ativo 13, 15 por ligação por fusão térmica. A ligação por fusão térmica da camada de resina com as camadas de material ativo 13, 15 é conduzida aplicando-se calor ao laminado de substrato de transferência de eletrodos ou ao material de eletrodo (em que a pasta de eletrodo é aplicada ao coletor 11). A ligação por fusão térmica pode ser conduzida em condições pressurizadas.
[059]A temperatura da ligação por fusão térmica pode ser ajustada conforme adequado dependendo do ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina e do ponto de fusão do polímero de ligação da camada de material ativo conforme foi descrito acima.
[060]Quando o polímero de ligação for um polímero termoplástico, é preferível se ajustar a temperatura da ligação por fusão térmica de modo a satisfazer a seguinte condição: (Tb-10) < T < Ta em que T(°C) é a temperatura de ligação por fusão térmica; Tb (°C) é o ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina; e Ta (°C) é o ponto de fusão do polímero de ligação. É mais preferível que a temperatura de ligação por fusão térmica T seja superior ou igual a Tb (°C). É também mais preferível que a temperatura de ligação por fusão térmica T seja inferior no ponto de amolecimento do polímero de ligação. Na prática, a temperatura à qual a ligação por fusão térmica ocorre depois do amolecimento do material polimérico varia depende do tipo do material polimérico. A ligação por fusão térmica pode começar a ocorrer no ponto de amolecimento ou pode iniciar a ocorrer a uma temperatura diversos graus abaixo do ponto de amolecimento. A temperatura de ligação por fusão térmica é, portanto, ajustada, de preferência, acima de uma temperatura à qual o material polimérico inicia o amolecimento e se torna capaz de ligação por fusão térmica.
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14/30 [061]Quando polímero de ligação é um polímero termorrígido, é preferível se ajustar a temperatura de ligação por fusão térmica de modo a satisfazer a seguinte condição: (Tb’-10) < T’ em que T’(0C) é a temperatura de ligação por fusão térmica; e Tb' (°C) é o ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina. É mais preferível que temperatura de ligação por fusão térmica T’ seja superior ou igual a Tb’ (°C). A temperatura à qual a ligação por fusão térmica começa a ocorrer depois do amolecimento do material polimérico varia dependendo do tipo do material polimérico. A ligação por fusão térmica pode começar a ocorrer no ponto de amolecimento ou pode começar a ocorrer a uma temperatura diversos graus abaixo do ponto de amolecimento. A temperatura de ligação por fusão térmica é, portanto, ajustada, de preferência acima de uma temperatura à qual o material polimérico começa a amolecer e se torna capaz de ligação por fusão térmica.
[062]O motivo para o ajuste adequado da temperatura de ligação por fusão térmica acima é o seguinte. se o polímero de ligação de eletrodo funde, ocorre a possibilidade de que a resistência do eletrodo aumente provocando a deterioração do desempenho de uma bateria devido a uma redução em contato do material ativo de eletrodo ou do adjuvante condutor. É, portanto, desejável se ajustar a temperatura de ligação por fusão térmica conforme adequado selecionando-se o polímero termorrígido como o material polimérico da camada de resina ou o polímero de ligação da camada de material ativo de eletrodo positivo ou negativo 13, 15, de tal modo que o ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina é inferior ao ponto de fusão do polímero de ligação das camadas de material ativo 13, 15. Além disso, é desejável se satisfazer as seguintes condições: (1) ajustar a temperatura de ligação por fusão térmica a uma temperatura à qual o polímero de ligação das camadas de material ativo 13, 15 não funda; e (2) ajustar a temperatura de ligação por fusão térmica a uma temperatura à qual o material polimérico da camada de resina sofre ligação por fusão térmica. Esta seleção adequada de material e ajuste adequado da temperatura de ligação por fusão térmica torna possível se prevenir um aumento em resistência de partícula a partícula na camada de eletrodo (camadas de material ativo positivo e negativo 13, 15) e se obter uma redução em resistência de contato entre a camada de resina condutora e a camada de eletrodo (camadas de material ativo de eletrodo positivo e negativo 13, 15) para melhorar o desempenho de rendimento de bateria.
[063]Quando duas camadas de material ativo 13, 15 contíguas ao coletor 11 (as camadas de material ativo de eletrodo positivo negativo 13, 15, do eletrodo bipolar 1, por exemplo) usam polímero de ligação diferentes, o mais baixo dos pontos de fusão dos polímeros de ligação é adotado como Ta (°C). Quando o coletor 11 tem uma estrutura em camadas múltiplas de camadas de resina, o ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina adjacente e contígua às camadas de material ativo 13, 15 é adotado como Tb ou Tb’ (°C). Além disso, o ponto mais elevado dos pontos de amolecimento dos matePetição 870190054166, de 12/06/2019, pág. 24/53
15/30 riais poliméricos das camadas de resina mais externas é adotado quando houver duas camadas de material ativo 13, 15 adjacentes e contíguas ao coletor 11 (camadas de material ativo de eletrodo positivo e negativo 13, 15 no eletrodo bipolar 1).
[064]Quando o coletor 11 tem uma estrutura em camadas múltiplas de três ou mais camadas de resina, é preferível que a temperatura de ligação por fusão térmica seja superior ao ponto de amolecimento do material polimérico da camada interna interposta entre as camadas mais externas. Se o material polimérico da camada interna se fundir durante o processo de ligação por fusão térmica, existe a possibilidade de que o efeito tampão da camada interna seja reduzido e possa deixar de melhorar a resistência a destaque do coletor 11 e das camadas de material ativo 13, 15. É, portanto, desejável se ajustar a temperatura de ligação por fusão térmica acima do ponto de amolecimento do material polimérico da camada interna interposta entre as camadas mais externas. Quando existem duas ou mais camadas internas, o mais baixo de todos os pontos de amolecimento dos materiais poliméricos das camadas internas é adotado.
[065]Não existe nenhuma limitação especial ao temo de ligação por fusão térmica, desde que a ligação por fusão térmica possa ser conduzida adequadamente. O tempo de ligação por fusão térmica é geralmente de 0,1 segundos a 10 horas, sendo preferível de 5 segundos a 10 minutos.
[066]Quando a ligação por fusão térmica é conduzida em condições de pressurização, não existe nenhuma limitação à pressão aplicada. A pressão aplicada varia, de preferência, de 0,01 a 100 MPa, sendo mais preferível de 2 a 10 MPa.
[067]Depois da produção do eletrodo 1, o solvente é removido secando-se. O eletrodo 1 pode ser impregnado com um material de eletrodo depois da produção do eletrodo 1. No caso de impregnação das camadas de material ativo 13, 15 serem impregnadas com um eletrólito polimérico em forma de gel, considera-se a remoção do solvente da pasta simultaneamente com um solvente do eletrólito polimérico em forma de gel secando-se.
[068]Uma bateria de acordo com a presente invenção é produzida usando-se o eletrodo 1 descrito acima. Não há nenhuma limitação especial quando ao tipo da bateria à qual é aplicado o eletrodo 1. Um exemplo de aplicação para o eletrodo 1 consiste em uma bateria eletrolítica não aquosa de preferência uma bateria secundária de íon lítio. a bateria secundária de íon lítio atinge uma alta densidade de energia e uma alta densidade de rendimento devido a sua tensão alta por célula unitária e assim é excelente para ser usada como fonte de energia de acionamento de veículo ou como uma fonte de força auxiliar.
[069]A estrutura ou forma da bateria eletrolítica não aquosa não é especialmente restrita. A bateria pode ser de qualquer estrutura conhecida tal como estrutura de bateria laminada (plana) ou estrutura de bateria em enrolamento (cilíndrica).
[070]A conexão elétrica (configuração de eletrodo) da bateria secundária eletrolítica
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16/30 não aquosa não é especialmente restrita. a bateria pode ser ou uma bateria do tipo não bipolar (do tipo de conexão internamente paralela) ou uma bateria do tipo bipolar (do tipo de conexão internamente em série). No entanto, deve ser observado que, quando o eletrodo 1 é aplicado à bateria do tipo bipolar, os efeitos da presente invenção são mais acentuados conforme mencionado acima.
[071]O material eletrolítico da bateria secundária eletrolítica não aquosa não é especialmente restrito. a bateria pode ser ou uma bateria do tipo eletrolítico líquida, com uma solução eletrolítica não aquosa com a qual se impregna um separador ou uma bateria do tipo denominado polimérico, tal como uma bateria do tipo de eletrólito em gel polimérico ou bateria do tipo de eletrólito polimérico sólido (eletrólito totalmente no estado sólido). Na bateria do tio polimérico, o material eletrolítico (eletrólito polimérico em gel, eletrólito polimérico sólido) pode ser usado sozinho ou pode ser usado por impregnação em um separador.
[072]A Figura 2 mostra uma bateria secundária bipolar de íon lítio 10 de acordo com uma modalidade exemplar da invenção. A bateria secundária bipolar de íon lítio 10 tem um invólucro de bateria 29, isto é uma película laminada para lacrar em seu interior um elemento de bateria substancialmente retangular 21 que na realidade sofre uma reação de carga/descarga.
[073]Nesta modalidade, o elemento de ateria 21 de bateria secundária bipolar de íon lítio 10 é dotado com uma multiplicidade de eletrodos bipolares 1. Cada um dos eletrodos bipolares 1 tem um coletor 11, uma camada de material ativo de eletrodo positivo 13 formada de um lado do coletor 11 e uma camada de material ativo de eletrodo positivo 13 formada do outro lado do coletor 11, conforme mostrado na Figura 1. No elemento de bateria 21 da bateria secundária bipolar de íon lítio 10, os eletrodos bipolares 1 são laminados por meio de camadas de eletrólitos 17. A camada de material ativo de eletrodo positivo 13, a camada eletrolítica 17 e a camada de material ativo do eletrodo negativo 15 adjacentes funcionam em conjunto como uma camada de célula elétrica (célula unitária) 19. Pode-se, portanto, dizer que a bateria secundária bipolar de íon lítio 10 tem uma estrutura laminada de camadas de célula elétrica 19.
[074]Para se evitar a ocorrência de curtos-circuitos líquidos devido a vazamentos de eletrólito das camadas de eletrólito 17, o elemento de bateria 21 também inclui camadas isolantes (elementos de vedação) 31 nas periferias exteriores das camadas de célula unitária 19. A disposição das camadas de isolamento (elementos de vedação) 31 estabelece o isolamento entre coletores 11 adjacentes respectivos e assim previne curtos-circuitos devidos ao contato de camadas de eletrodos negativo e positivo 13 e 15 adjacentes.
[075]O elemento de bateria 21 inclui coletor mais externo do lado do eletrodo positivo
11a conectado eletricamente ao lingueta de eletrodo positivo 25 e o coletor mais externo do lado do eletrodo negativo 11b conectado eletricamente ao lingueta de eletrodo negativo 27,
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17/30 de modo a se tirar um rendimento de corrente. Para se reduzir a resistência elétrica horizontal (plana) do elemento de bateria 21, os coletores mais externos 11a e 11b consistem, de preferência, em uma lâmina metálica. O elemento de bateria 21 é vedado em invólucro de bateria 29 com linguetas de eletrodo positivo e negativo 25 e 27 que saem do invólucro de bateria 29. Os coletores mais externos 11a, 11b e os linguetas 25, 27 podem ser conectados eletricamente por meio de fios terminais de eletrodo positivo e negativo. Alternativamente, o coletor mais externo 11a, 11b podem também funcionar no lugar de linguetas 25, 27.
[076]Placas coletoras podem ser laminadas de lados externos dos coletores mais externos 11a e 11b e podem ser conectadas com linguetas 25 e 27 ou fios.
[077]Com a configuração acima, a bateria secundária bipolar de íon lítio 10 permite um fluxo de corrente em uma direção vertical sua e atinge assim uma passagem de condução de elétrons significativamente mais curta para atingir um desempenho de rendimento elevado em comparação com a bateria laminada não bipolar. Além disso, o uso de coletores contendo polímero 11 permite a redução do peso da bateria 10.
[078]Os componentes estruturais da bateria secundária bipolar de íon lítio 10 serão resumidamente explicados abaixo. Como os componentes de eletrodo da bateria secundária bipolar de íon lítio 10 são iguais aos descritos acima, a explicação dos componentes que constituem o eletrodo será omitida no presente documento.
[079]O material eletrolítico das camadas eletrolíticas 17 não é especialmente limitado, desde que funcione om um veículo dos íons lítio entre os eletrodos positivo e negativo durante as operações de carga, descarga. Pode ser usado como material eletrolítico, um eletrólito líquido, um eletrólito polimérico e um eletrólito sólido inorgânico (eletrólito sólido de óxido, eletrólito sólido de sulfeto).
[080]O eletrólito líquido se encontra na forma de uma solução em que o sal de lítio (sal de suporte) é dissolvido em um solvente orgânico (plastificante). exemplos do solvente orgânico utilizável como plastificante são carbonatos tais como carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de dimetila (DMC) e carbonato de dietila (DEC). Exemplos de sal de lítio utilizável como o sal de suporte são compostos de sal de lítio tais como Li (CF3SO2)2N Li(C2F5SO2)2N, LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiTaF6, LiClO4, e UCF3SO3 que podem ser acrescentados às camadas de mistura de eletrodo.
[081]Por outro lado, o eletrólito polimérico pode ser classificado em um eletrólito em forma de gel contendo em seu interior uma solução eletrolítica e um eletrolítico polimérico intrínseco (totalmente no estado sólido) não contendo nenhuma solução eletrolítica.
[082]O gel polimérico se encontra na forma de um gel em que o eletrólito líquido impregna uma matriz polimérica (polímero hospedeiro). O uso de um tal eletrólito de gel polimérico produz uma perda do caráter fluido do eletrólito, prevenindo com vantagem o vazamento do material eletrolítico para as camadas do coletor, que causa a interrupção de conPetição 870190054166, de 12/06/2019, pág. 27/53
18/30 dução de íons entre as camadas respectivas. A matriz polimérica (polímero hospedeiro) não é especialmente restrita. Exemplos de matriz polimérica (polímero hospedeiro) são óxido de polietileno (PEO), óxido de polipropileno (PO), fluoreto de polivinilideno (PVdF), copolímero de fluoreto de polivinilideno-hexafluorpropileno (PVdF-HFP), polietileno glicol (PEG), poliacrilonitrila (PAN), poli(metilmetacrilato) (PMMA) e seus copolímeros.
[083]Exemplos do eletrólito polimérico intrínseco são eletrólitos poliméricos de poliéter tais como óxido de polipropileno (PEO) e óxido de polipropileno (PPPO). em geral o eletrólito polimérico intrínseco se encontra na forma de uma matriz polimérica dissolvendo-se nela o sal de suporte (sal de lítio), mas não contendo o solvente orgânico (plastificante). o uso de tal eletrólito polimérico intrínseco produz uma perda do caráter fluido do eletrólito e torna mais fácil se prevenir o vazamento do material eletrolítico para as camadas de coletor que podem interromper a condução de íons entre as camadas respectivas.
[084]A matriz polimérica de eletrólito de gel polimérico ou de polímero intrínseco forma uma estrutura reticulada para proporcionar uma maior resistência mecânica. Para se formar uma tal estrutura reticulada, propõe-se submeter o material polimerizável (tal como PEO ou PPE) do eletrólito polimérico a qualquer reação de polimerização tal como polimerização térmica, polimerização por ultravioleta polimerização induzida por radiação ou polimerização induzida por feixe de elétrons com o emprego de qualquer iniciador de polimerização adequado.
[085]As camadas de eletrólito 17 podem ser formadas impregnando-se os separadores com o eletrólito sólido ou com eletrólito em gel. exemplos de separadores são películas porosas de poliolefinas tais como polietileno e polipropileno.
[086]Como coletores mais externos (placas coletoras) 1a e 11b, pode ser usada lâmina de alumínio, lâmina de ao inoxidável (SUS), material revestido com níquel-alumínio, material revestido com alumínio-cobre e material de revestimento de qualquer combinação destes metais. Dentre estes são preferidos lâmina de alumínio e lâmina de aço inoxidável, de modo que os coletores 11a e 11b tenham a capacidade de resistir a potenciais de eletrodo positivo e negativo a serem aplicados. O coletor contendo polímero 11 pode tb ser usado como coletor externo 11a, 11b.
[087]As linguetas de eletrodo positivo e negativo 25 e 17 são eletricamente conectadas respectivamente aos coletores mais externos do lado do eletrodo positivo e negativo 11a e 11b e são levadas para fora do invólucro de bateria 29 de modo a efetuar a saída de corrente da bateria 10.
[088]O material para as linguetas 25 e 27 não é especialmente restrito. Qualquer material conhecido que seja extremamente condutor pode ser usado para linguetas de bateria secundária bipolar de íon lítio. Os exemplos preferidos do material para linguetas são materiais metálicos, tais como alumínio, cobre, titânio, níquel, ao inoxidável (SUS) e suas ligas.
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Em termos de peso leve, resistência a corrosão e extrema condutividade, os mais preferidos são alumínio e cobre. O material para linguetas da lingueta do eletrodo positivo 25 pode ser igual ao da lingueta de eletrodo negativo 27 ou diferente dele. As linguetas de eletrodos positivo e negativo 25 e 27 podem ser formadas por porções prolongadas de coletores mais externos 11a e 11b. Alternativamente, as linguetas de eletrodos positivo e negativo 25 e 27 podem ser formadas separadamente dos coletores mais externos 11a e 11b e serem ligadas em seguida.
[089]Os fios terminais de eletrodos positivo e negativo são usados quando necessários. Quando as linguetas de eletrodos positivo e negativo 25 e 27 são diretamente levadas como terminais de saída dos coletores mais externos 11a e 11b, por exemplo, é desnecessário se usar os fios terminais de eletrodos positivo e negativo.
[090]Como o material para os fios de terminal de eletrodos positivo e negativo pode ser usado qualquer material conhecido para fios terminais de bateria secundária bipolar de íon lítio. É desejável se cobrir quaisquer partes conduzidas par fora do invólucro de bateria 29, geralmente com tubos isolantes resistentes a calor compressíveis por calor, para evitar que ocorra um curto circuito por contato destas partes com equipamento periférico ou com fiação o que afetaria o desempenho do produto (componente automotivo, especialmente equipamento eletrônico).
[091]Como invólucro para bateria 29, podem ser aceitáveis diversos materiais de acondicionamento atém de um metal conhecido. Pode ser empregado, por exemplo, uma bolsa de película laminada de alumínio, tal como uma película laminada de três camadas, por exemplo, em que uma camada de PP, uma camada de alumínio e uma camada de náilon são laminadas nesta ordem. O material para o invólucro para bateria não é limitado aos citados acima. Dentre escolhas possíveis, o preferido é a película laminada devido ao seu alto rendimento e características de resfriamento e à sua aplicabilidade a baterias de grandes equipamentos tais como baterias EV e HEV.
[092]Embora a bateria secundária bipolar de íon lítio tenha sido descrita com uma modalidade preferida da invenção, uma bateria da invenção pode ser configurada como uma bateria secundária bipolar de íon lítio do tipo não bipolar. Um exemplo de bateria secundária de íon lítio não bipolar é aquela que tem uma estrutura laminada de eletrodos positivos em que as camadas de material ativo de eletrodo positivo são formadas em lados opostos de coletores de eletrodo positivo, camadas de eletrólito e eletrodos negativos em que as camadas de material ativo de eletrodo negativo são formadas em lados opostos de coletores de eletrodo negativo. Neste caso, os eletrodos positivos, as camadas de eletrólito e os eletrodos negativos são laminados alternadamente de tal modo que qualquer um dos eletrodos positivos tem a sua camada de material ativo de eletrodo positivo voltada para a camada de material ativo de eletrodo negativo de qualquer um dos eletrodos negativos adjacentes
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20/30 àquele eletrodo positivo por meio da camada de eletrólito. Como no caso do tipo bipolar lingueta de eletrodos positivo e negativo são ligadas eletricamente por soldagem por ultrassom, por exemplo, ou por solda de resistência aos coletores de eletrodos positivo e negativo por meio dos fios terminais de eletrodos positivo e negativo. Estas linguetas de eletrodos positivo e negativo são expostas ao exterior do invólucro de bateria de película laminada através de uma parte ligada por fusão térmica da periferia externa da película laminada.
[093]A bateria pode ser produzida por qualquer método de produção conhecido usando-se o eletrodo acima.
[094]A Figura 3 é uma vista em perspectiva mostrando uma aparência de bateria secundária bipolar ou não bipolar de íon lítio de eletrólito não aquoso 50 de acordo com uma outra modalidade da invenção.
[095]Conforme mostrado na figura 3, a bateria secundária bipolar de íon lítio 50 tem um formato retangular plano formado com o elemento de bateria 57 e o invólucro de bateria 52. O elemento de bateria 57 é envolvido e lacrado dentro do invólucro de bateria 52 por ligação por fusão térmica da periferia externa do invólucro de bateria 52, com as linguetas de eletrodo positivo e negativo 58 e 59 se projetando de lados opostos dela para produzir a saída de energia da bateria. Neste documento, elemento de bateria 57 corresponde ao elemento de bateria 21 da bateria secundária bipolar de íon lítio 10 da Figura 2 e tem, portanto, uma estrutura laminada de camadas de células elétricas (células unitárias) 19, cada uma delas incluindo camada de eletrodo positivo 13, camada de eletrólito 17 e camada de eletrodo negativo 15.
[096]A bateria da presente invenção não é limitada ao tipo de estrutura plana laminada mostrado na figura 3 e pode alternativamente ser configurada em forma de uma estrutura do tipo cilíndrico de espiras ou a uma estrutura plana retangular formada pela deformação da estrutura cilíndrica. No caso da estrutura de bateria cilíndrica, o material do invólucro não é especialmente restrito e pode ser uma película laminada ou uma lata cilíndrica convencional (lata metálica).
[097]Além disso, não existe nenhuma restrição especial no tocante à maneira de saída das linguetas 58 e 59. A maneira de saída das linguetas 58 e 59 não é imitada à mostrada na Figura 3. As linguetas de eletrodo negativo e positivo 58 e 549 podem alternativamente ser conduzidas do mesmo lado ou podem ser divididas numa multiplicidade de partes e conduzidas dos lados respectivos. No caso da estrutura de bateria em espiras, os terminais podem ser formandos usando-se a lata cilíndrica (lata metálica) em vez das linguetas.
[098]Um conjunto de baterias de acordo com a presente invenção é produzido conectando-se uma multiplicidade de baterias citadas acima, conectando-se, mais especificamente, duas ou mais baterias em série, em paralelo ou em combinação destes dois tipos. A capacidade e a tensão do conjunto de baterias pode ser ajustado livremente por tal conexão
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21/30 em série e/ou em paralelo das baterias. Pode ser proposto na presente invenção se produzir o conjunto de baterias combinando-se baterias secundárias bipolares e não bipolares de íon lítio.
[099]Conforme mostrado nas Figuras 4A, 4B e 4C, o conjunto de aterias 300 de acordo com uma modalidade da presente invenção tem uma multiplicidade de módulos de baterias ligáveis/desligáveis 250 eletricamente conectadas em série ou e paralelo. Cada um dos módulos de baterias 250 tem uma multiplicidade de baterias secundárias bipolares de íon lítio 10 eletricamente conectadas em série ou em paralelo. Com esta configuração, o conjunto de baterias 300 atinge altas características de capacidade e de rendimento adequadas para uso como uma fonte de energia par acionar veículos ou como fonte de energia auxiliar, que requer uma alta densidade de energia volumétrica e uma alta densidade de rendimento volumétrico. Os módulos de baterias 250 podem ser conectados eletricamente entre si por meios de conexão elétrica tais como barramentos e podem ser laminados em camadas por um gabarito de conexão 310. Este número de baterias secundárias bipolares de íon lítio 10 no módulo de bateria 250 e o número de módulos de baterias 250 no conjunto de baterias 300 são determinados dependendo da capacidade da bateria e das características de rendimento exigido do veículo no qual o conjunto de baterias 300 será instalado.
[0100]Um veículo de acordo com a presente invenção é caracterizado pela montagem nele da(s) bateria(s) citadas acima ou do conjunto de baterias citado acima. A bateria da presente invenção tem um desempenho de alto rendimento e pode, portanto, ser montada em uma ignição em veículo elétrico híbrido que apresenta uma distância longa de percurso EV ou um veículo elétrico que apresenta uma distância de percurso longa com um único carregamento. Em outras palavras, a bateria ou conjunto de baterias da presente invenção pode ser adequadamente usado como uma fonte de energia do veículo. Exemplos do veículo são veículos automotivos tais como veículos elétricos híbridos, veículos elétricos e veículos movidos a célula a combustível. Estes veículos automotivos incluem não somente veículo de quatro rodas (carros de passeio, carros comerciais tais como caminhões e ônibus, carros leves etc), mas também incluem veículos de duas rodas (bicicletas motorizadas etc) e veículos de três rodas. A aplicação da bateria ou do conjunto de baterias não é limitado aos veículos automotivos citados acima. A bateria ou conjunto de baterias pode ser aplicado como uma fonte de energia para outros veículos e meios de transporte tais como trens e como um suprimento de energia montável/instalável tal como um suprimento de energia ininterrupto.
[0101]Na Figura 5, o conjunto de baterias 300 é montado em uma posição sob um assento no centro de um corpo de veículo de veículo elétrico 400 de modo a garantir um espaço amplo interior no veículo e no porta-malas. A posição de montagem do conjunto de baterias 300 não é limitada à posição sob o assento. O conjunto de baterias 300 pode alternatiPetição 870190054166, de 12/06/2019, pág. 31/53
22/30 vamente ser montado em uma seção inferior do porta-malas traseiro ou em um espaço do motor do lado dianteiro do veículo. O veículo elétrico 400 com conjunto de baterias 300 atinge uma durabilidade elevada e assegura um rendimento suficiente.
[0102]A presente invenção será agora descrita abaixo com mais detalhes fazendo referência aos exemplos seguintes. Deve, no entanto, ser observado que os exemplos que seguem são de cunhos somente ilustrativo e não se destinam a limitar a invenção.
Exemplo 1.
1. Preparação da Pasta de Eletrodo Positivo [0103]Uma pasta de eletrodo positivo (viscosidade: 2000 cps) foi preparada acrescentando-se uma quantidade adequada de N-metil-2-pirrolidona (NMP) como solvente de ajuste da viscosidade da pasta a um teor sólido de LiMn2O4 (tamanho de partícula média: 5 mim) (85% em massa) como material ativo de eletrodo positivo, negro de acetileno (5% em massa) com adjuvante condutor e fluoreto de polivinilideno (PVdF) (10% em massa) como polímero de ligação. O ponto de amolecimento e o ponto de fusão do PVdF são 134°C e 169°C, respectivamente.
2. Preparação da Pasta de Eletrodo Negativo [0104]Uma pasta de eletrodo negativo (viscosidade: 2000 cps) foi preparada adicionando-se uma quantidade adequada de N-metil-2-pirrolidona (NMP) como solvente de ajuste da viscosidade da pasta a um conteúdo sólido de carbono duro (tamanho médio de partícula: 5 pm) (85% em massa) como material ativo de eletrodo negativo, negro de acetileno (5% em massa) com adjuvante condutor e fluoreto de polivinilideno (PVdF) (10% em massa) como polímero de ligação. O ponto de amolecimento e o ponto de fusão do PVdF são 134°C e 169°C, respectivamente.
3. Formação de eletrodos bipolares [0105]A pasta de eletrodo positivo foi aplicada a lâmina de alumínio. Por outro lado, a pasta de eletrodo negativo foi aplicada a uma lâmina de cobre.
[0106]Coletores (espessura: 50 pm) foram formados usando-se polietileno (ponto de amolecimento: 115°C, ponto de fusão: 130°C) (70% em massa) como um material polimérico e partículas finas de carbono (negro de Ketjen, tamanho médio de partícula: 100 nm) (30% em massa) como uma carga condutora. Enquanto se estavam formando camadas de eletrodo positivo e de eletrodo negativo em cada um dos coletores por transferência da pasta de eletrodo positivo e da pasta de eletrodo negativo das lâminas de metal, o coletor e as camadas de material ativo eram ligadas por ligação por fusão térmica a 160°C durante 5 minutos. A ligação por fusão térmica foi conduzida comprimindo-se com uma pressão de 6 MPa.
[0107]O eletrodo bipolar assim obtido foi observado com um microscópio ótico, conforme mostrado na microfotografia ótica da Figura 6.
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23/30 [0108]Na Figura 6, o número de referência 113 designa a camada de material ativo do eletrodo positivo; o número de referência 115 designa a camada de material ativo de eletrodo negativo; o número de referência 111 designa o coletor interposto entre as camadas de material ativo de eletrodo positivo e de eletrodo negativo 113 e 115; o caractere de referência A designa a área de interface entre o coletor 111 e a camada de material ativo de eletrodo positivo 113 (a que se refere doravante como “área de interface do lado do eletrodo positivo”) e o caractere de referência B designa a área de interface entre o coletor 111 e a camada de material ativo de eletrodo negativo 115 (a que se refere doravante como “área de interface do lado do eletrodo negativo”).
[0109]As Figuras 7A e 7B são vistas ampliadas da área de interface do lado do eletrodo positivo A da Figura 6. Nas Figuras 7A e 7B, o número de referência 114 designa o material ativo do eletrodo positivo; o número de referência 117 designa o polímero de ligação; e o caractere de referência C designa a interface entre o coletor 111 e a camada de material ativo do eletrodo positivo 113. Conforme mostrado nas Figuras 7A e 7B, a camada de material ativo do eletrodo positivo 113 foi formada de tal modo, que o material ativo do eletrodo positivo 114 foi dispersa no polímero de ligação 117 e envolvida por ele. O polímero de ligação 117 não fundiu e assim manteve a sua estrutura (formato). Por outro lado, a camada de resina do coletor 111 fundiu e se ligou à camada de material ativo do eletrodo positivo 114 de um modo tal que a camada de resina do coletor penetrou na camada de material ativo 114 (Veja a interface C na Figura 7B).
[0110]As Figuras 8A e 8B são vistas ampliadas da área de interface do lado do eletrodo negativo B da Figura 6. Nas Figuras 8A e 8B, o número de referência 116 designa o material ativo do eletrodo negativo; e o caractere de referência D designa a interface entre o coletor 111 e a camada de material ativo do eletrodo negativo 115. De modo análogo a camada de material ativo de eletrodo negativo 115 foi formada de modo tal que o material ativo de eletrodo negativo 116 foi dispersa no polímero de ligação 117 e envolvida por ele, conforme mostrado nas Figuras 8A e 8B. O polímero de ligação não fundiu e assim conservou a sua estrutura (formato). Por outro lado, a camada de resina do coletor 111 fundiu e se ligou à camada de material ativo de eletrodo negativo 115 de modo tal, que a camada de resina de coletor penetrou na camada de material ativo 115. (Veja a interface D na Figura 8B).
[0111]Foi possível se conduzir a ligação por fusão térmica sem fundir o polímero de ligação 117 ajustando-se o ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina do coletor 111 para ser inferior ao ponto de fusão do polímero de ligação 117 das camadas de material ativo 113, 115 e ajustando-se a temperatura de ligação por fusão térmica acima da do ponto de amolecimento do material polimérico da camada de resina do coletor
111 e abaixo do ponto de fusão do polímero de ligação 117. Com tal ligação por fusão térmica, a resistência de contato entre o coletor 111 e as camadas de material ativo 113, 115
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24/30 pode ser reduzida, mantendo ao mesmo tempo a estrutura do polímero de ligação 117 para conduzir a função do material ativo 114, 116.
[0112]Um material eletrolítico (solução de pré-gel) foi preparado misturando-se 90% em peso de uma solução eletrolítica e 10% em peso de um polímero hospedeiro em um solvente de ajuste de viscosidade. No presente documento, uma mistura de carbonato de propileno (PC) e carbonato de etileno (EC) (relação em volume de 1:1) contendo LiPF4 a 1,0 M foi usada como solução eletrolítica. Como polímero hospedeiro foi usado um copolímero de fluoreto de polivinilideno-hexafluorpropileno (PVdF-HFP). Além disso, foi usado carbonato de dimetila (DMC) como solvente de ajuste de viscosidade.
[0113]O material de eletrólito (solução de pré-gel) foi aplicado às superfícies integrais das camadas de eletrodo positivo e de eletrodo negativo dos eletrodos bipolares formados citado acima e foram secas a 50°C para remover o DMC. Os eletrodos bipolares impregnados com o material eletrolítico de gel foram então providos. Cada um dos eletrodos bipolares completados tinha uma espessura de camada de material ativo de eletrodo positivo de 65 pm e uma espessura de camada de material ativo de eletrodo negativo de 135 pm.
4. Formação das Camadas de eletrólito de gel polimérico [0114]Camadas de eletrólito de gel polimérico foram formadas aplicando-se o material eletrolítico preparado conforme acima a lados opostos de separadores de película de polipropileno poroso (espessura de 20 um), secando-se o material de eletrólito a 50°C e removendo-se assim o DMC.
5. Laminação [0115]A camada de eletrólito de gel polimérico foi colocada sobre a camada de eletrólito positivo do eletrodo bipolar, ajustando-se em seguida um elemento de vedação de película de PE tendo uma largura de 12 mm ao redor da camada de eletrólito de gel polimérico. A operação acima foi repetida para se laminar os eletrodos bipolares em cinco camadas. O laminado dos eletrodos bipolares e os elementos de vedação foram então submetidos a compressão (calor e pressão) de cima e de baixo fundindo assim os elementos de vedação para lacrar as camadas respectivas. As condições de compressão foram 0,2 MPa, 160°C e 5 segundos.
[0116]Os elementos terminais elétricos foram preparados usando-se placas de Al que tinham uma espessura de 100 pm e um tamanho tal que cobrisse o plano de projeção integral do assim obtido elemento de bateria bipolar com porções suas se projetando para fora do plano de projeção da bateria. O elemento de bateria bipolar foi mentido entre elementos terminais. A bateria bipolar e os elementos terminais foram lacrados a vácuo por laminado de alumínio e comprimidos a uma pressão atmosférica dos dois lados. Assim foi completada a bateria bipolar com um aumento do contato entre o elemento de bateria e os elementos terminais elétricos.
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Exemplo 2 [0117]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no Exemplo 1, exceto que os coletores (espessura: 50 pm) foram formados usando-se polipropileno (ponto de amolecimento: 140°C, ponto de fusão: 155°C) (70% em massa) como material polimérico e partículas finas de carbono (30% em massa) como carga condutora.
Exemplo 3 [0118]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no Exemplo 1, exceto que os coletores (espessura: 50 pm) foram formados usando-se polipropileno (ponto de amolecimento: 140°C, ponto de fusão: 155°C) (90% em massa) como material polimérico e partícula finas de Au (tamanho médio de partícula: 10 nm) 910% em massa) como carga condutora.
Exemplo 4 [0119]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no Exemplo 1, exceto que coletores (espessura: 50 pm) foram formados usando-se polietileno (ponto de amolecimento: 115°C, ponto de fusão: 130°C) (90% em massa) como o material polimérico e partículas finas de Au (tamanho médio de partícula: 10 nm) (10% em massa) como carga condutora.
Exemplo 5
1. Preparação de Pastas de Eletrodo positivo e de Eletrodo negativo [0120]Foram preparadas pastas de eletrodo positivo e de eletrodo negativo do mesmo modo como no exemplo 1, exceto que foi usada resina epoxídica termorrígida como o polímero de ligação.
2. Produção de Eletrodos Bipolares [0121]Eletrodos bipolares foram produzidos do mesmo modo como no Exemplo 1, exceto que os coletores (espessura: 50 pm) forma formados usando-se poliimida (ponto de amolecimento: 350°C, ponto de fusão: 400°C) 70% em massa) como material polimérico e partículas finas de carbono de (negro de Ketjen, tamanho médio de partícula: 100 nm) (30% em massa) como carga condutora. Além disso, a ligação por fusão térmica foi conduzida a 410°C.
3. Formação de Camadas de eletrólito de gel polimérico e Laminação [0122]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no Exemplo 1 usandose os eletrodos bipolares produzidos conforme acima.
Exemplo 6 [0123]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no Exemplo 5, exceto que foram usadas partículas finas de Au (tamanho médio de partícula: 10 nm) como carga condutora.
Exemplo 7
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26/30 [0124]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no exemplo 1, exceto que cada um dos coletores (espessura: 50 pm) foi formado com uma estrutura de três camadas por processo de laminação de duas camadas mais externas (espessura de cada uma: 50 pm) usando polietileno (ponto de amolecimento: 115°C, ponto de fusão: 130°C) (70% em massa) como o material polimérico e partículas finas de carbono (negro de Ketjen, tamanho médio de partícula: 100 nm) (30% em massa) como a carga condutora e uma camada interna (espessura: 50 pm) usando poliimida (ponto de amolecimento: 350°C, ponto de fusão: 400°C) (70% em massa) como o material polimérico e partículas finas de carbono (negro de Ketjen, tamanho médio de partícula: 100 nm) (30% em massa) como carga condutora.
Exemplo 8
1. Preparação de Pasta de Eletrodo positivo [0125]Uma pasta de eletrodo positivo de viscosidade elevada (viscosidade: 100000 cps) foi preparada acrescentando-se uma quantidade adequada de N-metil-2-pirrolidona (NMP) como um solvente de ajuste de viscosidade da pasta a um conteúdo sólido de LiMn2O4 (tamanho médio de partícula: 5 pm) (85% em massa) como o material ativo de eletrodo positivo, negro de acetileno (5% em massa) como um adjuvante condutor e fluoreto de polivinilideno (PVdF) (10% em massa) como um polímero de ligação. O ponto de amolecimento e o ponto de fusão de PVdF são 134°C e 169°C, respectivamente.
2. Preparação de Pasta de Eletrodo negativo [0126]Uma pasta de eletrodo negativo de viscosidade elevada (viscosidade: 100000 cps) foi preparada acrescentando-se uma quantidade adequada de N-metil-2-pirrolidona (NMP) como um solvente de ajuste de viscosidade da pasta a um conteúdo sólido de carbono duro (tamanho médio de partícula: 5 pm) (85% em massa) como o material ativo de eletrodo negativo, negro de acetileno 95% em massa) como um adjuvante condutor e fluoreto de polivinilideno (PVdF) (10% em massa) como um polímero de ligação. O ponto de amolecimento e o ponto de fusão de PVdF são 134°C e 169°C, respectivamente.
3. Formação de Eletrodos bipolares.
[0127]Coletores (espessura; 50 pm) foram formados usando-se polietileno (ponto de amolecimento: 115°C, ponto de fusão: 130°C) (70% em massa) como um material polimérico e partículas finas de carbono (negro de Ketjen, tamanho médio de partícula 100 nm) (30% em massa) como uma carga condutora. As pastas de eletrodo positivo e de eletrodo negativo de elevada viscosidade foram aplicadas aos coletores usando-se um dispensador ou revestidor de barra. A ligação por fusão térmica dos coletores e das camadas de material ativo foi conduzida a 160°C durante 10 minutos comprimindo-se com 6 MPa de pressão.
[0128]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no Exemplo 1, exceto pelos processos acima.
Petição 870190054166, de 12/06/2019, pág. 36/53
27/30
Exemplo 9 [0129]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no exemplo 1, exceto que coletores (espessura 50 pm) foram formados usando-se polipropileno (ponto de amolecimento: 140°C, ponto de fusão: 155°C) (70% em massa como material polimérico e partículas finas de carbono (30% em massa) como carga condutora. Além disso, a ligação por fusão térmica foi conduzida a 150°C.
Exemplo 10 [0130]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no Exemplo 1, exceto que coletores (espessura: 50 pm) foram formados usando-se polipropileno (ponto de amolecimento: 140°C, ponto de fusão: 155°C) (70% em massa) como o material polimérico e partículas finas de carbono (30% em massa) como carga condutora. Além disso, a ligação por fusão térmica foi conduzida a 140°C.
Exemplo Comparativo 1 [0131]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no Exemplo 1, exceto que os eletrodos bipolares foram formados usando-se coletores (espessura: 30 pm) de lâmina metálica de SUS e aplicando-se as pastas de eletrodos aos coletores com um revestidor.
Exemplo Comparativo 2 [0132]Uma bateria bipolar foi produzida do mesmo modo como no Exemplo 1, exceto que os eletrodos bipolares foram preparados formando-se coletores (espessura: 50 pm) usando-se polipropileno (ponto de amolecimento: 140°C, ponto de fusão: 155°C) (70% em massa) como o material polimérico e partículas finas de carbono (30% em massa) como carga condutora, aplicando-se as pastas de eletrodos aos coletores com um revestidor e comprimindo então as pastas de eletrodos aplicadas a 6 MPa.
Avaliação 1: Resistividade Volumétrica do Coletor [0133]A resistividade do coletor na direção da sua espessura foi medida. Os resultados das medições estão indicados na TABELA 1.
TABELA 1
Exemplo Resistividade volumétrica na direção da espessura (Q*cm)
1 1 x 10-1
2 1 x 10-1
3 1 x 10-2
4 1 x 10-2
5 1 x 10-1
6 1 x 10-2
7 1 x 10-1
8 1 x 10-1
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28/30
9 1 x 10-1
10 1 x 10-1
Avaliação 2: Resistência Interna da Bateria [0134]Cada uma das baterias foi submetida a teste de carga/descarga. No teste, a bateria foi carregada até 4,2 V com uma corrente contínua (CC) de 50 mA, sendo então ainda mais carregada com uma tensão contínua (CV). O tempo de carregamento total foi de 10 horas. Depois disso, a bateria foi descarregada com 10 mA durante 5 segundos. A resistência interna da bateria foi determinada com base na tensão da bateria durante a descarga. Os resultados da medição da resistência da bateria são indicados nas TABELAS 2-1 e 2-2 como valores relativos, pressupondo-se que a resistência interna de bateria do Exemplo Comparativo 1 seja 100%. O peso da bateria foi medido. Os resultados da medição do peso da bateria são também indicados nas TABELAS 2-1 e 2-2 como valores relativos, pressupondo-se que o peso da bateria do Exemplo Comparativo 1 seja 100%. Além disso, a relação da resistência do coletor na direção da sua espessura para a relação da bateria bipolar foi calculada. Os resultados dos cálculos estão indicados nas TABELAS 2-1 e 2-2.
TABELA 2-1
Exemplos
1 2 3 4 5 6
Peso da bateria 70% 70% 76% 76% 70% 76%
Resistência interna 102% 102% 100% 100% 102% 100%
Resistência do coletor em relação à resistência da bateria 1/1000 1/1000 1/10000 1/10000 1/1000 1/10000
TABELA 2-2
Exemplo Exemplo Comparativo
7 8 9 10 1 2
Peso da bateria 79% 80% 70% 70% 100%
Resistência interna 110% 105% 102% 102% 100% 116%
Resistência do coletor em relação 1/1000 1/1000 1/1000 1/1000
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29/30
à resistência da bateria
Avaliação 3: Resistência do Eletrodo a Destaque [0135]Cada um dos eletrodos bipolares foi submetido ao teste de resistência a destaque. O teste de resistência a destaque foi conduzido a um ângulo de destaque de 90° e a uma velocidade de destaque de 1 cm/min. Os resultados do teste estão indicados nas TABELAS 3-1 e 3-2 como valores relativos pressupondo-se que a resistência a destaque do eletrodo do Exemplo Comparativo seja de 100%.
TABELA 3-1
Exemplo
1 2 3 4 5 6
Resistência a destaque 110% 110% 110% 110% 110% 110%
TABELA 3-2
Exemplos Exemplo comparativo
7 8 9 10 1 2
Resistência a destaque 115% 118% 110% 110% 100%
[0136]Dos resultados de teste acima pode ser concluído o seguinte.
[0137]O coletor teve o seu peso reduzido com o uso do material polimérico. (Veja TABELAS 2-1 e 2-2). A aplicação de um tal coletor com o peso reduzido levaria a uma melhor densidade de rendimento de bateria em comparação com a aplicação do coletor e lâmina metálica. A redução em peso do coletor foi mais acentuada quando foram usadas partículas finas de carbono como carga condutora.
[0138]Por comparação dos resultados de testes dos Exemplos e Exemplos Comparativos nas TABELAS 2-1 E 2-2 não houve nenhuma diferença significativa em resistência interna entre a bateria que usou a película de polímero condutor e o tipo convencional de bateria. Além disso, a resistência do coletor na direção da espessura era tão pequena em relação à resistência da bateria que pode ser considerada desprezível.
[0139]A resistência a destaque do eletrodo foi elevada pela ligação por fusão térmica do coletor de resina e da pasta de eletrodo (Exemplos 1 a 10) do que por compressão do coletor de resina com a pasta de eletrodo (Exemplo Comparativo 2) conforme evidenciado nas TABELAS 3-1 e 3-2. O aumento em resistência a destaque do eletrodo levaria a uma melhora no trajeto de condução da bateria.
[0140]As modalidades descritas acima foram descritas para permitir a compreensão
Petição 870190054166, de 12/06/2019, pág. 39/53
30/30 da invenção e não para limitar a mesma. Muito pelo contrário, a invenção se destina a abranger diversas modificações e arranjos equivalentes incluídos dentro do âmbito das reivindicações apensas, devendo tal âmbito receber a mais ampla interpretação possível, de modo a abranger todas as tais modificações e estruturas equivalentes que sejam permitidas nos termos da lei.

Claims (12)

REIVINDICAÇÕES
1. Eletrodo bipolar (1) compreendendo:
um coletor condutor (11) incluindo um material polimérico, e uma camada de material ativo (13, 15) formada em lados opostos do coletor (11), em que cada camada de material ativo (13, 15) pelo menos parcialmente compreende um material ativo e um polímero de ligação;
em que o coletor (11) é ligado à camada de material ativo (13, 15) nos lados opostos por ligação térmica,
CARACTERIZADO pelo fato de que o coletor condutor (11) compreende um material laminado de pelo menos três camadas de resina incluindo duas camadas mais externas de resina e pelo menos uma camada de resina interna interposta entre as duas camadas mais externas de resina, cada camada de resina incluindo um material polimérico; e em que o material polimérico das duas camadas mais externas de resina cada uma adjacente a uma camada de material ativo tem temperaturas de amolecimento Vicat inferiores que ambas: a temperaturas de amolecimento Vicat do material polimérico da pelo menos uma camada de resina interna e o ponto de fusão do polímero de ligação.
2/2
2. Eletrodo de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o polímero de ligação é um polímero termorrígido.
3. Eletrodo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o coletor (11) tem uma resistividade volumétrica de 102 a 10-5 Q*cm.
4. Eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o material polimérico é pelo menos um selecionado do grupo que consiste em poliolefina, poliéster, poliimida, poliamida e fluoreto de polivinilideno.
5. Eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o polímero de ligação é pelo menos um selecionado do grupo que consiste em polipropileno, poliéster, poliimida, poliamida, fluoreto de polivinilideno, resina epoxídica e borracha sintética.
6. Eletrodo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o eletrodo (1) é um eletrodo bipolar, em que a camada de material ativo inclui uma camada de material ativo de eletrodo positivo (13), ligada com um lado do coletor (11), e uma camada de material ativo de eletrodo negativo (15), ligada com um lado oposto do coletor (11).
7. Bateria (10), CARACTERIZADA pelo fato de que compreende o eletrodo (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.
8. Conjunto de baterias (300), CARACTERIZADO pelo fato de que compreende uma pluralidade de baterias (10) como definidas na reivindicação 7.
Petição 870190054166, de 12/06/2019, pág. 41/53
9. Método de produção de um eletrodo (1), como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
preparar um coletor (11) compreendendo um material laminado de pelo menos três camadas de resina incluindo duas camadas de resina mais exteriores e pelo menos uma camada de resina interna interposta entre as duas camadas de resina mais exteriores, cada camada de resina incluindo um material polimérico;
formar uma camada de material ativo (13, 15) em lados opostos do coletor (11), a camada de material ativo (13, 15) pelo menos parcialmente compreende um material ativo e um polímero de ligação; e ligar as duas camadas de resina mais exteriores do coletor (11) a uma respectiva camada de material ativo (13, 15) por ligação de fusão térmica, em que o material polimérico das duas camadas de resina mais afastadas adjacentes à respectiva camada de material ativo têm temperaturas de amolecimento Vicat inferiores à temperatura de amolecimento Vicat do material polimérico da pelo menos uma camada de resina interna.
10. Método de produção de um eletrodo, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o polímero de ligação é um polímero termoplástico, em que se satisfaz a seguinte condição: Tb - 10 < T < Ta, onde T é uma temperatura de ligação por fusão térmica durante a ligação de fusão térmica; Tb é a temperatura de amolecimento Vicat do material polimérico da camada de resina condutora; e Ta é o ponto de fusão do polímero de ligação.
11. Método de produção de um eletrodo, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o polímero de ligação é um polímero termorrígido, em que é satisfeita a seguinte condição: Tb' - 10 < T', onde T' é uma temperatura de ligação por fusão térmica durante a ligação por fusão térmica; e Tb' é a temperatura de amolecimento Vicat do material polimérico da camada de resina condutora.
12. Método de produção de um eletrodo, de acordo com a reivindicação 10 ou 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a camada de material ativo (13, 15) é formada na camada de resina por transferência ou por aplicação de um precursor de alto grau de viscosidade da camada de material ativo (13, 15) sobre a camada de resina.
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