ES2719268T3 - Batería que tiene una estructura de electrodo que incluye fibra metálica y procedimiento de preparación de la estructura de electrodo - Google Patents

Batería que tiene una estructura de electrodo que incluye fibra metálica y procedimiento de preparación de la estructura de electrodo Download PDF

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Abstract

Una batería que comprende una estructura de electrodo, comprendiendo la batería: una red conductora que tiene una estructura no tejida que se forma usando una pluralidad de fibras metálicas que están dispuestas al azar para enredarse entre sí y entrar físicamente en contacto entre sí; una pluralidad de partículas de aglutinante; y una composición de partículas que comprende materiales eléctricamente activos que se proporcionan como partículas y están unidos a la red conductora y las partículas de aglutinante, donde las partículas de aglutinante se proporcionan como aglutinantes puntuales entre las fibras metálicas y los materiales eléctricamente activos, y entre el material eléctricamente activo, donde la composición de partículas se dispone como polvo seco no disolvente en la capa de fibra, y donde las partículas de aglutinante se funden para proporcionar aglutinantes puntuales entre las fibras metálicas y los materiales eléctricamente activos realizando calentamiento o aplicando rayos ultravioleta a la composición de partículas al mismo tiempo que se comprime la mezcla.

Description

DESCRIPCIÓN
Batería que tiene una estructura de electrodo que incluye fibra metálica y procedimiento de preparación de la estructura de electrodo
Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente coreana n. ° 10-2011-0031917, presentada el 6 de abril de 2011 en la Oficina de la Propiedad Intelectual de Corea.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
1. Campo de la invención
La presente invención se refiere a una tecnología de batería, y más en particular, a una batería que tiene una estructura de electrodo que incluye fibras metálicas y a un procedimiento para fabricar la estructura de electrodo.
2. Descripción de la técnica relacionada
A medida que recientemente se ha desarrollado una tecnología de fabricación de semiconductores y una tecnología de comunicaciones, se ha extendido la industria de dispositivos electrónicos móviles y han aumentado las demandas de conservación del medio ambiente y de desarrollo de energías alternativas debido al agotamiento de recursos, las baterías han sido objeto de un estudio activo. Las baterías se clasifican en baterías primarias que pueden usarse una sola vez durante un período de tiempo predeterminado y baterías secundarias que pueden usarse repetidamente al recargarse. El litio que se usa como material de una batería tiene ventajas porque es el metal más ligero entre los metales conocidos en el sistema natural, posee el potencial de reducción estándar más bajo, tiene una densidad de energía elevada cuando se fabrica la batería y tiene una tensión alta. En consecuencia, los estudios de baterías primarias y baterías secundarias que usan litio se han destacado notablemente.
Las baterías primarias de litio se usan a menudo como fuentes principales de alimentación de dispositivos electrónicos portátiles o fuentes de alimentación de reserva. Los dispositivos a los que se aplican baterías secundarias de litio se han diversificado desde dispositivos pequeños como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y pantallas móviles a dispositivos medianos y grandes para vehículos eléctricos y vehículos híbridos.
Por consiguiente, se requiere que las baterías tengan una alta estabilidad y rentabilidad económica, así como un diseño liviano y pequeño, alta densidad de energía, alta velocidad de carga/descarga, alta eficiencia de carga/descarga y excelentes características de ciclo.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La presente invención es una batería que comprende una estructura de electrodo de acuerdo con la reivindicación 1 y un procedimiento para fabricar una estructura de electrodo de acuerdo con la reivindicación 6. Las realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.
La presente invención proporciona una batería que incluye una estructura de electrodo que tiene una alta densidad de energía, velocidad de carga/descarga, alta eficiencia de carga/descarga y excelentes características de ciclo y cuya forma y capacidad pueden ajustarse fácilmente.
La presente invención también proporciona un procedimiento para fabricar la batería. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona una batería que incluye una estructura de electrodo, incluyendo la batería: una red conductora que se forma usando una o varias fibras metálicas; y una composición de partículas que incluye materiales eléctricamente activos que se proporcionan como partículas y están unidas a la red conductora.
La una o más fibras metálicas se pueden unir entre sí poniéndolas en contacto físicamente entre sí sólo de forma aleatoria, y la red conductora tiene una estructura no tejida. La composición de partículas puede incluir, además, uno o la totalidad de entre un conductor, un aglutinante y partículas cerámicas porosas. El aglutinante puede proporcionarse como un aglutinante puntual entre la una o más fibras metálicas y los materiales eléctricamente activos, y entre los materiales eléctricamente activos.
Cada una de las una o más fibras metálicas puede tener un grosor comprendido entre 1 pm y 200 pm. Cada una de las una o más fibras metálicas puede tener un grosor comprendido entre 2 pm y 20 pm. La una o más fibras metálicas pueden incluir cualquiera de entre acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, cobre, una aleación de los mismos o una combinación de los mismos. Una relación de un tamaño promedio de los materiales eléctricamente activos para un grosor promedio de una o más fibras metálicas puede variar entre 0,01 y 10.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento para fabricar una estructura de electrodo, incluyendo el procedimiento: suministro de una o más fibras metálicas que constituyen una red conductora; suministro de una composición de partículas que incluye materiales eléctricamente activos que son partículas; mezclado de una o más fibras metálicas con la composición de partículas para obtener una mezcla; y compresión de la mezcla de una o más fibras metálicas y la composición de partículas.
La una o más fibras metálicas pueden proporcionarse como una capa de fibras que tiene una estructura no tejida al estar dispuesta al azar. El mezclado incluye disponer la composición de partículas como polvo seco no disolvente en la capa de fibras. El mezclado puede incluir el mezclado de la una o más fibras metálicas con la composición de partículas pulverizando la composición de partículas en la red conductora.
La composición partículas puede incluir aditivos externos seleccionados de entre una cualquiera de las partículas de aglutinante, partículas conductoras, partículas cerámicas porosas que se mezclan junto con los materiales eléctricamente activos y una combinación de las mismas, donde los aditivos externos se mezclan con los materiales eléctricamente activos mediante el uso de un procedimiento de mezclado en seco.
El suministro de una o más fibras metálicas puede incluir un recubrimiento previo de un aglutinante en las superficies de una o más fibras metálicas. La composición de partículas puede incluir aditivos externos seleccionados de entre una cualquiera de las partículas conductoras y las partículas cerámicas porosas que se mezclan junto con los materiales eléctricamente activos, y una combinación de los mismos, donde los aditivos externos se mezclan con los materiales eléctricamente activos usando un procedimiento de mezclado en seco.
La composición de partículas puede incluir aditivos externos seleccionados de entre una cualquiera de las partículas conductoras y las partículas cerámicas porosas que se mezclan junto con los materiales eléctricamente activos, y una combinación de los mismos, y se recubre previamente un aglutinante en superficies de una cualquiera o de ambas de entre las partículas conductoras y las partículas cerámicas porosas, donde los aditivos externos se mezclan con los materiales eléctricamente activos usando un procedimiento de mezclado en seco.
El procedimiento de acuerdo con la presente invención incluye la realización de calentamiento o la emisión de rayos ultravioleta al mismo tiempo que la compresión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las características y ventajas anteriores y otras de la presente invención se harán más evidentes al describir en detalle sus realizaciones de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
las FIG. 1A a 1C son vistas que ilustran estructuras de electrodos de acuerdo con realizaciones de la presente invención;
la FIG. 2 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento para fabricar cualquiera de las estructuras de electrodos de las FIG. 1A a 1C, de acuerdo con una realización de la presente invención;
las FIG. 3A a 3D son vistas que ilustran en secuencia las estructuras resultantes del procedimiento de la FIG. 2; las FIG. 4A y 4B son vistas en sección transversal que ilustran estructuras de electrodos de acuerdo con otras realizaciones de la presente invención;
la FIG. 5A es una vista en perspectiva en despiece ordenado que ilustra una batería que usa estructuras de electrodos, de acuerdo con una realización de la presente invención; y
la FIG. 5B es una vista en sección transversal para explicar un procedimiento de apilamiento de las estructuras de electrodos, de acuerdo con una realización de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
A continuación, se describirá la presente invención con mayor detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales se muestran realizaciones de ejemplo de la invención.
A continuación, se describirá la presente invención con más detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales que se muestran los elementos de la invención.
Además, en los dibujos, los grosores o tamaños de las capas están exagerados para facilitar la explicación y la claridad, y los mismos números de referencia denotan los mismos elementos.
Una fibra metálica larga usada en la presente memoria que se obtiene mediante la fibrización de un metal tal como acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, cobre o una aleación de los mismos se refiere a una rosca metálica que tiene un diámetro comprendido entre varios micrómetros (pm) y decenas de pm y una longitud igual o mayor que decenas de pm. La fibra metálica larga tiene resistencia al calor, plasticidad y conductividad eléctrica como un metal, y además puede ser tejida o no tejida como una fibra. La presente invención se refiere a una estructura de electrodo de una batería que usa las ventajas de la fibra metálica larga.
Dichas fibras metálicas largas pueden fabricarse manteniendo un metal o aleación fundidos en un recipiente y solidificando rápidamente el metal o aleación fundidos por pulverización del metal o aleación fundidos en el aire a través de orificios de descarga en el recipiente usando un medio de presión tal como un pistón o un gas comprimido. Alternativamente, las fibras metálicas largas se pueden fabricar usando un procedimiento de estirado de haces bien conocido. Los grosores, la uniformidad, una estructura tal como una estructura no tejida y una relación altura-anchura de las fibras metálicas largas pueden controlarse controlando el número de orificios de descarga, los tamaños de los orificios de descarga y/o el vuelo del metal fundido. Las fibras metálicas largas que constituyen la batería pueden fabricarse como se describe anteriormente o pueden fabricarse usando cualquiera de los otros procedimientos bien conocidos sin apartarse del alcance de la presente invención.
Cuando se usa el término "separador" en el presente documento, el separador incluye un separador que se usa generalmente en una batería de electrólito líquido que usa un electrólito líquido tiene baja afinidad con el separador. Además, cuando el separador usado en la presente memoria incluye un electrólito de polímero sólido intrínseco y/o un electrólito de polímero sólido de gel que está tan fuertemente unido al separador que el electrólito y el separador se reconocen como iguales. Por consiguiente, el significado del separador debe definirse como se describe en la presente memoria.
Las FIG. 1A a 1C son vistas que ilustran las estructuras de electrodos (100), (200) y (300) de acuerdo con realizaciones de la presente invención.
Con referencia a las FIG. 1A a 1C, cada una de las estructuras de electrodo (100), (200) y (300) incluye una o más fibras metálicas (10) y materiales eléctricamente activos (20). Las fibras metálicas (10) pueden tener plasticidad debido a la ductilidad y maleabilidad de un metal. Además, se puede proporcionar una pluralidad de fibras metálicas (10) que tienen cada una una longitud apropiada al ser segmentadas. El número de fibras metálicas (10) puede determinarse de manera apropiada de acuerdo con el tamaño y la capacidad de una batería.
Cada una de las una o más fibras metálicas (10) puede tener un grosor comprendido entre 1 pm y 200 pm. Cuando un grosor de cada una de las fibras metálicas (10) es igual o inferior a 1 pm, puede ser difícil conformar las fibras metálicas (10) para que tengan propiedades uniformes, y puede ser difícil disponer arbitrariamente las fibras metálicas (10) para formar una red conductora como se describirá a continuación. Además, cuando un grosor de cada una de las fibras metálicas (10) es igual o mayor que 200 pm, dado que se reduce el área de superficie por volumen de las fibras metálicas (10), puede ser difícil mejorar el rendimiento de la batería al aumentar el área superficial. Dado que la fuerza de unión de los materiales eléctricamente activos (20) se reduce, los materiales eléctricamente activos (20) pueden separarse de cada una de las estructuras de electrodo (100), (200) y (300) durante el uso, reduciendo así la capacidad de la batería. Preferentemente, cada una de las una o más fibras metálicas (10) puede tener un grosor comprendido entre 2 pm y 20 pm. En este caso, la relación entre el área superficial y el volumen por unidad de longitud (por ejemplo, 4/diámetro cuando la batería tiene una forma de sección transversal circular) puede ser de 4 x 105 (1/m) a 2 x 106 (1/m).
En general, un colector de corriente convencional que usa una lámina tiene un grosor de aproximadamente 20 pm. Cuando se usan las fibras metálicas (10) que tienen cada una un grosor de 2 pm a 20 pm en lugar del colector de corriente convencional que usa una lámina que tiene un grosor de 20 pm, el área superficial puede aumentarse aproximadamente de 4 veces a 40 veces. Por consiguiente, el área superficial cuando se usa un colector de corriente que tiene fibras metálicas puede ser mayor que el área superficial cuando se usa un colector convencional que tiene una lámina, suponiendo que la captura convencional y la captura de corriente tienen el mismo peso. De este modo, de acuerdo con la presente realización, el área superficial de un colector de corriente puede ajustarse fácilmente ajustando el grosor de cada una de las fibras metálicas (10). Un área superficial de un colector de corriente se refiere a un área superficial de una red conductora por volumen de las fibras metálicas (10) que forman interfaces de reacción con cada uno de los materiales eléctricamente activos (20) y una solución electrolítica (30). La batería que tiene una densidad de energía muy alta puede formarse maximizando el área superficial.
En algunas realizaciones, una longitud media de las fibras metálicas (10) puede variar de 5 mm a 1. 000 mm. En este caso, la relación altura-anchura promedio de las fibras metálicas 10 puede estar comprendida entre 25 y 106. Si es necesario, las fibras metálicas (10) se usan para cada una de las estructuras de electrodo (100), (200) y (300) siendo segmentadas para tener una longitud comprendida entre aproximadamente 5 cm y aproximadamente 8 cm. En realidad, es difícil obtener fibras que tengan flexibilidad y conductividad excelente y que tengan una relación alturaanchura igual o superior a 103 de un material que no sea un material metálico. Por ejemplo, puede haber intentos de obtener fibras que tengan conductividad mediante el procedimiento de fibrización usando un material de polímero conductor. Dado que, sin embargo, el material de polímero conductor obtenido en estos intentos tiene mayor resistencia que las fibras metálicas, es difícil mejorar la conductividad eléctrica de los materiales eléctricamente activos y la estabilidad mecánica y térmica de una batería puede deteriorarse durante el uso.
En cuanto a las características térmicas, los materiales eléctricamente activos (20) unidos a la red conductora pueden sinterizarse usando un tratamiento térmico. En este caso, los materiales eléctricamente activos (20) pueden estar más fuertemente unidos a las fibras metálicas (10). Es imposible realizar dicho procedimiento de sinterización en una estructura de electrodo convencional usando fibras de polímero conductoras.
Alternativamente, en la red conductora que incluye las fibras metálicas (10), las fibras metálicas (10) pueden entrar en contacto físicamente entre sí sin estar unidas químicamente entre sí a través de sinterización. Los autores de la presente invención han descubierto que la red conductora en la cual las fibras metálicas (10) entran en contacto entre sí sin estar unidas químicamente entre sí sufre una menor degradación del rendimiento durante la carga/descarga frecuente. Esto se debe a que cuando las fibras metálicas (10) simplemente entran en contacto físicamente entre sí sin estar unidas químicamente entre sí, la red conductora puede responder con mayor flexibilidad a un cambio de volumen durante la carga/descarga.
Aunque las fibras metálicas (10) ilustradas en las FIG. 1A a 1C tienen formas sustancialmente lineales y curvas, la presente realización no se limita a ellas. Las fibras metálicas (10) pueden tener otras formas regulares o irregulares tales como formas rizadas o formas en espiral. Las fibras metálicas (10) que tienen formas lineales, formas curvas u otras formas regulares/irregulares están conectadas eléctricamente entre sí en cada una de las estructuras de electrodo (100), (200) y (300) por contacto físico o por unión química entre sí para formar una red conductora. Dado que la red conductora se forma de manera que las fibras metálicas (10) están curvadas, dobladas, enredadas, en contacto o unidas entre sí, se pueden formar poros en la misma, se puede garantizar una alta resistencia mecánica y se puede obtener una flexibilidad debido a las características de la fibra.
Las fibras metálicas (10) pueden incluir cualquiera de entre acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, cobre, una aleación de los mismos o una combinación de los mismos. Por ejemplo, en el caso de un cátodo, las fibras metálicas (10) pueden incluir aluminio o una aleación del mismo que no se oxida en un área de alto potencial. En el caso de un ánodo, las películas delgadas metálicas (10) pueden incluir cobre, acero inoxidable, níquel o una aleación de los mismos que sea electroquímicamente inactiva a un potencial operativo bajo.
Los metales son ilustrativos y se pueden usar otros materiales metálicos apropiados que son estables y no se oxidan y reducen para cada electrodo. Además, si es necesario, las fibras metálicas (10) pueden incluir dos o más tipos diferentes de metales, y pueden unirse químicamente entre sí formando un compuesto intermetálico entre ellas mediante el uso de un procedimiento adicional como tratamiento térmico o sinterización.
Los materiales eléctricamente activos (20) están unidos a la red conductora que incluye las fibras metálicas (10). Para que los materiales eléctricamente activos (20) estén fuertemente unidos a la red conductora, los tamaños de los poros en la red conductora que incluyen las fibras metálicas (10) y la porosidad se pueden ajustar de manera apropiada. Los tamaños de los poros y la porosidad pueden ajustarse ajustando una relación de mezcla en peso entre los materiales eléctricamente activos (20) y las fibras metálicas (10) en la estructura de electrodo (100).
En algunas realizaciones, la relación de mezcla en peso de las fibras metálicas (10) en la estructura del electrodo (100) se puede ajustar aumentando el número o la longitud de las fibras metálicas (10). Alternativamente, los tamaños de los poros y la porosidad en la estructura de electrodo (100) pueden ajustarse apropiadamente comprimiendo mecánicamente una mezcla de las fibras metálicas (10) y los materiales eléctricamente activos (20) usando un dispositivo de presión tal como una prensa de rodillo. Debido a la compresión, la red conductora que tiene una estructura no tejida se refuerza mecánicamente, y los materiales eléctricamente activos (20) están fuertemente unidos a la red conductora, mejorando así la densidad de energía de una batería.
Los materiales eléctricamente activos (20) pueden ser partículas que tienen un tamaño promedio comprendido entre 0,1 pm y 100 pm. Los materiales eléctricamente activos (20) pueden tener una distribución de tamaño de partícula de un intervalo predeterminado, y si es necesario, la distribución de tamaño de partículas de los materiales eléctricamente activos (20) puede controlarse usando un procedimiento de clasificación. En algunas realizaciones, los materiales eléctricamente activos (20) pueden tener un tamaño promedio comprendido entre 0,1 pm y 15 pm. Como se describió anteriormente, suponiendo que la red conductora incluye las fibras metálicas (10) que tienen cada una un grosor comprendido entre 1 pm y 200 pm, es deseable que el tamaño s de cada uno de los materiales eléctricamente activos (20) que están unidos a la red conductora corresponda a un grosor d de cada una de las fibras metálicas (10). En este caso, los materiales eléctricamente activos (20) pueden estar bien unidos en la red conductora. En algunas realizaciones, la relación s/d entre el tamaño promedio s de cada uno de los materiales eléctricamente activos (20) que son partículas y el grosor d de cada una de las fibras metálicas (10) puede estar comprendida entre 0,1 y 10. Cuando la relación s/d es menor que 0,01, los materiales eléctricamente activos (20) pueden caer en la solución electrolítica (30), y cuando la relación s/d es igual o mayor que 10, puede reducirse la reducción en el cambio de volumen y la mejora en la conductividad eléctrica debido a la red conductora.
Dado que los materiales eléctricamente activos (20) se proporcionan como partículas al segmentarse, puede suprimirse o reducirse el deterioro de la batería debido a un cambio en la tensión aplicada a los materiales eléctricamente activos (20) durante un ciclo de oxidación/reducción, especialmente, los materiales eléctricamente activos (20) para un ánodo. Además, dado que las fibras metálicas (20) pasan a través de los materiales eléctricamente activos (20) que se proporcionan como partículas, cada una de las estructuras de electrodo (100), (200) y (300) puede absorber una tensión mecánica debida a la oxidación/reducción, reducir la irreversibilidad entre la carga y la descarga debida a la tensión mecánica y puede suprimir una reducción en la capacidad a medida que se usa la batería. Además, como el calor generado durante la carga/descarga está bien distribuido, incluso cuando aumenta el número de veces que se produce la carga/descarga se puede suprimir una reducción en la capacidad debido al deterioro.
En detalle, cuando la batería es una batería de iones de litio que es una batería secundaria representativa, el volumen de los materiales eléctricamente activos (20) para un ánodo de alta capacidad puede incrementarse en un 100 % o más durante la litiación. En este caso, durante un ciclo de carga/descarga electroquímica, el ánodo se expande y contrae repetidamente, y por lo tanto puede agrietarse. En una estructura convencional en la cual los materiales eléctricamente activos (20) están recubiertos en un colector de corriente, debido a las grietas, cuando los materiales eléctricamente activos (20) ya no hacen contacto eléctrico con el colector de corriente, la conductividad eléctrica entre los materiales eléctricamente activos (20) puede reducirse, la capacidad puede reducirse drásticamente, la irreversibilidad puede aumentar y el riesgo de inestabilidad puede aumentar.
Sin embargo, en cada una de las estructuras de electrodos (100), (200) y (300), la red conductora puede funcionar como un colector de corriente. Además, dado que los poros formados por las fibras metálicas (10) y los materiales eléctricamente activos (20) reducen un cambio en los volúmenes de los materiales eléctricamente activos (20) durante la carga /descarga, es posible que no se produzcan grietas en los materiales eléctricamente activos (20). Dado que los materiales eléctricamente activos (20) que son partículas todavía están unidos a las fibras metálicas (10), se puede evitar una reducción en la conductividad eléctrica que puede ocurrir cuando los materiales eléctricamente activos (20) están separados entre sí, lo que mejora la reversibilidad entre la carga/descarga.
Para abordar las grietas en un electrodo debido a un cambio en el volumen de un ánodo durante la carga/descarga, recientemente se ha sugerido una estructura de electrodo de nanoescala que es menos vulnerable a un cambio en el volumen o a grietas, por ejemplo, nanocables, nanotubos o nanovarillas. Sin embargo, la estructura del electrodo de nanoescala puede servir para una batería pequeña y no se puede aplicar a una batería grande de gran capacidad, y requiere un procedimiento de fabricación complejo tal como reacción catalítica. Además, para revestir materiales eléctricamente activos en la estructura del electrodo de nanoescala es necesario realizar un procedimiento complejo como la deposición al vacío. Sin embargo, de acuerdo con la presente realización, dado que un tamaño y una forma de la estructura del electrodo pueden cambiarse más fácilmente que la estructura del electrodo de nanoescala convencional, la batería se puede usar como una batería pequeña o una batería mediana o grande que tiene una alta capacidad. Además, la batería que tiene cualquiera de las diversas formas y funciones puede fabricarse a bajo costo usando un procedimiento de apilado o mezclado, como se describirá a continuación.
Los materiales eléctricamente activos (20) que son partículas y están unidos a la red conductora pueden determinarse de manera apropiada de acuerdo con la polaridad de la estructura del electrodo y si la batería es una batería primaria o una batería secundaria. Por ejemplo, los materiales eléctricamente activos (20) para un cátodo pueden seleccionarse de entre el grupo que consiste en óxido, fosfato, sulfuro, fluoruro, cada uno de los cuales incluye dos o más componentes seleccionados de entre litio, níquel, cobalto, cromo, magnesio, estroncio, vanadio, lantano, cerio, hierro, cadmio, plomo, titanio, molibdeno y/o manganeso, y una combinación de los mismos. Sin embargo, la presente realización no se limita a esto, y los materiales eléctricamente activos (20) para un cátodo pueden estar formados por otro compuesto de calcógeno. Preferentemente, los materiales eléctricamente activos (20) para un cátodo pueden ser un compuesto de litio que incluye tres o más componentes, es decir, un compuesto de litio que incluye al menos dos de cobalto, cobre, níquel, manganeso, titanio y molibdeno que son adecuados para una batería secundaria de litio y que incluye al menos un elemento no metálico seleccionado de entre el grupo que consiste en oxígeno (O), flúor (F), azufre (S), fósforo (P) y una combinación de los mismos.
Los materiales eléctricamente activos (20) para un ánodo pueden ser un material a base de carbono, por ejemplo, un material a base de carbono de baja cristalización o un material a base de carbono de alta cristalización. El carbono de baja cristalización puede ser, por ejemplo, carbono blando o carbono duro. El carbono de alta cristalización puede ser carbón cocido a alta temperatura como grafito natural, grafito Kish, carbono pirolítico, fibra de carbono basada en brea de mesofase, microperlas de mesocarbono, brea de mesofase o coques derivados de brea de alquitrán de hulla. Los materiales son ilustrativos, y también se pueden usar otros materiales basados en carbono, tales como materiales basados en diamantes y materiales basados en carbino.
En otras realizaciones, los materiales eléctricamente activos (20) para un ánodo pueden incluir al menos uno de entre sodio u otro óxido, carburo, nitruro, sulfuro, fosfuro, selenio y teluro que son adecuados para una batería de NaS, en lugar de o junto con los materiales basados en carbono anteriores. Alternativamente, los materiales eléctricamente activos (20) para un ánodo pueden incluir un material basado en un solo átomo, tal como silicio, germanio, estaño, plomo, antimonio, bismuto, cinc, aluminio, hierro o cadmio, que puede absorber y emitir iones de litio de alta capacidad para un cátodo de alta capacidad, un compuesto intermetálico del mismo o un material activo no a base de carbono tal como un material a base de óxido.
En otras realizaciones, dado que la red conductora proporciona una acción amortiguadora a un cambio en un volumen de los materiales eléctricamente activos (20), los materiales eléctricamente activos (20) pueden incluir un compuesto a base de metal o un compuesto intermetálico cuya capacidad es alta y cuyo volumen el cambio es grande, tal como silicio (Si), bismuto (Bi), estaño (Sn), aluminio (Al) o una aleación de los mismos que se considera un material de intercalación de Li de alta eficiencia de la próxima generación.
En algunas realizaciones, como se muestra en la estructura de electrodo (200) de la FIG. 1B, se puede añadir un aglutinante (40) de manera que los materiales eléctricamente activos (20) que son partículas pueden estar fuertemente unidos a la red conductora. El aglutinante puede ser un material a base de polímeros como el copolímero de fluoruro de vinilideno-hexfluoropropileno (PVDF-co-HFP), poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF), poliacrilonitrilo, polimetilmetacrilato, politetrafluoroetileno (PTFE), caucho de estireno-butadieno (SBR), poliimida, polímero a base de poliuretano, polímero a base de poliéster o copolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM). Si es necesario, el aglutinante puede ser, pero no se limita a, otro material a base de polímero que tiene conductividad, tal como la brea de petróleo o el alquitrán de hulla (que no forma parte de la presente invención). La presente realización no está limitada a los materiales, y el aglutinante puede estar formado por cualquier material que tenga estabilidad y una fuerza de unión predeterminada en un entorno electroquímico y no puede disolverse en un electrólito (que no forma parte de la presente invención).
Los aglutinantes (40a) y (40b) pueden añadirse de manera tal que el peso de los aglutinantes (40a) y (40b) sea aproximadamente del 0,5 al 5 % con respecto al peso total de una mezcla de los materiales eléctricamente activos (20) y los aglutinantes (40a) y (40b). Dado que los aglutinantes (40a) y (40b) usan un disolvente orgánico o agua como medio de dispersión en un procedimiento de fabricación general, se tarda un tiempo en secar el medio de dispersión y las características del ciclo de la batería pueden degradarse porque el medio de dispersión permanece incluso después del secado. Además, dado que los aglutinantes (40a) y (40b) no son conductores, es preferible restringir el uso de los aglutinantes (40a) y (40b). Dado que los materiales eléctricamente activos (20) que son partículas están fuertemente unidos en la red conductora en la estructura del electrodo (200), el uso del aglutinante (40) puede minimizarse. Además, cuando se usan los aglutinantes (40a) y (40b), debido a una fuerza de fijación mecánica de la red conductora, el uso de los aglutinantes (40a) y (40b) puede minimizarse.
Dado que, en la presente invención, el uso de los aglutinantes (40a) y (40b) está restringido, el aglutinante (40) existe como un aglutinante puntual entre los materiales eléctricamente activos (20) que son partículas, y entre los materiales eléctricamente activos (20) y las fibras metálicas (10). El aglutinante puntual minimiza el aumento de la resistencia interna de la estructura del electrodo (200). A continuación, se describirá un procedimiento para fabricar diversas estructuras de electrodo al objeto de inducir el aglutinante puntual.
Cuando los materiales eléctricamente activos (20) son materiales eléctricamente activos para un cátodo, se puede añadir un conductor (50) junto con los materiales eléctricamente activos (20) y los aglutinantes (40a) y (40b) a la estructura del electrodo (300) tal como se muestra en la FIG. 1C. El conductor (50) puede mezclarse uniformemente con los materiales eléctricamente activos (20) y puede proporcionarse en la estructura de electrodo (300). El conductor (50) puede añadirse de manera tal que el peso del conductor (50) varíe de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 15 % con respecto al peso total de una mezcla de los materiales eléctricamente activos (20) y el conductor (50).
El conductor (50) puede ser una nanoestructura que tenga un área superficial específica alta y una resistencia baja tal como una pasta de partículas de nanometal, una pasta de óxido de indio y estaño (OIE), nanotubos de carbono o carbón fino tal como negro de carbono, negro de acetileno, negro ketjen o partículas de grafito ultrafino. Dado que las fibras metálicas (10) que tienen un tamaño micro correspondiente a los materiales activos (20) pueden actuar como el conductor (50) en la estructura del electrodo (300), se puede evitar un aumento en los costos de fabricación debido a la adición del conductor (50).
En otras realizaciones, aunque no se muestra en las FIG. 1 a 3, las partículas cerámicas porosas pueden añadirse adicionalmente a la estructura del electrodo (100), (200) o (300). Las partículas cerámicas porosas pueden incluir, por ejemplo, sílice porosa. Las partículas cerámicas porosas ayudan a la solución electrolítica (30) a impregnarse en cada una de las estructuras de electrodo (100), (200) y (300).
Tal como se describió anteriormente, dado que las fibras metálicas (10) tienen una conformabilidad propia de una fibra y una resistencia mecánica, alta conductividad y estabilidad térmica propias de un metal, una estructura de electrodo que incluye las fibras metálicas (10) mejora la capacidad, la densidad de energía y la eficiencia de carga/descarga. Un experto en la técnica entenderá que la presente invención se aplica de manera más eficiente a una batería que requiere alta capacidad y alta velocidad de carga/descarga, como una batería de arranque, encendido e ignición (SLI) de un vehículo, una batería para conducir un vehículo eléctrico y un vehículo híbrido, o una batería fija para almacenar energía verde.
Además, debido a las características de una fibra, es decir, la flexibilidad, de cada una de las estructuras de electrodo (100), (200) y (300), la batería que usa la estructura de electrodo es flexible. Por ejemplo, la batería que incluye la estructura del electrodo puede integrarse con un producto flexible como ropa o bolsas. Alternativamente, dado que la batería que incluye la estructura del electrodo puede estar dispuesta en una superficie trasera de un sustrato de pantalla flexible, se puede aumentar el grado de libertad de un lugar y un espacio donde la batería está dispuesta. La FIG. 2 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento para fabricar cualquiera de las estructuras de electrodo (100), (200) y (300) de las FIG. 1A a 1C, de acuerdo con una realización de la presente invención. Las FIG. 3A a 3D son vistas que ilustran en secuencia las estructuras resultantes del procedimiento de la FIG. 2;
Con referencia a la FIG. 2, en la operación (S100), se preparan las fibras metálicas (10). Además, se puede proporcionar una pluralidad de fibras metálicas (10) que tienen cada una una longitud apropiada al ser segmentadas. Con el fin de formar una estructura de electrodo que tiene una estructura no tejida, las fibras metálicas (10) pueden segmentarse para tener una longitud comprendida entre aproximadamente 5 cm y aproximadamente 8 cm. Como se muestra en la FIG. 3A, las fibras metálicas (10) están dispuestas al azar en un plano de soporte apropiado. En este caso, las fibras metálicas (10) pueden apilarse hasta un grosor de una capa única o de varios a cientos de capas, proporcionando así una primera capa de fibra (10Li).
Las fibras metálicas (10) se deforman golpeando las fibras metálicas (10) con una barra, y debido a la deformación, las fibras metálicas (10) pueden enredarse entre sí para formar una estructura no tejida. Las fibras metálicas (10) en la primera capa de fibra (10L1) se ponen en contacto físicamente entre sí para formar una red conductora que es un tanto dispersa. De forma selectiva, mediante un tratamiento térmico apropiado, las fibras metálicas (10) pueden unirse químicamente entre sí. En este caso, el tratamiento térmico se puede realizar a una temperatura que oscila entre, por ejemplo, 100 °C y 1. 200 °C.
En algunas realizaciones, los materiales eléctricamente activos pueden recubrirse previamente de manera uniforme sobre las fibras metálicas (10) usando un aglutinante. Para este fin, las fibras metálicas (10) sobre las cuales los materiales eléctricamente activos están recubiertos previamente pueden obtenerse dispersando una composición mixta de partículas de material eléctricamente activo y un aglutinante en un disolvente apropiado para obtener una estructura resultante, sumergiendo las fibras metálicas (10) en la estructura resultante, eliminando el disolvente usando un procedimiento en seco. Los materiales eléctricamente activos para recubrir previamente pueden ser los mismos que los materiales eléctricamente activos (20) para infiltrarse en la red conductora o un tipo diferente de materiales activos que tienen afinidad química con los materiales eléctricamente activos (20). Alternativamente, para evitar la corrosión de las fibras metálicas (10) debido a una solución electrolítica, los materiales eléctricamente activos para recubrir previamente pueden incluir otro cuerpo recubierto de metal u óxido metálico que tenga resistencia a la corrosión.
A continuación, en la operación (S200), se prepara una composición de partículas que incluye los materiales eléctricamente activos (20) para someter a reacción de batería. Los materiales eléctricamente activos (20) pueden ser partículas, cada una de las cuales tiene un tamaño comprendido entre 0,1 pm y 100 pm como se describe anteriormente. La composición de partículas puede incluir un aditivo externo seleccionado de entre uno cualquiera de un aglutinante, un conductor y partículas cerámicas porosas o una combinación de los mismos, además de los materiales eléctricamente activos (20).
La composición de partículas de acuerdo con la invención puede comprender además un conductor y/o partículas cerámicas porosas como aditivo en la composición de partículas, y la composición de partículas se proporciona usando un procedimiento de mezclado en seco. Por ejemplo, una composición de partículas mixtas intermedias se forma girando los materiales eléctricamente activos (20) que son partículas y una cantidad predeterminada de partículas conductoras a alta velocidad usando un mezclador. A continuación, las partículas de aglutinante sólido se añaden a la composición mixta intermedia seca y se hacen girar a alta velocidad usando el mezclador, completando así la composición de partículas. La composición de partículas mixtas intermedias y la composición de partículas obtenida usando el procedimiento de mezcla son polvo seco no disolvente que se mezcla sin usar un disolvente.
Alternativamente, se puede formar una composición de partículas mixtas intermedias introduciendo partículas de aglutinante en un mezclador junto con materiales eléctricamente activos (20), y haciendo girar las mismas a alta velocidad. A continuación, se puede añadir un conductor a la composición de partículas mixtas intermedias y mezclar de nuevo, completando así la composición de partículas. Alternativamente, la composición de partículas se puede formar añadiendo simultáneamente partículas de aglutinante y partículas conductoras a los materiales eléctricamente activos (20), y haciéndolas girar a alta velocidad usando un mezclador. Incluso en este caso, la composición intermedia de partículas mixtas y la composición de partículas son polvo seco no disolvente.
Cuando las partículas cerámicas porosas se añaden a la composición de partículas, las partículas cerámicas porosas se pueden mezclar con otros materiales, es decir, cualquiera de las partículas de aglutinante y un conductor, o partículas de material eléctricamente activo. Por ejemplo, una composición de partículas mixtas intermedia puede formarse mezclando las partículas de material eléctricamente activo, las partículas de aglutinante y las partículas conductoras para obtener una estructura resultante, y una composición de partículas puede formarse añadiendo las partículas cerámicas porosas a la estructura resultante y mezclando las mismas. Incluso en este caso, la composición de partículas es un polvo seco no disolvente.
En la presente invención, el aglutinante se proporciona en forma de partículas. Sin embargo, en otras realizaciones, el aglutinante se puede proporcionar de manera selectiva al ser recubierto previamente en superficies de una cualquiera de entre las fibras metálicas, las partículas conductoras y las partículas cerámicas porosas. Para este fin, se pueden obtener fibras metálicas sobre las cuales un aglutinante se recubre previamente sumergiendo las fibras metálicas en una solución en la cual el aglutinante se disuelve o dispersa, para extraer las fibras metálicas después de un período de tiempo predeterminado y secar el disolvente usando un secador o similar. Alternativamente, las fibras metálicas en las que un aglutinante está recubierto previamente se pueden obtener sumergiendo las fibras metálicas en un disolvente en el que el aglutinante se disuelve o dispersa, y agitando la solución para secar el disolvente.
Asimismo, se pueden obtener partículas conductoras y/o partículas cerámicas porosas en superficies de las cuales un aglutinante está previamente recubierto colocando una o todas las partículas conductoras y las partículas cerámicas porosas en un disolvente en el cual se disuelve el aglutinante o dispersar, y agitar la solución para secar el disolvente. En las realizaciones anteriores, dado que el aglutinante se usa con un recubrimiento previo, una carga ambiental puede ser menor que en un procedimiento de fabricación convencional que forma una suspensión mezclando una gran cantidad de materiales activos y un aglutinante en un disolvente.
Tal como se describió anteriormente, cuando un aglutinante se recubre previamente sobre superficies de fibras metálicas, partículas conductoras o partículas cerámicas porosas, se puede omitir un procedimiento de adición de partículas de aglutinante cuando se forma una composición de partículas. De este modo, cuando se proporciona un aglutinante al ser recubierto previamente sobre fibras metálicas o aditivos tales como partículas conductoras o partículas cerámicas porosas, se puede controlar razonablemente una distribución y un contenido del aglutinante en una composición de electrodo global. Aunque se pueden realizar recubrimientos previos de un aglutinante sobre partículas de material eléctricamente activo, es posible que no se induzca un aglutinante puntual cuando el calentamiento se realiza a una temperatura a la cual el aglutinante se funde en un procedimiento de compresión, y las características eléctricas de una batería pueden deteriorarse debido a un aumento en la cantidad de aglutinante añadido. Por consiguiente, un aglutinante se puede recubrir previamente solo en las superficies de fibras metálicas, partículas conductoras o partículas cerámicas porosas, y no se puede recubrir previamente sobre partículas de material eléctricamente activo.
Como se describirá más adelante, dado que el procedimiento de formación de un electrodo se realiza a una temperatura relativamente baja a la que se funde un aglutinante, por ejemplo, a una temperatura comprendida entre 50 °C y 400 °C, y preferentemente, a una temperatura comprendida entre 150 °C y 300 °C, el aglutinante puede mantenerse en su posición recubierta previamente, y los aglutinantes (40a) y (40b) que son aglutinantes puntuales pueden inducirse entre las fibras metálicas (10) y los materiales eléctricamente activos (20) y entre los materiales eléctricamente activos (20) y los conductores (50), y además entre los materiales eléctricamente activos (20) tal como se muestra en la FIG. 1B al expandirse y contraerse debido al calor suministrado mientras se fabrica el electrodo. Dado que el aglutinante no contribuye a las características eléctricas, con la salvedad de que tiene conductividad de ion litio, es preferible que el uso del aglutinante en la estructura del electrodo se minimice tal como se describió anteriormente.
Una vez formada la composición de partículas en la operación (S200), el procedimiento avanza a la operación (S300). En la operación (300) se mezclan las fibras metálicas (10) y la composición de partículas. Cuando las fibras metálicas (10) se proporcionan como la primera capa de fibra (10L1), preferentemente, como una capa que tiene una estructura metálica no tejida, como se muestra en la FIG. 3B, la composición de partículas puede pulverizarse sobre la primera capa de fibra (10Li) de manera que las fibras metálicas (10) y la composición de partículas se mezclan entre sí. Haciendo referencia a la FIG. 3B, una composición de partículas (20L) se infiltra en la primera capa de fibras (10Li) y parte de la composición de partículas permanece en la primera capa de fibras (10L1). La estructura resultante de la FIG. 3B es ilustrativa, y la presente realización no se limita a la misma. Por ejemplo, una cantidad apropiada de composición de partículas se puede mezclar de manera tal que la composición de partículas se pueda infiltrar completamente en la primera capa de fibra (10Li).
En algunas realizaciones, la uniformidad de la composición de partículas infiltrada en la primera capa de fibra (10Li) puede mejorarse pulverizando la composición de partículas sobre una superficie superior de la primera capa de fibras (10Li), girando una estructura resultante, y también pulverizando la composición de partículas sobre una superficie inferior de la primera capa de fibra (10Li) que está expuesta. Si es necesario, durante la operación (S300), con el fin de promover la infiltración uniforme de la composición de partículas en los poros entre las fibras metálicas (10), se puede aplicar una oscilación a una frecuencia apropiada con una resistencia apropiada.
En algunas realizaciones, una segunda capa de fibra (10L2) puede disponerse adicionalmente sobre la estructura resultante como se muestra en la FIG. 3C. La segunda capa de fibra (10L2) puede formarse de una manera similar a la usada para formar la primera capa de fibra (10Li). La segunda capa de fibra (10L2) puede tener un grosor de una sola capa o de entre varias capas y cientos de capas. Las fibras metálicas (10) se deforman al palmear las fibras metálicas (10) usando una barra, y así las fibras metálicas (10) se enredan entre sí para formar una estructura no tejida.
En algunas realizaciones, las operaciones descritas con referencia a las FIG. 3A a 3C pueden realizarse repetidamente. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 3D, es posible realizar de forma alterna varias un procedimiento de formación de una pluralidad de capas de fibra (10Li), (10L2) y (10L3) y un procedimiento de formación de capas de material eléctricamente activo (20Li) y (20L2) mezclando las capas de fibra (10Li), (10L2 ) y (10L3 ) con los materiales eléctricamente activos (20). Aunque se apilan tres capas de fibra (10Li), (10L2) y (10L3 ) y dos capas de material eléctricamente activo (20Li) y (20L2) alternativamente en la FIG. 3D, la presente realización no se limita a esto. Por ejemplo, pueden apilarse dos capas de fibra (10Li) y (10L2) y una capa de material eléctricamente activo (20L) de forma alterna tal como se muestra en la FIG. 3C, o pueden apilarse de forma alterna cuatro o más capas de fibra y tres o más capas de material eléctricamente activo.
Con referencia de nuevo a la FIG. 3D, cuando finaliza la operación (S300), el procedimiento avanza a la operación (S400). En la operación (S400), se comprime una estructura (400) obtenida mezclando las fibras metálicas (10) y la composición de partículas. Debido a la operación (S400), la estructura (400) puede tener una forma plana que tiene un grosor predeterminado. La operación (S400) puede realizarse usando una prensa de rodillos, y puede mejorar la densidad de la capacidad del electrodo y la adhesión entre la red conductora y los materiales eléctricamente activos (20).
Como partículas de aglutinante y opcionalmente se incluye un aglutinante recubierto previamente en la estructura resultante, durante la operación (S400), se aplica energía para fundir el aglutinante a la estructura resultante. La energía es calor y/o rayos ultravioleta. La energía puede determinarse de manera apropiada de acuerdo con un tipo de aglutinante, y generalmente el calentamiento se realiza a una temperatura relativamente baja, por ejemplo, una temperatura comprendida entre 50 °C y 400 °C, y preferentemente, entre 150 °C y 300 °C.
En la operación (S400), una superficie de la estructura (400) puede comprimirse en direcciones marcadas con flechas. Por consiguiente, las fibras metálicas (10) en capas de fibra adyacentes, por ejemplo, en la primera capa de fibra (10Li) y la segunda capa de fibra (10L2), y en la segunda capa de fibra (10L2 ) y la tercera capa de fibra (10L3) pueden enredarse entre sí para ponerse en contacto físicamente entre sí, formando de este modo una red conductora sobre toda la estructura (400).
A diferencia de un procedimiento convencional de fabricación de un electrodo que usa una lámina metálica, el procedimiento de fabricación de la estructura de electrodo descrito con referencia a las FIG. 2 a 3D proporciona una composición de partículas como polvo seco no disolvente, en lugar de una suspensión. Es decir, en las realizaciones anteriores, los materiales eléctricamente activos (20) se infiltran como partículas secas sin un disolvente en la red conductora de las fibras metálicas (10).
Por consiguiente, de acuerdo con la presente invención, dado que no se usa un disolvente tal como agua o un disolvente orgánico, excepto en un procedimiento de recubrimiento previo de un aglutinante, se puede reducir la carga ambiental. Además, después de que una composición de partículas se infiltra en una red conductora, ya que no se requiere un procedimiento en seco para eliminar una suspensión en el disolvente, se facilita un procedimiento, se puede mejorar la productividad y se puede simplificar el equipo. Además, cuando un disolvente para un aglutinante usado en una suspensión permanece en los materiales eléctricamente activos (20), los materiales eléctricamente activos (20) pueden deteriorarse. Por consiguiente, un procedimiento de mezclado que usa polvo seco no disolvente mejora el rendimiento.
Las FIG.4A y 4B son vistas en sección transversal que ilustran las estructuras de electrodo (400A) y (400B) de acuerdo con otras realizaciones de la presente divulgación.
Con referencia a las FIG. 4A y 4B, las capas conductoras CL pueden disponerse en las superficies de las estructuras de electrodo (100) y (200) que tienen estructuras no tejidas obtenidas usando el procedimiento descrito anteriormente. Dado que las fibras metálicas (10) en las estructuras de electrodo (100) y (200) que tienen las estructuras no tejidas funcionan como colectores de corriente, las capas conductoras CL pueden aplicarse a una toma para ensamblar la batería.
La capa conductora CL puede unirse a la estructura de electrodo (100) que tiene la estructura no tejida usando una capa adhesiva conductora AL, por ejemplo, una pasta metálica, como se muestra en la FIG. 4A. Alternativamente, la capa conductora CL, como se muestra en la FIG.4B, puede unirse a la estructura de electrodo (200) usando una capa de unión BL o una capa de reacción a través de la unión química entre la estructura de electrodo (200) que tiene la estructura no tejida y la capa conductora CL. La capa conductora CL puede ser una lámina metálica delgada tal como acero inoxidable, aluminio o cobre.
La FIG. 5A es una vista en perspectiva en despiece ordenado que ilustra una batería (1000) que usa las estructuras de electrodo (100a) y (100b), de acuerdo con una realización de la presente invención. La FIG. 5B es una vista en sección transversal para explicar un procedimiento de apilamiento de las estructuras de electrodos (100a) y (100b), de acuerdo con una realización de la presente invención.
Con referencia a la FIG. 5A, la batería (1000) puede ser una batería cilíndrica general. Para aumentar un área de reacción, las estructuras de electrodo (100a) y (100b) que tienen polaridades diferentes que actúan para un cátodo y un ánodo pueden arrollarse alternativamente entre sí. Tomas conductoras (100T), tales como las capas conductoras CL de las FIG. 4A y 4B, pueden acoplarse respectivamente a porciones extremas de las estructuras de electrodo (100a) y (100b).
Con referencia a las FIG. 5A y 5B, para aislar las estructuras de electrodo (100a) y (100b) que tienen polaridades diferentes, se puede disponer un separador (500) entre las estructuras de electrodo (100a) y (100b). Cuando un colector de corriente tal como una lámina metálica convencional no está recubierto en al menos una o todas las estructuras de electrodo (100a) y (100b) que tienen polaridades diferentes, puede ocurrir un intercambio de iones en ambas direcciones entre las estructuras de electrodo (100a) y (100b) durante la carga/descarga. Por ejemplo, en una batería de iones de litio, cuando la primera estructura de electrodo (100a) es para un cátodo y la segunda estructura de electrodo (100b) es para un ánodo y no se aplica un colector de corriente convencional a la estructura de electrodo (100b) para un ánodo, la estructura de electrodo (100b) puede compartirse entre un par de estructuras de electrodo adyacentes (100a). En consecuencia, mientras se descarga la batería (1000), los iones de litio de la estructura del electrodo (100a) se mueven hacia ambas superficies de la estructura del electrodo (100b) en las direcciones marcadas por las flechas A1 y A2 para emitir energía. Incluso cuando la batería (1000) está cargada, los iones de litio se mueven en ambas direcciones, lo que contribuye a la reacción química de la batería (1000).
Una capacidad eléctrica disminuye a medida que aumenta el grosor de una capa de material eléctricamente activo en una estructura de electrodo convencional que incluye un colector de corriente de tipo lámina metálica y los materiales eléctricamente activos que están recubiertos en el colector de corriente de tipo lámina metálica. Sin embargo, en la FIG. 5B, incluso cuando el grosor de un colector de corriente de ánodo es grande, por ejemplo, cuando el grosor del colector de corriente de ánodo es dos veces mayor que el grosor de la capa de material eléctricamente activo de la estructura de electrodo convencional, la batería (1000) puede tener una capacidad eléctrica igual o mayor. Además, dado que el número de separadores (500) usados es menor que el usado cuando se usa el electrodo convencional, se puede proporcionar la batería (1000) que tiene una densidad de energía más alta.
El separador (500) puede ser, por ejemplo, una película microporosa a base de polímero, una tela tejida, una tela no tejida, cerámica, una película de electrólito de polímero sólido intrínseco, una película de electrólito de polímero sólido de gel o una combinación de los mismos. La película de electrólito de polímero sólido intrínseco puede incluir, por ejemplo, un material de polímero de cadena lineal o un material de polímero reticulado. La película de electrólito de polímero de gel puede ser una cualquiera de entre un polímero que contiene plastificante, un polímero que contiene carga o un polímero puro que incluye sal o una combinación de los mismos. La capa de electrólito sólido puede incluir, por ejemplo, una matriz polimérica compuesta por uno cualquiera de entre polietileno, polipropileno, poliimida, polisulfona, poliuretano, policloruro de vinilo, poliestireno, polióxido de etileno, polióxido de propileno, polibutadieno, celulosa, carboximetilcelulosa, poliacrilonitrilo, polifluoruro de vinilideno, politetrafluoroetileno, un copolímero de fluoruro de vinilideno y hexafluoropropileno, un copolímero de fluoruro de vinilideno y un trifluoroetileno, un copolímero de fluoruro de vinilideno y tetrafluoroetileno, polimetacrilato, polietacrilato, polibutilmetacrilato, poliacetato de vinilo, polialcohol vinílico y una combinación de los mismos, aditivo y una solución electrolítica. Los materiales del separador (500) son ilustrativos, y puede usarse cualquier material que tenga una forma fácilmente cambiable, tenga una alta resistencia mecánica, no pueda romperse ni agrietarse incluso cuando las estructuras de electrodo (100a) y (100b) están deformadas y tenga un aislamiento de electrones apropiado arbitrario y una excelente conductividad iónica.
El separador (500) puede ser una película de una sola capa o de múltiples capas, y la película de múltiples capas puede ser una pila de películas de una sola capa hechas del mismo material o una pila de películas de una sola capa hechas de diferentes materiales. Por ejemplo, la pila puede tener una estructura que incluye una película de recubrimiento cerámico sobre una superficie de una película de electrólito polimérico tal como poliurefina. Teniendo en cuenta la durabilidad, la función de suspensión del uso y la estabilidad de la batería (1000), el grosor del separador (500) puede estar comprendido entre 10 pm y 300 pm, preferentemente, entre 10 pm y 40 pm, y más preferentemente, entre 10 pm y 25 pm.
La batería (1000) está conectada eléctricamente a los terminales de electrodo externos (600) y (700) a través de las tomas conductoras (100T) acopladas a las estructuras de electrodo (100a) y (100b). Una solución electrolítica acuosa que incluye sal tal como hidróxido de potasio (KOH), bromuro de potasio (KBr), cloruro de potasio (KCl), cloruro de cinc (ZnCl2) o ácido sulfúrico (H2 SO4) en un alojamiento (900) puede infiltrarse en las estructuras del electrodo (100a) y (100b) y/o el separador (500), completando así la batería (1000). Aunque no se muestra en las FIG. 5A y 5B, se puede acoplar además un sistema de gestión de batería apropiado para controlar la estabilidad y/o las características de la fuente de alimentación mientras se usa la batería (1000).
Dado que las formas de las estructuras de electrodo (100a) y (100b) que incluyen las fibras metálicas (10) se cambian fácilmente debido a sus características como fibra, y una capa de material activo y una red conductora se mezclan de manera sustancialmente uniforme en cada una de las estructuras de electrodo globales (100a) y (100b), incluso cuando se incrementa el grosor para ajustar la capacidad de la batería (1000), el rendimiento de la batería (1000) no se puede deteriorar a diferencia de la estructura de electrodo convencional obtenida al recubrir una capa de material activo sobre una lámina metálica, y por lo tanto puede determinarse cualquiera de los diversos volúmenes para la batería (1000).
Además, dado que las formas de las estructuras de electrodo (100a) y (100b) que incluyen las fibras metálicas (100) pueden cambiarse fácilmente, las estructuras de electrodo (100a) y (100b) pueden deformarse tridimensionalmente, por ejemplo, apilarse, doblarse y envolverse así como arrollarse tal como se muestra en la FIG. 5A, y la batería (1000) que tiene cualquiera de los diversos volúmenes y formas, en lugar de una forma cilíndrica, puede integrarse con un producto fibroso angular o de tipo bolsa, como ropa o bolsas. Además, las estructuras de electrodo (100a) y (100b) pueden aplicarse a uno cualquiera o a la totalidad de un cátodo y un ánodo de una batería.
De acuerdo con las realizaciones, dado que las fibras metálicas tienen excelentes características eléctricas, mecánicas y térmicas propias de un metal tiene y una flexibilidad y una estructura propias de una fibra, la resistencia de contacto entre un colector de corriente y los materiales eléctricamente activos puede reducirse y el área de contacto puede aumentarse, lo que mejora la densidad de energía, la velocidad de carga/descarga, la eficiencia de carga/descarga y las características del ciclo de una batería.
Además, dado que se usa un colector de corriente que usa fibras que tienen una estructura no tejida en lugar de un colector de corriente que usa una lámina existente, se puede reducir el número de separadores usados para fabricar una batería mediante apilamiento de electrodos. Como resultado, dado que un electrodo puede fabricarse para tener un gran grosor en el mismo volumen, la batería puede tener una excelente densidad de energía por unidad de volumen.
De acuerdo con las realizaciones, dado que las fibras metálicas tienen excelentes características eléctricas, mecánicas y térmicas propias de un metal y una flexibilidad y una estructura propias de una fibra, la resistencia de contacto entre un colector de corriente y los materiales eléctricamente activos puede reducirse y el área de contacto puede aumentarse, lo que mejora la densidad de energía, la velocidad de carga/descarga, la eficiencia de carga/descarga y las características del ciclo de una batería. Además, dado que una red conductora que incluye las fibras metálicas puede reducir un cambio en los volúmenes de los materiales eléctricamente activos durante la carga/descarga, pueden usarse materiales de intercalación de Li de alta eficiencia de la próxima generación como materiales eléctricamente activos. Además, dado que se usa un colector de corriente que usa fibras que tienen una estructura no tejida en lugar de un colector de corriente que usa una lámina existente, se puede reducir el número de separadores usados para fabricar una batería mediante apilamiento de electrodos. Como resultado, dado que un electrodo puede fabricarse para tener un gran grosor en el mismo volumen, la batería puede tener una alta densidad de energía por unidad de volumen.
Además, dado que el procedimiento de fabricación de una estructura de electrodo no usa un disolvente como el agua o un disolvente orgánico en un procedimiento de formación de una composición de partículas y un procedimiento de mezclado, excepto en un procedimiento de recubrimiento previo de un aglutinante, se reduce la carga ambiental. Además, después de que una composición de partículas se infiltra en una red conductora, dado que no se requiere un procedimiento en seco para eliminar una suspensión en el disolvente, se facilita el procedimiento, se puede mejorar la productividad y se puede simplificar el equipo. Cuando el disolvente para el aglutinante aplicado a la suspensión espesa permanece en materiales eléctricamente activos, los materiales eléctricamente activos pueden deteriorarse. Por consiguiente, el procedimiento de mezclado que usa polvo seco no disolvente mejora el rendimiento.
Aunque la presente invención se ha mostrado y descrito en particular con referencia a realizaciones ilustrativas de la misma, los expertos en la materia entenderán que pueden realizarse diversos cambios en la forma y detalles en la misma sin apartarse del alcance de la presente invención tal como se define en las siguientes reivindicaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Una batería que comprende una estructura de electrodo, comprendiendo la batería:
una red conductora que tiene una estructura no tejida que se forma usando una pluralidad de fibras metálicas que están dispuestas al azar para enredarse entre sí y entrar físicamente en contacto entre sí;
una pluralidad de partículas de aglutinante; y
una composición de partículas que comprende materiales eléctricamente activos que se proporcionan como partículas y están unidos a la red conductora y las partículas de aglutinante,
donde las partículas de aglutinante se proporcionan como aglutinantes puntuales entre las fibras metálicas y los materiales eléctricamente activos, y entre el material eléctricamente activo, donde la composición de partículas se dispone como polvo seco no disolvente en la capa de fibra, y donde las partículas de aglutinante se funden para proporcionar aglutinantes puntuales entre las fibras metálicas y los materiales eléctricamente activos realizando calentamiento o aplicando rayos ultravioleta a la composición de partículas al mismo tiempo que se comprime la mezcla.
2. La batería de acuerdo con la reivindicación 1, donde la composición de partículas comprende, además, uno cualquiera o la totalidad de un conductor, y partículas cerámicas porosas.
3. La batería de acuerdo con la reivindicación 1, donde cada una de las fibras metálicas tiene un grosor comprendido entre 1 pm y 200 pm o entre 2 pm y 20 pm.
4. La batería de acuerdo con la reivindicación 1, donde las fibras metálicas comprenden uno cualquiera de entre acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, cobre, una aleación de los mismos o una combinación de los mismos.
5. La batería de acuerdo con la reivindicación 1, donde la relación entre un tamaño promedio de los materiales eléctricamente activos y un grosor promedio de una o más fibras metálicas está comprendida entre 0,01 y 10.
6. Un procedimiento de fabricación de una estructura de electrodo, comprendiendo el procedimiento: suministrar una capa de fibra que tiene una estructura no tejida, que comprende una pluralidad de fibras metálicas que constituyen una red conductora, y están dispuestas al azar para enredarse entre sí y estar físicamente en contacto entre sí;
suministrar una composición de partículas que comprende materiales eléctricamente activos que son partículas y partículas de un aglutinante;
mezclar las fibras metálicas de la capa de fibra con la composición de partículas para obtener una mezcla; y comprimir la mezcla de las fibras metálicas y la composición de partículas,
donde la composición de partículas se dispone como polvo seco no disolvente en la capa de fibra, y
donde las partículas de aglutinante se funden para proporcionar aglutinantes puntuales entre las fibras metálicas y los materiales eléctricamente activos realizando calentamiento o aplicando rayos ultravioleta a la composición de partículas al mismo tiempo que se comprime la mezcla.
7. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, donde la mezcla comprende el mezclado de las fibras metálicas de la capa de fibra con la composición de partículas pulverizando la composición de partículas en la capa de fibra, y donde el suministro de la capa de fibra comprende un segundo recubrimiento previo de partículas de aglomerante sobre superficies de las fibras metálicas.
8. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, donde las partículas de aglutinante se mezclan con los materiales eléctricamente activos usando un procedimiento de mezclado en seco.
9. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, donde la composición de partículas comprende, además, aditivos externos seleccionados de entre uno cualquiera de las partículas conductoras y las partículas cerámicas porosas que se mezclan junto con los materiales eléctricamente activos, y una combinación de los mismos, donde los aditivos externos se mezclan con los materiales eléctricamente activos usando un procedimiento de mezclado en seco.
10. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, donde la realización del calentamiento comprende la realización del calentamiento a una temperatura comprendida entre 50 °C y 400 °C.
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