ES2830124T3 - Separador asimétrico - Google Patents

Abstract

Separador para su disposición en una batería, que comprende un cuerpo de base (1), presentando el cuerpo de base (1) un lado de ánodo (2) para la puesta en contacto con el ánodo de una batería y un lado de cátodo (3) para la puesta en contacto con el cátodo de una batería, caracterizado por que el lado de ánodo (2) presenta otra consistencia de material que el lado de cátodo (3), estando compuesto el lado de ánodo (2) por un primer material o una primera mezcla de materiales y estando compuesto el lado de cátodo (3) por un segundo material o una segunda mezcla de materiales, presentando el primer material o la primera mezcla de materiales y el segundo material o la segunda mezcla de materiales, unos materiales de carga, conteniendo al menos una parte de los materiales de carga en el lado de ánodo Al2O3 y al menos una parte de los materiales de carga en el lado de cátodo poli(fluoruro de vinilideno), caracterizado por que el cuerpo de base (1) está compuesto por un tejido no tejido.

Description

DESCRIPCIÓN

Separador asimétrico

Campo técnico

La invención se refiere a un separador para su disposición en una batería, que comprende un cuerpo de base, presentando el cuerpo de base un lado de ánodo para la puesta en contacto con el ánodo de una batería y un lado de cátodo para la puesta en contacto con el cátodo de una batería.

Estado de la técnica

Los separadores del tipo mencionado al principio ya se conocen por los documentos WO 2009/033 514 A1 y WO 2009/033627 A1. En éstos se describen tejidos no tejidos con relleno de partículas, que se utilizan como separadores en baterías y sistemas de almacenamiento de energía.

En el curso de la escasez de recursos naturales y el consiguiente aumento del costo de la energía, los sistemas de almacenamiento de energía, en particular, los sistemas de almacenamiento de energía eléctricos, son cada vez más importantes para las sociedades industriales modernas.

Como sistemas de almacenamiento de energía se utilizan en su mayor parte condensadores y baterías. En la actualidad, las baterías de iones de litio se consideran particularmente prometedoras. Estas baterías ya se utilizan hoy en día para aplicaciones móviles, como teléfonos móviles, videocámaras, etc.

Sin embargo, surgen problemas de ampliación cuando se transfiere esta tecnología a baterías de gran volumen, que se necesitan para almacenar grandes cantidades de energía eléctrica. A este respecto, un problema importante es el calentamiento o sobrecalentamiento de una batería. En las baterías grandes, el calor generado durante las operaciones de carga o descarga es relativamente difícil de disipar, por lo que los componentes individuales de la batería están sometidos a un gran estrés térmico, lo que acorta la vida útil de la batería. Por tanto, se imponen mayores exigencias a la seguridad, la estabilidad y la vida útil de los componentes individuales de una batería a fin de evitar un cortocircuito interno y evitar que la batería explote.

Para garantizar el uso económico de las baterías de iones de litio, además de ampliar las baterías también tiene que aumentarse adicionalmente su densidad de energía o potencia. Para cumplir con estos requisitos, se están desarrollando nuevos materiales de electrodos tanto para el ánodo como para el cátodo.

Para el cátodo se utilizan materiales catódicos de alto voltaje, que permiten un mayor voltaje de célula en la batería y con ello también una mayor capacidad. Los materiales catódicos de alto voltaje son materiales altamente oxidantes, en particular en el estado cargado de una batería, que imponen exigencias completamente nuevas a los componentes utilizados en una batería. En el lado de ánodo, el separador está en contacto directo con materiales de electrodos fuertemente reductores.

Esto plantea nuevos requisitos con respecto al electrolito y también al separador, que está en contacto físico directo con los electrodos.

Los documentos WO 2008/143005 y US 2009/0325058 A1 se refieren a dispositivos electroquímicos con un electrodo positivo, un electrodo negativo, un electrolito no acuoso y un separador. El separador comprende una primera capa porosa, que principalmente está compuesta por una resina termoplástica, y una segunda capa porosa, que principalmente está compuesta por partículas aislantes.

El documento DE 102005042215 A1 se refiere a un separador, que comprende fibras eléctricamente no conductoras y un recubrimiento no eléctricamente conductor a partir de un adhesivo inorgánico y partículas de óxido adheridas al sustrato.

El documento WO 02/061874 A1 se refiere a electrolitos poliméricos de múltiples capas curados por UV, que presentan capas de película de separador y capas de electrolitos.

Exposición de la invención

Por tanto, la invención se basa en el objetivo de proporcionar un separador que pueda emplearse fácilmente en baterías de iones de litio y que aumente la seguridad operativa de la batería de iones de litio.

Según la invención, el objetivo anterior se alcanza mediante un separador con las características de la reivindicación 1. Según esto, el separador mencionado al principio se caracteriza por que el lado de ánodo presenta otra consistencia de material que el lado de cátodo.

Según la invención se ha reconocido por primera vez que es necesario un separador que de manera sencilla pueda entrar en contacto con diferentes materiales de electrodos. Además, se ha reconocido que una consistencia de material diferente del separador en el lado de ánodo y el lado de cátodo permite adaptar el separador a los materiales de electrodos. A este respecto, no sólo es concebible configurar en el lado de ánodo otra porosidad que, en el lado de cátodo, sino que también es concebible disponer incluso materiales o mezclas de materiales completamente diferentes. Según la invención este separador permite cumplir con los requisitos nuevos con respecto a baterías grandes de alta energía o de alta potencia. A diferencia de los separadores de poliolefinas ya conocidos que están compuestos por materiales uniformes (polietileno o polipropileno) con una estructura de poros isotrópica en relación con la sección transversal, el separador según la invención está construido de manera asimétrica. Por tanto, puede adaptarse a los diferentes requisitos en cada caso con respecto a la estabilidad química o electroquímica en el lado de electrodo respectivo. De este modo se garantiza un funcionamiento seguro de una batería.

Por consiguiente, se alcanza el objetivo mencionado al principio.

La composición de materiales diferente del separador en el lado de ánodo y el lado de cátodo también podría obtenerse mediante un tratamiento de superficie, por ejemplo, plasma reactivo o activador, tratamiento con corona o fluorización. De este modo, en particular, puede mejorarse la adhesión a los electrodos, puede formarse una capa protectora frente a la corrosión electroquímica o pueden mejorarse las propiedades de humectación a través del electrolito.

Según la invención el lado de ánodo está compuesto por un primer material o una primera mezcla de materiales y el lado de cátodo está compuesto por un segundo material o una segunda mezcla de materiales.

Los respectivos materiales o las respectivas mezclas de materiales pueden estar adaptados a las condiciones químicas o físicas en el respectivo lado de electrodo. En el lado de ánodo y/o el lado de cátodo podría estar configurada una capa barrera de porosidad fina. De este modo puede evitarse un crecimiento de dendritas. El crecimiento de dendritas comienza habitualmente en el ánodo y desde aquí, continúa hacia el cátodo. Mediante una capa barrera de porosidad muy fina puede reducirse de manera efectiva. A este respecto, también es concebible que en el lado del ánodo estén configurados poros muy finos con un diámetro de poro que aumenta hacia el lado de cátodo.

La capa barrera de porosidad fina podría aplicarse mediante laminación sobre el cuerpo de base. De este modo se establece una unión firme y relativamente segura frente a un desprendimiento, con el cuerpo de base. El proceso de laminación permite una producción por separado del cuerpo de base y de la capa barrera, que puede estar compuesta por un material o una mezcla de materiales.

Según la invención el primer material o la primera mezcla de materiales y/o el segundo material o la segunda mezcla de materiales presenta materiales de carga. Los materiales de carga permiten ajustar la porosidad de la capa barrera de porosidad fina. A este respecto, es concebible utilizar material de pulpa, fibras o partículas como materiales de carga. Estos materiales de carga pueden incorporarse incluso al cuerpo de base para modificar su porosidad.

Con estos antecedentes al menos una parte de los materiales de carga podría estar configurada como partículas con un tamaño medio de partículas de desde 0,2 hasta 10 pm, preferiblemente desde 0,5 hasta 4 pm. El tamaño de partícula de desde 0,2 hasta 10 pm permite formar una capa con una porosidad suficientemente fina. El tamaño de partícula de desde 0,5 hasta 4 pm permite formar una capa de porosidad fina que, de manera eficaz, evita el crecimiento de dendritas en baterías de iones de litio. De este modo puede evitarse un cortocircuito o incluso una explosión de la batería. Las partículas podrían estar configuradas de forma redonda o alargada.

Según la invención al menos una parte de los materiales de carga en el lado de ánodo contiene AhO3 y al menos una parte de los materiales de carga en el lado de cátodo contiene poli(fluoruro de vinilideno). De manera sorprendente, las partículas de AbO3 resisten los materiales de ánodo reductores y las partículas de poli(fluoruro de vinilideno) los materiales de cátodo oxidantes. AbO3 (óxido de aluminio) es estable a la reducción y el poli(fluoruro de vinilideno) es estable a la oxidación.

Es concebible utilizar las partículas mencionadas adicionalmente en los documentos WO 2009/033 514 A1, WO 2009/033 627 A1 y PCT/EP2009/001197 para formar un separador de estructura asimétrica, siempre que sean estables a la reducción o estables a la oxidación.

Al menos una parte de los materiales de carga podría estar configurada como sustancias hinchables y que gelifican en el electrolito. Al hincharse o gelificar pueden cerrarse orificios no deseados en el separador y su porosidad, al entrar en contacto con el electrolito, puede ser aún más fina.

Los materiales de carga mencionados en este caso, en particular las partículas, podrían estar unidas mediante aglutinantes, como se indican en los documentos WO 2009/033514 A1, WO 2009/033627 A1 y PCT/EP2009/001197.

Según la invención el cuerpo de base está compuesto por un tejido no tejido. Una capa de tejido no tejido puede dotarse fácilmente en el lado del ánodo o en el lado del cátodo de diferentes materiales. Los separadores de poliolefinas conocidos por el estado de la técnica muestran inconvenientes significativos con respecto a la estabilidad térmica. En este sentido cabe mencionar la elevada contracción y la fusión y disolución a altas temperaturas y presión. Un tejido no tejido muestra en este caso de manera sorprendente un mejor comportamiento, aunque el tejido no tejido también puede comprender fibras de poliolefinas.

De manera particularmente preferida el tejido no tejido podría estar configurado como tejido no tejido en húmedo, que ha consolidado de manera térmica y/o se ha fijado mediante un aglutinante. Un tejido no tejido de este tipo puede formarse particularmente bien con una capa barrera de porosidad fina.

El tejido no tejido podría estar fabricado por fibras cuyo diámetro medio asciende a como máximo 5 pm. De este modo se obtiene una estructura de poros muy fina.

El punto de fusión del tejido no tejido podría ser mayor de 100°C. Preferiblemente el punto de fusión del tejido no tejido podría ser mayor de 140°C. De manera particularmente preferida la temperatura de fusión en el electrolito podría ser mayor de 200°C. Un tejido no tejido de este tipo es particularmente adecuado para su uso en una batería de iones de litio.

El separador podría presentar una contracción de como máximo el 5% a una temperatura de 150°C. Un separador con un comportamiento de contracción de este tipo también puede emplearse en baterías que muestran temperaturas de funcionamiento elevadas.

El separador podría presentar un tamaño medio de los poros (diámetro medio de los poros) de desde 0,1 hasta 4 pm, preferiblemente desde 0,1 hasta 1 pm. Con un tamaño de poro de desde 0,1 hasta 4 pm, que existe en particular en el lado del ánodo, es posible una concentración de iones de litio elevada y de este modo una carga rápida de la batería. Con un tamaño de poro en el lado del ánodo de desde 0,1 hasta 1 pm es posible una carga particularmente rápida de la batería con un crecimiento de dendritas sorprendentemente reducido.

El separador podría presentar un grosor de como máximo 40 pm, preferiblemente como máximo de 30 pm. El recubrimiento de un electrodo o de un separador aumenta la seguridad de una batería, sin embargo, de manera desventajosa hace que aumente el grosor de todo el separador. Esto contrarresta una mayor densidad de energía y potencia de las baterías. Sorprendentemente se ha demostrado que un separador de como máximo 40 pm, por un lado, da lugar a una seguridad suficiente y, por otro lado, a una densidad de energía y potencia elevada de una batería de iones de litio.

Ahora existen diferentes posibilidades para configurar y perfeccionar ventajosamente la enseñanza de la presente invención. Para ello, por un lado, se remite a las reivindicaciones subordinadas, por otro lado, a la siguiente explicación de ejemplos de realización preferidos de la invención mediante el dibujo.

En relación con la explicación de los ejemplos de realización preferidos de la invención mediante el dibujo, en general, también se explican configuraciones y perfeccionamientos preferidos de la enseñanza.

Breve descripción del dibujo

En el dibujo muestran

la figura 1, una vista esquemática de un separador con un cuerpo de base de tejido no tejido, que está recubierto superficialmente, por un lado,

la figura 2, una vista esquemática de un separador con un cuerpo de base de tejido no tejido, que está recubierto por ambos lados y

la figura 3, una vista esquemática de un separador con un cuerpo de base de tejido no tejido, que está recubierto por ambos lados, penetrando las mezclas de materiales al menos en parte en el interior del cuerpo de base.

Explicación de la invención

La figura 1 muestra un separador para su disposición en una batería, que comprende un cuerpo de base 1, presentando el cuerpo de base 1 un lado de ánodo 2 para la puesta en contacto directo con el ánodo de una batería y un lado de cátodo 3 para la puesta en contacto directo con el cátodo de una batería. El lado de ánodo 2 presenta otra consistencia de material que el lado de cátodo 3. El cuerpo de base 1 está configurado como tejido no tejido y en el lado del ánodo está recubierto con una mezcla de materiales de partículas 4 inertes, estables a la temperatura y partículas aglutinantes 5. Por tanto, el lado de ánodo 2 está compuesto por una primera mezcla de materiales y el lado de cátodo 3 está compuesto por un segundo material o una segunda mezcla de materiales, que, en este caso, es tejido no tejido. En el lado de ánodo 2 está configurada una capa barrera 6 de porosidad fina.

La figura 2 muestra un separador para su disposición en una batería, que comprende un cuerpo de base 1, presentando el cuerpo de base 1 un lado de ánodo 2 para la puesta en contacto directo con el ánodo de una batería y un lado de cátodo 3 para la puesta en contacto directo con el cátodo de una batería. El lado de ánodo 2 presenta otra consistencia de material que el lado de cátodo 3. El cuerpo de base 1 está configurado como tejido no tejido y en el lado del ánodo está recubierto con una primera mezcla de materiales de partículas 4 inertes, estables a la temperatura y partículas aglutinantes 5. El cuerpo de base 1 está recubierto en el lado del cátodo con una segunda mezcla de materiales de partículas 4a inertes, estables a la temperatura y partículas aglutinantes 5. Por tanto, el lado de ánodo 2 está compuesto por una primera mezcla de materiales y el lado de cátodo 3 está compuesto por una segunda mezcla de materiales. En el lado de ánodo 2 está configurada una capa barrera 6 de porosidad fina. La primera y la segunda mezcla de materiales han penetrado en el interior del cuerpo de base 1.

La figura 3 muestra un separador para su disposición en una batería, que comprende un cuerpo de base 1, presentando el cuerpo de base 1 un lado de ánodo 2 para la puesta en contacto directo con el ánodo de una batería y un lado de cátodo 3 para la puesta en contacto directo con el cátodo de una batería. El lado de ánodo 2 presenta otra consistencia de material que el lado de cátodo 3. El cuerpo de base 1 está configurado como tejido no tejido y en el lado del ánodo está recubierto con una primera mezcla de materiales de partículas 4 inertes, estables a la temperatura y partículas aglutinantes 5. El cuerpo de base 1 está recubierto en el lado del cátodo con una segunda mezcla de materiales de partículas 4a inertes, estables a la temperatura y partículas aglutinantes 5. Por tanto, el lado de ánodo 2 está compuesto por una primera mezcla de materiales y el lado de cátodo 3 está compuesto por una segunda mezcla de materiales. En el lado de ánodo 2 está configurada una capa barrera 6 de porosidad fina. La primera y la segunda mezcla de materiales casi no han penetrado en el interior del cuerpo de base 1.

Ejemplo de realización concreto:

Preparación de una pasta A como primera mezcla de materiales en el lado del ánodo:

A 180 partes de una solución de CMC (carboximetilcelulosa) al 1%, se añadieron 120 partes de una dispersión de óxido de aluminio (ALO3) al 60% y se agitaron durante 30 minutos. A continuación, se añadieron 8 partes de una dispersión acuosa de SBR (caucho de estireno butadieno) (65% de sólidos) mientras se agitaba. Se agitó la solución durante 1 hora y se probó su estabilidad durante al menos 24 horas. La viscosidad de la solución obtenida fue de 120 cP y el pH fue de 9,9.

Preparación de una pasta B como segunda mezcla de materiales en el lado del cátodo:

A 170 partes de una dispersión de PVDF poli(fluoruro de vinilideno) al 57% se añadieron 200 partes de una solución de PVP (polivinilpirrolidona) al 2% bajo agitación constante con un agitador de paletas. Se agitó la solución durante 2 horas, se desgasificó y se probó su estabilidad durante al menos 24 horas. La viscosidad de la solución obtenida fue de 140 cP y tenía un valor de pH de 7,1.

Recubrimiento con pasta A:

Se recubrió un tejido no tejido de PET poli(tereftalato de etileno) de 15 cm de ancho (grosor: 20 pm, peso por unidad de superficie: 11,3 g/m2) de manera continua con la solución anterior mediante un procedimiento de recubrimiento con rodillo y se secó a 120°C.

Se obtuvo un tejido no tejido (C) recubierto con un peso por unidad de superficie de 23,6 g/m2 y un grosor de 29 pm. El tamaño medio de los poros fue de 0,22 pm.

Recubrimiento de (C) con pasta B:

Se recubrió el tejido no tejido (C) impregnado de manera continua con la pasta B mediante un procedimiento de recubrimiento con rodillo y se secó a 120°C.

Se obtuvo un separador (D) de estructura anisotrópica con un peso por unidad de superficie de 32 g/m2 y un grosor de 38 pm. El tamaño medio de los poros fue de 0,19 pm. La contracción (150°C, 10 min.) del separador (D) recubierto por ambos lados fue del 0,5%.

Procedimientos de medición:

El tamaño medio de los poros se determinó según la norma ASTME E 1294 (Método de prueba de las características del tamaño de los poros de los filtros de membrana utilizando un medidor automático de porosidad de líquidos). Para determinar el peso por unidad de superficie, se perforaron en cada caso tres muestras de 100x100 mm, se pesaron las muestras y se multiplicó el valor medido por 100. Los grosores se midieron con un medidor de grosor de precisión, un modelo eléctrico de 2000 rpm. El área de medición fue de 2 cm2, la presión de medición de 1000 cN/cm2. Para determinar la contracción, se perforaron muestras de 100x100 mm y se almacenaron durante 10 minutos a 150°C en un secador de laboratorio de la empresa Mathis. Después se determinó la contracción de las muestras.

En lo que respecta a configuraciones y perfeccionamientos ventajosos adicionales de la enseñanza según la invención, se hace referencia, por una parte, a la parte general de la descripción y, por otra parte, a las reivindicaciones.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Separador para su disposición en una batería, que comprende un cuerpo de base (1), presentando el cuerpo de base (1) un lado de ánodo (2) para la puesta en contacto con el ánodo de una batería y un lado de cátodo (3) para la puesta en contacto con el cátodo de una batería, caracterizado por que el lado de ánodo (2) presenta otra consistencia de material que el lado de cátodo (3), estando compuesto el lado de ánodo (2) por un primer material o una primera mezcla de materiales y estando compuesto el lado de cátodo (3) por un segundo material o una segunda mezcla de materiales, presentando el primer material o la primera mezcla de materiales y el segundo material o la segunda mezcla de materiales, unos materiales de carga, conteniendo al menos una parte de los materiales de carga en el lado de ánodo Al2O3 y al menos una parte de los materiales de carga en el lado de cátodo poli(fluoruro de vinilideno), caracterizado por que el cuerpo de base (1) está compuesto por un tejido no tejido.

2. Separador según la reivindicación 1, caracterizado por que en el lado de ánodo (2) y/o el lado de cátodo (3) está configurada una capa barrera (6) de porosidad fina.

3. Separador según la reivindicación 2, caracterizado por que la capa barrera (6) de porosidad fina se aplica mediante laminación sobre el cuerpo de base.

4. Separador según la reivindicación 1, caracterizado por que al menos una parte de los materiales de carga está configurada como partículas (4, 4a) con un tamaño medio de partículas de desde 0,2 hasta 10 pm, preferiblemente desde 0,5 hasta 4 pm.

5. Separador según una de las reivindicaciones 1 o 4, caracterizado por que al menos una parte de los materiales de carga está configurada como sustancias hinchables y que gelifican en el electrolito.

6. Separador según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el tejido no tejido está configurado como tejido no tejido en húmedo, que ha consolidado de manera térmica y/o se ha fijado mediante un aglutinante.

7. Separador según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el tejido no tejido está fabricado por fibras, cuyo diámetro medio asciende como máximo a 5 pm.

8. Separador según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el punto de fusión del tejido no tejido es mayor de 100°C.

9. Separador según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por una contracción de como máximo el 5% a una temperatura de 150°C.

10. Separador según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por un tamaño medio de los poros de desde 0,1 hasta 4 pm, preferiblemente desde 0,1 hasta 1 pm.

11. Separador según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por un grosor de como máximo 40 pm, preferiblemente como máximo 30 pm.