ES2837844T3

ES2837844T3 - Colector de corriente, placa de electrodo que incluye el mismo y batería

Info

Publication number: ES2837844T3
Application number: ES18192302T
Authority: ES
Inventors: Chengdu Liang; Huafeng Huang; Zuyu Wu; Qisen Huang
Original assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Current assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2038-09-03
Also published as: US20190173093A1; JP6724083B2; JP2019102427A; EP3496186A1; CN109873165A; EP3496186B1; CN109873165B; US10714757B2

Abstract

Un colector de corriente (10, 20), caracterizado por que comprende: una capa de aislamiento (101, 201); como mínimo, una capa conductora (102, 202), situada por encima, como mínimo, de una superficie de la capa de aislamiento (101, 201), siendo utilizada la capa de aislamiento (101, 201) para soportar la, como mínimo, una capa conductora (102, 202), siendo utilizada la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) para soportar una capa de material activo del electrodo (11, 21) situada sobre una superficie del colector de corriente (10, 20), y teniendo cada una de la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) un grosor de D2, en donde 300 nm <= D2 <= 2 μm; una primera capa protectora (103, 203), dispuesta sobre una superficie de cada una de la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) orientada hacia la capa de aislamiento (101, 201), en donde la primera capa protectora (103, 203) está realizada de un material seleccionado de un grupo que consiste en metal y óxido metálico, o combinaciones de los mismos, el metal es, como mínimo, uno de cromo, una aleación a base de níquel, o una aleación a base de cobre, y el óxido metálico es, como mínimo, uno de óxido de aluminio, óxido de cobalto, óxido de cromo u óxido de níquel; una segunda capa protectora (103, 203), dispuesta sobre una superficie de la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) orientada hacia el exterior de la capa de aislamiento (101, 201), en donde la segunda capa protectora (103, 203) está realizada de un material metálico, que está seleccionado de un grupo que consiste en metal y óxido metálico, o combinaciones de los mismos, el metal es, como mínimo, uno de níquel, cromo, una aleación a base de níquel, una aleación a base de cobre o combinaciones de los mismos, y el óxido metálico es óxido de aluminio u óxido de níquel, en donde la primera capa protectora (103, 203) tiene un grosor de D3 y D3 <= 1/10 D2 y 1 nm <= D3 <= 200 nm, teniendo la segunda capa protectora (103, 203) un grosor de D3' y D3' <= 1/10 D2 y 1 nm <= D3' <= 200 nm, siendo el grosor D3' de la segunda capa protectora (103, 203) mayor que el grosor D3 de la primera capa protectora (103, 203); y 1/2 D3' <= D3 <= 4/5 D3'.

Description

DESCRIPCIÓN

Colector de corriente, placa de electrodo que incluye el mismo y batería

Campo técnico

La presente invención se refiere al campo técnico de las baterías y, en particular, se refiere a un colector de corriente, a una placa de electrodo que incluye el colector de corriente, una batería.

Antecedentes

Las baterías de iones de litio han sido ampliamente aplicadas en vehículos eléctricos y productos electrónicos de consumo, debido a sus ventajas tales como alta densidad de energía, alta potencia de salida, ciclo de vida prolongado y baja contaminación ambiental. No obstante, cuando las baterías de iones de litio están sujetas a condiciones anormales tales como extrusión, colisión o perforación, pueden incendiarse o explotar fácilmente, causando problemas graves. Por lo tanto, el problema de la seguridad de las baterías de iones de litio limita en gran medida la aplicación de la invención y la popularización de las baterías de iones de litio.

Un gran número de resultados experimentales muestran que un cortocircuito interno en una batería es la causa última de los peligros de seguridad de las baterías de iones de litio. Con el fin de evitar el cortocircuito interno en la batería, los investigadores intentaron mejorar la estructura del separador, la estructura mecánica de la batería y otros. Algunos de estos estudios han mejorado el rendimiento de seguridad de las baterías de iones de litio, modificando el diseño de los colectores de corriente.

La temperatura de la batería puede aumentar cuando se produce un cortocircuito interno en la batería debido a condiciones anormales tales como colisión, extrusión o perforación y similares. De acuerdo con una solución técnica en la técnica relacionada, se añade una aleación que tiene un punto de fusión bajo al material de un colector de corriente metálico. Con el aumento de la temperatura de la batería, la aleación que tiene un punto de fusión bajo en el colector de corriente comienza a fundirse, lo que resulta en un circuito roto de una placa de electrodo, y corta la corriente. De este modo, se mejora la seguridad de la batería. De acuerdo con otra solución técnica de la técnica anterior, se adopta un colector de corriente multicapa, en el que ambos lados de una capa de resina están conectados con capas metálicas para formar un material compuesto. Cuando la temperatura de la batería alcanza un punto de fusión del material de la capa de resina, la capa de resina del colector de corriente se derrite y daña la placa de electrodo, cortando de este modo la corriente y mejorando la seguridad de la batería.

No obstante, estas soluciones de la técnica relacionada no pueden prevenir eficazmente la aparición del cortocircuito interno en la batería de iones de litio y no pueden garantizar que la batería pueda continuar funcionando en condiciones anormales. En las soluciones anteriores, la temperatura en la batería aún aumentaría bruscamente después de que ocurra el cortocircuito interno en la batería. Cuando la temperatura de la batería aumenta bruscamente, si el componente de seguridad no responde inmediatamente, aún se producirán peligros de diferentes grados. Además, en estas soluciones, incluso el componente de seguridad responde y evita con éxito el peligro de la batería, la batería aún no puede continuar funcionando.

El documento US20170301921A1 da a conocer un colector de corriente en el que, incluso en el caso de utilizar un sustrato de cobre, una capa electroconductora que comprende una resina termoplástica y un material electroconductor y que cubre el sustrato de cobre proporciona la misma función de resistencia de coeficiente de temperatura positiva que el caso de utilizar un sustrato de aluminio. El colector de corriente puede comprender: un sustrato de cobre, que comprende una capa de óxido de cobre cuyo contenido promedio de un elemento de oxígeno presente dentro de un grosor de 1,0 pm o menos de una superficie del sustrato de cobre, es de 10,5 % o más, y una capa de resistencia de coeficiente de temperatura positiva, que comprende una resina termoplástica y un material electroconductor y que recubre la capa de óxido de cobre del sustrato de cobre.

El documento US20110281167A1 da a conocer una batería secundaria de iones de litio de estado sólido de película delgada de alto rendimiento y poco costosa, que se puede cargar y descargar en el aire y se puede fabricar de manera estable con un rendimiento favorable, y se proporciona un método de fabricación de la misma. La batería secundaria de iones de litio de estado sólido de película delgada tiene un sustrato 10 aislante eléctrico, formado a partir de una resina orgánica, una película aislante inorgánica, dispuesta en la cara del sustrato, una película 30 del colector de corriente del lado del cátodo, una película 40 del material activo del cátodo, una película 50 del electrolito sólido, una película protectora 68 del colector de corriente del lado del ánodo, y una película 70 del colector de corriente del lado del ánodo. En la batería secundaria de iones de litio de estado sólido de película delgada, la película del colector de corriente del lado del cátodo y/o la película del colector de corriente del lado del ánodo está formada en la cara de la película aislante inorgánica. La película protectora del colector de corriente del lado del ánodo está formada por un óxido conductor que incluye, como mínimo, uno cualquiera de un óxido de Sn, In y Zn, y mantiene la cantidad total de litio asociada con la carga y descarga aproximadamente constante. El grosor de la película protectora del colector de corriente del lado del ánodo es de 2 nm o más y 22 nm o menos. El grosor de la película aislante inorgánica es de 5 nm o más y de 500 nm o menos. La película aislante inorgánica contiene, como mínimo, uno cualquiera de un óxido, un nitruro y un sulfuro que contiene uno de Si, Al, Cr, Zr, Ta, Ti, Mn, Mg y Zn.

El documento EP2557772A1 se refiere a una batería de litio, cuyo funcionamiento está protegido en seguridad mediante la interposición de películas elásticas. La batería está compuesta por una celda de batería PEN, que comprende una película de un electrolito E que contiene una sal de litio entre una película P que forma un electrodo positivo y una película N que forma un electrodo negativo, o formada por una pila de celdas de batería PEN, comprendiendo dicha pila dos celdas de batería terminales entre las cuales se colocan opcionalmente una o más celdas de batería intermedias, estando caracterizada dicha batería por que comprende, como mínimo, dos películas protectoras Fp realizadas de un material resiliente, estando en contacto, como mínimo, uno de los electrodos de la celda de batería o de cada celda de batería terminal con una película protectora Fp realizada de un material elástico.

El documento US20040197641A1 da a conocer una batería de metal alcalino (u otro metal activo) y otras celdas electroquímicas que incorporan ánodos de metal activo junto con sistemas acuosos de cátodo / electrolito. Las celdas de la batería tienen una membrana protectora de alta conductividad iónica adyacente al ánodo de metal alcalino que aísla (desacopla) eficazmente el electrodo de metal alcalino de los entornos de solvente, procesamiento de electrolitos y/o cátodos, y al mismo tiempo permite el transporte de iones hacia el interior y hacia el exterior de estos entornos.

El documento US20140079984A1 da a conocer una batería secundaria no acuosa que incluye: una capa colectora del electrodo positivo; una capa del electrodo positivo formada en una superficie de la capa colectora del electrodo positivo; una capa colectora del electrodo negativo; una capa del electrodo negativo formada sobre una superficie de la capa colectora del electrodo negativo para oponerse a la capa del electrodo positivo; un separador dispuesto entre la capa del electrodo positivo y la capa del electrodo negativo; y una capa aislante del lado del electrodo positivo y una capa aislante del lado del electrodo negativo formadas respectivamente sobre otra superficie de la capa colectora del electrodo positivo y otra superficie de la capa colectora del electrodo negativo. Las superficies interiores circunferenciales de bordes periféricos de la capa colectora del electrodo positivo y la capa colectora del electrodo negativo están unidas con un agente de sellado que incluye, como mínimo, una capa de fusión de electrodo positivo, una capa de barrera de gas y una capa de fusión de electrodo negativo. La capa aislante del lado del electrodo positivo y/o la capa aislante del lado del electrodo negativo tienen un hueco en el lado de la batería, dispuesto en una superficie.

El documento US20040126663A1 da a conocer un colector de corriente para celdas electroquímicas de película delgada de electrolito polimérico y se da a conocer un generador electroquímico. El colector de corriente comprende una película de soporte de sustrato polimérico que tiene un grosor comprendido entre 1 y 15 micras; una capa metálica conductora que tiene un grosor de menos de 3 micras, recubierta por depósito de vapor de metal sobre, como mínimo, una superficie de la película de sustrato polimérico; y una capa protectora de metal u óxido metálico depositada sobre la capa metálica conductora, que tiene un grosor comprendido entre 5 y 500 nanómetros y es eléctricamente conductora.

Por lo tanto, es necesario proporcionar un diseño de un colector de corriente y una batería que pueda prevenir eficazmente accidentes tales como incendios y explosiones causados por la ocurrencia del cortocircuito interno bajo condiciones anormales tales como colisión, extrusión o perforación, sin afectar el funcionamiento normal de la batería.

Características

La presente invención da a conocer un colector de corriente, una placa de electrodo que incluye el colector de corriente y una batería.

Un primer aspecto de la presente invención da a conocer un colector de corriente. El colector de corriente incluye: una capa de aislamiento; y, como mínimo, una capa conductora situada por encima, como mínimo, de una superficie de la capa de aislamiento. La capa de aislamiento se utiliza para soportar la, como mínimo, una capa conductora. La, como mínimo, una capa conductora se utiliza para soportar una capa de material activo del electrodo. Cada una de la, como mínimo, una capa conductora tiene un grosor de D2, en el que 300 nm < D2 < 2 gm. El colector de corriente incluye, además, una capa protectora dispuesta sobre una superficie de cada una de la, como mínimo, una capa conductora orientada hacia la capa de aislamiento.

Un segundo aspecto de la presente invención da a conocer una placa de electrodo que incluye el colector de corriente de acuerdo con el primer aspecto.

Un tercer aspecto de la presente invención proporciona una batería que incluye la placa de electrodo de acuerdo con el segundo aspecto.

Las soluciones técnicas de la presente invención tienen, como mínimo, los siguientes efectos beneficiosos.

En el colector de corriente de acuerdo con la presente invención, está dispuesta una capa protectora entre la capa de aislamiento y la capa conductora, la capa protectora tiene un grosor de D2, que cumple 300 nm < D2 < 2 gm. En primer lugar, en el colector de corriente de acuerdo con la presente invención, se puede aumentar una resistencia de cortocircuito en caso de cortocircuito bajo condiciones anormales de la batería, de modo que la corriente de cortocircuito y el calor de cortocircuito generado durante el cortocircuito se reduzcan en gran medida, mejorando de este modo el rendimiento de seguridad de la batería. En segundo lugar, la capa protectora de acuerdo con la presente invención forma una estructura de soporte integral para proteger a la capa conductora, evitando de este modo que la capa conductora se oxide, corroa o dañe. Finalmente, la capa protectora de acuerdo con la presente invención también intensifica la fuerza de unión entre la capa de aislamiento y la capa conductora, mejorando de este modo la resistencia mecánica del colector de corriente. Por lo tanto, el colector de corriente de acuerdo con la presente invención no solo puede mejorar el rendimiento de seguridad de la batería, sino que también puede tener una buena estabilidad operativa y una vida útil más larga.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es un diagrama esquemático estructural de un colector de corriente positiva, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 2 es un diagrama esquemático estructural de otro colector de corriente positiva, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 3 es un diagrama esquemático estructural de otro colector de corriente positiva, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 4 es un diagrama esquemático estructural de otro colector de corriente positiva, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 5 es un diagrama esquemático estructural de un colector de corriente negativa, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 6 es un diagrama esquemático estructural de otro colector de corriente negativa, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 7 es un diagrama esquemático estructural de otro colector de corriente negativa, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 8 es un diagrama esquemático estructural de otro colector de corriente negativa, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 9 es un diagrama esquemático estructural de una placa de electrodo positivo, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 10 es un diagrama esquemático estructural de otra placa de electrodo positivo, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 11 es un diagrama esquemático estructural de una placa de electrodo negativo, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 12 es un diagrama esquemático estructural de otra placa de electrodo negativo, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 13 es un diagrama esquemático de un experimento de clavado, de acuerdo con la presente invención; la figura 14 es un gráfico esquemático de las temperaturas de la batería 1# y la batería 4# después de un único experimento de clavado; y

la figura 15 es un gráfico esquemático de las tensiones de la batería 1# y la batería 4# después de un experimento de clavado una sola vez.

Signos de referencia:

1 - placa de electrodo positivo;

10 - colector de corriente positiva;

101 - capa de aislamiento positiva;

102 - capa conductora positiva;

103 - capa protectora positiva;

11 - capa de material activo positiva;

2 - placa de electrodo negativo;

20 - colector de corriente negativa;

201 - capa de aislamiento negativa;

202 - capa conductora negativa;

203 - capa protectora negativa

21 - capa de material activo negativa;

3 - separador;

4 - clavo.

Descripción de las realizaciones

La presente invención se describe con más detalle a continuación por medio de realizaciones. Se debe comprender que estas realizaciones se utilizan simplemente para ilustrar la presente invención, pero no pretenden limitar la presente invención. Debe quedar claro que las realizaciones descritas son simplemente parte de las realizaciones de la presente invención, en lugar de todas las realizaciones. Todas las demás realizaciones obtenidas por los expertos en la técnica sin realizar un trabajo creativo caerán dentro del alcance de protección de la presente invención.

La estructura y propiedades del colector de corriente de acuerdo con el primer aspecto de las realizaciones de la presente invención se describen en detalle a continuación.

La presente invención se refiere a un colector de corriente. El colector de corriente incluye una capa de aislamiento y, como mínimo, una capa conductora, situada por encima, como mínimo, de una superficie de la capa de aislamiento. La capa de aislamiento se utiliza para soportar la capa conductora, y la capa conductora se utiliza para soportar una capa de material activo del electrodo. La capa conductora tiene un grosor de D2, y cumple 300 nm < D2 < 2 gm. El colector de corriente incluye, además, una capa protectora, y la capa protectora está dispuesta sobre una superficie de una de la, como mínimo, una capa conductora orientada hacia la capa de aislamiento. Es decir, la capa protectora está dispuesta entre la capa de aislamiento y la capa conductora.

En primer lugar, la capa de aislamiento del colector de corriente de acuerdo con la presente invención no es conductora, por lo que su resistencia es grande. Esto puede mejorar la resistencia al cortocircuito de la batería cuando el cortocircuito ocurre en condiciones anormales, de tal manera que la corriente del cortocircuito se puede reducir en gran medida y, por lo tanto, el calor generado por el cortocircuito se puede reducir en gran medida, mejorando de este modo el rendimiento de seguridad de la batería. En segundo lugar, la densidad de energía del peso de la batería se puede aumentar reemplazando el colector de corriente convencional de lámina metálica con la capa de aislamiento. Mientras tanto, el colector de corriente de acuerdo con la presente invención incluye, además, una capa conductora dispuesta sobre la capa de aislamiento, la capa conductora tiene un grosor específico y está provista de una capa protectora. Por un lado, la capa conductora puede garantizar que el colector de corriente es capaz de proporcionar electrones a la capa de material activo del electrodo, es decir, la capa conductora tiene efectos de conducción y de recogida de corriente. Por otro lado, la capa conductora que tiene el grosor específico puede garantizar, además, que el colector de corriente tiene una resistencia relativamente grande, garantizando de este modo que la batería tiene un buen rendimiento de seguridad y una densidad de energía de peso relativamente grande. En tercer lugar, de acuerdo con la presente invención, la capa protectora está situada entre la capa de aislamiento y la capa conductora, de tal manera que se puede formar una estructura de soporte integral para proteger a la capa conductora, evitando de este modo que la capa conductora se oxide, corroa o dañe. En cuarto lugar, la capa protectora de acuerdo con la presente invención también intensifica la fuerza de unión entre la capa de aislamiento y la capa conductora, mejorando de este modo la resistencia mecánica del colector de corriente. Por lo tanto, el colector de corriente de acuerdo con la presente invención no solo puede mejorar el rendimiento de seguridad de la batería, sino que también tiene una buena estabilidad operativa y una larga vida útil.

Capa conductora

En el colector de corriente de acuerdo con las realizaciones de la presente invención, la capa conductora tiene un grosor de D2, y cumple 300 nm < D2 < 2 gm.

La capa conductora está realizada de un material seleccionado de, como mínimo, uno de un material conductor metálico y un material conductor a base de carbono. El material conductor metálico se selecciona preferentemente de un grupo que consiste en aluminio, cobre, níquel, titanio, plata, aleación de níquel y cobre, aleación de aluminio y circonio o combinaciones de los mismos. El material conductor a base de carbono se selecciona preferentemente de un grupo que consiste en grafito, negro de acetileno, grafeno, nanotubos de carbono o combinaciones de los mismos.

En las baterías de iones de litio existentes, cuando se produce un cortocircuito interno en la batería bajo una situación anormal, se generaría instantáneamente una gran corriente y, en consecuencia, el cortocircuito genera una gran cantidad de calor. El calor suele dar lugar, además, a una reacción aluminotérmica en el colector de corriente positiva realizado de papel de aluminio, que puede provocar el incendio, explosión, etc. de la batería.

En las realizaciones de la presente invención, los problemas técnicos anteriores se resuelven utilizando un colector de corriente especial, en el que se utiliza una capa de aislamiento como soporte, y el grosor de la capa conductora se reduce considerablemente. Puesto que la capa de aislamiento no es conductora, el colector de corriente tiene una resistencia relativamente alta. De esta manera, en caso de cortocircuito en condiciones anormales de la batería, se puede aumentar la resistencia al cortocircuito, de modo que la corriente de cortocircuito y el calor de cortocircuito generado se puedan reducir en gran medida, mejorando de este modo el rendimiento de seguridad de la batería.

En general, la resistencia interna de la batería incluye la resistencia interna óhmica de la batería y la resistencia interna de la polarización de la batería. Las resistencias del material activo, el colector de corriente y la interfaz, y la composición del electrolito tienen una influencia significativa en la resistencia interna de la batería. En el caso del cortocircuito en condiciones anormales, la resistencia interna de la batería se reducirá considerablemente debido a la ocurrencia del cortocircuito interno. Por lo tanto, aumentado la resistencia del colector de corriente, se puede aumentar la resistencia interna de la batería en caso de cortocircuito, mejorando de este modo el rendimiento de seguridad de la batería.

La capa conductora tiene un grosor suficiente para tener efectos de conducción y acumulación de corriente. Si el grosor de la capa conductora es demasiado pequeño, los efectos de la conducción y la recogida de corriente son demasiado pobres, la polarización de la batería puede ser importante y también es probable que la capa conductora se dañe durante el proceso del procesamiento de la placa de electrodo. Si el grosor de la capa conductora es demasiado grande, la densidad de energía del peso de la batería puede verse afectada y la resistencia del colector de corriente se puede reducir, lo que no conduce a mejorar el rendimiento de seguridad de la batería.

Un límite superior del grosor D2 de la capa conductora puede ser 2 pm, 1,8 pm, 1,5 pm, 1,2 pm, 1 pm o 900 nm. Un límite inferior del grosor D2 de la capa conductora puede ser de 800 nm, 700 nm, 600 nm, 500 nm, 450 nm, 400 nm, 350 nm o 300 nm. El grosor de la capa conductora está en un intervalo que consiste en cualquier límite superior y cualquier límite inferior, preferentemente 500 nm < D2 < 1,5 pm.

La capa conductora puede estar formada sobre la capa de aislamiento por medio de, como mínimo, uno de los siguientes: laminado mecánico, adherido, depósito de vapor y baño no electrolítico. Con respecto al depósito de vapor, es preferente el depósito físico de vapor (PVD - Physical Vapor Deposition, en inglés). Preferentemente, el depósito físico de vapor es, como mínimo, un depósito por evaporación y un depósito por pulverización catódica. Con respecto al depósito por evaporación, es preferente, como mínimo, uno de entre la evaporación al vacío, el depósito por evaporación térmica y el método de evaporación por haz de electrones (EBEM - Electron Beam Evaporation Method, en inglés). En lo que respecta al depósito por pulverización catódica, es preferente la pulverización catódica mediante magnetrón.

Capa protectora

El colector de corriente de acuerdo con la presente invención incluye una capa protectora dispuesta sobre una superficie de la capa conductora orientada hacia la capa de aislamiento. La capa protectora está dispuesta entre la capa de aislamiento y la capa conductora. En las realizaciones de la invención, la capa protectora dispuesta entre la capa de aislamiento y la capa conductora se denomina capa protectora inferior.

La capa protectora inferior de acuerdo con la presente invención puede constituir una estructura de soporte completa para proteger a la capa conductora, a fin de ejercer mejor un efecto protector sobre la capa conductora, evitando de este modo que la capa conductora se oxide, corroa o dañe. Además, la capa protectora inferior de acuerdo con la presente invención también puede mejorar la fuerza de unión entre la capa de aislamiento y la capa conductora, mejorando de este modo la resistencia mecánica del colector de corriente.

La capa protectora inferior está realizada de un material seleccionado de un grupo que consta de metal, óxido de metal, carbono conductor o combinaciones de los mismos. El metal es, preferentemente, como mínimo, uno de níquel, cromo, una aleación a base de níquel (tal como una aleación de níquel y cromo), o una aleación a base de cobre (tal como una aleación de cobre y níquel). El óxido metálico es, preferentemente, como mínimo, uno de entre óxido de aluminio, óxido de cobalto, óxido de cromo u óxido de níquel. El carbono conductor es, preferentemente, como mínimo, uno de entre negro de carbono conductor, nanotubos de carbono, negro de acetileno o grafeno.

La aleación de níquel y cromo es una aleación realizada de níquel metálico y cromo metálico. En una realización, una relación molar del elemento níquel con respecto al elemento cromo está comprendida entre 1:99 y 99:1. La aleación a base de cobre es una aleación que se forma agregando uno o varios elementos a una matriz de cobre puro. Es preferente la aleación de cobre y níquel. En una realización, en la aleación de cobre y níquel, la relación molar del elemento níquel con respecto al elemento cobre está comprendida entre 1:99 y 99:1.

Además, en una realización, el material de la capa protectora se selecciona de entre metal u óxido metálico.

Cuando el colector de corriente es un colector de corriente positiva, se suele utilizar aluminio como el material de la capa conductora. Cuando la capa protectora inferior se selecciona de un material metálico, se prefiere un material metálico que tenga una dureza mayor que la dureza del aluminio y/o un material metálico resistente a la corrosión, para formar una capa protectora que tenga mayor dureza y/o resistencia a la corrosión, proporcionando de este modo un soporte eficaz para la capa conductora, y protegiendo mejor, de este modo, a la capa conductora. Cuando la capa protectora inferior se selecciona de un óxido metálico, el óxido metálico también puede proporcionar el soporte eficaz para la capa conductora debido a su baja ductilidad y alta dureza.

Cuando el colector de corriente es un colector de corriente positiva, puesto que el material de óxido metálico tiene una resistencia mayor con respecto al material metálico, la capa protectora inferior realizada de un material de óxido metálico puede aumentar aún más la resistencia del colector de corriente positiva hasta cierto punto, aumentando de este modo la resistencia a cortocircuitos de la batería en caso de cortocircuito bajo condiciones anormales, mejorando de este modo el rendimiento de seguridad de la batería. Además, puesto que el óxido metálico tiene una superficie específica mayor, se mejora la fuerza de unión entre la capa protectora inferior realizada del material de óxido metálico y la capa de aislamiento. Mientras tanto, puesto que el área de superficie específica del óxido metálico es mayor, la capa protectora inferior proporciona una mayor rugosidad a la capa de aislamiento, para mejorar la fuerza de unión entre la capa conductora y la capa de aislamiento, aumentando de este modo la resistencia global del colector de corriente.

Como una mejora del colector de corriente de acuerdo con la presente invención, la capa protectora inferior tiene un grosor de D3, siendo D3 < 1/10 D2 y 1 nm < D3 < 200 nm. Es decir, el grosor D3 es menor o igual que 1/10 de D2 y está en un intervalo comprendido entre 1 nm y 200 nm.

Un límite superior del grosor D3 de la capa conductora inferior puede ser de 200 nm, 180 nm, 150 nm, 120 nm, 100 nm, 80 nm, 60 nm, 55 nm, 50 nm, 45 nm, 40 nm, 30 nm o 20 nm. Un límite inferior del grosor D3 de la capa conductora inferior puede ser de 1 nm, 2 nm, 5 nm, 8 nm, 10 nm, 12 nm, 15 nm o 18 nm. El grosor D3 de la capa conductora inferior está en un intervalo que consiste en un límite superior y un límite inferior. Si la capa protectora es demasiado delgada, no es suficiente para proteger a la capa conductora; y si la capa protectora es demasiado gruesa, tiene un efecto limitado sobre la mejora de la resistencia mecánica o la seguridad del colector de corriente, etc., pero puede reducir la densidad de energía de peso y la densidad de energía de volumen de la batería. Preferentemente, 10 nm < D3 < 50 nm.

El colector de corriente de acuerdo con la presente invención incluye, además, una capa protectora dispuesta sobre una superficie de la capa conductora orientada en dirección opuesta a la capa de aislamiento. En las realizaciones de la invención, por conveniencia de la descripción, la capa protectora sobre la superficie de la capa conductora orientada en dirección opuesta a la capa de aislamiento dispuesta se denomina capa protectora superior.

La capa protectora superior está realizada de un material metálico, y el material metálico se selecciona del grupo que consiste en níquel, cromo, una aleación a base de níquel, una aleación a base de cobre o combinaciones de los mismos. La capa protectora superior realizada de un material metálico no solo puede mejorar la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión de la capa conductora, sino que también reduce la polarización de la placa de electrodo. Puesto que la capa protectora superior metálica tiene una buena conductividad, puede proporcionar mejor los electrones a la capa de material activo del electrodo en contacto con ella, reduciendo de este modo la polarización en la capa de material activo del electrodo y mejorando el rendimiento electroquímico de la batería.

Como mejora del colector de corriente de acuerdo con la presente invención, la capa protectora superior tiene un grosor D3’, y D3' < 1/10 D2 y 1 nm < D3’ < 200 nm.

Un límite superior del grosor D3’ de la capa conductora superior puede ser 200 nm, 180 nm, 150 nm, 120 nm, 100 nm, 80 nm, 60 nm, 55 nm, 50 nm, 45 nm, 40 nm, 30 nm o 20 nm. Un límite inferior del grosor D3’ de la capa conductora superior puede ser 1 nm, 2 nm, 5 nm, 8 nm, 10 nm, 12 nm, 15 nm o 18 nm. El grosor D3’ de la capa conductora superior está en un intervalo que combina cualquier límite superior y cualquier límite inferior. Si la capa protectora es demasiado delgada, no es suficiente para tener los efectos anteriores; y si la capa protectora es demasiado gruesa, la densidad de energía de peso y la densidad de energía de volumen de la batería se pueden reducir. Preferentemente, 10 nm < D3' < 50 nm.

En cuanto a la relación entre el grosor de la capa protectora superior y el grosor total de la capa conductora, es preferente que D3’ cumpla: 1/2.000 D2 < D3' < 1/10 D2, es decir, el grosor de la capa protectora superior está comprendido entre 1/2.000 y 1/10 del grosor D2. Más preferentemente, D3’ cumple: 1/1.000 D2 < D3' < 1/10 D2.

En una realización de la presente invención, el grosor de la capa protectora inferior D3 y el grosor de la capa protectora superior D3’ cumplen una relación de 1/2 D3' < D3 < 4/5 D3'. Es decir, el grosor de la capa protectora superior es mayor que el grosor de la capa protectora inferior.

La capa protectora puede ser formada sobre la capa conductora por medio de depósito de vapor, un método de formación in situ, un método de recubrimiento u otros. Con respecto al depósito de vapor, es preferente el depósito físico de vapor (PVD). Preferentemente, el depósito físico de vapor es, como mínimo, uno de depósito por evaporación y depósito por pulverización catódica. El depósito por evaporación es, preferentemente, como mínimo, uno de los siguientes: evaporación por vacío, depósito por evaporación térmica, método de evaporación por haz de electrones (EBEM). En cuanto al depósito por pulverización catódica, es preferente la pulverización catódica mediante magnetrón. El método de formación in situ es preferentemente un método de pasivación in situ, es decir, un método para formar in situ una capa de pasivación de óxido metálico sobre una superficie metálica. El método de recubrimiento es preferentemente uno de recubrimiento mediante rodillo, recubrimiento por extrusión, recubrimiento mediante cuchilla, recubrimiento por grabado y otros.

Las figuras 1 a 8 son diagramas estructurales esquemáticos de colectores de corriente de acuerdo con las realizaciones de la presente invención.

Los diagramas esquemáticos estructurales de los colectores de corriente positiva se muestran en las figuras 1 a 4.

Tal como se muestra en la figura 1, el colector de corriente positiva 10 incluye una capa de aislamiento positiva 101 y dos capas conductoras positivas 102 dispuestas sobre dos superficies opuestas de la capa de aislamiento positiva 101. Una capa protectora 103, que también se denomina capa protectora inferior, está dispuesta sobre una superficie de cada capa conductora positiva 102 orientada hacia la capa de aislamiento positiva 101.

Tal como se muestra en la figura 2, el colector de corriente positiva 10 incluye una capa de aislamiento positiva 101 y dos capas conductoras positivas 102 dispuestas por encima de dos superficies opuestas de la capa de aislamiento positiva 101. Dos capas protectoras 103 están dispuestas sobre dos superficies opuestas de cada capa conductora positiva 102, es decir, una capa protectora superior y una capa protectora inferior.

Tal como se muestra en la figura 3, el colector de corriente positiva 10 incluye una capa de aislamiento positiva 101 y una capa conductora positiva 102 dispuestas por encima de una superficie de la capa de aislamiento positiva 101. Una capa protectora 103, que también se denomina capa protectora inferior, está dispuesta por encima de una superficie de la capa conductora positiva 102 orientada hacia la capa de aislamiento positiva 101.

Tal como se muestra en la figura 4, el colector de corriente positiva 10 incluye una capa de aislamiento positiva 101 y una capas conductoras positivas 102 dispuestas por encima de una superficie de la capa de aislamiento positiva 101. Dos capas protectoras 103 están dispuestas sobre dos superficies opuestas de la capa conductora positiva 102, es decir, una capa protectora superior y una capa protectora inferior.

Los diagramas esquemáticos estructurales de los colectores de corriente negativa se muestran en las figuras 5 a 8.

Tal como se muestra en la figura 5, el colector de corriente negativa 20 incluye una capa de aislamiento negativa 201 y dos capas conductoras negativas 202 dispuestas por encima de dos superficies opuestas de la capa de aislamiento negativa 201. Una capa protectora 203, que también se denomina capa protectora inferior, está dispuesta en una superficie de cada capa conductora negativa 202 orientada hacia la capa de aislamiento negativa 201.

Tal como se muestra en la figura 6, el colector de corriente negativa 20 incluye una capa de aislamiento negativa 201 y dos capas conductoras negativas 202 dispuestas por encima de dos superficies opuestas de la capa de aislamiento negativa 201. Dos capas protectoras 203 están dispuestas sobre dos superficies opuestas de cada capa conductora negativa 202, es decir, una capa protectora superior y una capa protectora inferior.

Tal como se muestra en la figura 7, el colector de corriente negativa 20 incluye una capa de aislamiento negativa 201 y una capa conductora negativa 202 dispuestas por encima de una superficie de la capa de aislamiento negativa 201. Una capa protectora 203, que también se conoce como capa protectora inferior, está dispuesta por encima de una superficie de la capa conductora negativa 202 orientada hacia la capa de aislamiento negativa 201.

Tal como se muestra en la figura 8, el colector de corriente negativa 20 incluye una capa de aislamiento negativa 201 y una capa conductora negativa 202 dispuesta por encima de una superficie de la capa de aislamiento negativa 201. Dos capas protectoras 203 están dispuestas sobre dos superficies opuestas de la capa conductora negativa 202, es decir, una capa protectora superior y una capa protectora inferior.

Las capas protectoras dispuestas sobre las dos superficies opuestas de la capa conductora pueden ser de un mismo material o de diferentes materiales, y pueden tener el mismo grosor o diferentes grosores.

Capa de aislamiento

En el colector de corriente de acuerdo con las realizaciones de la presente invención, la capa de aislamiento se utiliza principalmente para soportar y proteger a la capa conductora. La capa de aislamiento tiene un grosor de D1 y 1 pm < D1 < 20 pm. Si la capa de aislamiento es demasiado delgada, es probable que se rompa durante el proceso del procesamiento de la placa de electrodo. Si la capa de aislamiento es demasiado gruesa, se puede reducir la densidad de energía volumétrica de la batería que adopta este colector de corriente.

Un límite superior del grosor D1 de la capa de aislamiento puede ser 20 pm, 15 pm, 12 pm, 10 pm u 8 pm. Un límite inferior del grosor D1 de la capa de aislamiento puede ser 1 pm, 1,5 pm, 2 pm 3 pm 4 pm 5 pm 6 pm o 7 pm. El grosor D1 de la capa de aislamiento está en un intervalo que consiste en cualquier límite superior y cualquier límite inferior, preferentemente 2 pm < D1 < 10 pm, y más preferentemente 2 pm < D1 < 6 pm.

La capa de aislamiento está realizada de un material seleccionado de un grupo que consiste en un material aislante de polímero orgánico, un material aislante inorgánico, un material compuesto o combinaciones de los mismos.

Preferentemente, el material compuesto consiste en un material aislante de polímero orgánico y un material aislante inorgánico.

El material aislante de polímero orgánico se selecciona de un grupo que consta de poliamida (abreviado como PA), poli(etilen tereftalato) (abreviado como PET), poliimida (abreviado como PI), polietileno (abreviado como PE), polipropileno (abreviado como PP), poliestireno (abreviado como PS), poli(cloruro de vinilo) (abreviado como PVC), copolímeros de acrilonitrilo butadieno estireno (abreviado como ABS), poli(butilen tereftalato) (abreviado como PBT), poli-p-fenileno tereftamida (abreviado como PPA), resina epoxi, poli(poliformaldehído) (abreviado como POM), resina de fenol-formaldehído, copolímero de etileno propileno (abreviado como PPE), politetrafluoroetileno (abreviado como PTFE), caucho de silicona, poli(fluoruro de vinilideno) (abreviado como PVDF), policarbonato (abreviado como PC), o combinaciones de los mismos.

El material aislante de polímero orgánico se selecciona de un grupo que consiste en AbO3, SiC, SiO2, o combinaciones de los mismos.

El material compuesto se selecciona preferentemente de, como mínimo, uno de un material compuesto de resina epoxi reforzado con fibra de vidrio y un material compuesto de resina de poliéster reforzado con fibra de vidrio.

Preferentemente, el material de la capa de aislamiento se selecciona entre los materiales aislantes de polímero orgánico. Puesto que la capa de aislamiento normalmente tiene una densidad menor que la del metal, el colector de corriente de acuerdo con la presente invención puede mejorar la densidad de energía del peso de la batería al tiempo que mejora el rendimiento de seguridad de la batería. Además, puesto que la capa de aislamiento puede soportar y proteger bien a la capa conductora situada sobre la superficie de la misma, es poco probable que se produzca una rotura del electrodo, lo que es habitual en el colector de corriente convencional.

El segundo aspecto de la presente invención da a conocer una placa de electrodo. La placa de electrodo incluye el colector de corriente de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención y una capa de material activo del electrodo formada en el colector de corriente.

Las figuras 9 y 10 son diagramas estructurales esquemáticos de placas de electrodo positivo de acuerdo con realizaciones de la presente invención. Tal como se muestra en las figuras 9 y 10, la placa 1 de electrodo positivo incluye un colector de corriente positiva 10 y dos capas de material activo positivas 11 formadas sobre dos superficies del colector de corriente positiva 10. El colector de corriente positiva 10 incluye una capa de aislamiento positiva 101 y dos capas conductoras positivas 102. Una o dos capas protectoras positivas 103 (no mostradas) están dispuestas en uno o ambos lados de la capa conductora positiva 102.

Las figuras 11 y 12 son diagramas estructurales esquemáticos de placas de electrodo negativo de acuerdo con realizaciones de la presente descripción.

Tal como se muestra en las figuras 11 y 12, la placa de electrodo negativo 2 incluye un colector de corriente negativa 20 y dos capas de material activo negativas 21 formadas en dos superficies del colector de corriente negativa 20. El colector de corriente negativa 20 incluye una capa de aislamiento negativa 201 y dos capas conductoras negativas 202. Una o dos capas protectoras negativas 203 (no mostradas) están dispuestas en uno o ambos lados de la capa conductora negativa 202.

Tal como se muestra en las figuras 1,2, 5 y 6, cuando cada una de las dos superficies de la capa de aislamiento está provista de una capa conductora, una o dos capas protectoras están dispuestas sobre una o ambas superficies de cada capa conductora, y el electrodo de material activo es recubierto en ambas superficies del colector de corriente, para obtener las placas de electrodo positivo y negativo, tal como se muestra en la figura 9 y la figura 11, respectivamente. Las placas de electrodo positivo y negativo se pueden aplicar directamente en una batería.

Tal como se muestra en las figuras 3, 4, 7 y 8, cuando solo una superficie de la capa de aislamiento está provista de una capa conductora, una o dos capas protectoras están dispuestas en una o ambas superficies de la capa conductora, y el material activo del electrodo se recubre sobre una superficie del colector de corriente, para obtener las placas de electrodo positivo y negativo, tal como se muestra en la figura 10 y la figura 12, respectivamente. Las placas de electrodo positivo y negativo se pueden aplicar en una batería después de ser dobladas.

Las realizaciones de la presente invención también dan a conocer una batería. La batería incluye una placa de electrodo positivo, un separador y una placa de electrodo negativo.

La placa de electrodo positivo y/o la placa de electrodo negativo es la placa de electrodo de acuerdo con las realizaciones anteriores de la presente invención. La batería de acuerdo con la presente invención puede ser del tipo arrollado o laminado. La batería también puede ser una batería secundaria de iones de litio, una batería primaria de litio, una batería de iones de sodio y una batería de iones de magnesio. No obstante, no está limitada a estas baterías.

Además, las realizaciones de la presente invención proporcionan, asimismo, una batería. La batería incluye una placa de electrodo positivo, un separador y una placa de electrodo negativo. Solo la placa de electrodo positivo es la placa de electrodo de acuerdo con las realizaciones anteriores de la presente invención.

Preferentemente, la placa de electrodo positivo de la batería de acuerdo con la presente invención emplea la placa de electrodo de acuerdo con la presente invención. Puesto que el colector de corriente positiva convencional tiene un alto contenido de aluminio, cuando se produce el cortocircuito bajo la condición anormal de la batería, el calor generado en el punto de cortocircuito puede provocar una reacción aluminotérmica severa, que genera una gran cantidad de calor y, además, provoca una explosión u otros accidentes de la batería. Cuando la batería adopta la placa de electrodo positivo de acuerdo con la presente invención, la reacción aluminotérmica se puede evitar, debido a que el contenido de aluminio es muy inferior en el colector de corriente positiva, mejorando de este modo significativamente el rendimiento de seguridad de la batería.

En la presente invención, se utiliza un experimento de clavado para simular las condiciones anormales de la batería y observar un cambio de batería después del clavado. La figura 13 es un diagrama esquemático de un experimento de clavado de acuerdo con la presente invención. Por razones de sencillez, la figura 13 ilustra simplemente que un clavo 4 perfora una capa de la placa de electrodo positivo 1, una capa del separador 3 y una capa de la placa de electrodo negativo 2 de la batería. Debe quedar claro que en el experimento de clavado real, el clavo 4 penetra toda la batería, que, en general, incluye una pluralidad de capas de placa de electrodo positivo 1, un separador 3 y una placa de electrodo negativo 2. Cuando se produce un cortocircuito en la batería debido al clavado, la corriente de cortocircuito se reduce en gran medida y el calor generado durante el cortocircuito está controlado dentro de un intervalo que la batería puede absorber por completo. Por tanto, el calor generado en la posición en la que se produce el cortocircuito interno puede ser absorbido completamente por la batería, y el aumento de temperatura también es muy pequeño, por lo que el daño en la batería, provocado por el cortocircuito puede estar limitado a la posición de clavado, y solo se puede formar un “punto de rotura” sin afectar al funcionamiento normal de la batería en el corto plazo.

Realizaciones

1. Preparación del colector de corriente

Se selecciona una capa de aislamiento que tiene un cierto grosor, y se forma una capa conductora que tiene un cierto grosor sobre una superficie de la capa de aislamiento por medio de evaporación al vacío, laminación mecánica o adherido, y a continuación, se forma una capa protectora por medio de depósito de vapor, un método de formación in situ o un método de recubrimiento.

1.1 Formación de la capa conductora

La capa conductora se puede formar de las siguientes maneras.

(1) Las condiciones de la evaporación al vacío para formar las zonas de la capa conductora son las siguientes: la capa de aislamiento es colocada en una cámara de evaporación al vacío después de un tratamiento de limpieza superficial, un alambre de metal de alta pureza en una cámara de evaporación de metal es fundido y evaporado a una alta temperatura en un intervalo comprendido entre 1600 °C a 2000 °C, el metal evaporado pasa a través de un sistema de enfriamiento en la cámara de evaporación al vacío y finalmente se deposita sobre una superficie de la capa de aislamiento, para formar la capa conductora.

(2) Las condiciones del laminado mecánico para formar la capa conductora son las siguientes: una lámina de un material utilizado para la capa conductora es colocada en un rodillo mecánico, se enrolla hasta un grosor predeterminado aplicando una presión en un intervalo comprendido entre 20 t y 40 t y, a continuación, colocado sobre una superficie de la capa de aislamiento que ha sido sometida a un tratamiento de limpieza superficial, y, finalmente, ambos son colocados en el rodillo mecánico, para que se unan firmemente aplicando una presión en un intervalo comprendido entre 30 t y 50 t.

(3) Las condiciones del método de unión para formar la capa conductora son las siguientes: una lámina de un material utilizado para la capa conductora es colocada en un rodillo mecánico, se enrolla hasta un grosor predeterminado aplicando una presión en un intervalo comprendido entre 20 t y 40 t y, a continuación, se aplica una solución mixta que consiste en PVDF y NMP sobre una superficie de la capa de aislamiento que ha sido sometida a un tratamiento de limpieza superficial, y, finalmente, la capa conductora que tiene el grosor predeterminado mencionado anteriormente se une a la superficie de la capa de aislamiento y se seca a 100 °C.

1.2 Formación de la capa protectora

La capa protectora se puede formar de las siguientes maneras:

(1) En primer lugar, se forma una capa protectora sobre una superficie de la capa de aislamiento por medio de depósito de vapor o recubrimiento, a continuación, se forma una capa conductora que tiene un cierto grosor sobre la capa protectora dispuesta sobre la capa de aislamiento por medio de evaporación al vacío, laminación mecánica o adherido, con el fin de preparar un colector de corriente que incluya la capa protectora situada entre la capa de aislamiento y la capa conductora. Además, alternativamente, sobre la base de lo anterior, se forma, adicionalmente, una capa protectora superior sobre una superficie de la capa conductora alejada de la capa de aislamiento por medio de depósito de vapor, formación in situ o recubrimiento, para preparar un colector de corriente que incluye las capas protectoras superior e inferior, que están situadas en dos superficies opuestas de la capa conductora.

(2) En primer lugar, se forma una capa protectora sobre una superficie de una capa conductora mediante depósito de vapor, formación in situ o recubrimiento, a continuación, la capa conductora citada anteriormente provista de la capa protectora es enrollada mecánicamente o adherida a una superficie de una capa de aislamiento y la capa protectora está situada entre la capa de aislamiento y la capa conductora, con el fin de preparar un colector de corriente que incluya la capa protectora situada entre la capa de aislamiento y la capa conductora. Además, alternativamente, sobre la base de lo anterior, se forma además una capa protectora sobre una superficie de la capa conductora alejada de la capa de aislamiento por medio de depósito de vapor, formación in situ o recubrimiento, para preparar un colector de corriente que incluye las capas protectoras superior e inferior, que están situadas en dos superficies opuestas de la capa conductora.

(3) Además de los métodos de preparación citados anteriormente, la presente invención incluye los colectores de corriente, incluida la capa protectora proporcionada en la superficie de la capa conductora alejada de la capa de aislamiento (es decir, la superficie superior de la capa conductora) como ejemplos comparativos. Los ejemplos comparativos se preparan tal como se indica a continuación:

(3.1) En primer lugar se forma una capa protectora sobre una superficie de una capa conductora por medio de depósito de vapor, formación in situ o recubrimiento, a continuación, la capa conductora citada anteriormente dotada de la capa protectora es enrollada mecánicamente o adherida a una superficie de una capa de aislamiento y la capa protectora está situada en una superficie de la capa conductora orientada hacia el exterior de la capa de aislamiento.

(3.2) Se forma una capa conductora que tiene un cierto grosor sobre una superficie de la capa de aislamiento por medio de depósito de vapor, laminación mecánica o pegado, a continuación, se forma una capa protectora sobre una superficie de la capa conductora alejada de la capa de aislamiento por medio de depósito de vapor, formación in situ o recubrimiento, para preparar un colector de corriente que incluya la capa protectora situada en la superficie de la capa conductora alejada de la capa de aislamiento.

En las realizaciones de la preparación, el depósito de vapor es la evaporación al vacío, la formación in situ es la pasivación in situ y el recubrimiento es el recubrimiento mediante cuchilla.

Las condiciones de la evaporación al vacío para formar la capa protectora son las siguientes: se coloca una muestra en una cámara de evaporación al vacío después de un tratamiento de limpieza de superficie, un material de la capa protectora en una cámara de evaporación se funde y se evapora a alta temperatura en el intervalo comprendido entre 1600 °C y 2000 °C, el material evaporado de la capa protectora pasa a través de un sistema de enfriamiento en la cámara de evaporación al vacío y finalmente se deposita sobre una superficie de la muestra, para formar una capa protectora.

Las condiciones de la pasivación in situ son las siguientes: la capa conductora se coloca en un ambiente oxidante de alta temperatura, la temperatura se controla dentro de un intervalo comprendido entre 160 °C y 250 °C, mientras se mantiene el suministro de oxígeno a alta temperatura ambiente, y el tiempo de procesamiento es de 30 min, para formar una capa protectora de óxido metálico.

Las condiciones del método de recubrimiento por grabado son las siguientes: un material de la capa protectora y NMP se mezclan y agitan para formar una suspensión, a continuación, la suspensión del material mencionado anteriormente de la capa protectora (el contenido de material sólido está comprendido entre el 20 y el 75 %) es recubierta sobre una superficie de una muestra, el grosor del recubrimiento se controla mediante un rodillo de grabado y, finalmente, el recubrimiento se seca a 100 °C a 130 °C.

Los parámetros específicos de los colectores de corriente preparados que tienen una capa o capas de protección se enumeran en las Tablas 1 y 2.

En la Tabla 1, el colector de corriente 1# a 6# no tiene capa protectora; en la Tabla 2, “CurrentCollector 1-1#” representa que la capa conductora es la misma que la capa conductora del Current Collector 13#, y así sucesivamente, y “Current Collector 2-7#” representa que la capa conductora es la misma que la capa conductora del Current Collector 2#, y así sucesivamente.

3. Preparación de la placa de electrodo

Se recubre una superficie del colector de corriente con una suspensión de electrodo positivo o negativo mediante un proceso de recubrimiento convencional de batería y se seca a 100 °C, para obtener una placa de electrodo positivo o una placa de electrodo negativo.

Placa de electrodo positivo convencional: el colector de corriente es una lámina de Al con un grosor de 12 gm, y la capa de material activo del electrodo es una capa de material ternario (NCM) con un grosor de 55 gm.

Placa de electrodo negativo convencional: el colector de corriente es una lámina de Cu con un grosor de 8 gm, y la capa de material activo del electrodo es una capa de grafito con un grosor de 55 gm.

Las correspondientes placas de electrodo positivo numeradas se obtienen recubriendo una capa de material ternario (NCM) con un grosor de 55 gm en el colector de corriente positiva preparado, tal como se muestra en la Tabla 3. 4. Preparación de la batería:

De acuerdo con un proceso de preparación de batería convencional, una placa de electrodo positivo (densidad de compactación: 3,4 g/cm3), un separador de PP/PE/PP y una placa de electrodo negativo (densidad de compactación: 1,6 g/cm3) juntos se enrollan para formar una celda desnuda, a continuación, la celda desnuda es colocada en una caja de batería, un electrolito (EC:EMC en una relación de volumen de 3:7, LiPFs: 1 mol/L) es inyectado en la caja, seguido de sellado, formación y otros, para obtener una batería secundaria de iones de litio.

Las composiciones específicas de las baterías preparadas en las realizaciones de la presente invención y las baterías de los ejemplos comparativos se muestran en la Tabla 4.

Tabla 1

Tabla 2

En la Tabla 2, “/” indica que no está dispuesta ninguna capa protectora.

Tabla 3

Tabla 4

Ejemplos experimentales:

1. Método de prueba de la batería:

Se realizó un método para probar el ciclo de vida de la batería de iones de litio como sigue:

Se cargó y descargó una batería de iones de litio a 25 °C y a 45 °C, respectivamente, es decir, la batería se cargó primero con una corriente de 1 C a una tensión de 4,2 V, a continuación, se descargó con una corriente de 1C a una tensión de 2,8 V, y se registró la capacidad de descarga después de un primer ciclo; y la batería se cargó y descargó durante 1.000 ciclos tal como se indicó anteriormente, y se registró la capacidad de descarga de la batería después de un ciclo de orden 1.000. Se obtuvo una tasa de retención de capacidad después del ciclo de orden 1.000 dividiendo la capacidad de descarga después del ciclo de orden 1.000 por la capacidad de descarga después del primer ciclo. Los resultados experimentales se muestran en la Tabla 5.

2. Métodos de prueba del experimento de clavado una sola vez y experimento de clavado continuo seis veces: (1) Experimento de clavado una sola vez: se fijó una batería que se había cargado completamente, se pinchó una aguja de acero con un diámetro de 8 mm a través de la batería a una velocidad de 25 mm/s a temperatura ambiente y se dejó en la batería, y se observó y midió la batería después de terminar el clavado.

(2) Experimento de clavado seis veces: se fijó una batería que había sido cargada completamente, se pincharon rápidamente seis agujas de acero con un diámetro de 8 mm a través de la batería sucesivamente, a una velocidad de 25 mm/s a temperatura ambiente, y se dejaron en la batería, y se observó y midió la batería después de terminar el clavado.

(3) Medición de la temperatura de la batería: se utilizó un termómetro multicanal, y los cables de detección de temperatura se unieron respectivamente en los centros geométricos de una superficie de introducción de los clavos y una superficie opuesta de la batería a clavar; una vez terminado el clavado, se midió y siguió la temperatura de la batería durante 5 minutos, y se registraron las temperaturas de la batería al cabo de 5 minutos.

(4) Medición de la tensión de la batería: los electrodos positivo y negativo de cada batería a clavar se conectaron a los terminales de prueba de un instrumento de resistencia interno; una vez finalizado el clavado, se midió la tensión de cada batería y se hizo un seguimiento durante 5 minutos, y se registró la tensión de la batería al cabo de 5 minutos. Los datos de las temperaturas y las tensiones registradas de las baterías se muestran en la Tabla 6.

Tabla 5

Tabla 6

“N/A” indica que la subida de temperatura y el daño sucedió inmediatamente después de que una aguja de acero fue clavada a través de la batería.

El gráfico de temperatura de la batería 1# y la batería 4# con el tiempo se muestra en la figura 14, y el gráfico de la tensión de la batería 1# y la batería 4# con el tiempo se muestra en la figura 15.

Se puede ver a partir de los resultados de la Tabla 5 que, en comparación con la batería 1# que adopta la placa de electrodo positivo convencional y la placa de electrodo negativo convencional, las baterías que adoptan los colectores de corriente de acuerdo con las realizaciones de la presente invención tienen un buen rendimiento de ciclo, que es equivalente al rendimiento de ciclo de una batería convencional. Esto muestra que los colectores de corriente de acuerdo con las realizaciones de la presente invención no tienen ninguna influencia adversa significativa sobre las placas de electrodo y las baterías resultantes. En comparación con un colector de corriente que no tiene capa protectora, la batería preparada por el colector de corriente provisto de la capa protectora puede tener una tasa de retención de capacidad mejorada aún más, lo que indica una mejor fiabilidad de la batería.

Además, los colectores de corriente de acuerdo con las realizaciones de la presente invención pueden mejorar significativamente el rendimiento de seguridad de la batería de iones de litio. A partir de los resultados de la Tabla 6, la figura 22 y la figura 23, se puede ver que, en lo que respecta a la Batería 1# que no adopta el colector de corriente de acuerdo con las realizaciones de la presente invención, la temperatura aumentó bruscamente en cientos de grados Celsius y la tensión disminuyó abruptamente a cero en el momento del clavado. Esto muestra que se produjo un cortocircuito interno en el momento del clavado, se generó una gran cantidad de calor, se produjo una fuga térmica y un daño de la batería al instante, por lo que la batería no puede seguir funcionando. Además, puesto que la fuga térmica y el daño de la batería se produjeron inmediatamente después de que la primera aguja de acero fuese pinchada en la batería, el clavado continuo con seis agujas de acero no se puede realizar en este tipo de batería.

Por el contrario, con respecto a las baterías de iones de litio que utilizan los colectores de corriente de acuerdo con las realizaciones de la presente invención, el aumento de temperatura se puede controlar básicamente a aproximadamente 10 °C o menos de 10 °C, las tensiones son sustancialmente constantes y las baterías pueden funcionar normalmente, tanto en un experimento de clavado una sola vez como en un experimento de clavado continuo seis veces. Por tanto, en el caso de un cortocircuito interno en la batería, el colector de corriente de acuerdo con las realizaciones de la presente invención puede reducir en gran medida la generación de calor causada por el cortocircuito, mejorando de este modo el rendimiento de seguridad de la batería. Además, el daño en la batería, causado por el cortocircuito, puede estar limitado a un “punto” y, por lo tanto, simplemente forma un “punto de rotura”, sin afectar al funcionamiento normal de la batería en poco tiempo.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un colector de corriente (10, 20), caracterizado por que comprende:

una capa de aislamiento (101,201);

como mínimo, una capa conductora (102, 202), situada por encima, como mínimo, de una superficie de la capa de aislamiento (101, 201), siendo utilizada la capa de aislamiento (101, 201) para soportar la, como mínimo, una capa conductora (102, 202), siendo utilizada la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) para soportar una capa de material activo del electrodo (11,21) situada sobre una superficie del colector de corriente (10, 20), y teniendo cada una de la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) un grosor de D2, en donde 300 nm < D2 < 2 pm;

una primera capa protectora (103, 203), dispuesta sobre una superficie de cada una de la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) orientada hacia la capa de aislamiento (101, 201), en donde la primera capa protectora (103, 203) está realizada de un material seleccionado de un grupo que consiste en metal y óxido metálico, o combinaciones de los mismos, el metal es, como mínimo, uno de cromo, una aleación a base de níquel, o una aleación a base de cobre, y el óxido metálico es, como mínimo, uno de óxido de aluminio, óxido de cobalto, óxido de cromo u óxido de níquel;

una segunda capa protectora (103, 203), dispuesta sobre una superficie de la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) orientada hacia el exterior de la capa de aislamiento (101,201), en donde la segunda capa protectora (103, 203) está realizada de un material metálico, que está seleccionado de un grupo que consiste en metal y óxido metálico, o combinaciones de los mismos, el metal es, como mínimo, uno de níquel, cromo, una aleación a base de níquel, una aleación a base de cobre o combinaciones de los mismos, y el óxido metálico es óxido de aluminio u óxido de níquel, en donde la primera capa protectora (103, 203) tiene un grosor de D3 y D3 < 1/10 D2 y 1 nm < D3 < 200 nm, teniendo la segunda capa protectora (103, 203) un grosor de D3’ y D3' < 1/10 D2 y 1 nm < D3’ < 200 nm, siendo el grosor D3’ de la segunda capa protectora (103, 203) mayor que el grosor D3 de la primera capa protectora (103, 203); y 1/2 D3’ < D3 < 4/5 D3’.

2. Colector de corriente (10, 20) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que 500 nm < D2 < 1,5 pm.

3. El colector de corriente (10, 20) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) está realizada de un material seleccionado de, como mínimo, uno de un material conductor metálico y un material conductor a base de carbono,

el material conductor metálico está seleccionado, preferentemente, de un grupo que consiste en aluminio, cobre, níquel, titanio, plata, una aleación de níquel y cobre, una aleación de aluminio y circonio o combinaciones de los mismos, y

el material conductor a base de carbono está seleccionado, preferentemente, de un grupo que consiste en grafito, negro de acetileno, grafeno, nanotubos de carbono o combinaciones de los mismos.

4. Colector de corriente (10, 20) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la capa de aislamiento (101, 201) tiene un grosor de D1;

1 pm < D1 < 20 pm, preferentemente, 2 pm < D1 < 10 pm, y. más preferentemente, 2 pm < D1 < 6 pm; y

preferentemente, la capa de aislamiento (101, 201) está realizada de un material aislante de polímero orgánico, que está seleccionado, preferentemente, de un grupo que consiste en poliamida, polietilentereftalato, poliimida, polietileno, polipropileno, poliestireno, cloruro de polivinilo, copolímeros de acrilonitrilo butadieno estireno, polibutilen-tereftalato, poli-p-fenilen-tereftamida, copolímero de etileno propileno, poli-formaldehído, resina epoxi, resina de fenol-formaldehído, politetrafluoroetileno, fluoruro de polivinilideno, caucho de silicona, policarbonato o combinaciones de los mismos.

5. El colector de corriente (10, 20) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el colector de corriente es un colector de corriente positiva (10), y

la primera capa protectora (103, 203) dispuesta en la superficie de la, como mínimo, una capa conductora (102, 202) orientada hacia la capa de aislamiento (101, 201) está realizada de un material seleccionado de un grupo que consiste en óxido de aluminio, óxido de cobalto, óxido de cromo, óxido de níquel o combinaciones de los mismos.

6. El colector de corriente (10, 20) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que 10 nm < D3 < 50 nm; y

10 nm < D3’ < 50 nm.

7. Una placa de electrodo (1, 2), caracterizada por que comprende el colector de corriente (10, 20) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y la capa de material activo del electrodo (11, 21) formada en el colector de corriente (10, 20).

8. Una batería, caracterizada por que comprende una placa de electrodo positivo (1), un separador (3) y una placa de electrodo negativo (2), en donde la placa de electrodo positivo (1) y/o la placa de electrodo negativo (2) es la placa de electrodo (1,2) de acuerdo con la reivindicación 7.