ES2874301T3 - Módulo de batería para arrancar un equipo eléctrico - Google Patents

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Abstract

Un módulo de batería que comprende: una carcasa exterior; una pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas encerradas en la carcasa exterior; y un dispositivo regulador de tensión acoplado a cada celda de batería de ion litio para regular la tensión de carga y/o de descarga de cada celda de batería de ion litio; en donde cada una de las celdas de la batería de ion litio comprende independientemente un cátodo, un ánodo, un separador interpuesto entre el cátodo y el ánodo, y un electrolito; el donde el cátodo comprende un colector de corriente catódica y una capa de electrodo de cátodo que comprende un material catódico, un material aglutinante y un agente conductor, y el ánodo comprende un colector de corriente de ánodo y una capa de electrodo de ánodo que comprende un material anódico, un material aglutinante y un agente conductor; en donde el material catódico comprende o es un material compuesto de núcleo-cubierta que tiene una estructura de núcleo y cubierta, en donde el núcleo comprende un óxido de metal de transición de litio seleccionado del grupo que consiste en LiMn2O4, LiNi0,3Mn0,3Co0,3O2, LiNi0,4Mn0,4Co0,2O2, LiNi0,5Mn0,3Co0,2O2, LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2, LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2, LiNi0,8Co0,15Al0,05O2 y combinaciones de los mismos; y en donde la cubierta comprende un óxido de metal de transición de litio seleccionado del grupo que consiste en LiCoO2, LiNiO2, LiNi0,3Mn0,3Co0,3O2, LiNi0,4Mn0,4Co0,2O2, LiNi0,5Mn0,3Co0,2O2, LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2, LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2, LiNi0,8Co0,15Al0,05O2, LiMnO2, LiMn2O4 y combinaciones de los mismos; en donde los óxidos de metal de transición de litio en el núcleo y en la cubierta son diferentes; en donde el electrolito comprende un disolvente orgánico no acuoso, una sal de litio y un aditivo seleccionado del grupo que consiste en dietilestilbestrol, butanosultona, carbonato de vinileno, sulfuro de dimetilo y combinaciones de los mismos; y en donde la cantidad del aditivo es del 0,1 % al 2 % en peso, en función del peso total del electrolito.

Description

DESCRIPCIÓN
Módulo de batería para arrancar un equipo eléctrico
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un módulo de batería y, más particularmente, a un módulo de batería de ion-litio para su uso en el arranque de motores de automóviles, camiones, embarcaciones y otras aplicaciones tales como generadores y maquinaria industrial y agrícola, tal como motores industriales y motores de tractores.
Antecedentes de la invención
Las baterías de ion litio (BIL) han despertado un interés considerable en los dos últimos decenios para un amplio abanico de aplicaciones en dispositivos electrónicos portátiles, tales como teléfonos celulares y ordenadores portátiles. Debido al rápido desarrollo del mercado de vehículos eléctricos (VE) y al almacenamiento de energía de la red, alto rendimiento, las BIL de bajo coste ofrecen actualmente una de las opciones más prometedoras para dispositivos de almacenamiento de energía de alta potencia y a gran escala.
En general, una batería de ion litio incluye un separador, un cátodo y un ánodo. En la actualidad, los electrodos se preparan dispersando polvos finos de un material activo del electrodo de batería, un agente conductor, y un material aglutinante en un disolvente apropiado. La dispersión se puede aplicar como revestimiento sobre un colector de corriente, tal como una lámina metálica de cobre o aluminio y luego secar a una temperatura elevada para eliminar el disolvente. Las hojas del cátodo y del ánodo se apilan o enrollan posteriormente con el separador que separa el cátodo y el ánodo para formar una batería.
Dependiendo de la potencia del motor de combustión interna del equipo eléctrico exterior, la corriente máxima requerida puede ser de varios cientos de amperios hasta aproximadamente 1.000 A. Las baterías de plomo-ácido se utilizan ampliamente para arrancar los motores de combustión interna de los vehículos, camiones, autobuses y similares. Sin embargo, tales baterías de plomo-ácido tienen una tasa de autodescarga indeseablemente alta. Cuando las baterías de arranque no se utilizan durante un largo período de tiempo, las baterías se agotan y no pueden arrancar el motor. Este problema puede ser aún más grave cuando las baterías de plomo-ácido se almacenan a altas temperaturas, ya que la tasa de autodescarga aumenta a medida que aumenta la temperatura.
Existe otro problema que ocurre con frecuencia con las baterías de plomo-ácido. Es posible que la batería no pueda suministrar suficiente energía a baja temperatura. Surgen preocupaciones adicionales si hay una situación de emergencia para la cual es crítico arrancar un motor, tal como para arrancar un vehículo de emergencia o para arrancar un quitanieves. Además, las baterías de plomo-ácido tienen las desventajas de un peso elevado y el riesgo de que se produzcan fugas de electrolito. Por lo tanto, se están buscando baterías de arranque alternativas.
La publicación de solicitud de patente de EE.UU. n.° 20160233694 A1 describe un paquete de batería de ion litio para su uso para arrancar un motor de combustión interna. El paquete de batería comprende una carcasa exterior; una pluralidad de celdas de batería encerradas en la carcasa exterior; y un circuito de carga encerrado en la carcasa exterior y acoplado a la pluralidad de celdas de batería, en donde la pluralidad de celdas de batería puede ser una batería de NMC (níquel, manganeso y cobalto) y/o una batería de fosfato de hierro y litio. Sin embargo, el paquete de batería no incluye ninguna característica que permita que la batería satisfaga las necesidades de energía en diversos entornos de temperatura, tal como entornos extremadamente fríos.
La publicación de solicitud de patente CN n.° 105161768 A describe una batería de arranque de vehículo que contiene un cátodo hecho de fosfato de hierro y litio (LiFePO4). La batería de arranque incluye al menos cuatro celdas de batería de LiFePO4 conectadas en paralelo o en serie. Sin embargo, es posible que esta batería de arranque no funcione bien en condiciones de clima frío debido al deterioro del rendimiento de descarga del LiFePO4 a baja temperatura, tal como por debajo de aproximadamente -10 °C.
La publicación de solicitud de patente CN n.° 103427110 A describe una batería de arranque de vehículo que contiene un cátodo hecho de fosfato de litio y vanadio. La batería de arranque se puede utilizar en entornos fríos, tal como a -40 °C. Sin embargo, no se menciona el rendimiento electroquímico de la batería de arranque, excepto en condiciones de baja temperatura. La falta de datos de rendimiento nos limita a obtener una comprensión completa de dicha batería. Adicionalmente, la tecnología para la producción a gran escala de fosfato de litio y vanadio no está bien probada, de modo que ofrece una dificultad considerable a la producción comercial. Además, en comparación con materiales más baratos como LiMn2O4 y LiFePO4, el material catódico de fosfato de vanadio y litio tiene la desventaja de un coste relativamente alto.
El documento WO 2016/017079 A1 desvela un material activo de electrodo positivo para la batería secundaria de litio, teniendo dicho material una estructura de núcleo-cubierta y comprendiendo el mismo compuesto de óxido de metal de transición de litio como constituyente del núcleo y la cubierta. El material de electrodo positivo descrito se emplea en baterías secundarias de litio que se agrupan para formar un paquete de batería en donde se usa un circuito electrónico para controlar la carga de las baterías.
Los documentos US 2015/046013 A1 y CN 205406647 U se refieren a paquetes de baterías para arrancar el motor de un equipo eléctrico, que comprende una pluralidad de celdas secundarias de ion litio interconectadas que tienen un compuesto de óxido de litio o un compuesto de fosfato de metal de litio como material activo del cátodo, en combinación con un dispositivo electrónico para controlar la potencia de carga de las celdas.
El documento EP 2980887 A1 describe un módulo de batería que comprende seis piezas de una batería secundaria de electrolito no acuoso, así como un paquete de batería que comprende dicho módulo y su uso como fuente de energía para arrancar un vehículo, en donde la batería secundaria comprende un óxido compuesto de litio como material activo de cátodo.
En vista de lo anterior, siempre existe la necesidad de desarrollar dispositivos más fiables para proporcionar energía instantáneamente para arrancar los motores de equipos eléctricos para exteriores, tales como automóviles, embarcaciones, camiones y tractores.
Sumario de la invención
Las necesidades antes mencionadas se satisfacen mediante diversos aspectos y realizaciones desvelados en el presente documento.
La materia objeto de la presente invención se define en la reivindicación 1 adjunta. En las reivindicaciones dependientes se exponen realizaciones preferentes.
En el presente documento se proporciona un módulo de batería que comprende:
una carcasa exterior;
una pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas encerradas en la carcasa exterior; y
un dispositivo regulador de tensión acoplado a cada celda de la batería de ion litio para regular la tensión de carga y/o descarga de cada celda de la batería de ion litio,
en donde el módulo de batería tiene una corriente de descarga de impulsos máxima medida a -30 °C de no menos del 15 % de la corriente de descarga de impulsos máxima medida a 25 °C durante un período de descarga de impulsos de aproximadamente 5 segundos.
De acuerdo con la presente invención, las celdas de la batería de ion litio comprenden un conjunto de electrodos y un electrolito, en donde el conjunto de electrodos comprende al menos un ánodo, al menos un cátodo y al menos un separador interpuestos entre el al menos un ánodo y al menos un cátodo, y en donde el al menos un ánodo comprende un colector de corriente de ánodo y una capa de electrodo de ánodo que comprende un material anódico, un material aglutinante y un agente conductor, y el al menos un cátodo comprende un colector de corriente catódica y una capa de electrodo de cátodo que comprende un material catódico, un material aglutinante y un agente conductor.
En ciertas realizaciones, el material catódico se selecciona entre el grupo que consiste en LiCoO2, LiNiO2, Lh+zNixMnyCo1-x-yO2, LiNixCoyAlzO2, LiMnO2,LiMn2O4, materiales compuestos de los mismos y combinaciones de los mismos, en donde cada x es independientemente de 0,3 a 0,8; cada y es independientemente de 0 a 0,45; y cada z es independientemente de 0 a 0,2. En algunas realizaciones, el tamaño D50 de partícula del material de cátodo es de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 50 pm.
En algunas realizaciones, el material catódico es óxido de manganeso, litio y espinela que tiene una relación Li/Mn igual o superior a 0,5.
En ciertas realizaciones, el material catódico es un material catódico dopado que comprende un elemento dopante seleccionado del grupo que consiste en Fe, Ni, Mn, Co, Al, Mg, Zn, Ti, La, Ce, Sn, Zr, Ru, Si, Ge y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el elemento dopante está presente en una cantidad de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 5 % en peso, basado en el peso total del material de cátodo dopado.
De acuerdo con la presente invención, el material catódico tiene una estructura de núcleo-cubierta que comprende un núcleo y una cubierta, en donde cada uno del núcleo y la cubierta se selecciona independientemente del grupo que consiste en LiCoO2, LiNiO2, Lh+zNixMnyCo1-x-yO2, LiNixCoyAlzO2, LiMnO2, LiMn2O4, materiales compuestos de los mismos y combinaciones de los mismos, en donde cada x es independientemente de 0,3 a 0,8; cada y es independientemente de 0 a 0,45; y cada z es independientemente de 0 a 0,2. En ciertas realizaciones, la relación entre el diámetro del núcleo y el grosor de la cubierta es de aproximadamente 10 a aproximadamente 25. En algunas realizaciones, el núcleo de la estructura núcleo-cubierta es un material catódico dopado que comprende un elemento dopante seleccionado del grupo que consiste en Fe, Ni, Mn, Co, Al, Mg, Zn, Ti, La, Ce, Sn, Zr, Ru, Si, Ge y combinaciones de los mismos.
En ciertas realizaciones, el material anódico se selecciona entre el grupo que consiste en grafito, material particulado de grafito natural, material particulado de grafito sintético, carbono duro, carbono mesofásico, material particulado de Sn, material particulado de LÍ4TÍ5O i2, material particulado de Si, material particulado compuesto de Si-C y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el agente conductor en cada uno de la capa de cátodo y la capa de ánodo está presente independientemente en una cantidad de aproximadamente 4 % a aproximadamente 10 % en peso, en función del peso total de la capa de cátodo o la capa de ánodo.
En algunas realizaciones, la densidad de cada una de las capas de los electrodos de cátodo y ánodo es independientemente de aproximadamente 1,0 g/cm3a aproximadamente 6,5 g/cm3 En ciertas realizaciones, el grosor de cada una de las capas de electrodos de cátodo y ánodo es, independientemente, de aproximadamente 1,0 pm a aproximadamente 25 pm.
En ciertas realizaciones, el al menos un cátodo no contiene un disolvente orgánico polar, en donde el disolvente orgánico polar se selecciona del grupo que consiste en metilpropilcetona, metilisobutilcetona, etilpropilcetona, diisobutilcetona, acetofenona, N-metil-2-pirrolidona, acetona, tetrahidrofurano, dimetilformamida, acetonitrilo, dimetilsulfóxido o una combinación de los mismos.
En algunas realizaciones, el contenido de agua del conjunto de electrodos es inferior a 20 ppm en peso, en función del peso total del conjunto de electrodos.
De acuerdo con la presente invención, el electrolito comprende un aditivo seleccionado del grupo que consiste en carbonato de vinileno, dietilestilbestrol, butanosultona, sulfuro de dimetilo y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el disolvente está presente en una cantidad de 0,1 % a 2 % en peso o volumen, basado en el peso o volumen total del electrolito.
En algunas realizaciones, cada una de las celdas de batería de ion litio comprende independientemente una primera lengüeta conductora acoplada al cátodo y una segunda lengüeta conductora acoplada al ánodo, y en donde la anchura de cada una de la primera y segunda lengüetas conductoras es independientemente más de 2 cm.
En ciertas realizaciones, la retención de capacidad del módulo de batería no es inferior al 50 % de su capacidad inicial después de 7 días de almacenamiento a 55 °C.
En algunas realizaciones, el módulo de batería comprende además un módulo de seguridad que comprende un sensor de temperatura conectado a cada celda de batería de ion litio.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama esquemático para una conexión en serie-paralelo de celdas de batería de ion litio en el módulo de batería del Ejemplo 1.
Descripción detallada de la invención
Definiciones generales
El término "electrodo" se refiere a un "cátodo" o a un "ánodo".
La expresión "electrodo positivo" se utiliza indistintamente con cátodo. Análogamente, la expresión "electrodo negativo" se utiliza indistintamente con ánodo.
La expresión "material aglutinante" se refiere a una sustancia química o sustancia utilizada para mantener el material del electrodo activo, por ejemplo, material catódico o anódico y agente conductor en su lugar.
La expresión "colector de corriente" se refiere a un soporte para revestir el material activo del electrodo y un conductor de alto electrón químicamente inactivo para mantener una corriente eléctrica que fluye hacia los electrodos durante la carga o descarga de una batería secundaria.
El término "tasa C" se refiere a la tasa de carga o descarga de una celda o batería, expresado en términos de su capacidad de almacenamiento total en Ah o mAh. Por ejemplo, una tasa de 1 C significa la utilización de toda la energía almacenada en una hora; 0,1 C significa la utilización del 10 % de la energía en una hora o la energía completa en 10 horas; y 5 C significa la utilización de la energía completa en 12 minutos.
El término "capacidad" se refiere a la cantidad total de carga eléctrica almacenada en una celda electroquímica, tal como una celda de batería o un módulo de batería, que puede sostener. La capacidad generalmente se expresa en unidades de amperios-hora (Ah).
La expresión "celda electroquímica" se refiere a un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica o la energía eléctrica en energía química. Algunos ejemplos no limitantes de las celdas electroquímicas incluyen baterías primarias, baterías secundarias, baterías de litio y baterías de ion litio, etc.
El término "amperios-hora (Ah)" se refiere a una unidad utilizada para especificar la capacidad de almacenamiento de una batería. Por ejemplo, una batería con capacidad de 1 Ah puede suministrar una corriente de un amperio durante una hora o 0,5 A durante dos horas, etc. Por lo tanto, 1 amperio-hora (Ah) es el equivalente a 3.600 culombios de carga eléctrica. De manera similar, el término "miliamperio-hora (mAh)" también se refiere a una unidad de la capacidad de almacenamiento de una batería y es 1/1.000 de un amperio-hora.
El término "suspensión" se refiere a una dispersión de materiales sólidos en un disolvente.
El término "aplicado" o "aplicar" se refiere a un acto de colocar o esparcir una sustancia sobre una superficie.
La expresión "revestimiento con rasqueta" se refiere a un proceso para la fabricación de películas de gran área sobre sustratos rígidos o flexibles. El grosor del recubrimiento se puede controlar mediante una anchura de separación ajustable entre una paleta de recubrimiento y una superficie de recubrimiento, que permite la deposición de grosores de capa húmeda variables.
El término "recubrimiento de transferencia" o "recubrimiento con rodillo" se refiere a un proceso para la fabricación de películas de gran superficie sobre sustratos rígidos o flexibles. Se aplica una suspensión sobre el sustrato transfiriendo un recubrimiento desde la superficie de un rodillo de recubrimiento con presión. El grosor del recubrimiento se puede controlar mediante una anchura de separación ajustable entre una paleta dosificadora y una superficie del rodillo de recubrimiento, que permite la deposición de grosores de capa húmeda variables. En un sistema de rodillos de dosificación, el grosor del recubrimiento se controla ajustando el espacio entre un rodillo dosificador y un rodillo de recubrimiento.
La expresión "vida cíclica de la batería" se refiere al número de ciclos completos de carga/descarga que una batería puede realizar antes de que su capacidad nominal caiga por debajo del 80 % de su capacidad asignada inicial. El término "corriente de descarga" se refiere a la corriente a la que se descarga una celda electroquímica. La corriente de descarga se puede expresar en unidades de amperios.
La expresión "corriente máxima de descarga de impulsos" se refiere a la corriente máxima a la que una celda electroquímica en un estado de carga completa puede descargarse a la tensión nominal, tal como igual a 12 V o 24 V o una tensión superior a la tensión nominal de la celda electroquímica durante un corto período de tiempo, por ejemplo, 3 segundos, 5 segundos o 10 segundos.
El término "tasa máxima de descarga de impulsos" se refiere a la tasa de corriente máxima a la que una celda electroquímica en un estado completamente cargada puede descargarse a la tensión nominal tal como igual a 12 V o 24 V o una tensión superior a la tensión nominal de la celda electroquímica durante un corto período de tiempo, por ejemplo, 3 segundos, 5 segundos o 10 segundos.
El término "tasa de descarga continua" se refiere a la tasa máxima a la que una celda electroquímica en un estado de carga completa puede descargarse a una tensión nominal tal igual a 12 V o 24 V o una tensión superior a la tensión nominal de la celda electroquímica.
La expresión "tensión nominal" se refiere a la tensión (nominal) a través de los terminales de la celda cuando está cargada y, específicamente, se refiere a la tensión promedio en la meseta de la curva de descarga de la celda. La expresión "corriente de carga" se refiere a la corriente aplicada para cargar una batería para restaurar su capacidad disponible.
La expresión "tasa máxima de carga" se refiere a la tasa máxima de corriente a la que se carga una celda electroquímica en un estado completamente descargado para alcanzar la tensión límite superior de la celda electroquímica y una capacidad de no menos del 80 % de la capacidad nominal de la celda electroquímica.
La expresión "capacidad nominal" se refiere a la carga eléctrica máxima que teóricamente se puede almacenar en una celda de batería o un módulo de batería.
La expresión "conjunto de electrodos" se refiere a una estructura que comprende al menos un electrodo positivo, al menos un electrodo negativo, y al menos un separador interpuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo. La expresión "temperatura ambiente" se refiere a temperaturas interiores de aproximadamente 18 °C a aproximadamente 30 °C, p. ej., 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 o 30 °C. En algunas realizaciones, temperatura ambiente se refiere a una temperatura de aproximadamente 20 °C /-1 °C o /- 2 °C o /- 3 °C. En otras realizaciones, temperatura ambiente se refiere a una temperatura de aproximadamente 22 °C o aproximadamente En la siguiente descripción, todos los números desvelados en el presente documento son valores aproximados, independientemente de si la palabra "aproximadamente" o "aproximado" se utiliza en relación con los mismos. Pueden variar en un 1 por ciento, 2 por ciento, 5 por ciento o, a veces, de 10 a 20 por ciento. Siempre que un intervalo numérico con un límite inferior, RL y un límite superior, Ru, se desvele, se desvela específicamente cualquier número que se encuentre dentro del intervalo. En particular, se desvelan específicamente los siguientes números dentro del intervalo: R=RL+k*(Ru-RL), en donde k es una variable que varía del 1 por ciento al 100 por ciento con un incremento del 1 por ciento, es decir, K es 1 por ciento, 2 por ciento, 3 por ciento, 4 por ciento, 5 por ciento,..., 50 por ciento, 51 por ciento, 52 por ciento,..., 95 por ciento, 96 por ciento, 97 por ciento, 98 por ciento, 99 por ciento o 100 por ciento. Por otra parte, cualquier intervalo numérico definido por dos números R como se define en lo anterior también se desvela específicamente.
En el presente documento se proporciona un módulo de batería que comprende: una carcasa exterior; una pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas encerradas en la carcasa exterior; y un dispositivo regulador de tensión acoplado a cada celda de la batería de ion litio para regular la tensión de carga y/o descarga de cada celda de la batería de ion litio, en donde el módulo de batería tiene una corriente de descarga de impulsos máxima medida a -30 °C de no menos del 15 % de la corriente de descarga de impulsos máxima medida a 25 °C durante un período de descarga de impulsos de aproximadamente 5 segundos.
En otras realizaciones, la corriente máxima de descarga de impulsos del módulo de batería desvelada en el presente documento medida a -30 °C, no es inferior al 17 %, no inferior al 18 %, no inferior al 19 %, no inferior al 20 %, no inferior al 25 % o no inferior al 30 % de la corriente máxima de descarga de impulsos medida a 25 °C durante un período de descarga de impulsos de aproximadamente 5 segundos.
En la actualidad, las baterías de plomo-ácido todavía se utilizan normalmente como baterías de vehículos estándar y otros equipos eléctricos. Sin embargo, los inconvenientes de las baterías de plomo-ácido incluyen una alta autodescarga, bajo rendimiento en climas fríos y degradación significativa con el tiempo. La batería de ion litio ahora se considera un posible reemplazo de las baterías de plomo-ácido para aplicaciones de arranque de motores de combustión. Hasta ahora, ningún documento de la técnica anterior describe una batería de ion litio que tenga un alto rendimiento a baja temperatura y una baja tasa de autodescarga. La usabilidad de las baterías de ion litio se puede ampliar si se amplía su intervalo de temperaturas de funcionamiento permitido.
En ciertas realizaciones, las celdas de la batería de ion litio comprenden al menos un ánodo, al menos un cátodo y al menos un separador interpuesto entre el al menos un ánodo y al menos un cátodo, en donde el al menos un ánodo comprende un colector de corriente anódica y una capa de electrodo de ánodo, un material aglutinante y un agente conductor, y el al menos un cátodo comprende un colector de corriente catódica y una capa de electrodo de cátodo que comprende un material catódico, un material aglutinante y un agente conductor.
En algunas realizaciones, el material catódico se selecciona entre el grupo que consiste en LiCoO2 (LCO), LiNiO2 (LNO), Lh+zNixMnyCo1-x-yO2, LiNixCoyAlzO2, LiMnO2, LiMn2O4 (LMO) o combinaciones de los mismos, en donde cada x es independientemente de 0,3 a 0,8; cada y es independientemente de 0,1 a 0,45; y cada z es independientemente de 0 a 0,2. En ciertas realizaciones, el material catódico se selecciona entre el grupo que consiste en LiNixMnyO2, Lh+zNixMnyCo1-x-yO2, LiMnO2, LiMn2O4 y combinaciones de los mismos, en donde cada x es independientemente de 0,4 a 0,6; cada y es independientemente de 0,2 a 0,4; y cada z es independientemente de 0 a 0,1. En algunas realizaciones, el material catódico es Lh+xMn2-yO4, en donde cada x es de 0 a 0,2; y cada y es de 0 a 0,15. En ciertas realizaciones, el material catódico es óxido de litio y manganeso que tiene una relación Li/Mn igual o superior a 0,5. En otras realizaciones, el material catódico no es LiCoO2, LiNiO2, LiMnO2 o LiMn2O4. En algunas realizaciones, el material catódico es LiNi0,3Mn0,3Co0,3O2 (NMC333), LiNi0,4Mn0,4Co0,2O2 (NMC442), LiNi0,5Mn0,3Co0,2O2 (NMC532), LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 (NMC622), LiNi0,sMn0,1CO0,1O2 (NMC811) o LiNi0,sCO0,15Al0,05O2 (NCA). En realizaciones adicionales, el material catódico no es Lh+zNixMnyCo1-x-yO2 o LiNixCoyAlzO2, en donde cada x es independientemente de 0,3 a 0,8; cada y es independientemente de 0,1 a 0,45; y cada z es independientemente de 0 a 0,2.
Entre los diferentes materiales catódicos, óxidos de metales de transición ternarios de litio que contienen Ni, Mn y Co tienen alta capacidad por unidad de peso. Por otro lado, el LMO tiene la ventaja de utilizar manganeso, que es abundante como materia prima y es una alternativa segura de bajo coste.
En general, el módulo de batería para la aplicación del arranque de motor está instalado y se mantiene cerca del motor. Por lo tanto, las baterías de arranque deben poder funcionar a altas temperaturas. El LMO tiene el problema del desvanecimiento de la capacidad y el bajo rendimiento cíclico a temperaturas elevadas debido a la disolución del manganeso en el electrolito. Además, la transición de fase de LMO que ocurre durante los procesos de intercalación y desintercalación conduce a la distorsión de la estructura cristalina, que afecta a la integridad estructural de LMO. A bajas temperaturas, la conductividad del electrodo y el electrolito disminuye. Por lo tanto, se necesita un módulo de batería que utilice LMO como material catódico que tenga un excelente rendimiento electroquímico a altas y bajas temperaturas para suministrar energía al motor de la máquina.
Para suprimir el desvanecimiento de la capacidad y mejorar la estabilidad del ciclo a temperaturas elevadas, el material catódico se puede dopar con un elemento dopante. Un material catódico dopado tiene una mayor estabilidad estructural. Por consiguiente, la disolución de manganeso en el electrolito especialmente a temperatura elevada se reduce y se mejora el rendimiento de las baterías de ion litio tal como LMO a temperaturas extremas. En ciertas realizaciones, el cátodo que comprende material catódico dopado tiene una conductividad eléctrica mejorada a bajas temperaturas (0 °C a -30 °C). En algunas realizaciones, el material catódico comprende un elemento dopante seleccionado del grupo que consiste en Fe, Ni, Mn, Co, Al, Mg, Zn, Ti, La, Ce, Sn, Zr, Ru, Si, Ge y combinaciones de los mismos. En ciertas realizaciones, el material catódico está dopado con al menos dos elementos dopantes seleccionados de Fe, Ni, Mn, Co, Al, Mg, Zn y Ti. En algunas realizaciones, el material catódico está dopado con al menos un elemento dopante seleccionado de La, Ce, Sn, Zr, Ru, Si y Ge. En otras realizaciones, el elemento de dopaje no es Fe, Ni, Mn, Co, Al, Mg, Zn o Ti. En otras realizaciones más, el elemento de dopaje no es La, Ce, Sn, Zr, Ru, Si o Ge. En algunas realizaciones, el material catódico está dopado con al menos dos elementos diferentes seleccionados de Fe, Ni, Mn, Co, Al, Mg, Zn, Ag, Cr, Co, Cu, Ti y Zr. En realizaciones adicionales, el material catódico está dopado con al menos dos elementos diferentes seleccionados de Fe, Ni, Mn, Co, Al, Mg, Zn y Ti.
Si la cantidad de elemento de dopaje es demasiado alta, la estructura cristalina del material catódico cambiará sustancialmente, afectando así a la estabilidad estructural del material catódico durante la carga y descarga. En ciertas realizaciones, el elemento dopante está presente en una cantidad de aproximadamente 0,5% a aproximadamente 5 %, de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 4,5 %, de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 4 %, de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 3,5 %, de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 3 %, de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 2,5 %, de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 2 %, de aproximadamente 1 % a aproximadamente 5 %, de aproximadamente 1 % a aproximadamente 4 %, de aproximadamente 1% a aproximadamente 3%, de aproximadamente 1,5% a aproximadamente 4% , de aproximadamente 1,5% a aproximadamente 3%, de aproximadamente 2% a aproximadamente 4% o de aproximadamente 2 % a aproximadamente 3 % en peso, basado en el peso total del material de cátodo dopado. En algunas realizaciones, el elemento dopante está presente en una cantidad inferior al 5 %, inferior al 4,5 %, inferior al 4 %, inferior al 3,5 %, inferior al 3 %, inferior al 2,5 %, inferior al 2 %, inferior al 1,5 % o inferior al 1 % en peso, basado en el peso total del material de cátodo dopado. En ciertas realizaciones, el elemento dopante está presente en una cantidad superior al 0,5%, superior al 1 %, superior al 1,5%, superior al 2% , superior al 2,5%, superior al 3%, superior al 3,5 %, más del 4 % en peso o más del 4,5 % en peso, basado en el peso total del material de cátodo dopado.
En algunas realizaciones, el elemento dopante está presente en una cantidad de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 5%, de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 4%, de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 3%, de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 2% o de aproximadamente 0,1% a aproximadamente 1 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo. En ciertas realizaciones, el elemento dopante está presente en una cantidad inferior al 5 %, inferior al 4 %, inferior al 3 %, inferior al 2 % o inferior al 1 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo. En algunas realizaciones, el elemento dopante está presente en una cantidad superior al 0,1 %, superior al 0,5 %, superior al 1 %, superior al 2 %, superior al 3 % en peso o superior al 4 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo.
Los materiales catódicos que tienen estructura de núcleo-cubierta también pueden suprimir la disolución de iones Mn en electrolito y la capacidad se desvanece a temperaturas elevadas. En algunas realizaciones, el material catódico comprende o es un material compuesto de núcleo-cubierta que tiene una estructura de núcleo y cubierta, en donde el núcleo y la cubierta comprenden cada uno independientemente un óxido de metal de transición de litio seleccionado del grupo que consiste en LiCoO2, LiNiO2, Lh+zNixMnyCo1-x-yO2, LiNixCoyAlzO2, LiMnO2, LiMn2O4 y combinaciones de los mismos, en donde cada x es independientemente de 0,3 a 0,8; cada y es independientemente de 0,1 a 0,45; y cada z es independientemente de 0 a 0,2. En otras realizaciones, el núcleo y la cubierta comprenden cada uno, independientemente, dos o más óxidos de metales de transición de litio. Los dos o más óxidos de metales de transición de litio en el núcleo y la cubierta pueden ser iguales o pueden ser diferentes o parcialmente diferentes. En algunas realizaciones, los dos o más óxidos de metales de transición de litio están distribuidos uniformemente sobre el núcleo.
En ciertas realizaciones, los dos o más óxidos de metales de transición de litio no están distribuidos uniformemente sobre el núcleo.
En algunas realizaciones, cada uno de los óxidos de metal de transición de litio en el núcleo y la cubierta está dopado independientemente con un elemento dopante seleccionado del grupo que consiste en Fe, Ni, Mn, Co, Al, Mg, Zn, Ti, La, Ce, Sn, Zr, Ru, Si, Ge y combinaciones de los mismos.
En ciertas realizaciones, el diámetro del núcleo del material catódico es de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 45 pm, de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 40 pm, de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 35 pm, de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 30 pm, de aproximadamente 5 pm a aproximadamente 25 pm, de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 50 pm, de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 45 pm, de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 40 pm, de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 35 pm, de aproximadamente 10 pm a aproximadamente 30 pm, de aproximadamente 15 pm a aproximadamente 45 pm, de aproximadamente 15 pm a aproximadamente 30 pm, de aproximadamente 15 pm a aproximadamente 25 pm, de aproximadamente 20 pm a aproximadamente 50 pm, de aproximadamente 20 pm a aproximadamente 40 pm, de aproximadamente 20 pm a aproximadamente 30 pm o de aproximadamente 20 pm a aproximadamente 35 pm. En algunas realizaciones, el diámetro del núcleo del material catódico es inferior a 50 |jm, inferior a 40 |jm, inferior a 30 |jm
o inferior a 20 jim. En ciertas realizaciones, el diámetro del núcleo del material catódico es superior a 10 jim, superior a 20 jim, superior a 30 jim o superior a 40 jim.
Si el grosor de la cubierta del material catódico es demasiado grande, la conductividad de ion litio se reducirá. En algunas realizaciones, el grosor de la cubierta del material catódico es de aproximadamente 0,1 pm a aproximadamente 5 pm, de aproximadamente 0,1 jim a aproximadamente 4,5 jim, de aproximadamente 0,1 jim a aproximadamente 4 jim, de aproximadamente 0,1 jim a aproximadamente 3 jim, de aproximadamente 0,1 jim a aproximadamente 2,5 jim, de aproximadamente 0,5 jim a aproximadamente 5 jim, de aproximadamente 0,5 jim a aproximadamente 4 jim, de aproximadamente 0,5 jim a aproximadamente 3 jim, de aproximadamente 0,5 jim a aproximadamente 2 jim, de aproximadamente 1 jim a aproximadamente 5 jim o de aproximadamente 1 jim a aproximadamente 3 jim. En ciertas realizaciones, el grosor de la cubierta del material catódico es inferior a 5 jim, inferior a 4,5 jim, inferior a 4 jim, inferior a 3,5 jim, inferior a 3 jim, inferior a 2,5 jim, inferior a 2 jim o inferior a 1,5 jim.
En algunas realizaciones, el grosor de la cubierta del material catódico es superior a 0,1 jim, superior a 0,5 jim, superior a 1 jim, superior a 1,5 jim, superior a 2 jim, superior a 2,5 jim, superior a 3 jim, superior a 3,5 4 jim o superior a 4,5 jim.
En ciertas realizaciones, la relación entre el diámetro del núcleo y el grosor de la cubierta es de aproximadamente 5 a aproximadamente 25, de aproximadamente 5 a aproximadamente 20, de aproximadamente 5 a aproximadamente 15, de aproximadamente 5 a aproximadamente 12, de aproximadamente 5 a aproximadamente 10, de aproximadamente
10 a aproximadamente 25, de aproximadamente 10 a aproximadamente 20, de aproximadamente 10 a aproximadamente 15 o de aproximadamente 12 a aproximadamente 20. En algunas realizaciones, la relación entre el diámetro del núcleo y el grosor de la cubierta es inferior a 25, inferior a 20, inferior a 15 o inferior a 12. En ciertas realizaciones, la relación entre el diámetro del núcleo y el grosor de la cubierta es más de 10, más de 12, más de 15 o más de 20.
En ciertas realizaciones, el material catódico tiene un tamaño de partícula D50 de aproximadamente 10 jim a aproximadamente 50 jim, de aproximadamente 10 jim a aproximadamente 45 jim, de aproximadamente 10 jim a aproximadamente 40 jim, de aproximadamente 10 jim a aproximadamente 35 jim, de aproximadamente 10 jim a aproximadamente 30 jim, de aproximadamente 15 jim a aproximadamente 50 jim, de aproximadamente 15 jim a aproximadamente 40 jim, de aproximadamente 20 jim a aproximadamente 50 jim, de aproximadamente 25 jim a aproximadamente 50 jim, de aproximadamente 25 jim a aproximadamente 40 jim, de aproximadamente 15 jim a aproximadamente 40 jim o de aproximadamente 20 jim a aproximadamente 40 jim. En algunas realizaciones, el material catódico tiene un tamaño de partícula D50 inferior a 50 pm, inferior a 45 jm , inferior a 40 jm , inferior a 35 jm , inferior a 30 pm, inferior a 25 pm o inferior a 20 pm. En ciertas realizaciones, el material catódico tiene un tamaño de partícula D50 superior a 10 jm , superior a 15 jm , superior a 20 jm , superior a 25 jm , superior a 30 jm , superior a
35 jm o superior a 40 jm . El tamaño de partícula del cátodo más pequeño le da a la batería una mayor capacidad de carga/descarga para una ruta de transporte de ion litio más corta en el cátodo. Sin embargo, el mayor tamaño de partícula del cátodo ayuda a mejorar la estabilidad de la batería a temperatura elevada debido a una menor reacción con el electrolito y, por lo tanto, reduce la disolución de los iones Mn en el electrolito.
En algunas realizaciones, el material catódico tiene un tamaño de partícula D10 de aproximadamente 3 jm a aproximadamente 20 jm , de aproximadamente 3 jm a aproximadamente 10 jm , de aproximadamente 3 jm a aproximadamente 8 jm , de aproximadamente 1 jm a aproximadamente 10 jm , de aproximadamente 1 jm a aproximadamente 8 jm , de aproximadamente 1 jm a aproximadamente 5 jm , de aproximadamente 2 jm a aproximadamente 10 jm , de aproximadamente 2 jm a aproximadamente 5 jm o de aproximadamente 2 jm a aproximadamente 8 jm.
En ciertas realizaciones, el material catódico tiene un tamaño de partícula D90 de aproximadamente 20 jm a aproximadamente 80 jm , de aproximadamente 30 jm a aproximadamente 80 jm , de aproximadamente 40 jm a aproximadamente 80 jm , de aproximadamente 50 jm a aproximadamente 80 jm , de aproximadamente 30 jm a aproximadamente 70 jm , de aproximadamente 30 jm a aproximadamente 60 jm , de aproximadamente 20 jm a aproximadamente 50 jm , de aproximadamente 20 jm a aproximadamente 60 jm o de aproximadamente 40 jm a aproximadamente 60 jm.
La naturaleza del material del ánodo influye en la tensión resultante de la batería, ya que la tensión es la diferencia entre los potenciales de media celda en el cátodo y el ánodo. En algunas realizaciones, el material anódico se selecciona entre el grupo que consiste en grafito, material particulado de grafito natural, material particulado de grafito sintético, carbono duro, carbono mesofásico, material particulado de Sn (estaño), material particulado de LÍ4TÍ50-i2 (LTO), material particulado de Si (silicio), material particulado compuesto de Si-C y combinaciones de los mismos. En otras realizaciones, el material anódico no es un material particulado de grafito natural, material particulado de grafito sintético, carbono duro, carbono mesofásico, material particulado de Sn (estaño), material particulado de LÍ4TÍ50-i2, material particulado de Si (silicio), o material particulado compuesto de Si-C.
En ciertas realizaciones, la cantidad de cada uno de los materiales catódicos y anódicos es independientemente al menos el 50 %, al menos el 55 %, al menos el 60 %, al menos el 65 %, al menos el 70 %, al menos el 75 %, al menos
el 80 %, al menos el 85 %, al menos el 90 % o al menos el 95 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo o ánodo. En algunas realizaciones, la cantidad de cada uno de los materiales catódicos y anódicos es independientemente como máximo 50 %, como máximo 55 %, como máximo 60 %, como máximo 65 %, como máximo 70 %, como máximo 75 %, como máximo 80 %, como máximo 85 %, como máximo 90 % o como máximo 95 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo o ánodo.
En algunas realizaciones, la cantidad de material catódico está entre 50 % y 95 %, entre 70 % y 95 %, entre 70 % y 92 %, entre 75 % y 90 %, entre 80 % y 95 %, entre 80 % y 90 %, entre 85 % y 95 %, entre 85 % y 90 % o entre 90 % y 95 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo.
Otros componentes, tales como el agente conductor y el material aglutinante en las capas de electrodos, también afectarán al rendimiento de las baterías de ion litio a lo largo del tiempo a diferentes velocidades. El agente conductor en las capas de electrodo sirve para mejorar la propiedad de conducción eléctrica de un electrodo. En algunas realizaciones, el agente conductor se selecciona entre el grupo que consiste en carbono, negro de humo, grafito, grafito expandible, grafeno, nanoplaquitas de grafeno, fibras de carbono, nanofibras de carbono, escamas de carbono grafitizado, tubos de carbono, nanotubos de carbono, carbono activado, carbono mesoporoso y combinaciones de los mismos. En ciertas realizaciones, el agente conductor no es carbono, negro de humo, grafito, grafito expandible, grafeno, nanoplaquitas de grafeno, fibras de carbono, nanofibras de carbono, escamas de carbono grafitizado, tubos de carbono, nanotubos de carbono, carbono activado o carbono mesoporoso.
El material aglutinante en las capas de electrodo cumple la función de unir el material activo del electrodo y el agente conductor entre sí en el colector de corriente. En algunas realizaciones, el material aglutinante se selecciona del grupo que consiste en caucho de estireno-butadieno (SBR), carboximetilcelulosa (CMC), fluoruro de polivinilideno (PVDF), copolímero de acrilonitrilo, ácido poliacrílico (PAA), poliacrilonitrilo, poli(fluoruro de vinilideno)-hexafluoropropeno (PVDF-HFP), látex, LA132, LA133, una sal de ácido algínico y combinaciones de los mismos. En ciertas realizaciones, la sal de ácido algínico comprende un catión seleccionado entre Na, Li, K, Ca, NH4, Mg, Al o una combinación de los mismos.
En algunas realizaciones, el material aglutinante es SBR, CMC, PAA, una sal de ácido algínico o una combinación de los mismos. En ciertas realizaciones, el material aglutinante es un copolímero de acrilonitrilo. En algunas realizaciones, el material aglutinante es poliacrilonitrilo. En ciertas realizaciones, el material aglutinante no contiene caucho de estireno-butadieno (SBR), carboximetilcelulosa (CMC), fluoruro de polivinilideno (PVDF), copolímero de acrilonitrilo, ácido poliacrílico (PAA), poliacrilonitrilo, poli(fluoruro de vinilideno)-hexafluoropropeno (PVDF-HFP), látex, LA132, LA133 o una sal de ácido algínico.
En ciertas realizaciones, la cantidad de cada uno del agente conductor y el material aglutinante en la capa de electrodo de cátodo o ánodo es independientemente al menos 1 %, al menos el 2 %, al menos el 3 %, al menos el 4 %, al menos el 5 %, al menos el 6 %, al menos el 7 %, al menos el 8 %, al menos el 9 %, al menos el 10 %, al menos el 15 %, al menos el 20 %, al menos el 25 %, al menos el 30 %, al menos el 35 %, al menos el 40 %, al menos el 45 % o al menos el 50 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo o ánodo. En ciertas realizaciones, la cantidad de cada uno del agente conductor y el material aglutinante en la capa de electrodo de cátodo o ánodo es independientemente como máximo 1 %, como máximo 2 %, como máximo 3 %, como máximo 4 %, como máximo 5 %, como máximo 6 %, como máximo 7 %, como máximo 8 %, como máximo 9 %, como máximo 10 %, como máximo 15 %, como máximo 20 %, como máximo 25 %, como máximo 30 %, como máximo 35 %, como máximo 40 %, como máximo 45 % o como máximo 50 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo o ánodo.
En algunas realizaciones, la cantidad del agente conductor en cada una de las capas de electrodos de cátodo y ánodo es independientemente de aproximadamente 0,05% a aproximadamente 0,5%, de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 1 %, de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 2,5 %, de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 10 %, de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 7,5 %, de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 5 %, de aproximadamente 2 % a aproximadamente 10 %, de aproximadamente 2 % a aproximadamente 7,5 %, de aproximadamente 2 % a aproximadamente 5 %, de aproximadamente 3 % a aproximadamente 7 %, de aproximadamente 4 % a aproximadamente 10 %, de aproximadamente 4 % a aproximadamente 8 %, de aproximadamente 4 % a aproximadamente 6 % o de aproximadamente 5 % a aproximadamente 10 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo o ánodo.
En ciertas realizaciones, la cantidad del material aglutinante en cada una de las capas de electrodos de cátodo y ánodo es independientemente de aproximadamente 1 % a aproximadamente 8 %, de aproximadamente 1 % a aproximadamente 6 %, de aproximadamente 1 % a aproximadamente 5 %, de aproximadamente 1 % a aproximadamente 3%, de aproximadamente 1,5% a aproximadamente 3%, de aproximadamente 2,5% a aproximadamente 5 %, de aproximadamente 2,5 % a aproximadamente 4,5 %, de aproximadamente 2,5 % a aproximadamente 4 %, de aproximadamente 3,7 % a aproximadamente 7,5 %, de aproximadamente 5 % a aproximadamente 10%, de aproximadamente 7,5% a aproximadamente 12,5%, de aproximadamente 10% a aproximadamente 20 % o de aproximadamente 17,5 % a aproximadamente 25 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo o ánodo.
El colector de corriente actúa para recoger los electrones generados por las reacciones electroquímicas del material activo del electrodo o para suministrar los electrones necesarios para las reacciones electroquímicas. En algunas realizaciones, cada uno de los colectores de corriente de los electrodos positivos y negativos, que puede tener la forma de una lámina, hoja o película, es independientemente de acero inoxidable, titanio, níquel, aluminio, cobre o resina conductora de electricidad. En ciertas realizaciones, el colector de corriente del electrodo positivo es una película delgada de aluminio. En algunas realizaciones, el colector de corriente del electrodo negativo es una película delgada de cobre. En ciertas realizaciones, la superficie del colector de corriente no está pretratada.
En algunas realizaciones, el colector de corriente tiene un grosor de aproximadamente 6 pm a aproximadamente 30 pm, ya que el grosor afectará al volumen ocupado por el colector de corriente dentro de una batería y la cantidad de material activo del electrodo y, por lo tanto, a la capacidad en la batería.
Una suspensión homogeneizada se puede aplicar sobre un colector de corriente para formar una película como revestimiento sobre el colector de corriente. El disolvente utilizado en la suspensión puede ser cualquier disolvente orgánico polar. Algunos ejemplos no limitantes del disolvente orgánico polar incluyen metilpropilcetona, metilisobutilcetona, etilpropilcetona, diisobutilcetona, acetofenona, N-metil-2-pirrolidona (NMP), acetona, tetrahidrofurano, dimetilformamida, acetonitrilo, dimetilsulfóxido y similares.
También se puede utilizar un disolvente acuoso para producir la suspensión. La transición a un proceso de base acuosa puede ser deseable para reducir las emisiones de compuestos orgánicos volátiles y aumentar la eficiencia del proceso. El cátodo de la presente invención se puede preparar con agua como disolvente. En ciertas realizaciones, el disolvente usado en la suspensión es una solución que contiene agua como componente principal y un disolvente volátil, tales como alcoholes, cetonas alifáticas inferiores, acetatos de alquilo inferior o similares, como componente minoritario además del agua. En algunas realizaciones, la cantidad de agua es al menos el 50 %, al menos el 55 %, al menos el 60 %, al menos el 65 %, al menos el 70 %, al menos el 75 %, al menos el 80 %, al menos el 85 %, al menos el 90 % o al menos el 95 % de la cantidad total de agua y disolventes que no sean agua. En ciertas realizaciones, la cantidad de agua es como máximo 55 %, como máximo 60 %, como máximo 65 %, como máximo 70 %, como máximo 75 %, como máximo 80 %, como máximo 85 %, como máximo 90 % o como máximo 95 % de la cantidad total de agua y disolventes que no sean agua. En algunas realizaciones, el disolvente consiste únicamente en agua, es decir, la proporción de agua en el disolvente del 100 % en volumen.
Se puede usar cualquier disolvente miscible con agua como componente minoritario. Algunos ejemplos no limitantes del componente menor (es decir, disolventes distintos del agua) incluyen alcoholes, cetonas alifáticas inferiores, acetatos de alquilo inferior y combinaciones de los mismos. Algunos ejemplos no limitantes del alcohol incluyen alcoholes C1-C4, tal como metanol, etanol, isopropanol, n-propanol, butanol y combinaciones de los mismos. Algunos ejemplos no limitantes de las cetonas alifáticas inferiores incluyen acetona, dimetilcetona y metiletilcetona. Algunos ejemplos no limitantes de los acetatos de alquilo inferior incluyen acetato de etilo, acetato de isopropilo y acetato de propilo.
Una de las ventajas de la presente invención es que la formulación de la suspensión del cátodo evita la aglomeración de partículas en agua sin el uso de tensioactivo y permite un secado rápido de la suspensión del cátodo cuando se recubre sobre un colector de corriente. Al cambiar de usar un disolvente tradicional, tal como NMP a agua, puede producirse la aglomeración de las partículas del componente de la suspensión del cátodo. La tensión superficial entre todos los componentes debe ser lo más baja posible para mejorar la compatibilidad. La aglomeración de partículas puede afectar al rendimiento electroquímico de la batería a altas y bajas temperaturas. Se han propuesto varios métodos para abordar este problema, por ejemplo, mediante la adición de un agente dispersante para reducir la tensión superficial de la suspensión del cátodo. En algunas realizaciones, la suspensión del cátodo no comprende un aditivo. En ciertas realizaciones, la suspensión del cátodo no comprende un tensioactivo, tal como un tensioactivo no iónico, un tensioactivo aniónico, un tensioactivo catiónico, un tensioactivo anfótero.
El uso de agua como disolvente para la suspensión del cátodo es más respetuoso con el medio ambiente que el uso de NMP como disolvente. En algunas realizaciones, el al menos un cátodo no contiene disolvente orgánico polar, en donde el disolvente orgánico polar se selecciona del grupo que consiste en metilpropilcetona, metilisobutilcetona, etilpropilcetona, diisobutilcetona, acetofenona, NMP, acetona, tetrahidrofurano, dimetilformamida, acetonitrilo, dimetilsulfóxido o una combinación de los mismos.
Después de secar el electrodo recubierto, el electrodo seco se puede prensar con rodillos de calandrado, una prensa con una matriz u otro aparato de procesamiento adecuado para comprimir los electrodos hasta un grosor deseado. La velocidad de transporte de los iones litio a través del grosor del electrodo limita la potencia. Cuando el grosor del electrodo es bajo, la distancia de difusión del ion litio se puede reducir para carga o descarga. En algunas realizaciones, el grosor de cada una de las capas de electrodos de cátodo y ánodo es, independientemente, de aproximadamente 1,0 pm a aproximadamente 40 pm o de aproximadamente 1,0 pm a aproximadamente 25 pm.
Se cree que la conductividad iónica efectiva en una capa de electrodo disminuye rápidamente al disminuir la fracción de volumen de poros, ya que los poros están llenos de electrolito conductor de iones. Por tanto, es importante que la fracción de volumen de material activo se pueda optimizar sin sacrificar la capacidad. En ciertas realizaciones, la densidad de cada una de las capas de los electrodos de cátodo y ánodo en el colector de corriente está independientemente de aproximadamente 1,0 g/cm3 a aproximadamente 6,5 g/cm3, de aproximadamente 1,0 g/cm3 a aproximadamente 5,0 g/cm3, de aproximadamente 1,0 g/cm3 a aproximadamente 4,0 g/cm3, de aproximadamente 1.0 g/cm3 a aproximadamente 3,5 g/cm3, de aproximadamente 1,0 g/cm3 a aproximadamente 3,0 g/cm3, de aproximadamente 1,0 g/cm3 a aproximadamente 2,0 g/cm3, de aproximadamente 2,0 g/cm3 a aproximadamente 5.0 g/cm3, de aproximadamente 2,0 g/cm3 a aproximadamente 4,0 g/cm3, de aproximadamente 3,0 g/cm3 aproximadamente 5,0 g/cm3 o de aproximadamente 3,0 g/cm3 a aproximadamente 6,0 g/cm3. En algunas realizaciones, la densidad de la capa de electrodo de cátodo sobre el colector de corriente es de aproximadamente 1.0 g/cm3 a aproximadamente 3,5 g/cm3. La capa de electrodo que tiene tal densidad introduce una porosidad deseada en el electrodo, promoviendo así el transporte de iones.
Una batería puede comprender un electrodo negativo, un electrodo positivo y un separador colocado entre el electrodo negativo y el electrodo positivo. El separador debe tener propiedades de aislamiento eléctrico y ser permeable a los iones de litio para asegurar el transporte de iones entre los electrodos positivo y negativo. En algunas realizaciones, el separador puede estar compuesto por fibras poliméricas tejidas o no tejidas, fibras naturales, fibras de carbono, fibras de vidrio o fibras de cerámica. En ciertas realizaciones, el separador está compuesto por fibras poliméricas tejidas o no tejidas.
En algunas realizaciones, las fibras del tejido o no tejido están hechas de poliolefina, polietileno, polietileno de alta densidad, polietileno lineal de baja densidad, polietileno de baja densidad, polietileno de peso molecular ultraalto, polipropileno, copolímero de polipropileno/polietileno, polibutileno, polipenteno, poliacetal, poliamida, policarbonato, poliimida, poliétertercetona, polisulfonas, óxido de polifenileno, polisulfuro de fenileno, poliacrilonitrilo, fluoruro de polivinilideno, polioximetileno, polivinilpirrolidona, poliéster, politereftalato de etileno, politereftalato de butileno, naftaleno de polietileno, naftalato de polibutileno o una combinación de los mismos.
En ciertas realizaciones, el separador tiene un punto de fusión de 100 °C o más, 120 °C o más, 140 °C o más, 160 °C o más, 180 °C o más, 200 °C o más o 250 °C o más. El separador que tiene un alto punto de fusión muestra una alta estabilidad térmica.
En algunas realizaciones, el separador tiene un grosor de aproximadamente 1,0 pm a aproximadamente 40 pm o de aproximadamente 1,0 pm a aproximadamente 25 pm. Los separadores más delgados permiten una mayor densidad de empaquetamiento en un paquete de baterías, ya que se puede almacenar una mayor cantidad de energía en el mismo volumen.
En ciertas realizaciones, el separador tiene un tamaño de poro promedio de aproximadamente 1 nm a aproximadamente 350 nm, de aproximadamente 1 nm a aproximadamente 100 nm, de aproximadamente 20 nm a aproximadamente 100 nm, de aproximadamente 40 nm a aproximadamente 350 nm, de aproximadamente 40 nm a aproximadamente 80 nm, de aproximadamente 50 nm a aproximadamente 80 nm, de aproximadamente 0,1 pm a aproximadamente 70 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 60 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 50 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 40 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 30 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 20 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 10 pm, de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 5 pm o de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 3 pm. Un separador que tiene un tamaño promedio de poro alto puede producir una batería con una buena permeabilidad a los iones.
La tela no tejida se puede producir mediante un proceso conocido públicamente. Algunos ejemplos no limitantes de proceso adecuado incluyen proceso seco, proceso de unión por hilado, proceso perforación con agua, proceso de hidroligado, proceso en húmedo, proceso de fusión-soplado y similares. En algunas realizaciones, el separador está formado por un proceso de estirado en seco, un proceso de tendido en húmedo, un proceso de tendido en seco o un proceso de electrohilado. En otras realizaciones, la película separadora es una película porosa de varias capas.
El separador puede estar en forma revestida o no revestida. En ciertas realizaciones, el separador está revestido y comprende un material base poroso y una capa porosa protectora revestida en una o ambas superficies del material base poroso, en donde la capa porosa protectora comprende un material aglutinante y una carga inorgánica. En algunas realizaciones, la carga inorgánica se selecciona del grupo que consiste en AhO3, SiO2, TO 2, ZrO2, BaOx, ZnO, CaCO3, TiN, AlN y combinaciones de los mismos, en donde x es 1 o 2. En ciertas realizaciones, el separador no está revestido y no comprende una capa porosa protectora.
Se añade un electrolito que comprende una sal de litio disuelta al conjunto de electrodos. El electrolito en contacto con los electrodos proporciona conductividad iónica a través del separador entre electrodos de polaridad opuesta. El conjunto de electrodos y el electrolito se sellan dentro de un recipiente adecuado.
En ciertas realizaciones, la celda de la batería de ion litio es una celda de batería de bolsa. Una batería de bolsa comprende una estructura de batería sellada dentro de una bolsa. Se conocen diversos recipientes en la técnica. En algunas realizaciones, el recipiente es una bolsa de papel de aluminio. La lámina de aluminio puede proporcionar la forma y la resistencia mecánica adecuadas al material de la bolsa. Generalmente, cada lado de la lámina de aluminio está cubierto con una o más capas de polímero. Cuando se utiliza una bolsa flexible como recipiente de una batería de litio, el grosor de la batería resultante se reduce sustancialmente en comparación con el uso de una lata como recipiente. Adicionalmente, se pueden contener más electrodos en el mismo volumen. Esto aumenta la capacidad de almacenamiento de energía de la batería. La batería se puede fabricar fácilmente en cualquier forma deseada debido a la naturaleza flexible del recipiente. Por lo tanto, las baterías de bolsa pueden proporcionar un diseño compacto de un paquete de baterías con alta salida de energía. En otras realizaciones, la celda de la batería de ion litio es una celda de batería cilíndrica.
Para lograr las capacidades de batería deseadas, las baterías pueden diseñarse para incluir de 10 a 100 placas de electrodos positivos. En algunas realizaciones, el número de placas de electrodos positivos en una batería de bolsa es de aproximadamente 15 a aproximadamente 80, de aproximadamente 15 a aproximadamente 60, de aproximadamente 20 a aproximadamente 70, de aproximadamente 20 a aproximadamente 50, de aproximadamente 25 a aproximadamente 60, de aproximadamente 25 a aproximadamente 50 o de aproximadamente 20 a aproximadamente 50. Los electrodos positivo y negativo se apilan en un patrón alterno.
En algunas realizaciones, la capacidad de cada celda de batería de ion litio en el módulo de batería es de aproximadamente 5 Ah a aproximadamente 30 Ah, de aproximadamente 5 Ah a aproximadamente 25 Ah, de aproximadamente 5 Ah a aproximadamente 20 Ah, de aproximadamente 5 Ah a aproximadamente 15 Ah, de aproximadamente 7,5 Ah a aproximadamente 20 Ah, de aproximadamente 7,5 Ah a aproximadamente 15 Ah, de aproximadamente 10 Ah a aproximadamente 15 Ah o de aproximadamente 9 Ah a aproximadamente 12 Ah. En ciertas realizaciones, cada celda de batería de ion litio tiene una capacidad no inferior a 5 Ah, no inferior a 8 Ah, no inferior a 10 Ah o no inferior a 15 Ah.
Dependiendo de la potencia del motor de combustión interna del vehículo, la corriente máxima requerida puede ser de cien amperios hasta aproximadamente 1000 A. Para realizar una propiedad de salida tan alta y una propiedad de alta corriente, es importante reducir la resistencia interna de una batería tanto como sea posible. Los colectores de corriente en la celda de la batería de ion litio están conectados eléctricamente a lengüetas conductoras que se extienden desde la bolsa. En algunas realizaciones, se puede utilizar un proceso de corte para eliminar la parte no deseada del colector de corriente dejando una pestaña del colector de corriente en la ubicación deseada. En otras realizaciones, se puede soldar una lámina de electrodo al electrodo para que sirva como lengüeta colectora de corriente. En ciertas realizaciones, las lengüetas conductoras se pueden unir a las partes no revestidas de los colectores de corriente positiva y negativa mediante soldadura. Algunos ejemplos no limitantes de métodos de soldadura adecuados incluyen soldadura ultrasónica, soldadura por láser y soldadura por puntos. En algunas realizaciones, la lengüeta conductora para el electrodo positivo puede estar formada por aluminio o una aleación de aluminio, mientras que la lengüeta conductora para el electrodo negativo puede estar formada por níquel o una aleación de níquel. Cuando la bolsa está sellada, las lengüetas conductoras se pueden utilizar para conectar la celda de la batería de ion litio a un circuito externo. Se prefiere tener lengüetas más anchas para reducir la resistencia y permitir un alto flujo de corriente.
En algunas realizaciones, cada una de las lengüetas conductoras para el cátodo y el ánodo independientemente tiene una anchura de aproximadamente 2 cm a aproximadamente 7 cm, de aproximadamente 2 cm a aproximadamente 6 cm, de aproximadamente 2 cm a aproximadamente 5 cm, de aproximadamente 2 cm a aproximadamente 4 cm, de aproximadamente 3 cm a aproximadamente 7 cm, de aproximadamente 3 cm a aproximadamente 6 cm o de aproximadamente 3 cm a aproximadamente 4,5 cm. En determinadas realizaciones, cada una de las lengüetas conductoras del cátodo y del ánodo independientemente tiene una anchura superior a 2 cm, superior a 2,5 cm, superior a 3 cm, superior a 3,5 cm o superior a 4 cm. En otras realizaciones, cada una de las lengüetas conductoras del cátodo y del ánodo independientemente tiene una anchura inferior a 7 cm, inferior a 6 cm, inferior a 5,5 cm, inferior a 5 cm o inferior a 4,5 cm.
Dado que los puntos de conexión entre las lengüetas conductoras y las partes sin revestimiento de los colectores de corriente positiva y negativa en la batería de la bolsa son numerosos, se reduce la impedancia al flujo de corriente a través de las lengüetas. Algunos diseños de batería cilíndrica tienen solo una pestaña colectora de corriente para cada cátodo y ánodo. Tener lengüetas de colectores más actuales puede reducir la impedancia de la celda y mejorar el rendimiento general de la celda. Debido a esta razón, el rollo de gelatina tiene, preferentemente, una lengüeta colectora de corriente por devanado para reducir la impedancia. Sin embargo, la alineación de las lengüetas del colector de corriente en el rollo de gelatina enrollada ha demostrado ser una tarea difícil, ya que el propio rollo debe bobinarse con precisión para que las pestañas del colector de corriente se alineen. Por tanto, el proceso de fabricación de una batería cilíndrica que tiene múltiples lengüetas colectoras de corriente es caro y complicado.
El agua es uno de los factores clave que debe ser estrictamente controlado en el proceso de producción de baterías de ion litio. Una batería con un alto contenido de agua conduce a una importante atenuación del rendimiento electroquímico y afecta a la estabilidad de la batería.
El contenido de agua en el conjunto de electrodos secos y la celda de la batería de ion litio debe controlarse estrictamente. Si hay demasiada agua en la batería, la velocidad de disolución de Mn aumenta debido a la formación de HF en la solución de electrolitos. El conjunto de electrodos de la presente invención tiene un contenido de agua particularmente bajo, contribuyendo al rendimiento fiable de las baterías de ion litio. En algunas realizaciones, el contenido de agua en el conjunto de electrodos seco es de aproximadamente 5 ppm a aproximadamente 50 ppm, de aproximadamente 5 ppm a aproximadamente 40 ppm, de aproximadamente 5 ppm a aproximadamente 30 ppm, de aproximadamente 5 ppm a aproximadamente 20 ppm, de aproximadamente 5 ppm a aproximadamente 10 ppm, de aproximadamente 3 ppm a aproximadamente 30 ppm, de aproximadamente 3 ppm a aproximadamente 20 ppm o de aproximadamente 3 ppm a aproximadamente 10 ppm en peso, en función del peso total del conjunto de electrodos seco.
En ciertas realizaciones, el contenido de agua en el conjunto de electrodos seco es inferior a 50 ppm, inferior a 40 ppm, inferior a 30 ppm, inferior a 20 ppm, inferior a 19 ppm, inferior a 18 ppm, inferior a 17 ppm, inferior a 16 ppm, inferior a 15 ppm, inferior a 14 ppm, inferior a 13 ppm, inferior a 12 ppm, inferior a 11 ppm, inferior a 10 ppm, inferior a 9 ppm, inferior a 8 ppm, inferior a 7 ppm, inferior a 6 ppm o inferior a 5 ppm en peso, en función del peso total del conjunto de electrodos seco. En algunas realizaciones, el conjunto de electrodos seco desvelado en el presente documento tiene una concentración de agua en ello no mayor que aproximadamente 20 ppm en peso, en función del peso total del conjunto de electrodos seco.
Un conjunto de electrodos se seca antes de llenar el electrolito. En ciertas realizaciones, el conjunto de electrodos se puede secar al vacío a una temperatura de aproximadamente 70 °C a aproximadamente 155 °C. En algunas realizaciones, el conjunto de electrodos puede secarse al vacío a una temperatura de aproximadamente 80 °C o más, aproximadamente 90 °C o más, aproximadamente 100 °C o más, aproximadamente 110 °C o más, aproximadamente 120 °C o más o aproximadamente 130 °C o más.
En algunas realizaciones, el conjunto de electrodos se seca a presión atmosférica. En ciertas realizaciones, el secado se realiza en un estado de vacío. En algunas realizaciones, el estado de vacío se mantiene a una presión dentro del intervalo de aproximadamente 1 x10-4Pa a aproximadamente 5 x 104 Pa, de aproximadamente 1 x 10-4Pa a aproximadamente 2,5 x 104 Pa, de aproximadamente 1 x 10-4 Pa a aproximadamente 1 x 104 Pa, de aproximadamente 1 x 10-4 Pa a aproximadamente 5 x 103 Pa, de aproximadamente 1 x 10-4 Pa a aproximadamente 1 x 103 Pa, de aproximadamente 1 x 103 Pa a aproximadamente 5 x 104 Pa, de aproximadamente 1 x 103 Pa a aproximadamente 1 x 104 Pa o de aproximadamente 1 x 103Pa a aproximadamente 5 x103 Pa.
Después de un período de tiempo de secado predeterminado, la cámara de secado se ventila directamente a un depósito de gas que contiene aire seco o gas inerte a través de una válvula de admisión de gas. El llenado de gas puede mejorar la eliminación de vapor de agua de la cámara de secado, aumentando así la eficiencia de eliminación de agua del conjunto de electrodos y acortando el ciclo de secado. En algunas realizaciones, el depósito de gas es un cilindro de gas nitrógeno. En ciertas realizaciones, el gas inerte se selecciona entre el grupo que consiste en helio, argón, neón, criptón, xenón, nitrógeno, dióxido de carbono y combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, el contenido de agua del aire seco o del gas inerte se mantiene a un nivel menor o igual a 10 ppm, o menor o igual a 5 ppm.
En algunas realizaciones, el aire seco o el gas inerte se precalienta antes de entrar en la cámara de secado. En ciertas realizaciones, la temperatura del aire seco o gas inerte es de aproximadamente 70 °C a aproximadamente 130 °C, de aproximadamente 70 °C a aproximadamente 110 °C, de aproximadamente 70 °C a aproximadamente 100 °C, de aproximadamente 70 °C a aproximadamente 90 °C, de aproximadamente 70 °C a aproximadamente 80 °C o de aproximadamente 80 °C a aproximadamente 155 °C.
En ciertas realizaciones, el aire seco o el gas inerte permanece en la cámara de secado durante un período de tiempo de aproximadamente 30 segundos a aproximadamente 2 horas, de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 1 hora, de aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 30 minutos, de aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 15 minutos o de aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 10 minutos.
Las baterías de ion litio deben poder funcionar en un amplio intervalo de temperatura. La discapacidad de las baterías de ion litio en operaciones a baja temperatura puede deberse a las limitadas propiedades de transporte iónico del electrolito y la lenta desolvatación de Li+. En algunas realizaciones, el electrolito es un disolvente orgánico no acuoso seleccionado de un disolvente a base de carbonato, a base de éster, a base de éter u otro disolvente aprótico. Una razón para el funcionamiento exitoso en un amplio intervalo de temperatura radica en las propiedades básicas del disolvente, tal como alta conductividad iónica, viscosidad baja, punto de congelación bajo y punto de ebullición alto.
Algunos ejemplos no limitantes del disolvente a base de carbonato incluyen carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dipropilo (DPC), carbonato de metilpropilo (MPC), carbonato de etilpropilo (EPC), etilmetilcarbonato (EMC), carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de butileno (BC), carbonato de metilpropilo (MC) y combinaciones de los mismos. Algunos ejemplos no limitantes del disolvente a base de éster incluyen acetato de metilo, propanoato de metilo, acetato de etilo, acetato de n-propilo, dimetilacetato, propionato de metilo, propionato de etilo y combinaciones de los mismos. Algunos ejemplos no limitantes del disolvente basado en éter incluyen éter de dibutilo, tetraglima, diglima, dimetoxietano, 2-metiltetrahidrofurano, tetrahidrofurano y combinaciones de los mismos. Algunos ejemplos no limitantes del otro disolvente aprótico incluyen bromuro de metilo, bromuro de etilo, formiato de metilo, acetonitrilo, dimetilsulfóxido, dimetilformamida, N-metil-2-pirrolidona y combinaciones de los mismos. El disolvente orgánico no acuoso se puede utilizar individualmente o en una mezcla. Cuando el disolvente orgánico se usa en una mezcla, su relación de mezcla se puede controlar de acuerdo con el rendimiento deseable de una batería.
De acuerdo con la presente invención, la composición de electrolito comprende un electrolito y una sal de litio disuelta en el mismo. La sal de litio se disuelve en el disolvente orgánico no acuoso y suministra iones litio en una batería de litio recargable. El electrolito puede comprender al menos una sal de litio seleccionada del grupo que consiste en LiPF6, LiBF4, LiSbFa, LiAsFa, LiClO4, LiCl, LiI, LiB(C2O4)2, USO3CF3, LiN(SO2CF3)2, LiN(SO2CF2CF3)2, UC4F9SO3, o combinaciones de los mismos. La sal de litio se puede usar en una concentración de aproximadamente 0,1 M a aproximadamente 2,0 M. La composición del electrolito puede manejar condiciones de temperatura más severas, por ejemplo, -30 °C, debido a la depresión del punto de congelación causada por la sal de litio en el electrolito.
De acuerdo con la presente invención, la composición de electrolitos comprende además uno o más de los siguientes aditivos: carbonato de vinileno, dietilestilbestrol, butanosultona y sulfuro de dimetilo. . En algunas realizaciones, la cantidad total de los aditivos es de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 10 %, de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 8 %, de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 6 %, de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 5 %, de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 4 %, de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 3 %, de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 2 %, de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 1 %, de aproximadamente 0,5% a aproximadamente 5 %, de aproximadamente 0,5% a aproximadamente 3 %, de aproximadamente 1% a aproximadamente 5% o de aproximadamente 1 % a aproximadamente 3 % en peso, en función del peso total del electrolito. En ciertas realizaciones, la cantidad total de los aditivos es inferior al 5 %, inferior al 4 %, inferior al 3 %, inferior al 2 % o inferior al 1 % en peso, en función del peso total del electrolito. En algunas realizaciones, la cantidad total de aditivos es superior al 0,5 %, superior al 1 %, superior al 2 %, superior al 3 % en peso o superior al 4 % en peso, en función del peso total del electrolito. El uno o más aditivos se pueden usar para proteger la superficie de un electrodo en condiciones de operación de alta corriente formando capas de protección en la superficie del electrodo para aumentar la estabilidad del material catódico LMO y suprimir así la disolución del ion Mn en el electrolito.
El módulo de batería comprende una pluralidad de celdas de batería de ion litio conectadas eléctricamente entre sí. La conexión de las celdas de la batería de ion litio no está particularmente restringida siempre que las celdas de la batería de ion litio estén conectadas para tener una estructura que sea capaz de proporcionar un alto rendimiento, una gran capacidad y una tensión alta. Las celdas de la batería de ion litio se pueden conectar en paralelo, en serie o en paralelo y en serie entre sí dependiendo de los requisitos de tensión y capacidad de almacenamiento. En algunas realizaciones, las celdas de la batería de ion litio están conectadas en una configuración en serie. En otras realizaciones, las celdas de la batería de ion litio están conectadas en una configuración en paralelo. En otras realizaciones más, las celdas de la batería de ion litio están conectadas en una configuración en serie-paralelo.
Una carga puede requerir tanto tensión como corriente más que la de una celda de batería de ion litio individual. Para lograr la tensión y la corriente de carga requeridos, el número deseado de celdas de batería de ion litio se puede combinar en una configuración en serie en paralelo. El número de celdas de la batería de ion litio no está particularmente restringido. Por ejemplo, el número de celdas de batería de ion litio puede ser de 2 a 20.
El número de celdas que están conectadas en serie está determinado por el requisito de tensión de las cargas. En algunas realizaciones, el módulo de batería comprende 3-40 celdas de batería de ion litio conectadas en serie entre sí. En ciertas realizaciones, el número de celdas conectadas en serie es 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21,22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31,32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 o más. En ciertas realizaciones, la tensión del circuito abierto del módulo de batería en estado de carga completa es de aproximadamente 12 V, aproximadamente 24 V, aproximadamente 36 V, aproximadamente 48 V, aproximadamente 60 V, aproximadamente 72 V, aproximadamente 80 V o aproximadamente 96 V.
El número de celdas que están conectadas en paralelo está determinado por la tasa de descarga continua y por el total de amperios-hora requeridos para un período continuo de operación dado. En algunas realizaciones, el módulo de batería comprende 2-10 celdas de batería de ion litio conectadas en paralelo entre sí. En ciertas realizaciones, el número de celdas conectadas en paralelo es 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 o más.
Un dispositivo regulador de tensión está acoplado a cada celda de batería de ion litio para regular la tensión de carga y/o descarga de cada celda de batería de ion litio en un nivel de tensión predefinido. En ciertas realizaciones, el dispositivo regulador de tensión también está encerrado en la carcasa exterior. En algunas realizaciones, la pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas tiene una tensión de funcionamiento nominal de aproximadamente 12 V, aproximadamente 24 V, aproximadamente 36 V, aproximadamente 48 V, aproximadamente 60 V, aproximadamente 72 V, aproximadamente 80 V o aproximadamente 96 V.
La corriente de funcionamiento del dispositivo regulador de tensión varía de 200 A a 600 A. En algunas realizaciones, la corriente de funcionamiento del dispositivo regulador de tensión es superior a 200 A, superior a 300 A, superior a 400 A, superior a 500 A, superior a 600 A o superior a 1000 A.
En algunas realizaciones, la pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas comprende un módulo de seguridad que comprende un sensor de temperatura conectado a cada celda de batería de ion litio. El módulo de seguridad monitoriza la temperatura de cada celda de la batería de ion litio. Cuando la temperatura monitorizada de una celda de batería de ion litio alcanza un umbral de temperatura, digamos 80 °C, el circuito de protección de la batería evitará el flujo de corriente hacia o desde la batería, con el objetivo de evitar que el módulo de la batería se sobrecaliente.
La pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas comprende un terminal eléctrico negativo que comprende una primera parte en contacto eléctrico con al menos un ánodo de la pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas y una segunda parte que se extiende más allá de la periferia de la carcasa exterior y un terminal eléctrico positivo que comprende una primera parte en contacto eléctrico con al menos un cátodo de la pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas y una segunda parte que se extiende más allá de la periferia de la carcasa exterior. Sería ventajoso que los terminales eléctricos negativos y positivos pudieran soportar cargas de alta corriente y garantizar contactos fiables entre los terminales del módulo de batería y un circuito externo. Es decir, para obtener un terminal que pueda soportar alta corriente, se prefieren materiales con baja resistividad y alta conductividad. Los materiales adecuados para este propósito incluyen cobre, latón, aluminio, acero inoxidable, aleaciones de los mismos u otros materiales de baja resistencia altamente conductores.
Generalmente, el terminal eléctrico es de forma cilíndrica y tiene una parte superior plana. La pared cilíndrica del terminal tiene suficiente circunferencia y profundidad para contener una abrazadera de batería. En algunas realizaciones, los terminales tienen rosca para fijación de interconexión. En ciertas realizaciones, el terminal eléctrico tiene un área de sección transversal superior o igual a 1 cm2, superior o igual a 2 cm2, superior o igual a 3 cm2, superior o igual a 4 cm2, superior o igual a 5 cm2, superior o igual a 6 cm2 o superior o igual a 7,5 cm2, o superior o igual a 9 cm2. En otras realizaciones, el terminal eléctrico tiene una sección transversal poligonal que tiene cuatro o más lados, por ejemplo una forma rectangular, pentagonal, hexagonal u octogonal.
Hasta ahora, ha habido esfuerzos limitados para mejorar el funcionamiento a baja temperatura de las baterías de ion litio. El módulo de batería desvelado en el presente documento tiene buenas características de descarga a baja temperatura y temperatura ambiente. En ciertas realizaciones, el módulo de la batería es capaz de descargarse continuamente a una velocidad superior a 5 C, superior a 7,5 C, superior a 10 C, superior a 12,5 C, superior a 15 C, superior a 20 C, superior a 30 C, superior a 40 C o superior a 50 C a 25 °C.
En algunas realizaciones, el módulo de batería tiene una tasa de descarga máxima superior o igual a 10 C, superior o igual a 15 C, superior o igual a 30 C, superior o igual a 45 C o superior o igual a 50 C durante un período de descarga de impulsos de aproximadamente 5 segundos a 25 °C.
Al arrancar el motor a bajas temperaturas, el motor de arranque consume grandes cantidades de corriente del módulo de batería. El módulo de batería desvelado en el presente documento es capaz de descargarse a alta velocidad a bajas temperaturas. En ciertas realizaciones, el módulo de la batería es capaz de descargarse continuamente a una velocidad superior a 2 C, superior a 4 C, superior a 6 C, superior a 8 C, superior a 10 C, superior a 15 C o superior a 20 C a -20 °C. En algunas realizaciones, el módulo de la batería es capaz de descargarse continuamente a una velocidad superior a 1 C, superior a 2 C o superior a 3 C a -30 °C.
En otras realizaciones, el módulo de batería tiene una tasa de descarga máxima superior a 4 C, superior a 6 C, superior a 8 C, superior a 10 C, superior a 15 C o superior a 20 C para un período de descarga de impulsos de aproximadamente 5 segundos a -20 °C. En otras realizaciones más, el módulo de batería tiene una tasa de descarga máxima superior a 1 C, superior a 3 C, superior a 5 C, superior a 7 C, superior a 10 C, superior a 15 C o superior a 20 C para un período de descarga de impulsos de aproximadamente 5 segundos a -30 °C.
En algunas realizaciones, el módulo de batería tiene una velocidad de carga máxima superior a 2 C, superior a 3 C, superior a 4 C, superior a 5 C, superior a 10 C, superior a 15 C o superior a 20 C a 25 °C. En determinadas realizaciones, el módulo de batería tiene una velocidad de carga máxima superior a 1 C, superior a 2 C, superior a 3 C, superior a 4 C, superior a 5 C, superior a 10 C, superior a 15 C o superior a 20 C a -20 °C. En algunas realizaciones, el módulo de batería tiene una velocidad de carga máxima superior a 0,25 C, superior a 0,5 C, superior a 1 C o superior a 2 C a -30 °C.
En ciertas realizaciones, cada celda de batería de ion litio tiene una capacidad no inferior a 5 Ah, no inferior a 8 Ah, no inferior a 10 Ah, no inferior a 15 Ah o no inferior a 20 Ah.
La presente invención está diseñada para aplicaciones de carga/descarga de ciclo largo y baja temperatura y está dirigida a un sistema de arranque para un motor de combustión interna de equipo eléctrico exterior, tal como, pero sin limitación, un tractor de hierba, quitanieves u otro tipo de equipo similar.
La retención de capacidad de un módulo de batería varía con el tiempo de almacenamiento y la temperatura de almacenamiento y disminuirá rápidamente después de un largo período de inactividad. La capacidad de retención del módulo de batería desvelado en el presente documento permanece relativamente constante durante un largo período de tiempo. En algunas realizaciones, la retención de capacidad del módulo de batería no es inferior al 80 %, no inferior al 85 % o no inferior al 90 % de su capacidad inicial después del almacenamiento durante 7 meses a temperatura ambiente.
Si una batería se almacena a altas temperaturas, se acelerará la autodescarga. El módulo de batería desvelada en el presente documento muestra una buena retención de capacidad que mantiene más del 50 % de la capacidad inicial después de 1 semana de almacenamiento a temperatura elevada. En algunas realizaciones, la retención de capacidad del módulo de batería no es inferior al 50 %, no inferior al 60 % o no inferior al 70 % de su capacidad inicial después del almacenamiento durante 7 días a 55 °C.
Arrancar un motor de combustión interna generalmente requiere una alta corriente y, por lo tanto, una gran potencia. En ciertas realizaciones, el módulo de batería desvelado en el presente documento tiene una densidad de potencia volumétrica mayor o igual a 250 W/l, superior o igual a 350 W/l, superior o igual a 480 W/l o superior o igual a 950 W/l a 25 °C.
En otro aspecto, en el presente documento se proporciona un módulo de batería que comprende: una carcasa exterior; una pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas encerradas en la carcasa exterior; y un dispositivo regulador de tensión acoplado a cada celda de la batería de ion litio para regular la tensión de carga y/o descarga de cada celda de la batería de ion litio, en donde la retención de capacidad del módulo de batería no es inferior al 50 %, no inferior al 60 % o no inferior al 70 % de su capacidad inicial después del almacenamiento durante 7 días a 55 °C.
En ciertas realizaciones, cada celda de batería de ion litio tiene una capacidad no inferior a 5 Ah, no inferior a 8 Ah, no inferior a 10 Ah o no inferior a 15 Ah.
En algunas realizaciones, la retención de capacidad del módulo de batería no es inferior al 80 %, no inferior al 85 % o no inferior al 90 % de su capacidad inicial después del almacenamiento durante 7 meses a temperatura ambiente.
En el presente documento se proporciona un módulo de batería que comprende: una carcasa exterior; una pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas encerradas en la carcasa exterior; y un dispositivo regulador de tensión acoplado a cada celda de la batería de ion litio para regular la tensión de carga y/o descarga de cada celda de la batería de ion litio, en donde el módulo de batería tiene una tasa de descarga máxima superior o igual a 10 C, superior o igual a 15 C, superior o igual a 20 C, superior o igual a 30 C, superior o igual a 40 C o superior o igual a 50 C durante un período de descarga de impulsos de aproximadamente 5 segundos a 25 °C.
El módulo de batería desvelado en el presente documento se puede utilizar en aplicaciones de arranque y parada en vehículos híbridos, en donde los motores de combustión interna apagados al ralentí pueden reiniciarse. El módulo de batería desvelado en el presente documento también proporciona alguna fuente de alimentación para la aceleración. Además, cuando es necesario reducir la velocidad o detener el vehículo, el frenado regenerativo se utiliza para cargar el módulo de la batería, conservando así el combustible. En algunas realizaciones, el módulo de batería para su uso en aplicaciones de arranque tiene una tensión de funcionamiento de aproximadamente 12 V a aproximadamente 96 V o de aproximadamente 12 V a aproximadamente 48 V. En ciertas realizaciones, el módulo de batería para aplicaciones de arranque y parada tiene una tensión de funcionamiento de aproximadamente 12 V, aproximadamente 24 V, aproximadamente 36 V, aproximadamente 48 V, aproximadamente 60 V, aproximadamente 72 V, aproximadamente 84 V o aproximadamente 96 V.
Los siguientes ejemplos se presentan para ejemplificar realizaciones de la invención, pero no pretenden limitar la invención a las realizaciones específicas expuestas. A menos que se indique lo contrario, todas las partes y porcentajes son en peso. Todos los valores numéricos son aproximados. Cuando se dan intervalos numéricos, debe entenderse que las realizaciones que están fuera de los intervalos establecidos todavía pueden estar dentro del alcance de la invención. Los detalles específicos descritos en cada ejemplo no deben interpretarse como características necesarias de la invención.
Ejemplos
Ejemplo de referencia 1 (no de acuerdo con la invención)
A) Preparación del electrodo positivo
Se preparó una suspensión de electrodos positivos mezclando 92 % en peso de material catódico LMO (LiMn2O4, obtenido en HuaGuan HengYuan LiTech Co. Ltd., Qingdao, China) con un tamaño de partícula D50 de 13 pm, 4 % en peso de negro de humo (SuperP; obtenido en Timcal Ltd, Bodio, Suiza) como agente conductor, y 4 % en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF; Solef® 5130, obtenido en Solvay S.A., Bélgica) como aglutinante, que se dispersaron en N-metil-2-pirrolidona (NMP; pureza de > 99%, Sigma-Aldrich, EE.UU.) para formar una suspensión con un contenido sólido del 50 % en peso. La suspensión se homogeneizó con una mezcladora de agitación planetaria.
La suspensión homogeneizada se revistió sobre ambos lados de una lámina de aluminio que tenía un grosor de 20 pm usando un recubridor de transferencia con una densidad de área de aproximadamente 40 mg/cm2 Las películas recubiertas sobre el papel de aluminio se secaron durante 6 minutos mediante un horno de secado por aire caliente con transportador de 24 metros de largo, como un submódulo del recubridor de transferencia, que funcionaba a una velocidad del transportador de aproximadamente 4 metros/minuto para obtener un electrodo positivo. El horno programado con temperatura permitió un gradiente de temperatura controlable en el que la temperatura subió gradualmente desde la temperatura de entrada de 65 °C hasta la temperatura de salida de 80 °C. Luego, se comprimió el electrodo para aumentar la densidad del recubrimiento y la densidad fue de 2,98 g/cm3
B) Preparación del electrodo negativo
Se preparó una suspensión de electrodo negativo mezclando 90 % en peso de carbono duro (HC; pureza de 99,5 %, obtenido en Ruifute Technology Ltd., Shenzhen, Guangdong, China) con 1,5% en peso de carboximetilcelulosa (CMC, BSH-12, DKS Co. Ltd., Japón) y 3,5 % en peso de SBR (AL-2001, NIPPON A&L INC., Japón) como aglutinante, y 5 % en peso de negro de humo como agente conductor, que se dispersaron en agua desionizada para formar otra suspensión con un contenido sólido del 50 % en peso. La suspensión se revistió por ambos lados de una lámina de cobre que tenía un grosor de 9 pm utilizando una máquina de recubrimiento de transferencia con una densidad de área de aproximadamente 15 mg/cm2. Las películas revestidas sobre la lámina de cobre se secaron a aproximadamente 50 °C durante 2,4 minutos mediante una secadora de aire caliente con transportador de 24 metros de largo, que funcionaba a una velocidad del transportador de aproximadamente 10 metros/minuto para obtener un electrodo negativo. Luego se comprimió el electrodo para aumentar la densidad del recubrimiento y la densidad era de 1,8 g/cm3.
C) Ensamblaje del conjunto de electrodos
La película de cátodo y la película de ánodo resultantes se usaron para preparar el cátodo y el ánodo, respectivamente, cortando en placas de electrodo individuales. Una lengüeta conductora de aluminio de 3 cm de anchura, una longitud de 2 cm y un grosor de 0,5 mm se soldaron ultrasónicamente a la parte no recubierta del electrodo positivo. De manera similar, una lengüeta conductora hecha de níquel que tiene el mismo tamaño que la lengüeta conductora para el electrodo positivo se soldó ultrasónicamente a la parte no revestida del electrodo negativo. Las placas de electrodos positivos y negativos anteriores se apilaron alternativamente mediante separadores. Las placas de electrodo positivo (20 hojas), las placas de electrodo negativo (21 hojas) y la hoja separadora continua se apilaron para construir un conjunto de electrodo. El separador era una membrana microporosa de PET con un recubrimiento cerámico hecho de tela no tejida (SEPARION, Evonik Industries, Alemania), que tenía un grosor de aproximadamente 35 pm. El conjunto de electrodos se secó en un horno de vacío en el interior de una caja de guantes a una presión de 10x103 Pa a 102 °C durante 3 horas. La cámara de secado se llenó luego con nitrógeno seco caliente con un contenido de agua de 5 ppm y una temperatura de 85 °C. El nitrógeno seco caliente se retuvo en la cámara de secado durante 5 minutos antes de evacuar la cámara de secado. Este ciclo se repitió 10 veces.
D) Ensamblaje de la batería de tipo bolsa
Se montaron celdas de tipo bolsa apilando el conjunto de electrodos seco en una cajita hecha de una película laminada de aluminio y plástico. Luego se introdujo un electrolito en la cajita que contenía los electrodos empaquetados en una atmósfera de argón de alta pureza con un contenido de humedad y oxígeno < 1 ppm. El electrolito se preparó añadiendo LiPF6 en una mezcla de disolventes de carbonato de etileno (EC), carbonato de etilmetilo (EMC) y carbonato de dimetilo (DMC) en una relación de volumen de 1:1:1 y añadiendo carbonato de vinileno (VC) como aditivo, en donde la concentración de LiPF6 fue 1,0 M. La cantidad añadida de carbonato de vinileno fue 1,5 % en peso, en función del peso total del electrolito. Después del llenado de los electrolitos, las celdas de tipo bolsa se sellaron al vacío y luego se comprimieron mecánicamente usando un punzón con forma cuadrada convencional.
E) Montaje del módulo de batería
Un módulo de batería estaba compuesto por 6 celdas de bolsa y las celdas se conectaron en configuración en serie/paralelo como se muestra en la figura 1. Tres grupos (1) de dos celdas conectadas en paralelo (2) se conectaron en serie entre un terminal de salida de tensión positiva y un terminal de salida de tensión negativa. Las celdas de la batería de ion litio interconectadas estaban encerradas en una carcasa de plástico, en donde la carcasa tenía un terminal negativo y uno positivo que sobresalían de dicha carcasa y estaban expuestas al entorno externo. El área de la sección transversal de cada terminal fue de aproximadamente 1,7 cm2. La tensión nominal del módulo de batería era de 12 V.
F) Medidas del contenido de agua del conjunto de electrodos
El contenido de agua en el conjunto de electrodos se midió mediante valoración de Karl-Fisher. El conjunto de electrodos se cortó en pequeñas piezas de 1 cm x 1 cm en una caja de guantes llena de gas argón. El conjunto de electrodos cortado que tenía un tamaño de 1 cm x 1 cm se pesó en un vial de muestra. El conjunto de electrodos pesado fue entonces añadido en un recipiente de valoración para la valoración de Karl Fischer usando un analizador de humedad por culombimetría de Karl Fischer (831 KF Coulometer, Metrohm, Suiza). La medición se repitió tres veces para encontrar el valor promedio. El contenido de agua en el conjunto de electrodos se muestra en la Tabla 4.
Ejemplo de referencia 2 (no de acuerdo con la invención)
Medidas electroquímicas
I) Capacidad nominal
Las celdas de batería de ion litio preparadas en el ejemplo 1 se ensayaron galvanostáticamente a una densidad de corriente de C/2 a 25 °C en un equipo de ensayo de baterías (BTS-5V20A, obtenido en Neware Electronics Co. Ltd., China) entre 3,0 V y 4,2 V. La capacidad nominal promedio era de aproximadamente 9,6 Ah.
El módulo de batería preparado en el Ejemplo 1 se probó a una densidad de corriente de C/2 a 25 °C en un probador de batería (CT-4001-15V300A-NA, obtenido en Neware Electronics Co. Ltd., China) entre 9,0 V y 12,6 V. La capacidad nominal era de aproximadamente 19,8 Ah.
II) Capacidad de carga a temperatura ambiente
El módulo de batería se cargó por completo primero a 12,6 V y luego se descargó a 9,0 V a C/2 a 25 °C. El módulo de batería completamente descargado se cargó a 12,6 V a una densidad de corriente predeterminada y su capacidad de descarga se midió usando un probador de batería a C/2 a 25 °C. Este procedimiento se repitió cargando el módulo de batería completamente descargado con varias densidades de corriente de carga hasta que se identificó la tasa de carga máxima. La tasa de carga máxima obtenida fue de aproximadamente 3,8 C.
III) Capacidad de descarga a temperatura ambiente
La determinación de las capacidades de descarga del módulo de batería se llevó a cabo comparando las curvas de descarga obtenidas al descargar el módulo de batería a diferentes densidades de corriente. El módulo de batería se descargó por completo primero y luego se cargó a 12,6 V a C/2 a 25 °C. El módulo de batería completamente cargado se descargó a 9,0 V a una densidad de corriente predeterminada a 25 °C y su capacidad de descarga se midió utilizando un probador de batería. Este procedimiento se repitió descargando el módulo de batería completamente cargado con varias densidades de corriente de descarga hasta que se identificaron la tasa de descarga continua y la tasa máxima de descarga de impulsos.
La tasa de descarga continua del módulo de batería fue de 11,5 C. La tasa de descarga máxima del módulo de batería para un período de descarga por impulsos de aproximadamente 5 segundos fue de aproximadamente 35 C. El volumen del módulo de batería fue de aproximadamente 3,5 l y la densidad de potencia volumétrica correspondiente fue de aproximadamente 780 W/l.
IV) Capacidad de descarga a baja temperatura
El módulo de batería se cargó completamente a C/2 a 25 °C. Luego, el módulo de la batería se colocó en una cámara de temperatura (T-HWS-150U, Tianyi Instrument and Equipment Co. Ltd., Dongguan, China) y se mantuvo a -30 °C durante 24 horas. La tasa de descarga máxima del módulo de batería se midió descargando el módulo a diferentes densidades de corriente a 9,0 V a -30 °C durante un período de descarga de pulsos de aproximadamente 5 segundos utilizando un probador de batería (CT-4001-15V300A-NA, obtenido de Neware Electronics Co. Ltd, China). La tasa de descarga máxima obtenida fue de 7 C (~ 138 A).
V) La capacidad se desvanece después de almacenarse a alta temperatura y temperatura ambiente
El módulo de batería se cargó completamente a C/2 a 25 °C. Luego, el módulo de la batería se colocó en una cámara de temperatura (T-HWS-150U, Tianyi Instrument and Equipment Co. Ltd., Dongguan, China) y se mantuvo a 55 °C durante 7 días. Se mantuvo una humedad relativa del 40 % en la cámara. Luego, el módulo de batería se enfrió a aproximadamente 25 °C y se descargó a 9,0 V a C/2. La capacidad era de aproximadamente 16 Ah y la capacidad de retención era de aproximadamente el 81 % de su capacidad inicial después de 7 días de almacenamiento a 55 °C.
El módulo de batería se cargó completamente a C/2 a 25 °C. Luego, el módulo de batería se colocó en una cámara de temperatura y se mantuvo a 25 °C durante 7 meses. Se mantuvo una humedad relativa del 40 % en la cámara. Luego, el módulo de batería se descargó a 9,0 V en C/2. La capacidad era de aproximadamente 17,4 Ah y la capacidad de retención era de aproximadamente el 88 % de su capacidad inicial después de 7 meses de almacenamiento a 25 °C.
Ejemplo de referencia 3 (no de acuerdo con la invención)
A) Preparación del electrodo positivo
Se preparó una suspensión de electrodos positivos mezclando 65 % en peso de LiMn2O4 (LMO) (obtenido en HengYuan LiTech Co. Ltd., Qingdao, China) con un tamaño de partícula D50 de 17 pm y 25% en peso de LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 (NMC333) (TLM 310, obtenido de Xinxiang Tianli Energy Co. Ltd., China) con un tamaño de partícula D50 de 17 pm como material catódico, 5,5 % en peso de negro de humo (SuperP; obtenido en Timcal Ltd, Bodio, Suiza) como agente conductor, y 1,5% en peso de ácido poliacrílico (PAA, n.° 181285, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.) y 3 % en peso de poliacrilonitrilo (LA 132, Chengdu Indigo Power Sources Co., Ltd., China) como aglutinante, que se dispersaron en agua desionizada para formar una suspensión con un contenido sólido del 50 % en peso. La suspensión se homogeneizó con una mezcladora de agitación planetaria.
La suspensión homogeneizada se revistió sobre ambos lados de una lámina de aluminio que tenía un grosor de 20 pm usando un recubridor de transferencia con una densidad de área de aproximadamente 40 mg/cm2. Las películas recubiertas sobre el papel de aluminio se secaron durante 4 minutos mediante un horno de secado por aire caliente con transportador de 24 metros de largo, como un submódulo del recubridor de transferencia, que funcionaba a una velocidad del transportador de aproximadamente 4 metros/minuto para obtener un electrodo positivo. El horno programado con temperatura permitió un gradiente de temperatura controlable en el que la temperatura subió gradualmente desde la temperatura de entrada de 65 °C hasta la temperatura de salida de 80 °C. Luego, se comprimió el electrodo para aumentar la densidad del recubrimiento y la densidad fue de 3,05
B) Preparación del electrodo negativo
Se preparó un electrodo negativo mediante el método descrito en el Ejemplo 1, excepto que se utilizó grafito natural como material anódico en lugar de carbono duro, las películas revestidas sobre la hoja de cobre se secaron durante 2,6 minutos en lugar de 2,4 minutos, y la densidad del revestimiento del electrodo fue de 1,9 g/cm3 en lugar de 1,8
C) Ensamblaje del conjunto de electrodos
La película de cátodo y la película de ánodo resultantes se usaron para preparar el cátodo y el ánodo, respectivamente, cortando en placas de electrodo individuales. Una lengüeta conductora de aluminio de 4 cm de anchura, una longitud de 2 cm y un grosor de 0,5 mm se soldaron ultrasónicamente a la parte no recubierta del electrodo positivo. De manera similar, una lengüeta conductora hecha de níquel que tiene el mismo tamaño que la lengüeta conductora para el electrodo positivo se soldó ultrasónicamente a la parte no revestida del electrodo negativo. Las placas de electrodos positivos y negativos anteriores se apilaron alternativamente mediante separadores. Las placas de electrodo positivo (20 hojas), las placas de electrodo negativo (21 hojas) y la hoja separadora continua se apilaron para construir un conjunto de electrodo. El separador era una tela de PET no tejida sin recubrimiento (obtenida en MITSUBISHI PAPER MILLS LTD, Japón), que tenía un grosor de aproximadamente 20 pm. El conjunto de electrodos se secó en un horno de vacío en el interior de una caja de guantes a una presión de 10x103 Pa a 100 °C durante 3 horas. La cámara de secado se llenó luego con nitrógeno seco caliente con un contenido de agua de 5 ppm y una temperatura de 85 °C. El nitrógeno seco caliente se retuvo en la cámara de secado durante 5 minutos antes de evacuar la cámara de secado. Este ciclo se repitió 10 veces.
D) Ensamblaje de la batería de tipo bolsa
Se ensamblaron celdas de bolsa mediante el método descrito en el Ejemplo 1, excepto que se utilizó un 0,5 % en peso de dietilestilbestrol (DES) como aditivo electrolítico en lugar de 1,5 % en peso de VC.
E) Montaje del módulo de batería
Un módulo de batería estaba formado por 7 celdas de bolsa conectadas en serie. Las celdas de la batería de ion litio interconectadas estaban encerradas en una carcasa de plástico, en donde la carcasa tenía un terminal negativo y uno positivo que sobresalían de dicha carcasa y estaban expuestas al entorno externo. El área de la sección transversal de cada terminal fue de aproximadamente 1,2 cm2. La tensión nominal del módulo de batería era de 24 V.
Ejemplo de referencia 4 (no de acuerdo con la invención)
Medidas electroquímicas
I) Capacidad nominal
La capacidad nominal promedio de las celdas de batería de ion litio preparadas en el Ejemplo 3 se ensayó mediante el método descrito en el Ejemplo 2. La capacidad nominal promedio fue de aproximadamente 10,8 Ah.
El módulo de batería preparado en el Ejemplo 3 se probó a una densidad de corriente de C/2 a 25 °C en un probador de batería (CT-4001-30V200A-NA, obtenido en Neware Electronics Co. Ltd., China) entre 21 V y 29,4 V. La capacidad nominal era de aproximadamente 10,8 Ah.
II) Capacidad de carga a temperatura ambiente
La capacidad de carga del módulo de batería se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2, excepto que el módulo de batería se cargó primero por completo a 29,4 V y luego se descargó a 21 V en lugar de cargarse por completo a 12,6 V seguido de una descarga a 9 V. La tasa de carga máxima obtenida fue de aproximadamente 4,5 C.
III) Capacidad de descarga a temperatura ambiente
La capacidad de descarga del módulo de batería se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2, excepto que el módulo de batería se descargó primero por completo a 21 V y luego se cargó a 29,4 V en lugar de descargarse por completo a 9 V seguido de una carga a 12,6 V.
La tasa de descarga continua del módulo de batería fue de 13,7 C. La tasa de descarga máxima del módulo de batería para un período de descarga por impulsos de aproximadamente 5 segundos fue de aproximadamente 28,5 C. El volumen del módulo de batería fue de aproximadamente 3,5 l y la densidad de potencia volumétrica correspondiente fue de aproximadamente 1.015 W/l.
IV) Capacidad de descarga a baja temperatura
La capacidad de descarga a baja temperatura del módulo de batería se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2, excepto que la tasa de descarga máxima del módulo de batería se midió descargando el módulo a diferentes densidades de corriente a 21 V en lugar de 9 V. La tasa de descarga máxima obtenida fue de 5,4 C (~ 58,3 A).
V) La capacidad se desvanece después de almacenarse a alta temperatura y temperatura ambiente
La capacidad de retención del módulo de batería después de almacenarse a alta temperatura y temperatura ambiente se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2, excepto que el módulo de batería completamente cargado se descargó a 21 V en lugar de 9 V después del almacenamiento.
La capacidad fue de aproximadamente 7,35 Ah y la retención de capacidad fue de aproximadamente el 68 % de su capacidad inicial después de 7 días de almacenamiento a 55 °C. La capacidad fue de aproximadamente 10,4 Ah y la retención de capacidad fue de aproximadamente el 96 % de su capacidad inicial después de 7 meses de almacenamiento a 25 °C.
Ejemplo de referencia 5 (no de acuerdo con la invención)
A) Preparación del material catódico
Se preparó un material catódico particulado con óxido de manganeso de litio y espinela dopado con Mg mezclando LiMn2O4 (LMO) en polvo (obtenido de HuaGuan HengYuan LiTech Co. Ltd., Qingdao, China), Li2CO3 (obtenido en Tianqi Lithium, Shenzhen, China) y MgO (> 99 %, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.), y calcinar la mezcla obtenida durante 18 horas a 900 °C. La proporción de mezcla del LiMn2O4, Li2CO3 y MgO pueden variar según la cantidad deseada de dopaje. El producto calcinado se trituró en un molino de chorro (LNJ-6A, obtenido de Mianyang Liuneng Powder Equipment Co., Ltd., Sichuan, China) durante aproximadamente 1 hora, seguido de pasar el producto triturado a través de un tamiz de malla 270 para obtener un material de cátodo dopado con aproximadamente 2,5 % en peso de Mg. El material catódico obtenido tiene un tamaño de partícula D50 de aproximadamente 40 pm.
B) Preparación del electrodo positivo
Se preparó una suspensión de electrodos positivos mezclando 88% en peso de LiMn2O4 dopado con Mg como material de cátodo, 6 % en peso de negro de humo (SuperP; obtenido en Timcal Ltd, Bodio, Suiza) como agente conductor y 3 % en peso de ácido poliacrílico (PAA, n.° 181285, obtenido en Sigma-Aldrich, EE.UU.) y 3 % en peso de poliacrilonitrilo (LA 132, Chengdu Indigo Power Sources Co., Ltd., China) como aglutinante, que se dispersaron en agua desionizada para formar una suspensión con un contenido sólido del 50 % en peso. La suspensión se homogeneizó con una mezcladora de agitación planetaria.
La suspensión homogeneizada se revistió sobre ambos lados de una lámina de aluminio que tenía un grosor de 20 pm usando un recubridor de transferencia con una densidad de área de aproximadamente 40 mg/cm2. Las películas recubiertas sobre el papel de aluminio se secaron durante 4 minutos mediante un horno de secado por aire caliente con transportador de 24 metros de largo, como un submódulo del recubridor de transferencia, que funcionaba a una velocidad del transportador de aproximadamente 4,5 metros/minuto para obtener un electrodo positivo. El horno programado con temperatura permitió un gradiente de temperatura controlable en el que la temperatura subió gradualmente desde la temperatura de entrada de 65 °C hasta la temperatura de salida de 80 °C. Luego, se comprimió el electrodo para aumentar la densidad del recubrimiento y la densidad fue de 3,15
C) Preparación del electrodo negativo
Los electrodos negativos se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
D) Ensamblaje del conjunto de electrodos
La película de cátodo y la película de ánodo resultantes se usaron para preparar el cátodo y el ánodo, respectivamente, cortando en placas de electrodo individuales. Una lengüeta conductora de aluminio de 4,5 cm de anchura, una longitud de 2 cm y un grosor de 0,5 mm se soldaron ultrasónicamente a la parte no recubierta del electrodo positivo. De manera similar, una lengüeta conductora hecha de níquel que tiene el mismo tamaño que la lengüeta conductora para el electrodo positivo se soldó ultrasónicamente a la parte no revestida del electrodo negativo. Las placas de electrodos positivos y negativos anteriores se apilaron alternativamente mediante separadores. Las placas de electrodo positivo (28 hojas), las placas de electrodo negativo (29 hojas) y la hoja separadora continua se apilaron para construir un conjunto de electrodo. El separador era un separador microporoso de PET recubierto de cerámica (obtenido de MITSUBISHI PAPER MILLS Lt D, Japón), que tenía un grosor de aproximadamente 30 pm. El conjunto de electrodos se secó en un horno de vacío en el interior de una caja de guantes a una presión de 10x103 Pa a 100 °C durante 3 horas. La cámara de secado se llenó luego con nitrógeno seco caliente con un contenido de agua de 5 ppm y una temperatura de 85 °C. El nitrógeno seco caliente se retuvo en la cámara de secado durante 5 minutos antes de evacuar la cámara de secado. Este ciclo se repitió 10 veces.
E) Ensamblaje de la batería de tipo bolsa
Se ensamblaron celdas de bolsa mediante el método descrito en el Ejemplo 1, excepto que se utilizó un 0,5 % en peso de DES y 1,5 % de VC como aditivo electrolítico en lugar de 1,5 % en peso de VC.
F) Montaje del módulo de batería
Un módulo de batería estaba formado por 3 celdas de bolsa conectadas en serie. Las celdas de la batería de ion litio interconectadas estaban encerradas en una carcasa de plástico, en donde la carcasa tenía un terminal negativo y uno positivo que sobresalían de dicha carcasa y estaban expuestas al entorno externo. El área de la sección transversal de cada terminal fue de aproximadamente 1,8 cm2. La tensión nominal del módulo de batería era de 12 V.
Ejemplo de referencia 6 (no de acuerdo con la invención)
Medidas electroquímicas
I) Capacidad nominal
Las celdas de batería de ion litio y el módulo de batería preparados en el Ejemplo 5 se probaron mediante el método descrito en el Ejemplo 2. La capacidad nominal promedio de las celdas de la batería de ion litio y el módulo de la batería fue de aproximadamente 12,5 Ah.
II) Capacidad de carga a temperatura ambiente
La capacidad de carga del módulo de batería se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2. La tasa de carga máxima obtenida fue de aproximadamente 5,7 C.
III) Capacidad de descarga a temperatura ambiente
La capacidad de descarga del módulo de batería se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2.
La tasa de descarga continua del módulo de batería fue de 15,8 C. La tasa de descarga máxima del módulo de batería para un período de descarga de pulsos de aproximadamente 5 segundos fue de aproximadamente 48,5 C. El volumen del módulo de batería fue de aproximadamente 2 l y la densidad de potencia volumétrica correspondiente fue de aproximadamente 1.185 W/l.
IV) Capacidad de descarga a baja temperatura
La capacidad de descarga a baja temperatura del módulo de batería se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2. La tasa de descarga máxima obtenida fue de 9,7 C (~ 121,3 A).
V) La capacidad se desvanece después de almacenarse a alta temperatura y temperatura ambiente
La retención de capacidad del módulo de batería después de haber sido almacenado a alta temperatura y temperatura ambiente se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2.
La capacidad fue de aproximadamente 11,13 Ah y la retención de capacidad fue de aproximadamente el 89 % de su capacidad inicial después de 7 días de almacenamiento a 55 °C. La capacidad fue de aproximadamente 11,3 Ah y la retención de capacidad fue de aproximadamente el 90,4 % de su capacidad inicial después de 7 meses de almacenamiento a 25 °C.
Ejemplo 7
A) Preparación de un material catódico de núcleo-cubierta
El núcleo del material catódico de núcleo-cubierta era Li1,01Ni0,53Mn0,30CO0,17O2 (NMC532) y se preparó mediante un método de coprecipitación. La cubierta del material catódico de núcleo-cubierta era Li0,97Ni0,5Mn0,32CO0,15Al0,03O2 y se preparó formando un precipitado de Al(OH)3 en la superficie del núcleo para formar un precursor, mezclando el precursor con Li2CO3 (obtenido en Tianqi Lithium, Shenzhen, China) para obtener una mezcla y calcinando la mezcla a 900 °C. El producto calcinado se trituró en un molino de chorro (LNJ-6A, obtenido de Mianyang Liuneng Powder Equipment Co., Ltd., Sichuan, China) durante aproximadamente 1 hora, seguido de hacer pasar el producto triturado a través de un tamiz de malla 270 para obtener un material catódico que tiene un tamaño de partícula D50 de aproximadamente 38 pm. El contenido de cobalto en el material catódico de núcleo-cubierta disminuía gradualmente desde la superficie externa de la cubierta hasta el núcleo interno. El grosor de la cubierta es de aproximadamente 3 pm.
B) Preparación del electrodo positivo
Se preparó una suspensión de electrodos positivos mezclando 88 % en peso de material catódico de núcleo-cubierta preparado anteriormente, 6 % en peso de negro de humo (SuperP; obtenido en Timcal Ltd, Bodio, Suiza) como agente conductor, y 6% en peso de poliacrilonitrilo (LA 132, Chengdu Indigo Power Sources Co., Ltd., China) como aglutinante, que se dispersaron en agua desionizada para formar una suspensión con un contenido sólido del 50 % en peso. La suspensión se homogeneizó con una mezcladora de agitación planetaria.
La suspensión homogeneizada se revistió sobre ambos lados de una lámina de aluminio que tenía un grosor de 20 pm usando un recubridor de transferencia con una densidad de área de aproximadamente 40 mg/cm2. Las películas recubiertas sobre el papel de aluminio se secaron durante 5,5 minutos mediante un horno de secado por aire caliente con transportador de 24 metros de largo, como un submódulo del recubridor de transferencia, que funcionaba a una velocidad del transportador de aproximadamente 4,4 metros/minuto para obtener un electrodo positivo. El horno programado con temperatura permitió un gradiente de temperatura controlable en el que la temperatura subió gradualmente desde la temperatura de entrada de 70 °C hasta la temperatura de salida de 85 °C. Luego, se comprimió el electrodo para aumentar la densidad del recubrimiento y la densidad fue de aproximadamente 3 g/cm3.
C) Preparación del electrodo negativo
Los electrodos negativos se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
D) Ensamblaje del conjunto de electrodos
La película de cátodo y la película de ánodo resultantes se usaron para preparar el cátodo y el ánodo, respectivamente, cortando en placas de electrodo individuales. Una lengüeta conductora de aluminio de 4,5 cm de anchura, una longitud de 2 cm y un grosor de 0,5 mm se soldaron ultrasónicamente a la parte no recubierta del electrodo positivo. De manera similar, una lengüeta conductora hecha de níquel que tiene el mismo tamaño que la lengüeta conductora para el electrodo positivo se soldó ultrasónicamente a la parte no revestida del electrodo negativo. Las placas de electrodos positivos y negativos anteriores se apilaron alternativamente mediante separadores. Las placas de electrodo positivo (26 hojas), las placas de electrodo negativo (27 hojas) y la hoja separadora continua se apilaron para construir un conjunto de electrodo. El separador era un separador microporoso de PET recubierto de cerámica (obtenido de MITSUBISHI PAPER MILLS LTD, Japón), que tenía un grosor de aproximadamente 30 pm. El conjunto de electrodos se secó en un horno de vacío en el interior de una caja de guantes a una presión de 9x103 Pa a 100 °C durante 6 horas. La cámara de secado se llenó luego con nitrógeno seco caliente con un contenido de agua de 5 ppm y una temperatura de 85 °C. El nitrógeno seco caliente se retuvo en la cámara de secado durante 5 minutos antes de evacuar la cámara de secado. Este ciclo se repitió 10 veces.
E) Ensamblaje de la batería de tipo bolsa
Las celdas de bolsa se ensamblaron mediante el método descrito en el Ejemplo 5.
F) Montaje del módulo de batería
Un módulo de batería estaba formado por 3 celdas de bolsa conectadas en serie. Las celdas de la batería de ion litio interconectadas estaban encerradas en una carcasa de plástico, en donde la carcasa tenía un terminal negativo y uno positivo que sobresalían de dicha carcasa y estaban expuestas al entorno externo. El área de la sección transversal de cada terminal fue de aproximadamente 2,4 cm2. La tensión nominal del módulo de batería era de 12 V.
Ejemplo 8
Medidas electroquímicas
I) Capacidad nominal
Las celdas de batería de ion litio y el módulo de batería preparados en el Ejemplo 7 se probaron mediante el método descrito en el Ejemplo 2. La capacidad nominal promedio de las celdas de la batería de ion litio y el módulo de la batería fue de aproximadamente 11,5 Ah.
II) Capacidad de carga a temperatura ambiente
El módulo de carga del módulo de batería se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2. La tasa de carga máxima obtenida fue de aproximadamente 5,1 C.
III) Capacidad de descarga a temperatura ambiente
La capacidad de descarga del módulo de batería se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2.
La tasa de descarga continua del módulo de batería fue de 13 C. La tasa de descarga máxima del módulo de batería para un período de descarga de pulsos de aproximadamente 5 segundos fue de aproximadamente 51,3 C. El volumen del módulo de batería fue de aproximadamente 2 l y la densidad de potencia volumétrica correspondiente fue de aproximadamente 945 W/l.
IV) Capacidad de descarga a baja temperatura
La capacidad de descarga a baja temperatura del módulo de batería se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2. La tasa de descarga máxima obtenida fue de 8,2 C (~ 94,4 A).
V) La capacidad se desvanece después de almacenarse a alta temperatura y temperatura ambiente
La retención de capacidad del módulo de batería después de haber sido almacenado a alta temperatura y temperatura ambiente se probó mediante el método descrito en el Ejemplo 2.
La capacidad fue de aproximadamente 8,21 Ah y la retención de capacidad fue de aproximadamente el 83 % de su capacidad inicial después de 7 días de almacenamiento a 55 °C. La capacidad fue de aproximadamente 10,4 Ah y la retención de capacidad fue de aproximadamente el 90,4 % de su capacidad inicial después de 7 meses de almacenamiento a 25 °C.
Ejemplo de referencia 9 (no de acuerdo con la invención)
Se preparó una suspensión de electrodos positivos mezclando 91 % en peso de LiMn2O4 (LMO) con un tamaño de partícula de 35 pm como material catódico, 5 % en peso de negro de humo (SuperP; obtenido en Timcal Ltd, Bodio, Suiza) como agente conductor, y 4 % en peso de poliacrilonitrilo (LA 132, Chengdu Indigo Power Sources Co., Ltd., China) como aglutinante, que se dispersaron en agua desionizada para formar una suspensión con un contenido sólido del 50 % en peso. La suspensión se homogeneizó con una mezcladora de agitación planetaria.
Se preparó un electrodo positivo revistiendo y secando la suspensión de acuerdo con el método descrito en el Ejemplo 1.
Ejemplo de referencia 10 (no de acuerdo con la invención)
A) Preparación del material catódico
Se preparó un material catódico particulado con óxido de manganeso de litio y espinela dopado con Co mezclando LiMn2O4 (LMO) en polvo (obtenido de HuaGuan HengYuan LiTech Co. Ltd., Qingdao, China), Li2CO3 (obtenido en Tianqi Lithium, Shenzhen, China) y CoO2 (>99 %, obtenido de Sigma-Aldrich, EE.UU.), y calcinar la mezcla obtenida durante 3,5 horas a 750 °C. La proporción de mezcla del LiMn2O4, Li2CO3 y CoO2 pueden variar según la cantidad deseada de dopaje. El producto calcinado se trituró en un molino de chorro (LNJ-6A, obtenido de Mianyang Liuneng Powder Equipment Co., Ltd., Sichuan, China) durante aproximadamente 1 hora, seguido de pasar el producto triturado a través de un tamiz de malla 270 para obtener un material catódico dopado con aproximadamente 2 % en peso de Co. El material catódico obtenido tenía un tamaño de partícula D50 de aproximadamente 31 pm.
B) Preparación del electrodo positivo
Se preparó un electrodo positivo mediante el método descrito en el Ejemplo 9, excepto que se utilizó el material catódico del Ejemplo 10 en lugar del LMO del Ejemplo 9.
Ejemplo de referencia 11 (no de acuerdo con la invención)
A) Preparación del material catódico
Se preparó un material catódico particulado con óxido de manganeso de litio y espinela dopado con Al mezclando LiMn2O4 (LMO) en polvo (obtenido de HuaGuan HengYuan LiTech Co. Ltd., Qingdao, China), Li2CO3 (obtenido en Tianqi Lithium, Shenzhen, China) y AhO3 (>99 %, obtenido de Sigma-Aldrich, EE. UU.), y calcinar la mezcla obtenida durante 3 horas a 850 °C. La proporción de mezcla del LiMn2O4, Li2CO3 y AhO3 pueden variar según la cantidad deseada de dopaje. El producto calcinado se trituró en un molino de chorro (LNJ-6A, obtenido de Mianyang Liuneng Powder Equipment Co., Ltd., Sichuan, China) durante aproximadamente 1,5 horas, seguido de pasar el producto triturado a través de un tamiz de malla 270 para obtener un material catódico dopado con aproximadamente 2,5 % en peso de Al. El material catódico obtenido tenía un tamaño de partícula D50 de aproximadamente 27 pm.
B) Preparación del electrodo positivo
Se preparó un electrodo positivo mediante el método descrito en el Ejemplo 9, excepto que se usó el material de cátodo del Ejemplo 11 en lugar del LMO del Ejemplo 9.
Ejemplo de referencia 12 (no de acuerdo con la invención)
A) Preparación del material catódico
El núcleo del material catódico núcleo-cubierta era LiMn2O4 y se preparó mediante un método de coprecipitación. La cubierta del material catódico núcleo-cubierta era AhO3 y se preparó formando un precipitado de Al(OH)3 en la superficie del núcleo para formar un precursor, mezclando el precursor con Li2CO3 (obtenido en Tianqi Lithium, Shenzhen, China) para obtener una mezcla, y calcinando la mezcla a 850 °C. El producto calcinado se trituró en un molino de chorro (LNJ-6A, obtenido de Mianyang Liuneng Powder Equipment Co., Ltd., Sichuan, China) durante aproximadamente 1 hora, seguido de hacer pasar el producto triturado a través de un tamiz de malla 270 para obtener un material catódico que tiene un tamaño de partícula D50 de aproximadamente 40 pm. El contenido de cobalto en el material catódico de núcleo-cubierta disminuía gradualmente desde la superficie externa de la cubierta hasta el núcleo interno. El grosor de la cubierta era de aproximadamente 2 pm.
B) Preparación del electrodo positivo
Se preparó un electrodo positivo mediante el método descrito en el Ejemplo 9, excepto que se usó el material de cátodo del Ejemplo 12 en lugar del LMO del Ejemplo 9.
Ejemplo de referencia 13 (no de acuerdo con la invención)
A) Preparación del material catódico
Se preparó un material de cátodo núcleo-cubierta mediante el método descrito en el Ejemplo 12, excepto que se usó 2,5 % en peso de LMO dopado con Mg que tenía un tamaño de partícula D50 de 40 pm en lugar del LMO del Ejemplo 12.
B) Preparación del electrodo positivo
Se preparó un electrodo positivo mediante el método descrito en el Ejemplo 9, excepto que se usó el material de cátodo del Ejemplo 13 en lugar del LMO del Ejemplo 9.
Ejemplo de referencia 14 (no de acuerdo con la invención)
A) Preparación del electrodo negativo
Se preparó un electrodo negativo mediante el método descrito en el Ejemplo 1, excepto que se utilizó LTO como material anódico en lugar de carbono duro.
B) Preparación del electrodo positivo
Se preparó un electrodo positivo mediante el método descrito en el Ejemplo 9.
Preparación de electrodos negativos de los ejemplos 9-13
Los electrodos negativos se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Montaje de conjuntos de electrodos de los ejemplos 9-14
Los conjuntos de electrodos se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 3.
Montaje de baterías tipo bolsa de los ejemplos 9-14
Se prepararon baterías de tipo bolsa mediante el método descrito en el Ejemplo 5.
Montaje de módulos de batería de los ejemplos 9-14
Los módulos de batería se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Mediciones del contenido de agua de los conjuntos de electrodos de los ejemplos 2-14
El contenido de agua de los conjuntos de electrodos se midió mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Ejemplo comparativo 1
A) Preparación del electrodo positivo
Se preparó un electrodo positivo mediante el método descrito en el Ejemplo 5, excepto que se utilizó LMO dopado con 6 % en peso de Mg como material catódico en lugar de LMO dopado con 2,5 % en peso de Mg.
B) Montaje del conjunto de electrodos y módulo de batería
El conjunto de electrodos y el módulo de batería se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 5.
Ejemplo comparativo 2
Se preparó un electrodo positivo mediante el método descrito en el Ejemplo 12, excepto que el grosor de la cubierta del material catódico núcleo-cubierta era de 0,4 pm en lugar de 2 pm.
Ejemplo comparativo 3
Se preparó un electrodo positivo mediante el método descrito en el Ejemplo 12, excepto que el grosor de la cubierta del material catódico núcleo-cubierta era de 5,5 pm en lugar de 2 pm.
Ejemplo comparativo 4
Se preparó un electrodo positivo mediante el método descrito en el Ejemplo 9, excepto que se usaron diferentes porcentajes en peso de materiales de electrodo descritos en la Tabla 1 a continuación.
Ejemplo comparativo 5
Se preparó un conjunto de electrodos mediante el método descrito en el Ejemplo 9, excepto que se usaron diferentes condiciones de secado descritas en la Tabla 3 a continuación.
Ejemplo comparativo 6
Se preparó una batería de tipo bolsa mediante el método descrito en el Ejemplo 9, excepto que se utilizaron 2 % en peso de DES y 4 % en peso de VC como aditivo electrolítico en lugar de 0,5 % en peso de DES y 1,5 % en peso de VC.
Ejemplo comparativo 7
Se preparó un conjunto de electrodo mediante el método descrito en el Ejemplo 9, excepto que la anchura de la lengüeta conductora tanto para el electrodo positivo como para el electrodo negativo era de 1,5 cm en lugar de 4 cm. Preparación de electrodos positivos de los ejemplos comparativos 5-7
Los electrodos positivos se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 9.
Preparación de electrodos negativos de los ejemplos comparativos 1-7
Los electrodos negativos se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Montaje de conjuntos de electrodos de los ejemplos comparativos 2-4 y 6
Los conjuntos de electrodos se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 3.
Montaje de baterías de tipo bolsa de los ejemplos comparativos 1-5 y 7
Se prepararon baterías de tipo bolsa mediante el método descrito en el Ejemplo 5.
Montaje de módulos de batería de los ejemplos comparativos 2-7
Los módulos de batería se prepararon mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Mediciones del contenido de agua de los conjuntos de electrodos de los ejemplos comparativos 1-7
El contenido de agua de los conjuntos de electrodos se midió mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Medición electroquímica de celdas de batería de ion litio de los ejemplos 9-14 y los ejemplos comparativos 1-7 Las capacidades nominales promedio de las celdas de batería de ion litio se midieron mediante el método descrito en el Ejemplo 1.
Mediciones electroquímicas de módulos de batería de los ejemplos 9-14 y los ejemplos comparativos 1-7
El rendimiento electroquímico de los módulos de batería se midió mediante el método descrito en el Ejemplo 1. Las formulaciones de capas de electrodo de cátodo y las capas de electrodo de ánodo de los Ejemplos 1-14 y los Ejemplos Comparativos 1-7 se muestran en las Tablas 1 y 2 a continuación, respectivamente. Las condiciones de secado de los conjuntos de electrodos de los Ejemplos 1-14 y los Ejemplos Comparativos 1-7 se muestran en la Tabla 3 a continuación. Los parámetros de los conjuntos de electrodos, las composiciones de aditivo electrolítico y las capacidades de las celdas de batería de ion litio de los Ejemplos 1-14 y los Ejemplos Comparativos 1-7 se muestran en la Tabla 4 a continuación. Las configuraciones de conexión de la batería y las mediciones electroquímicas de los módulos de batería de los Ejemplos 1-14 y los Ejemplos Comparativos 1-7 se muestran en la Tabla 5 a continuación. El módulo de batería de los Ejemplos 1-14 muestra características de descarga significativamente mejoradas a -30 °C y demuestra suficiente potencia para arrancar un motor del equipo de energía exterior después de un almacenamiento a baja temperatura. Adicionalmente, la capacidad de velocidad y la ciclabilidad del módulo de batería a temperatura ambiente no se sacrifican.
El módulo de batería de los Ejemplos 1-14 demuestra suficiente potencia para arrancar un motor del equipo de energía exterior después de un almacenamiento a alta temperatura y un largo período de inactividad.
Los Ejemplos 1-6 y 9-14 no son de acuerdo con la invención, se dan solo como referencia.
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Tabla 2
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Tabla 3
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Tabla 4
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continuación
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Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un módulo de batería que comprende:
una carcasa exterior;
una pluralidad de celdas de batería de ion litio interconectadas encerradas en la carcasa exterior; y
un dispositivo regulador de tensión acoplado a cada celda de batería de ion litio para regular la tensión de carga y/o de descarga de cada celda de batería de ion litio;
en donde cada una de las celdas de la batería de ion litio comprende independientemente un cátodo, un ánodo, un separador interpuesto entre el cátodo y el ánodo, y un electrolito; el donde el cátodo comprende un colector de corriente catódica y una capa de electrodo de cátodo que comprende un material catódico, un material aglutinante y un agente conductor, y el ánodo comprende un colector de corriente de ánodo y una capa de electrodo de ánodo que comprende un material anódico, un material aglutinante y un agente conductor;
en donde el material catódico comprende o es un material compuesto de núcleo-cubierta que tiene una estructura de núcleo y cubierta, en donde el núcleo comprende un óxido de metal de transición de litio seleccionado del grupo que consiste en LiMn2O4, LiNio,3Mno,3Coo,3O2, LiNio,4Mno,4Coo,2O2, LiNio,5Mno,3Coo,2O2, LiNio,6Mno,2Coo,2O2, LiNio,8Mno,iCoo,iO2, LiNio,8Coo,i5Alo,o5O2 y combinaciones de los mismos; y en donde la cubierta comprende un óxido de metal de transición de litio seleccionado del grupo que consiste en LiCoO2, LiNiO2, LiNio,3Mno,3Coo,3O2, LiNio,4Mno,4Coo,2O2, LiNio,5Mno,3Coo,2O2, LiNio,6Mno,2Coo,2O2, LiNio,8Mno,iCoo,iO2, LiNio,8Coo,i5Alo,o5O2, LiMnO2, LiMn2O4 y combinaciones de los mismos;
en donde los óxidos de metal de transición de litio en el núcleo y en la cubierta son diferentes;
en donde el electrolito comprende un disolvente orgánico no acuoso, una sal de litio y un aditivo seleccionado del grupo que consiste en dietilestilbestrol, butanosultona, carbonato de vinileno, sulfuro de dimetilo y combinaciones de los mismos; y
en donde la cantidad del aditivo es del o,i % al 2 % en peso, en función del peso total del electrolito.
2. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde el diámetro del núcleo es de 5 pm a 45 pm y el grosor de la cubierta es de o,i pm a 5 pm.
3. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde el óxido de metal de transición de litio en el núcleo está dopado con un elemento dopante seleccionado del grupo que consiste en Fe, Ni, Mn, Al, Mg, Zn, Ti, La, Ce, Sn, Zr, Ru, Si, Ge y combinaciones de los mismos.
4. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde el óxido de metal de transición de litio en la cubierta está dopado con un elemento dopante seleccionado del grupo que consiste en Fe, Ni, Mn, Al, Mg, Zn, Ti, La, Ce, Sn, Zr, Ru, Si, Ge y combinaciones de los mismos, y en donde el elemento dopante está presente en una cantidad inferior al 2 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo.
5. El módulo de batería de la reivindicación 4, en donde el elemento dopante es Al.
6. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde la relación entre el diámetro del núcleo y el grosor de la cubierta es de 5 a 25.
7. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde cada uno del núcleo y la cubierta comprende independientemente dos o más óxidos de metal de transición de litio.
8. El módulo de batería de la reivindicación 7, en donde los dos o más óxidos de metales de transición de litio no están distribuidos uniformemente sobre el núcleo.
9. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde el tamaño de partícula D5o del material catódico es de io pm a 5o pm.
10. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde el agente conductor de la capa de electrodo de cátodo comprende nanotubos de carbono y grafeno.
11. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde la cantidad de cada uno de los materiales catódico y anódico es independientemente de entre 8o % y 95 % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo o de la capa de electrodo de ánodo, y en donde la cantidad de cada uno de los agentes conductores y materiales aglutinantes en las capas de electrodo de cátodo y de ánodo es independientemente del 3 % al io % en peso, en función del peso total de la capa de electrodo de cátodo o la capa de electrodo de ánodo, y en donde la densidad de cada una de las capas de electrodo de cátodo y ánodo es independientemente de i,o g/cm3 a 6,5 g/cm3.
12. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde el tamaño de partícula D io del material catódico es de 3 pm a 2o pm, y el tamaño de partícula D9o del material catódico es de 2o pm a 8o pm.
13. El módulo de batería de la reivindicación i, en donde el separador tiene un punto de fusión de 2oo °C o más.
14. El módulo de batería de la reivindicación 1, en donde el separador comprende un material base poroso y una capa porosa protectora revestida en una o ambas superficies del material base poroso y en donde la capa porosa protectora comprende un material aglutinante y un relleno inorgánico seleccionado del grupo que consiste en AhO3, SO 2, T O 2, ZrO2, BaOx, ZnO, CaCO3, TiN, AlN, y combinaciones de los mismos, en donde x es 1 o 2.
15. El módulo de batería de la reivindicación 1, en donde cada una de las celdas de la batería de ion litio comprende independientemente una primera lengüeta conductora acoplada al cátodo y una segunda lengüeta conductora acoplada al ánodo, y en donde el ancho de cada una de la primera y segunda lengüetas conductoras es independientemente mayor de 2 cm.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3809489A1 (en) * 2019-10-14 2021-04-21 ETH Zurich Aqueous cathode slurry preparation for manufacturing lithium-ion battery cathodes
CN111308163B (zh) * 2020-02-21 2022-08-30 青岛力神新能源科技有限公司 一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法
US11658298B2 (en) * 2020-05-19 2023-05-23 Uchicago Argonne, Llc Stabilized lithium metal oxide electrode material and method of preparation
CN112280394B (zh) * 2020-10-19 2021-10-12 上海恩捷新材料科技有限公司 一种电池涂布膜浆料、电池隔膜以及二次电池

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3515286B2 (ja) * 1996-06-27 2004-04-05 三洋電機株式会社 二次電池用電極
AU3873299A (en) * 1998-04-30 1999-11-16 Massachusetts Institute Of Technology Intercalation compounds and electrodes for batteries
JP5223166B2 (ja) 2006-02-07 2013-06-26 日産自動車株式会社 電池活物質および二次電池
JP2008112594A (ja) 2006-10-30 2008-05-15 Hitachi Vehicle Energy Ltd リチウム二次電池
KR100966024B1 (ko) 2007-04-24 2010-06-24 주식회사 엘지화학 이종의 세퍼레이터를 구비한 전기화학소자
JP4510912B2 (ja) * 2007-09-06 2010-07-28 パナソニック株式会社 非水電解液電池
US10056602B2 (en) * 2009-02-25 2018-08-21 Cf Traverse Llc Hybrid energy storage device production
KR101237106B1 (ko) * 2008-06-04 2013-02-25 파나소닉 주식회사 조립전지
JP2011150920A (ja) * 2010-01-22 2011-08-04 Hitachi Vehicle Energy Ltd リチウムイオン電池
CN102447093A (zh) * 2011-12-23 2012-05-09 天津力神电池股份有限公司 一种锂离子电池
CN103700828B (zh) * 2012-09-27 2016-03-09 清华大学 锂离子电池正极复合材料
JP2016095897A (ja) 2013-02-28 2016-05-26 日産自動車株式会社 非水電解質二次電池用負極
WO2014182096A1 (ko) * 2013-05-08 2014-11-13 주식회사 엘지화학 자동차용 충전 시스템 및 이를 포함하는 자동차
JP5628385B2 (ja) * 2013-07-11 2014-11-19 株式会社東芝 セパレータの製造方法および非水電解質電池
CN103427110A (zh) 2013-08-14 2013-12-04 哈尔滨远方新能源汽车动力电池有限责任公司 应用磷酸钒锂电池的超低温汽车启动电源
KR101601917B1 (ko) * 2014-02-11 2016-03-09 울산과학기술원 리튬 이차전지용 양극 활물질, 이들의 제조방법, 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20150137541A (ko) * 2014-05-30 2015-12-09 에스케이이노베이션 주식회사 리튬 이차전지
JP2016033901A (ja) * 2014-07-31 2016-03-10 ソニー株式会社 正極活物質、正極および電池
JP6305263B2 (ja) * 2014-07-31 2018-04-04 株式会社東芝 非水電解質電池、組電池、電池パック及び車
CN104409716A (zh) * 2014-10-30 2015-03-11 中国科学院过程工程研究所 一种具有浓度梯度的镍锂离子电池正极材料及其制备方法
US9917460B2 (en) 2014-12-09 2018-03-13 Briggs & Stratton Corporation Lithium ion battery pack for outdoor power equipment
US10854874B2 (en) 2015-01-23 2020-12-01 Umicore Lithium metal oxide cathode powders for high voltage lithium-ion batteries
CN204406647U (zh) * 2015-01-31 2015-06-17 中州大学 基于ZigBee的电子万年历远程无线控制系统
US10833321B2 (en) * 2015-03-06 2020-11-10 Uchicago Argonne, Llc Cathode materials for lithium ion batteries
CN105390775A (zh) * 2015-05-06 2016-03-09 朗陞科技集团(香港)有限公司 可于宽温度范围提供高放电脉冲的锂电池组件及形成方法
CN105161768A (zh) 2015-10-10 2015-12-16 无锡德沃精工设备有限公司 一种汽车起动型磷酸铁锂电池
CN205406647U (zh) 2016-03-11 2016-07-27 东风商用车有限公司 一种磷酸铁锂起动电源
US10199677B2 (en) * 2016-04-07 2019-02-05 StoreDot Ltd. Electrolytes for lithium ion batteries

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Publication number Publication date
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