ES2950011T3 - Método para activar una celda de batería - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para activar una celda de batería que comprende un electrodo positivo al que se le ha aplicado un material de electrodo positivo de níquel, cobalto y manganeso (NCM) al que se le ha añadido o mezclado óxido de níquel-litio (LNO), comprendiendo el método una etapa para cargar una batería. celda, y una etapa para descargar la celda de batería, en donde, en la etapa para cargar la celda de batería, la celda de batería se carga a una tasa C de 0,1-0,5 °C, desde un estado de calentamiento hasta una temperatura de 45 °C. 60 ºC. En el momento del proceso de activación de la presente invención que tiene tales características, se proporcionan condiciones de presión/calentamiento que inhiben la generación de gas y, por lo tanto, se puede evitar el hinchamiento, la deformación de la batería y el deterioro del rendimiento debido a la generación de gas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método para activar una celda de batería
Referencia cruzada a solicitud relacionada
La presente solicitud reivindica el beneficio de la prioridad con respecto a la Solicitud de Patente Coreana No. 10­ 2017-0163720, presentada el 30 de noviembre de 2017.
Sector de la técnica
La presente invención se refiere a un método para activar una celda de batería y, más en particular, a un método para activar una celda de batería, cuyo calor (y/o presión) se aplica a la celda de batería para reducir un tiempo de activación y generación de gas durante un proceso de activación.
Estado de la técnica
En los últimos años, a medida que el desarrollo de la tecnología y la demanda de dispositivos móviles aumentan, la demanda de baterías secundarias como fuentes de energía aumenta rápidamente. Dicha batería secundaria puede usarse en la forma de una única celda de batería o en la forma de un módulo de batería en el cual múltiples celdas unitarias se conectan eléctricamente entre sí según un tipo de dispositivo externo. Por ejemplo, dispositivos pequeños como, por ejemplo, teléfonos móviles, funcionan durante un tiempo predeterminado con una salida y capacidad de una celda de batería. Por otro lado, dispositivos medianos y grandes como, por ejemplo, ordenadores portátiles, DVD portátiles, ordenadores personales, vehículos eléctricos, vehículos eléctricos híbridos, etc., requieren el uso de módulos de batería que comprenden un gran número de celdas de batería debido a cuestiones de salida y capacidad.
Dicha batería secundaria se fabrica a través de un proceso de montaje de una celda de batería y un proceso de activación de la batería. Aquí, el proceso de activación de batería se lleva a cabo, normalmente, aplicando corriente necesaria a la celda de batería para que se cargue/descargue a través de un dispositivo de carga/descarga que comprende dispositivos de contacto de electrodos positivos y negativos.
Según se ilustra en la Figura 1, el aparato de carga/descarga de la batería secundaria comprende una bandeja 20 en la cual las celdas 10 de batería se alojan individualmente o se colocan para que se fijen y dispositivos 30 y 40 de contacto conectados a un electrodo 11 positivo y a un electrodo negativo de cada una de las celdas 10 de batería fijadas a la bandeja 20 para cargar/descargar las celdas 10 de batería. Los dispositivos 30 y 40 de contacto pueden tener una estructura que comprende pasadores 31 y 41 de contacto dispuestos con la bandeja 20 entre ellos para conectarse eléctricamente al electrodo 11 positivo o al electrodo 12 negativo.
Un material de electrodo positivo basado en níquel NCM (NiCoMn: material de electrodo positivo de níquel-cobaltomanganeso) se ha usado ampliamente debido a su alta densidad energética, una larga vida útil y durabilidad. Asimismo, LNO (LiNiÜ2 : óxido de litio-níquel) puede añadirse de modo que un contenido de litio aumenta para aumentar más en densidad energética.
Sin embargo, ha existido el problema de que un gas se genera en la celda de batería debido al cambio de fase del LNO en un estado en el cual derivados del litio sin reacción permanecen en una materia prima requerida cuando se fabrica el LNO.
El gas generado en la celda de batería puede actuar como resistencia o provocar la deformación de un módulo de batería y un paquete de batería y, por consiguiente, una tasa de fallo de productos aumenta. En particular, en el caso de una batería secundaria tipo bolsa con una caja relativamente suave antes que una batería secundaria tipo lata con una caja relativamente rígida, la deformación debida a la generación de gas es más seria.
El documento EP 3113247A1 se refiere a una batería secundaria de iones de litio que incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo, un separador y una solución de electrolitos.
El documento KR 20150037049A se refiere a un dispositivo de presión que presiona dos o más celdas de batería en una condición de temperatura alta para mejorar la resistencia y naturaleza plana de las celdas de batería.
El documento JP 2003297354A se refiere a una batería secundaria de litio que puede suprimir la generación de gas dentro de la batería cuando esta se almacena a altas temperaturas.
El documento KR 20150082957A se refiere a una bandeja de presurización que está equipada con un rodillo para presurizar una celda de batería.
Objeto de la invención
Problema técnico
Por consiguiente, para resolver el problema descrito más arriba, un objeto de la presente invención es proveer un método para activar una celda de batería, en la cual un gas se genera mínimamente en un electrodo positivo recubierto con un material de electrodo positivo de níquel-cobalto-manganeso al cual se añade o en el cual se mezcla óxido de litio-níquel (LNO, por sus siglas en inglés).
Solución técnica
Con el fin de lograr el objeto de más arriba, la presente invención provee un método para activar una celda de batería, que activa la celda de batería que comprende un electrodo positivo recubierto con un material de electrodo positivo de níquel-cobalto-manganeso (NCM), al cual se añade o en el cual se mezcla óxido de litio-níquel (LNO), el método comprendiendo: una etapa de carga de la celda de batería; y una etapa de descarga de la celda de batería, en donde, en la etapa de carga de la celda de batería, la celda de batería se carga en una condición de carga de tasa C de 0,1 C a 0,5 C en un estado de calentamiento a una temperatura de 45 °C a 60 °C.
En mayor detalle, la celda de batería puede cargarse en una condición de carga de tasa C de 0,2 C en un estado de calentamiento a una temperatura de 45 °C a 60 °C.
La celda de batería se carga en un estado de descarga total a una tasa de carga de 0 %, y
una primera presión aplicada a la celda de batería en un primer intervalo de carga, que se determina a partir de una tasa de carga de 0 % a una tasa de carga de referencia y una segunda presión aplicada a la celda de batería en un segundo intervalo de carga, que se determina de la tasa de carga de referencia a una tasa de carga de 100 % son diferentes, en donde la segunda presión puede ser más alta que la primera presión.
En la presente realización de la presente invención, la primera presión se establece a una presión inferior a 0,1 kgf/cm2, y la segunda presión se establece a una presión de 0,1 kgf/cm2 a 0,5 kgf/cm2.10,19716 kgf/cm2 es 1 MPa. Asimismo, la tasa de carga de referencia se establece dentro de un rango de tasa de carga de 10 % a 20 %, más en particular, una tasa de carga de 15 % a 19 %.
Además, se describe un aparato para activar una celda de batería. El aparato para activar una celda de batería, que activa la celda de batería que comprende un electrodo positivo recubierto con un material de electrodo positivo de níquel-cobalto-manganeso (NCM), al cual se añade o en el cual se mezcla óxido de litio-níquel (LNO), comprende: una placa de calentamiento colocada entre dos o más celdas de batería laminadas para calentar las celdas de batería; y un dispositivo de presión que presiona las celdas de batería en una dirección laminada para aplicar una presión a cada una de las celdas de batería.
La placa de calentamiento puede presionar y calentar la celda de batería al mismo tiempo para proveer las dos funciones al mismo tiempo. Es decir, el dispositivo de presión puede no proveerse por separado sino estar combinado con la placa de calentamiento.
Asimismo, el aparato puede además comprender un termómetro que mide la temperatura de la celda de batería calentada por la placa de calentamiento y un manómetro que mide la presión aplicada a la celda de batería por el dispositivo de presión.
Efectos ventajosos
Cuando el proceso de activación se lleva a cabo según la presente invención con la configuración descrita más arriba, las condiciones de presión/calentamiento para suprimir la generación del gas pueden proveerse para evitar que ocurran el hinchamiento, la deformación de la batería y el deterioro del rendimiento debidos a la generación del gas.
Es decir, aunque se añada LNO al material de electrodo positivo basado en níquel NCM para mejorar el rendimiento, los problemas convencionales debidos a la generación del gas pueden resolverse.
Descripción de las figuras
La Figura 1 es una vista esquemática simplificada de un aparato de activación según la técnica relacionada.
La Figura 2 es una vista simplificada de un aparato de activación para ilustrar un estado en el cual un dispositivo de presión se integra a una placa de calentamiento.
La Figura 3 es una vista esquemática simplificada que ilustra un estado en el cual la placa de calentamiento y el dispositivo de presión se separan uno del otro.
La Figura 4 es un gráfico que ilustra que la retención C3 y C6 de capacidad de las celdas de batería activadas según un método de activación de la presente invención es más alta que C1 de la celda de batería según la técnica relacionada.
Descripción detallada de la invención
De aquí en adelante, realizaciones preferidas de la presente invención se describirán en detalle con referencia a los dibujos anexos de manera tal que la idea técnica de la presente invención pueda llevarse a cabo fácilmente por una persona con experiencia ordinaria en la técnica a la cual pertenece la invención. Sin embargo, la presente invención puede realizarse en diferentes formas y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones establecidas en la presente memoria.
Con el fin de ilustrar de manera clara la presente invención, partes que no están relacionadas con la descripción se han omitido, y los mismos componentes o componentes similares se denotan por los mismos numerales de referencia a lo largo de la memoria descriptiva.
Asimismo, términos o palabras usadas en la presente memoria y reivindicaciones no deben interpretarse de manera restrictiva como significados ordinarios o significados basados en el diccionario, sino que deben interpretarse como significados o conceptos que se ajustan al alcance de la presente invención según el principio de que un inventor puede definir, de manera apropiada, el concepto de un término para describir y explicar su invención de la mejor manera.
La presente invención se refiere a un método para activar una celda de batería en el cual un conjunto de electrodos y un electrolito se insertan/inyectan en una caja y provee un método que puede reducir la generación de un gas interno y reducir un tiempo de activación en comparación con la estructura según la técnica relacionada. En particular, según la presente invención, cuando un material de electrodo positivo de níquel-cobalto-manganeso (NCM), al cual ase añade o en el cual se mezcla un óxido de litio-níquel (LNO) como un material de activación de electrodo positivo, se aplica a un electrodo positivo que constituye el conjunto de electrodos, puede lograrse un mayor efecto. De aquí en adelante, las realizaciones según la presente invención se describirán en detalle con referencia a los dibujos anexos.
Realización 1
Con referencia a las Figuras 2 y 3, un aparato para activar una celda de batería según la realización 1 de la presente invención comprende una bandeja 20 en la cual celdas 10 de batería se alojan individualmente o se colocan para que se fijen y dispositivos 30 y 40 de contacto conectados a un electrodo 11 positivo y a un electrodo negativo de cada una de las celdas 10 de batería fijadas a la bandeja 20 para cargar/descargar las celdas 10 de batería y además comprende una placa 50 de calentamiento colocada entre las dos o más celdas 10 de batería laminadas para calentar las celdas 10 de batería y un dispositivo 60 de presión que presiona las celdas 10 de batería en una dirección laminada para aplicar una presión a cada una de las celdas 10 de batería.
Aquí, la placa 50 de calentamiento puede llevar a cabo las dos funciones de presión y calentamiento de las celdas 10 de batería al mismo tiempo según el diseño requerido. Es decir, el dispositivo 60 de presión puede no proveerse por separado sino estar combinado con la placa 50 de calentamiento.
Por ejemplo, como se ilustra en la Figura 2, la placa 50 de calentamiento con la cual se combina el dispositivo 60 de presión puede llevarse a cabo en una manera en la cual las celdas 10 de batería se presionan a medida que la placa 50 de calentamiento aumenta en grosor en un estado en el cual las placas 50 de calentamiento y las celdas 10 de batería se disponen, de manera alterna, adyacentes entre sí.
De manera alternativa, según se ilustra en la Figura 3, el dispositivo 60 de presión aplica fuerza a la placa 50 de calentamiento o a la celda 10 de batería, que se dispone en el lado más exterior, en una dirección del otro lado de modo que todas las celdas 10 de batería se presionan al mismo tiempo. Aquí, la presión puede aplicarse a todas las celdas 10 de batería. Para referencia, dado que la manera descrita más arriba en la cual la placa 50 de calentamiento aumenta en grosor se complica en la configuración, la manera en la cual todas las celdas 10 de batería se mueven en la dirección del otro lado por el dispositivo 60 de presión dispuesto en el lado más exterior de modo que todas las celdas 10 de batería se presionan al mismo tiempo puede ser simple en configuración y ventajosa en términos de viabilidad.
Aquí, el calentamiento de la placa 50 de calentamiento puede llevarse a cabo a través de un cable calefactor, un elemento de calentamiento o similares que se conocen. La presión de la placa 50 de calentamiento y/o del dispositivo 60 de presión puede llevarse a cabo acoplándose a un dispositivo hidráulico, neumático, electrónico, o similar, que es conocido.
En la configuración uniforme en la cual el dispositivo 60 de presión está separado, la placa 50 de calentamiento puede disponerse entre las respectivas celdas 10 de batería en la misma configuración, y cuando el dispositivo 60 de presión funciona, la bandeja 20 puede deformarse para evitar que ocurra una interferencia.
Además, en la presente realización, pueden proveerse un termómetro (no se muestra) para medir la temperatura de la celda 10 de batería calentada por la placa 50 de calentamiento y un manómetro (no se muestra) para medir la presión aplicada a la celda 10 de batería por el dispositivo 60 de presión.
El termómetro y el manómetro pueden proveer, de forma continua, información a un controlador (no se muestra) de la placa de calentamiento (y del dispositivo de presión). El controlador puede recibir la información para controlar la placa de calentamiento (y el dispositivo de presión) de modo que se apliquen la temperatura y presión requeridas de la celda 10 de batería.
Asimismo, el aparato puede además comprender un acondicionador de aire que enfría la celda 10 de batería caliente y descarga rápidamente aire caliente.
Realización 2
Además, la presente invención provee un método para activar una batería 10 mediante el uso del aparato de activación descrito más arriba.
Un método según la realización 2 de la presente invención es un método para activar una celda de batería que comprende un electrodo positivo recubierto con un material de electrodo positivo de níquel-cobalto-manganeso (NCM), al cual se añade o en el cual se mezcla óxido de litio-níquel (LNO). El método comprende una etapa de carga de la celda 10 de batería y una etapa de descarga de la celda 10 de batería. La etapa de carga y la etapa de descarga se llevan a cabo de manera repetida al menos una vez o al menos dos veces. En la etapa de carga de la celda 10 de batería, la celda 10 de batería se carga en una condición de carga de tasa C de 0,1 C a 0,5 C en un estado de calentamiento a una temperatura de 45 °C a 60 °C. Para referencia, tasa C 1 significa una cantidad de corriente que se usa para 1 hora cuando la celda de batería está totalmente cargada, 0,1 C significa una cantidad de corriente a la cual la celda de batería se carga totalmente cuando se carga durante 10 horas, y 0,5 C significa una cantidad de corriente, a la cual la celda de batería se carga totalmente cuando se carga durante 2 horas.
En mayor detalle, la celda 10 de batería puede cargarse en una condición de carga de tasa C de 0,2 C en un estado de calentamiento hasta una temperatura específica de 45 °C a 60 °C (una cantidad de corriente a la cual la celda de batería se carga totalmente cuando se carga durante 5 horas).
En la presente realización, la celda 10 de batería puede cargarse en un estado de descarga total a una tasa de carga de 0 %. Cuando se carga, la presión para presionar la celda 10 de batería se aplica de manera adicional (por el aparato de activación que comprende los componentes descritos más arriba). La presión se divide en una primera presión aplicada a la celda de batería en un primer intervalo de carga, que se determina de una tasa de carga de 0 % a una tasa de carga de referencia y una segunda presión aplicada a la celda de batería en un segundo intervalo de carga, que se determina de la tasa de carga de referencia a una tasa de carga de 100 %.
Aquí, la segunda presión es más alta que la primera presión. En la presente realización de la presente invención, la primera presión se establece a una presión inferior a 0,1 kgf/cm2, y la segunda presión se establece a una presión de 0,1 kgf/cm2 a 0,5 kgf/cm2.10,19716 kgf/cm2 es 1 MPa.
Asimismo, la tasa de carga de referencia se establece dentro de un rango de tasa de carga de 10 % a 20 %, más en particular, una tasa de carga de 15 % a 19 %.
Según se describe más arriba, la celda de batería se carga totalmente de una tasa de carga de 0 % a una tasa de carga de 100 %, y, luego, la celda de batería se descarga a una tasa de carga de 70 % de modo que la tasa de carga se ajusta a una tasa de carga de 30 %. Es decir, la celda de batería cargada a una tasa de carga de 100 % se descarga a una tasa de carga de 30 % y luego envejece en condiciones predeterminadas de temperatura y humedad. Es decir, cuando la carga y descarga se llevan a cabo en las condiciones descritas más arriba de modo que una capa entre fases de electrolito sólido se forma en la celda de batería, una etapa de envejecimiento de estabilización de la celda de batería activada se lleva a cabo como un proceso posterior. Aquí, la etapa de envejecimiento se lleva a cabo de la misma manera que el proceso de envejecimiento según la técnica relacionada.
Se confirma que la retención de capacidad de la celda de batería activada por el método de la presente invención (capacidad de cuánta capacidad permanece cuando la celda de batería se deja durante un período específico a una temperatura específica) es más alta que la de la celda de batería activada por el método según la técnica relacionada.
Es decir, en la Figura 4, C1 representa la retención de capacidad de la celda de batería que se somete al envejecimiento a temperatura ambiente y una temperatura alta en un estado de carga hasta un valor específico a una tasa de carga de 20 % a 40 % en una condición de carga de tasa C de 0,1 C a temperatura ambiente, C3 representa la retención de capacidad de la celda de batería que se carga a una tasa de carga de 100 % en una condición de carga de tasa C de 0,2 C en un estado de calentamiento a una temperatura de 35 °C a 45 °C según una realización de la presente invención y luego se descarga a una tasa de carga de 20 % a 40 % para llevar a cabo el envejecimiento a temperatura ambiente y la alta temperatura, y C6 representa la retención de capacidad de la celda de batería que se carga a una tasa de carga de 100 % en una condición de carga de tasa C de 0,2 C en un estado de calentamiento a una temperatura de 50 °C a 70 °C según una realización de la presente invención y luego se descarga a una tasa de carga de 20 % a 40 % para llevar a cabo el envejecimiento a temperatura ambiente y alta temperatura.
Como se ilustra en el gráfico de la Figura 4, se confirma que la retención de capacidad (%) de la celda de batería por el método activado según la presente invención es más alta que (%) de la celda de batería por el método activado según la técnica relacionada. Asimismo, en el método de activación de la presente invención, dado que la celda de batería se encuentra en el estado presionado (desviado de la condición de generación de gas), puede esperarse un efecto de supresión de la generación de gas en comparación con el método según la técnica relacionada.
Es decir, cuando el proceso de activación se lleva a cabo según la presente invención con la configuración descrita más arriba, las condiciones de presión/calentamiento para suprimir la generación del gas pueden proveerse para evitar que ocurran el hinchamiento, la deformación de la batería, y el deterioro del rendimiento debidos a la generación del gas. En particular, aunque LNO se añada al material de electrodo positivo basado en níquel NCM para mejorar el rendimiento, los problemas convencionales debidos a la generación del gas pueden resolverse.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un método para activar una celda de batería, que activa la celda de batería que comprende un electrodo positivo recubierto con un material de electrodo positivo de níquel-cobalto-manganeso (NCM), al cual se añade o en el cual se mezcla óxido de litio-níquel (LNO), el método comprendiendo:
una etapa de carga de la celda de batería; y
una etapa de descarga de la celda de batería,
en donde, en la etapa de carga de la celda de batería, la celda de batería se carga en una condición de carga de tasa C de 0,1 C a 0,5 C en un estado de calentamiento a una temperatura de 45 °C a 60 °C;
en donde la celda de batería se carga en un estado de descarga total a una tasa de carga de 0 %,
una primera presión se aplica a la celda de batería en un primer intervalo de carga, que se determina de una tasa de carga de 0 % a una tasa de carga de referencia y una segunda presión aplicada a la celda de batería en un segundo intervalo de carga, que se determina de la tasa de carga de referencia a una tasa de carga de 100 %, y la primera presión y la segunda presión son diferentes.
2. El método de la reivindicación 1, en donde la celda de batería se carga en una condición de carga de tasa C de 0,2 C en un estado de calentamiento a una temperatura de 45 °C a 60 °C.
3. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde la segunda presión es más alta que la primera presión.
4. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la primera presión se establece a una presión inferior a 0,0098 MPa (0,1 kgf/cm2), y la segunda presión se establece a una presión de 0,0098 MPa a 0,049 MPa (0,1 kgf/cm2 a 0,5 kgf/cm2).
5. El método de la reivindicación 1, en donde la tasa de carga de referencia se establece dentro de un rango de tasa de carga de 10 % a 20 %.
6. El método de la reivindicación 5, en donde la tasa de carga de referencia se establece dentro de un rango de tasa de carga de 15 % a 19 %.
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que además comprende una etapa de descarga de la celda de batería, que se carga a una tasa de carga de 100 %, a una tasa de carga de 20 % a 40 % y el envejecimiento de la celda de batería en condiciones predeterminadas de temperatura y humedad.
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