ES2961256T3 - Celda de batería en la que se incluye un componente de electrolito gelificado en un poro de un separador que configura un conjunto de electrodos - Google Patents

Celda de batería en la que se incluye un componente de electrolito gelificado en un poro de un separador que configura un conjunto de electrodos Download PDF

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Abstract

La presente invención proporciona una celda de batería que comprende: un conjunto de electrodos que tiene una estructura en la que se interpone un separador entre un cátodo y un ánodo; una solución de electrolito líquido y una caja de batería sellada en la que un conjunto de electrodos está impregnado en la solución de electrolito líquido. en el que el separador está formado con una pluralidad de poros, y caracterizado porque los poros incluyen un componente de electrolito gelificado que es diferente de la solución de electrolito líquido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Celda de batería en la que se incluye un componente de electrolito gelificado en un poro de un separador que configura un conjunto de electrodos
Campo técnico
La presente invención se refiere a una celda de batería en la que se incluye un componente de electrolito gelificado en un poro de un separador que configura un conjunto de electrodos.
Antecedentes
En los últimos años ha aumentado el precio de las fuentes de energía debido al agotamiento de los combustibles fósiles y ha aumentado el interés por la contaminación ambiental. Por tanto, la demanda de fuentes de energía alternativas respetuosas con el medio ambiente se ha convertido en un factor indispensable para la vida futura. Se siguen realizando diversos estudios sobre tecnologías de generación de energía, tales como energía nuclear, energía solar, energía eólica y energía mareomotriz, y también han llamado mucho la atención los dispositivos de almacenamiento de energía para un uso más eficiente de tal energía generada.
En particular, a medida que aumentan el desarrollo tecnológico y la demanda de dispositivos móviles, la demanda de baterías como fuente de energía aumenta rápidamente y se han realizado muchos estudios sobre baterías que satisfacen diversas demandas.
Normalmente, en lo que se refiere a la forma de la batería, aumenta la demanda de una batería secundaria prismática y una batería secundaria de tipo bolsa que pueda aplicarse a productos tales como teléfonos móviles que tengan un grosor pequeño, y en lo que se refiere al material, aumenta la demanda de una batería secundaria de litio tal como una batería de iones de litio y una batería de polímero de iones de litio que tenga ventajas tales como una densidad de energía, una tensión de descarga y una estabilidad de salida altas.
Además, la batería secundaria se clasifica según cómo se construye un conjunto de electrodos que tiene una estructura en la que se apilan un cátodo, un ánodo y un separador interpuesto entre el cátodo y el ánodo. Normalmente, un ejemplo de batería secundaria puede incluir un conjunto de electrodos de tipo rollo (tipo enrollado) que tiene una estructura enrollada en la que se enrollan cátodos y ánodos largos en forma de láminas que tienen un separador interpuesto entre ellos, un conjunto de electrodos de tipo apilamiento en el que una pluralidad de cátodos y ánodos cortados en unidades de un tamaño predeterminado se apilan secuencialmente teniendo un separador interpuesto entre ellos, o similar. En los últimos años, para resolver los problemas del conjunto de electrodos de tipo rollo y el conjunto de electrodos de tipo apilamiento, como el conjunto de electrodos que tiene una estructura progresiva en la que se mezclan el tipo de rollo y el tipo de apilamiento, se ha desarrollado un conjunto de electrodos de tipo apilamiento/plegamiento que tiene una estructura en la que celdas unitarias en las que se apilan cátodos y ánodos en una unidad predeterminada teniendo un separador interpuesto entre ellos y se enrollan secuencialmente con y se ubican sobre una película de separación.
Además, la batería secundaria se clasifica en una batería cilíndrica y una batería prismática en la que el conjunto de electrodos está incluido en una lata de metal cilíndrica o prismática según la forma de la carcasa de batería, y una batería de tipo bolsa en la que se incluye el conjunto de electrodos en una carcasa similar a una bolsa de una hoja laminada de aluminio.
En particular, recientemente, una batería de tipo bolsa que tiene una estructura en la que un conjunto de electrodos de tipo apilamiento o de tipo apilamiento/plegamiento está incluido en una carcasa de batería de tipo bolsa de una hoja laminada de aluminio ha atraído mucha atención debido al bajo coste de fabricación, al peso reducido, al cambio de forma fácil y similares, y su uso está aumentando gradualmente.
En general, la batería secundaria se completa fabricando el electrodo recubriendo y secando una mezcla de electrodos en la que se mezclan un material activo de electrodo, un agente conductor, un aglutinante, etc., sobre un colector de corriente de electrodo, y apilando el electrodo fabricado junto con el separador y luego incluyendo el electrodo y el separador en la carcasa de batería junto con una disolución de electrolito y sellándolo.
En este momento, el separador es una película delgada aislante que tiene transmisión de iones y resistencia mecánica altas, y tiene una estructura que incluye poros que tienen un diámetro predeterminado. Más específicamente, se usa una lámina, un material textil no tejido o similar compuesto por polímero a base de olefina tal como polipropileno hidrófobo y resistente a productos químicos, fibra de vidrio, polietileno o similares. Cuando se usa como electrolito un electrolito sólido tal como un polímero, el electrolito sólido también puede servir como separador.
Sin embargo, cuando el tamaño de los poros es grande o la porosidad es alta, el separador puede ser ventajoso en el movimiento de iones de litio, pero el rendimiento de aislamiento ejercido entre el cátodo y el ánodo puede deteriorarse, de modo que puede deteriorarse la seguridad de la batería.
Por otro lado, cuando el tamaño del poro del separador es demasiado pequeño o la porosidad es demasiado baja, a medida que avanza el ciclo de carga y descarga de la batería, se generan subproductos debido a la descomposición de la disolución de electrolito o similar cerca de los poros del separador, de modo que puede deteriorarse el rendimiento eléctrico de la batería.
Además, cuando el electrolito sólido sirve como separador, existe la ventaja de que se reduce la generación de gas en la batería o se mejora la seguridad, pero la propiedad de impregnabilidad y la conductividad iónica son menores que las del electrolito líquido, de modo que puede deteriorarse el rendimiento de la batería.
Por tanto, aumenta la necesidad de una tecnología capaz de resolver fundamentalmente tales problemas.
El documento KR 2015-0007907 A describe un separador poroso complejo con porosidad al aire reducida que se logra añadiendo una capa de banda de nanofibras de polímero poroso de película delgada o una capa de película inorgánica al material textil poroso usado como soporte. Se dice que esto impide los microcortocircuitos y la degradación de OCV, mejora el tratamiento y reduce los costes de fabricación.
El documento JP 2012-146492 A describe una batería secundaria de iones de litio que incluye: un electrodo positivo; un electrodo negativo; un separador dispuesto entre ambos electrodos; una composición de gel de electrolito del lado de electrodo positivo que incluye un disolvente no acuoso y una sal de soporte; y una composición de electrolito del lado de electrodo negativo que incluye un disolvente no acuoso y una sal de soporte. Entre el electrodo positivo y el separador se dispone el gel de electrolito que incluye el disolvente no acuoso y la sal de soporte.
Problema técnico
La presente invención se ha realizado para resolver los problemas mencionados anteriormente de la técnica anterior y los problemas técnicos que se han solicitado desde el pasado.
Los inventores de esta solicitud completaron la presente invención que tiene una estructura (que se describirá a continuación) en la que se incluye un componente de electrolito gelificado en una pluralidad de poros formados en un separador mediante la repetición de estudios en profundidad y diversos experimentos. Mediante esta estructura, aunque se use el separador que tiene poros de gran diámetro, se mejora el aislamiento entre el cátodo y el ánodo para garantizar la seguridad de la celda de batería e impedir que la conductividad iónica se deteriore debido al cierre de los poros, se mantiene la alta impregnabilidad de la disolución de electrolito para impedir que se deteriore el rendimiento de la celda de batería, y se impide que el separador se contraiga térmicamente debido al cambio en la temperatura de la celda de batería en comparación con la estructura que incluye sólo el electrolito líquido para mejorar la estabilidad.
Solución técnica
La presente invención proporciona una celda (100) de batería, que comprende:
un conjunto (110) de electrodos que tiene una estructura en la que un separador (113) está interpuesto entre un cátodo (111) y un ánodo (112),
una disolución (130) de electrolito líquido, y
una carcasa (120) de batería sellada en la que un conjunto (110) de electrodos se impregna en la disolución (130) de electrolito líquido,
en la que el separador (113) está formado con una pluralidad de poros (114),
y caracterizada porque los poros incluyen un componente (115) de electrolito gelificado que es diferente de la disolución de electrolito líquido,
en la que el componente (115) de electrolito gelificado es un material o bien polimerizado o bien curado después de que el separador (113) se impregna en un líquido (210) mixto que incluye un componente (211) de disolución de electrolito en un estado de monómero y/u oligómero licuado y un iniciador (212) de polimerización para introducir el líquido mixto en los poros del separador.
Por tanto, aunque se use el separador que tiene poros de gran diámetro, se mantiene el aislamiento entre el cátodo y el ánodo para garantizar la seguridad de la celda de batería e impedir que la conductividad iónica se deteriore debido al cierre de los poros, se mantiene una alta impregnabilidad de la disolución de electrolito para impedir que se deteriore el rendimiento de la celda de batería, y se impide que el separador se contraiga térmicamente debido a un cambio en la temperatura de la celda de batería en comparación con una estructura que incluye sólo un electrolito líquido para mejorar la estabilidad.
En un ejemplo específico, los poros formados en el separador pueden tener un diámetro promedio de 0,01 |i m a 100 |i m, y más específicamente, un diámetro promedio de 1 |i m a 10 |i m.
Además, el separador puede tener una porosidad del 40 % al 90 %.
Si el diámetro promedio y la porosidad de los poros son demasiado pequeños más allá del intervalo anterior, no puede mostrarse el efecto de impedir que se deteriore la conductividad iónica, o el componente de electrolito gelificado no puede incluirse suficientemente y, por tanto, la impregnabilidad de la disolución de electrolito puede deteriorarse.
Por el contrario, si el diámetro promedio y la porosidad de los poros son demasiado grandes más allá del intervalo, el aislamiento eléctrico se deteriora incluso si el componente de electrolito gelificado está incluido en los poros y, por tanto, la seguridad de la celda de batería puede deteriorarse.
Mientras tanto, el componente de electrolito se polimeriza o se cura después de que el separador se impregna en un líquido mixto que incluye un componente de disolución de electrolito en un estado de monómero y/u oligómero licuado y un iniciador de polimerización para introducir el líquido mixto en los poros del separador.
Más específicamente, el componente de electrolito incluido en los poros del separador no tiene una estructura que se gelifique y luego se introduzca en los poros, sino que puede tener una estructura en la que el líquido mixto que incluye el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado y el iniciador de polimerización se introduce en los poros del separador y entonces se polimeriza o se cura para gelificarse de manera estable dentro de los poros del separador.
En este momento, los poros del separador pueden conectarse entre sí en una estructura de red tridimensional, de modo que el líquido mixto que incluye el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado y el iniciador de polimerización puede introducirse más fácilmente en los poros del separador. Según la estructura anterior, los componentes de disolución de electrolito se introducen en los poros del separador y entonces se polimerizan o se curan, y luego se conectan entre sí en la estructura de red tridimensional, mejorando así la estabilidad estructural.
En este caso, los poros del separador pueden tener cada uno la estructura formada independientemente.
En un ejemplo específico, el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado es al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en un derivado de polietileno, un derivado de poli(óxido de etileno), un derivado de poli(óxido de propileno), un polímero de éster fosfato, una poli-e-lisina, un sulfuro de poliéster, un poli(alcohol vinílico), un poli(fluoruro de vinilideno) o un polímero que incluye un grupo de disociación iónica.
Sin embargo, el componente de electrolito no se limita a ello, sino que específicamente puede incluir al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en nitruro, haluro y sulfato de Li. El componente de electrolito puede incluir al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en Li3N, Lil, LisNh, Li3N-LiI-LiOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, Li4SiO4, Li4SiO4-Lil-LiOH y Li3PO4-Li2S-SiS2.
Es decir, el componente de electrolito puede incluir el mismo componente que un electrolito sólido orgánico o un electrolito sólido inorgánico.
Además, el iniciador de polimerización puede gelificar el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado mediante luz o calor aplicado desde el exterior.
Dicho de otro modo, el iniciador de polimerización puede servir para polimerizar o curar el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado mediante un estímulo externo, específicamente, gelificar el componente de disolución de electrolito mediante luz o calor, y más específicamente, el iniciador de polimerización puede gelificar el componente de disolución de electrolito mediante calor teniendo en cuenta el hecho de que el separador está interpuesto entre el cátodo y el ánodo.
En este caso, el componente de electrolito en el licuado introducido en los poros del separador puede ser una estructura que se polimeriza o se cura durante de 1 hora a 20 horas en un intervalo de temperatura de 40 °C a 90 °C.
Si el componente de electrolito se polimeriza o se cura durante un corto periodo de tiempo en un intervalo de temperatura excesivamente bajo más allá del intervalo anterior, el separador no puede impregnarse en el estado en el que el líquido mixto que incluye el componente de disolución de electrolito se mantiene en estado líquido, mientras que si el componente de disolución de electrolito se polimeriza o se cura durante un largo periodo de tiempo en un intervalo de temperatura excesivamente alto, pueden aumentar el coste y el tiempo requeridos para polimerizar o curar el componente de disolución de electrolito.
Además, el iniciador de polimerización puede polimerizarse o curarse en condiciones de temperatura y tiempo para gelificarse de manera estable en los poros de la membrana de separación y, al mismo tiempo, el componente del mismo no está limitado particularmente siempre que no obstaculice el rendimiento electroquímico de la celda de batería, y específicamente, puede incluir al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en peróxido de benzoílo (BPO), peróxido de acetilo, peróxido de dilaurilo, peróxido de di-terc-butilo, hidroperóxido de cumilo, peróxido de hidrógeno, 2,2-azobis(2-cianobutano), 2,2-azobis(metilbutironitrilo), azobis(isobutironitrilo) (AIBN) y azobisdimetil-valeronitrilo (AMVN).
Por otro lado, el contenido del iniciador de polimerización puede ser del 0,01 % en peso al 5 % en peso con respecto al componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado.
Si el contenido del iniciador de polimerización es menor del 0,01 % en peso con respecto al componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado, el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado puede no polimerizarse o curarse suficientemente, y si el contenido del iniciador de polimerización supera el 5 % en peso y se incluye excesivamente, el contenido del componente de disolución de electrolito se reduce relativamente, de modo que no puede mostrarse el efecto deseado.
La celda de batería es una estructura en la que incluye además la disolución de electrolito líquido.
En este momento, la disolución de electrolito líquido es una estructura en la que está sellada en una carcasa de batería en un estado en el que se impregna el conjunto de electrodos.
Más específicamente, la celda de batería incluye el conjunto de electrodos que tiene la estructura en la que el separador que incluye el componente de disolución de electrolito gelificado en la pluralidad de poros está interpuesto entre el cátodo y el ánodo, y en la que una disolución de electrolito líquido separada se sella en la carcasa de batería en el estado en el que se impregna el conjunto de electrodos, y por tanto incluye una disolución de electrolito líquido además del componente de electrolito gelificado.
Por tanto, la celda de batería puede mejorar la impregnabilidad del conjunto de electrodos con respecto a la disolución de electrolito, puede complementar la disolución de electrolito adicional además del componente de electrolito gelificado, mejorando así el rendimiento eléctrico de la celda de batería.
En este caso, la disolución de electrolito líquido es un componente diferente del componente de electrolito gelificado ubicado en los poros del separador, y específicamente, puede ser al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en N-metil-2-pirrolidinona, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de butileno, carbonato de dimetilo, carbonato de dietilo, gamma-butirolactona, 1,2-dimetoxietano, 2-metiltetrahidrofurano, dimetilsulfóxido, 1,3-dioxolano, formamida, dimetilformamida, dioxolano, acetonitrilo, nitrometano, formiato de metilo, acetato de metilo, fosfato de triéster, trimetoximetano, derivados de dioxolano, sulfolano, metilsulfolano, 1,3-dimetil-2-imidazolidinona, derivados de carbonato de propileno, derivados de tetrahidrofurano, éter, pirofosfato de metilo y propionato de etilo.
En un ejemplo específico, el tipo de celda de batería no está limitado particularmente, pero ejemplos específicos de la misma incluyen una batería secundaria de litio tal como una batería de iones de litio y una batería de polímero de iones de litio que tiene ventajas tales como una densidad de energía, una tensión de descarga y una estabilidad de salida altas.
En general, la batería secundaria de litio incluye un cátodo, un ánodo, un separador y una disolución de electrolito no acuoso que contiene sal de litio.
El cátodo se prepara, por ejemplo, recubriendo y secando una mezcla de un material activo de cátodo, un material conductor y un aglutinante en un colector de corriente de cátodo y, opcionalmente, puede añadirse además una carga a la mezcla.
El material activo de cátodo puede ser un compuesto en capas tal como óxido de litio y cobalto (LiCoO2) u óxido de litio y níquel (LiNiO2) o un compuesto sustituido en uno o más metales de transición; óxidos de litio y manganeso tales como Lii+xMn2-xO4 (donde x es de 0 a 0,33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 y similares; óxido de cobre y litio (Li2CuO2); óxidos de vanadio tales como LiV3O8, LiFe3O4, V2O5 y Cu2V2O7; óxido de litio y níquel tipo sitio de Ni representado por la fórmula química LÍNÍ1-<x>M<x>O2 (donde M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B o Ga y x = de 0,01 a 0,3); óxido compuesto de litio y manganeso representado por la fórmula química LiMn2-xMxO2 (donde M = Co, Ni, Fe, Cr, Zn o Ta y x = de 0,01 a 0,1) o Li2Mn3MO8 (donde M = Fe, Co, Ni, Cu o Zn); LiMn2O4 en el que una parte de Li en la fórmula química se sustituye por un ion de metal alcalinotérreo; un compuesto de disulfuro; Fe2(MoO4)3, pero no se limita a ello.
El material conductor se añade generalmente entre un 1 y un 30%en peso basado en el peso total de la mezcla que incluye el material activo de cátodo. Un material conductor de este tipo no está limitado particularmente siempre que tenga conductividad sin provocar cambios químicos en la batería, y ejemplos del mismo pueden incluir grafito tal como grafito natural y grafito artificial; negro de carbono tal como negro de carbono, negro de acetileno, negro de Ketjen, negro de canal, negro de horno, negro de lámpara y negro de verano; fibras conductoras tales como fibra de carbono y fibra de metal; polvos de metal tales como polvo de fluoruro de carbono, aluminio y níquel; fibras cortas conductoras tales como de óxido de cinc y titanato de potasio; óxidos de metal conductor tales como óxido de titanio; materiales conductores tales como derivados de polifenileno.
El aglutinante es un componente que ayuda en la unión entre el material activo y el material conductor y en la unión al colector de corriente, y habitualmente se añade en una cantidad del 1 al 30 % en peso basado en el peso total de la mezcla que incluye el material activo de cátodo. Los ejemplos del aglutinante pueden incluir poli(fluoruro de vinilideno), poli(alcohol vinílico), carboximetilcelulosa (CMC), almidón, hidroxipropilcelulosa, celulosa regenerada, polivinilpirrolidona, tetrafluoroetileno, polietileno, polipropileno, terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno-butileno, caucho fluorado, diversos copolímeros.
La carga se usa opcionalmente como componente para suprimir la expansión del cátodo y no está limitada particularmente siempre que sea un material fibroso sin provocar un cambio químico en la batería. Los ejemplos de la carga pueden incluir polímeros basados en olefinas tales como polietileno y polipropileno; materiales fibrosos tales como fibra de vidrio, fibra de carbono.
El ánodo se fabrica recubriendo y secando el material activo de ánodo en el colector de corriente de ánodo y, opcionalmente, puede incluir además componentes como los descritos anteriormente según sea necesario.
Los ejemplos del material activo de ánodo pueden incluir carbono tal como carbono no grafitizado y carbono basado en grafito; óxidos compuestos de metal tales como LixFe2O3 (0<x<1), LixWO2 (0<x<1), SnxMe-i-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, elementos de los grupos I, II y III en la tabla periódica, halógeno; 0 < x < 1; 1 < y < 3; 1 < z <8); metal de litio; aleación de litio; aleación basada en silicio; aleación basada en estaño; óxidos metálicos tales como SnO, SnO2, PbO, PbO2, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5, GeO, GeO2, Bi2O3, Bi2O4 y BhOs; polímeros conductores tales como poliacetileno; materiales basados en Li-Co-Ni.
Para mejorar la seguridad de la batería, el separador y/o la película de separación pueden ser separadores de refuerzo de seguridad (SRS) porosos de material compuesto orgánico/inorgánico.
El separador SRS se produce usando partículas inorgánicas y un polímero aglutinante sobre una base de separador basada en poliolefina como componente de capa activa. En este momento, el separador SRS tiene una estructura de poros uniforme formada por un volumen intersticial entre partículas de material inorgánico como componente de capa activa además de la estructura de poros incluida en la propia base de separador.
El uso del separador poroso de material compuesto orgánico/inorgánico puede suprimir el aumento en el grosor de celda debido al hinchamiento durante la formación en comparación con el uso del separador general, y también puede usarse como electrolito cuando se usa un polímero gelificable como componente de polímero aglutinante cuando se impregna el electrolito líquido.
Además, dado que el separador poroso de material compuesto orgánico/inorgánico puede mostrar excelentes características de fuerza adhesiva controlando el contenido de las partículas de material inorgánico y el polímero aglutinante que son el componente de capa activa en el separador, el proceso de montaje de la batería puede realizarse fácilmente.
Las partículas de material inorgánico no están limitadas particularmente siempre que estén estabilizadas electroquímicamente. Es decir, las partículas de material inorgánico que pueden usarse en la presente invención no están limitadas particularmente siempre que la reacción de oxidación y/o reducción no se produzca en un intervalo de tensión de funcionamiento (por ejemplo, de 0 a 5 V basado en Li/Li+) de la batería aplicada. En particular, cuando se usan partículas de material inorgánico que tienen capacidad de transferencia de iones, la conductividad iónica en el dispositivo electroquímico puede aumentarse para mejorar el rendimiento, de modo que la conductividad iónica sea preferiblemente lo más alta posible. Además, cuando las partículas inorgánicas tienen una alta densidad, dado que es difícil dispersar las partículas en el momento del recubrimiento, y existe el problema de aumentar el peso en el momento de la fabricación de la batería, es preferible reducir la densidad si es posible. Además, el material inorgánico que tiene una constante dieléctrica alta contribuye a aumentar la disociación de una sal de electrolito, por ejemplo, una sal de litio en el electrolito líquido para mejorar la conductividad iónica de la disolución de electrolito. La sal de litio es un material que puede disolverse bien en el electrolito no acuoso y ejemplos de la misma pueden incluir LiCl, LiBr, Lil, LiClO4, LiBF4, LiB-i0Cl-i0, LiPFa, UCF3SO3, UCF3CO2, LiAsFa, LiSbFa, LiAlCk CH3SO3U, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, cloroborano de litio, ácido carbónico alifático inferior de litio, ácido 4-fenilbórico de litio, imida.
Además, con el fin de mejorar las características de carga/descarga, el retardo de llama, en la disolución de electrolito no acuoso puede añadirse, por ejemplo, piridina, fosfito de trietilo, trietanolamina, éter cíclico, etilendiamina, n-glima, triamida de ácido hexafosfórico, derivado de nitrobenceno, azufre, colorante de quinonaimina, oxazolidinona N-sustituida, imidazolidina N,N-sustituida, dialquil éter de etilenglicol, sal de amonio, pirrol, 2-metoxietanol y tricloruro de aluminio. En algunos casos, puede añadirse adicionalmente un disolvente que contiene halógeno, tal como tetracloruro de carbono o trifluoruro de etileno, para conferir no inflamabilidad, o puede añadirse adicionalmente un gas de dióxido de carbono para mejorar las características de almacenamiento a alta temperatura.
Mientras tanto, una realización a modo de ejemplo de la presente invención proporciona un método para fabricar la celda de batería descrita anteriormente, incluyendo el método:
a) fabricar un conjunto de electrodos interponiendo un separador entre un cátodo y un ánodo;
b) impregnar el conjunto de electrodos fabricado en la etapa a) en un líquido mixto que incluye un componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado y un iniciador de polimerización;
c) impregnar el conjunto de electrodos en una carcasa de batería junto con la disolución de electrolito líquido y luego sellar la carcasa de batería; y
d) polimerizar o curar el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero introducido en un poro del separador.
Es decir, la celda de batería se forma impregnando el conjunto de electrodos fabricado interponiendo el separador entre el ánodo y el cátodo en el líquido mixto que incluye el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado y el iniciador de polimerización, e impregnando de nuevo el conjunto de electrodos en la carcasa de batería junto con el electrolito líquido y sellando la carcasa de batería, y la celda de batería puede fabricarse polimerizando o curando el componente de electrolito introducido en el poro del separador envejeciendo la celda de batería.
Si el separador se impregna por separado en el líquido mixto que incluye el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado y el iniciador de polimerización y entonces se polimeriza o se cura, el procedimiento de montar el conjunto de electrodos que tiene el separador interpuesto entre el cátodo y el ánodo puede no realizarse fácilmente debido al componente de disolución de electrolito incluido en el separador.
Por otro lado, el método para fabricar una celda de batería según la presente invención puede montar más fácilmente el conjunto de electrodos, ahorrando así el coste y el tiempo requeridos para el procedimiento, y mejorando adicionalmente la estabilidad estructural del conjunto de electrodos.
En este momento, el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero introducido en los poros del separador en la etapa d) está suficientemente gelificado y puede polimerizarse o curarse durante de 1 a 20 horas en el intervalo de temperatura de 40 °C a 90 °C, de modo que puede estar contenido de manera estable en los poros del separador.
Si el procedimiento de polimerización o curado se realiza a lo largo de un corto periodo de tiempo a una temperatura excesivamente baja más allá de la temperatura y el tiempo en el intervalo anterior, el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero introducido en el poro del separador puede no gelificarse suficientemente, mientras que si el procedimiento de polimerización o curado se realiza a lo largo de un periodo de tiempo prolongado a una temperatura excesivamente alta, puede actuar como factor para reducir el rendimiento eléctrico de la celda de batería.
Mientras tanto, el método para fabricar una celda de batería puede incluir además una etapa de desgasificación para descargar el gas generado en la celda de batería en la etapa de envejecimiento para la polimerización o el curado del componente de disolución de electrolito.
La presente invención también proporciona un bloque de baterías que incluye la celda de batería y un dispositivo que incluye el bloque de baterías como fuente de alimentación, en el que el dispositivo puede ser uno cualquiera de un teléfono móvil, un ordenador tipo tableta, un ordenador portátil, una herramienta eléctrica, un dispositivo electrónico ponible, un vehículo eléctrico, un vehículo eléctrico híbrido, un vehículo eléctrico híbrido enchufable y un dispositivo de almacenamiento de energía.
Dado que el bloque de baterías y los dispositivos se conocen bien en la técnica, se omitirá una descripción detallada de los mismos en el presente documento.
Descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista esquemática que muestra esquemáticamente una estructura de una celda de batería según una realización de la presente invención;
La figura 2 es una vista esquemática que muestra esquemáticamente un procedimiento de fabricación de la celda de batería de la figura 1.
Descripción detallada de las realizaciones
A continuación en el presente documento, se describirá la presente invención en detalle con referencia a los dibujos según realizaciones de la presente invención.
La figura 1 es una vista esquemática que muestra esquemáticamente una estructura de una celda de batería según una realización de la presente invención.
Haciendo referencia a la figura 1, una celda 100 de batería incluye un conjunto 110 de electrodos, en la que el conjunto 110 de electrodos está sellado en una carcasa 120 de batería mientras se impregna en un electrolito 130 líquido.
El conjunto 110 de electrodos tiene una estructura en la que un cátodo 111 y un ánodo 112 están apilados de manera alterna y un separador 113 está interpuesto entre el cátodo 111 y el ánodo 112.
Una pluralidad de poros 114 están formados en el separador 113 y un componente 115 de electrolito gelificado está incluido en los poros 114.
Por tanto, aunque se use el separador 113 que tiene un poro 114 de diámetro grande, el componente 115 de electrolito gelificado incluido en el poro 114 puede soportar de manera estable el separador 113 para garantizar el aislamiento entre el cátodo 111 y el ánodo 112 y mejorar la estabilidad estructural.
Los poros 114 pueden tener diferentes tamaños cuando se considera la facilidad de fabricación, pero sin limitarse a ello. Los poros 114 pueden tener el mismo tamaño.
Los poros 114 se forman por separado, pero sin limitarse a ello. Los poros 114 pueden conectarse entre sí como una estructura de red tridimensional, y pueden soportar de manera más estable el separador 113 mediante el componente 115 de electrolito gelificado incluido en los poros 114.
La figura 2 es una vista esquemática que muestra esquemáticamente un procedimiento de fabricación de la celda de batería de la figura 1.
Haciendo referencia a la figura 2, el conjunto 110 de electrodos se impregna primero en un líquido mixto que incluye un componente 211 de disolución de electrolito en un estado de monómero y/u oligómero licuado y un iniciador 212 de polimerización.
Por consiguiente, el líquido 210 mixto puede introducirse suficientemente en la pluralidad de poros 114 formados en el separador 113 del conjunto 110 de electrodos.
A continuación, el conjunto 110 de electrodos en el que se introduce el líquido 210 mixto en los poros 114 del separador 113 se impregna en la carcasa 120 de batería junto con el electrolito 130 líquido y la carcasa 120 de batería se sella, con lo que se fabrica la celda 100 de batería.
La celda 100 de batería se envejece a una temperatura en el intervalo de 40 °C a 90 °C durante de 1 hora a 20 horas de modo que el componente 211 de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado puede polimerizarse o curarse, de modo que el componente 115 de electrolito gelificado puede incluirse de manera estable en los poros 114 del separador 113.
Aplicabilidad industrial
Tal como se describió anteriormente, la celda de batería según la presente invención tiene una estructura en la que un componente de electrolito gelificado está incluido en una pluralidad de poros formados en un separador. Mediante la estructura, aunque se use un separador que tenga un diámetro de poro grande, se mejora el aislamiento entre el cátodo y el ánodo para garantizar la seguridad de la celda de batería e impedir que se deteriore la conductividad debido al cierre de los poros, se mantiene la alta impregnabilidad de la disolución de electrolito para impedir que se deteriore el rendimiento de la celda de batería, y se impide que el separador se contraiga térmicamente debido al cambio en la temperatura de la celda de batería en comparación con la estructura que incluye sólo el electrolito líquido para mejorar la estabilidad.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Celda (100) de batería, que comprende:
    un conjunto (110) de electrodos que tiene una estructura en la que un separador (113) está interpuesto entre un cátodo (111) y un ánodo (112),
    una disolución (130) de electrolito líquido, y
    una carcasa (120) de batería sellada en la que un conjunto (110) de electrodos se impregna en la disolución (130) de electrolito líquido,
    en la que el separador (113) está formado con una pluralidad de poros (114),
    y caracterizada porque los poros incluyen un componente (115) de electrolito gelificado que es diferente de la disolución de electrolito líquido,
    en la que el componente (115) de electrolito gelificado es un material o bien polimerizado o bien curado después de que el separador (113) se impregna en un líquido (210) mixto que incluye un componente (211) de disolución de electrolito en un estado de monómero y/u oligómero licuado y un iniciador (212) de polimerización para introducir el líquido mixto en los poros del separador.
  2. 2. Celda de batería según la reivindicación 1, en la que:
    los poros formados del separador tienen un diámetro promedio de 0,01 |i m a 100 |i m.
  3. 3. Celda de batería según la reivindicación 1, en la que:
    el separador tiene una porosidad del 40 % al 90 %.
  4. 4. Celda de batería según la reivindicación 1, en la que:
    el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado es al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en un derivado de polietileno, un derivado de poli(óxido de etileno), un derivado de poli(óxido de propileno), un polímero de éster fosfato, una poli-s-lisina, un sulfuro de poliéster, un poli(alcohol vinílico), un poli(fluoruro de vinilideno) o un polímero que incluye un grupo de disociación iónica.
  5. 5. Celda de batería según la reivindicación 1, en la que:
    el componente de electrolito incluye al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en nitruro, haluro y sulfato de Li.
  6. 6. Celda de batería según la reivindicación 1, en la que:
    el componente de electrolito incluye al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en Li3N, Lil, U5NI2, LiaN-UI-UOH, LiSiO4, USO4-UI-UOH, Ü2SiS3, U4SO4, U4SO4-UI-UOH y U3PO4-Ü2S-SiS2.
  7. 7. Celda de batería según la reivindicación 1, en la que:
    el iniciador de polimerización gelifica el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado mediante luz o calor aplicado desde el exterior.
  8. 8. Celda de batería según la reivindicación 1, en la que:
    el iniciador de polimerización incluye al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en peróxido de benzoílo (BPO), peróxido de acetilo, peróxido de dilaurilo, peróxido de di-terc-butilo, hidroperóxido de cumilo, peróxido de hidrógeno, 2,2-azobis(2-cianobutano), 2,2-azobis(metilbutironitrilo), azobis(isobutironitrilo) (AIBN) y azobisdimetil-valeronitrilo (AMVN).
  9. 9. Celda de batería según la reivindicación 1, en la que:
    el contenido del iniciador de polimerización es del 0,01 % en peso al 5 % en peso con respecto al componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado.
  10. 10. Celda de batería según la reivindicación 1, en la que:
    el electrolito líquido incluye al menos uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en N-metil-2-pirrolidinona, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de butileno, carbonato de dimetilo, carbonato de dietilo, gamma-butirolactona, 1,2-dimetoxietano, 2-metiltetrahidrofurano, dimetilsulfóxido, 1,3 dioxolano, formamida, dimetilformamida, dioxolano, acetonitrilo, nitrometano, formiato de metilo, acetato de metilo, fosfato de triéster, trimetoximetano, derivados de dioxolano, sulfolano, metilsulfolano, 1,3-dimetil-2-imidazolidinona, derivados de carbonato de propileno, derivados de tetrahidrofurano, éter, pirofosfato de metilo y propionato de etilo.
  11. 11. Método para fabricar la celda de batería según la reivindicación 1, que comprende:
    a) fabricar un conjunto de electrodos interponiendo un separador entre un cátodo y un ánodo;
    b) impregnar el conjunto de electrodos fabricado en la etapa a) en un líquido mixto que incluye un componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero licuado y un iniciador de polimerización;
    c) impregnar el conjunto de electrodos en una carcasa de batería junto con la disolución de electrolito líquido y luego sellar la carcasa de batería; y
    d) polimerizar o curar el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero introducido en un poro del separador.
  12. 12. Método según la reivindicación 11, en el que:
    el componente de disolución de electrolito en el estado de monómero y/u oligómero introducido en los poros del separador en la etapa d) se polimeriza o se cura durante de 1 a 20 horas en el intervalo de temperatura de 40 °C a 90 °C.
  13. 13. Bloque de baterías que comprende la celda de batería según la reivindicación 1.
  14. 14. Dispositivo que comprende el bloque de baterías según la reivindicación 13 como fuente de alimentación.
  15. 15. Dispositivo según la reivindicación 14, en el que:
    el dispositivo es uno cualquiera de un teléfono móvil, un ordenador tipo tableta, un ordenador portátil, una herramienta eléctrica, un dispositivo electrónico ponible, un vehículo eléctrico, un vehículo eléctrico híbrido, un vehículo eléctrico híbrido enchufable y un dispositivo de almacenamiento de energía.
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