ES2962470T3 - Separador sin sustrato de separador y dispositivo electroquímico que comprende el mismo - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un separador para un dispositivo electroquímico para asegurar el aislamiento eléctrico entre un ánodo y un cátodo, en donde el separador para un dispositivo electroquímico no comprende un sustrato de poliolefina sino que comprende partículas inorgánicas, un aglutinante para la unión entre las partículas inorgánicas, y un agente reticulante. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Separador sin sustrato de separador y dispositivo electroquímico que comprende el mismo
Campo técnico
La presente invención se refiere a un separador que no tiene sustrato de separador y a un dispositivo electroquímico que incluye el mismo, y más particularmente se refiere a un separador que no incluye ningún sustrato e incluye partículas inorgánicas, un aglutinante para el acoplamiento entre las partículas inorgánicas, y un agente de reticulación reticulado.
Antecedentes de la técnica
Se están realizando investigaciones sobre técnicas para generar diversos tipos de energía, tal como la energía nuclear, la energía solar, la energía eólica y la energía mareomotriz. También se están realizando investigaciones sobre baterías para un uso más eficiente de la energía generada usando tales técnicas.
Con el abrupto crecimiento de los mercados relacionados con los dispositivos móviles, ha aumentado la demanda de baterías secundarias de litio. Las baterías secundarias de litio también se han usado como fuente de alimentación para vehículos eléctricos (VE) y vehículos eléctricos híbridos (VEH).
Una batería secundaria de litio está configurada de modo que un conjunto de electrodos que tiene una estructura de electrodo positivo / separador / electrodo negativo, que puede cargarse y descargase, se monta en una carcasa de batería. Cada uno del electrodo positivo y el electrodo negativo se fabrica aplicando una suspensión que incluye un material activo de electrodo a una superficie o ambas superficies de un colector de corriente metálico, secando la suspensión y laminando el colector de corriente metálico que tiene la suspensión seca aplicada sobre el mismo. El separador es uno de los factores más importantes que afectan al rendimiento y la vida útil de una batería secundaria. Es necesario que el separador aísle eléctricamente el electrodo positivo y el electrodo negativo entre sí y presente una alta permeabilidad a los iones de modo que una disolución de electrolito pueda pasar a través del separador. Además, el separador requiere alta resistencia mecánica y estabilidad a alta temperatura.
Un separador convencional que incluye un sustrato de separador y una capa de recubrimiento inorgánica tiene el problema de que la fuerza de adhesión entre el separador y un electrodo es baja, por lo que el separador y el electrodo están separados localmente entre sí o se forman arrugas en la superficie de contacto entre el separador y el electrodo. La poliolefina, que se usa como sustrato de separador, tiene el problema de que la poliolefina se funde a alta temperatura.
Para resolver de manera fundamental estos problemas, se ha propuesto un nuevo separador que incluye una capa de recubrimiento inorgánica sola sin ningún sustrato de separador de poliolefina. Sin embargo, el nuevo separador tiene el problema de que el separador presenta un aislamiento eléctrico muy bajo, por lo que se produce fácilmente un cortocircuito en una batería. Además, el separador se desgarra fácilmente debido a la baja fuerza de tracción y el bajo alargamiento del mismo. Como resultado, se produce fácilmente un cortocircuito a microescala en un conjunto de electrodos.
El documento de patente 1 divulga un separador constituido por una capa polimérica microporosa que incluye boehmita de aluminio orgánicamente reformada y un polímero orgánico. Sin embargo, este documento de patente no sugiere una solución concreta disolución para aumentar la resistencia del separador.
El documento no de patente 1 divulga la reticulación de PVdF-HFP/PEGDMA (dimetacrilato de polietilenglicol) como método para aumentar la resistencia del nuevo separador mencionado anteriormente. Sin embargo, en el documento no de patente 1, los materiales especificados anteriormente no se aplican al separador, sino que se aplican sólo a una disolución de electrolito polimérico.
El documento no de patente 2 divulga un separador para baterías secundarias de litio, fabricado de nanopartículas de boehmita y polímero de poli(fluoruro de vinilideno). Sin embargo, cabe destacar que este separador no es adecuado para una celda de batería de alta tensión.
El documento no de patente 3 divulga una película cerámica porosa a base de aluminato de magnesio como separador para baterías secundarias de litio que presenta alta flexibilidad y estabilidad térmica. Sin embargo, este documento no de patente no divulga un método concreto para aumentar la resistencia del separador.
Es decir, aún no se ha sugerido una tecnología que sea capaz de proporcionar un separador que no tenga ningún sustrato de poliolefina, en el que el separador presente alta estabilidad en un entorno a alta temperatura, alto aislamiento y estabilidad dimensional mejorada, resolviendo de ese modo los problemas anteriores.
Documentos de la técnica anterior
(Documento de patente 1) Patente registrada estadounidense n.° 8883354
(Documento no de patente 1) Thermal shutdown behavior of PVdF-HFP-based polymer electrolytes comprising heat sensitive cross linkable oligomers, J. Power Sources 144, 2005
(Documento no de patente 2) Boehmite-based ceramic separator for lithium-ion batteries, Journal of Applied Electrochemistry, 2016, 69
(Documento no de patente 3) Thin, flexible and thermally stable ceramic membranes as separator for lithium-ion batteries, Journal of Membrane Science, 2014, 103
El documento KR 10-2017-0025434 A divulga un separador que comprende una base porosa y una capa porosa resistente al calor formada sobre uno o ambos lados de la base. La capa porosa resistente al calor incluye un aglutinante reticulado y partículas inorgánicas.
El documento US 2016/0056438 A1 divulga un separador que comprende un sustrato poroso y una capa de recubrimiento porosa que comprende un aglutinante reticulado y partículas inorgánicas.
El documento US 9.034.522 B2 divulga un electrolito polimérico sólido que comprende una matriz polimérica formada por un agente de fotorreticulación curado, partículas inorgánicas distribuidas en la matriz polimérica, y una sal de litio y un disolvente orgánico impregnados entre la matriz polimérica y las partículas inorgánicas.
El documento US 2013/0280584 A1 divulga un separador que comprende un sustrato y una membrana porosa apilada sobre el mismo que se forma a partir de una suspensión que comprende partículas inorgánicas aislantes que tienen un grupo funcional superficial y un aglutinante que puede reticularse con el grupo funcional superficial.
Divulgación
Problema técnico
Un objeto de la presente invención es proporcionar una tecnología que sea capaz de impedir la aparición de un cortocircuito en una batería debido al daño a un separador, y un separador al que se aplica la tecnología. Otro objeto de la presente invención es proporcionar un separador que tenga mayor resistencia a la tracción y alargamiento que un separador convencional al tiempo que tenga un aislamiento correspondiente al aislamiento del separador convencional.
Solución técnica
La invención se refiere a un separador para un dispositivo electroquímico, configurado para garantizar el aislamiento eléctrico entre un electrodo positivo y un electrodo negativo, no comprendiendo el separador ningún sustrato y comprendiendo partículas inorgánicas, un aglutinante para el acoplamiento entre las partículas inorgánicas, y un agente de reticulación reticulado;
en el que el aglutinante es al menos uno de poli(fluoruro de vinilideno), poli(fluoruro de vinilideno)-hexafluoropropileno, poli(fluoruro de vinilideno)-tricloroetileno, poli(fluoruro de vinilideno)-clorotrifluoroetileno, poli(metacrilato de metilo), poliacrilonitrilo, polivinilpirrolidona, poli(acetato de vinilo), copolímero de etileno-acetato de vinilo, poli(óxido de etileno), acetato de celulosa, acetato-butirato de celulosa, acetato-propionato de celulosa, cianoetilpululano, cianoetil-poli(alcohol vinílico), cianoetilcelulosa, cianoetilsacarosa, pululano, carboximetilcelulosa, copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno, monómero de etileno-propileno-dieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno-butadieno (SBR), caucho fluorado y poliimida; y
en el que el agente de reticulación es un material polimérico representado por la fórmula química 1 ó 2: Fórmula química 1
en la fórmula química 1, x es un número entero de 1 a 100, y es un número entero de 0 a 30, z es un número entero de 1 a 1.000, el peso molecular promedio en peso del polímero es de 1.000 a 100.000, y p es una variable dependiente de los mismos;
Fórmula química 2
en la fórmula química 2, a y c son cada uno un número entero de 1 a 30, b es un número entero de 1 a 1.000, el peso molecular promedio en peso del polímero es de 1.000 a 100.000, y d es una variable dependiente de los mismos.
En comparación con un separador convencional, el separador según la presente invención no incluye ningún sustrato de separador a base de poliolefina. El separador convencional incluye un sustrato de separador a base de poliolefina, en cuya al menos una superficie se aplica una capa inorgánica que incluye un material inorgánico y un aglutinante. En la presente invención, el separador no incluye ningún sustrato de separador, y está fabricado de materiales que constituyen una capa inorgánica.
Existe un separador que incluye una capa inorgánica sola como separador, similar al separador según la presente invención. La resistencia global del separador convencional es baja, puesto que el separador no incluye ningún sustrato de separador de poliolefina. En el caso en el que se fabrica un conjunto de electrodos usando un separador que tiene baja resistencia, puede dañarse el separador, por lo que puede producirse un cortocircuito.
En la presente invención, el agente de reticulación reacciona a una temperatura específica para formar una estructura con forma de red tridimensional. La densidad del separador aumenta debido a las características de la estructura con forma de red, por lo que se mejoran las propiedades físicas, particularmente la rigidez, y la estabilidad dimensional del separador. Por consiguiente, es posible proporcionar un separador que tiene una resistencia reducida.
En el caso en el que se inyecta un iniciador, la estructura con forma de red tridimensional se vuelve más rígida, por lo que se aumenta la resistencia a la tracción del separador mientras que se mantiene la estabilidad dimensional del separador. Como resultado, se reduce la probabilidad de daño al separador.
En la presente invención, es posible impedir al máximo la aparición de un cortocircuito a microescala en un dispositivo electroquímico debido al desgarro del separador durante la fabricación del dispositivo electroquímico. Además, se reduce el hinchamiento del separador debido a la disolución de electrolito, por lo que es posible impedir que el separador se arrugue debido al hinchamiento del separador cuando el separador se impregna con la disolución de electrolito.
a) Partículas inorgánicas
En el separador según la presente invención, las partículas inorgánicas pueden formar espacios vacíos entre las partículas inorgánicas, y pueden formar de ese modo microporos y mantener una forma física como espaciador. Las características físicas de las partículas inorgánicas, que se usan en el separador, no cambian generalmente a una temperatura de 200 °C o más.
Las partículas inorgánicas no están particularmente restringidas, siempre que las partículas inorgánicas sean electroquímicamente estables. Es decir, las partículas inorgánicas que pueden usarse en la presente invención no están particularmente restringidas siempre que las partículas inorgánicas no se oxiden y/o reduzcan dentro del intervalo de tensión de funcionamiento (por ejemplo, de 0 a 5 V basado en Li/Li+) de una batería a la que se aplican las partículas inorgánicas. En el caso en el que se usan las partículas inorgánicas que tienen alta capacidad de transferencia de iones de electrolito, es posible mejorar el rendimiento de un dispositivo electroquímico. Por consiguiente, es preferible que la capacidad de transferencia de iones de electrolito de las partículas inorgánicas sea tan alta como sea posible. En el caso en el que las partículas inorgánicas tienen alta densidad, puede resultar difícil dispersar las partículas inorgánicas en el momento de formar el separador, y puede aumentar el peso de la batería en el momento de fabricar la batería. Por estos motivos, es preferible que la densidad de las partículas inorgánicas sea baja. En el caso en el que las partículas inorgánicas tienen alta permitividad, puede aumentar el grado de disociación de la sal de electrolito, tal como sal de litio, en un electrolito líquido, mejorando de ese modo la conductividad iónica de la disolución de electrolito.
Por los motivos descritos anteriormente, las partículas inorgánicas pueden ser partículas inorgánicas altamente dieléctricas que tienen una constante dieléctrica de 1 o más, preferiblemente 10 o más, partículas inorgánicas que tienen piezoelectricidad, partículas inorgánicas que tienen capacidad de transferencia de iones de litio, alúmina hidratada, o una mezcla de dos o más de las mismas.
Los ejemplos de las partículas inorgánicas que tienen una constante dieléctrica de 1 o más incluyen SrTiO<3>, SnO<2>, CeO<2>, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO<2>, Y<2>O<3>, AhO<3>, TO<2>, SiC, o una mezcla de los mismos. Sin embargo, la presente invención no se limita a los mismos.
Las partículas inorgánicas que tienen piezoelectricidad son un material que no es conductor a presión normal, pero cuando se aplica una determinada presión al mismo, presenta conductividad debido a un cambio en la estructura interna del mismo. Las partículas inorgánicas tienen un alto valor dieléctrico, por ejemplo, una constante dieléctrica de 100 o más. Cuando las partículas inorgánicas se tensionan o comprimen con una determinada presión, se generan cargas eléctricas. Una cara se carga como polo positivo y la otra cara se carga como polo negativo, por lo que se genera una diferencia de potencial entre las dos caras.
En el caso en el que usan las partículas inorgánicas que tienen las características mencionadas anteriormente, puede producirse un cortocircuito en ambos electrodos en el caso de un impacto externo, tal como un aplastamiento local o un impacto con un clavo. En este momento, sin embargo, el electrodo positivo y el electrodo negativo pueden no estar directamente en contacto entre sí debido a las partículas inorgánicas recubiertas sobre el separador, y pueden producirse diferencias de potencial en las partículas debido a la piezoelectricidad de las partículas inorgánicas. Por consiguiente, se logra la migración de electrones, concretamente, un flujo de corriente fino, entre los dos electrodos, por lo que se reduce de manera gradual la tensión de la batería y, por tanto, puede mejorarse la estabilidad de la batería.
Los ejemplos de las partículas inorgánicas que tienen piezoelectricidad incluyen BaTiO<3>, Pb(Zr,Ti)O<3>(PZT), Pb<1>-xLaxZr-i-yTiyO<3>(PL<z>T), Pb(Mg-i</3>Nb<2/3>)O<3>-PbTiO<3>(PMN-P<t>), hafnia (HfO<2>), y una mezcla de los mismos. Sin embargo, la presente invención no se limita a los mismos.
Las partículas inorgánicas que tienen capacidad de transferencia de iones de litio son partículas inorgánicas que contienen elementos de litio y transportan iones de litio sin almacenar litio. Las partículas inorgánicas que tienen capacidad de transferencia de iones de litio pueden transferir y transportar iones de litio debido a una clase de defecto presente en la estructura de la partícula. Por consiguiente, puede mejorarse la conductividad iónica del litio en la batería y, por tanto, puede mejorarse el rendimiento de la batería.
Los ejemplos de las partículas inorgánicas que tienen capacidad de transferencia de iones de litio incluyen fosfato de litio (Li<3>PO<4>), fosfato de litio-titanio (LixTiy(PO<4>)<3>, donde 0<x<2 y 0<y<3), fosfato de litio-aluminio-titanio (LixAlyTiz(PO<4>)<3>, donde 0<x<2, 0<y<1 y 0<z<3), vidrio a base de (LiAlTiP)xOy (donde 0<x<4 y 0<y<13) tal como 14Li2O-9AhO3-38TiO2-39P2O5, titanato de litio-lantano (LixLayTiO<3>, donde 0<x<2 y 0<y<3), tiofosfato de litiogermanio (LixGeyPzSw, donde 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1 y 0<w<5) tal como Li<3,25>Ge<0,25>P<0,75>S<4>, nitruro de litio (LixNy, donde 0<x<4 y 0<y<2) tal como Li<3>N, vidrio a base de SiS<2>(LixSiySz, donde 0<x<3, 0<y<2 y 0<z<4) tal como Li<3>PO<4>-Li<2>S-SiS<2>, vidrio a base de P<2>S<5>(LixPySz, donde 0<x<3, 0<y<3 y 0<z<7) tal como LiI-Li<2>S-P<2>S<5>, y una mezcla de los mismos. Sin embargo, la presente invención no se limita a los mismos.
La alúmina hidratada puede clasificarse como alúmina hidratada cristalina o alúmina hidratada de tipo gel en función del método de fabricación de la misma. Los ejemplos de la alúmina hidratada cristalina incluyen gibbsita y-Al(OH)<3>, bayerita Al(OH)<3>, diáspora a-AlOOH y boehmita y-AlOOH, y la alúmina hidratada de tipo gel puede ser hidróxido de aluminio, que se prepara depositando una disolución acuosa que contiene iones de aluminio usando amoníaco. Preferiblemente, puede usarse boehmita y-AlOOH como alúmina hidratada de tipo gel.
En el caso en el que se usan juntas las partículas inorgánicas que tienen alta permitividad, las partículas inorgánicas que tienen piezoelectricidad, las partículas inorgánicas que tienen capacidad de transferencia de iones de litio y la alúmina hidratada, pueden mejorarse adicionalmente los efectos obtenidos a través de estos componentes.
El tamaño de cada una de las partículas inorgánicas no está particularmente restringido. Sin embargo, para formar una película que tenga un grosor uniforme y para lograr una porosidad adecuada, cada una de las partículas inorgánicas puede tener un tamaño de 0,001 |im a 10 |im. En el caso en el que el tamaño de cada una de las partículas inorgánicas es de menos de 0,001 |im, se reduce la dispersabilidad, por lo que resulta difícil ajustar las propiedades físicas del separador. En el caso en el que el tamaño de cada una de las partículas inorgánicas es mayor de 10 |im, se aumenta el grosor de un separador fabricado con el mismo contenido de un cuerpo sólido, por lo que se deterioran las propiedades mecánicas del separador. Además, puede producirse fácilmente un cortocircuito en la batería cuando la batería se carga y descarga debido a poros de tamaño excesivamente grande. b) Aglutinante
El aglutinante puede convertirse en un gel cuando el aglutinante se impregna con una disolución de electrolito líquido, por lo que el aglutinante puede tener una alta tasa de impregnación de disolución de electrolito. Para un polímero que tiene una alta tasa de impregnación de disolución de electrolito, una disolución de electrolito inyectada después del montaje de una batería permea al interior del polímero, y el polímero impregnado con la disolución de electrolito presenta capacidad de transferencia de iones de electrolito. En comparación con un separador a base de poliolefina hidrófobo convencional, puede mejorarse el humedecimiento del separador en la disolución de electrolito, y es posible usar disoluciones de electrolito polares para las baterías, lo que ha resultado difícil convencionalmente. El aglutinante puede tener un parámetro de solubilidad de 15 MPa1/2 a 45 MPa1/2, preferiblemente de 15 MPa1/2 a 25 MPa1/2 y de 30 MPa1/2 a 45 MPa1/2. En el caso en el que el parámetro de solubilidad del aglutinante es de menos de 15 MPa1/2 y mayor de 45 MPa1/2, resulta difícil impregnar el aglutinante con una disolución de electrolito general para baterías.
Específicamente, el aglutinante es al menos uno de poli(fluoruro de vinilideno), poli(fluoruro de vinilideno)-hexafluoropropileno, poli(fluoruro de vinilideno)-tricloroetileno, poli(fluoruro de vinilideno)-clorotrifluoroetileno, poli(metacrilato de metilo), poliacrilonitrilo, polivinilpirrolidona, poli(acetato de vinilo), copolímero de etileno-acetato de vinilo, poli(óxido de etileno), acetato de celulosa, acetato-butirato de celulosa, acetato-propionato de celulosa, cianoetilpululano, cianoetil-poli(alcohol vinílico), cianoetilcelulosa, cianoetilsacarosa, pululano, carboximetilcelulosa, copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno, monómero de etileno-propileno-dieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno-butadieno (SBR), caucho fluorado y poliimida.
c) Agente de reticulación
El agente de reticulación es un material polimérico que realiza una reacción de reticulación a una temperatura específica para tener una estructura con forma de red tridimensional. Específicamente, el agente de reticulación es un material polimérico representado por la fórmula química 1 ó 2.
La temperatura de reacción del agente de reticulación puede ser de 120 °C a 160 °C, preferiblemente de 130 °C a 150 °C. El agente de reticulación, que tiene una estructura lineal a temperaturas menores que el intervalo de temperatura de reacción anterior, reacciona cuando la temperatura de reacción del agente de reticulación alcanza el intervalo de temperatura de reacción anterior, por lo que se forma una estructura con forma de red tridimensional a través de reticulación.
En el caso en el que la temperatura de reacción del agente de reticulación es menor de 120 °C, las uniones de reticulación del agente de reticulación no se separan entre sí, por lo que resulta difícil que el agente de reticulación realice una reacción de reticulación, lo que no es deseable. En el caso en el que la temperatura de reacción del agente de reticulación es mayor de 160 °C, puede fundirse el agente de reticulación o el aglutinante usado junto con el agente de reticulación, lo que tampoco es deseable.
Además, puesto que el separador según la presente invención incluye además el agente de reticulación reticulado además de las partículas inorgánicas y el aglutinante, el separador tiene una alta tensión disruptiva incluso aunque se omita el sustrato de separador.
Específicamente, en el caso en el que materia extraña, tal como hierro (Fe), que es un material conductor, se aplique al separador según la presente invención, el separador tiene un valor de tensión disruptiva casi igual que el valor de tensión disruptiva de un separador que se usa para una batería secundaria para vehículos e incluye un sustrato de separador. Además, existe poca diferencia entre la tensión disruptiva del separador antes de aplicarse el material conductor y la tensión disruptiva del separador después de aplicarse el material conductor.
d) Iniciador
En un ejemplo concreto, el separador puede incluir además un iniciador para la reacción con el agente de reticulación para mejorar las propiedades físicas del separador a través de la reacción de reticulación.
La clase del iniciador no está particularmente restringida. Específicamente, el iniciador puede ser un compuesto de base azoica o un compuesto a base de peróxido. Por ejemplo, el compuesto de base azoica puede ser al menos uno seleccionado de entre 2,2'-azobis(2-metilbutironitrilo), 2,2'-azobis(isobutironitrilo), 2,2'-azobis(2,4-dimetilvaleronitrilo) y 2,2'-azobis(4-metoxi-2,4-dimetilvaleronitrilo). Preferiblemente, el compuesto de base azoica es 2,2'-azobis(isobutironitrilo) o 2,2'-azobis(2,4-dimetilvaleronitrilo).
El compuesto a base de peróxido puede ser al menos uno seleccionado de entre peroxineodecanoato de tetrametilbutilo, peroxidicarbonato de bis(4-butilciclohexilo), peroxidicarbonato de di(2-etilhexilo), peroxineodecanoato de butilo, peroxidicarbonato de dipropilo, peroxidicarbonato de diisopropilo, peroxidicarbonato de dietoxietilo, peroxidicarbonato de dietoxihexilo, peroxidicarbonato de hexilo, peroxidicarbonato de dimetoxibutilo, peroxidicarbonato de bis(3-metoxibutilo), peroxidicarbonato de dibutilo, peroxidicarbonato de dicetilo, peroxidicarbonato de dimiristilo, peroxipivalato de 1,1,3,3-tetrametilbutilo, peroxipivalato de hexilo, peroxipivalato de butilo, peróxido de trimetilhexanoílo, peroxineodecanoato de dimetilhidroxibutilo, peroxineodecanoato de amilo, Atofina, peroxineodecanoato de butilo, peroxineoheptanoato de t-butilo, peroxipivalato de amilo, peroxipivalato de tbutilo, peroxi-2-etilhexanoato de t-amilo, peróxido de lauroílo, peróxido de dilauroílo, peróxido de didecanoílo, peróxido de benzoílo y peróxido de dibenzoílo.
e) Construcción del separador
En comparación con un separador convencional, el separador según la presente invención está configurado para tener una estructura que no incluye ningún sustrato de separador, por lo que la resistencia del separador puede ser baja. Por este motivo, el separador puede tener un grosor relativamente grande. El grosor del separador puede oscilar desde 5 |im hasta 30 |im.
En el caso en el que el grosor del separador es menor de 5 |im, la resistencia del separador es baja, por lo que puede dañarse fácilmente el separador, lo que no es deseable. En el caso en el que el grosor del separador es mayor de 30 |im, se aumenta el grosor total del conjunto de electrodos, por lo que puede reducirse la capacidad de la batería, lo que tampoco es deseable.
El contenido del agente de reticulación puede ser mayor del 0 % en peso y menor del 15 % en peso del peso total de un cuerpo sólido en el separador. En el caso en el que el contenido del agente de reticulación es mayor del 15 % en peso del peso total del cuerpo sólido, no se realiza completamente la reticulación. Como resultado, el agente de reticulación puede servir localmente como plastificante y, por tanto, se reduce de manera bastante notable la resistencia a la tracción del separador, lo que no es deseable.
El separador puede tener una permeabilidad al aire de 50 s/100 cm3 a 4.000 s/100 cm3. En el caso en el que la permeabilidad al aire del separador es menor de 50 s/100 cm3, la propiedad de aislamiento del separador es muy baja, lo que no es deseable. En el caso en el que la permeabilidad al aire del separador es mayor de 4.000 s/100 cm3, la impregnación del separador con la disolución de electrolito y la conductividad iónica del separador se vuelven bajas, lo que tampoco es deseable.
Las propiedades físicas del separador se ven afectadas por la temperatura de reacción y el tiempo de reacción. A medida que se aumentan la temperatura de reacción y el tiempo de reacción, se aumenta el grado de reticulación. f) Dispositivo electroquímico
La presente invención también proporciona un dispositivo electroquímico que incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo, un separador interpuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, y un electrolito. En este caso, el dispositivo electroquímico puede ser una batería secundaria de litio.
El electrodo positivo puede fabricarse aplicando una mezcla de un material activo de electrodo positivo, un agente conductor y un aglutinante a un colector de corriente de electrodo positivo y secando la mezcla. Puede añadirse adicionalmente una carga a la mezcla según sea necesario.
En general, el colector de corriente de electrodo positivo se fabrica para tener un grosor de 3 a 500 |im. El colector de corriente de electrodo positivo no está particularmente restringido, siempre que el colector de corriente de electrodo positivo presente alta conductividad mientras que el colector de corriente de electrodo positivo no induzca ningún cambio químico en una batería a la se aplica el colector de corriente de electrodo positivo. Por ejemplo, el colector de corriente de electrodo positivo puede fabricarse de acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio o carbono plástico. Alternativamente, el colector de corriente de electrodo positivo puede fabricarse de aluminio o acero inoxidable, cuya superficie se trata con carbono, níquel, titanio o plata. Además, el colector de corriente de electrodo positivo puede tener un patrón irregular a microescala formado sobre la superficie del mismo para aumentar la fuerza de adhesión del material activo de electrodo positivo. El colector de corriente de electrodo positivo puede configurarse en diversas formas, tales como las de una película, una lámina, una hoja, una red, un cuerpo poroso, un cuerpo de espuma y un cuerpo de material textil no tejido.
El material activo de electrodo positivo puede ser, pero no se limita a, un compuesto dispuesto en capas, tal como un óxido de litio-cobalto (LÍCoÜ<2>) o un óxido de litio-níquel (LiNiÜ<2>), o un compuesto sustituido con uno o más metales de transición; un óxido de litio-manganeso representado por la fórmula química Lh+xMn<2>-xO<4>(donde x = de 0 a 0,33) o un óxido de litio-manganeso, tal como LiMnO<3>, LiMn<2>O<3>o LiMnO<2>; un óxido de litio-cobre (Li<2>CuO<2>); un óxido de vanadio, tal como LiV<3>O<8>, V<2>O<5>o Cu<2>V<2>O<7>; un óxido de litio-níquel con sitio de Ni representado por la fórmula química LiNh_xMxO<2>(donde M= Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B o Ga, y x = de 0,01 a 0,3); un óxido compuesto de litio-manganeso representado por la fórmula química LiMn<2>-xMxO<2>(donde M= Co, Ni, Fe, Cr, Zn o Ta, y x = de 0,01 a 0,1) o la fórmula química Li<2>Mn<3>MO<8>(donde M= Fe, Co, Ni, Cu o Zn); LiMn<2>O<4>que tiene Li de una fórmula química parcialmente reemplazada por iones de metales alcalinotérreos; un compuesto de disulfuro; o Fe<2>(MoO<4>)<3>.
El agente conductor se añade generalmente de modo que el agente conductor representa del 1 al 30 % en peso basado en el peso total de la mezcla que incluye el material activo de electrodo positivo. El agente conductor no está particularmente restringido, siempre que el agente conductor presente alta conductividad sin inducir ningún cambio químico en una batería a la que se aplica el agente conductor. Por ejemplo, como agente conductor puede usarse grafito, tal como grafito natural o 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 o negro Summer; fibra conductora, tal como fibra de carbono o fibra metálica; polvo metálico, tal como polvo de fluoruro de carbono, polvo de aluminio o polvo de níquel; fibra corta monocristalina conductora, tal como un óxido de zinc o titanato de potasio; un óxido de metal conductor, tal como un óxido de titanio; o materiales conductores, tales como derivados de polifenileno.
El aglutinante es un componente que ayuda en la unión entre el material activo y el agente conductor y en la unión con el colector de corriente. El aglutinante se añade generalmente en una cantidad del 1 al 30 % en peso basado en el peso total de la mezcla que incluye el material activo de electrodo positivo. Como ejemplos del aglutinante, pueden usarse poli(fluoruro de vinilideno), poli(alcohol vinílico), carboximetilcelulosa (CMC), almidón, hidroxipropilcelulosa, celulosa regenerada, polivinilpirrolidona, polietileno, polipropileno, monómero de etilenopropileno-dieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno-butadieno, caucho fluorado y diversos copolímeros. La carga es un componente opcional usado para inhibir la expansión del electrodo positivo. No existe ningún límite particular para la carga, siempre que no provoque ningún cambio químico en una batería a la que se aplica la carga y esté fabricada de un material fibroso. Como ejemplos de la carga, pueden usarse polímeros olefínicos, tales como polietileno y polipropileno; y materiales fibrosos, tales como fibra de vidrio y fibra de carbono.
El electrodo negativo puede fabricarse aplicando un material de electrodo negativo a un colector de corriente de electrodo negativo y secando el mismo. Los componentes descritos anteriormente pueden incluirse adicionalmente de manera selectiva según sea necesario.
En general, el colector de corriente de electrodo negativo se fabrica para tener un grosor de 3 |im a 500 |im. El colector de corriente de electrodo negativo no está particularmente restringido, siempre que el colector de corriente de electrodo negativo presente alta conductividad mientras que el colector de corriente de electrodo negativo no induzca ningún cambio químico en una batería a la que se aplica el colector de corriente de electrodo negativo. Por ejemplo, el colector de corriente de electrodo negativo puede fabricarse de cobre, acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio o carbono plástico. Alternativamente, el colector de corriente de electrodo negativo puede fabricarse de cobre o acero inoxidable, cuya superficie se trata con carbono, níquel, titanio o plata, o una aleación de aluminio-cadmio. Además, el colector de corriente de electrodo negativo puede tener un patrón irregular a microescala formado sobre la superficie del mismo para aumentar la fuerza de adhesión del material activo de electrodo negativo, de la misma manera que el colector de corriente de electrodo positivo. El colector de corriente de electrodo negativo puede configurarse de diversas formas, tales como las de una película, una lámina, una hoja, una red, un cuerpo poroso, un cuerpo de espuma y un cuerpo de material textil no tejido.
Como material activo de electrodo negativo, por ejemplo, puede usarse carbono, tal como un carbono duro o un carbono a base de grafito; un óxido compuesto metálico, tal como LixFe<2>O<3>(0<x<1), LixWO<2>(0<x<1), SnxMe-i-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, elementos del grupo 1, 2 y 3 de la tabla periódica, halógeno; 0<x<1; 1<y<3; 1<z<8); metal de litio; aleación de litio; aleación a base de silicio; aleación a base de estaño; un óxido metálico, tal como SnO, SnO<2>, PbO, PbO<2>, Pb<2>O<3>, Pb<3>O<4>, Sb<3>O<3>, Sb<2>O<4>, Sb<3>O<5>, GeO, GeO<3>, Bi<3>O<3>, Bi<2>O<4>o Bi<2>O<5>; un polímero conductor, tal como poliacetileno; o un material a base de Li-Co-Ni.
El dispositivo electroquímico puede incorporarse en un bloque de baterías.
Específicamente, el bloque de baterías puede usarse como fuente de alimentación para un dispositivo que requiere la capacidad de soportar altas temperaturas, una larga vida útil, características de tasa alta, etc. Los ejemplos específicos del dispositivo pueden incluir un dispositivo electrónico móvil, un dispositivo electrónico ponible, una herramienta eléctrica accionada por un motor impulsado por batería, un automóvil eléctrico, tal como un vehículo eléctrico (VE), vehículo eléctrico híbrido (VEH) o un vehículo eléctrico híbrido enchufable (VEHE), un vehículo eléctrico de dos ruedas, tal como una bicicleta eléctrica (E-bike) o un escúter eléctrico (E-scooter), un carrito de golf eléctrico y un sistema de almacenamiento de energía. Sin embargo, la presente invención no se limita a los mismos.
La estructura y el método de fabricación del dispositivo se conocen bien en la técnica a la que pertenece la presente invención, y se omitirá una descripción detallada de los mismos.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un gráfico que muestra los resultados de la medición de las propiedades físicas de separadores en función de si están presentes un agente de reticulación y un iniciador.
la figura 2 es un gráfico que muestra los resultados de la medición de las propiedades físicas de separadores en función de la temperatura de reacción del agente de reticulación.
Mejor modo
A continuación en el presente documento, la presente invención se describirá con referencia a los siguientes ejemplos. Estos ejemplos se proporcionan sólo para la ilustración de la presente invención y no deben interpretarse como limitativos del alcance de la presente invención.
Los métodos concretos para medir las propiedades físicas de los separadores fabricados según los siguientes ejemplos son los siguientes.
Medición de la resistividad volumétrica
Se prepararon 10 separadores, cada uno de los cuales se cortó a un tamaño de 6 cm x 6 cm, se almacenaron los separadores en una sala seca, y luego se midió la resistividad volumétrica de los separadores.
Se usó un dispositivo SM 7120 de HIOKI Company para medir la resistividad volumétrica, y se midió la resistividad volumétrica en un modo Rv. Se midió la resistividad volumétrica con respecto a los 10 separadores, y se calcularon los valores promedio de la resistividad volumétrica. Los valores mostrados en la tabla 1 son valores promedio. Las condiciones de medición concretas fueron las siguientes.
• Tiempo de medición: 3 s
• Promedio: apagado
• Tensión: 100 V
• Velocidad: lenta-2
• Intervalo: automático
• Retardo: 0 ms
• SEQ: ON: 0
• DCHG 1: 0
• CHG: 0
• DCHG 2: 0
Medición de la resistencia a la tracción y el alargamiento
Se prepararon 6 separadores, cada uno de los cuales se cortó a un tamaño de 15 mm x 150 mm, y luego cada uno de los separadores se adhirió a un portaobjetos para alinearse en la dirección del eje menor y la dirección del eje mayor del portaobjetos.
Un extremo del separador, que estaba ubicado en el portaobjetos, y el otro extremo del separador, que no estaba adherido al portaobjetos, se conectaron a una máquina de ensayos universal (UTM), y luego se tiró de los dos extremos del separador en direcciones opuestas para medir la resistencia a la rotura del separador. En este momento, la velocidad de medición de la UTM era de 500 mm/min y la longitud de una unidad de medición de la UTM era de 100 mm.
Se realizaron experimentos con respecto a cada uno de los 6 separadores, y luego se calcularon los valores promedio de la resistencia a la tracción y el alargamiento. Los valores mostrados en la tabla 1 son valores promedio. Medición del hinchamiento
Se prepararon 6 separadores, cada uno de los cuales se cortó a un tamaño de 10 cm x 10 cm, y una disolución de electrolito, que incluía carbonato de etileno / carbonato de etilmetilo / carbonato de dimetilo a una razón de 3:3:4 y que incluía 1,0 M de LiPF6 como sal de litio.
Se impregnaron los separadores con 10 ml de la disolución de electrolito durante 1 hora, y se midió la longitud cambiada de cada uno de los separadores para calcular el hinchamiento de los separadores. Se realizaron experimentos con respecto a cada uno de los 6 separadores, y luego se calcularon los valores promedio del hinchamiento. Los valores mostrados en la tabla 1 son valores promedio.
Medición de la resistencia eléctrica
Se fabricaron celdas de botón de tamaño 2016, incluyendo cada una un separador y una disolución de electrolito excluyendo un electrodo.
Se midió la impedancia de las celdas de botón en un intervalo de frecuencia específico de desde 10.000 Hz hasta 100.000 Hz usando un sistema de prueba de celdas 1470E de Solatron Company y un analizador de respuesta de frecuencia 1255B de Solatron Company, y la ordenada en el origen X formada cuando los respectivos valores de impedancia se conectan en una recta se tomó como la resistencia de cada uno de los separadores.
<Ejemplo 1> (que no es según la invención)
Se fabricó una suspensión de modo que el contenido de un cuerpo sólido que incluía boehmita (AlO(OH)), como partículas inorgánicas, poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF), como aglutinante, y dimetacrilato de polietilenglicol (PEGDMA), como agente de reticulación, mezclados a una razón en peso de 78:20:2, pasó a ser el 18 % en peso del peso total de la suspensión.
Específicamente, se añadieron 28,08 g de boehmita (AlO(OH)), 7,2 g de PVdF y 0,72 g de PEGDMA a 164 g de acetona para fabricar una suspensión. Se formó la suspensión para tener la forma de un separador, y luego se realizó una reacción de reticulación a 150 °C durante 30 minutos para fabricar un separador. Después de la reacción de reticulación, se secó adicionalmente el separador a temperatura ambiental para completar el separador.
<Ejemplo 2> (que no es según la invención)
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 1, excepto porque se añadieron 0,0072 g de 2,2'-azobis(isobutironitrilo), como iniciador, a la suspensión fabricada según el ejemplo 1.
<Ejemplo comparativo 1>
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 1, excepto porque se usó un cuerpo sólido que incluía boehmita (AlO(OH)) y poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF), mezclados a una razón de 78:22, sin dimetacrilato de polietilenglicol (PEGDMA), como agente de reticulación.
<Ejemplo experimental 1>
Medición de las propiedades físicas de los separadores en función de si están presentes el agente de reticulación y el iniciador
Se midieron la resistividad volumétrica, la resistencia a la tracción y el hinchamiento de los separadores fabricados según los ejemplos 1 y 2 y el ejemplo comparativo 1. Los resultados de la medición se muestran en la tabla 1 y en la figura 1.
[Tabla 1]
Haciendo referencia a la tabla 1 y la figura 1, la resistividad volumétrica del separador fabricado según el ejemplo 1, en el que no se añadió iniciador, era de 4,2 GQcm, que es baja, mientras que la resistividad volumétrica del separador fabricado según el ejemplo 2, en el que se añadió el iniciador, era notablemente mayor que la resistividad volumétrica del separador fabricado según el ejemplo comparativo 1, en el que no se incluyó agente de reticulación. En el caso en el que la resistividad volumétrica del separador es baja, el separador no se está suficientemente aislado, por lo que fluye microcorriente en el separador. En cambio, en el caso en el que la resistividad volumétrica del separador es alta, el separador está aislado, por lo que no fluye corriente en el separador. Por tanto, puede observarse que, en el caso en el que se añade el iniciador, se mejora de manera notable el aislamiento. En el caso en el que se añade el iniciador, se aumenta la densidad de reticulación del separador, por lo que se reduce el contenido del agente de reticulación que no reacciona y se aumenta la velocidad de reacción del polímero debido al agente de reticulación, en comparación al caso en el que no se añade iniciador. Por tanto, se supone que, cuando se añade el iniciador, se mejora la resistividad volumétrica del separador.
Además, en el caso de los ejemplos 1 y 2, en los que se incluyó el agente de reticulación, configurado para cambiarse para tener una estructura con forma de red tridimensional, se aumentó la resistencia a la tracción de cada uno de los separadores, por lo que se mejoró la rigidez de cada uno de los separadores, y se redujo el hinchamiento de cada uno de los separadores, por lo que se mejoró la estabilidad dimensional de cada uno de los separadores. Es decir, en el caso en el que se añade un agente de reticulación, tal como PEGDMA, para fabricar un separador, se forma una estructura con forma de red tridimensional basándose en la reticulación a través de una etapa de secado realizada a 150 °C. Por consiguiente, puede observarse que se aumenta la resistencia a la tracción del separador y que se reduce el hinchamiento del separador.
Además, cuando se compara el ejemplo 1, en el que no se añadió iniciador, y el ejemplo 2, en el que se añadió el iniciador, la resistencia a la tracción del separador fabricado según el ejemplo 2 era mayor que la resistencia a la tracción del separador fabricado según el ejemplo 1. Por consiguiente, puede observarse que el iniciador es eficaz en cuanto a la reticulación para formar la estructura con forma de red tridimensional.
<Ejemplo 3> (que no es según la invención)
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 1, excepto porque se cambió la temperatura de reacción desde 150 °C hasta 130 °C.
<Ejemplo comparativo 2>
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 1, excepto porque la temperatura de reacción de la suspensión era de 100 °C.
<Ejemplo comparativo 3>
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 1, excepto porque la temperatura de reacción de la suspensión era de 170 °C.
<Ejemplo experimental 2>
Medición de las propiedades físicas de los separadores en función de la temperatura de reacción del agente de reticulación
Se midieron la resistividad volumétrica, la resistencia a la tracción y el hinchamiento de los separadores fabricados según el ejemplo 1, el ejemplo 3, el ejemplo comparativo 2 y el ejemplo comparativo 3. Los resultados de la medición se muestran en la tabla 2 y en la figura 2.
[Tabla 2]
Haciendo referencia a la tabla 2 y la figura 2, cuando se comparan las propiedades físicas del separador fabricado según el ejemplo 1, en el que la temperatura de reticulación era de 150 °C, y las propiedades físicas del separador fabricado según el ejemplo 3, en el que la temperatura de reticulación era de 130 °C, la resistividad volumétrica y la resistencia a la tracción del separador fabricado según el ejemplo 1 eran mayores que la resistividad volumétrica y la resistencia a la tracción del separador fabricado según el ejemplo 3. Además, puede observarse que el hinchamiento del separador fabricado según el ejemplo 1 y el hinchamiento del separador fabricado según el ejemplo 3 eran iguales.
Además, cuando se comparan las propiedades físicas del separador fabricado según el ejemplo comparativo 2, en el que la temperatura de reticulación era de 100 °C, y las propiedades físicas del separador fabricado según el ejemplo 3, en el que la temperatura de reticulación era de 130 °C, la resistividad volumétrica, la resistencia a la tracción y el hinchamiento del separador fabricado según el ejemplo comparativo 2 eran más deficientes que la resistividad volumétrica, la resistencia a la tracción y el hinchamiento del separador fabricado según el ejemplo 3.
Cuando se comparan las propiedades físicas del separador fabricado según el ejemplo comparativo 3, en el que la temperatura de reticulación era de 170 °C, y las propiedades físicas del separador fabricado según el ejemplo 1, el hinchamiento del separador fabricado según el ejemplo comparativo 3 y el hinchamiento del separador fabricado según el ejemplo 1 eran iguales, pero la resistividad volumétrica y la resistencia a la tracción del separador fabricado según el ejemplo comparativo 3 eran menores que la resistividad volumétrica y la resistencia a la tracción del separador fabricado según el ejemplo 1.
Por tanto, puede observarse que el agente de reticulación realiza de manera activa una reacción de reticulación dentro de un intervalo de temperatura de 120 °C a 160 °C, por lo que es posible fabricar un separador que tiene propiedades físicas deseadas y que, en el caso en el que la temperatura de reticulación es de 150 °C, es posible fabricar un separador que tiene las mejores propiedades físicas.
<Ejemplo 4> (que no es según la invención)
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 1, excepto porque se cambió la razón de contenido del aglutinante con respecto al peso total del cuerpo sólido desde el 20 % en peso hasta el 15 % en peso y porque se cambió la razón de contenido del agente de reticulación con respecto al peso total del cuerpo sólido desde el 2 % en peso hasta el 7 % en peso.
<Ejemplo 5> (que no es según la invención)
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 1, excepto porque se cambió la razón de contenido del aglutinante con respecto al peso total del cuerpo sólido desde el 20 % en peso hasta el 11 % en peso y porque se cambió la razón de contenido del agente de reticulación con respecto al peso total del cuerpo sólido desde el 2 % en peso hasta el 11 % en peso.
<Ejemplo comparativo 4>
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 1, excepto porque se cambió la razón de contenido del aglutinante con respecto al peso total del cuerpo sólido desde el 20 % en peso hasta el 7 % en peso y porque se cambió la razón de contenido del agente de reticulación con respecto al peso total del cuerpo sólido desde el 2 % en peso hasta el 15 % en peso.
<Ejemplo experimental 3>
Medición de las propiedades físicas de los separadores en función del contenido del agente de reticulación
Se midieron la resistencia a la tracción y el alargamiento de los separadores fabricados según el ejemplo 1, el ejemplo 4, el ejemplo 5 y el ejemplo comparativo 4. Los resultados de la medición se muestran en la tabla 3.
[Tabla 3]
Haciendo referencia a la tabla 3, la resistencia a la tracción y el alargamiento de los separadores fabricados según los ejemplos 1, 4 y 5, en los que se añadió menos del 15 % en peso del agente de reticulación, eran mayores que la resistencia a la tracción y el alargamiento del separador fabricado según el ejemplo comparativo 4, en el que se añadió el 15%en peso del agente de reticulación.
Es decir, puede observarse que, en el caso en el que se añade una cantidad excesiva del agente de reticulación, se reduce en gran medida la resistencia a la tracción.
Por tanto, puede observarse que se mantienen una resistencia a la tracción y un alargamiento adecuados sólo en el caso en el que el contenido del agente de reticulación se aumenta dentro de un intervalo predeterminado, por lo que es posible fabricar un separador que permite el montaje de una celda.
<Ejemplo 7>
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 2, excepto porque se usó un compuesto que tiene seis grupos funcionales representados por la fórmula química 1 como agente de reticulación en lugar de dimetacrilato de polietilenglicol (PEGDMA) y porque se usó 2,2'-azobis(2,4-dimetilvaleronitrilo) como iniciador en lugar de 2,2'-azobis(isobutironitrilo).
<Ejemplo 8>
Se fabricó un separador usando el mismo método que en el ejemplo 2, excepto porque se usó un compuesto que tiene diez grupos funcionales representados por la fórmula química 2 como agente de reticulación en lugar de dimetacrilato de polietilenglicol (PEGDMA) y porque se usó 2,2'-azobis(2,4-dimetilvaleronitrilo) como iniciador en lugar de 2,2'-azobis(isobutironitrilo).
<Ejemplo experimental 4>
Medición de las propiedades físicas de los separadores en función del número de grupos funcionales del agente de reticulación y el contenido del agente de reticulación
Se midieron la resistividad volumétrica, la resistencia eléctrica, la resistencia a la tracción y el hinchamiento de los separadores fabricados según el ejemplo 2, el ejemplo 7 y el ejemplo 8. Los resultados de la medición se muestran en la tabla 4.
[Tabla 4]
Haciendo referencia a la tabla 4, puede observarse que la resistividad volumétrica de los separadores fabricados según el ejemplo 7, en el que el número de grupos funcionales del agente de reticulación era de 6, y el ejemplo 8, en el que el número de grupos funcionales del agente de reticulación era de 10, era mayor que la resistividad volumétrica del separador fabricado según el ejemplo 2 (que no es según la invención), en el que el número de grupos funcionales del agente de reticulación era de 2. Se prevé que el motivo para esto es que se produjo mucha más reticulación.
La resistencia a la tracción de los separadores aumentó a medida que se aumentó el número de grupos funcionales del agente de reticulación.
En el caso en el que los separadores tenían el mismo contenido del agente de reticulación, el hinchamiento de los separadores disminuyó a medida que se disminuyó el número de grupos funcionales del agente de reticulación, por lo que se aumentó la estabilidad dimensional de los separadores.
Tal como se describió anteriormente, el separador según la presente invención no incluye ningún sustrato de poliolefina, incluye un agente de reticulación como componente que constituye el separador, y se forma de manera selectiva usando un iniciador. La resistividad volumétrica del separador aumenta de manera notable debido al agente de reticulación y el iniciador, por lo que se mejoran el aislamiento y la estabilidad dimensional del separador. Los expertos en la técnica a la que pertenece la presente invención apreciarán que son posibles diversas aplicaciones y modificaciones basándose en la descripción anterior, sin alejarse del alcance de la presente invención.
Aplicabilidad industrial
Tal como resulta evidente a partir de la descripción anterior, un separador para dispositivos electroquímicos según la presente invención no incluye ningún sustrato de poliolefina, que se usa como sustrato de separador de un separador convencional, y está fabricado de un material que incluye partículas inorgánicas, un aglutinante y un agente de reticulación reticulado. Por consiguiente, es posible resolver el problema de que la estabilidad térmica del sustrato de separador es baja. Además, el compuesto de agente de reticulación forma una estructura con forma de red tridimensional, por lo que es posible mejorar de manera notable el aislamiento del separador.
Además, puesto que el agente de reticulación se cambia de una estructura lineal a una estructura con forma de red tridimensional, se aumenta la resistencia a la tracción del separador, por lo que se reduce la probabilidad de daño al separador. Por consiguiente, es posible impedir un cortocircuito en una batería. Además, la estabilidad dimensional del separador se mejora a medida que se aumenta el número de grupos funcionales del agente de reticulación, por lo que es posible impedir que se arrugue o deforme el separador.
Claims (1)
- REIVINDICACIONES Separador para un dispositivo electroquímico, configurado para garantizar el aislamiento eléctrico entre un electrodo positivo y un electrodo negativo, no comprendiendo el separador ningún sustrato y comprendiendo partículas inorgánicas, un aglutinante para el acoplamiento entre las partículas inorgánicas, y un agente de reticulación reticulado; en el que el aglutinante es al menos uno de poli(fluoruro de vinilideno), poli(fluoruro de vinilideno)-hexafluoropropileno, poli(fluoruro de vinilideno)-tricloroetileno, poli(fluoruro de vinilideno)-clorotrifluoroetileno, poli(metacrilato de metilo), poliacrilonitrilo, polivinilpirrolidona, poli(acetato de vinilo), copolímero de etileno-acetato de vinilo, poli(óxido de etileno), acetato de celulosa, acetato-butirato de celulosa, acetato-propionato de celulosa, cianoetilpululano, cianoetil-poli(alcohol vinílico), cianoetilcelulosa, cianoetilsacarosa, pululano, carboximetilcelulosa, copolímero de acrilonitrilo-butadieno-estireno, monómero de etileno-propileno-dieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno-butadieno (SBR), caucho fluorado y poliimida; y en el que el agente de reticulación es un material polimérico representado por la fórmula química 1 ó 2: Fórmula química 1en la fórmula química 1, x es un número entero de 1 a 100, y es un número entero de 0 a 30, z es un número entero de 1 a 1.000, el peso molecular promedio en peso del polímero es de 1.000 a 100.000, y p es una variable dependiente de los mismos; Fórmula química 2en la fórmula química 2, a y c son cada uno un número entero de 1 a 30, b es un número entero de 1 a 1.000, el peso molecular promedio en peso del polímero es de 1.000 a 100.000, y d es una variable dependiente de los mismos. Separador según la reivindicación 1, en el que las partículas inorgánicas son partículas inorgánicas altamente dieléctricas que tienen una constante dieléctrica de 1 o más, partículas inorgánicas que tienen piezoelectricidad, partículas inorgánicas que tienen capacidad de transferencia de iones de litio, alúmina hidratada, o una mezcla de dos o más de las mismas; en el que las partículas inorgánicas que tienen una constante dieléctrica de 1 o más se seleccionan de SrTiO3, SnO2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, Al2O3, TiO2, SiC, y una mezcla de los mismos; las partículas inorgánicas que tienen piezoelectricidad se seleccionan de BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pbi-xLaxZri-yTiyO3 (PLZT), Pb(Mgi/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), hafnia (HfO2), y una mezcla de los mismos; y las partículas inorgánicas que tienen capacidad de transferencia de iones de litio se seleccionan de fosfato de litio (Li3PO4), fosfato de litio-titanio (LixTiy(PO4)3, donde 0<x<2 y 0<y<3), fosfato de litio-aluminio-titanio (LixAlyTiz(PO4)3, donde 0<x<2, 0<y<1 y 0<z<3), vidrio a base de (LiAlTiP)xOy (donde 0<x<4 y 0<y<13), titanato de litio-lantano (LixLayTiO3, donde 0<x<2 y 0<y<3), tiofosfato de litio-germanio (LixGeyPzSw, donde 0<x<4, 0<y<1, 0<z<1 y 0<w<5), nitruro de litio (LixNy, donde 0<x<4 y 0<y<2), vidrio a base de SiS2 (LixSiySz, donde 0<x<3, 0<y<2 y 0<z<4), vidrio a base de P<2>S<5>(LixPySz, donde 0<x<3, 0<y<3 y 0<z<7), y una mezcla de los mismos. 3. Separador según la reivindicación 1, en el que la temperatura de reacción del agente de reticulación es de 120 °C a 160 °C. 4. Separador según la reivindicación 1, en el que el separador comprende además un iniciador para la reacción con el agente de reticulación. 5. Separador según la reivindicación 4, en el que el iniciador es un compuesto de base azoica o un compuesto a base de peróxido. <6>. Separador según la reivindicación 5, en el que el compuesto de base azoica es al menos uno de 2,2'-azobis(2-metilbutironitrilo), 2,2'-azobis(isobutironitrilo), 2,2'-azobis(2,4-dimetilvaleronitrilo) y 2,2'-azobis(4-metoxi-2,4-dimetilvaleronitrilo). 7. Separador según la reivindicación<6>, en el que el compuesto de base azoica es 2,2'-azobis(isobutironitrilo) o 2,2'-azobis(2,4-dimetilvaleronitrilo). <8>. Separador según la reivindicación 5, en el que el compuesto a base de peróxido es al menos uno de peroxineodecanoato de tetrametilbutilo, peroxidicarbonato de bis(4-butilciclohexilo), peroxidicarbonato de di(<2>-etilhexilo), peroxineodecanoato de butilo, peroxidicarbonato de dipropilo, peroxidicarbonato de diisopropilo, peroxidicarbonato de dietoxietilo, peroxidicarbonato de dietoxihexilo, peroxidicarbonato de hexilo, peroxidicarbonato de dimetoxibutilo, peroxidicarbonato de bis(3-metoxibutilo), peroxidicarbonato de dibutilo, peroxidicarbonato de dicetilo, peroxidicarbonato de dimiristilo, peroxipivalato de 1,1,3,3-tetrametilbutilo, peroxipivalato de hexilo, peroxipivalato de butilo, peróxido de trimetilhexanoílo, peroxineodecanoato de dimetilhidroxibutilo, peroxineodecanoato de amilo, Atofina, peroxineodecanoato de butilo, peroxineoheptanoato de t-butilo, peroxipivalato de amilo, peroxipivalato de t-butilo, peroxi-<2>-etilhexanoato de t-amilo, peróxido de lauroílo, peróxido de dilauroílo, peróxido de didecanoílo, peróxido de benzoílo y peróxido de dibenzoílo. 9. Separador según la reivindicación 1, en el que el contenido del agente de reticulación es mayor del 0 % en peso e igual a o menor del 15 % en peso del peso total de un cuerpo sólido en el separador. 10. Dispositivo electroquímico que comprende el separador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
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