ES2974524T3 - Composición de aglutinante para un electrodo y métodos para producir la misma - Google Patents
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Abstract
Los procesos, procedimientos, métodos, productos, resultados y/o conceptos inventivos actualmente divulgados y/o reivindicados (denominados colectivamente en lo sucesivo "presentemente divulgados"). y/o concepto(s) inventivo(s)") se relaciona generalmente con la composición de un aglutinante para uso en electrodos de batería y métodos para prepararlo. Más particularmente, pero no a modo de limitación, el(los) concepto(s) inventivo(s) actualmente divulgado(s) y/o reivindicado(s) se refiere(n) a una composición aglutinante que contiene un polímero ionizable soluble en agua y un polvo redispersable que contiene un látex, un coloide protector y un agente antiaglomerante para uso en la producción y fabricación de electrodos de una batería de iones de litio. Además, el(los) concepto(s) inventivo(s) actualmente divulgado(s) y/o reivindicado(s) se relaciona(n) en general con las composiciones y métodos para fabricar electrodos, tanto ánodos como cátodos, con una composición aglutinante que contiene un polímero ionizable soluble en agua y un polvo redispersable. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Composición de aglutinante para un electrodo y métodos para producir la misma
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
En virtud de la sección 119 (e) del Título 35 del código de los Estados Unidos, la presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional de EE. UU. de n.° de serie 61/826,794, presentada el 23 de mayo de 2013, y la solicitud de patente provisional de EE. UU. de n.° de serie 61/840,098, presentada el 27 de junio de 2013.
Antecedentes de la invención
1. Campo de los conceptos inventivos dados a conocer y reivindicados
El uno o más procesos, procedimientos, métodos, productos, resultados y/o conceptos inventivos dados a conocer y/o reivindicados actualmente (en lo sucesivo denominados conjuntamente los “conceptos inventivos divulgados y/o reivindicados actualmente”) se refieren, en general, a una composición de un aglutinante para utilización en electrodos de baterías y a métodos de preparación de la misma. Más particularmente, pero no a modo de limitación, el uno o más conceptos inventivos dados a conocer y/o reivindicados actualmente se refieren a una composición de aglutinante que comprende un polímero hidrosoluble ionizable y un polvo redispersable que contiene un látex, un coloide protector y un agente antiaglomerante para utilización en la producción y fabricación de electrodos de una batería de iones de litio. Adicionalmente, el uno o más conceptos inventivos dados a conocer y/o reivindicados actualmente se refieren, en general, a composiciones de electrodos y métodos para fabricar electrodos, tanto ánodos como cátodos, con una composición de aglutinante que contiene un polímero hidrosoluble ionizable y un polvo redispersable.
2. Antecedentes de la invención
Las baterías de iones de litio se utilizan en un abanico de productos, que incluyen dispositivos médicos, coches eléctricos, aviones y, especialmente, productos de consumo, tales como ordenadores portátiles, teléfonos móviles y cámaras. Debido a sus altas densidades de energía, altos voltajes de funcionamiento y bajas autodescargas, las baterías de iones de litio han superado al mercado de las baterías secundarias y siguen encontrando nuevas utilidades en industrias y productos en desarrollo.
En general, las baterías de iones de litio (BIL) comprenden un ánodo, un cátodo y un material de electrolito, tal como un disolvente orgánico que contiene una sal de litio. Más específicamente, el ánodo y el cátodo (conjuntamente, los “electrodos”) se forman mezclando un material activo de ánodo o un material activo de cátodo con un aglutinante y un disolvente para formar una pasta o una suspensión que, a continuación, se recubre y se seca sobre un colector de corriente, tal como aluminio o cobre, para formar una película sobre el colector de corriente. Los ánodos y cátodos se estratifican y enrollan a continuación, antes de ser alojados en una carcasa presurizada que contiene un material de electrolito, lo cual, todo junto, forma una batería de iones de litio.
Cuando se fabrican electrodos, es importante seleccionar un aglutinante con suficientes propiedades de adherencia y químicas, de modo tal que la película recubierta sobre el colector de corriente mantenga contacto con el colector de corriente incluso cuando se manipula para encajarlo en la carcasa presurizada de la batería. Dado que la película contiene el material activo de electrodo, si la película no mantiene suficiente contacto con el colector de corriente, probablemente habrá una interferencia significativa con las propiedades electroquímicas de la batería. Como tal, el aglutinante juega un papel importante en el rendimiento de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, existe una necesidad, no solo de mejorar el rendimiento de los aglutinantes existentes, sino también de proporcionar aglutinantes que sean fáciles y rápidos de producir.
Actualmente, los aglutinantes utilizados en las baterías de iones de litio consisten generalmente en un modificador de la reología celulósico y un material de látex, tal como estireno-butadieno (SB), que se mezclan con un material activo de electrodo y un agente dispersante en un procedimiento de múltiples etapas. Véase, por ejemplo, la solicitud de patente US 2004/0258991, presentada por Choiet al.,y su correspondiente solicitud europea, EP 1489673. Dado que los materiales celulósicos están generalmente en forma de polvo, no son fácilmente solubles en agua y requieren un tiempo largo para disolverse, a menos que se sometan a una cizalladura alta en concentraciones bajas del material celulósico (por ejemplo, menos de 3 %). Sin embargo, el látex de estireno-butadieno no es estable a una cizalladura alta (y alta temperatura) y, por lo tanto, no puede mezclarse junto con el uno o más materiales celulósicos y el uno o más materiales activos de electrodo en una sola etapa de mezcla. Por tanto, la utilización de un material de látex en el procedimiento requiere habitualmente que el material celulósico y el material activo de electrodo se mezclen independientemente con agua para formar primero soluciones individuales que, a continuación, se mezclan, antes de añadir el material de látex. Como tal, el número de etapas requeridas para producir aglutinantes que contienen un material de látex aumenta el coste y tiempo generales necesarios para producir electrodos de baterías de iones de litio. Además, el látex de estireno-butadieno (~40-60 % de agua) no es estable a temperatura ambiente y requiere uno o más biocidas para almacenarlo durante periodos de tiempo más largos. Por tanto, no es conveniente almacenar y transportar látex de estireno-butadieno para el procedimiento de múltiples etapas, especialmente durante los meses de invierno, cuando las temperaturas se encuentran con frecuencia por debajo de la temperatura ambiente (es decir, por debajo de 25 °C).
Dado que los métodos de la técnica anterior requieren múltiples etapas intensivas, en términos de tiempo, que pueden incrementar en gran medida el gasto de fabricar las suspensiones necesarias para la producción de electrodos de baterías de iones de litio, sigue habiendo una necesidad industrial de un coaglutinante en polvo que se pueda mezclar con un polvo celulósico y uno o más materiales activos de electrodo en polvo en un procedimiento de una sola etapa que sea más fácil y más rentable para producir suspensiones. Esta necesidad se puede satisfacer, por ejemplo, pero no a modo de limitación, utilizando un polvo redispersable, en lugar de un látex individual, en la composición de aglutinante. Los polvos redispersables están bien desarrollados en la técnica. Por ejemplo, la solicitud de patente US 2011/0104378, presentada por Willimannet al.,describe un polvo redispersable útil para composiciones de materiales de construcción.
Adicionalmente, la tecnología actual de las baterías de iones de litio enseña la utilización de carboximetilcelulosa, carboxietilcelulosa, aminoetilcelulosa y/u oxietilcelulosa como material celulósico, en donde la carboximetilcelulosa (CMC) se ha convertido en la elección de material celulósico preferida para ser incluida en los aglutinantes de BIL que contienen grafito como material activo de ánodo. Véase, por ejemplo, la solicitud de patente US 2004/0258991 presentada por Young-Min Choiet al.Sin embargo, a medida que los materiales activos de cátodo y ánodo alternativos cambien y evolucionen, surgirá una necesidad de aglutinantes mejorados, por ejemplo, para impedir disminuciones de capacidad grandes durante el ciclado.
Específicamente, el silicio ha pasado recientemente a primer plano como material activo de ánodo prometedor para las BIL. Véase, por ejemplo, On the Binding Mechanism of CMC in Si Negative Electrodes for Li-Ion Batteries, Electrochemistry Communications, volumen 9, 2801-2806 (2007), B. Lestriez, S. Bahri, I. Sandu, L. Roue, D. Guyomard. Sin embargo, se sabe que el silicio experimenta grandes cambios de volumen durante la carga y descarga, lo que puede causar problemas para la capacidad y el rendimiento generales de una batería. Sin embargo, la composición de aglutinante a base de polvo redispersable dada a conocer y/o reivindicada actualmente, que comprende carboximetil hidroxietil celulosa, mejora realmente la capacidad de las baterías de iones de litio que comprenden silicio, a pesar de la tendencia del silicio a causar grandes cambios de volumen durante la carga. Esto se debe en parte al porcentaje superior de alargamiento y flexibilidad de la carboximetil hidroxietil celulosa con respecto a otras celulosas utilizadas actualmente en las composiciones de aglutinante, que incluyen CMC. Además, la composición de aglutinante a base de polvo redispersable dada a conocer en la presente memoria, que comprende carboximetil hidroxietil celulosa, puede utilizarse tanto en ánodos como en cátodos, lo que demuestra las propiedades electroquímicas mejoradas en comparación con la técnica anterior.
El documento EP 2254 193 A1 da a conocer electrodos para utilización en baterías secundarias de iones de litio fabricadas a partir de un material conductor eléctrico y un aglutinante basado en carboximetil (hidroxietil) celulosa.
Compendio de los conceptos inventivos
El uno o más conceptos inventivos dados a conocer y/o reivindicados actualmente abarcan además una o más composiciones de precursor de aglutinante para utilización en la preparación de una batería de iones de litio que comprende un polímero hidrosoluble ionizable y un polvo redispersable que comprende un coloide protector, un agente antiaglomerante y un polímero de látex, como se define en la reivindicación 1. Se contempla que puede formarse una suspensión añadiendo agua a la composición de precursor de aglutinante descrita anteriormente, como se define en la reivindicación 7.
El uno o más conceptos inventivos dados a conocer y/o reivindicados actualmente también abarcan un electrodo para utilización en una batería de iones de litio que comprende (i) una película, que comprende: (1) un material activo de electrodo y (2) un aglutinante que comprende un polímero ionizado soluble en agua y un polvo redispersable; y (ii) un colector de corriente como se define en la reivindicación 11.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 es un diagrama esquemático, de conformidad con una realización, de un método para fabricar una suspensión para utilización en la fabricación de un electrodo.
La Figura 2 es un diagrama esquemático, de conformidad con otra realización, de un método para fabricar una suspensión para utilización en la fabricación de un electrodo.
La Figura 3 es un diagrama esquemático, de conformidad con una realización adicional, de un método para fabricar una suspensión para utilización en la fabricación de un electrodo.
La Figura 4 es una representación gráfica que compara las viscosidades de composiciones de suspensión que contienen un polvo redispersable o una emulsión de látex de estireno-butadieno, como se describe en los Ejemplos 1-4 más adelante.
La Figura 5 es una representación gráfica que compara las viscosidades de composiciones de suspensión que contienen un polvo redispersable o una emulsión de látex de estireno-butadieno, como se describe en los Ejemplos 7-12 más adelante.
La Figura 6 es una representación gráfica que compara las viscosidades de composiciones de suspensión que contienen diferentes carboximetil celulosas, como se describe en los Ejemplos 13-18 más adelante.
La Figura 7 es una representación gráfica que compara las viscosidades de composiciones de suspensión que contienen diferentes carboximetil celulosas, como se describe en los Ejemplos 17-22 más adelante.
La Figura 8 es una representación gráfica de los datos de adherencia para los Ejemplos 17-24, como se describe más adelante.
La Figura 9 es una representación gráfica del rendimiento electroquímico para las Muestras A-F (espesor de película del ánodo de 35 pm) que muestra un perfil de voltaje a una tasa de 0,05 C, como se describe más adelante.
La Figura 10 es una representación gráfica del rendimiento electroquímico para las Muestras A-F (espesor de película del ánodo de 70 pm) que muestra un perfil de voltaje a una tasa de 0,05 C, como se describe más adelante.
La Figura 11 es una representación gráfica de las capacidades de retención de capacidad y eficiencia culómbica después de 100 ciclos para las Muestras A-F (espesor de película del ánodo de 35 pm), como se describe más adelante.
La Figura 12 es una representación gráfica de las capacidades de retención de capacidad y eficiencia culómbica después de 100 ciclos para las Muestras A-F (espesor de película del ánodo de 70 pm), como se describe más adelante.
La Figura 13 es una representación gráfica de las capacidades de ciclado para las Muestras A-F (espesor de película del ánodo de 70 pm) como se miden mediante sus retenciones de capacidad a tasas de 0,05 C; 0,2 C y 0,5 C durante 5 ciclos por tasa, como se describe más adelante.
La Figura 14 es una representación gráfica de la impedancia de las Muestras A-F (espesor de película del ánodo de 70 pm), como se describe más adelante.
La Figura 15 es una representación gráfica de la capacidad de carga de los datos de ciclos de un ánodo de SiOx/grafito (92/5) con Aqu D-5283 y diversos aglutinantes de PRD (100/0,66/1,2).
La Figura 16 es una representación gráfica de la capacidad de descarga de los datos de ciclos del ánodo de SiOx/grafito (92/5) con Aqu D-5283 y diversos aglutinantes de PRD (100/0,66/1,2).
Descripción detallada del uno o más conceptos inventivos
Como se utilizan de conformidad con la presente divulgación, se entenderá que los términos siguientes tienen los significados siguientes, a menos que se indique de otro modo.
La palabra “un” o “uno/a”, cuando se utiliza junto con el término “que comprende”, puede significar “uno/a”, pero también es coherente con el significado de “uno/a o más”, “al menos uno/a” y “uno/a o más de uno/a”. El término “o” se utiliza para indicar “y/o”, a menos que se indique explícitamente que solo hace referencia a alternativas, si las alternativas son mutuamente exclusivas, aunque la divulgación respalda una definición que se refiere a solo alternativas e “y/o”. Durante toda la solicitud, el término “aproximadamente” se utiliza para indicar que un valor incluye la variación de error inherente para el dispositivo de cuantificación, el método que se está empleando para determinar el valor, o la variación que existe entre los sujetos del estudio. Por ejemplo, pero no a modo de limitación, cuando se utiliza el término “aproximadamente”, el valor designado puede variar en más o menos doce por ciento, u once por ciento, o diez por ciento, o nueve por ciento, u ocho por ciento, o siete por ciento, o seis por ciento, o cinco por ciento, o cuatro por ciento, o tres por ciento, o dos por ciento, o uno por ciento. El término “al menos uno/a” se entenderá que incluye uno/a, así como cualquier cantidad mayor de uno/a, lo que incluye, pero no se limita a, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100, etc. El término “al menos uno/a” puede ampliarse hasta 100, 1000 o más en función del término al que esté adjunto. Además, las cantidades de 100/1000 no deben considerarse limitantes, ya que límites inferiores o superiores también pueden producir resultados satisfactorios. Además, el término “al menos uno de X, Y e Z” se entenderá que incluye X solo, Y solo y Z solo, así como cualquier combinación de X, Y e Z. La utilización de terminología de números ordinales (es decir, “primero”, “segundo”, “tercero”, “cuarto”, etc.) tiene únicamente la finalidad de diferenciar entre dos o más elementos y, a menos que se indique de otro modo, no está destinada a implicar ninguna secuencia, orden o importancia de un elemento sobre otro ni ningún orden de adición.
En una realización no limitante, el material celulósico modificado hidrofílicamente puede ser una carboxialquil celulosa. En particular, pero sin limitación, el material celulósico modificado hidrofílicamente puede ser carboximetil celulosa. El grado de sustitución del material celulósico modificado hidrofílicamente empleado en las composiciones y métodos del uno o más conceptos inventivos dados a conocer y/o reivindicados actualmente puede estar en un intervalo de aproximadamente 0,6 a 1,4, o de aproximadamente 0,7 a aproximadamente 1,2, o de aproximadamente 0,8 a aproximadamente 1,1.
En otra realización no limitante, el material celulósico modificado hidrofílicamente puede ser una hidroxialquil celulosa modificada hidrofílicamente. La hidroxialquil celulosa modificada hidrofílicamente puede ser cualquier hidroxialquil celulosa modificada con un grupo hidrófilo. Por ejemplo, pero sin limitación, la hidroxialquil celulosa se puede seleccionar del grupo que comprende, consiste en, o consiste esencialmente en hidroxietil celulosa, hidroxipropil celulosa, y combinaciones de las mismas. Adicionalmente, por ejemplo, pero sin limitación, el grupo hidrófilo puede ser un grupo carboxialquilo. En una realización no limitante adicional, la hidroxialquil celulosa modificada hidrofílicamente se puede seleccionar del grupo que comprende, consiste en, o consiste esencialmente en carboximetil hidroxietil celulosa, carboximetil hidroxipropil celulosa, y combinaciones de las mismas.
El coloide protector en el polvo redispersable se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, acetato de polivinilo, un polímero de hidroxialquil celulosa, y combinaciones de los mismos. En una realización no limitante adicional, el polímero de hidroxialquil celulosa puede ser hidroxietil celulosa.
El agente antiaglomerante en el polvo redispersable es cualquier material seleccionado del grupo que consiste en carbonato de calcio, caolín, sílice, carbono, carbonato de litio, y combinaciones de los mismos.
El polímero de látex en el polvo redispersable es cualquier material seleccionado del grupo que consiste en estireno-butadieno, acetato de vinilo-etileno, estireno-acrílico, vinilo-acrílico, etileno-versatato de vinilo, y combinaciones de los mismos. En el concepto inventivo dado a conocer y/o reivindicado actualmente, también se contempla que el polímero de látex puede ser cualquier polímero eficaz en una suspensión, de modo tal que sea capaz de formar una película sobre un colector de corriente con propiedades de adherencia y electroquímicas razonables.
El polímero hidrosoluble ionizable está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 2 % a 75 %, o de aproximadamente 20 % a aproximadamente 60 %, o de aproximadamente 35 % a aproximadamente 45 % en peso. El polvo redispersable está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 25 % a 98 %, o de aproximadamente 40 % a aproximadamente 80 %, o de aproximadamente 55 % a aproximadamente 65 % en peso.
Adicionalmente, el coloide protector está presente en el polvo redispersable en un intervalo de 0,1 % a 10 %, o de aproximadamente 2 % a aproximadamente 8 %, o de aproximadamente 4 % a aproximadamente 6 % en peso; el agente antiaglomerante está presente en el polvo redispersable en un intervalo de 1 % a 35 %, o de aproximadamente 10 % a aproximadamente 30 %, o de aproximadamente 25 % a aproximadamente 35 % en peso; y el polímero de látex está presente en el polvo redispersable en un intervalo de 30 % a 98,9 %, o de aproximadamente 65 % a aproximadamente 90 %, o de aproximadamente 70 % a aproximadamente 85 % en peso.
El polvo redispersable puede estar en forma de partículas, en donde el diámetro promedio de las partículas de polvo redispersable es inferior a aproximadamente 500 pm, o inferior a aproximadamente 300 pm, o inferior a aproximadamente 150 pm.
En una realización alternativa, la composición de precursor de aglutinante del uno o más conceptos inventivos dados a conocer y/o reivindicados actualmente comprende un material activo de electrodo, un polímero hidrosoluble ionizable y un polvo redispersable que puede comprender un coloide protector, un agente antiaglomerante y un polímero de látex. El polímero hidrosoluble ionizable está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 2,25 %, o de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 1,75 %, o de aproximadamente 0,75 % a aproximadamente 1,25 % en peso; el polvo redispersable está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 3,5 %, o de aproximadamente 0,75 % a aproximadamente 2,5 %, o de aproximadamente 1,25 % a aproximadamente 1,75 % en peso; y el material activo de electrodo está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de aproximadamente 94,25 % a aproximadamente 99,5 %, o de aproximadamente 95 % a aproximadamente 99 %, o de aproximadamente 96,5 % a aproximadamente 98,5 % en peso.
En una realización, el material activo de electrodo es un material activo de ánodo. El material activo de ánodo puede ser cualquier material que consista en (1) materiales carbonosos, (2) aleaciones a base de silicio, (3) compuestos complejos que comprenden: i) uno o más materiales carbonosos y ii) uno o más metales que consisten de Al, Ag, Bi, In, Ge, Mg, Pb, Si, Sn, Ti, y combinaciones de los mismos, (4) un óxido metálico complejo de litio, (5) nitruros que contienen litio, y (6) combinaciones de los mismos. En una realización no limitante, el material activo de ánodo puede ser un material carbonoso, en donde el material comprende un grafito artificial, un grafito natural, grafito modificado en superficie, coque, fibra de carbono, y combinaciones de los mismos. En otra realización no limitante, el material activo de ánodo puede ser un compuesto complejo que comprende un material carbonoso y silicio. En otra realización no limitante, el material activo de ánodo puede comprender óxido de titanato de litio (LTO).
La invención dada a conocer y/o reivindicada actualmente también abarca una composición de suspensión que comprende las composiciones de precursor de aglutinante descritas anteriormente en agua, en donde, en una realización no limitante, la composición de precursor de aglutinante comprende un polímero hidrosoluble ionizable, un polvo redispersable y un material activo de electrodo, en donde el polímero hidrosoluble ionizable puede estar presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 2,25 %, o de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 1,75 %, o de aproximadamente 0,75 % a aproximadamente 1,25 % en peso seco; el polvo redispersable puede estar presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 3,5 %, o de aproximadamente 0,75 % a aproximadamente 2,5 %, o de aproximadamente 1,25 % a aproximadamente 1,75 % en peso seco, y el material activo de electrodo puede estar presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de aproximadamente 94,25 % a aproximadamente 99.5 %, o de aproximadamente 95 % a aproximadamente 99 %, o de aproximadamente 96,5 % a aproximadamente 98,5 % en peso seco. En otra realización no limitante, la suspensión comprende la una o más composiciones de precursor de aglutinante identificadas anteriormente en agua, en donde el polímero hidrosoluble ionizable está presente en la suspensión en un intervalo de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 2,25 %, o de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 1,75 %, o de aproximadamente 0,75 % a aproximadamente 1,25 % en peso seco; el coloide protector está presente en la suspensión en un intervalo de aproximadamente 0,05 % a aproximadamente 0,2 %, o de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 0,19 %, o de aproximadamente 0,165 % a aproximadamente 0,185 % en peso seco; el agente antiaglomerante está presente en la suspensión en un intervalo de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 0,5 %, o de aproximadamente 0,2 % a aproximadamente 0,4 %, o de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 0,35 % en peso seco; el polímero de látex está presente en la suspensión en un intervalo de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 4 %, o de aproximadamente 1 % a aproximadamente 3 %, o de aproximadamente 1,5 % a aproximadamente 2,5 % en peso seco; y el material activo de electrodo está presente en la suspensión en un intervalo de aproximadamente 94,25 % a aproximadamente 99,5 %, o de aproximadamente 95 % a aproximadamente 99 %, o de aproximadamente 96,5 % a aproximadamente 98.5 % en peso seco.
En una realización, la suspensión descrita anteriormente tiene una viscosidad Brookfield en un intervalo de aproximadamente 1000 mPas (1000 cps) a aproximadamente 15000 mPas (15000 cps), o de aproximadamente 4000 mPas (4000 cps) a aproximadamente 11 000 mPas (11000 cps), o de aproximadamente 5500 mPas (5500 cps) a aproximadamente 8500 mPas (8500 cps), a una velocidad de cizalladura en un intervalo de aproximadamente 10 s-1 a aproximadamente 40 s-1, a 25 °C.
Adicionalmente, el uno o más conceptos inventivos dados a conocer y/o reivindicados actualmente abarcan un electrodo que comprende (i) una película, que comprende (1) un material activo de electrodo como se ha descrito anteriormente y (2) una composición de precursor de aglutinante como se ha descrito anteriormente, y (ii) un colector de corriente. El polímero hidrosoluble ionizable está presente en la película en un intervalo de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 2,25 %, o de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 1,75 %, o de aproximadamente 0,75 % a aproximadamente 1,25 % en peso; el coloide protector está presente en la suspensión en un intervalo de aproximadamente 0,05 % a aproximadamente 0,2 %, o de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 0,19 %, o de aproximadamente 0,165 % a aproximadamente 0,185 % en peso; el agente antiaglomerante está presente en la suspensión en un intervalo de aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 0,5 %, o de aproximadamente 0,2 % a aproximadamente 0,4 %, o de aproximadamente 0,25 % a aproximadamente 0,35 % en peso; el polímero de látex está presente en la suspensión en un intervalo de aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 4 %, o de aproximadamente 1 % a aproximadamente 3 %, o de aproximadamente 1,5 % a aproximadamente 2,5 % en peso; y el material activo de electrodo está presente en la suspensión en un intervalo de aproximadamente 94,25 % a aproximadamente 99.5 %, o de aproximadamente 95 % a aproximadamente 99 %, o de aproximadamente 96,5 % a aproximadamente 98,5 % en peso.
La película tiene un espesor en un intervalo de aproximadamente 30 |jm a aproximadamente 150 |jm, o de aproximadamente 40 jm a aproximadamente 130 jm , o de aproximadamente 50 jm a aproximadamente 100 jm .
El colector de corriente puede ser cualquier material que actúe como un conductor eléctrico para el material activo de ánodo o para el material activo de cátodo. Por ejemplo, pero sin limitación, el colector de corriente se puede seleccionar del grupo de materiales que comprenden, consisten en, o consisten esencialmente en aluminio, cobre, acero inoxidable, níquel, zinc, plata, y combinaciones de los mismos. En una realización no limitante, el colector de corriente para el ánodo es una hoja metálica de cobre. En otra realización no limitante, el colector de corriente para el cátodo es una hoja metálica de aluminio.
La película descrita anteriormente se puede unir a una superficie del colector de corriente descrito anteriormente para formar una unión. En una realización, la resistencia de adherencia de la unión es de al menos aproximadamente 0,3 gf/mm, o al menos aproximadamente 0,6 gf/mm, o al menos aproximadamente 1,0 gf/mm, como se determina mediante el ensayo de adherencia de pelado a 90 grados, que se describirá más adelante.
La Figura 1 es un diagrama esquemático de una realización de un método/sistema 100 para fabricar una suspensión para utilización en la fabricación de un electrodo. Con referencia a la Figura 1, el polímero hidrosoluble ionizable se traspasa a un recipiente 102 a través del conducto 104 y el polvo redispersable se traspasa al recipiente 102 a través del conducto 106, en donde el polímero hidrosoluble ionizable y el polvo redispersable se mezclan en seco para formar una composición de precursor de aglutinante seca. La composición de precursor de aglutinante seca se traspasa a un recipiente 108 a través del conducto 110, el material activo de electrodo se traspasa al recipiente 108 a través del conducto 112, y el agua se traspasa al recipiente 108 a través del conducto 114, en donde el polímero hidrosoluble ionizable, el polvo redispersable, el material activo de electrodo y el agua se mezclan para formar la suspensión.
La Figura 2 es un diagrama esquemático de una realización alternativa de un método/sistema 200 para fabricar una suspensión para utilización en la fabricación de un electrodo. Con referencia a la Figura 2, el polímero hidrosoluble ionizable se traspasa a un recipiente 202 a través del conducto 204, el polvo redispersable se traspasa al recipiente 202 a través del conducto 206, y el material activo de electrodo se traspasa al recipiente 202 a través del conducto 208, en donde el polímero hidrosoluble ionizable, el polvo redispersable y el material activo de electrodo se mezclan en seco para formar una composición de precursor de aglutinante seca. La composición de precursor de aglutinante seca se traspasa a un recipiente 210 a través del conducto 212 y el agua se traspasa al recipiente 210 a través del conducto 214, en donde el polímero hidrosoluble ionizable, el polvo redispersable, el material activo de electrodo y el agua se mezclan para formar la suspensión.
La Figura 3 es un diagrama esquemático de una realización alternativa de un método/sistema 300 para fabricar una suspensión para utilización en la fabricación de un electrodo. Con referencia a la Figura 3, el polímero hidrosoluble ionizable se traspasa primero a un recipiente 302 a través del conducto 304 junto con agua, que se traspasa al recipiente 302 a través del conducto 306 para formar una solución acuosa. El polvo redispersable se traspasa a un recipiente 308 a través del conducto 310 y el material activo de electrodo se añade al recipiente 308 a través del conducto 312, en donde el polvo redispersable y el material activo de electrodo se mezclan en seco y posteriormente se añaden al recipiente 302 a través del conducto 314 para la mezcla con el polímero hidrosoluble ionizable y agua en el recipiente 302 para formar la suspensión.
Adicionalmente, se contempla que el polímero hidrosoluble ionizable, el material activo de electrodo y el polvo redispersable se pueden premezclar o precombinar en diversas combinaciones y añadir al agua al mismo tiempo o individualmente.
Como se ha descrito anteriormente y se demuestra experimentalmente más adelante, la utilización de polvos redispersables en los materiales de aglutinante para baterías de iones de litio puede reducir los esfuerzos de mezcla necesarios para formar una suspensión para la producción de baterías de iones de litio, y conduce realmente a mejores rendimientos electroquímicos de las baterías de iones de litio. En una realización, los electrodos descritos anteriormente tienen una retención de capacidad, a una tasa C de 0,05 C y 25 °C durante 50 ciclos, que es superior a aproximadamente 80 %, o superior a aproximadamente 90 %, o superior a aproximadamente 96 %, en donde el espesor de película está en el intervalo de aproximadamente 30 jm a aproximadamente 100 jm , o de aproximadamente 35 jm a aproximadamente 95 jm , o de aproximadamente 65 jm a aproximadamente 75 jm . En otra realización no limitante, los electrodos descritos anteriormente tienen una capacidad de retención, a una tasa C de 0,05 C y 25 °C durante 100 ciclos, que es superior a aproximadamente 60 %, o superior a aproximadamente 80 %, o superior a aproximadamente 92 %, en donde el espesor de película está en el intervalo de aproximadamente 30 jm a aproximadamente 100 jm , o de aproximadamente 35 jm a aproximadamente 90 jm , o de aproximadamente 65 jm a aproximadamente 75 jm .
En una realización adicional, los electrodos descritos anteriormente tienen una impedancia inferior a aproximadamente 300 Rct, o inferior a aproximadamente 250 Rct, o inferior a aproximadamente 200 Rct, en donde el espesor de película es inferior a aproximadamente 70 pm, o inferior a aproximadamente 60 pm, o inferior a aproximadamente 35 pm.
Ejemplos
Preparaciones de suspensiones de grafito para ensayos de viscosidad y adherencia
Se preparan suspensiones de grafito utilizando dos formulaciones diferentes: un procedimiento “por vía húmeda” y un procedimiento “por vía seca”.
El procedimiento “por vía húmeda” para preparar suspensiones de grafito comprende: 1) preparar una solución añadiendo una carboximetil hidroxietil celulosa o una hidroxietil celulosa en agua y, a continuación, mezclar durante un periodo de tiempo con un mezclador superior; 2) dispersar polvo de grafito en agua; 3) añadir la carboximetil hidroxietil celulosa o la hidroxietil celulosa a la dispersión de grafito y, a continuación, mezclar durante un periodo de tiempo con el mezclador superior; 4) añadir una emulsión de látex (en lo sucesivo, “ látex”) o un polvo redispersable a la suspensión que comprende grafito y carboximetil hidroxietil celulosa o hidroxietil celulosa y, a continuación, mezclar con un mezclador superior durante un periodo de tiempo.
El procedimiento “por vía húmeda” para preparar suspensiones que contienen una carboximetil celulosa comprende: 1) preparar una solución de carboximetil celulosa en agua a 25 °C con un mezclador mecánico superior; 2) dispersar polvo de grafito en agua en un recipiente de 150 mL; 3) añadir la solución de carboximetil celulosa a la dispersión de grafito y, a continuación, mezclar durante una hora con un mezclador superior; y 4) añadir una emulsión de látex o un polvo redispersable a la suspensión de grafito/carboximetil celulosa y, posteriormente, mezclar con un mezclador superior durante 10 minutos.
El procedimiento “por vía seca” para preparar suspensiones de grafito comprende: 1) dispersar una cantidad de una combinación de polvo de grafito y un polvo de carboximetil hidroxietil celulosa o un polvo de hidroxietil celulosa en agua y mezclar durante un periodo de tiempo utilizando un mezclador superior, y 2) añadir un látex o un polvo redispersable a la suspensión de grafito/celulosa y, posteriormente, mezclar con un mezclador superior durante un periodo de tiempo.
El procedimiento “por vía seca” para preparar suspensiones que contienen una carboximetil celulosa comprende: 1) dispersar una mezcla de polvo de carboximetil celulosa y polvo de grafito en agua en un recipiente de 150 mL y mezclar durante una hora con un mezclador superior, y 2) añadir una emulsión de látex (en lo sucesivo, “látex”) o un polvo redispersable a la suspensión de grafito/carboximetil celulosa y, posteriormente, mezclar con un mezclador superior durante 10 minutos.
Las suspensiones se prepararon utilizando varias formulaciones diferentes. Para cada formulación, la cantidad total de sólidos (es decir, grafito, carboximetil celulosa y látex, o polvo redispersable) fue aproximadamente 47 % en peso, comprendiendo el 53 % en peso restante agua. Como se ilustra en las tablas a continuación, la cantidad, relación y tipo de grafito, carboximetil celulosa y látex, o polvo redispersable, varió en todos los ejemplos; sin embargo, para aquellos ejemplos que comprenden polvo redispersable en lugar de un látex, el polvo redispersable estaba compuesto por 75 % en peso de partículas de látex, 20 % en peso de agente antiaglomerante y 5 % en peso de coloide protector, en donde el agente antiaglomerante era carbonato de calcio (CaCO3) y carbonato de litio, el coloide protector (o “auxiliar de redispersión”) era alcohol polivinílico (PVOH) y las partículas de látex variaban en función del polvo redispersable, como se sugiere en las tablas a continuación.
La Tabla 1 presenta una descripción detallada de una composición de suspensión, preparada mediante el procedimiento “por vía húmeda”, que tiene una cantidad total de sólidos (es decir, grafito, carboximetil celulosa y látex, o polvo redispersable) de aproximadamente 47 % en peso, en donde la relación normalizada de grafito, carboximetil celulosa (CMC) y polvo redispersable (PRD), o látex, es 100/1/1,5. Aunque no se muestra en la Tabla 1, una composición de suspensión preparada mediante el procedimiento “por vía seca” se puede calcular a partir de una relación normalizada de grafito, CMC y PRD, o látex, teniendo en cuenta que la CMC se mezcló con el grafito antes de añadir agua para formar una solución acuosa.
Tabla 1
Aunque no se muestra en la Tabla 1, varios de los ejemplos siguientes ilustran que la cantidad de PRD o látex (o CMC) se puede aumentar de modo tal que la relación normalizada de grafito, carboximetil celulosa, y PRD, o látex, esté ajustada para reflejar el aumento. Por ejemplo, las relaciones 100/1/2, 100/1/2,5 y 100/1/3 se ilustran más adelante. Por tanto, en vista de la Tabla 1, el porcentaje en peso de cada componente, es decir, grafito, agua, CMC y el PRD, o el látex, se puede determinar rápidamente a partir de la relación normalizada de sólidos. Como tales, las cantidades específicas de los componentes para cada relación no se identifican expresamente, como se hizo anteriormente. Sin embargo, los ejemplos siguientes identifican explícitamente la relación de CMC a PRD (o látex) teniendo en cuenta que cada relación está normalizada con respecto a la cantidad de grafito en la composición.
Preparaciones de suspensiones de silicio para ensayos de viscosidad y adherencia
Se preparan suspensiones de silicio utilizando un procedimiento “por vía húmeda” y un “procedimiento por vía seca”.
El procedimiento “por vía húmeda” para preparar suspensiones de silicio comprende: 1) preparar una solución añadiendo una carboximetil hidroxietil celulosa, una carboximetil celulosa, o una hidroxietil celulosa en agua y, a continuación, mezclar durante un periodo de tiempo utilizando un mezclador superior; 2) dispersar un polvo de un compuesto que contiene silicio en agua; 3) añadir la carboximetil hidroxietil celulosa, la carboximetil celulosa o la hidroxietil celulosa a la dispersión del compuesto que contiene silicio y, a continuación, mezclar durante un periodo de tiempo con el mezclador superior; 4) añadir un látex o un polvo redispersable a la suspensión que comprende el compuesto que contiene silicio y carboximetil hidroxietil celulosa, carboximetil celulosa o hidroxietil celulosa y, a continuación, mezclar con un mezclador superior durante un periodo de tiempo.
El procedimiento “por vía seca” para preparar suspensiones de silicio comprende: 1) dispersar una cantidad de una combinación de polvo que comprende un compuesto que contiene silicio, y un polvo de carboximetil hidroxietil celulosa, un polvo de carboximetil celulosa o un polvo de hidroxietil celulosa en agua y, a continuación, mezclar durante un periodo de tiempo utilizando un mezclador superior, y 2) añadir un látex o un polvo redispersable a la suspensión de compuesto que contiene silicio/celulosa y, posteriormente, mezclar con un mezclador superior durante un periodo de tiempo.
Preparaciones de suspensiones de grafito/silicio para ensayos de viscosidad y adherencia
Se preparan suspensiones de grafito/silicio utilizando dos formulaciones diferentes: un procedimiento “por vía húmeda” y un procedimiento “por vía seca”.
El procedimiento “por vía húmeda” para preparar suspensiones de grafito/silicio comprende: 1) preparar una solución añadiendo una carboximetil hidroxietil celulosa o una hidroxietil celulosa en agua y, a continuación, mezclar durante un periodo de tiempo utilizando un mezclador superior; 2) dispersar polvo de grafito y polvo de un compuesto que contiene silicio en agua; 3) añadir la carboximetil hidroxietil celulosa o la hidroxietil celulosa a la dispersión de grafito y, a continuación, mezclar durante un periodo de tiempo con el mezclador superior; 4) añadir una emulsión de látex (en lo sucesivo, “ látex”) o un polvo redispersable a la suspensión que comprende grafito, el compuesto que contiene silicio, y carboximetil hidroxietil celulosa o hidroxietil celulosa y, a continuación, mezclar con un mezclador superior durante un periodo de tiempo.
El procedimiento “por vía húmeda” para preparar suspensiones de grafito/silicio que contienen una carboximetil celulosa comprende: 1) preparar una solución de carboximetil celulosa en agua a 25 °C con un mezclador mecánico superior; 2) dispersar polvo de grafito y polvo de SiOx en agua en un recipiente de 150 mL; 3) añadir la solución de carboximetil celulosa a la dispersión de grafito y SiOx y, a continuación, mezclar durante una hora con un mezclador superior; y 4) añadir una emulsión de látex o un polvo redispersable a la suspensión de grafito/SiOx/carboximetil celulosa y, posteriormente, mezclar con un mezclador superior durante 10 minutos.
El procedimiento “por vía seca” para preparar suspensiones de grafito/silicio comprende: 1) dispersar una cantidad de una combinación de polvo de grafito, polvo de un compuesto que contiene silicio y un polvo de carboximetil hidroxietil celulosa o un polvo de hidroxietil celulosa en agua y mezclar durante un periodo de tiempo utilizando un mezclador superior, y 2) añadir un látex o un polvo redispersable a la suspensión de grafito/silicio/celulosa y, posteriormente, mezclar con un mezclador superior durante un periodo de tiempo.
El procedimiento “por vía seca” para preparar suspensiones que contienen una carboximetil celulosa comprende: 1) dispersar una combinación de polvo de carboximetil celulosa y polvo de grafito/SiOx en agua en un recipiente de 150 mL y mezclar durante una hora con un mezclador superior, y 2) añadir una emulsión de látex (en lo sucesivo, “ látex”) o un polvo redispersable a la suspensión de grafito/SiOx/carboximetil celulosa y, posteriormente, mezclar con un mezclador superior durante 10 minutos.
Preparación de polvos redispersables selectos
Se prepararon dos polvos redispersables específicamente para los ejemplos siguientes y se distinguen como PRD-1 y PRD-2. Lo siguiente describe los componentes y métodos de preparación para ambos polvos redispersables.
El PRD-1 se preparó mediante lo siguiente: 1) se añadió una cantidad de látex de copolímero de acetato de vinilo-etileno (VAE) que tenía una Tg de 10 °C (Celvolit® 1328 de Celanese Co., Houston, TX) a una solución acuosa que comprendía 20 % en peso de un agente de redispersión (Celvol® 504 de Celanese Co., Houston, TX) para formar una materia prima líquida, en donde 45 % en peso de la materia prima estaba compuesto por el látex de VAE y el agente de redispersión; 2) independientemente, se combinó carbonato de calcio (CaCO3) que tenía un tamaño de partícula pequeño (por ejemplo, <2 pm) con una arcilla que tenía un tamaño de partícula <1 pm en una relación en peso de 3:1 para formar un agente antiaglomerante; y 3) se alimentó conjuntamente la materia prima líquida y el agente antiaglomerante combinado a un secador por pulverización SD-200-R-AB de GEA Niro (Copenhague, Dinamarca), en donde la materia prima líquida se alimentó a una temperatura entre 50-55 °C y la temperatura de salida del pulverizador fue entre 110-120 °C. El polvo redispersable producido mediante el procedimiento, PRD-1, tenía una densidad aparente entre 0,4-0,5 g/cm3, un tamaño de partícula entre 80-120 pm, un contenido de humedad <1 % en peso y contenidos de cenizas entre 5-20 % en peso.
El PRD-2 se preparó mediante lo siguiente: 1) se añadió una cantidad de látex de copolímero de acetato de vinilo-etileno (VAE) que tenía una Tg de -10 °C (Celvolit® 1388 de Celanese Co., Houston, TX) a una solución acuosa que comprendía 20 % en peso de un agente de redispersión (Celvol® 504 de Celanese Co., Houston, TX) para formar una materia prima líquida, en donde 45 % en peso de la materia prima estaba compuesto por el látex de VAE y el agente de redispersión; 2) independientemente, se combinó carbonato de calcio (CaCO3) que tenía un tamaño de partícula pequeño (por ejemplo, <2 pm) con una arcilla que tenía un tamaño de partícula <1 pm en una relación en peso de 3:1 para formar un agente antiaglomerante; y 3) alimentó conjuntamente la materia prima líquida y el agente antiaglomerante combinado a un secador por pulverización SD-200-R-AB de GEA Niro (Copenhague, Dinamarca), en donde la materia prima líquida se alimentó a una temperatura entre 50-55 °C y la temperatura de salida del pulverizador fue entre 110-120 °C. El polvo redispersable producido mediante el procedimiento, PRD-2, tenía una densidad aparente entre 0,4-0,5 g/cm3, un tamaño de partícula entre 80-120 pm, un contenido de humedad <1 % en peso y contenidos de cenizas entre 5-20 % en peso.
Métodos de ensayo
Mediciones de estabilidad de la suspensiones
La estabilidad de muestras de suspensiones de silicio selectas se mide colocando las suspensiones en frascos de vidrio cilíndricos tapados que, a continuación, se almacenan a temperatura ambiente durante una semana. Específicamente, las muestras de suspensiones selectas se colocan en frascos de vidrio de aproximadamente 50 mL durante aproximadamente 7 días, durante los cuales se realiza un seguimiento de las muestras cada día para detectar fenómenos de separación de fases. Se prevé que las muestras de suspensiones inestables se separen de modo tal que el agua o la solución de baja viscosidad forman una capa superior y la solución de grafito o silicio forma una capa inferior en los frascos de vidrio. Se determina que las suspensiones son estables si permanecen en solución durante alrededor de 5 días o más.
Se midieron las estabilidades de suspensiones de grafito o suspensiones de grafito/silicio para muestras de suspensiones selectas colocando las suspensiones en frascos de vidrio cilíndricos tapados que, a continuación se almacenaron a temperatura ambiente durante una semana. Específicamente, se colocaron 30 g de las muestras de suspensiones de grafito o suspensiones de grafito/silicio en frascos de vidrio de 50 mL durante 7 días, durante los cuales se realizó un seguimiento de las muestras cada día para detectar fenómenos de separación de fases todos los días. Las muestras de suspensiones inestables se separaron de modo tal que el agua o la solución de baja viscosidad formaban una capa superior y la solución de grafito o grafito/silicio formaba una capa inferior en los frascos de vidrio. Se determinó que las suspensiones de grafito o grafito/silicio eran estables si permanecían en solución durante 5 días o más.
Mediciones de reología
Las viscosidades de las composiciones de suspensión experimentales se midieron con un reómetro TA, de TA Instruments® (New Castle, Delaware), en función de la velocidad de cizalladura a 25 °C utilizando una geometría de cono y placa.
Adicionalmente, también se midieron las viscosidades de varias composiciones suspensión, como se identifican más adelante, con un viscosímetro Brookfield®, de Brookfield Engineering Laboratories, Inc. (Middleboro, MA), a 3 rpm y 30 rpm con husillo 4 en una muestra de 50 mL de las composiciones de suspensión identificadas más adelante.
Mediciones de adherencia
Las mediciones de adherencia se obtuvieron realizando un ensayo de pelado a 90 grados sobre electrodos formados recubriendo y secando las composiciones de suspensión, como se han identificado anteriormente, sobre colectores de corriente de cobre.
Los electrodos se formaron recubriendo las composiciones de suspensión sobre colectores de corriente de cobre que tenían un espesor de aproximadamente 20 pm y, a continuación, se utilizó una máquina de colado en cinta (rasqueta) para disminuir la capa de suspensión hasta un espesor húmedo de aproximadamente 230 pm. El colector de corriente de cobre recubierto con la composición de suspensión se secó a temperatura ambiente durante unas horas hasta que se evaporó la mayor parte del agua del colector de corriente recubierto y, a continuación, se colocó en un horno de vacío a aproximadamente 110 °C durante aproximadamente 30 minutos para evaporar todo el agua de la composición de suspensión y formar una película sobre el colector de corriente de cobre que tenía un espesor de aproximadamente 120 pm, formando un electrodo de ánodo. El colector de corriente recubierto con la película seca se colocó a continuación en una prensa de rodillos durante aproximadamente un minuto, hasta que la película tuvo un espesor de aproximadamente 70 pm. Alternativamente, se fabricaron electrodos con un espesor de película de aproximadamente 35 pm.
Los electrodos se sometieron a continuación a un ensayo de pelado de 90 grados utilizando un banco de ensayos de pelado de Instron®, Norwood, MA. Las muestras de electrodos individuales se montaron sobre una placa de acero inoxidable con cinta adhesiva de doble cara 3M®, de 3M Corporation (St. Paul, MN), después de lo cual se despegó la película, que también estaba pegada a la cinta adhesiva, a una velocidad de 30,5 cm/min (1 pie/min) mediante el instrumento Instron®, durante lo cual el Instrumento Instron® midió la fuerza necesaria para despegar la película del colector de corriente.
Una adherencia por encima de 0,3 gf/mm se considera generalmente que es aceptable, mientras que un valor de adherencia por encima de 0,5 gf/mm se considera que es bueno.
Las tablas siguientes demuestran que la adherencia de películas formadas a partir de suspensiones que contienen polvos redispersables es tan buena como, si no mejor que, la adherencia de películas formadas a partir de suspensiones que contienen látex tradicionales, como látex de estireno-butadieno. Una adherencia por encima de 0,3 gf/mm se considera generalmente que es aceptable, mientras que un valor de adherencia por encima de 0,5 gf/mm se considera que es bueno.
Ejemplos 1-5
La Tabla 2 presenta las formulaciones para los Ejemplos 1-5, que variaron en los tipos de látex o polvo redispersable utilizados en las composiciones de suspensión (véase la Tabla 1 para consultar la relación de componentes), pero mantuvieron constante el tipo de grafito y carboximetil celulosa utilizados en las mismas. Los Ejemplos 1-5 se prepararon mediante el procedimiento “por vía húmeda”, y la relación normalizada de grafito, carboximetil celulosa y polvo redispersable (o látex) se mantuvo constante en 100/1/1,5, respectivamente.
Tabla 2
Los Ejemplos 1-5 se sometieron a los ensayos descritos anteriormente para determinar las mediciones de reología y las mediciones de adherencia. La Tabla 3 presenta los resultados. Como es evidente a partir de la Tabla 3, las suspensiones se sometieron tanto al reómetro TA, a 25 °C utilizando una geometría de cono y placa, como al viscosímetro Brookfield®, a 30 rpm con husillo 4.
Tabla 3
Como ilustra la Tabla 3, las viscosidades de las composiciones que contenían polvos redispersables en lugar de solo látex (Ejemplos 2-4) son comparables a las del Ejemplo 1, que contiene látex. Adicionalmente, las muestras de suspensiones que contenían diversos polvos redispersables (Ejemplos 2-4) fueron estables (es decir, el grafito y el aglutinante no se separaron) durante los 5 días de almacenamiento. Además, la Tabla 3 sugiere que los valores de adherencia de las películas unidas a la hoja metálica de cobre y compuestas por polvos redispersables y CMC (Ejemplos 2-4) son iguales, en cuanto a calidad aceptable (es decir, cercanos o superiores a 0,5 gf/mm), a los de la película compuesta por látex y CMC (Ejemplo 1). Los Ejemplos 2-4 también tienen mucha mejor adherencia y flexibilidad superior a la película con solo CMC y grafito (Ejemplo 5). La Figura 4 es una representación gráfica de las viscosidades de los Ejemplos 1-4, como se obtuvieron mediante el Reómetro TA.
Ejemplos 6-12
La Tabla 4 presenta las formulaciones para los Ejemplos 6-12, que variaron en los tipos y cantidades de látex o polvo redispersable utilizados en las composiciones de suspensión (véase la Tabla 1 para consultar la relación de componentes), pero mantuvieron constante el tipo de grafito y carboximetil celulosa utilizados en las mismas. Los Ejemplos 6-12 se prepararon mediante el procedimiento “por vía húmeda”, y la relación normalizada de grafito, carboximetil celulosa y polvo redispersable (o látex) varió de 100/1/1,5 a 100/1/3 debido a los mayores niveles de PRD o látex para algunos de los ejemplos.
Tabla 4
Los Ejemplos 6-12 se sometieron a los ensayos descritos anteriormente para determinar las mediciones de reología, el ensayo de estabilidad de las suspensiones y las mediciones de adherencia. La Tabla 5 siguiente presenta los resultados. Como es evidente a partir de la Tabla 5, las suspensiones de los Ejemplos 6-12 también se sometieron tanto al reómetro TA, a 25 °C utilizando una geometría de cono y placa, como al viscosímetro Brookfield®, a 30 rpm con husillo 4.
Tabla 5
Como ilustra la Tabla 5, las viscosidades de las composiciones que contienen polvos redispersables en lugar de solo látex (Ejemplos 7-10) son comparables a las de los Ejemplos 6, 11 y 12, que solo contienen un látex. La Tabla 5 sugiere también que las mediciones de adherencia de las películas que comprenden polvos redispersables en lugar de solo látex (Ejemplos 7-10) son iguales, en cuanto a calidad aceptable (es decir, cerca de o por encima de 0,5 gf/mm), a las de los Ejemplos 6 y 11, que contenían solo un látex. Además, la Tabla 5 sugiere que la carboximetil celulosa Aqualon® Aqu D-5284 puede mejorar la adherencia de la composición de aglutinante al colector de corriente de cobre, especialmente cuando se añade a cantidades crecientes de polvo redispersable, en comparación con la Tabla 3, que presenta los datos de adherencia para las composiciones que contienen Aqualon® Aqu D-5139. La Figura 5 es una representación gráfica de las viscosidades de los Ejemplos 7-12, como se obtuvieron mediante el Reómetro TA.
Ejemplos 13-24
La Tabla 6 presenta los Ejemplos 13-24, que varían en los tipos y cantidades de látex, o polvo redispersable, y varían en los tipos de carboximetil celulosa utilizados en las composiciones de suspensión, pero mantienen constante el tipo de grafito MAG utilizado en las mismas. Los Ejemplos 13-24 se prepararon mediante el procedimiento “por vía húmeda” (con 40 % de sólido total en agua), y la relación normalizada de grafito, carboximetil celulosa y polvo redispersable (o látex) varió de 100/1/1,5 a 100/1/3 debido a los mayores niveles de PRD o látex para algunos de los ejemplos.
Tabla 6
Los Ejemplos 13-24 se sometieron a los ensayos descritos anteriormente para determinar las mediciones de reología y las mediciones de adherencia. La Figura 6 presenta los datos de viscosidad para los Ejemplos 13-18, la Figura 7 presenta los datos de viscosidad para los Ejemplos 17-22, y la Figura 8 presenta los datos de adherencia para los Ejemplos 13-24. Las Figuras 6 y 7 muestran las viscosidades frente a las velocidades de cizalladura para los Ejemplos 13-22, que indican que el tipo de carboximetil celulosa no afecta en gran medida a la reología de las composiciones. La Figura 8 también sugiere que las mediciones de adherencia de las películas que comprenden polvos redispersables en lugar de solo látex (Ejemplos 13-16 y 19-22) son iguales en cuanto a calidad aceptable, si no mejores (es decir, cerca o por encima de 0,5 gf/mm), a las de los ejemplos que solo contienen un látex (Ejemplos 17-18 y 23-24). Además, la Figura 8 sugiere que las composiciones que contienen la carboximetil celulosa Aqualon® Aqu D-5283 (Ejemplos 14, 16, 18, 20, 22 y 24) en lugar de Aqualon® Aqu D-5139 (Ejemplos 13, 15, 17, 19, 21 y 23) pueden mejorar la adherencia de la composición de aglutinante al colector de corriente de cobre, especialmente cuando se añaden en cantidades crecientes (véanse los Ejemplos 16 y 22 en comparación con los Ejemplos 15 y 21).
Ejemplos 25-32
La Tabla 7 presenta los Ejemplos 25-32, que varían en los tipos de carboximetil celulosa y látex, o polvo redispersable, utilizados en las composiciones de suspensión (formulación de 40 % de sólidos totales), pero mantienen constante el tipo de grafito utilizado en las mismas. Adicionalmente, los Ejemplos 25-32 varían en cuanto al procedimiento de preparación utilizado para fabricar las muestras, es decir, los Ejemplos 25, 27, 29 y 31 se prepararon mediante el procedimiento “por vía seca” y los Ejemplos 26, 28 y 30 se prepararon mediante el procedimiento “por vía húmeda”, en donde la relación normalizada de grafito, carboximetil celulosa y polvo redispersable (o látex) se mantuvo constante en 100/1/1,5, respectivamente, para las composiciones preparadas mediante ambos procedimientos, por vía húmeda y por vía seca. Los Ejemplos 25-32 también se sometieron al ensayo de adherencia como se ha descrito anteriormente, cuyos resultados se presentan en la Tabla 7.
Tabla 7
Como ilustra la Tabla 7, las mediciones de adherencia de las películas que comprenden polvos redispersables en lugar de solo látex (Ejemplos 27-32) son aceptables (es decir, cerca o por encima de 0,5 gf/mm) y, de hecho, son iguales o mejores a las de los Ejemplos 25 y 26, que solo contenían látex. Además, la Tabla 7 sugiere que la carboximetil celulosa Aqualon® Aqu D-5283 (Ejemplos 29, 30 y 32) puede mejorar la adherencia de la composición de aglutinante al colector de corriente de cobre en comparación con las carboximetil celulosas Aqualon® Aqu D-5139 (25-28 y 31) y Aqualon® Aqu D-5284 (véanse los Ejemplos 6-12 de la Tabla 5). Adicionalmente, la Tabla 7 sugiere que ambos procedimientos, por vía húmeda y por vía seca, pueden proporcionar muy buena adherencia (es decir, aproximadamente 0,5 gf/mm o más).
Ejemplos 33-38
La Tabla 8 presenta los Ejemplos 33-38, que varían en los tipos de carboximetil celulosa y látex, o polvo redispersable, utilizados en las composiciones de suspensión, pero mantienen constante el tipo de carboximetil celulosa utilizado en las mismas. Los Ejemplos 33-38 se prepararon mediante el procedimiento “por vía seca”, en donde la relación normalizada de grafito, carboximetil celulosa y polvo redispersable (o látex) se mantuvo constante en 100/1/1,5, respectivamente. Los Ejemplos 33-38 también se sometieron al ensayo de adherencia descrito anteriormente, cuyos resultados también se presentan en la Tabla 8.
Tabla 8
Como ilustra la Tabla 8, las mediciones de adherencia de las películas que comprenden polvos redispersables en lugar de solo látex (Ejemplos 37-38) son aceptables (es decir, cerca o por encima de 0,5 gf/mm). Adicionalmente, los Ejemplos 33-38 ilustran que se ha encontrado que la adherencia de las composiciones que comprenden grafito FSNC-1 es mejor que la de las composiciones que comprenden grafito MAG.
También se midió la estabilidad de la suspensión para cuatro composiciones (Ejemplos 39-42) que contenían solo 1,5 % en peso de carboximetil celulosa y 2,25 % en peso de polvo redispersable, o látex, en agua. Para estos ensayos de estabilidad, no se añadió grafito a las suspensiones. El aglutinante, es decir, CMC y PRD (o látex), se considera que tiene buena estabilidad si la CMC y el PRD, o el látex, permanecen en solución durante 5 días o más. La Tabla 9 ilustra que las suspensiones que comprenden polvos redispersables y CMC tienen tan buena estabilidad como las suspensiones que contienen un látex de estireno-butadieno.
Tabla 9
Preparación de electrodos para ensayos electroquímicos
Se prepararon electrodos, específicamente ánodos, recubriendo colectores de corriente de cobre con composiciones de suspensión que contenían materiales activos de electrodo, utilizando los métodos descritos anteriormente, para formar películas de un espesor prescrito sobre los colectores de corriente. Los electrodos preparados tenían un espesor de película de 35 pm o 70 pm.
Las suspensiones recubiertas sobre los colectores de corriente de cobre se prepararon utilizando el procedimiento “por vía húmeda” descrito anteriormente. El procedimiento comprendió: (1) añadir 22,9 g de una solución de carboximetil celulosa (CMC) al 0,7 % a 15,6 g de grafito, y mezclar la mezcla de CMC/grafito durante 20 minutos utilizando un mezclador superior, (2) añadir 0,6 g de: (i) una solución de polvo redispersable (PRD) o (ii) una solución de látex al 40 % en peso a la mezcla de CMC/grafito, y mezclar la solución de CMC/grafito/PRD o látex durante 20 minutos utilizando un mezclador superior, y (3) añadir 0,9 g de agua desionizada a la solución de CMC/grafito/PRD o látex, y mezclar durante 20 minutos con un mezclador superior.
Las suspensiones se prepararon utilizando varias formulaciones diferentes. Para cada formulación, la cantidad total de sólidos (es decir, grafito, carboximetil celulosa y látex, o polvo redispersable) fue aproximadamente 47 % en peso, comprendiendo el 53 % en peso restante agua. Como se ilustra en las tablas a continuación, el tipo de carboximetil celulosa y látex, o polvo redispersable, varió en los ejemplos; sin embargo, para aquellos ejemplos que comprenden polvo redispersable en lugar de un látex, el polvo redispersable estaba compuesto por 75 % en peso de partículas de látex, 20 % en peso de agente antiaglomerante y 5 % en peso de coloide protector, en donde el agente antiaglomerante era carbonato de calcio (CaCO3), el coloide protector (o “auxiliar de redispersión”) era alcohol polivinílico (PVOH) y las partículas de látex variaban en función del polvo redispersable, como se presenta en las tablas a continuación.
La Tabla 10 presenta una descripción detallada de las diferentes composiciones de suspensión que se prepararon. Para cada composición de suspensión que contenía polvo redispersable, la relación de los componentes secos, es decir, solo el grafito, carboximetil celulosa y polvo redispersable, fue 97,5/1/1,5, respectivamente. Adicionalmente, para cada composición de suspensión que contenía látex, el látex comprendía una mezcla de látex Zeon® BM-400 y Zeon® BM-480B en una relación igual, de modo tal que la relación de componentes secos, es decir, solo el grafito, carboximetil celulosa, Zeon® BM-400 y Zeon® BM-480, fue 97,5/1/0,75/0,75, respectivamente. La estabilidad de las suspensiones A-F y la adherencia de las películas formadas a partir de las suspensiones A-F sobre colectores de corriente de cobre se midieron utilizando los procedimientos definidos anteriormente, cuyos resultados también se presentan en la Tabla 10.
Tabla 10
Se produjeron celdas de media moneda que tenían un diámetro de 20 mm y una altura de 3,2 mm (es decir, celdas de media moneda “CR-2032”) utilizando los ánodos descritos anteriormente en combinación con cátodos de disco metálico de litio, un separador de poliolefina Celgard®, de Celgard LLC (Charlotte, Carolina del Norte), y un electrolito que comprendía una mezcla de disolventes orgánicos de carbonato de etileno (EC), carbonato de etilmetilo (EMC), carbonato de propileno (PC), y fluorobenceno (FB) en una relación de 30/55/5/10 y 1,1 mol de hexafluorofosfato de litio (IiPFa) como sal de litio. La carga de sólidos para el ánodo que tenía una película de 35 pm de espesor fue de 5 mg/cm 2, y de 10 mg/cm2 para el ánodo que tenía una película de 70 pm de espesor. Las celdas de media moneda se sometieron a ensayos cíclicos y de capacidad de ciclado a diversas tasas, así como a un ensayo para determinar la impedancia de las celdas de media moneda. Para cada método de ensayo, los resultados para la Muestra A se consideraron como el punto de referencia para la comparación entre las Muestras B-F, debido a su similitud con los ánodos comerciales típicos.
Ensayo de capacidad de descarga
Se evaluaron las capacidades de descarga para las celdas de media moneda descritas anteriormente a temperatura ambiente, 25 °C, utilizando una tasa de corriente de 0,05 culombios (C), en donde los ánodos tenían un espesor de película de 35 pm y 70 |jm. Los electrodos se evaluaron en el intervalo de voltajes de 0,01 a 1,4 V frente a Li/Li+, con un tiempo de reposo de 10 minutos entre carga y descarga. Se utilizó un modo de voltaje constante (“VC”) y un modo de corriente constante (“CC”) en el caso del estado de carga, es decir, la inserción de Li en el grafito, y el estado de descarga, es decir, la extracción de Li del grafito, respectivamente. Los resultados se muestran en las Tablas 11A y 11B, y en las Figuras 9 y 10.
Ensayo de capacidad de ciclado - Características del ciclo de vida
Las capacidades de ciclado de las celdas de media moneda descritas anteriormente también se evaluaron a temperatura ambiente, 25 °C, cargando y descargando las celdas de media moneda a una tasa de 0,5 culombios © durante 100 ciclos, en donde los ánodos tenían una película de 35 pm y 70 pm. Los resultados se muestran en la Tabla 12 y en las Figuras 11 y 12.
Las capacidades de ciclado de las celdas de media moneda descritas anteriormente también se evaluaron para un intervalo, cargando y descargando las celdas a una tasa de 0,05 C, 0,2 C y 0,5 C durante aproximadamente 5 ciclos por carga. Los resultados se muestran en la Tabla 13 y la Figura 13.
Impedancia
Se evaluó la impedancia de las celdas de media moneda 2032 descritas anteriormente para ánodos que tenían un espesor de película de 70 pm. Los datos de impedancia de la batería se midieron utilizando un Solartron® 1260, de Solartron Analytical (Leicester, Reino Unido). Los resultados se muestran en la Tabla 14 y la Figura 14.
Ejemplos 43-54
Como ilustran las Tablas 11A y 11B, las Muestras A-F se sometieron al ensayo de capacidad de descarga definido anteriormente, cuyos resultados corresponden a los Ejemplos 43-54. Los Ejemplos 43-48 (Tabla 11A) corresponden a ánodos que tienen un espesor de película de 35 pm y los Ejemplos 49-54 (Tabla 11B) corresponden a ánodos que tienen un espesor de película de 70 pm.
Tabla 11A
Tabla 11B
Los resultados presentados en las Tablas 11A y 11B sugieren que los ánodos preparados con polvos redispersables en lugar de látex (Ejemplos 44, 46, 48, 50, 52 y 54) funcionan tan bien como, si no mejor que, los ánodos preparados con látex en lugar de polvos redispersables (Ejemplos 43, 45, 47, 49, 51 y 53). Las Figuras 9 y 10 representan gráficamente las capacidades de carga y descarga en el intervalo de voltajes.
Ejemplos 55-66
Como ilustra la Tabla 12, las Muestras A-F se sometieron al ensayo de capacidad de ciclado definido anteriormente, cargando y descargando las celdas de media moneda a una tasa de 0,5 culombios (C) durante 100 ciclos, en donde los ánodos tenían un espesor de película de 35 pm y 70 pm. La Tabla 12 destaca las mediciones tomadas a 50 ciclos y 100 ciclos, sin embargo, las Figuras 11 y 12 presentan gráficamente los datos obtenidos para los 100 ciclos completos.
Tabla 12
Los resultados presentados en la Tabla 12 sugieren que la mayor parte de los ánodos preparados con polvos redispersables en lugar de un látex (Ejemplos 56, 58, 60, 62, 64, 66) se comportan tan bien como, si no mejor que, los ánodos preparados con látex en lugar de polvos redispersables (Ejemplos 55, 57, 59, 61, 63 y 65). Las Figuras 11 y 12 representan gráficamente las capacidades de carga y descarga en el intervalo de voltajes.
Ejemplos 67-72
Como ilustra la Tabla 13, las Muestras A-F se sometieron al ensayo de capacidad de ciclado definido anteriormente, cargando y descargando las celdas de media moneda a tasas de 0,05; 0,2 y 0,5 culombios (C) durante 5 ciclos a cada tasa, en donde los ánodos tenían un espesor de película de 70 pm. La Figura 13 presenta gráficamente los datos obtenidos para cada tasa.
Tabla 13
72 100 83
Los resultados presentados en la Tabla 13 sugieren que la mayor parte de los ánodos preparados con polvos redispersables en lugar de un látex se comportan aproximadamente tan bien como, si no mejor que, los ánodos preparados con látex en lugar de polvos redispersables.
Ejemplos 73-78
Como ilustra la Tabla 14, las Muestras A-F se sometieron al ensayo de impedancia definido anteriormente, en donde los ánodos ensayados en las celdas de media moneda tenían un espesor de película de 70 pm. La Figura 14 presenta gráficamente los datos obtenidos para cada muestra.
Tabla 14
El estándar industrial actual es que la impedancia sea inferior a aproximadamente 228 Rct, la cual se representa mediante la Muestra A. Como demuestran la Tabla 14 y la Figura 14, las Muestras B, D y F (que corresponden a los números de Experimento 74, 76 y 78) se comportan todas mejor que el estándar industrial, lo que señala que se prefiere una impedancia inferior.
Ejemplos 79-89
Las Tablas 15 y 16 presentan una descripción detallada de las diferentes composiciones de suspensión que se prepararon. Cada composición de suspensión contenía un ánodo de grafito (MAG)/oxido de Si (SiOx) (92/5), carboximetil celulosa (Aqu D-5283) y aglutinante de polvo redispersable (PRD) (la relación en seco fue 100/0,67/1,19) en agua. El contenido de sólidos en la suspensión fue 40-50 %. Adicionalmente, como suspensión de referencia, la composición que contenía látex, el látex compuesto por una mezcla de látex Zeon® BM-400 y Zeon® BM-480B en una relación igual, de modo tal que la relación de componentes secos, es decir, solo el grafito/SiOx, carboximetil celulosa, Zeon® BM-400 y Zeon® BM-480B fue 97,5/1/0,75/0,75, respectivamente. La suspensión se recubrió sobre la hoja metálica de cobre para preparar las celdas de media moneda, y se evaluaron sus rendimientos electroquímicos y de ciclo. Los datos se presentan en la Tabla 15 y se representan gráficamente en las Figuras 15 y 16.
Tabla 15
Tabla 16
Ejemplo A - Preparación de CHMEC
Se cargó un recipiente de vidrio de autoclave agitado de dos cuartos con 64,8 g (0,4 moles) de borra de algodón (peso seco) y 1000 ml de alcohol t-butílico (99,5+ %). El recipiente se selló a continuación al reactor y se purgó de oxígeno, evacuando hasta 66 cm (26 pulgadas) de calibre de vacío, seguido de presurización hasta 138 kPa (20 psig) con nitrógeno. Este ciclo de vacío-presurizado se repitió 5 veces, después de lo cual se añadió una solución cáustica (61,7 g de NaOH al 50 %/73 ml de H<2>O). mediante una jeringa, a la suspensión de celulosa agitada al vacío. Al reactor se le aplicaron otros cinco ciclos de desgasificación, como anteriormente. Se dejó que la celulosa alcalina se agitara durante 60 minutos a 15°-20 °C, en nitrógeno a 69 kPa (10 psig). A continuación se introdujo una solución de ácido monocloroacético (10,4 g de MCA/25 ml de alcohol terc-butílico) a la suspensión, al vacío, mediante una jeringa. Después de la presurización hasta 69 kPa (10 psig) de N<2>, se calentó a continuación la reacción hasta 70 °C (periodo de calentamiento de aproximadamente 30 minutos) y se mantuvo durante 30 minutos. Después de enfriar hasta 40 °C y evacuar hasta aproximadamente 178 cm (20 pulgadas) de vacío, se añadieron 79,0 g de óxido de etileno condensado en un tubo Fischer-Porter. Después de la presurización hasta 69 KPa (10 psig) de N<2>, la reacción se mantuvo a 45 °C durante 60 minutos y, a continuación, a 80 °C durante 120 minutos. Después de enfriar hasta menos de 30 °C, se neutralizó la mezcla de reacción con 31 ml de HNO<3>(70 %) y 5 ml de ácido acético glacial. Después de la filtración, la torta húmeda se lavó por lotes en acetona, a continuación se deshidrató con acetona al 99,5 % y se secó. El producto final tenía He Ms : 1,9-2,5; CMDS: 0,3-0,5; y viscosidad al 1 %: 3000 mPas (3000 cps).
Ejemplos 90-93
Las Tablas 17 y 18 presentan una descripción detallada de las diferentes composiciones de suspensión que se prepararon. Cada composición de suspensión contenía un ánodo de grafito (MAG)/óxido de Si (SiOx) (92/5), carboximetil hidroxicelulosa (CMHEC, preparada en el Ejemplo A) y aglutinante de polvo redispersable (PRD) (la relación en seco fue 100/1/1,5), en agua. El contenido de sólidos de la suspensión fue 40-50 %. Adicionalmente, como suspensión de referencia, la composición que contenía látex, el látex compuesto por látex Zeon® BM-480B. La suspensión se recubrió sobre la hoja metálica de cobre para preparar el electrodo del ánodo. Se midió la viscosidad y adherencia de las suspensiones. Los datos se presentan en la Tabla 18. El electrodo de la formulación 93 tiene buena adherencia, aspecto flexible y de buen recubrimiento.
Tabla 17
Tabla 18
Claims (15)
1. Una composición de precursor de aglutinante para utilización en la preparación de una batería de iones de litio, que comprende:
(i) un polímero hidrosoluble ionizable que
- es un material celulósico modificado hidrofílicamente seleccionado de entre carboxialquil celulosa e hidroxialquil celulosa, y
- está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 2 % a 75 % en peso; y (ii) un polvo redispersable que está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 25 % a 98 % en peso y que comprende
- un coloide protector que está presente en el polvo redispersable en un intervalo de 0,1 % a 10 % en peso y que se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, acetato de polivinilo, un polímero de hidroxialquil celulosa, y combinaciones de los mismos;
- un agente antiaglomerante que está presente en el polvo redispersable en un intervalo de 1 % a 35 % en peso y que se selecciona del grupo que consiste en carbonato de calcio, caolín, sílice, carbono, carbonato de litio, y combinaciones de los mismos; y
- un polímero de látex que está presente en el polvo redispersable en un intervalo de 30 % a 98,9 % en peso y que se selecciona del grupo que consiste en estireno-butadieno, acetato de vinilo-etileno, estireno-acrílico, vinilo-acrílico, etileno-versatato de vinilo, y combinaciones de los mismos.
2. La composición de precursor de aglutinante de la reivindicación 1, en donde el polvo redispersable está en forma de partículas, y en donde el diámetro promedio de las partículas es inferior a 500 |jm.
3. La composición de precursor de aglutinante de la reivindicación 1 o 2, que comprende además un material activo de electrodo.
4. La composición de precursor de aglutinante de la reivindicación 3, en donde
- el polímero hidrosoluble ionizable está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 0,25 % a 2,25 % en peso,
- el polímero redispersable está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 0,25 % a 3,5 % en peso, y
- el material activo de electrodo está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 94,25 % a 99,5 % en peso.
5. La composición de precursor de aglutinante de la reivindicación 3, en donde el material activo de electrodo es un material activo de ánodo seleccionado del grupo que consiste en 1) un material carbonoso, 2) una aleación a base de silicio, 3) un compuesto complejo que comprende un material carbonoso y un metal seleccionado del grupo que consiste en Al, Ag, Bi, In, Ge, Mg, Pb, Si, Sn, Ti, y combinaciones de los mismos, 4) un óxido metálico complejo de litio, 5) un nitruro que contiene litio, y 6) combinaciones de los mismos.
6. La composición de precursor de aglutinante de la reivindicación 3, en donde el material activo de electrodo es un material activo de cátodo seleccionado del grupo que consiste en óxidos de metales de transición que contienen litio.
7. Una composición de suspensión acuosa formada añadiendo la composición de precursor de aglutinante de una cualquiera de las reivindicaciones 3-6 a agua.
8. La composición de suspensión acuosa de la reivindicación 7, en donde
- el polímero hidrosoluble ionizable está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 0,25 % a 2,25 % en peso seco,
- el polímero redispersable está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 0,25 % a 3,5 % en peso seco, y
- el material activo de electrodo está presente en la composición de precursor de aglutinante en un intervalo de 94,25 % a 99,5 % en peso seco.
9. La composición de suspensión acuosa de la reivindicación 7, en donde
- el polímero hidrosoluble ionizable está presente en la suspensión en un intervalo de 0,25 % a 2,25 % en peso seco,
- el coloide protector está presente en la suspensión en un intervalo de 0,05 % a 0,2 % en peso seco, - el agente antiaglomerante está presente en la suspensión en un intervalo de 0,1 % a 0,5 % en peso seco, - el polímero de látex está presente en la suspensión en un intervalo de 0,5 % a 4 % en peso seco, y - el material activo de electrodo está presente en la suspensión en un intervalo de 94,25 % a 99,5 % en peso seco.
10. La composición de suspensión acuosa de la reivindicación 7, en donde la suspensión tiene una viscosidad Brookfield en un intervalo de 1000 mPa s (1000 cps) a 15000 mPa s (15000 cps), a una velocidad de cizalladura en un intervalo de 10 s_1 a 40 s-1, a 25 °C, como se determina según el procedimiento descrito en la descripción de las mediciones de reología.
11. Un electrodo para una batería de iones de litio que comprende:
una película que comprende
(1) un material activo de electrodo que está presente en la película en un intervalo de 94,25 % a 99,5 % en peso, y
(2) un aglutinante que comprende
- un polímero hidrosoluble ionizable que está presente en la película en un intervalo de 0,25 % a 2,25 % en peso y que es un material celulósico modificado hidrofílicamente seleccionado de entre carboxialquil celulosa e hidroxialquil celulosa; y
- un coloide protector que está presente en la película en un intervalo de 0,05 % a 0,2 % en peso y que se selecciona del grupo que consiste en alcohol polivinílico, acetato de polivinilo, un polímero de hidroxialquil celulosa, y combinaciones de los mismos;
- un agente antiaglomerante que está presente en la película en un intervalo de 0,1 % a 0,5 % en peso y que se selecciona del grupo que consiste en carbonato de calcio, caolín, sílice, carbono, carbonato de litio y combinaciones de los mismos; y
- un polímero de látex que está presente en la película en un intervalo de 0,5 % a 4 % en peso y que se selecciona del grupo que consiste en estireno-butadieno, acetato de vinilo-etileno, estireno-acrílico, vinilo-acrílico, etileno-versatato de vinilo, y combinaciones de los mismos; y
un colector de corriente.
12. El electrodo de la reivindicación 11, en donde la carboxialquil celulosa tiene un grado de sustitución en un intervalo de 0,6 a 1,2.
13. El electrodo de la reivindicación 11, en donde la carboxialquil celulosa comprende carboximetil celulosa.
14. El electrodo de la reivindicación 11, en donde el material activo de electrodo es un material activo de ánodo seleccionado del grupo que consiste en 1) un material carbonoso, 2) una aleación a base de silicio, 3) un compuesto complejo que comprende un material carbonoso y un metal seleccionado del grupo que consiste en Al, Ag, Bi, In, Ge, Mg, Pb, Si, Sn, Ti, y combinaciones de los mismos, 4) un óxido metálico complejo de litio, 5) un nitruro que contiene litio, y 6) combinaciones de los mismos.
15. El electrodo de la reivindicación 11, en donde el colector de corriente comprende un metal seleccionado del grupo que consiste en aluminio, cobre, y combinaciones de los mismos.
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| JP2004095391A (ja) * | 2002-08-30 | 2004-03-25 | Sony Corp | 電池およびその製造方法 |
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| ES2285618T3 (es) * | 2005-09-14 | 2007-11-16 | National Starch And Chemical Investment Holding Corporation | Nuevos adhesivos basados en agua para aplicaciones industriales. |
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