ES3011345T3 - Flexible secondary battery - Google Patents

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ES3011345T3 ES20889412T ES20889412T ES3011345T3 ES 3011345 T3 ES3011345 T3 ES 3011345T3 ES 20889412 T ES20889412 T ES 20889412T ES 20889412 T ES20889412 T ES 20889412T ES 3011345 T3 ES3011345 T3 ES 3011345T3
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In-Sung Uhm
Jung-Hun Choi
Yong-Hee Kang
Min-Chul Jang
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Abstract

Se presenta una batería secundaria flexible que comprende: un cable recubierto de metal de litio; un cable de cátodo enrollado en espiral alrededor del exterior del cable recubierto de metal de litio de modo que esté separado de sí mismo a intervalos predeterminados, y que comprende una primera capa de revestimiento poroso formada en el exterior del mismo; y un cable de ánodo enrollado en espiral alrededor del exterior del cable recubierto de metal de litio de modo que se alterna con el cable de cátodo a intervalos predeterminados, y que comprende una segunda capa de revestimiento poroso formada en el exterior del mismo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Batería secundaria flexible
Campo técnico
La presente divulgación se refiere a una batería secundaria flexible, y más particularmente, a una batería secundaria flexible con capacidad de batería mejorada.
La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente coreana n.° 10-2019-0151648 presentada el 22 de noviembre de 2019 ante la Oficina Coreana de Propiedad Intelectual, cuya divulgación se incorpora en el presente documento como referencia en su totalidad.
Antecedentes de la invención
Las baterías secundarias de litio tienen una alta densidad de energía y una alta tensión de funcionamiento, así como excelentes características de almacenamiento y vida útil, y debido a estas ventajas, se usan ampliamente en dispositivos electrónicos portátiles, incluyendo ordenadores personales, videocámaras, teléfonos móviles, reproductores de CD portátiles y PDA.
En general, una batería secundaria de litio incluye una caja cilíndrica o prismática y un conjunto de electrodos recibido en la caja junto con un electrolito. En este caso, el conjunto de electrodos incluye una pila de un electrodo positivo, un separador y un electrodo negativo, y generalmente tiene una estructura de enrollado de tipo de rollo de gelatina o una estructura de pila.
Recientemente, hay, por ejemplo, baterías secundarias flexibles de tipo alambre que pueden adoptar cualquier forma y, por tanto, tienen una amplia gama de aplicaciones. La batería secundaria flexible tiene una razón de longitud con respecto a diámetro muy alta y, en general, incluye un electrodo interior, un separador dispuesto alrededor del electrodo interior y un electrodo exterior dispuesto alrededor del separador.
Para mantenerse al día con el desarrollo de productos electrónicos de alta capacidad, es necesario mejorar la capacidad de la batería por unidad de longitud en las baterías secundarias flexibles de tipo alambre y, con este fin, se han realizado intentos para recubrir los materiales activos usados en las baterías de alambre hasta un grosor o una cantidad de carga predeterminados o superiores.
Sin embargo, en este caso, a medida que aumenta el grosor de la capa de material activo, la resistencia del electrodo disminuye y, como consecuencia, el rendimiento, la vida útil y las características de salida de la batería se degradan, por lo que existe una limitación para mejorar la capacidad de la batería.
Divulgación
Problema técnico
La presente divulgación está diseñada para resolver el problema descrito anteriormente y, por tanto, la presente divulgación se refiere a proporcionar una batería secundaria flexible con una capacidad de batería mejorada.
Solución técnica
Para resolver el problema de la presente divulgación, se proporciona una batería secundaria flexible de las siguientes realizaciones.
Según una primera realización, se proporciona una batería secundaria flexible que comprende un alambre recubierto de metal de litio; un alambre de electrodo positivo enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio, espaciado a un intervalo predeterminado, incluyendo el alambre de electrodo positivo una primera capa de recubrimiento poroso formada sobre una superficie exterior; y un alambre de electrodo negativo enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio de manera alternada con el alambre de electrodo positivo enrollado correspondiente al intervalo predeterminado, incluyendo el alambre de electrodo negativo una segunda capa de recubrimiento poroso formada sobre una superficie exterior. Según una segunda realización, se proporciona una batería secundaria flexible que comprende un alambre recubierto de metal de litio; un electrodo negativo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio; una capa de separación enrollada en espiral alrededor de una superficie exterior del electrodo negativo de tipo alambre; y un electrodo positivo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior de la capa de separación.
Según una segunda realización, se proporciona una batería secundaria flexible que comprende un alambre recubierto de metal de litio; un electrodo negativo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio; una capa de separación enrollada en espiral alrededor de una superficie exterior del electrodo negativo de tipo alambre; y un electrodo positivo de tipo hoja enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior de la capa de separación.
Según una cuarta realización, en una cualquiera de las realizaciones primera a tercera, el alambre recubierto de metal de litio puede ser un alambre de cobre recubierto de metal de litio o un alambre de níquel recubierto de metal de litio.
Según una quinta realización, en una cualquiera de las realizaciones primera a cuarta, un ion de litio del alambre recubierto de metal de litio en contacto con el electrodo negativo puede moverse al electrodo positivo por difusión de líquido.
Según una sexta realización, en la primera realización, la superficie sobre la que está enrollado el alambre de electrodo positivo y la superficie sobre la que puede colocarse el alambre de electrodo negativo sobre una misma superficie circunferencial.
Según una séptima realización, en una cualquiera de las realizaciones primera a sexta, la primera capa de recubrimiento poroso y la segunda capa de recubrimiento poroso pueden ser una capa de electrolito o un separador independientemente una de la otra.
Según una octava realización, en la tercera realización, el electrodo positivo de tipo hoja puede estar enrollado en espiral en una configuración superpuesta o no superpuesta.
Según una novena realización, en una cualquiera de las realizaciones primera a octava, una superficie exterior de la batería secundaria flexible puede estar recubierta con un recubrimiento protector.
Según una décima realización, en una cualquiera de las realizaciones primera a novena, la batería secundaria flexible puede ser una batería secundaria de litio.
Efectos ventajosos
Según una realización de la presente divulgación, el alambre recubierto de metal de litio se aplica a la batería secundaria flexible de tal manera que el alambre recubierto de metal de litio entra en contacto con el electrodo negativo, y después de la inyección de la disolución de electrolito, un ion de litio se intercala en el electrodo negativo de la batería de alambre, donde se realiza la litiación, compensando así la irreversibilidad del electrodo negativo, lo que conduce a una mayor capacidad de la batería.
Además, es posible evitar la reducción de la capacidad de la batería que se produce cuando el electrodo negativo se fabrica para dar una película delgada usando un material de electrodo negativo de alta capacidad tal como SiO para garantizar la flexibilidad debido a las propiedades de la batería flexible.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos ilustran realizaciones preferidas de la presente divulgación y, junto con la divulgación detallada, sirven para ayudar a la comprensión del aspecto técnico de la presente divulgación y, por tanto, la presente divulgación no debe interpretarse como limitada a los dibujos.
La figura 1 es un diagrama que muestra esquemáticamente un alambre de electrodo positivo y un alambre de electrodo negativo de una batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
Las figuras 2 y 3 son diagramas que muestran esquemáticamente una configuración principal de una batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
La figura 4 es un diagrama que muestra esquemáticamente una batería secundaria flexible en forma doblada según una realización de la presente divulgación.
Las figuras 5 y 6 son diagramas que muestran esquemáticamente una configuración principal de una batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
Descripción detallada
A continuación en el presente documento se describirá en detalle la presente divulgación con referencia a los dibujos adjuntos. Debe entenderse que los términos o expresiones usados en la memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas no deben interpretarse como limitados a significados generales y de diccionario, sino más bien deben interpretarse basándose en los significados y conceptos correspondientes a los aspectos técnicos de la presente divulgación basándose en el principio de que al inventor se le permite definir los términos apropiadamente para la mejor explicación.
Por tanto, las realizaciones descritas en el presente documento y las ilustraciones de los dibujos son sólo una realización más preferida de la presente divulgación, y no describen completamente los aspectos técnicos de la presente divulgación, y por tanto debe entenderse que podrían haberse realizado una variedad de otros equivalentes y variaciones a la misma en el momento en que se presentó la solicitud.
Según un aspecto de la presente divulgación, se proporciona una batería secundaria flexible que comprende: un alambre recubierto de metal de litio;
un alambre de electrodo positivo enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio, espaciado a un intervalo predeterminado, incluyendo el alambre de electrodo positivo una primera capa de recubrimiento poroso formada sobre una superficie exterior; y
un alambre de electrodo negativo enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio de manera alternada con el alambre de electrodo positivo enrollado correspondiente al intervalo predeterminado, incluyendo el alambre de electrodo negativo una segunda capa de recubrimiento poroso formada sobre una superficie exterior.
En la memoria descriptiva, “espiral” o “hélice” representan una torsión con un intervalo predeterminado y pueden usarse de manera intercambiable en el presente documento, y se refieren conjuntamente a una forma similar a la forma de un resorte típico.
Con referencia a las figuras 1 a 3, una batería 100 secundaria flexible según una realización de la presente divulgación incluye un alambre 110 recubierto de metal de litio; un alambre 120 de electrodo positivo enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre 110 recubierto de metal de litio, espaciado a un intervalo predeterminado, incluyendo el alambre 120 de electrodo positivo una primera capa 123 de recubrimiento poroso formada sobre una superficie exterior; y un alambre 130 de electrodo negativo enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre 110 recubierto de metal de litio de manera alternada con el alambre 120 de electrodo positivo enrollado correspondiente al intervalo predeterminado, incluyendo el alambre 130 de electrodo negativo una segunda capa 133 de recubrimiento poroso formada sobre una superficie exterior.
Es decir, el alambre 120 de electrodo positivo y el alambre 130 de electrodo negativo están formados de manera alternada en la misma forma imaginaria de prisma cilíndrico o poligonal, y tienen una estructura de disposición de electrodos de nuevo tipo más allá del concepto del electrodo interior y el electrodo exterior. Por consiguiente, es posible evitar un fenómeno de separación que puede producirse sobre la superficie del enrollado del electrodo en la técnica convencional, garantizando así la durabilidad de la batería secundaria flexible frente al doblado.
Además, dado que la superficie (la superficie de enrollado) sobre la que está enrollado el alambre 120 de electrodo positivo y la superficie (la superficie de enrollado) sobre la que está enrollado el alambre 130 de electrodo negativo están colocadas en la misma superficie circunferencial, cuando se dobla la batería, el alambre 120 de electrodo positivo y el alambre 130 de electrodo negativo se mueven dentro del mismo intervalo de doblado, evitando así los estímulos verticales. Además, la batería 100 secundaria flexible de la presente divulgación incluye el alambre 120 de electrodo positivo y el alambre 130 de electrodo negativo dispuestos en contacto entre sí, lo que da como resultado una flexibilidad significativamente mejorada y, por tanto, incluso si la batería se dobla repetidamente, es posible evitar daños a la primera capa de recubrimiento poroso y a la segunda capa de recubrimiento poroso provocados por la fricción entre las capas de recubrimiento poroso, y evitar que se produzca un cortocircuito entre los electrodos en la estructura de batería convencional descrita anteriormente.
En este caso, el alambre 120 de electrodo positivo incluye un alambre 121 conductor recubierto con un material 122 activo de electrodo positivo, y está enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre 110 recubierto de metal de litio y se extiende en la dirección longitudinal de la batería 100 secundaria flexible. El alambre conductor que sirve como colector de corriente puede usar aluminio, acero inoxidable, níquel, cobre y plata, y el material 122 activo de electrodo positivo recubierto sobre la superficie del alambre 121 conductor puede emplear materiales activos de electrodo positivo para baterías secundarias de litio habitualmente usadas en la técnica.
Además, el alambre 130 de electrodo negativo incluye un alambre 131 conductor recubierto con un material 132 activo de electrodo negativo, y está enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre 110 recubierto de metal de litio y se extiende en la dirección longitudinal de la batería 100 secundaria flexible de manera alternada con el alambre 120 de electrodo positivo. El alambre 131 conductor que sirve como colector de corriente puede usar los materiales descritos anteriormente usados en el alambre 120 de electrodo positivo, y el material 132 activo de electrodo negativo recubierto sobre la superficie del alambre 131 conductor puede emplear materiales activos de electrodo negativo para baterías secundarias de litio habitualmente usadas en la técnica.
Mientras tanto, el alambre 110 recubierto de metal de litio puede mantener la forma lineal de la batería 100 secundaria flexible, evitar la deformación de la estructura de la batería por fuerzas externas y la destrucción o deformación de la estructura del electrodo y garantizar la flexibilidad de la batería 100 secundaria flexible.
Según una realización de la presente divulgación, el alambre recubierto de metal de litio puede ser un alambre de cobre recubierto de metal de litio o un alambre de níquel recubierto de metal de litio.
Además, la primera capa 123 de recubrimiento poroso y la segunda capa 133 de recubrimiento poroso evitan el contacto directo entre el alambre 120 de electrodo positivo y el alambre 130 de electrodo negativo, eliminando así la necesidad de un separador adicional independiente.
Haciendo referencia a la figura 3, según una realización de la presente divulgación, la batería 100 secundaria flexible incluye un recubrimiento 140 protector, y el recubrimiento 140 protector es un aislante y está formado sobre el lado más exterior de la batería 100 secundaria flexible para proteger el electrodo de la humedad en el aire y los impactos exteriores.
El recubrimiento 140 protector puede usar una resina polimérica común que incluye una capa de barrera de agua. En este caso, la capa de barrera de agua puede incluir aluminio o un polímero de cristal líquido que tiene un alto rendimiento de barrera de agua, y la resina polimérica puede incluir PET, PVC, HDPE o una resina epoxídica.
Mientras tanto, la primera capa 123 de recubrimiento poroso y la segunda capa 133 de recubrimiento poroso pueden ser una capa de electrolito o un separador independientemente una de la otra.
La capa de electrolito que sirve como canal iónico incluye un electrolito de polímero en gel que usa PEO, PVdF, PVdF-HFP, PMMA, PAN o PVAc; o un electrolito sólido que usa PEO, poli(óxido de propileno) (PPO), polietilenimina (PEI), poli(sulfuro de etileno) (PES) o poli(acetato de vinilo) (PVAc). La matriz del electrolito sólido tiene preferiblemente una estructura principal de polímero o vidrio cerámico. Un electrolito de polímero común tiene una conductividad iónica satisfactoria, pero movimientos iónicos muy lentos en cuanto a velocidad de reacción, por lo que es deseable usar el electrolito de polímero en gel que permite que un ion se mueva fácilmente en lugar de ser sólido. Dado que el electrolito de polímero en gel tiene malas propiedades mecánicas, puede incluirse un soporte para mejorar las propiedades mecánicas, y el soporte puede incluir un soporte poroso o un polímero reticulado. La capa de electrolito de la presente divulgación puede servir como separador, eliminando así la necesidad de un separador.
Según una realización de la presente divulgación, la capa de electrolito puede incluir además una sal de litio. La sal de litio puede mejorar la conductividad iónica y la velocidad de reacción, y su ejemplo no limitativo puede incluir LiCl, LiBr, LiI, LiClO<4>, UBF<4>, LiB-i<0>Cl<10>, LiPFa, UCF<3>SO<3>, UCF<3>CO<2>, LiAsFa, LiSbFa, LiAlCk CH<3>SO<3>U, CF<3>SO<3>U, (CF<3>SO<2>)<2>NLi, cloroborato de litio, carbonato de litio alifático inferior y tetrafenilborato de litio.
El separador no está limitado a un tipo particular, y puede incluir un sustrato de polímero poroso elaborado de al menos un tipo de polímero a base de poliolefina seleccionado de homopolímero de etileno, homopolímero de propileno, copolímero de etileno-buteno, copolímero de etileno-hexeno o copolímero de etileno-metacrilato; un sustrato de polímero poroso elaborado de al menos un tipo de polímero seleccionado de poliéster (poli(tereftalato de etileno), poli(naftalato de etileno), etc.), poliacetal, poliamida, policarbonato, poliimida, poliéter éter cetona, poliéter sulfona, poli(óxido de fenileno), poli(sulfuro de fenileno) o poliuretano; un sustrato poroso elaborado de una mezcla de partículas inorgánicas y un polímero aglutinante; o un separador que incluye una capa de recubrimiento poroso elaborada de una mezcla de partículas inorgánicas y un polímero aglutinante sobre al menos una superficie del sustrato de polímero poroso; y un separador espumado a través de un fenómeno de formación de espuma después de recubrir el alambre de electrodo con una mezcla de una poliolefina en estado líquido y un agente espumante. En este caso, en la capa de recubrimiento poroso elaborada de la mezcla de partículas inorgánicas y un polímero aglutinante, las partículas inorgánicas empaquetadas en contacto entre sí están unidas por el polímero aglutinante para formar un volumen intersticial entre las partículas inorgánicas, y el volumen intersticial entre las partículas inorgánicas es un espacio vacío que forma un poro.
Es decir, el polímero aglutinante mantiene unidas las partículas inorgánicas, por ejemplo, conecta y fija las partículas inorgánicas para mantenerlas en un estado unido. Además, el poro en la capa de recubrimiento poroso es donde el volumen intersticial entre las partículas inorgánicas se convierte en el espacio vacío, y es un espacio definido por las partículas inorgánicas en contacto sustancial entre sí en la estructura cerrada, empaquetada o densamente empaquetada por las partículas inorgánicas. Los poros de la capa de recubrimiento poroso pueden proporcionar un canal para el movimiento de un ion de litio esencial para el funcionamiento de la batería.
Mientras tanto, la batería 100 secundaria flexible puede ser cualquier tipo de batería secundaria, pero tal como se muestra en la figura 4, preferiblemente, una batería secundaria flexible que sea lo suficientemente flexible como para doblarse fácilmente.
Según un aspecto de la presente divulgación, se proporciona una batería secundaria flexible que comprende: un alambre recubierto de metal de litio;
un electrodo negativo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio;
una capa de separación enrollada en espiral alrededor de una superficie exterior del electrodo negativo de tipo alambre; y
un electrodo positivo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior de la capa de separación.
Con referencia a la figura 5, una batería 200 secundaria flexible según una realización de la presente divulgación incluye un alambre 210 recubierto de metal de litio; un electrodo 230 negativo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre 210 recubierto de metal de litio, y que incluye un colector 220 de corriente de electrodo negativo de tipo alambre y una capa de material activo de electrodo negativo (no mostrada) formada sobre la superficie del colector 220 de corriente de electrodo negativo de tipo alambre; una capa 240 de separación enrollada en espiral alrededor de la superficie exterior del electrodo 230 negativo de tipo alambre para evitar un cortocircuito del electrodo; y un electrodo 250 positivo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior de la capa 240 de separación.
Según una realización de la presente divulgación, la batería 200 secundaria flexible puede incluir además un recubrimiento 260 protector sobre la superficie exterior del electrodo 250 positivo de tipo alambre.
Según una realización de la presente divulgación, el alambre recubierto de metal de litio puede ser un alambre de cobre recubierto de metal de litio o un alambre de níquel recubierto de metal de litio.
Según un aspecto de la presente divulgación, se proporciona una batería secundaria flexible que comprende: un alambre recubierto de metal de litio;
un electrodo negativo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio;
una capa de separación enrollada en espiral alrededor de una superficie exterior del electrodo negativo de tipo alambre; y
un electrodo positivo de tipo hoja enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior de la capa de separación. Con referencia a la figura 6, una batería 300 secundaria flexible que se extiende en la dirección longitudinal según una realización de la presente divulgación incluye un alambre 310 recubierto de metal de litio; un electrodo 330 negativo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre 310 recubierto de metal de litio, y que incluye un colector 320 de corriente de electrodo negativo de tipo alambre y una capa de material activo de electrodo negativo (no mostrada) formada sobre la superficie del colector 320 de corriente de electrodo negativo de tipo alambre; una capa 340 de separación enrollada en espiral alrededor de la superficie exterior del electrodo 330 negativo de tipo alambre para evitar un cortocircuito del electrodo; un electrodo 350 positivo de tipo hoja enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior de la capa 340 de separación; y un recubrimiento 360 protector formado alrededor de la superficie exterior del electrodo 350 positivo.
Según una realización de la presente divulgación, el alambre recubierto de metal de litio puede ser un alambre de cobre recubierto de metal de litio o un alambre de níquel recubierto de metal de litio.
La capa de separación puede ser una capa de electrolito o un separador. En este caso, la capa de electrolito o el separador de la capa de separación pueden seleccionarse apropiadamente de la capa de electrolito o el separador aplicado en la primera capa de recubrimiento poroso y la segunda capa de recubrimiento poroso.
Según una realización de la presente divulgación, el electrodo 350 positivo de tipo hoja puede incluir un colector de corriente de electrodo positivo y una capa de material activo de electrodo positivo formada sobre una superficie del colector de corriente de electrodo positivo. Alternativamente, el electrodo 350 positivo de tipo hoja puede incluir un colector de corriente de electrodo positivo y una capa de material activo de electrodo positivo formada sobre una superficie del colector de corriente de electrodo positivo, y puede incluir además una capa conductora formada sobre la superficie superior de la capa de material activo de electrodo positivo y que incluye un material conductor y un aglutinante. Alternativamente, el electrodo 350 positivo de tipo hoja puede incluir además una primera capa de soporte porosa formada sobre la superficie superior de la capa conductora, y una segunda capa de soporte formada sobre la otra superficie del colector de corriente del electrodo positivo.
En este caso, la primera capa de soporte puede ser una membrana porosa de tipo malla o un material textil no tejido. Como la primera capa de soporte tiene una estructura porosa, se mejora el transporte de la disolución de electrolito a la capa de material activo de electrodo positivo, y la primera capa de soporte en sí está impregnada muy bien con la disolución de electrolito, lo que garantiza la conductividad iónica, evita que la resistencia interna de la batería aumente y evita la degradación del rendimiento de la batería.
Además, la primera capa de soporte puede estar elaborada de al menos uno seleccionado del grupo que consiste en polietileno de alta densidad, polietileno de baja densidad, polietileno lineal de baja densidad, polietileno de peso molecular ultra alto, polipropileno, poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno), poliéster, poliacetal, poliamida, policarbonato, poliimida, polieteretercetona, polietersulfona, poli(óxido de fenileno), poli(sulfuro de fenileno) y poli(naftalato de etileno).
Mientras tanto, el electrodo 350 positivo de tipo hoja puede incluir, además, sobre la primera capa de soporte, la capa conductora que incluye el material conductor y el aglutinante. La capa conductora mejora la conductividad de la capa de material activo de electrodo positivo y reduce la resistencia del electrodo, evitando así la degradación del rendimiento de la batería.
En este caso, la capa conductora puede incluir el material conductor y el aglutinante mezclados en una razón en peso de 80:20 a 99:1. Cuando aumenta la cantidad de aglutinante, la resistencia del electrodo puede aumentar demasiado, pero cuando la cantidad satisface el intervalo descrito anteriormente, se evita un aumento excesivo de la resistencia del electrodo. Además, tal como se describió anteriormente, dado que la primera capa de soporte mitiga la delaminación de la capa de material activo de electrodo, aunque el aglutinante se incluye en una cantidad relativamente pequeña, no es difícil garantizar la flexibilidad del electrodo.
En este caso, el material conductor puede incluir al menos uno seleccionado del grupo que consiste en negro de carbono, negro de acetileno y negro de ketjen, fibra de carbono, nanotubos de carbono y grafeno, pero no se limita a los mismos.
Además, el aglutinante puede incluir al menos uno seleccionado del grupo que consiste en poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF), poli(fluoruro de vinilideno)-co-hexafluoropropileno, poli(fluoruro de vinilideno)-co-tricloroetileno, poli(acrilato de butilo), poli(metacrilato de metilo), poliacrilonitrilo, polivinilpirrolidona, poli(acetato de vinilo), polietileno-co-acetato de vinilo, poli(óxido de etileno), poliarilato, acetato de celulosa, acetato-butirato de celulosa, acetato-propionato de celulosa, cianoetilpululano, cianoetilpolivinilalcohol, cianoetilcelulosa, cianoetilsacarosa, pululano, carboximetilcelulosa, caucho de estireno-butadieno, copolímero de acrilonitrilo-estireno-butadieno y poliimida, pero no se limita a los mismos.
El electrodo 350 positivo de tipo hoja puede incluir además la segunda capa de soporte sobre la otra superficie del colector de corriente del electrodo positivo. En este caso, la segunda capa de soporte puede evitar un cortocircuito en el colector de corriente y mejorar adicionalmente la flexibilidad del colector de corriente.
En este caso, la segunda capa de soporte puede ser una película de polímero y, en este caso, la película de polímero puede estar elaborada de al menos un material seleccionado del grupo que consiste en poliolefina, poliéster, poliimida y poliamida.
El electrodo positivo de tipo hoja puede ser una estructura de tira que se extiende en una dirección.
Además, el electrodo positivo de tipo hoja puede estar enrollado en espiral en una configuración no superpuesta. En este caso, el electrodo positivo de tipo hoja puede estar enrollado en espiral en una configuración no superpuesta, espaciado a un intervalo que es menor que el doble de la anchura del electrodo positivo de tipo hoja, para evitar la degradación del rendimiento de la batería.
Además, el electrodo positivo de tipo hoja puede estar enrollado en espiral en una configuración superpuesta. En este caso, el electrodo positivo de tipo hoja puede estar enrollado en espiral de manera que la anchura de las partes superpuestas sea 0,9 veces o menos mayor que la anchura del electrodo positivo de tipo hoja para evitar que la resistencia interna de la batería aumente demasiado.
El recubrimiento protector puede incluir una capa de lámina metálica, una primera capa de resina polimérica formada sobre una superficie de la capa de lámina metálica y una capa de soporte mecánico formada sobre la otra superficie de la capa de lámina metálica.
Además, según una realización de la presente divulgación, la segunda capa de soporte del electrodo 350 positivo de tipo hoja y la primera capa de resina polimérica del recubrimiento 360 protector pueden estar elaboradas del mismo material y unidas entre sí.
Se describirá un método para fabricar una batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación con referencia a la figura 6.
Para comenzar, se prepara un electrodo 330 negativo de tipo alambre que tiene un hueco en el centro enrollando en espiral un colector 320 de corriente de electrodo negativo de tipo alambre que tiene una capa de material activo de electrodo negativo (no mostrada) sobre la superficie.
Un método para formar la capa de material activo de electrodo negativo sobre la superficie del colector 320 de corriente del electrodo negativo de tipo alambre puede usar un método de recubrimiento común, para ser específico, un procedimiento de galvanoplastia o de oxidación anódica, y es deseable recubrir una suspensión de electrodo que incluye un material activo usando un recubridor de coma o un recubridor de matriz de ranura. Además, puede fabricarse una suspensión de electrodos que incluya un material activo mediante recubrimiento por inmersión o recubrimiento por extrusión usando una extrusora.
Posteriormente, una hoja 340 de capa de separación se enrolla en espiral alrededor de la superficie exterior del electrodo negativo de tipo alambre para evitar un cortocircuito del electrodo.
Posteriormente se forma un electrodo 350 positivo de tipo hoja.
En más detalle, (S1) puede formarse un electrodo positivo de tipo hoja recubriendo una suspensión de material activo de electrodo positivo sobre una superficie de un colector de corriente de electrodo positivo de tipo hoja y secando para formar una capa de material activo de electrodo positivo.
Alternativamente, según una realización de la presente divulgación, un electrodo positivo de tipo hoja puede fabricarse (S1) formando una segunda capa de soporte sobre una superficie de un colector de corriente de electrodo positivo de tipo hoja mediante presión; (S2) (opcionalmente) recubriendo una suspensión de material activo de electrodo positivo sobre la otra superficie del colector de corriente de electrodo positivo y secando para formar una capa de material activo de electrodo positivo; (S3) (opcionalmente) recubriendo una suspensión de material conductor que incluye un material conductor y un aglutinante sobre la superficie superior de la capa de material activo de electrodo positivo, y formando una primera capa de soporte porosa sobre la superficie superior de la suspensión de material conductor; y (S4) presionando el resultado de (S3) y uniéndolo entre la capa de material activo de electrodo positivo y la primera capa de soporte para formar una capa conductora integrada.
Posteriormente, se forma un conjunto de electrodos enrollando en espiral el electrodo 350 positivo de tipo hoja alrededor de la superficie exterior de la capa 340 de separación.
Posteriormente, se forma una recubrimiento 360 protector alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos.
Según una realización de la presente divulgación, el recubrimiento 360 protector puede incluir una capa de lámina metálica, una primera capa de resina polimérica formada sobre una superficie de la capa de lámina metálica y una capa de soporte mecánico formada sobre la otra superficie de la capa de lámina metálica, y en este caso, el recubrimiento 360 protector puede formarse de manera muy ajustada sobre la superficie exterior del conjunto de electrodos, y pueden aplicarse calor y presión a la superficie del recubrimiento 360 protector de modo que la segunda capa de soporte y la primera capa de resina polimérica puedan unirse y fijarse entre sí.
Posteriormente, se inyecta un electrolito en el conjunto de electrodos que tiene el recubrimiento protector preparado y se sella completamente una porción de inyección de disolución de electrolito para fabricar una batería secundaria flexible.
La batería secundaria flexible de la presente divulgación incluye el alambre metálico recubierto de metal de litio en el hueco de la batería secundaria de tipo alambre existente, y el alambre metálico recubierto de metal de litio no está conectado al electrodo negativo interior con un alambre, y puede estar en contacto con el electrodo negativo interior sin ninguna membrana de separación.
Como el alambre metálico recubierto de metal de litio está dispuesto en el hueco central de la batería secundaria flexible, cuando el alambre metálico recubierto de metal de litio entra en contacto con la disolución de electrolito, el alambre metálico recubierto de metal de litio libera un ion de litio, donde se realiza la prelitiación del electrodo negativo interior, compensando así la irreversibilidad del electrodo negativo interior.
En detalle, después de que se completa el ensamblaje de la batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación, cuando se inyecta la disolución de electrolito, el metal de litio recubierto sobre el alambre metálico entra en contacto con la disolución de electrolito, lo que provoca un cortocircuito, el metal de litio se rompe para dar un ion de litio y un electrón, y el ion de litio se mueve al electrodo negativo, y durante la carga, se realiza la prelitiación.
En particular, cuando se usa un material de electrodo negativo de alta capacidad, por ejemplo, un material activo de electrodo negativo a base de silicio que incluye SiO para garantizar la flexibilidad debido a las propiedades de la batería flexible, el fenómeno irreversible del electrodo negativo puede ser un problema grave, pero para evitar el problema, la presente divulgación puede llevar a cabo una prelitiación a través del alambre metálico recubierto de metal de litio.
Además, en la batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación, al menos uno del electrodo negativo o del electrodo positivo es de tipo alambre y está enrollado en espiral y, por tanto, tiene una estructura abierta para permitir que el ion de litio se mueva hacia afuera.
Por consiguiente, el ion de litio prelitiado intercalado desde el alambre metálico recubierto de metal de litio hasta el electrodo negativo interior puede moverse al electrodo positivo exterior mediante difusión de líquido usando la estructura abierta.
Mientras tanto, las realizaciones de la presente divulgación divulgadas en la memoria descriptiva y los dibujos presentan un ejemplo particular para ayudar a una mejor comprensión de la presente divulgación, pero no se pretende que limiten el alcance de la presente divulgación. Resulta obvio para los expertos en la técnica que además de las realizaciones divulgadas, pueden realizarse variaciones a las mismas basándose en los aspectos técnicos de la presente divulgación.
Ejemplo 1
Se recubre una suspensión preparada mezclando un material activo de grafito artificial y SiO (una razón en peso de grafito artificial y SiO es 85:15), negro de carbono y poli(fluoruro de vinilideno) (aglutinante) en una razón en peso de 94:2:4 con un disolvente de N-metilpirrolidona (NMP) sobre un alambre de cobre (alambre de Cu) que tiene un diámetro de 250 |im con una capacidad de descarga de la carga de 4,4 mAh/cm2 (400 |im de grosor incluyendo el alambre de cobre) usando un recubridor de tipo extrusión.
Posteriormente, se disuelve el PVdF-HFP (HFP es el 5 % en peso del total) en acetona a una concentración del 16,8% para preparar una disolución aglutinante, y la disolución aglutinante se recubre hasta un grosor de 10 |im, para fabricar un electrodo negativo de tipo alambre de 410 |im de grosor.
En este caso, la densidad neta del grafito artificial es de 2,25 g/cc y la densidad neta de SiO es de 2,260.
La capacidad de carga del electrodo negativo es de 629,78 mAh/g, la capacidad de descarga es de 511,98 mAh/g, y la eficiencia inicial es del 81,29 %. En este caso, se evalúan la capacidad de carga, la capacidad de descarga, y la eficiencia inicial del electrodo negativo después de fabricar una batería secundaria de semicelda tipo botón. Un método para fabricar la batería secundaria de semicelda tipo botón es tal como sigue.
El electrodo negativo fabricado se perfora hasta alcanzar un tamaño de 1,4875 cm2 (área) y se fabrica un conjunto de electrodos usando metal de Li como contraelectrodo y un separador de poliolefina interpuesto entre el electrodo negativo y el metal de Li. Se añade LiPF6 1 M a un disolvente de disolución de electrolito no acuoso en el que se mezclan carbonato de etileno y carbonato de etilo y metilo en una razón en volumen de 3:7 para preparar una disolución de electrolito no acuoso, y la disolución de electrolito no acuoso se inyecta en el conjunto de electrodos para fabricar una batería secundaria de semicelda tipo botón.
Además, al medir la capacidad de carga, la capacidad de descarga, y la eficiencia inicial, la condición de carga es de 4,2 V, 0,2 C (2,15 mA) (corte de corriente de 0,05 C) en modo CC/CV, y la condición de descarga es 2,5 V, 0,2 C (2,15 mA) (corte de tensión) en modo CC.
Se mezclan LiNi<0>,<8>Mn<0>,<1>Co<0>,-iO<2>(NMC811) como material activo de electrodo positivo, negro de carbono y poli(fluoruro de vinilideno) (aglutinante) en una razón en peso de 96:2:2 con un disolvente de N-metilpirrolidona (NMP) para preparar una suspensión, y la suspensión se recubre sobre una superficie no laminada de una lámina de aluminio laminada con PET (12 |im) (lámina de Al) (20 |im) para fabricar un electrodo positivo de tipo hoja que tiene una capacidad de descarga de la carga de 4,0 mAh/cm2.
En este caso, la densidad neta de LiNi<0>,<8>Mn<0>,<1>Co<0>,-iO<2>(NMC811) es de 4,74 g/cc.
La capacidad de carga del electrodo positivo es de 227,6 mAh/g, la capacidad de descarga es de 208,6 mAh/g y la eficiencia inicial es del 92,2 %.
En este caso, se evalúan la capacidad de carga, la capacidad de descarga, y la eficiencia inicial del electrodo positivo después de fabricar una batería secundaria de semicelda tipo botón. Un método para fabricar la batería secundaria de semicelda tipo botón es tal como sigue.
El electrodo positivo fabricado se perfora hasta un tamaño de 1,4875 cm2 (área) y se fabrica un conjunto de electrodos usando metal de Li como contraelectrodo y un separador de poliolefina interpuesto entre el electrodo positivo y el metal de Li. Se añade LiPF6 1 M a un disolvente de disolución de electrolito no acuoso en el que se mezclan carbonato de etileno y carbonato de etilo y metilo en una razón en volumen de 3:7 para preparar una disolución de electrolito no acuoso, y la disolución de electrolito no acuoso se inyecta en el conjunto de electrodos para fabricar una batería secundaria de semicelda tipo botón.
Además, al medir la capacidad de carga, la capacidad de descarga, y la eficiencia inicial, la condición de carga es de 4,2 V, 0,2 C (2,15 mA) (corte de corriente de 0,05 C) en modo CC/CV, y la condición de descarga es de 2,5 V, 0,2 C (2,15 mA) (corte de tensión) en modo CC.
La capacidad total de carga del electrodo positivo es de 13,47 mAh y la capacidad total de descarga es de 12,52 mAh. En este caso, la capacidad irreversible es de 0,94 mAh.
(El electrodo positivo está recubierto con una capacidad de descarga de la carga de 4 mAh/cm2 y el área total de enrollado del electrodo positivo es de 12,52 mAh/4 mAh/cm2 = 3,13 cm2).
Además, la capacidad total de carga del electrodo negativo es de 13,88 mAh, y la capacidad total de descarga es de 11,28 mAh, y en este caso, la capacidad irreversible es de 2,68 mAh.
(El electrodo negativo está recubierto con una capacidad de descarga de la carga de 4,4 mAh/cm2, y el área total del resorte del electrodo negativo es de 2,583 cm2, por lo que la capacidad total de descarga del electrodo negativo es de 4,4 mAh/cm2 * 2,563 cm2 = 11,28 mAh, y la capacidad de carga es de 11,28 mAh/(0,8129 (eficiencia inicial))= 13,68 mh).
En este caso, el metal de Li se recubre sobre el alambre de cobre hasta 2,4 mAh de la capacidad irreversible del electrodo negativo para preparar un alambre recubierto de metal de Li.
(Peso del metal de litio que tiene una capacidad de 2,4 mAh = 2,4 mAh/(3860 mAh/g) = 0,62 mg
Cuando se recubre la superficie de un alambre de cobre que tiene una sección transversal circular con un diámetro de 0,5 mm y una longitud de 10 cm con 0,62 mg de metal de litio, el grosor de recubrimiento t del metal de litio puede calcularse mediante la siguiente ecuación:
(0,62 * 10-3 g)/(3,14 * 0,05 cm * 10 cm * t) = densidad del litio (0,534 g/cm3) t = 7,395 |im )
El electrodo negativo de tipo alambre preparado se enrolla en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre de cobre recubierto de metal de litio preparado.
Posteriormente, una película de polímero poroso de polietileno como hoja de capa de separación se enrolla alrededor de la superficie exterior del electrodo negativo de tipo alambre enrollado en espiral de manera que está superpuesta la mitad de la película de polímero poroso de polietileno.
El electrodo positivo de tipo hoja previamente preparado se enrolla alrededor de la superficie exterior de la hoja de la capa de separación de manera que está superpuesta la mitad del electrodo positivo de tipo hoja, para formar un conjunto de electrodos. Se retira el material activo cerca de 5 mm del extremo del conjunto de electrodos y se conecta una pestaña de aluminio. Se fabrica una estructura de batería que tiene una capacidad por unidad de longitud de 1,25 mAh/cm en una longitud total de 10 cm.
Posteriormente, se forma un recubrimiento protector alrededor de la superficie exterior de la capa de recubrimiento de electrolito de polímero. El recubrimiento protector es un aislante y se forma en el lado más exterior para proteger el electrodo de la humedad del aire y de los impactos exteriores. El recubrimiento protector incluye una resina de polímero PET que incluye una capa de aluminio como capa de barrera de agua. El grosor del recubrimiento protector es de 64 |im.
Posteriormente, se inyecta una disolución de electrolito de LiPF61M en EC:PC:DEC (% p/p) = 2:1:7 sumergiendo el conjunto de electrodos que tiene el recubrimiento protector en un baño de disolución de electrolito lleno con la disolución de electrolito. Posteriormente, se sella completamente el conjunto de electrodos para fabricar una batería secundaria flexible. La longitud de la batería secundaria flexible obtenida es de 10 cm y el diámetro es de aproximadamente 1,84 mm.
La capacidad de descarga inicial de la batería secundaria flexible fabricada es de 12,52 mAh.
En este caso, la capacidad de descarga inicial se mide en la condición de carga de 4,2 V, 0,2 C (2,15 mA) (corte de corriente de 0,05 C) en modo CC/CV, y la condición de descarga de 2,5 V, 0,2 C (2,15 mA) (corte de tensión) en modo CC.
Ejemplo comparativo 1
Se fabrica una batería secundaria flexible mediante el mismo método que el ejemplo 1, excepto que no se usa el alambre de cobre recubierto de metal de litio.
La capacidad de descarga inicial de la batería secundaria flexible fabricada es de 10,78 mAh.
En este caso, la capacidad de descarga inicial se mide en la condición de carga de 4,2 V, 0,2 C (2,15 mA) (corte de corriente de 0,05 C) en modo CC/CV, y la condición de descarga de 2,5 V, 0,2 C (2,15 mA) (corte de tensión) en modo CC.
Como resultado de la evaluación de la capacidad de descarga inicial de las baterías secundarias flexibles del ejemplo 1 y del ejemplo comparativo 1, puede observarse que existe una gran mejora de capacidad en la batería secundaria flexible del ejemplo 1 que usa el alambre recubierto de metal de litio ya que un ion de litio liberado del alambre recubierto de metal de litio se intercala en el electrodo negativo, donde se realiza la litiación del electrodo negativo, compensando así la irreversibilidad del electrodo negativo.
Si bien la presente divulgación se ha descrito anteriormente, se proporciona para describir los aspectos técnicos a modo de ilustración, y los expertos en la técnica apreciarán que pueden realizarse diversas modificaciones y cambios a la misma sin apartarse de las características esenciales de la presente divulgación. Por consiguiente, las realizaciones divulgadas en el presente documento se proporcionan para describir los aspectos técnicos de la presente divulgación, pero no se pretende que limiten los aspectos técnicos de la presente divulgación, y el alcance de los aspectos técnicos de la presente divulgación no se limita a las mismas. El alcance de protección de la presente divulgación debe interpretarse por las reivindicaciones adjuntas, y todos los aspectos técnicos en el alcance equivalente deben interpretarse como si residieran dentro del alcance de protección de la presente divulgación.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Batería secundaria flexible, que comprende:
    un alambre recubierto de metal de litio;
    un alambre de electrodo positivo enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio, espaciado a un intervalo predeterminado, incluyendo el alambre de electrodo positivo una primera capa de recubrimiento poroso formada sobre una superficie exterior; y
    un alambre de electrodo negativo enrollado en espiral alrededor de la superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio de manera alternada con el alambre de electrodo positivo enrollado correspondiente al intervalo predeterminado, incluyendo el alambre de electrodo negativo una segunda capa de recubrimiento poroso formada sobre una superficie exterior.
  2. 2. Batería secundaria flexible, que comprende:
    un alambre recubierto de metal de litio;
    un electrodo negativo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio;
    una capa de separación enrollada en espiral alrededor de una superficie exterior del electrodo negativo de tipo alambre; y
    un electrodo positivo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior de la capa de separación.
  3. 3. Batería secundaria flexible, que comprende:
    un alambre recubierto de metal de litio;
    un electrodo negativo de tipo alambre enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior del alambre recubierto de metal de litio;
    una capa de separación enrollada en espiral alrededor de una superficie exterior del electrodo negativo de tipo alambre; y
    un electrodo positivo de tipo hoja enrollado en espiral alrededor de una superficie exterior de la capa de separación.
  4. 4. Batería secundaria flexible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el alambre recubierto de metal de litio es un alambre de cobre recubierto de metal de litio o un alambre de níquel recubierto de metal de litio.
  5. 5. Batería secundaria flexible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde un ion de litio del alambre recubierto de metal de litio en contacto con el electrodo negativo se mueve hacia el electrodo positivo por difusión de líquido.
  6. 6. Batería secundaria flexible según la reivindicación 1, en donde la superficie sobre la que está enrollado el alambre de electrodo positivo y la superficie sobre la que está enrollado el alambre de electrodo negativo están colocadas sobre una misma superficie circunferencial.
  7. 7. Batería secundaria flexible según la reivindicación 1, en donde la primera capa de recubrimiento poroso y la segunda capa de recubrimiento poroso son una capa de electrolito o un separador independientemente una de la otra.
  8. 8. Batería secundaria flexible según la reivindicación 3, en donde el electrodo positivo de tipo hoja está enrollado en espiral en una configuración superpuesta o no superpuesta.
  9. 9. Batería secundaria flexible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde una superficie exterior de la batería secundaria flexible está recubierta con un recubrimiento protector.
  10. 10.Batería secundaria flexible según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la batería secundaria flexible es una batería secundaria de litio.
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