ES3031107T3 - Electrochemical device and electronic device comprising same - Google Patents

Electrochemical device and electronic device comprising same

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ES3031107T3
ES3031107T3 ES19207091T ES19207091T ES3031107T3 ES 3031107 T3 ES3031107 T3 ES 3031107T3 ES 19207091 T ES19207091 T ES 19207091T ES 19207091 T ES19207091 T ES 19207091T ES 3031107 T3 ES3031107 T3 ES 3031107T3
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Abstract

La presente solicitud se refiere a un dispositivo electroquímico y a un dispositivo electrónico que lo incluye. El dispositivo electroquímico incluye un cátodo, un separador y un ánodo. El cátodo incluye un colector de corriente catódico; una primera capa de material activo catódico que incluye un primer material activo catódico; una segunda capa de material activo catódico que incluye un segundo material activo catódico, dispuesta entre el colector de corriente catódico y la segunda capa de material activo catódico, sobre una primera superficie del colector de corriente catódico, orientada hacia el ánodo; y una capa aislante, dispuesta sobre una segunda superficie del colector de corriente catódico, que no está orientada hacia el ánodo. De acuerdo con la presente solicitud, al disponer el cátodo combinando las capas de material activo del cátodo doble con una capa aislante en el dispositivo electroquímico, el dispositivo electroquímico no se incendiará ni fallará al ser perforado, de modo que se garantiza el rendimiento de seguridad mecánica del dispositivo electroquímico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo electroquímico y dispositivo electrónico que comprende el mismo
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
1. Sector de la invención
Las realizaciones de la presente invención se refieren al sector técnico de los dispositivos electroquímicos, y en particular a cátodos y baterías de iones de litio.
2. Descripción de la técnica relacionada
Los dispositivos electroquímicos (tales como las baterías de iones de litio) se han vuelto cada vez más comunes en nuestra vida diaria con el progreso de la ciencia y la tecnología y los mayores requisitos ambientales. Con la popularidad de las baterías de iones de litio, ocasionalmente se producen problemas de seguridad causados por fuerzas externas que perforan las baterías de iones de litio en el extremo del usuario, por lo tanto, el rendimiento de seguridad de las baterías de iones de litio es cada vez más valorado por las personas, especialmente después de que numerosos eventos de explosión de teléfonos móviles sucedieran uno tras otro, lo que ha provocado que los usuarios, los servicios posventa y los fabricantes de baterías de iones de litio presten más atención al rendimiento de seguridad de las baterías de iones de litio.
En la actualidad, casi todos los procedimientos para mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio se realizan reduciendo la densidad de energía de las baterías de iones de litio. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de dar a conocer un medio técnico para mejorar significativamente el rendimiento de seguridad de las baterías de iones de litio con la premisa de lograr una mayor densidad de energía.
La Patente JP 2009099495 A da a conocer una batería secundaria de litio que comprende un cuerpo de electrodo positivo que tiene un colector de corriente de electrodo positivo y una capa de electrodo positivo formada sobre el colector de corriente de electrodo positivo; un cuerpo de electrodo negativo que tiene un colector de corriente negativo y una capa de electrodo negativo formada sobre el colector de corriente de electrodo negativo; un separador dispuesto entre la capa de electrodo positivo y la capa de electrodo negativo; y un electrolito orgánico que conduce iones de litio entre el material activo de electrodo positivo y el material activo de electrodo negativo. La batería secundaria de litio puede generar una tasa de utilización uniforme de un material activo de electrodo positivo en la dirección de grosor de una capa de electrodo positivo.
La Patente JP 2018170142 A da a conocer una batería secundaria de iones de litio que comprende una pluralidad de laminados, que tienen, cada uno, una capa de material activo de electrodo positivo, una capa de material activo de electrodo negativo y un separador dispuesto entre ellas; y colectores de corriente ubicados entre la pluralidad de laminados y conectados a la capa de material activo de electrodo positivo o negativo. La pluralidad de laminados tiene un primer laminado y un segundo laminado que son diferentes en densidad de la capa de material activo de electrodo positivo. La batería secundaria de iones de litio tiene excelentes características de salida.
CARACTERÍSTICAS
La presente invención se define en las reivindicaciones adjuntas. Una realización de la presente invención se refiere a un dispositivo electroquímico que comprende un cátodo que adopta una estructura de doble capa en la región cubierta por capas de material activo de cátodo y está provisto de una capa aislante en la región no cubierta por ninguna capa de material activo de cátodo. El dispositivo electroquímico puede evitar fallos causados por un cortocircuito interno cuando el dispositivo electroquímico es perforado por una fuerza externa, mejorando de este modo eficazmente el rendimiento de seguridad del dispositivo electroquímico en una prueba de perforación.
Algunas realizaciones de la presente invención dan a conocer un dispositivo electroquímico que incluye un cátodo, un separador y un ánodo, en el que el cátodo incluye un colector de corriente de cátodo; una primera capa de material activo de cátodo que incluye un primer material activo de cátodo; una segunda capa de material activo de cátodo que incluye un segundo material activo de cátodo, en el que la primera capa de material activo de cátodo está dispuesta entre el colector de corriente de cátodo y la segunda capa de material activo de cátodo, y la primera capa de material activo de cátodo está dispuesta sobre una primera superficie, orientada hacia una capa de material activo de ánodo del ánodo, del colector de corriente de cátodo; y una capa aislante, en el que la capa aislante está dispuesta sobre una segunda superficie, que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo del ánodo, del colector de corriente de cátodo. Según la presente invención, el conjunto de electrodos del dispositivo electroquímico tiene una estructura enrollada, y la segunda superficie comprende una primera región de lámina descubierta ubicada fuera de un conjunto de electrodos y que tiene la primera superficie como su superficie opuesta, y en el que la capa aislante está dispuesta, como mínimo, sobre la primera región de lámina descubierta.
Según la presente invención, preferentemente la segunda superficie incluye, además, una segunda región de lámina descubierta ubicada fuera del conjunto de electrodos y que tiene una superficie opuesta distinta de la primera superficie, y una tercera región de lámina descubierta ubicada dentro del conjunto de electrodos. Según algunas realizaciones de la presente invención, el tamaño de partícula promedio del primer material activo de cátodo es menor que el tamaño de partícula promedio del segundo material activo de cátodo, y el tamaño de partícula promedio del primer material activo de cátodo es de aproximadamente 0,2 pm a aproximadamente 15 pm. El tamaño de partícula promedio (Dv50) se refiere a un tamaño de partícula que representa el 50 % del volumen acumulado del lado de tamaño de partícula pequeño en la distribución de tamaño de partícula basada en volumen.
Según algunas realizaciones de la presente invención, el tamaño de partícula del 90 % del volumen acumulado (Dv90) del primer material activo de cátodo es de 40 pm o menos, y el tamaño de partícula del 90 % del volumen acumulado se refiere a un tamaño de partícula que representa el 90 % del volumen acumulado del lado de tamaño de partícula pequeño en la distribución de tamaño de partícula basada en el volumen.
Según algunas realizaciones de la presente invención, una relación del tamaño de partícula promedio del primer material activo de cátodo con respecto al tamaño de partícula promedio del segundo material activo de cátodo es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:40.
Según algunas realizaciones de la presente invención, el grosor de la primera capa de material activo de cátodo es de aproximadamente 0,5 pm a aproximadamente 15 pm, y el grosor de la segunda capa de material activo de cátodo es de aproximadamente 30 pm a aproximadamente 1.000 pm.
Según algunas realizaciones de la presente invención, una relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante es de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 10.
Según algunas realizaciones de la presente invención, la cobertura de la capa aislante es, como mínimo, del 50 %.
Según algunas realizaciones de la presente invención, el primer material activo de cátodo y el segundo material activo de cátodo se seleccionan cada uno, independientemente, entre el grupo que consiste en cobaltato de litio, fosfato de hierro y litio, fosfato de hierro, litio y manganeso, fosfato de hierro y sodio, fosfato de litio y vanadio, fosfato de sodio y vanadio, fosfato de oxi-litio-vanadio, fosfato de oxi-sodio-vanadio, vanadato de litio, manganato de litio, niquelato de litio, manganato de cobalto, litio y níquel, materiales a base de manganeso ricos en litio, aluminato de cobalto, litio y níquel, titanato de litio y combinaciones de los mismos.
Según algunas realizaciones de la presente invención, la capa aislante incluye, como mínimo, uno de partículas inorgánicas y polímeros, en la que las partículas inorgánicas se seleccionan entre el grupo que consiste en óxido de aluminio, dióxido de silicio, óxido de magnesio, óxido de titanio, dióxido de hafnio, óxido de estaño, óxido de cerio, óxido de níquel, óxido de cinc, óxido de calcio, dióxido de circonio, óxido de itrio, carburo de silicio, boehmita, hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, hidróxido de calcio, sulfato de bario y combinaciones de los mismos, y
los polímeros se seleccionan entre el grupo que consiste en homopolímeros de fluoruro de vinilideno, copolímeros de fluoruro de vinilideno, copolímeros de hexafluoropropileno, poliestireno, polifenilacetileno, poli(ácido vinílico) de sodio, poli(ácido vinílico) de potasio, éster de poliacrilato, ácidos poliacrílicos, poliacrilonitrilo, polivinilpirrolidona, poliviniléter, polimetilmetacrilato, polietileno, polipropileno, politetrafluoroetileno y combinaciones de los mismos.
Según algunas realizaciones de la presente invención, la primera capa de material activo de cátodo y la segunda capa de material activo de cátodo incluyen cada una, independientemente, un aglutinante y un agente conductor, el aglutinante se selecciona entre el grupo que consiste en fluoruro de polivinilideno, copolímeros de fluoruro de vinilideno y hexafluoropropileno, poliamidas, poliacrilonitrilo, éster de poliacrilato, ácidos poliacrílicos, sal de poliacrilato, carboximetilcelulosa sódica, polivinilpirrolidona, poliviniléter, polimetilmetacrilato, politetrafluoroetileno, polihexafluoropropileno, caucho de estireno butadieno y combinaciones de los mismos, y
el agente conductor se selecciona entre el grupo que consiste en nanotubos de carbono, negro de humo conductor, negro de acetileno, grafeno, negro de Ketjen, fibra de carbono y combinaciones de los mismos.
Algunas realizaciones de la presente invención dan a conocer un dispositivo electrónico que incluye el dispositivo electroquímico en las realizaciones anteriores.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LOS DIBUJOS
A continuación, se describirán brevemente los dibujos necesarios para describir las realizaciones de la presente invención o de la técnica anterior, con el fin de facilitar la descripción de las realizaciones de la presente invención. Es evidente que los dibujos en la siguiente descripción son solo algunas de las realizaciones en la presente invención. Los expertos en la materia aún pueden obtener dibujos de otras realizaciones según la estructura ilustrada en estos dibujos sin necesidad de esfuerzo creativo.
La figura 1A es un diagrama de estructura de un cátodo de una estructura de capa de material activo de cátodo único según la técnica anterior.
La figura 1B es un diagrama de estructura de un cátodo según algunas realizaciones de la presente invención.
La figura 2A es un diagrama de una batería de iones de litio con un conjunto de electrodos enrollados según la técnica anterior.
La figura 2B es un diagrama de una batería de iones de litio con un conjunto de electrodos laminados según la técnica anterior.
La figura 3A es un diagrama de una batería de iones de litio con un conjunto de electrodos enrollados según algunas realizaciones de la presente invención.
La figura 3B es un diagrama de una batería de iones de litio con un conjunto de electrodos laminados según algunas realizaciones de la presente invención.
La figura 4A es un diagrama de estructura de un cátodo sin una capa aislante en un conjunto de electrodos enrollados desenrollados en la dirección de la longitud de un colector de corriente de cátodo y que no está dentro del alcance de la presente invención.
La figura 4B es un diagrama de estructura de un cátodo con una capa aislante en un conjunto de electrodos enrollados desenrollados en la dirección de la longitud de un colector de corriente de cátodo según algunas realizaciones de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
A continuación, se describen en detalle realizaciones de la presente invención. A lo largo de toda la memoria descriptiva de la presente invención, los componentes iguales o similares o los componentes que tienen funciones iguales o similares se representan utilizando números de referencia similares. Las realizaciones relacionadas con los dibujos adjuntos que se describen en el presente documento son ilustrativas y esquemáticas, y se utilizan para proporcionar una comprensión básica de la presente invención. Las realizaciones de la presente invención no deben interpretarse como limitaciones a la misma.
En la presente memoria descriptiva, a menos que se indique o limite particularmente lo contrario, las expresiones relativistas, tales como “central”, “longitudinal”, “lateral”, “frontal”, “posterior”, “derecha”, “izquierda”, “interior”, “exterior”, “relativamente bajo”, “relativamente alto”, “horizontal”, “vertical”, “más alto que”, “más bajo que”, “por encima”, “por debajo”, “superior”, “inferior” y expresiones derivadas de las mismas (tales como “horizontalmente”, “hacia abajo” y “hacia arriba”) deben interpretarse como direcciones de referencia descritas en la descripción o mostradas en los dibujos adjuntos. Estas expresiones relativistas son meramente para facilitar la descripción y no requieren construir u operar la presente invención en una dirección particular.
Además, las cantidades, relaciones y otros valores numéricos se presentan a veces en el presente documento en formato de intervalo. Debe entenderse que dichos formatos de intervalo se proporcionan en aras de la comodidad y la brevedad, deben interpretarse con flexibilidad e incluyen no solo aquellos valores numéricos que están específicamente designados como límites del intervalo, sino que también incluyen todos los valores numéricos individuales o subintervalos que están dentro del intervalo, como si se designara específicamente cada valor numérico y subintervalo.
Además, para facilitar la descripción, en el presente documento se pueden utilizar “primero”, “segundo”, “tercero” y similares para distinguir diferentes componentes de un diagrama o de una serie de diagramas. A menos que se especifique o defina específicamente, “primero”, “segundo”, “tercero” y similares no pretenden describir componentes correspondientes.
Tal como se utiliza en el presente documento, el término “aproximadamente” se utiliza para describir y explicar una pequeña variación. Cuando se utilizan en combinación con un evento o un caso, los términos pueden referirse a un ejemplo en el que el evento o caso se produce exactamente, o a un ejemplo en el que el evento o caso se produce de manera similar. Por ejemplo, cuando se utilizan en combinación con un valor, los términos pueden referirse a un intervalo de variación que sea menor o igual a ±10 % del valor, por ejemplo, menor o igual a ±5 %, menor o igual a ±4 %, menor o igual a ±3 %, menor o igual a ±2 %, menor o igual a ±1 %, menor o igual a ±0,5 %, menor o igual a ±0,1 %, o menor o igual a ±0,05 %. Además, las cantidades, relaciones y otros valores numéricos se presentan a veces en el presente documento en formato de intervalo. Debe entenderse que dichos formatos de intervalo se proporcionan en aras de la comodidad y la brevedad, deben interpretarse con flexibilidad e incluyen no solo aquellos valores numéricos que están específicamente designados como límites del intervalo, sino que también incluyen todos los valores numéricos individuales o subintervalos que están dentro del intervalo, como si se designara específicamente cada valor numérico y subintervalo.
La realización de la presente invención da a conocer un dispositivo electroquímico (tal como una batería de iones de litio), cuyo cátodo adopta capas de material activo con una estructura de doble capa en la región cubierta por capas de material activo de cátodo y está provisto de una capa aislante en la región no cubierta por ninguna capa de material activo de cátodo, de modo que la resistencia de contacto entre un colector de corriente de cátodo y una capa de material activo de ánodo se puede mejorar eficazmente cuando el dispositivo electroquímico es dañado por una fuerza externa, mejorando de este modo el rendimiento de seguridad de la batería de iones de litio en una prueba correspondiente (es decir, prueba de perforación de clavos).
Cuatro tipos de eventos de cortocircuito se producen comúnmente en la batería de iones de litio durante una prueba de perforación de clavos: una capa de material activo de cátodo a una capa de material activo de ánodo, una capa de material activo de cátodo a un colector de corriente de ánodo, un colector de corriente de cátodo a un colector de corriente de ánodo y un colector de corriente de cátodo a una capa de material activo de ánodo. Entre los cuatro eventos de cortocircuito, el colector de corriente de cátodo a una capa de material activo de ánodo es el más peligroso porque la potencia del cortocircuito es muy alta cuando se produce este tipo de evento de cortocircuito.
La batería de iones de litio incluye un cátodo, un ánodo, un separador, un electrolito y similares. El ánodo incluye un colector de corriente de ánodo y una capa de material activo de ánodo que reviste el colector de corriente de ánodo. El cátodo incluye un colector de corriente de cátodo, capas de material activo de cátodo, etc. El colector de corriente de cátodo incluye una superficie orientada hacia la capa de material activo de ánodo, es decir, una región cubierta por las capas de material activo de cátodo, y una superficie que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo y que incluye una región externa de un conjunto de electrodos y una región soldada con lengüeta interna del conjunto de electrodos, y la superficie, que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo, del colector de corriente de cátodo no está cubierta por ninguna capa de material activo de cátodo, y también se denomina región de lámina descubierta. En la región cubierta por las capas de material activo de cátodo, la protección del colector de corriente de cátodo se puede lograr mediante un revestimiento con dos capas de material activo de cátodo. Sin embargo, durante la prueba de perforación de clavos, la región de lámina descubierta del colector de corriente de cátodo también establecerá contacto directo con un clavo, y el clavo conducirá la capa de material activo de ánodo dentro del conjunto de electrodos, creando, de este modo, un evento de cortocircuito con el colector de corriente de cátodo-capa de material activo de ánodo o el colector de corriente de cátodo-clavo-capa de material activo de ánodo.
Con el fin de garantizar que la batería de iones de litio no se queme y falle durante la prueba de perforación de clavos, es necesario proteger tanto la región cubierta por las capas de material activo de cátodo del colector de corriente de cátodo como la región de lámina descubierta del colector de corriente de cátodo. Según la batería de iones de litio dada a conocer por algunas realizaciones de la presente invención, al combinar las capas de material activo de cátodo doble con la capa aislante dispuesta en la región de lámina descubierta, la región, cubierta por las capas de material activo de cátodo, del colector de corriente de cátodo y la región de lámina descubierta del colector de corriente de cátodo están protegidas, lo que puede mejorar eficazmente la resistencia de contacto entre el colector de corriente de cátodo y el clavo, y mejorar aún más el rendimiento de seguridad de la batería de iones de litio en la prueba de perforación de clavos. Cuando solo hay capas de material activo de cátodo doble, aún existe la posibilidad de que la batería de iones de litio falle después de ser perforada cuando la capacidad de la batería es alta. Cuando solo hay la capa aislante en la región de lámina de aluminio descubierta en la región exterior del conjunto de electrodos, la batería de iones de litio también podría fallar en la prueba de perforación de clavos. Solo combinando las dos implementaciones la batería de iones de litio puede tener una tasa de superación del 100 % en la prueba de perforación de clavos.
A continuación, se describirán las ventajas técnicas de las capas de material activo de cátodo doble sobre un cátodo con estructura de una sola capa, haciendo referencia a la figura 1A y la figura 1B. La figura 1A es un diagrama de estructura de un cátodo con una estructura de una sola capa según la técnica anterior. La figura 1B es un diagrama de estructura de un cátodo según algunas realizaciones de la presente invención.
Como se muestra en la figura 1A, el cátodo provisto de una única capa de material activo de cátodo tiene un colector de corriente de cátodo 11 ubicado entre dos partes de la capa de material activo de cátodo 13. La figura 1B muestra capas de material activo de cátodo doble según algunas realizaciones de la presente invención, es decir, se forma una capa de material activo de cátodo adicional 12 entre la capa de material activo de cátodo 13 y el colector de corriente de cátodo 11. Para una mejor distinción, la capa de material activo de cátodo 12 se denominará, en lo sucesivo, primera capa de material activo de cátodo y la capa de material activo de cátodo 13 se denominará segunda capa de material activo de cátodo, lo cual es solo para una mejor descripción y, por lo tanto, no limita la presente invención.
En comparación con la capa de material activo de cátodo única tradicional 13, la combinación de la primera capa de material activo de cátodo 12 y la segunda capa de material activo de cátodo 13 no solo puede mejorar la tasa de superación de la batería de iones de litio en la prueba de perforación de clavos, sino que también mejora la densidad de compactación del cátodo, principalmente porque la primera capa de material activo de cátodo 12 tiene un alto contenido de aglutinante y un primer material activo de cátodo de un tamaño de partícula pequeño. Al optimizar el material y la fórmula de la primera capa de material activo de cátodo 12, es decir, un alto contenido de aglutinante y el primer material activo de cátodo con un tamaño de partícula pequeño, se aumenta la fuerza de unión entre la primera capa de material activo de cátodo 12 y el colector de corriente de cátodo 11, de modo que la primera capa de material activo de cátodo 12 y el colector de corriente de cátodo 11 están firmemente unidos entre sí, garantizando de este modo que la primera capa de material activo de cátodo 12 no se pueda desprender durante el proceso de perforación del clavo, como resultado, no se produce un evento de cortocircuito del colector de corriente de cátodo a la capa de material activo de ánodo o del colector de corriente de cátodo al clavo a la capa de material activo de ánodo durante el proceso de perforación del clavo, garantizando, de este modo, el rendimiento de seguridad de la batería de iones de litio. Debido a la alta resistencia de la primera capa de material activo de cátodo 12, se puede reducir la energía liberada durante un cortocircuito entre las capas de material activo de cátodo y la capa de material activo de ánodo en la batería de iones de litio, lo que da como resultado una mejora significativa durante la prueba de perforación de clavos de la batería de iones de litio. Además, dado que la primera capa de material activo de cátodo 12 es delgada y la segunda capa de material activo de cátodo 13 tiene un contenido de aglutinante normal (menor que el contenido de aglutinante en la primera capa de material activo de cátodo), la característica de alta resistencia de la primera capa de material activo de cátodo 12 tiene poca influencia sobre el rendimiento de la batería de iones de litio, tal como el valor de resistencia de la batería de iones de litio. Por el contrario, si el cátodo con una estructura de una sola capa tiene un alto contenido de aglutinante, se puede mejorar el rendimiento de seguridad del cátodo, pero el alto contenido de aglutinante dará lugar a un aumento en la resistencia de toda la capa de material activo de cátodo, lo que dará como resultado un valor de resistencia muy grande de la batería de iones de litio y afectará al rendimiento de descarga de la batería de iones de litio; al mismo tiempo, el contenido del material activo de cátodo disminuye debido a un aumento en el contenido de aglutinante, reduciendo, de este modo, la densidad de energía de la batería de iones de litio.
En comparación con el caso en el que se utiliza una capa de material no activo no conductor o poco conductor como revestimiento entre el colector de corriente de cátodo y la capa de material activo de cátodo, la presente invención en la que la primera capa de material activo de cátodo y la segunda capa de material activo de cátodo contienen el primer material activo de cátodo y el segundo material activo de cátodo, respectivamente, permite que tanto la primera como la segunda capa de material activo de cátodo proporcionen energía, teniendo, de este modo, una mayor densidad de energía.
La figura 2A y la figura 2B son diagramas de baterías de iones de litio con un conjunto de electrodos enrollados y un conjunto de electrodos laminados según la técnica anterior. La figura 3A y la figura 3B son diagramas de baterías de iones de litio con un conjunto de electrodos enrollados y un conjunto de electrodos laminados según algunas realizaciones de la presente invención.
Como se muestra en la figura 2A y la figura 2B, la batería de iones de litio con el conjunto de electrodos enrollados o el conjunto de electrodos laminados según la técnica anterior incluye un cátodo, un separador 23 y un ánodo, en la que cátodo incluye un colector de corriente de cátodo 11 y una capa de material activo de cátodo 13, y el ánodo incluye un colector de corriente de ánodo 21 y una capa de material activo de ánodo 22. La figura 2A es un diagrama de estructura de una batería de iones de litio con un conjunto de electrodos enrollados, el colector de corriente de cátodo 11 incluye una región cubierta por la capa de material activo de cátodo 13 (es decir, una superficie orientada hacia la capa de material activo de ánodo) y una región de lámina descubierta (es decir, una superficie que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo), y la región de lámina descubierta incluye una región soldada con lengüeta dentro del conjunto de electrodos, una región de lámina descubierta de doble cara fuera del conjunto de electrodos sin ninguna cara cubierta por el material activo de cátodo, y una región de lámina descubierta de una sola cara fuera del conjunto de electrodos con su cara opuesta cubierta por la capa de material activo de cátodo 13, en la que el colector de corriente de cátodo 11 en el extremo de la región de lámina descubierta de doble cara y la capa de material activo de cátodo 13 en el extremo de la región cubierta por la capa de material activo de cátodo 13 están unidos y fijados por una película adhesiva 26. La figura 2A y la figura 2B ambas muestran que en la batería de iones de litio convencional con un conjunto de electrodos enrollados o laminados, la capa de material activo de cátodo 13 sobre la superficie, orientada hacia la capa de material activo de ánodo 22, del colector de corriente de cátodo 11 es de una estructura de una sola capa, y la superficie (región de lámina descubierta), que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo 22, del colector de corriente de cátodo 11 no está cubierta por la capa de material activo de cátodo 13. En una prueba de perforación de clavos, la falta de protección de la región de lámina descubierta del colector de corriente de cátodo 11 da como resultado una resistencia a cortocircuitos extremadamente baja de un modo de cortocircuito del colector de corriente de cátodo-capa de material activo de ánodo o del colector de corriente de cátodo-clavo-capa de material activo de ánodo, lo que hace que la batería de iones de litio falle y se incendie.
Algunas realizaciones de la presente invención dan a conocer una batería de iones de litio, y como se muestra en la figura 3A y la figura 3B, la batería de iones de litio incluye un cátodo, un separador 23 y un ánodo, en la que el cátodo incluye un colector de corriente de cátodo 11, capas de material activo de cátodo y una capa aislante 24, y el ánodo incluye un colector de corriente de ánodo 21 y un material activo de ánodo 22. Hay dos capas de material activo de cátodo sobre la superficie, orientadas hacia la capa de material activo de ánodo 22, del colector de corriente de cátodo 11, es decir, una primera capa de material activo de cátodo 12 y una segunda capa de material activo de cátodo 13, la primera capa de material activo de cátodo 12 está dispuesta entre el colector de corriente de cátodo 11 y la segunda capa de material activo de cátodo 13, y la primera capa de material activo de cátodo 12 está formada sobre la superficie, orientada hacia la capa de material activo de ánodo 22, del colector de corriente de cátodo 11, es decir, una región cubierta por las capas de material activo de cátodo. Además, la capa aislante 24 está dispuesta sobre una superficie que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo 22 del colector de corriente de cátodo 11. En una prueba de perforación de clavos, dado que la región cubierta por la capa de material activo de cátodo 13 (es decir, la superficie orientada hacia la capa de material activo de ánodo 22) y la región de lámina descubierta (es decir, la superficie que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo 22) del colector de corriente de cátodo 11 de la batería de iones de litio están protegidas por la combinación de la primera capa de material activo de cátodo 12 y la segunda capa de material activo de cátodo 13, así como la capa aislante 24, respectivamente, es relativamente difícil formar un evento de cortocircuito con el colector de corriente de cátodo-capa de material activo de ánodo o el colector de corriente de cátodo-clavo-capa de material activo de ánodo en la batería de iones de litio. Incluso si se forma un cortocircuito, la resistencia al cortocircuito aumenta, mejorando, de este modo, el rendimiento de seguridad de la batería de iones de litio.
En algunas realizaciones de la presente invención, como se muestra en la figura 3A, el conjunto de electrodos de la batería de iones de litio tiene una estructura enrollada, en la que el colector de corriente de cátodo 11 incluye una región cubierta por la capa de material activo de cátodo 13 (es decir, una primera superficie orientada hacia la capa de material activo de ánodo) y una región de lámina descubierta (es decir, una segunda superficie que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo), y la región de lámina descubierta incluye una región de lámina descubierta de una sola cara fuera del conjunto de electrodos con su cara opuesta cubierta por la capa de material activo de cátodo, una región de lámina descubierta de doble cara fuera del conjunto de electrodos sin ninguna cara cubierta por el material activo de cátodo, y una región soldada con lengüeta dentro del conjunto de electrodos.
La figura 4A es un diagrama de estructura de un cátodo sin una capa aislante en un conjunto de electrodos enrollados desenrollados en la dirección de la longitud de un colector de corriente de cátodo. En lo sucesivo, se describirá la disposición de la región de lámina descubierta y de la capa aislante del conjunto de electrodos enrollados con referencia a la figura 4A y la figura 4B. Como se muestra en la figura 4A, después de que se desenrolla el cátodo sin la capa aislante en el conjunto de electrodos enrollados, el colector de corriente de cátodo incluye una región de cobertura de capa de material activo de cátodo cubierta por la primera capa de material activo de cátodo 12 y la segunda capa de material activo de cátodo 13, y una región de lámina descubierta no cubierta por la primera capa de material activo de cátodo 12 o la segunda capa de material activo de electrodo 13. La región de lámina descubierta incluye una primera región de lámina descubierta 41 y segundas regiones de lámina descubiertas 42 y 43 ubicadas fuera del conjunto de electrodos de cátodo y una tercera región de lámina descubierta 44 ubicada dentro del conjunto de electrodos de cátodo, en la que la primera región de lámina descubierta 41 es una región de lámina descubierta de una sola cara con su cara opuesta cubierta por la capa de material activo de cátodo, las segundas regiones de lámina descubiertas 42 y 43 son regiones de lámina descubiertas de doble cara sin ninguna cara cubierta por el material activo de cátodo e incluyen una segunda región de lámina descubierta exterior 42 sobre la misma superficie lateral que la primera región de lámina descubierta (es decir, la superficie orientada hacia fuera desde el conjunto de electrodos) y una segunda región de lámina descubierta interior 43 sobre la otra superficie lateral (es decir, la superficie orientada hacia dentro desde el conjunto de electrodos), y la tercera región de lámina descubierta 44 es una región soldada con lengüeta dentro del conjunto de electrodos.
La figura 4B es un diagrama de estructura de un cátodo con una capa aislante en un conjunto de electrodos enrollados desenrollados en la dirección de la longitud de un colector de corriente de cátodo según algunas realizaciones de la presente invención. Como se muestra en la figura 4B, en algunas realizaciones de la presente invención, la capa aislante 24 puede estar dispuesta sobre la región de lámina descubierta que incluye la primera región de lámina descubierta 41, las segundas regiones de lámina descubiertas 42 y 43, y la tercera región de lámina descubierta 44.
Según la presente invención, la capa aislante 24 está dispuesta, como mínimo, en la primera región de lámina descubierta 41.
En algunas realizaciones de la presente invención, el primer material activo de cátodo tiene un tamaño de partícula pequeño, lo que permite una mayor cobertura y adhesión al colector de corriente de cátodo 11. El tamaño de partícula del material activo de cátodo se puede medir mediante un analizador de tamaño de partículas Malvern: el material activo de cátodo se dispersa en un dispersante (etanol o acetona, u otros surfactantes) y, después de un tratamiento ultrasónico durante 30 minutos, se añade una muestra al analizador de tamaño de partículas Malvern para comenzar la prueba. El primer material activo de cátodo tiene un tamaño de partícula (Dv50), que representa el 50 % del volumen acumulado del lado de tamaño de partícula pequeño en la distribución de tamaño de partícula basada en el volumen, de aproximadamente 0,2 p.m a aproximadamente 15 p.m, y un tamaño de partícula (Dv90), que representa el 90 % del volumen acumulado del lado de tamaño de partícula pequeño en la distribución de tamaño de partícula basada en el volumen, de menos o igual a aproximadamente 40 p.m. Con el fin de garantizar el efecto de protección en el colector de corriente de cátodo 11, la primera capa de material activo de cátodo 12 necesita aumentar la cobertura de su región de cobertura, que es el porcentaje de la diferencia obtenida después de la resta del área de revestimiento total de la región a revestir menos el área expuesta de la capa a revestir expuesta a través de orificios en la capa de revestimiento en el área de revestimiento total. Además, cuanto menor sea el tamaño de partícula del primer material activo de cátodo, más delgada se puede hacer la primera capa de material activo de cátodo.
En algunas realizaciones de la presente invención, para impedir que el segundo material activo de cátodo en la segunda capa de material activo de cátodo dañe la primera capa de material activo de cátodo durante el prensado en frío y para garantizar la máxima adhesión entre la primera capa de material activo de cátodo y la segunda capa de material activo de cátodo, una relación del tamaño de partícula promedio (Dv50) del segundo material activo de cátodo con respecto al tamaño de partícula promedio (Dv50) del primer material activo de cátodo es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 40:1.
En algunas realizaciones de la presente invención, la primera capa de material activo de cátodo 12 debe ser lo suficientemente gruesa para garantizar la adhesión entre la primera capa de material activo de cátodo 12 y la segunda capa de material activo de cátodo 13. Para este propósito, el tamaño de partícula del primer material activo de cátodo tiene un límite superior. Dado que el tamaño de partícula del material activo de cátodo en la primera capa de material activo de cátodo 12 es pequeño y la primera capa de material activo de cátodo 12 contiene más aglutinante que la segunda capa de material activo de cátodo 13, la primera capa de material activo de cátodo 12 no puede ser demasiado gruesa, de lo contrario, la densidad de energía de la batería de iones de litio se reducirá, y dado que la primera capa de material activo de cátodo 12 necesita lograr una determinada cobertura en el colector de corriente de cátodo 11, el grosor de la primera capa de material activo de cátodo 12 necesita estar controlado para que sea de aproximadamente 3 a aproximadamente 40 p.m, y el grosor después del prensado en frío es de aproximadamente 0,5 pmi a aproximadamente 15 pmi. En particular, el grosor de la primera capa de material activo de cátodo 12 no es menor que Dv50 del primer material activo de cátodo para garantizar la cobertura de la primera capa de material activo de cátodo 12. Dado que el primer material activo de cátodo tiene un tamaño de partícula pequeño, su densidad de compactación será relativamente baja. Por lo tanto, para lograr una alta densidad de energía de la batería de iones de litio, es necesario aumentar el grosor de la segunda capa de material activo de cátodo 13, que es de aproximadamente 30 pmi a aproximadamente 1.000 pmi. Cuanto más gruesa sea la segunda capa de material activo de cátodo 13, mayor se puede hacer la densidad de energía de la batería de iones de litio.
Según algunas realizaciones de la presente invención, una relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo 12 con respecto al grosor de la capa aislante 24 también afecta al rendimiento de la batería de iones de litio en la prueba de perforación de clavos. Con el aumento de la capacidad de la batería, la potencia de cortocircuito también aumenta cuando la batería de iones de litio se cortocircuita, lo que significa que la energía liberada por un cortocircuito de la batería de iones de litio aumenta. El cortocircuito entre la capa de material activo de cátodo y el colector de corriente de ánodo y el cortocircuito entre el colector de corriente de cátodo y el colector de corriente de ánodo comparten la liberación de esta energía. La potencia de cortocircuito es inversamente proporcional a la resistencia a cortocircuitos (potencia = voltaje/(cuadrado de la resistencia)). Dado que el clavo penetrará a través de la batería de iones de litio en la prueba de perforación de clavos, se formarán cortocircuitos en la región de lámina descubierta fuera del conjunto de electrodos y la región de cobertura de la capa de material activo de cátodo, las cuales comparten conjuntamente la energía de toda la batería de iones de litio. Cuando la resistencia a cortocircuitos de un cortocircuito es alta, su cuota de energía es muy baja, mientras que cuando la resistencia del otro cortocircuito es baja, se necesita liberar mucha energía, lo que da como resultado una alta energía en un punto de cortocircuito local. Cuando la potencia de cortocircuito local alcance un valor determinado, la batería de iones de litio se quemará y fallará. El grosor de la primera capa de material activo de cátodo 12 y el grosor de la capa aislante 24 son los parámetros principales que afectan a la resistencia a cortocircuitos de la región de cobertura de la capa de material activo de cátodo correspondiente y la región de lámina descubierta del colector de corriente de cátodo 11. Si la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo 12 con respecto al grosor de la capa aislante 24 es demasiado alta, esto significa que la resistencia de la primera capa de material activo de cátodo 12 es mucho mayor, entonces la mayor parte de la energía de la batería de iones de litio se liberará en poco tiempo a través del cortocircuito entre la región de lámina descubierta del colector de corriente de cátodo y la capa de material activo de ánodo, lo que tiende a hacer que la batería de iones de litio falle. Si la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo 12 con respecto al grosor de la capa aislante 24 es demasiado baja, la mayor parte de la energía de la batería de iones de litio se liberará en poco tiempo a través del cortocircuito entre la primera capa de material activo de cátodo 12 y la capa de material activo de ánodo 22. Cuando la energía de la batería de iones de litio se acumula hasta un valor determinado, la temperatura de la batería de iones de litio asciende hasta el punto crítico de combustión y la batería de iones de litio se quemará y fallará. En algunas realizaciones de la presente invención, la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo 12 con respecto al grosor de la capa aislante 24 es de aproximadamente 0,2 pm a aproximadamente 10 pm, y la potencia de cortocircuito de la batería de iones de litio en la prueba de perforación de clavos es relativamente promedio, no se producirá la situación en la que la energía local sea demasiado alta y el rendimiento de seguridad de la batería de iones de litio en la prueba de perforación de clavos es óptimo.
Según algunas realizaciones de la presente invención, la cobertura de la capa aislante es otro factor que afecta al rendimiento de seguridad de la prueba de perforación de clavos. Si la cobertura es demasiado baja y parte de la región de lámina descubierta del colector de corriente de cátodo está expuesta, se producirá una disminución en la resistencia del colector de corriente de cátodo de la capa aislante, lo que dará como resultado un aumento en la potencia de cortocircuito en la superficie, que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo, del colector de corriente de cátodo en la prueba de perforación de clavos, y entonces la batería de iones de litio fallará. En algunas realizaciones de la presente invención, la cobertura de la capa aislante necesita ser mayor o igual a aproximadamente el 50 %. La cobertura es el porcentaje de la diferencia obtenida después de la resta del área total de revestimiento de la región a revestir menos el área expuesta de la capa a revestir expuesta a través de orificios en la capa de revestimiento, en el área total de revestimiento.
Según algunas realizaciones de la presente invención, la capa aislante incluye, como mínimo, uno de partículas inorgánicas y polímeros, y también se puede añadir un dispersante adecuado, y el dispersante incluye, sin limitación a los mismos, etanol o acetona, u otros surfactantes. Las partículas inorgánicas se seleccionan entre el grupo que consiste en óxido de aluminio, dióxido de silicio, óxido de magnesio, óxido de titanio, dióxido de hafnio, óxido de estaño, dióxido de cerio, óxido de níquel, óxido de cinc, óxido de calcio, dióxido de circonio, óxido de itrio, carburo de silicio, boehmita, hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, hidróxido de calcio, sulfato de bario y combinaciones de los mismos, y los polímeros se seleccionan entre el grupo que consiste en homopolímeros de fluoruro de vinilideno, copolímeros de fluoruro de vinilideno, copolímeros de hexafluoropropileno, poliestireno, polifenilacetileno, poli(ácido vinílico) de sodio, poli(ácido vinílico) de potasio, éster de poliacrilato, ácidos poliacrílicos, poliacrilonitrilo, polivinilpirrolidona, poliviniléter, polimetilmetacrilato, polietileno, polipropileno, politetrafluoroetileno y combinaciones de los mismos.
Según algunas realizaciones de la presente invención, el primer material activo de cátodo y el segundo material activo de cátodo se seleccionan cada uno independientemente entre el grupo que consiste en cobaltato de litio, fosfato de hierro y litio, fosfato de hierro, litio y manganeso, fosfato de hierro y sodio, fosfato de litio y vanadio, fosfato de sodio y vanadio, fosfato de oxi-litio-vanadio, fosfato de oxi-sodio-vanadio, vanadato de litio, manganato de litio, niquelato de litio, manganato de cobalto, litio y níquel, materiales a base de manganeso ricos en litio, aluminato de cobalto, litio y níquel, titanato de litio y combinaciones de los mismos.
En algunas realizaciones de la presente invención, la primera capa de material activo de cátodo 12 y la segunda capa de material activo de cátodo 13 incluyen cada una, independientemente, un aglutinante, y el aglutinante incluye, sin limitación a los mismos, uno de fluoruro de polivinilideno, copolímeros de fluoruro de vinilideno y hexafluoropropileno, poliamidas, poliacrilonitrilo, éster de poliacrilato, ácidos poliacrílicos, sal de poliacrilato, carboximetilcelulosa sódica, polivinilpirrolidona, poliviniléter, polimetilmetacrilato, politetrafluoroetileno, polihexafluoropropileno, caucho de estireno butadieno y combinaciones de los mismos. Por una parte, el aglutinante permite que las capas de material activo y el colector de corriente de cátodo se unan mejor; por otra parte, a medida que aumenta el contenido de aglutinante, la densidad de compactación de la primera capa de material activo de cátodo 12 disminuye. El aglutinante en la primera capa de material activo de cátodo 12 representa de aproximadamente el 1,5 % a aproximadamente el 6 %, en peso, del peso total de la primera capa de material activo de cátodo 12, y el aglutinante en la segunda capa de material activo de cátodo 13 representa de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 4 %, en peso, del peso total de la segunda capa de material activo de cátodo 13.
En algunas realizaciones de la presente invención, el contenido del aglutinante de la primera capa de material activo de cátodo 12 es mayor que el del aglutinante de la segunda capa de material activo de cátodo 13, garantizando, de este modo, la fuerza de unión entre la primera capa de material activo de cátodo 12 y el colector de corriente 11 y también evitando la aparición del evento de cortocircuito de colector de corriente de cátodo-capa de material activo de ánodo o de colector de corriente de cátodo-clavo-capa de material activo de ánodo en la prueba de perforación de clavos. Además, dado que el contenido de aglutinante de la primera capa de material activo de cátodo 12 es alto, la primera capa de material activo de cátodo 12 también tiene una propiedad de alta impedancia. La resistencia a cortocircuitos es alta y la potencia de cortocircuito es baja durante la perforación del clavo, de modo que se puede impedir la fuga térmica del conjunto de electrodos. En algunas realizaciones de la presente invención, la primera capa de material activo de cátodo 12 y la segunda capa de material activo de cátodo 13 contienen una determinada cantidad de agente conductor. El agente conductor incluye, sin limitación a los mismos, uno de nanotubos de carbono, negro de humo conductor, negro de acetileno, grafeno, negro de Ketjen, fibra de carbono y combinaciones de los mismos. El agente conductor en la primera capa de material activo de cátodo representa de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 5 %, en peso, del peso total de la primera capa de material activo de cátodo, y el agente conductor en la segunda capa de material activo de cátodo representa de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 5 %, en peso, del peso total de la segunda capa de material activo de cátodo.
Además, la primera capa de material activo de cátodo 12 o la segunda capa de material activo de cátodo 13 pueden someterse a algún otro tratamiento, o el colector de corriente de cátodo 11 puede someterse a algún tratamiento, tal como un tratamiento de rugosidad y un tratamiento térmico, cuyo principio o efecto puede ser mejorar la adhesión al colector de corriente. Aunque no se describe en detalle en la presente invención, está incluido dentro del alcance de la presente invención.
El colector de corriente de cátodo del cátodo en algunas realizaciones de la presente invención puede ser una lámina de aluminio o una lámina de níquel, y el colector de corriente de ánodo del ánodo puede ser una lámina de cobre o una lámina de níquel, sin embargo, se pueden utilizar otros colectores de corriente de cátodo y colectores de corriente de ánodo comúnmente utilizados en la técnica.
El agente conductor y el aglutinante de la capa de material activo de ánodo son similares a los de la capa de material activo de cátodo descrita anteriormente y no se describirán aquí. La capa de material activo de ánodo incluye un material activo de ánodo que incluye, sin limitación a los mismos, uno seleccionado del grupo que consiste en materiales de carbono, compuestos metálicos, óxidos, sulfuros, nitruros de litio tales como LiN3, metales de litio, elementos metálicos y elementos semimetálicos que forman aleaciones con litio, materiales poliméricos y combinaciones de los mismos.
Entre los materiales activos de ánodo mencionados anteriormente, los ejemplos de materiales de carbono pueden incluir carbono poco grafitizado, carbono fácilmente grafitizado, grafito artificial, grafito natural, microperlas de mesocarbono, carbono blando, carbono duro, carbono pirolizado, coque, carbono vítreo, cuerpo sinterizado de compuesto polimérico orgánico, fibra de carbono y carbón activado. El coque puede incluir coque de brea, coque acicular y coque de petróleo. El cuerpo sinterizado de compuesto polimérico orgánico se refiere a un material obtenido mediante la calcinación de un material polimérico tal como plástico fenólico o resina de furano a una temperatura apropiada para su carbonización, y algunos de estos materiales se dividen en carbono poco grafitizado o carbono fácilmente grafitizado. Entre los ejemplos de materiales poliméricos se pueden incluir poliacetileno y polipirrol.
Además, en el material activo de ánodo anterior, se selecciona un material cuyos voltajes de carga y descarga sean cercanos a los del metal de litio. Esto se debe a que cuanto menores sean los voltajes de carga y descarga del material activo de ánodo, más fácil será para la batería tener una mayor densidad de energía. El material activo de ánodo se puede seleccionar entre materiales de carbono porque su estructura cristalina cambia solo ligeramente durante la carga y descarga, por lo que se pueden obtener una buena característica de ciclo y una gran capacidad de carga y descarga. En particular, se puede seleccionar el grafito porque puede proporcionar un gran equivalente electroquímico y una alta densidad de energía.
Además, el material activo de ánodo puede incluir metal de litio elemental, elementos metálicos y elementos semimetálicos capaces de formar aleaciones con litio (Li), aleaciones y compuestos que incluyan dichos elementos y similares. En particular, se utilizan junto con los materiales de carbono porque en este caso se pueden obtener una buena característica de ciclo y una alta densidad de energía. Además de las aleaciones que incluyen dos o más elementos metálicos, las aleaciones utilizadas en el presente documento también incluyen aleaciones que incluyen uno o más elementos metálicos y uno o más elementos semimetálicos. Las aleaciones pueden ser soluciones sólidas, eutécticos (mezclas eutécticas), compuestos intermetálicos y mezclas de los mismos en los siguientes estados.
Entre los ejemplos de los elementos metálicos y semimetálicos anteriores se pueden incluir estaño (Sn), plomo (Pb), aluminio (Al), indio (In), silicio (Si), cinc (Zn), antimonio (Sb), bismuto (Bi), cadmio (Cd), magnesio (Mg), boro (B), galio (Ga), germanio (Ge), arsénico (As), plata (Ag), circonio (Zr), itrio (Y) y hafnio (Hf). Entre los ejemplos de las aleaciones y compuestos anteriores se pueden incluir materiales que tienen la fórmula química: MasMbtLiu y materiales que tienen la fórmula química: MapMcqMdr. En estas fórmulas químicas, Ma representa, como mínimo, uno de un elemento metálico y un elemento semimetálico capaz de formar una aleación junto con el litio; Mb representa, como mínimo, uno de un elemento metálico y un elemento semimetálico distinto de litio y Ma; Mc representa, como mínimo, un elemento entre elementos no metálicos; Md representa, como mínimo, uno de un elemento metálico y un elemento semimetálico distinto de Ma; y s, t, u, p, q y r cumplen s>0, t>0, u>0, p>0, q>0 y r>0.
Además, en la capa de material activo de ánodo se pueden utilizar compuestos inorgánicos que excluyen el litio (Li), tales como MnO2, V2O5, V6O13, NiS y MoS.
El separador en algunas realizaciones de la presente invención incluye, sin limitación a los mismos, como mínimo, uno seleccionado entre polietileno, polipropileno, tereftalato de polietileno, poliimida y aramida. Por ejemplo, el polietileno incluye, como mínimo, un componente seleccionado entre el grupo que consiste en polietileno de alta densidad, polietileno de baja densidad y polietileno de peso molecular ultra alto. En particular, el polietileno y el polipropileno tienen un buen efecto sobre la prevención de un cortocircuito y pueden mejorar la estabilidad de la batería a través del efecto de apagado.
La superficie del separador puede incluir, además, una capa porosa dispuesta sobre, como mínimo, una superficie del separador, la capa porosa incluye partículas inorgánicas y un aglutinante, y las partículas inorgánicas se seleccionan entre uno o más de óxido de aluminio (A^O3), óxido de silicio (SiO2), óxido de magnesio (MgO), óxido de titanio (TD2), dióxido de hafnio (HfO2), óxido de estaño (SnO2), óxido de cerio (CeO2), óxido de níquel (NiO), óxido de cinc (ZnO), óxido de calcio (CaO), óxido de circonio (ZrO2), óxido de itrio (Y2O3), carburo de silicio (SiC), boehmita, hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, hidróxido de calcio y sulfato de bario. El aglutinante se selecciona entre uno o más de fluoruro de polivinilideno, copolímeros de fluoruro de vinilideno y hexafluoropropileno, poliamidas, poliacrilonitrilo, éster de poliacrilato, ácidos poliacrílicos, sal de poliacrilato, carboximetilcelulosa sódica, polivinilpirrolidona, poliviniléter, polimetilmetacrilato, politetrafluoroetileno y polihexafluoropropileno.
La capa porosa puede mejorar la resistencia al calor, la resistencia a la oxidación y el rendimiento de infiltración de electrolitos del separador y mejorar la adhesión entre el separador y el cátodo o el ánodo. El dispositivo electroquímico de la presente invención también incluye un electrolito, que puede ser uno o más de un electrolito en gel, un electrolito sólido y una solución electrolítica, y la solución electrolítica incluye sal de litio y un disolvente no acuoso.
En algunas realizaciones de la presente invención, la sal de litio se selecciona entre uno o más de LiPF6, LiBF4, LiAsF6, LiClO4, LiB(C6H5)4, LiCH3SO3, LiCF3SO3, LiN(SO2CF3)2, LiC(SO2CF3)3, LiSiF6, LiBOB y difluoroborato de litio. Por ejemplo, la sal de litio es LiPF6 porque puede proporcionar una alta conductividad iónica y mejorar la característica del ciclo.
El disolvente no acuoso puede ser un compuesto de carbonato, un compuesto de carboxilato, un compuesto de éter, otros disolventes orgánicos o una combinación de los mismos.
El compuesto de carbonato puede ser un compuesto de carbonato lineal, un compuesto de carbonato cíclico, un compuesto de fluorocarbonato o una combinación de los mismos.
Entre los ejemplos de los compuestos de carbonato lineal anteriores se incluyen carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dipropilo (DPC), carbonato de metilpropilo (MPC), carbonato de etilpropilo (EPC), carbonato de metiletilo (<m>E<c>) y combinaciones de los mismos. Entre los ejemplos de compuestos de carbonato cíclico se incluyen carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de butileno (BC), carbonato de viniletileno (VEC), propionato de propilo (PP) y combinaciones de los mismos. Entre los ejemplos del compuesto de fluorocarbonato se incluyen carbonato de fluoroetileno (FEC), carbonato de 1,2-difluoroetileno, carbonato de 1, 1 -difluoroetileno, carbonato de 1,1,2-trifluoroetileno, carbonato de 1,1,2,2-tetrafluoroetileno, carbonato de 1 -fluoro-2-metiletileno, carbonato de 1 -fluoro-1 -metiletileno, carbonato de 1,2-difluoro-1 -metiletileno, carbonato de 1,1,2-trifluoro-2-metiletileno, carbonato de trifluorometiletileno y combinaciones de los mismos.
Entre los ejemplos de los compuestos carboxilato anteriores se incluyen acetato de metilo, acetato de etilo, acetato de n-propilo, acetato de terc-butilo, propionato de metilo, propionato de etilo, propionato de propilo, y-butirolactona, decanolida, valerolactona, DL-mevalonolactona, caprolactona, formiato de metilo y combinaciones de los mismos.
Entre los ejemplos de los compuestos de éter anteriores se incluyen éter dibutílico, tetraglima, diglima, 1,2-dimetoxietano, 1,2-dietoxietano, etoximetoxietano, 2-metiltetrahidrofurano, tetrahidrofurano y combinaciones de los mismos.
Entre los ejemplos de los otros disolventes orgánicos mencionados anteriormente se incluyen dimetilsulfóxido, 1,2-dioxolano, sulfolano, metilsulfolano, 1,3-dimetil-2-imidazolidinona, N-metil-2-pirrolidona, formamida, dimetilformamida, acetonitrilo, fosfato de trimetilo, fosfato de trietilo, fosfato de trioctilo, ésteres de fosfato y combinaciones de los mismos.
En algunas realizaciones de la presente invención, el cátodo, el separador y el ánodo se enrollan o apilan secuencialmente en un conjunto de electrodos y, a continuación, se empaquetan, por ejemplo, en una película de aluminio y plástico, se inyecta el electrolito y, a continuación, se fabrica una batería de iones de litio después de la formación y el empaquetado. Posteriormente, la batería de iones de litio preparada se somete a una prueba de rendimiento, una prueba de capacidad de batería y una prueba de perforación de clavos.
Los expertos en la materia comprenderán que, aunque la batería de iones de litio se ha ejemplificado anteriormente, el dispositivo electroquímico de la presente invención incluye, además, cualquier otro dispositivo electroquímico adecuado. Sin apartarse de la divulgación de la presente invención, dichos dispositivos electroquímicos incluyen cualquier dispositivo que experimente una reacción electroquímica, y ejemplos específicos de los mismos incluyen todo tipo de baterías primarias, baterías secundarias, celdas de combustible, celdas solares o condensadores. En particular, el dispositivo electroquímico es una batería de iones de litio que incluye una batería secundaria de metal de litio, una batería secundaria de iones de litio, una batería secundaria de polímero de litio o una batería secundaria de polímero de iones de litio.
El dispositivo electroquímico de la presente invención incluye dispositivos electroquímicos de diferentes estructuras, la batería de iones de litio enrollada se utiliza como ejemplo en la realización, pero el dispositivo electroquímico de la presente invención puede incluir dispositivos electroquímicos de una estructura laminada y una estructura de múltiples lengüetas, todos los cuales están incluidos dentro del alcance de la presente invención.
La utilización del dispositivo electroquímico de la presente invención no está particularmente limitada y puede ser para cualquier utilización conocida en la técnica.Enuna realización, el dispositivo electroquímico de la presente invención puede utilizarse para, sin limitación a los mismos, ordenadores portátiles, ordenadores táctiles, ordenadores móviles, reproductores de libros electrónicos, teléfonos portátiles, máquinas de fax portátiles, fotocopiadoras portátiles, impresoras portátiles, auriculares, grabadoras de video, televisores LCD, limpiadoras portátiles, reproductores de CD portátiles, mini CD, transceptores, organizadores electrónicos, calculadoras, tarjetas de memoria, grabadoras portátiles, radios, fuentes de alimentación de reserva, motores, automóviles, motocicletas, bicicletas con asistencia, bicicletas, artefactos de iluminación, juguetes, máquinas de juego, relojes, herramientas eléctricas, linternas, cámaras, baterías domésticas grandes, condensadores de iones de litio, etc.
A continuación, se enumeran algunas realizaciones específicas y ejemplos comparativos que se someten a una prueba de capacidad de batería y a una prueba de perforación de clavos, para explicar mejor la presente invención. Los expertos en la materia comprenderán que los procedimientos de preparación descritos en la presente invención son solo realizaciones de ejemplo y cualquier otro procedimiento de preparación adecuado está dentro del alcance de la presente invención.
Ejemplo comparativo 1
Se adoptó una lámina de aluminio como colector de corriente de cátodo, la superficie de la lámina de aluminio se revistió uniformemente con una capa de suspensión de cobaltato de litio, consistiendo la suspensión de cobaltato de litio en el 97,8 % en peso de cobaltato de litio (LCO) (en la que el tamaño de partícula del cobaltato de litio es Dv50: 13 |jm, Dv90: 38 |jm), el 0,8 % en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el 1,4 % en peso de negro de humo conductor, se realizó secado a 85 °C, a continuación, se realizaron prensado en frío, corte y ranurado y se realizó secado en condiciones de vacío a 85 °C durante 4 horas para obtener un cátodo, siendo la presión de prensado en frío de 60 T y la velocidad de prensado en frío de 40 m/min. El grosor de la capa de material activo de cátodo fue de 63 |jm.
Se adoptó una lámina de cobre como colector de corriente de ánodo, la superficie de la lámina de cobre se revistió uniformemente con una capa de suspensión de grafito, consistiendo la suspensión en el 97,7 % en peso de grafito artificial, el 1,3 % en peso de carboximetilcelulosa sódica (CMC) y el 1,0 % en peso de caucho de estireno butadieno (SBR), se realizó secado a 85 °C, a continuación, se realizaron prensado en frío, corte y ranurado y se realizó secado en condiciones de vacío a 85 °C durante 4 horas para obtener un ánodo.
Una solución de sal de litio LiPF6 y un disolvente orgánico no acuoso (carbonato de etileno (EC):carbonato de dietilo (DEC):carbonato de propileno (PC):propionato de propileno (PP):carbonato de vinileno (VC) = 20:30:20:28:2 en masa) mezclados en una relación de 8:92 en masa se utilizó como electrolito para una batería de iones de litio.
Se enrollaron el cátodo y el ánodo, y cátodo y el ánodo se separaron mediante un separador de polietileno, de modo que se preparó un conjunto de electrodos enrollados. El conjunto de electrodos se sometió a sellado en la cara superior, pulverización con código, secado al vacío, inyección de electrolito, reposo a alta temperatura y, a continuación, formación química y empaquetado para generar una batería de iones de litio terminada.
Ejemplo comparativo 2
Se utilizó una lámina de aluminio como colector de corriente de cátodo, la superficie de la lámina de aluminio se revistió uniformemente con una capa de suspensión de fosfato de hierro y litio de partículas pequeñas y se incluyó un primer material activo de cátodo, en la que el tamaño de partícula del fosfato de hierro y litio fue Dv50: 3 |o.m y Dv90: 10 pmi. La suspensión de fosfato de hierro y litio consistía en el 95,6 % en peso de fosfato de hierro y litio (LiFePO4), el 3,0 % en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el 1,4 % en peso de negro de humo conductor, se formó una primera capa de material activo de cátodo con un grosor de 5 p.m, se realizó secado a 85 °C, a continuación, se realizó prensado en frío con una presión de prensado en frío de 40 T y una velocidad de prensado en frío de 40 m/min. La primera capa de material activo de cátodo prensado en frío se revistió con una capa de suspensión de cobaltato de litio que consistía en el 97,8 % en peso de cobaltato de litio (LCO) (en la que el tamaño de partícula del cobaltato de litio es Dv50: 13 pmi, Dv90: 38 pmi), el 0,8 % en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el 1,4 % en peso de negro de humo conductor, siendo la masa total de las dos capas de material activo igual a la del material activo en el ejemplo 1, se realizó secado a 85 °C, a continuación, se realizaron prensado en frío, corte y ranurado y se realizó secado en condiciones de vacío a 85 °C durante 4 horas para obtener un cátodo, siendo la presión de prensado en frío de 60 T y la velocidad de prensado en frío de 40 m/min.
Se adoptó una lámina de cobre como colector de corriente de ánodo, la superficie de la lámina de cobre se revistió uniformemente con una capa de suspensión de grafito, consistiendo la suspensión compuesta en el 97.7 % en peso de grafito artificial, el 1,3 % en peso de carboximetilcelulosa sódica (CMC) y el 1,0 % en peso de caucho de estireno butadieno (SBR), se realizó secado a 85 °C, a continuación, se realizaron prensado en frío, corte y ranurado y secado en condiciones de vacío a 85 °C durante 4 horas para obtener un ánodo.
Una solución de sal de litio LiPF6 y un disolvente orgánico no acuoso (carbonato de etileno (EC):carbonato de dietilo (DEC):carbonato de propileno (PC):propionato de propileno (PP):carbonato de vinileno (VC) = 20:30:20:28:2 en masa) mezclados en una relación de 8:92 en masa se utilizó como electrolito para una batería de iones de litio.
Se enrollaron el cátodo y el ánodo, y cátodo y el ánodo se separaron mediante un separador de polietileno, de modo que se preparó un conjunto de electrodos enrollados. El conjunto de electrodos se sometió a sellado en la cara superior, pulverización con código, secado al vacío, inyección de electrolito, reposo a alta temperatura y, a continuación, formación química y empaquetado para generar una batería de iones de litio terminada.
Ejemplo comparativo 3
Se adoptó una lámina de aluminio como colector de corriente de cátodo y la superficie de la lámina de aluminio se revistió uniformemente con una capa de suspensión de cobaltato de litio que consistía en el 97.8 % en peso de cobaltato de litio (LCO) (en la que el tamaño de partícula del cobaltato de litio es Dv50: 13 p.m, Dv90: 38 pmi), el 0,8 % en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el 1,4 % en peso de negro de humo conductor. Después de que se secó, una primera región de lámina descubierta de un conjunto de electrodos (una región de lámina descubierta de una sola cara fuera del conjunto de electrodos con su cara opuesta cubierta por una capa de material activo de cátodo) se revistió con una capa de suspensión de capa aislante, consistiendo la suspensión en el 10 % de fluoruro de polivinilideno y el 90 % de partículas de óxido de aluminio, el grosor del revestimiento fue de 5 p.m y la velocidad de revestimiento se controló para garantizar que la cobertura de la región de revestimiento fuera mayor o igual al 90 %. Después del revestimiento se realizó secado, a continuación, se realizaron prensado en frío, corte y ranurado y se realizó secado en condiciones de vacío a 85 °C durante 4 horas para obtener un cátodo, siendo la presión de prensado en frío de 60 T y la velocidad de prensado en frío de 40 m/min.
Se adoptó una lámina de cobre como colector de corriente de ánodo, la superficie de la lámina de cobre se revistió uniformemente con una capa de suspensión de grafito, consistiendo la suspensión de grafito en el 97,7 % en peso de grafito artificial, el 1,3 % en peso de carboximetilcelulosa sódica (CMC) y el 1,0 % en peso de caucho de estireno butadieno (SBR), se realizó secado a 85 °C, a continuación, se realizaron prensado en frío, corte y ranurado y se realizó secado en condiciones de vacío a 85 °C durante 4 horas para obtener un ánodo.
Una solución de sal de litio LiPF6 y un disolvente orgánico no acuoso (carbonato de etileno (EC):carbonato de dietilo (DEC):carbonato de propileno (PC):propionato de propileno (PP):carbonato de vinileno (VC) = 20:30:20:28:2 en masa) mezclados en una relación de 8:92 en masa se utilizó como electrolito para una batería de iones de litio.
Se enrollaron el cátodo y el ánodo, y cátodo y el ánodo se separaron mediante un separador de polietileno, de modo que se preparó un conjunto de electrodos enrollados. El conjunto de electrodos se sometió a sellado en la cara superior, pulverización con código, secado al vacío, inyección de electrolito, reposo a alta temperatura y, a continuación, formación química y empaquetado para generar una batería de iones de litio terminada.
Ejemplo 1
Se utilizó una lámina de aluminio como colector de corriente de cátodo, la superficie de la lámina de aluminio se revistió uniformemente con una capa de suspensión de fosfato de hierro y litio de partículas pequeñas y se incluyó un primer material activo de cátodo, en la que el tamaño de partícula de fosfato de hierro y litio fue Dv50: 3 pm y Dv90: 10 pm. La suspensión de fosfato de hierro y litio consistía en el 95,6 % en peso de fosfato de hierro y litio (LiFePO4), el 3,0 % en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el 1,4 % en peso de negro de humo conductor, se formó una primera capa de material activo de cátodo con un grosor de 5 pm y se realizó secado a 85 °C. Después del secado, la primera capa de material activo de cátodo se revistió con una capa de suspensión de cobaltato de litio (suspensión de una segunda capa de material activo de cátodo) que consistía en el 97,8 % en peso de cobaltato de litio (LCO) (en la que el tamaño de partícula del cobaltato de litio es Dv50: 13 pm, Dv90: 38 pm), el 0,8 % en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF) y el 1,4 % en peso de negro de humo conductor, siendo la masa total de las dos capas de material activo igual a la del material activo en el ejemplo comparativo 1. Después de que se secó, una primera región de lámina descubierta de un conjunto de electrodos (una región de lámina descubierta de una sola cara fuera del conjunto de electrodos con su cara opuesta cubierta por una capa de material activo de cátodo) se revistió con una capa de suspensión de capa aislante, la suspensión consistía en el 10 % de fluoruro de polivinilideno y el 90 % de partículas de óxido de aluminio, y la velocidad de revestimiento se controló para garantizar que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante fuera 1 y la cobertura de la región de revestimiento fuera mayor o igual al 90 %. Después del revestimiento se realizó el secado, a continuación, se realizaron prensado en frío, corte y ranurado y se realizó secado en condiciones de vacío a 85 °C durante 4 horas para obtener un cátodo, siendo la presión de prensado en frío de 60 T y la velocidad de prensado en frío de 40 m/min.
Se adoptó una lámina de cobre como colector de corriente de ánodo, la superficie de la lámina de cobre se revistió uniformemente con una capa de suspensión de grafito, consistiendo la suspensión en el 97,7 % en peso de grafito artificial, el 1,3 % en peso de carboximetilcelulosa sódica (CMC) y el 1,0 % en peso de caucho de estireno butadieno (SBR), se realizó secado a 85 °C, a continuación, se realizaron prensado en frío, corte y ranurado y se realizó secado en condiciones de vacío a 85 °C durante 4 horas para obtener un ánodo.
Una solución de sal de litio LiPF6 y un disolvente orgánico no acuoso (carbonato de etileno (EC):carbonato de dietilo (DEC):carbonato de propileno (PC):propionato de propileno (PP):carbonato de vinileno (VC) = 20:30:20:28:2 en masa) mezclados en una relación de 8:92 en masa se utilizó como electrolito para una batería de iones de litio.
Se enrollaron el cátodo y el ánodo, y cátodo y el ánodo se separaron mediante un separador de polietileno, de modo que se preparó un conjunto de electrodos enrollados. El conjunto de electrodos se sometió a sellado en la cara superior, pulverización con código, secado al vacío, inyección de electrolito, reposo a alta temperatura y, a continuación, formación química y empaquetado para generar una batería de iones de litio terminada.
Ejemplo 2
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo 2 fue de 0,2.
Ejemplo 3
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo 3 fue de 0,5.
Ejemplo 4
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo 4 fue de 0,8.
Ejemplo 5
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo 5 fue de 1,5.
Ejemplo 6
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo 6 fue de 2. Ejemplo 7
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo 7 fue de 3. Ejemplo 8
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo 8 fue de 5. Ejemplo 9
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo 9 fue de 7. Ejemplo 10
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo 10 fue de 10.
Ejemplo 11
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el grosor de la primera capa de material activo de cátodo en el ejemplo 11 fue de 0,5 pmi.
Ejemplo 12
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el grosor de la primera capa de material activo de cátodo en el ejemplo 12 fue de 1 pmi.
Ejemplo 13
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el grosor de la primera capa de material activo de cátodo en el ejemplo 13 fue de 2 pmi.
Ejemplo 14
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el grosor de la primera capa de material activo de cátodo en el ejemplo 14 fue de 3 pmi.
Ejemplo 15
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el grosor de la primera capa de material activo de cátodo en el ejemplo 15 fue 7 pmi.
Ejemplo 16
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el grosor de la primera capa de material activo de cátodo en el ejemplo 16 fue de 10 pmi.
Ejemplo 17
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el grosor de la primera capa de material activo de cátodo en el ejemplo 17 fue de 15 pmi.
Ejemplo 18
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el Dv90 del primer material activo de cátodo en el ejemplo 18 fue de 2 pmi.
Ejemplo 19
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el Dv90 del primer material activo de cátodo en el ejemplo 19 fue de 5 pmi.
Ejemplo 20
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el Dv90 del primer material activo de cátodo en el ejemplo 20 fue de 15 pmi.
Ejemplo 21
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que el Dv90 del primer material activo de cátodo en el ejemplo 21 fue 20 de pmi.
Ejemplo 22
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la cobertura del área de revestimiento de la capa aislante en el ejemplo 22 fue del 50 %.
Ejemplo 23
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la cobertura del área de revestimiento de la capa aislante en el ejemplo 23 fue del 60 %.
Ejemplo 24
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la cobertura del área de revestimiento de la capa aislante en el ejemplo 24 fue del 70 %.
Ejemplo 25
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la cobertura del área de revestimiento de la capa aislante en el ejemplo 25 fue del 80 %.
Ejemplo 26
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la cobertura del área de revestimiento de la capa aislante en el ejemplo 26 fue del 95 %.
Ejemplo 27
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la cobertura del área de revestimiento de la capa aislante en el ejemplo 27 fue del 98 %.
Ejemplo 28
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la cobertura del área de revestimiento de la capa aislante en el ejemplo 28 fue del 99 %.
Ejemplo 29
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la cobertura del área de revestimiento de la capa aislante en el ejemplo 29 fue del 100 %.
Ejemplo 30
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que todas las regiones de lámina descubiertas en la batería de iones de litio se revistieron con una capa aislante después de que el cátodo se secó en el ejemplo 30.
Ejemplo 31
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la primera región de lámina descubierta (una región de lámina descubierta de una sola cara fuera del conjunto de electrodos con su cara opuesta cubierta por una capa de material activo de cátodo) y las segundas regiones de lámina descubiertas (regiones de lámina descubiertas de doble cara fuera del conjunto de electrodos sin ninguna cara cubierta por el material activo de cátodo) del conjunto de electrodos se revistieron ambas con una capa aislante después de que el cátodo se secó en el ejemplo 31.
Ejemplo 32
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la primera región de lámina descubierta (una región de lámina descubierta de una sola cara fuera del conjunto de electrodos con su cara opuesta cubierta por una capa de material activo de cátodo) y la tercera región de lámina descubierta (una región soldada con lengüeta dentro del conjunto de electrodos) del conjunto de electrodos se revistieron ambas con una capa aislante después de que se secó el cátodo en el ejemplo 32.
Ejemplo comparativo 4
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo comparativo 4 fue de 0,1.
Ejemplo comparativo 5
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo comparativo 5 fue de 15.
Ejemplo comparativo 6
El procedimiento de preparación fue el mismo que el del ejemplo 1, excepto que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante en el ejemplo comparativo 6 fue de 20.
Después de que se obtuvieron las baterías de iones de litio terminadas de las realizaciones y ejemplos comparativos anteriores, se registraron la capacidad, el grosor, la anchura y la longitud de los productos terminados para determinar la densidad de energía volumétrica de las baterías de iones de litio. Posteriormente, las baterías de iones de litio de las realizaciones y ejemplos comparativos anteriores se sometieron a pruebas de capacidad de batería y a pruebas de perforación de clavos.
Prueba de capacidad de batería:
Un dispositivo electroquímico que se iba a poner a prueba (batería de iones de litio) se dejó reposar durante 30 minutos en un entorno de 25 ± 3 °C y se cargó a un voltaje de 4,4 V (voltaje nominal) a una tasa de corriente constante de 0,5 C, a continuación, se cargó a un voltaje constante hasta que la tasa de carga y descarga alcanzó 0,05 C y la batería de iones de litio que se iba a poner a prueba se dejó reposar durante 30 minutos. Después de esto, la batería se descargó a 3,0 V a una tasa de 0,2 C y la batería de iones de litio que se iba a poner a prueba se dejó reposar durante 30 minutos. Finalmente, se tomó como capacidad de descarga la capacidad real de la batería.
Densidad de energía de la batería de iones de litio = capacidad de descarga/(longitud*anchura*grosor de la batería de iones de litio).
Prueba de perforación de clavos:
Diez dispositivos electroquímicos (baterías de iones de litio) que se iban a poner a prueba se cargaron a una corriente constante de 0,5 C a un voltaje de 4,4 V a temperatura normal, y se cargaron adicionalmente a un voltaje constante de 4,4 V a una corriente de 0,05 C para que estuvieran en un estado de carga completa a 4,4 V. Después de eso, la batería de iones de litio se perforó a temperatura normal con un clavo con un diámetro de 4 mm (clavo de acero hecho de acero al carbono con un ahusamiento de 16,5 mm y una longitud total de 100 mm) a una velocidad de perforación de 30 mm/s, la profundidad de perforación se basó en el ahusamiento del clavo que pasaba a través de la batería de iones de litio, y se observó si la batería de iones de litio humeaba, se incendiaba o explotaba. En caso negativo, se consideró que la batería de iones de litio superaba la prueba de perforación de clavos.
Los parámetros experimentales y los resultados de las mediciones de las diversas realizaciones y ejemplos comparativos se muestran en la tabla 1, a continuación.
Al comparar los ejemplos comparativos 1, 2, 3 y el ejemplo 1, se puede observar que al adoptar las capas de material activo de doble cátodo en la región de cubierta de la capa de material activo de cátodo y la capa aislante en la región de lámina descubierta, la tasa de superación de la batería de iones de litio en la prueba de perforación de clavos se mejoró en diversos grados y se causó poca influencia sobre la densidad de energía de la batería de iones de litio.
A partir de los ejemplos comparativos 4-6 y los ejemplos 1-10, se puede observar que con el aumento de la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante, la densidad de energía de la batería de iones de litio disminuyó, y la tasa de superación en la prueba de perforación de clavos disminuyó para las baterías de iones de litio donde la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo con respecto al grosor de la capa aislante era demasiado baja o demasiado alta.
A partir de los ejemplos 11-17, se puede observar que la densidad de energía de la batería de iones de litio disminuyó con el aumento del grosor de la primera capa de material activo de cátodo; mientras tanto, la tasa de superación de la batería de iones de litio en la prueba de perforación de clavos aumentó con el aumento del grosor de la primera capa de material activo de cátodo.
A partir de los ejemplos 18-21, se puede observar que con el aumento del tamaño de partícula Dv90 del primer material activo de cátodo, la densidad de energía de la batería de iones de litio no cambió mucho, pero utilizar un tamaño de partícula Dv90 excesivamente alto del primer material activo de cátodo hizo que la tasa de superación de la batería de iones de litio en la prueba de perforación de clavos disminuyera.
A partir de los ejemplos 22-29, se puede observar que con el aumento de la cobertura de la capa aislante, la densidad de energía de la batería de iones de litio no cambió mucho, mientras que la prueba de perforación de clavos de las baterías de iones de litio con la cobertura de la capa aislante por debajo de un cierto nivel disminuyó.
A partir del ejemplo 1 y de los ejemplos 30-32 se puede observar que la capa aislante se puede disponer sobre todas las regiones de lámina descubiertas del colector de corriente de cátodo (es decir, sobre todas las superficies que no están orientadas hacia el material activo de ánodo), en la que la batería de iones de litio revestida con la capa aislante solo en la primera región de lámina descubierta tuvo la mayor densidad de energía.
La descripción anterior resume las características de varias realizaciones, lo que permite a los expertos en la materia comprender mejor diversos aspectos de la presente invención. Los expertos en la materia pueden utilizar fácilmente la presente invención como base para diseñar o modificar otras composiciones con el fin de lograr los mismos objetivos y/o lograr las mismas ventajas que las realizaciones aplicadas en el presente documento. Los expertos en la materia también comprenderán que estos ejemplos iguales no se apartan del alcance de la presente invención que se define en las reivindicaciones adjuntas, y pueden realizar diversos cambios, sustituciones y modificaciones a la presente invención sin apartarse del alcance de las reivindicaciones. Aunque los procedimientos dados a conocer en el presente documento se han descrito con referencia a operaciones específicas realizadas en un orden específico, debe entenderse que estas operaciones pueden combinarse, subdividirse o reordenarse para formar procedimientos equivalentes sin apartarse de las enseñanzas de la presente invención. Por lo tanto, a menos que se indique específicamente en el presente documento, la presente invención no está limitada al orden y agrupación de operaciones descritas en el presente documento.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo electroquímico, que comprende un cátodo, un separador (23) y un ánodo, en el que el cátodo comprende:
un colector de corriente de cátodo (11);
una primera capa de material activo de cátodo (12) que comprende un primer material activo de cátodo; una segunda capa de material activo de cátodo (13) que comprende un segundo material activo de cátodo, en el que la primera capa de material activo de cátodo (12) está dispuesta entre el colector de corriente de cátodo (11) y la segunda capa de material activo de cátodo (13), y la primera capa de material activo de cátodo (12) está dispuesta sobre una primera superficie, orientada hacia una capa de material activo de ánodo (22) del ánodo, del colector de corriente de cátodo (11); y
una capa aislante (24), en el que la capa aislante (24) está dispuesta sobre una segunda superficie, que no está orientada hacia la capa de material activo de ánodo (22) del ánodo, del colector de corriente de cátodo (11),caracterizado por que:
un conjunto de electrodos del dispositivo electroquímico tiene una estructura enrollada, y la segunda superficie comprende una primera región de lámina descubierta (41) ubicada fuera del conjunto de electrodos y que tiene la primera superficie como su superficie opuesta,
en el que la capa aislante (24) está dispuesta, como mínimo, sobre la primera región de lámina descubierta (41).
2. Dispositivo electroquímico, según la reivindicación 1, en el que la segunda superficie comprende, además, una segunda región de lámina descubierta ubicada fuera del conjunto de electrodos y que tiene una superficie opuesta distinta de la primera superficie, y una tercera región de lámina descubierta ubicada dentro del conjunto de electrodos.
3. Dispositivo electroquímico, según las reivindicaciones 1 o 2, en el que el tamaño de partícula promedio del primer material activo de cátodo es menor que el tamaño de partícula promedio del segundo material activo de cátodo, y el tamaño de partícula promedio del primer material activo de cátodo es de 0,2 pm a 15 pm.
4. Dispositivo electroquímico, según las reivindicaciones 1 o 2, en el que el tamaño de partícula, en el 90 % del volumen acumulado, del primer material activo de cátodo es de 40 pm o menos.
5. Dispositivo electroquímico, según las reivindicaciones 1 o 2, en el que la relación del tamaño de partícula promedio del primer material activo de cátodo con respecto al tamaño de partícula promedio del segundo material activo de cátodo es de 1:1 a 1:40.
6. Dispositivo electroquímico, según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que el grosor de la primera capa de material activo de cátodo (12) es de 0,5 pm a 15 pm, y el grosor de la segunda capa de material activo de cátodo (13) es de 30 pm a 1.000 pm.
7. Dispositivo electroquímico, según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que la relación del grosor de la primera capa de material activo de cátodo (12) con respecto al grosor de la capa aislante (24) es de 0,2 a 10.
8. Dispositivo electroquímico, según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que la cobertura de la capa aislante (24) es, como mínimo, del 50 %.
9. Dispositivo electroquímico, según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el primer material activo de cátodo y el segundo material activo de cátodo se seleccionan cada uno, independientemente, entre el grupo que consiste en cobaltato de litio, fosfato de hierro y litio, fosfato de hierro, litio y manganeso, fosfato de hierro y sodio, fosfato de litio y vanadio, fosfato de sodio y vanadio, fosfato de oxi-litio-vanadio, fosfato de oxi-sodio-vanadio, vanadato de litio, manganato de litio, niquelato de litio, manganato de cobalto, litio y níquel, materiales a base de manganeso ricos en litio, aluminato de cobalto, litio y níquel, titanato de litio y combinaciones de los mismos.
10. Dispositivo electroquímico, según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que la capa aislante (24) comprende, como mínimo, uno de partículas inorgánicas y polímeros, en el que las partículas inorgánicas se seleccionan entre el grupo que consiste en óxido de aluminio, dióxido de silicio, óxido de magnesio, óxido de titanio, dióxido de hafnio, óxido de estaño, óxido de cerio, óxido de níquel, óxido de cinc, óxido de calcio, dióxido de circonio, óxido de itrio, carburo de silicio, boehmita, hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, hidróxido de calcio, sulfato de bario y combinaciones de los mismos; y
los polímeros se seleccionan entre el grupo que consiste en homopolímeros de fluoruro de vinilideno, copolímeros de fluoruro de vinilideno, copolímeros de hexafluoropropileno, poliestireno, polifenilacetileno, poli(ácido vinílico) de sodio, poli(ácido vinílico) de potasio, éster de poliacrilato, ácidos poliacrílicos, poliacrilonitrilo, polivinilpirrolidona, poliviniléter, polimetilmetacrilato, polietileno, polipropileno, politetrafluoroetileno y combinaciones de los mismos.
11. Dispositivo electroquímico, según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que la primera capa de material activo de cátodo (12) y la segunda capa de material activo de cátodo (13) comprenden cada una, independientemente, un aglutinante y un agente conductor, en el que el aglutinante se selecciona entre el grupo que consiste en fluoruro de polivinilideno, copolímeros de fluoruro de vinilideno y hexafluoropropileno, poliamidas, poliacrilonitrilo, éster de poliacrilato, ácidos poliacrílicos, sal de poliacrilato, carboximetilcelulosa sódica, polivinilpirrolidona, poliviniléter, polimetilmetacrilato, politetrafluoroetileno, polihexafluoropropileno, caucho de estireno butadieno y combinaciones de los mismos; y
el agente conductor se selecciona entre el grupo que consiste en nanotubos de carbono, negro de humo conductor, negro de acetileno, grafeno, negro de Ketjen, fibra de carbono y combinaciones de los mismos.
12. Dispositivo electrónico, que comprende un dispositivo electroquímico, según cualquiera de las reivindicaciones 1-11.
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