ES3034379T3 - Packaging for flexible secondary battery and flexible secondary battery comprising the same - Google Patents

Packaging for flexible secondary battery and flexible secondary battery comprising the same

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ES3034379T3
ES3034379T3 ES19873271T ES19873271T ES3034379T3 ES 3034379 T3 ES3034379 T3 ES 3034379T3 ES 19873271 T ES19873271 T ES 19873271T ES 19873271 T ES19873271 T ES 19873271T ES 3034379 T3 ES3034379 T3 ES 3034379T3
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ES
Spain
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graphene oxide
layer
secondary battery
reduced graphene
flexible secondary
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English (en)
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Joonwon LIM
Yo-Han Kwon
In-Sung Uhm
Jae-Hyun Lee
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LG Energy Solution Ltd
Original Assignee
LG Energy Solution Ltd
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Publication date
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Abstract

La presente invención tiene como objetivo mejorar la barrera contra la humedad y la flexibilidad de las baterías secundarias flexibles, y proporciona un embalaje para una batería secundaria flexible y una batería secundaria flexible que la comprende. El embalaje para una batería secundaria flexible tiene una forma tubular que rodea la superficie exterior de un conjunto de electrodos y comprende: una capa de soporte mecánico; una capa de óxido de grafeno reducido (rGO) dispuesta sobre la superficie superior de la capa de soporte mecánico y que comprende varias láminas de óxido de grafeno reducido; una capa termorretráctil dispuesta sobre la superficie superior de la capa de óxido de grafeno reducido; y una capa selladora dispuesta sobre la superficie superior de la capa termorretráctil, donde las distintas láminas de óxido de grafeno reducido en la capa de óxido de grafeno reducido presentan interacciones electrostáticas formadas entre las láminas adyacentes de óxido de grafeno reducido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Embalaje para batería secundaria flexible y batería secundaria flexible que comprende el mismo
Campo técnico
La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente coreana n.° 10-2018-0125543 presentada el 19 de octubre de 2018 ante la Oficina de Propiedad Intelectual de Corea.
La presente divulgación se refiere a un embalaje para una batería secundaria flexible y a una batería secundaria flexible que comprende el mismo.
Antecedentes de la técnica
Las baterías secundarias están diseñadas para convertir la energía eléctrica externa en forma de energía química y almacenarla, y cuando sea necesario, producir electricidad. Dado que pueden cargarse muchas veces, también se conocen como “baterías recargables”. Las baterías secundarias comúnmente usadas incluyen baterías de plomoácido, baterías de NiCd, baterías de NiMH, baterías de iones de litio y baterías de polímero de iones de litio. Las baterías secundarias ofrecen ventajas tanto económicas como ambientales en comparación con las baterías primarias desechables.
Las baterías secundarias se usan actualmente en aplicaciones de baja potencia. Por ejemplo, la gama de aplicaciones puede incluir dispositivos que ayudan a arrancar un automóvil, dispositivos móviles, herramientas y sistemas de energía ininterrumpida. Recientemente, el desarrollo de la tecnología de comunicación inalámbrica ha llevado al uso generalizado de dispositivos móviles y, con la tendencia a hacer inalámbricos muchos tipos de dispositivos existentes, la demanda de baterías secundarias está aumentando drásticamente. Además, en consonancia con la prevención de la contaminación ambiental, el uso de vehículos eléctricos híbridos y vehículos eléctricos está muy extendido, y estos vehículos de próxima generación adoptan tecnología para reducir el precio y el peso y aumentar la vida útil usando baterías secundarias.
Los tipos conocidos de baterías secundarias son las baterías secundarias cilíndricas, prismáticas y de tipo bolsa, y recientemente se han sugerido baterías secundarias flexibles que se caracterizan por su flexibilidad, incluyendo una batería secundaria flexible que tiene una razón muy alta de longitud con respecto a diámetro de sección transversal. La figura 1 es un diagrama que muestra la estructura de una realización de una batería secundaria flexible general. Tal como se muestra en la figura 1, la batería 50 secundaria flexible incluye un electrodo 10 negativo enrollado en forma de bobina, un separador 20 formado en forma cilíndrica que tiene el electrodo 10 negativo provisto sobre el lado interior del mismo, y envuelto alrededor de la superficie exterior del electrodo 10 negativo, un electrodo 30 positivo provisto sobre la superficie exterior del separador 20, y un embalaje 40 formado en forma cilíndrica que tiene el electrodo 30 positivo provisto sobre el lado interior del mismo. Es decir, la batería 50 secundaria flexible se fabrica enrollando el separador 20, el electrodo 30 positivo y el embalaje 40 en ese orden sobre la superficie exterior del electrodo 10 negativo en forma de bobina. Como tal, la batería 50 secundaria flexible puede tener la forma de un cable para permitir que se doble, y puede incluir además un tubo termorretráctil que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos.
En general, el tubo termorretráctil se elabora principalmente usando un material polimérico. El polímero se elabora en forma porosa debido a las características estructurales del mismo, por lo que existe un problema con la entrada de vapor y aire en la batería. La entrada de vapor en la batería es un factor importante que provoca la degradación del rendimiento de la batería por reacción con agua en una disolución de electrolito usando LiPF6 como sal de litio. Además, el documento US 2016/329533 A1 se refiere a una batería secundaria y a un dispositivo electrónico. El documento US 2014/3355391 A1 se refiere a un embalaje para una batería secundaria de tipo cable y a una batería secundaria de tipo cable que comprende el mismo.
Divulgación
Problema técnico
Por tanto, la presente divulgación tiene como objetivo mejorar la propiedad de barrera frente al vapor de una película para embalar una batería secundaria flexible.
Además, la presente divulgación tiene como objetivo mejorar no sólo la propiedad de barrera frente al vapor sino también la flexibilidad de la película para embalar una batería secundaria flexible.
Además, la presente divulgación tiene como objetivo proporcionar una batería secundaria flexible que comprende la película para embalar una batería secundaria flexible con propiedades de barrera frente al vapor y flexibilidad mejoradas.
Solución técnica
En una primera realización de la presente divulgación, se proporciona un embalaje para una batería secundaria flexible que se envuelve alrededor de una superficie exterior de un conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible, tal como se define en la reivindicación 1.
En un ejemplo de la presente divulgación, se proporciona un embalaje para una batería secundaria flexible que se envuelve alrededor de una superficie exterior de un conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible, en el que el embalaje para una batería secundaria flexible tiene forma de un tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos, y el embalaje para una batería secundaria flexible comprende una capa termorretráctil; una capa de óxido de grafeno reducido dispuesta sobre la capa termorretráctil y que incluye una pluralidad de láminas de óxido de grafeno reducido; y una capa selladora dispuesta sobre la capa de óxido de grafeno reducido, en donde la pluralidad de láminas de óxido de grafeno reducido en la capa de óxido de grafeno reducido forman una interacción electrostática entre láminas de óxido de grafeno reducido adyacentes.
En una segunda realización de la presente divulgación, se proporciona el embalaje para una batería secundaria flexible tal como se define en la primera o segunda realización, en donde la lámina de óxido de grafeno reducido tiene una estructura de una a tres capas de partículas de óxido de grafeno reducido.
En una tercera realización de la presente divulgación, se proporciona el embalaje para una batería secundaria flexible tal como se define en la primera o segunda realización, en donde la lámina de óxido de grafeno reducido tiene un grosor que oscila desde 0,002 hasta 10 pm.
En una cuarta realización de la presente divulgación, se proporciona el embalaje para una batería secundaria flexible tal como se define en una cualquiera de las realizaciones primera a quinta, que comprende además una capa adhesiva entre las capas.
En una quinta realización de la presente divulgación, se proporciona el embalaje para una batería secundaria flexible tal como se define en la primera realización, en donde la capa termorretráctil está modificada superficialmente para modificar la superficie de la capa termorretráctil que tiene una superficie hidrófoba para que sea hidrófila realizando un tratamiento con UV-ozono, un tratamiento de superficie con plasma usando oxígeno a nitrógeno, un tratamiento químico usando un agente de acoplamiento de silano, o un recubrimiento de superficie usando polímero o un compuesto orgánico.
En una sexta realización de la presente divulgación, se proporciona el embalaje para una batería secundaria flexible tal como se define en la primera realización, en donde la capa de óxido de grafeno reducido tiene un grosor que oscila desde 20 nm hasta 100 pm.
En una séptima realización de la presente divulgación, se proporciona el embalaje para una batería secundaria flexible tal como se define en la primera realización, en donde las láminas de óxido de grafeno reducido tienen un espaciado entre capas que oscila desde 0,3 nm hasta 5,0 nm.
En una octava realización de la presente divulgación, se proporciona un método para fabricar un embalaje para una batería secundaria flexible que se envuelve alrededor de una superficie exterior de un conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible, tal como se define en la reivindicación 8.
En una novena realización de la presente divulgación, se proporciona el método para fabricar un embalaje para una batería secundaria flexible tal como se define en la octava realización, en donde la capa de óxido de grafeno se reduce con ácido yodhídrico o vitamina C.
En una décima realización de la presente divulgación, se proporciona una batería secundaria flexible que comprende un conjunto de electrodos; y el embalaje para una batería secundaria flexible según la primera realización, en donde el embalaje para una batería secundaria flexible se envuelve alrededor de una superficie exterior del conjunto de electrodos.
Efectos ventajosos
El embalaje para una batería secundaria flexible según la presente divulgación comprende además una capa de óxido de grafeno reducido sobre una capa termorretráctil que tiene forma de película o tubo, y la capa de óxido de grafeno reducido bloquea el paso a través del cual ingresa vapor y/o gas de manera muy eficaz debido a la interacción electrostática entre láminas de óxido de grafeno reducido de la capa de óxido de grafeno reducido. Particularmente, el efecto descrito anteriormente de bloquear de manera muy eficaz el paso a través del cual ingresan el vapor y el gas no se puede esperar de una capa de óxido de grafeno reducido que se forma simplemente con una estructura de capas de láminas de óxido de grafeno reducido sin unión física o química entre láminas de óxido de grafeno reducido adyacentes en la capa de óxido de grafeno reducido. El motivo es que cuando se usa óxido de grafeno o el propio óxido de grafeno reducido en una película de embalaje, es imposible evitar la entrada de vapor y gas debido a la presencia de unas pocas monocapas de agua en una capa intermedia de óxido de grafeno.
Además, el embalaje para una batería secundaria flexible no usa una capa de metal tal como aluminio, lo que hace que la batería secundaria flexible finalmente terminada sea flexible, reduciendo así las tensiones que se producen cuando se dobla la batería secundaria flexible.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama que muestra la estructura de una realización de una batería secundaria flexible general. La figura 2 es una vista esquemática en perspectiva de un embalaje de tipo tubo para una batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
La figura 3 es una vista esquemática en sección transversal de una película que constituye un embalaje para una batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
La figura 4 es una vista esquemática en sección transversal de una película que constituye un embalaje para una batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
La figura 5 es una vista esquemática en sección transversal de una película que constituye un embalaje para una batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
La figura 6 es una vista esquemática en sección transversal interna de una capa de óxido de grafeno reducido según una realización de la presente divulgación.
Mejor modo
A continuación en el presente documento, se describirá en detalle la presente divulgación. Debe entenderse que los términos o expresiones usados en la memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas no deben interpretarse como limitados a significados generales y de diccionario, sino que deben interpretarse basándose en los significados y conceptos correspondientes a los aspectos técnicos de la presente divulgación basándose en el principio de que el inventor puede definir los términos apropiadamente para la mejor explicación. Por tanto, las realizaciones descritas en el presente documento y la ilustración en los dibujos son sólo una realización más preferida de la presente divulgación, y no se pretende que describan completamente los aspectos técnicos de la presente divulgación, por lo que debe entenderse que podrían realizarse otros equivalentes y modificaciones a la misma en el momento en que se presentó la solicitud.
Se entenderá que cuando se hace referencia a que un elemento está “conectado a” otro elemento, puede estar “conectado directamente a” el otro elemento y puede estar “conectado eléctricamente” al otro elemento con elementos intermedios interpuestos entre ellos.
Se entenderá que cuando se hace referencia a que un elemento está dispuesto “sobre”, “sobre un lado de” o “sobre el otro lado de” otro elemento, puede estar colocado en contacto con una superficie del otro elemento o con una capa adhesiva interpuesta entre los dos elementos, y pueden estar presentes elementos intermedios.
Cuando se usa en esta memoria descriptiva, “comprender” especifica la presencia de los elementos establecidos, pero no excluye la presencia o adición de uno o más elementos adicionales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entenderá que “aproximadamente” se usa en el presente documento en el sentido de en, o casi en, cuando se dan las tolerancias de fabricación y de material inherentes a las circunstancias indicadas y se usa para impedir que el infractor inescrupuloso se aproveche injustamente de la divulgación cuando se indican cifras exactas o absolutas como ayuda para comprender la presente divulgación.
Cuando se usa en esta memoria descriptiva, “A y/o B” especifica “o bien A o bien B, o ambos”.
Cuando se usa en esta memoria descriptiva, “grafeno” se refiere a la forma de una pluralidad de átomos de carbono unidos entre sí por enlaces covalentes para formar una molécula aromática policíclica. Los átomos de carbono unidos entre sí por enlaces covalentes forman anillos de seis miembros como unidades repetidas, pero pueden incluir además anillos de cinco miembros y/o anillos de siete miembros. Por consiguiente, una lámina de grafeno puede tener la forma de una sola capa de átomos de carbono unidos covalentemente, pero no se limita a eso. La lámina de grafeno puede tener diversas estructuras, y estas estructuras pueden diferir dependiendo del número de anillos de cinco miembros y/o anillos de siete miembros que puedan estar incluidos en el grafeno. Además, cuando la lámina de grafeno es de una sola capa, las láminas de grafeno pueden apilarse para formar múltiples capas, y la lámina de grafeno puede estar saturada con átomos de hidrógeno en el borde de la parte lateral, pero no se limita a eso.
Cuando se usa en esta memoria descriptiva, el término “óxido de grafeno” puede abreviarse como “GO”. El óxido de grafeno puede incluir una estructura en la que un grupo funcional que contiene oxígeno, tal como un grupo carboxilo, un grupo hidroxilo o un grupo epoxi, está unido a una sola capa de grafeno, pero no se limita a eso.
Cuando se usa en esta memoria descriptiva, “óxido de grafeno reducido” se refiere a óxido de grafeno que tiene un contenido de oxígeno reducido por reducción, y puede abreviarse como “rGO”, pero no se limita a eso. En un ejemplo no limitativo, el contenido de oxígeno en el óxido de grafeno reducido puede ser del 0,01 al 30 % at. basándose en 100 % at. de carbono, pero no se limita a eso.
En la presente divulgación, la capa termorretráctil puede tener forma de película o tubo.
Cuando la capa termorretráctil tiene forma de película, la capa termorretráctil puede apilarse con otras capas, tales como la capa de soporte mecánico, la capa de óxido de grafeno reducido y la capa selladora, y luego envolverse alrededor del conjunto de electrodos para formar un embalaje de tipo tubo.
Cuando la capa termorretráctil tiene forma de tubo, las otras capas, tales como la capa de soporte mecánico, la capa de óxido de grafeno reducido y la capa selladora, pueden aplicarse al lado interior o exterior del tubo para formar un embalaje de tipo tubo.
Preferiblemente, el procesamiento termorretráctil se realiza en la capa termorretráctil a baja temperatura para evitar daño térmico a la batería secundaria, y generalmente, es necesario completar el procesamiento termorretráctil a una temperatura de 70 a 200 °C, o de 70 a 150 °C, más preferiblemente de 100 a 150 °C, incluso más preferiblemente de 70 a 120 °C. Para ello, la capa termorretráctil puede estar formada por un polímero modificado de al menos uno seleccionado del grupo que consiste en poliolefina tales como polietileno y polipropileno, poliésteres tales como poli(tereftalato de etileno), fluororresina tales como poli(fluoruro de vinilideno), politetrafluoroetileno y poli(cloruro de vinilo).
La capa termorretráctil puede tener un grosor que oscila desde 1 pm hasta 1000 pm, o desde 10 pm hasta 500 pm, o desde 30 pm hasta 250 pm para reducir la distancia entre el electrodo y la carcasa y garantizar la flexibilidad. La capa termorretráctil puede modificarse opcionalmente para hacer que la superficie sea hidrófila mediante tratamiento con plasma de oxígeno o nitrógeno. Para formar una capa de óxido de grafeno reducido sobre la capa termorretráctil, en primer lugar, al formar una capa de óxido de grafeno sobre la capa termorretráctil, en caso de que la capa termorretráctil tenga una superficie hidrófoba, se genera energía superficial debido a una diferencia entre la hidrofobia de la superficie de la capa termorretráctil y la hidrofilia del óxido de grafeno y, como resultado, puede ser difícil lograr un recubrimiento uniforme de la capa de óxido de grafeno sobre una superficie de la capa termorretráctil. Para controlar esto, puede realizarse una modificación de la superficie para modificar la superficie de la capa termorretráctil que tiene la superficie hidrófoba para que sea hidrófila. La modificación de la superficie puede realizarse mediante tratamiento con UV-ozono, tratamiento de superficie con plasma usando oxígeno o nitrógeno, tratamiento químico usando un agente de acoplamiento de silano tal como aminosilano, o recubrimiento de superficie usando un polímero o un compuesto orgánico, pero no se limita a eso. Puede determinarse si la energía superficial de la capa de óxido de grafeno y la energía superficial de la capa termorretráctil modificada tienen valores iguales o similares midiendo el ángulo de contacto de una gota de agua de cada capa.
Según una realización particular de la presente divulgación, tal como se describió anteriormente, puede usarse un tubo termorretráctil como capa termorretráctil. En la memoria descriptiva, el “tubo termorretráctil” es un tubo que se contrae cuando se calienta y se refiere a un material que envuelve herméticamente un terminal u otro material de una forma o tamaño diferente. En la presente divulgación, después de insertar el conjunto de electrodos en el tubo termorretráctil, cuando se aplica calor, el tubo termorretráctil se calienta y, a medida que se contrae, el tubo termorretráctil embala firmemente la superficie exterior del conjunto de electrodos. A través del embalaje hermético, puede mejorarse mucho el rendimiento de la barrera frente al vapor del embalaje y, al mismo tiempo, puede obtenerse el efecto de aislamiento a través del tubo termorretráctil. Están disponibles comercialmente tubos termorretráctiles de diversos materiales y formas. Una realización de la presente divulgación puede proporcionar un nuevo embalaje que comprende un tubo termorretráctil disponible comercialmente y una capa adicional.
La capa de óxido de grafeno reducido puede disponerse sobre una superficie o dos superficies de la capa termorretráctil. En más detalle, cuando el tubo termorretráctil se usa como capa termorretráctil y la capa de óxido de grafeno reducido se dispone sobre una superficie de la capa termorretráctil, la capa de óxido de grafeno reducido puede disponerse sobre la superficie interior o exterior del tubo termorretráctil.
La capa de óxido de grafeno reducido es un componente que imparte un efecto de prevención del ingreso de vapor y/o gas al embalaje para una batería secundaria flexible según la presente divulgación. El efecto de barrera puede depender de factores tales como el grosor de la capa de óxido de grafeno y el grado de alineación del óxido de grafeno, y estos pueden estar determinados por condiciones del procedimiento para producir óxido de grafeno reducido. Las condiciones del procedimiento pueden incluir, pero no se limitan a, la pureza del óxido de grafeno, la concentración de una composición de dispersión de óxido de grafeno, el tiempo de recubrimiento, el número de recubrimientos, la tasa de evaporación de un medio de dispersión después del recubrimiento y la presencia o ausencia de una fuerza de corte.
Al observar una vista esquemática en sección transversal de la capa 230 de óxido de grafeno reducido según la presente divulgación con referencia a la figura 6, las partículas 2310 de óxido de grafeno reducido están apiladas para formar una lámina 2320 de óxido de grafeno reducido, y una pluralidad de láminas 2320 de óxido de grafeno reducido forman una capa de óxido de grafeno reducido, y en este caso, las láminas 2320 de óxido de grafeno reducido forman una interacción 2330 electrostática con láminas de óxido de grafeno reducido adyacentes por medio de un catión de metal.
Debe entenderse que el término “interacción electrostática” tal como se usa en el presente documento incluye el enlace iónico.
En más detalle, el catión de metal forma una interacción electrostática con grupos funcionales de oxígeno en el borde de las partículas de óxido de grafeno reducido. Dado que el grupo funcional de oxígeno tiene carga (-) y el catión de metal tiene carga (+), para una fuerza de atracción suficiente por interacción electrostática entre dos o más partículas de óxido de grafeno reducido, el catión tiene preferiblemente un número de oxidación de 2+ o más. Además, la fuerza de atracción entre el catión de metal y las partículas de óxido de grafeno reducido es la interacción que tiene lugar en el borde de las partículas de óxido de grafeno reducido y, por tanto, se mantiene un espaciado entre las láminas de óxido de grafeno reducido en el plano basal.
Según una realización particular de la presente divulgación, la lámina de óxido de grafeno reducido puede tener una estructura de una a tres capas de partículas de óxido de grafeno reducido, por ejemplo, partículas laminares de óxido de grafeno reducido. El número de apilamientos de óxido de grafeno reducido se establece antes de la reacción de reducción del óxido de grafeno. En general, el óxido de grafeno se sintetiza mediante la oxidación del grafito y luego la dispersión ultrasónica, y la estructura de capas de partículas de óxido de grafeno puede ajustarse ajustando el nivel de oxidación del grafito en la etapa de oxidación del grafito. Cuando la estructura de capas de partículas de óxido de grafeno reducido es la misma que la descrita anteriormente, es posible reducir significativamente la probabilidad de que puedan producirse defectos durante el recubrimiento del óxido de grafeno reducido y mejorar las propiedades mecánicas de la capa de óxido de grafeno reducido formada.
Según una realización particular de la presente divulgación, la lámina de óxido de grafeno reducido puede tener un grosor que oscila desde 0,002 hasta 10 pm, o desde 0,005 hasta 1 pm, o desde 0,01 hasta 0,1 pm. Cuando la lámina de óxido de grafeno reducido tiene el intervalo de grosor descrito anteriormente, es posible lograr propiedades mecánicas flexibles y una barrera frente al vapor efectiva.
En la presente divulgación, para un espaciado entre capas muy pequeño, es deseable usar óxido de grafeno que tenga un nivel de pureza predeterminado o superior. Por ejemplo, puede usarse óxido de grafeno con una pureza del 93% o superior, o del 97,5% o superior, o del 99,5% o superior. En relación con esto, en la memoria descriptiva, “pureza” se refiere a una razón del peso de óxido de grafeno con respecto al peso total de óxido de grafeno y el residuo de metal.
Según la presente invención, un catión de metal de la sal de metal es al menos uno de Li+, K+, Ag+, Mg2+, Ca2+, Cu2+, Pb2+, Co2+, Al3+, Cr3+ y Fe3+. Entre los cationes de metal a modo de ejemplo, el catión de metal Al3+, Cr3+ o Fe3+ es especialmente deseable ya que puede ejercer eficazmente una fuerza de atracción electrostática debido a su alto número de oxidación. Un anión que forma la sal de metal con el catión de metal puede incluir, sin limitación, cualquier tipo que sirva al propósito de la presente divulgación, y los ejemplos no limitativos pueden incluir Cl-, NO3-o SO42-.
Según una realización particular de la presente divulgación, la sal de metal se añade al medio de dispersión en una cantidad del 0,01 al 10 % en peso o la sal de metal puede añadirse al medio de dispersión en una cantidad del 0,01 al 1 % en peso basándose en el peso de las partículas de óxido de grafeno. Cuando la sal de metal está presente en el intervalo de cantidades descrito anteriormente, es posible evitar que se formen partículas de metal y que se cree un espacio a escala nanométrica entre las láminas de grafeno reducido debido al exceso de cationes de metal, y formar una interacción electrostática adecuada.
Según una realización particular de la presente divulgación, la composición de dispersión puede incluir óxido de grafeno en una cantidad de aproximadamente 0,0001 partes en peso a aproximadamente 0,01 partes en peso basándose en 100 partes en peso del medio de dispersión. Dentro del intervalo descrito anteriormente, cuando el óxido de grafeno está presente en una cantidad de 0,0001 partes en peso o más, es posible inducir la alineación del óxido de grafeno al formar la capa de óxido de grafeno, y cuando el óxido de grafeno está presente en una cantidad de 0,01 partes en peso o menos, es posible lograr una buena dispersión. Por ejemplo, la composición de dispersión de óxido de grafeno puede incluir óxido de grafeno en una cantidad de aproximadamente 0,0001 partes en peso a aproximadamente 0,01 partes en peso, de aproximadamente 0,0004 partes en peso a aproximadamente 0,01 partes en peso, o de aproximadamente 0,0004 partes en peso a aproximadamente 0,008 partes en peso basándose en 100 partes en peso del medio de dispersión, pero no se limita a eso.
La dispersión puede usar un generador ultrasónico, tal como un dispositivo de dispersión ultrasónica, pero no se limita a eso.
Según una realización particular de la presente divulgación, la composición de dispersión de óxido de grafeno puede incluir además un disolvente orgánico para permitir la dispersión del óxido de grafeno. Los ejemplos no limitativos del disolvente orgánico pueden incluir, pero no se limitan a, alcohol, dimetilformamida (DMF), dimetilsulfóxido (DMSO), N-metilpirrolidona, metilfenol, cresol, o una combinación de los mismos. La composición de dispersión de óxido de grafeno puede incluir además aproximadamente el 100 % en volumen o menos del disolvente orgánico para permitir la dispersión del óxido de grafeno basándose en el 100 % en volumen del medio de dispersión. Por ejemplo, la composición de dispersión de óxido de grafeno puede incluir además el disolvente orgánico para permitir la dispersión del óxido de grafeno, en una cantidad de aproximadamente el 1 % en volumen a aproximadamente el 100 % en volumen, de aproximadamente el 20 % en volumen a aproximadamente el 80 % en volumen, o de aproximadamente el 40 % en volumen a aproximadamente el 60 % en volumen basándose en el 100 % en volumen del medio de dispersión, pero no se limita a eso.
La capa de óxido de grafeno reducido puede obtenerse aplicando óxido de grafeno a una superficie de la película termorretráctil o a la superficie interior o exterior del tubo termorretráctil para formar una capa de óxido de grafeno y reduciendo la capa de óxido de grafeno.
Los ejemplos no limitativos de aplicación de óxido de grafeno a una superficie de la película termorretráctil pueden incluir, pero no se limitan a, un método de laminación.
Los ejemplos no limitativos de aplicación de óxido de grafeno al tubo termorretráctil pueden incluir, pero no se limitan a, flujo de gas/aire, pulverización y electropulverización.
En una realización, cuando se aplica óxido de grafeno a la superficie interior del tubo termorretráctil, puede seleccionarse el método de flujo de gas/aire.
En otra realización, cuando se aplica óxido de grafeno a la superficie interior del tubo termorretráctil, pueden seleccionarse los métodos de pulverización y electropulverización. Su método no limitativo puede incluir mezclar una dispersión de óxido de grafeno con un líquido volátil tal como etanol o isopropanol (IPA) en una razón predeterminada y pulverizar la mezcla junto con gas nitrógeno o argón para formar una película delgada de óxido de grafeno. En este caso, la presión de pulverización de gas puede ser de 0,1 a 20 bar, la velocidad de pulverización de dispersión puede establecerse entre 0,1 ml/min y 100 ml/min, y la distancia entre una boquilla de pulverización y un medio que va a recubrirse puede ser de 1 cm a 50 cm.
La composición de dispersión de óxido de grafeno puede recubrirse sobre una superficie, por ejemplo, la superficie exterior del tubo termorretráctil.
Para beneficiar el rendimiento de la barrera frente al vapor cuando la capa de óxido de grafeno seco tiene un grosor de 20 nm o más y las propiedades mecánicas cuando la capa de óxido de grafeno seco tiene un grosor de 100 pm o menos, la capa de óxido de grafeno seco puede tener un grosor que oscila desde 20 nm hasta 30 pm, o desde 100 nm hasta 10 pm, o desde 500 nm hasta 5 pm.
La capa de óxido de grafeno obtenida puede experimentar una reducción para maximizar la propiedad de barrera frente al vapor de la película de barrera frente al vapor, para formar una capa de óxido de grafeno reducido.
Para la reducción puede usarse un método de reducción que usa ácido yodhídrico (HI) o un método de reducción que usa vitamina C.
En el caso del método de reducción que usa ácido yodhídrico, la capa de óxido de grafeno reducido puede obtenerse mediante las etapas de ensamblar un recipiente que contiene una disolución de ácido yodhídrico y la capa de óxido de grafeno formada en un espacio que se sella, por ejemplo, una placa de Petri de vidrio, realizar un tratamiento térmico a una temperatura de entre 10 °C y 100 °C durante de 1 minuto a 1 hora para evaporar el ácido yodhídrico, y mantener el ácido yodhídrico evaporado y la capa de óxido de grafeno durante de 2 minutos a 3 horas para convertir la capa de óxido de grafeno en óxido de grafeno reducido.
Alternativamente, la capa de óxido de grafeno reducido puede obtenerse mediante las etapas de sumergir la capa de óxido de grafeno formada en una disolución de ácido yodhídrico de 10 a 100 °C, por ejemplo, 90 °C, por ejemplo, durante 12 horas o más para convertir la capa de óxido de grafeno en óxido de grafeno reducido, y lavar la capa de óxido de grafeno reducido con agua destilada. La capa de óxido de grafeno reducido obtenida puede lavarse con etanol. El secado puede realizarse a temperatura ambiente, por ejemplo, de 23 a 25°C, y en un ejemplo no limitativo, 25°C.
En el caso del método de reducción que usa vitamina C, la capa de óxido de grafeno reducido puede formarse mediante las etapas de disolver, por ejemplo, ácido ascórbico en agua destilada para preparar una disolución de ácido ascórbico a una concentración de 0,01 mg/ml a 5 mg/ml, o de 0,05 mg/ml a 0,3 mg/ml; y sumergir la capa de óxido de grafeno en la disolución de ácido ascórbico que tiene una temperatura que oscila desde 25 hasta 90 °C para reducir la capa de óxido de grafeno.
Las láminas de óxido de grafeno reducido obtenidas pueden tener una estructura que puede bloquear la entrada de vapor y/o gas, y pueden tener un espaciado entre capas que oscila, por ejemplo, desde 0,3 nm hasta 5,0 nm, o desde 0,3 nm hasta 0,7 nm.
El “espaciado entre capas”, tal como se usa en el presente documento, se refiere a un espaciado entre las láminas de óxido de grafeno reducido, es decir, la distancia entre las láminas de óxido de grafeno reducido.
A diferencia de la presente divulgación, en caso de que no haya interacción electrostática entre las láminas de óxido de grafeno reducido de la capa de óxido de grafeno reducido, no existe un conector químico y/o físico entre las láminas de óxido de grafeno reducido y se puede desarrollar un defecto en la barrera frente al vapor. Como consecuencia, las partículas de agua pasan a través de las láminas de óxido de grafeno reducido, lo que provoca un rendimiento degradado de la batería embalada con la película para embalar una batería secundaria que incluye la capa de óxido de grafeno reducido.
La capa de soporte mecánico sirve para evitar que la capa de óxido de grafeno reducido se dañe por tensiones o impactos externos, y puede usar, sin limitación, cualquier tipo de material que tenga propiedades mecánicas suficientes para evitar que la capa de óxido de grafeno reducido se dañe por tensiones o impactos externos, y puede formarse sobre el lado exterior del óxido de grafeno reducido.
Los ejemplos no limitativos del material del cual está elaborada la capa de soporte mecánico pueden incluir, pero no se limitan a, al menos uno seleccionado del grupo que consiste en poliolefina tal como polietileno de alta densidad, polietileno de baja densidad, polietileno lineal de baja densidad, polietileno y polipropileno de peso molecular ultra alto; poliéster tal como poli(tereftalato de etileno) y poli(tereftalato de butileno); poliacetal; poliamida; policarbonato; poliimida; fluoropolímero tal como poli(fluoruro de vinilideno); polieteretercetona; polietersulfona; poli(óxido de fenileno); poli(sulfuro de fenileno); y poli(naftalato de etileno).
La capa selladora se forma en un lugar en el que la capa selladora entra en contacto con la superficie exterior del conjunto de electrodos. Por ejemplo, la capa selladora puede disponerse en el lado más interno del embalaje de tipo tubo para una batería secundaria flexible.
La capa selladora tiene una propiedad térmicamente adhesiva o una propiedad de fusión en caliente que hace que se adhiera mediante calor, y cada una puede incluir independientemente al menos uno seleccionado del grupo que consiste en copolímero de polipropileno-ácido acrílico, copolímero de polietileno-ácido acrílico, cloruro de polipropileno, terpolímero de polipropileno-butileno-etileno, polipropileno, polietileno y copolímero de etilenopropileno.
Además, la fuerza adhesiva entre la capa de soporte mecánico y la capa de óxido de grafeno reducido, entre la capa de óxido de grafeno reducido y la capa termorretráctil, y entre la capa de óxido de grafeno reducido y la capa selladora puede ser insuficiente. Por tanto, el embalaje para una batería secundaria flexible puede incluir además una capa adhesiva entre las capas enfrentadas entre sí. Gracias a esto, pueden mejorarse adicionalmente las propiedades adhesivas y la propiedad de barrera frente al vapor. El material de la capa adhesiva puede incluir, pero no se limita a, por ejemplo, un material a base de uretano, un material acrílico y una composición que contiene elastómero termoplástico.
Al describir una realización de la presente divulgación en más detalle, en una realización de un embalaje para una batería secundaria flexible que se envuelve alrededor de una superficie exterior de un conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible, el embalaje para la batería secundaria flexible tiene la forma de un tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos, y comprende una capa de soporte mecánico; una capa de óxido de grafeno reducido (rGO) dispuesta sobre la capa de soporte mecánico, e que incluye una pluralidad de láminas de óxido de grafeno reducido; una capa termorretráctil dispuesta sobre la capa de óxido de grafeno reducido; y una capa selladora dispuesta sobre la capa termorretráctil, en donde la pluralidad de láminas de óxido de grafeno reducido en la capa de óxido de grafeno reducido forma una interacción electrostática entre láminas de óxido de grafeno reducido adyacentes.
La figura 2 muestra una realización de un embalaje de tipo tubo para una batería secundaria flexible, y las figuras 3 a 5 muestran en detalle una película en sección transversal tomada a lo largo de la línea A-A' de la figura 2.
Con referencia a la figura 3, el embalaje para una batería secundaria flexible según la realización descrita anteriormente puede incluir una capa 310 de soporte mecánico, una capa 320 de óxido de grafeno reducido dispuesta sobre la capa 310 de soporte mecánico, una capa 330 termorretráctil dispuesta sobre la capa 320 de óxido de grafeno reducido y una capa 340 selladora dispuesta sobre la capa 330 termorretráctil en un orden secuencial en la dirección del grosor. La capa 310 de soporte mecánico está dispuesta orientada hacia el exterior del embalaje para una batería secundaria flexible, y la capa 340 selladora está dispuesta orientada hacia el interior del embalaje para una batería secundaria flexible. Además, el embalaje para una batería secundaria flexible puede incluir además una capa adhesiva sobre al menos una de las capas descritas anteriormente.
En otra realización de un embalaje para una batería secundaria flexible que se envuelve alrededor de la superficie exterior de un conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible, se proporciona el embalaje para una batería secundaria flexible que comprende una capa termorretráctil; una capa de óxido de grafeno reducido dispuesta sobre la capa termorretráctil y que incluye una pluralidad de láminas de óxido de grafeno reducido; y una capa selladora dispuesta sobre la capa de óxido de grafeno reducido, en donde las láminas de óxido de grafeno reducido de la capa de óxido de grafeno reducido forman una interacción electrostática entre láminas de óxido de grafeno reducido adyacentes, y el embalaje para una batería secundaria flexible tiene la forma de un tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos.
Con referencia a la figura 4, el embalaje para una batería secundaria flexible según la realización descrita anteriormente puede incluir una capa 430 termorretráctil, una capa 420 de óxido de grafeno reducido dispuesta sobre un lado de la capa 430 termorretráctil y una capa 440 selladora dispuesta sobre el otro lado de la capa 420 de óxido de grafeno reducido en un orden secuencial en la dirección del grosor. La capa 430 termorretráctil está dispuesta orientada hacia el exterior del embalaje para una batería secundaria flexible, y la capa 440 selladora está dispuesta orientada hacia el interior del embalaje para una batería secundaria flexible. Además, el embalaje para una batería secundaria flexible puede incluir además una capa adhesiva sobre al menos una de las capas descritas anteriormente.
En todavía otra realización de un embalaje para una batería secundaria flexible que se envuelve alrededor de la superficie exterior de un conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible, se proporciona el embalaje para una batería secundaria flexible que comprende una capa de soporte mecánico; una capa de óxido de grafeno reducido dispuesta sobre la capa de soporte mecánico e que incluye una pluralidad de láminas de óxido de grafeno reducido; una capa termorretráctil dispuesta sobre la capa de óxido de grafeno reducido; una capa de óxido de grafeno reducido dispuesta sobre la capa termorretráctil; y una capa selladora dispuesta sobre la capa de óxido de grafeno reducido, en donde las láminas de óxido de grafeno reducido de la capa de óxido de grafeno reducido forman una interacción electrostática entre láminas de óxido de grafeno reducido adyacentes, y el embalaje para una batería secundaria flexible tiene la forma de un tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos.
Con referencia a la figura 5, el embalaje para una batería secundaria flexible según la realización descrita anteriormente puede incluir una capa 510 de soporte mecánico, una capa 520 de óxido de grafeno reducido dispuesta sobre la capa 510 de soporte mecánico e que incluye una pluralidad de láminas de óxido de grafeno reducido, una capa 530 termorretráctil dispuesta sobre la capa 520 de óxido de grafeno reducido, otra capa 520' de óxido de grafeno reducido dispuesta sobre la capa 530 termorretráctil y una capa 540 selladora dispuesta sobre la capa 520' de óxido de grafeno reducido en un orden secuencial en la dirección del grosor. La capa 510 de soporte mecánico está dispuesta orientada hacia el exterior del embalaje para una batería secundaria flexible, y la capa 540 selladora está dispuesta orientada hacia el interior del embalaje para una batería secundaria flexible. Además, el embalaje para una batería secundaria flexible puede incluir además una capa adhesiva sobre al menos una de las capas descritas anteriormente.
Según una realización particular de la presente divulgación, puede proporcionarse un embalaje para una batería secundaria flexible en el que un apilamiento que comprende 'la capa de soporte mecánico, la capa de óxido de grafeno reducido (rGO), la capa termorretráctil y la capa selladora' o un apilamiento que comprende 'la capa termorretráctil, la capa de óxido de grafeno reducido y la capa selladora' se forma en forma de tubo.
El apilamiento puede formarse en forma de tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos según las dos realizaciones siguientes.
En una realización, la capa selladora formada sobre una superficie en un extremo del apilamiento puede estar dispuesta sobre la capa más externa de tipo tubo, por ejemplo, la capa de soporte mecánico o la capa termorretráctil, de manera que se superpongan.
Alternativamente, en otra realización, la capa selladora formada sobre una superficie en un extremo del apilamiento y la capa selladora formada sobre una superficie en el otro extremo del apilamiento pueden disponerse orientadas una hacia otra de modo que se adhieran entre sí. En este caso, las partes adheridas pueden formar un ala, y el ala puede doblarse en una dirección a lo largo de la superficie periférica exterior de la capa más externa.
Según la presente divulgación, se proporciona una batería secundaria flexible que comprende el embalaje para una batería secundaria flexible.
La batería secundaria flexible embalada según la presente divulgación comprende un conjunto de electrodos que tiene una sección transversal horizontal de una forma predeterminada y se extiende en la dirección longitudinal, en donde el conjunto de electrodos comprende un electrodo interior, una capa de separación formada alrededor del electrodo interior para evitar un cortocircuito del electrodo, y un electrodo externo formado alrededor de la superficie exterior de la capa de separación; y el embalaje para una batería secundaria flexible según la presente divulgación está envuelto firmemente alrededor de toda la superficie exterior del conjunto de electrodos.
En la presente divulgación, la “forma predeterminada” no se limita a una forma particular, y puede incluir cualquier forma sin apartarse de la naturaleza de la presente divulgación. La sección transversal horizontal de la forma predeterminada puede ser circular o poligonal, y la estructura circular es una estructura circular de simetría geométricamente perfecta y una estructura ovalada de asimetría. La estructura poligonal no se limita a una forma particular, y los ejemplos no limitativos de la estructura poligonal pueden incluir una forma triangular, una forma cuadrilátera, una forma pentagonal o una forma hexagonal.
La batería secundaria flexible de la presente divulgación tiene la sección transversal horizontal de la forma predeterminada y una estructura lineal que se alarga en la dirección longitudinal de la sección transversal horizontal, y es tan flexible que puede cambiar de forma libremente.
En la presente divulgación, el electrodo interior del conjunto de electrodos puede incluir un núcleo de suministro de iones de litio que incluye un electrolito, un colector de corriente interno de una estructura abierta formada alrededor de la superficie exterior del núcleo de suministro de iones de litio y una capa de material activo de electrodo interior formada sobre la superficie del colector de corriente interno.
La estructura abierta se refiere a una estructura que tiene una superficie límite abierta a través de la cual una sustancia puede transferirse libremente desde el interior de la estructura hasta el exterior de la misma.
El núcleo de suministro de iones de litio puede incluir un electrolito, y el electrolito no se limita a un tipo particular y puede incluir un electrolito no acuoso que usa carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de butileno (BC), carbonato de vinileno (VC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de etilo y metilo (EMC), formiato de metilo (MF), Y-butirolactona (<y>-BL), sulfolano, acetato de metilo (MA) o propionato de metilo (MP); un electrolito de polímero en gel que usa PEO, PVdF, PMMA, PAN o PVAC; o un electrolito sólido que usa PEO, poli(óxido de propileno) (PPO), polietilenimina (PEI), poli(sulfuro de etileno) (PES) o poli(acetato de vinilo) (PVAc). Además, el electrolito puede incluir además una sal de litio y, preferiblemente, la sal de litio puede incluir LiCl, LiBr, Lil, LiClO4, LiBF4, LiBioClio, LiPFa, UCF3SO3, UCF3CO2, LiAsFa, LiSbFa, LiAlCk CH3SO3U, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, cloroborano de litio, ácido carboxílico alifático inferior de litio y tetrafenilborato de litio. Además, el núcleo de suministro de iones de litio puede incluir el electrolito solo y, en el caso de un electrolito líquido, el núcleo de suministro de iones de litio puede incluir un portador poroso.
El colector de corriente interno de la presente divulgación puede tener una estructura abierta que permita la penetración del electrolito del núcleo de suministro de iones de litio, y la estructura abierta puede incluir cualquier tipo de estructura que permita la penetración del electrolito.
Preferiblemente, el colector de corriente interno puede fabricarse usando acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbono sinterizado, cobre o acero inoxidable tratado con carbono, níquel, titanio o plata sobre la superficie, aleación de aluminio-cadmio, polímero no conductor que tiene la superficie tratada con un material conductor, o polímero conductor.
El colector de corriente sirve para recoger electrones producidos por la reacción electroquímica del material activo o suministrar electrones necesarios para la reacción electroquímica, y generalmente se usa un metal como el cobre o el aluminio. En particular, cuando se usa un conductor de polímero hecho de polímero no conductor que tiene la superficie tratada con un material conductor o polímero conductor, la flexibilidad es mayor que cuando se usa un metal como el cobre o el aluminio. Además, es posible lograr una reducción de peso de la batería reemplazando el colector de corriente de metal por un colector de corriente de polímero.
El material conductor puede incluir poliacetileno, polianilina, polipirrol, politiofeno y poli(nitruro de azufre), óxido de indio y estaño (ITO), plata, paladio y níquel, y el polímero conductor puede incluir poliacetileno, polianilina, polipirrol, politiofeno y poli(nitruro de azufre). El polímero no conductor usado en el colector de corriente no se limita a un tipo particular.
La capa de material activo de electrodo interior de la presente divulgación está formada sobre la superficie del colector de corriente interno. En este caso, la capa de material activo de electrodo interior puede formarse alrededor de la superficie exterior del colector de corriente interno de manera que la estructura abierta del colector de corriente interno no esté expuesta a la superficie exterior de la capa de material activo de electrodo interior, y la capa de material activo de electrodo interior puede formarse sobre la superficie de la estructura abierta del colector de corriente interno de modo que la estructura abierta del colector de corriente interno esté expuesta a la superficie exterior de la capa de material activo de electrodo interior. Por ejemplo, puede formarse una capa de material activo sobre la superficie de un colector de corriente de tipo alambre enrollado, y puede enrollarse un colector de corriente de tipo alambre que tenga una capa de material activo de electrodo.
El colector de corriente externo de la presente divulgación no se limita a un tipo particular, sino que puede incluir un colector de corriente de tipo tubería, un colector de corriente de tipo alambre enrollado o un colector de corriente de tipo malla. Además, el colector de corriente externo puede estar elaborado de acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbono sinterizado, cobre; acero inoxidable tratado con carbono, níquel, titanio o plata en la superficie; aleación de aluminio-cadmio; polímero no conductor que tiene la superficie tratada con un material conductor; polímero conductor; una pasta de metal que incluye polvo de metal de Ni, Al, Au, Ag, Al, Pd/Ag, Cr, Ta, Cu, Ba o ITO; o una pasta de carbono que incluye polvo de carbono de grafito, negro de carbono o nanotubos de carbono. El electrodo interior puede ser un electrodo negativo o positivo, y el electrodo externo puede ser un electrodo positivo o negativo opuesto al electrodo interior.
La capa de material activo de electrodo de la presente divulgación permite que los iones se muevan a través del colector de corriente, y el movimiento de iones se realiza mediante la interacción a través de la intercalación y desintercalación de iones en/a partir de una capa de electrolito. La capa de material activo de electrodo puede incluir grafito natural, grafito artificial, un material carbonoso; óxido compuesto de titanio que contiene litio (lTo ); metales (Me) incluyendo Si, Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni o Fe; aleaciones de los metales (Me); óxido (MeOx) de los metales (Me); y material compuesto de los metales (Me) y carbono. La capa de material activo de electrodo positivo puede incluir LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 y LiNh-x-y-zCoxM1yM2zO2 (<m>1 y M2 son, independientemente, uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg y Mo, y x, y y z son independientemente fracciones atómicas de elementos que forman el óxido, donde 0 < x < 0,5, 0 < y < 0,5, 0 < z < 0,5, x+y+z < 1).
La capa de separación de la presente divulgación puede usar una capa de electrolito o un separador.
La capa de electrolito que sirve como canal iónico usa un electrolito de polímero en gel que usa PEO, PVdF, PMMA, PAN o PVAC, o un electrolito sólido que usa PEO, poli(óxido de propileno) (PPO), polietilenimina (PEI), poli(sulfuro de etileno) (PES) o poli(acetato de vinilo) (PVAc). Preferiblemente, la matriz de electrolito sólido puede tener una estructura de polímero o vidrio cerámico. En el caso de un electrolito de polímero general, aunque se satisface la conductividad iónica, los iones pueden moverse muy lentamente debido a la velocidad de reacción y, por tanto, es preferible usar el electrolito de polímero en gel que tiene un movimiento de iones más fácil que un electrolito de polímero sólido. El electrolito de polímero en gel tiene propiedades mecánicas deficientes y, para mejorar las propiedades mecánicas, el electrolito de polímero en gel puede incluir un soporte de estructura porosa o un polímero reticulado. La capa de electrolito de la presente divulgación puede actuar como un separador, eliminando así la necesidad de usar un separador separado.
La capa de electrolito de la presente divulgación puede incluir además una sal de litio. La sal de litio puede mejorar la conductividad iónica y la velocidad de reacción, y los ejemplos no limitativos pueden incluir LiCl, LiBr, Lil, LÓO4, LiBF4, LiBiüCli0, LiPFa, UCF3SO3, UCF3CO2, LiAsFa, LiSbFa, LiAlCk CH3SO3U, CF3SO3U, (CF3SO2)2NLi, cloroborano de litio, ácido carboxílico alifático inferior de litio y tetrafenilborato de litio.
El separador no se limita a un tipo particular y puede incluir un sustrato poroso elaborado de polímero a base de poliolefina seleccionado del grupo que consiste en homopolímero de etileno, homopolímero de propileno, copolímero de etileno-buteno, copolímero de etileno-hexeno y copolímero de etileno-metacrilato; un sustrato poroso elaborado de polímero seleccionado del grupo que consiste en poliéster, poliacetal, poliamida, policarbonato, poliimida, polieteretercetona, polietersulfona, poli(óxido de fenileno), poli(sulfuro de fenileno) y polietilennaftaleno; o un sustrato poroso elaborado de una mezcla de partículas inorgánicas y polímero aglutinante. Además, el separador puede incluir además una capa de recubrimiento porosa que incluye una mezcla de partículas inorgánicas y polímero aglutinante sobre al menos una superficie del sustrato poroso elaborado del polímero descrito anteriormente. En particular, para transportar fácilmente los iones de litio del núcleo de suministro de iones de litio al electrodo externo, es deseable usar el separador de un material textil no tejido correspondiente al sustrato poroso elaborado de polímero seleccionado del grupo que consiste en poliéster, poliacetal, poliamida, policarbonato, poliimida, polieteretercetona, polietersulfona, poli(óxido de fenileno), poli(sulfuro de fenileno) y polietilennaftaleno.
Además, un método para fabricar una batería secundaria flexible según un aspecto de la presente divulgación comprende:
(51) preparar un conjunto de electrodos que tiene una sección transversal horizontal de una forma predeterminada y se extiende en dirección longitudinal, comprendiendo el conjunto de electrodos un electrodo interior, una capa de separación formada alrededor del electrodo interior para evitar un cortocircuito del electrodo, y un electrodo externo formado alrededor de la superficie exterior de la capa de separación; y
(52) insertar el conjunto de electrodos en el embalaje para una batería secundaria flexible y luego calentar para unir el embalaje para una batería secundaria flexible con el conjunto de electrodos.
La batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación aplica un embalaje ajustado al conjunto de electrodos y no presenta ninguna arruga. Como resultado, puede mejorarse la flexibilidad de la batería. Además, el embalaje que comprende el tubo termorretráctil puede proporcionar una flexibilidad mucho mejor a la batería.
Modo para la divulgación
Ejemplo 1
Formación de capa de soporte mecánico-capa de óxido de grafeno reducido
Se preparó una película de poli(tereftalato de etileno) (LAMI-ACE, una película de laminación) como capa de soporte mecánico.
Para formar una capa de óxido de grafeno reducido sobre la capa de soporte mecánico, se introdujeron partículas de óxido de grafeno (polvo de óxido de grafeno, Standard Graphene) en agua desionizada y se aplicó energía usando un dispositivo de dispersión ultrasónica para preparar una composición de dispersión de óxido de grafeno a una concentración de 1 mg/ml. Posteriormente, se añadió CuCh (Sigma Aldrich, CuCh) a la composición de dispersión en una cantidad del 1 % en peso, basándose en el peso de óxido de grafeno. La composición de dispersión se vertió sobre la capa de soporte mecánico preparada, es decir, la película de poli(tereftalato de etileno) (PET), seguido de recubrimiento mediante recubrimiento con barra y secado para formar una capa de óxido de grafeno. Se sumergió la capa de óxido de grafeno formada en una disolución de ácido yodhídrico (TCI, ácido yodhídrico al 57 %) a 90 °C y se mantuvo durante 12 horas o más. Se extrajo la capa de óxido de grafeno reducido formada de la disolución de ácido yodhídrico, se lavó con agua destilada y se secó a temperatura ambiente para formar una capa de óxido de grafeno reducido-capa de soporte mecánico. Se encontró que la capa de óxido de grafeno reducido tiene un grosor de aproximadamente 100 nm, la lámina de óxido de grafeno reducido de la capa tiene un grosor de 1 a 4 nm, y el espaciado entre capas entre las láminas de óxido de grafeno reducido es de aproximadamente 0,3 a 0,4 nm.
Se midió el espaciado entre capas de las láminas de óxido de grafeno reducido mediante XRD y se calculó usando la ecuación de Bragg. El analizador XRD usado fue Bruker D4 Endeavor.
Se determinó el grosor de la capa de óxido de grafeno reducido observando la sección transversal de la capa de óxido de grafeno reducido sintetizado usando SEM, y el SEM usado fue Hitachi 4800.
Se midió el grosor de la lámina de óxido de grafeno reducido usando un microscopio de fuerza atómica (AFM) después de que la lámina de óxido de grafeno reducido se fundió por centrifugación sobre un sustrato de SiO2, y el AFM usado fue Park Systems NX10.
Posteriormente, se formó una capa termorretráctil sobre la capa de óxido de grafeno reducido usando un método de laminación. Se usó una película de poli(fluoruro de vinilideno) modificado (YoulChon Chemical) como capa termorretráctil.
Se formó una película de polipropileno (YoulChon Chemical) correspondiente a una capa selladora sobre la capa termorretráctil formada usando un método de laminación. Por consiguiente, se obtuvo la capa de soporte mecánicocapa de óxido de grafeno reducido-capa termorretráctil-capa selladora.
Aplicación de embalaje para batería secundaria flexible y fabricación de batería secundaria flexible
Fabricación de electrodo negativo
Se mezclaron grafito artificial como material activo de electrodo negativo, negro de Denka (negro de carbono) como material conductor y poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF) como aglutinante en una razón en peso de 75:5:25, y se añadió N-metilpirrolidona (NMP) como disolvente para preparar una suspensión de electrodo negativo.
Se recubrió la suspensión de electrodo negativo sobre un colector de corriente de cobre de tipo alambre que tenía un diámetro de 250 pm en una cantidad de carga de 3,8 mAh/cm2 y se secó para preparar un electrodo negativo de tipo alambre que tenía una capa de material activo de electrodo negativo. Los cuatro electrodos negativos de tipo alambre preparados se prepararon y se enrollaron en forma de resorte para formar una unidad de electrodo negativo interior de una estructura abierta que tiene un espacio hueco en el interior y un núcleo de suministro de iones de litio. Se enrolló un separador de película de poliolefina en el lado exterior de la unidad de electrodo negativo interior para formar una capa de separación.
Fabricación de electrodo positivo
Se añadieron LÍC0O2 como material activo de electrodo positivo, negro de Denka como material conductor y poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF) como aglutinante en una razón en peso de 85:5:15 a N-metilpirrolidona (NMP) como disolvente para preparar una suspensión de material activo de electrodo positivo. Se recubrió la suspensión de material activo de electrodo positivo sobre un colector de corriente de aluminio de tipo lámina y se secó para preparar una capa de material activo de electrodo positivo. El negro de carbón y el PVdF como material conductor se dispersaron en un disolvente de NMP en una razón en peso de 1:1 para preparar una suspensión de capa conductora. Se recubrió la suspensión de capa conductora sobre la capa de material activo de electrodo positivo, se colocó un sustrato no tejido de polímero poroso sobre la suspensión de capa conductora y se secó la suspensión de capa conductora para preparar un electrodo positivo exterior de tipo lámina. En este caso, el electrodo positivo fabricado se diseñó con una razón N/P del 108 % (razón de capacidad de descarga de electrodo negativo con respecto a electrodo positivo) (la cantidad de carga final del electrodo positivo: 3,3 mAh/cm2). Se cortó el electrodo positivo exterior de tipo lámina a 2 mm de ancho, y se enrolló alrededor del electrodo negativo interior y la capa de separación para fabricar un conjunto de electrodos.
Aplicación de embalaje para batería secundaria flexible
Se envolvió la capa de soporte mecánico-capa de óxido de grafeno reducido-capa termorretráctil-capa selladora alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos fabricado tal como se describió anteriormente y, en este caso, la capa selladora se superpuso con la capa superior de la capa más externa, es decir, la capa de soporte mecánico, y se adhirió a la capa más externa para formar un tipo de tubo, y la superficie exterior del conjunto de electrodos entra en contacto con la capa selladora. Posteriormente, se inyectó una disolución de electrolito no acuoso (LiPF61 M, carbonato de etileno (EC)/carbonato de propileno (PC)/carbonato de dietilo (DEC)) en el centro del soporte del electrodo interior de una estructura abierta usando una jeringa para formar un núcleo de suministro de iones de litio, y se aplicó calor. Por tanto, la superficie exterior del conjunto de electrodos quedó completamente sellada por el embalaje para una batería secundaria flexible de manera hermética.
Como resultado, se obtuvieron un embalaje para una batería secundaria y una batería secundaria flexible en ,la que el embalaje para una batería secundaria flexible tiene forma de tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible.
Ejemplo 2
Formación de capa termorretráctil-capa de óxido de grafeno reducido
Se preparó una película de poli(fluoruro de vinilideno) modificado (YoulChon Chemical) como capa termorretráctil. Se introdujeron partículas de óxido de grafeno (polvo de óxido de grafeno, Standard Graphene) en agua desionizada y se aplicó energía usando un dispositivo de dispersión ultrasónica para preparar una composición de dispersión de óxido de grafeno a una concentración de 1 mg/ml. Posteriormente, se añadió CuCh (Sigma Aldrich, CuCh) a la composición de dispersión en una cantidad del 1 % en peso, basándose en el peso de óxido de grafeno. Se vertió la composición de dispersión sobre la capa termorretráctil preparada, seguido de recubrimiento mediante recubrimiento con barra y secado para formar una capa de óxido de grafeno. Se sumergió la capa de óxido de grafeno formada en una disolución de ácido yodhídrico (TCI, ácido yodhídrico al 57 %) a 90 °C y se mantuvo durante 12 horas o más. Se extrajo la capa de óxido de grafeno reducido formada de la disolución de ácido yodhídrico, se lavó con agua destilada y se secó a temperatura ambiente para formar una capa termorretráctil-capa de óxido de grafeno reducido. Se encontró que la capa de óxido de grafeno reducido tenía un grosor de aproximadamente 100 nm, la lámina de óxido de grafeno reducido de la capa tenía un grosor de 1 a 4 nm, y el espaciado entre capas de las láminas de óxido de grafeno reducido era de aproximadamente 0,3 a 0,4 nm.
Se midieron el espaciado entre capas de las láminas de óxido de grafeno reducido, el grosor de la capa de óxido de grafeno reducido, y el grosor de la lámina de óxido de grafeno reducido mediante el mismo método que en el ejemplo 1 descrito anteriormente.
Se formó una película de polipropileno (YoulChon Chemical) correspondiente a una capa selladora sobre la capa de óxido de grafeno reducido formada usando un método de laminación. Por consiguiente, la capa termorretráctil-capa de óxido de grafeno reducido-capa selladora tenía forma de tubo.
Excepto que se usó la capa termorretráctil-capa de óxido de grafeno reducido-capa selladora, se obtuvieron un embalaje para una batería secundaria flexible y una batería secundaria flexible en la que el embalaje para una batería secundaria flexible tiene forma de tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible mediante el mismo método que el ejemplo 1.
Ejemplo 3
Se obtuvo una capa de soporte mecánico-capa de óxido de grafeno reducido mediante el método descrito en el ejemplo 1.
Se aplicó un tubo termorretráctil (YoulChon Chemical, un tubo de poli(fluoruro de vinilideno) modificado) como capa termorretráctil al lado exterior de la capa de soporte mecánico-capa de óxido de grafeno reducido mediante laminación. En este caso, se modificó la superficie de la capa de óxido de grafeno reducido mediante oxidación a través del tratamiento UVO de manera que la energía superficial de la capa termorretráctil y la energía superficial del óxido de grafeno reducido fueran iguales. Se usó el ángulo de contacto de una gota de agua para determinar si la energía superficial de la capa termorretráctil y la energía superficial de la capa de óxido de grafeno reducido son iguales.
Posteriormente, excepto que se aplicó una película de polipropileno (YoulChon Chemical) como capa selladora al lado interior de la capa termorretráctil por laminación, se obtuvieron un embalaje para una batería secundaria flexible y una batería secundaria flexible en la que el embalaje para una batería secundaria flexible tiene forma de tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible mediante el mismo método que el ejemplo 1.
Ejemplo comparativo 1
Se fabricaron un embalaje para una batería secundaria flexible y una batería secundaria flexible mediante el mismo método que el ejemplo 1, excepto que no se añadió CuCh a la composición de dispersión al formar una capa de óxido de grafeno reducido. Se encontró que la capa de óxido de grafeno reducido tenía un grosor de aproximadamente 100 nm, la lámina de óxido de grafeno de la capa tenía un grosor de 1 a 4 nm, y la capa de óxido de grafeno reducido formada tenía un espaciado entre capas de aproximadamente 0,3 a 0,4 nm.
Ejemplo comparativo 2
Excepto que se usó una película de poli(tereftalato de etileno) (PET) (LAMI-ACE, una película de laminación) en lugar de la capa de soporte mecánico-capa de óxido de grafeno reducido-capa termorretráctil-capa selladora, se obtuvieron un embalaje para una batería secundaria flexible y una batería secundaria flexible en la que el embalaje para una batería secundaria flexible tiene forma de tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible mediante el mismo método que el ejemplo 1.
Ejemplo comparativo 3
Excepto que se usó una película apilada obtenida apilando una película de polipropileno como capa selladora sobre una superficie de una película de poli(tereftalato de etileno) (PET) (LAMI-AC<e>, una película de laminación) por laminación en lugar de la capa de soporte mecánico-capa de óxido de grafeno reducido-capa termorretráctil-capa selladora, se obtuvieron un embalaje para una batería secundaria flexible y una batería secundaria flexible en la que el embalaje para una batería secundaria flexible tiene forma de tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible mediante el mismo método que el ejemplo 1. Evaluación 1: Medición de la propiedad de barrera frente al vapor
Para medir la propiedad de barrera frente al vapor, se preparó cada película fabricada en el ejemplo 1 y los ejemplos comparativos 1 y 2 en un tamaño de 10 x 10 cm, se ajustó y se montó en un probador de tasa de transmisión de vapor de agua (Sejin Test, modelo: SJTM-014). Posteriormente, se introdujo gas nitrógeno seco que no contenía vapor de agua en una superficie del embalaje para una batería secundaria flexible, y se introdujo vapor de agua en la otra superficie. En este caso, para evitar que los gases introducidos en las dos superficies del embalaje para una batería secundaria flexible se mezclen entre sí, se aislaron dos espacios en los que fluyen los gases. Mientras tanto, durante la prueba, se estableció la temperatura a 38 °C y se estableció la humedad al 100 % de HR, y se mantuvieron estas condiciones. Además, se midió la cantidad de vapor de agua sobre una superficie en la que fluye gas nitrógeno seco durante 24 horas usando un sensor de humedad. Se obtuvo la cantidad de vapor de agua por unidad de área que penetra la película de tipo bolsa durante 24 horas dividiendo la cantidad de vapor de agua entre el área de una superficie, y esto se evaluó como tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR). Los resultados se muestran en la tabla 1.
Como resultado, tal como se presenta en la siguiente tabla 1, se encontró que el embalaje para una batería secundaria flexible del ejemplo 1 tenía una tasa de transmisión de vapor de agua muy mejorada en comparación con cada uno de los embalajes para una batería secundaria flexible de los ejemplos comparativos 1 y 2. A través de esto, puede observarse que el embalaje para una batería secundaria flexible con una interacción electrostática de las láminas de óxido de grafeno reducido de la capa de óxido de grafeno reducido muestra una barrera frente al vapor más eficaz que el embalaje para una batería secundaria flexible sin interacción electrostática.
[Tabla 1]
Evaluación 2: Medición del rendimiento de la batería
Para cada batería secundaria flexible fabricada en el ejemplo 1 y el ejemplo comparativo 3, se realizó una prueba de carga/descarga a la densidad de corriente de 0,3 C en la condición de tensión de entre 2,5 V y 4,2 V durante 50 ciclos. Como resultado, se encontró que la retención de capacidad de la batería secundaria flexible del ejemplo 1 después de 50 ciclos fue del 95 %, mientras que la retención de capacidad de la batería secundaria flexible del ejemplo comparativo 3 después de 50 ciclos fue del 5 % y, por tanto, la retención de capacidad de la batería secundaria flexible fabricada en el ejemplo 1 fue mucho mejor.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Embalaje para una batería secundaria flexible que se envuelve alrededor de una superficie exterior de un conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible,
    el embalaje para una batería secundaria flexible en forma de tubo que se envuelve alrededor de la superficie exterior del conjunto de electrodos,
    comprendiendo el embalaje para una batería secundaria flexible:
    una capa (310) de soporte mecánico;
    una capa (320) de óxido de grafeno reducido (rGO) dispuesta sobre la capa de soporte mecánico y que incluye una pluralidad de láminas de óxido de grafeno reducido;
    una capa (330) termorretráctil dispuesta sobre la capa (320) de óxido de grafeno reducido; y
    una capa (340) selladora dispuesta sobre la capa (330) termorretráctil,
    en donde partículas de óxido de grafeno reducido están apiladas para formar una lámina de óxido de grafeno reducido; la pluralidad de láminas de óxido de grafeno reducido en la capa (320) de óxido de grafeno reducido forma una interacción electrostática entre láminas de óxido de grafeno reducido adyacentes y forma la capa de óxido de grafeno reducido; las láminas de óxido de grafeno reducido forman una interacción electrostática entre las láminas de óxido de grafeno reducido adyacentes por medio del catión de metal Li+, K+, Ag+, Mg2+, Ca2+, Cu2+, Pb2+, Co2+, Al3+, Cr3+, Fe3+, o dos o más de los mismos, formando una interacción electrostática, incluyendo un enlace iónico, con grupos funcionales de oxígeno en el borde de las partículas de óxido de grafeno reducido.
  2. 2. Embalaje para una batería secundaria flexible según la reivindicación 1, en donde la lámina de óxido de grafeno reducido tiene una estructura de una a tres capas de partículas de óxido de grafeno reducido.
  3. 3. Embalaje para una batería secundaria flexible según la reivindicación 1, en donde la lámina de óxido de grafeno reducido tiene un grosor que oscila desde 0,002 hasta 10 pm.
  4. 4. Embalaje para una batería secundaria flexible según la reivindicación 1, que comprende además:
    una capa adhesiva entre las capas.
  5. 5. Embalaje para una batería secundaria flexible según la reivindicación 1, en el que la capa (330) termorretráctil está modificada superficialmente para modificar la superficie de la capa termorretráctil que tiene una superficie hidrófoba para que sea hidrófila realizando un tratamiento con UV-ozono, un tratamiento de superficie con plasma usando oxígeno o nitrógeno, un tratamiento químico usando un agente de acoplamiento de silano, o un recubrimiento de superficie usando un polímero o un compuesto orgánico.
  6. 6. Embalaje para una batería secundaria flexible según la reivindicación 1, en donde la capa (320) de óxido de grafeno reducido tiene un grosor que oscila desde 20 nm hasta 100 pm.
  7. 7. Embalaje para una batería secundaria flexible según la reivindicación 1, en donde las láminas de óxido de grafeno reducido tienen un espaciado entre capas que oscila desde 0,3 nm hasta 5,0 nm.
  8. 8. Método para fabricar un embalaje para una batería secundaria flexible que se envuelve alrededor de una superficie exterior de un conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible, comprendiendo el método: preparar una capa (310) de soporte mecánico;
    recubrir un medio de dispersión en el que se dispersan partículas de óxido de grafeno (GO) y una sal de metal sobre la capa (310) de soporte mecánico, y secar para formar una capa (320) de óxido de grafeno; reducir la capa (320) de óxido de grafeno para formar una capa (320) de óxido de grafeno reducido; formar una capa (330) termorretráctil sobre la capa (320) de óxido de grafeno reducido;
    formar una capa (340) selladora sobre la capa (330) termorretráctil; y
    envolver la superficie exterior del conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible con el embalaje para una batería secundaria flexible de manera que la capa (340) selladora esté en contacto con la superficie exterior del conjunto de electrodos de la batería secundaria flexible,
    en donde el embalaje para una batería secundaria flexible se define en la reivindicación 1, y en donde la sal de metal se añade al medio de dispersión en una cantidad del 0,01 al 10 % en peso basándose en el peso de las partículas de óxido de grafeno.
  9. 9. Método para fabricar un embalaje para una batería secundaria flexible según la reivindicación 8, en donde la capa (320) de óxido de grafeno se reduce mediante ácido yodhídrico o vitamina C.
  10. 10. Batería secundaria flexible, que comprende:
    un conjunto de electrodos; y
    el embalaje para una batería secundaria flexible según la reivindicación 1, en donde el embalaje para una batería secundaria flexible se envuelve alrededor de una superficie exterior del conjunto de electrodos.
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