ES3048832T3 - Energy storage device and method of manufacturing thereof - Google Patents

Energy storage device and method of manufacturing thereof

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ES3048832T3 ES23703945T ES23703945T ES3048832T3 ES 3048832 T3 ES3048832 T3 ES 3048832T3 ES 23703945 T ES23703945 T ES 23703945T ES 23703945 T ES23703945 T ES 23703945T ES 3048832 T3 ES3048832 T3 ES 3048832T3
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Abstract

Un dispositivo de almacenamiento de energía que comprende un electrodo que tiene una capa de borofeno, que incluye partículas de borofeno y un líquido iónico, proporcionando el dispositivo de almacenamiento de energía alta capacidad, carga rápida, peso ligero y larga vida útil, y un método de fabricación del dispositivo de almacenamiento de energía. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Dispositivo de almacenamiento de energía y método de fabricación del mismo
[0003] Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
[0004] Esta solicitud reivindica la prioridad y el beneficio de Solicitud provisional de Estados Unidos n.° 63/297.160, presentada el 6 de enero de 2022 y titulada "ENERGY STORAGE DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF."
[0005] Antecedentes
[0006] A medida que la fuente de energía ecológica, especialmente en el campo de los vehículos eléctricos, continúa proliferando, las necesidades de dispositivos de almacenamiento de energía de alto rendimiento continúan aumentando. Actualmente, las baterías de iones de litio lideran el mercado, pero la necesidad y el deseo de nuevos dispositivos de almacenamiento de energía o nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los mismos continúa evolucionando. En particular, los materiales de electrodos recientemente desarrollados son el centro de atención, ya que son capaces de proporcionar un alto rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de energía en términos de alta capacidad, carga rápida, salida rápida, durabilidad, etc.
[0007] Los materiales nanoestructurados bidimensionales (2D) como el grafeno han sido objeto de extensos estudios científicos para candidatos a un nuevo material de electrodo debido a sus propiedades únicas. Más recientemente, el borofeno, una única capa de átomos de boro que forman diversas estructuras cristalinas, ha estado atrayendo la atención como un "súper material" por sus excelentes propiedades eléctricas, y puede aplicarse en diversos campos que incluyen almacenamiento de energía, microelectrónica, etc. En particular, el borofeno se puede usar como material de electrodo en un dispositivo de almacenamiento de energía debido a su alta capacidad y excelente conductividad.
[0008] Sumario
[0009] La presente divulgación proporciona un dispositivo de almacenamiento de energía que incluye un electrodo basado en borofeno y un método simplificado de fabricación del mismo.
[0010] Más específicamente, la presente divulgación se refiere a un dispositivo de almacenamiento de energía que comprende:
[0011] un conector positivo;
[0012] un conector negativo;
[0013] un conjunto de electrodos que incluye uno o más electrodos entre una primera capa protectora y una segunda capa protectora; y
[0014] una carcasa que aloja el conjunto de electrodos,
[0015] en donde el electrodo incluye una capa de borofeno y un sustrato, comprendiendo la capa de borofeno partículas de borofeno y un líquido iónico,
[0016] en donde el conector positivo y el conector negativo están unidos a una superficie exterior de la carcasa.
[0017] Preferiblemente, el líquido iónico puede ser ácido fosfórico acuoso.
[0018] En un aspecto de la presente divulgación, las partículas de borofeno pueden tener un tamaño de partícula en un intervalo de 0,001 a 2 pm.
[0019] Preferiblemente, el sustrato puede ser una celulosa vulcanizada microporosa o una lámina de aluminio. Más preferentemente, el sustrato puede ser una celulosa vulcanizada microporosa.
[0020] En un aspecto, cada una de la primera capa protectora y la segunda capa protectora puede ser una capa de plástico. La capa de plástico puede estar formada por un material plástico que comprende polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo o nailon.
[0021] Preferiblemente, el conjunto de electrodos puede incluir dos o más electrodos y una tercera capa protectora entre los dos o más electrodos.
[0022] Preferiblemente, el electrodo puede incluir la capa de borofeno en las superficies superior e inferior del sustrato. En una realización, la carcasa puede ser una carcasa de aluminio.
[0023] En otra realización, la carcasa puede incluir uno o más respiraderos de gas.
[0024] En otra realización más, la carcasa puede tener cualquier forma seleccionada de forma cúbica, cuboide, de moneda y cilíndrica.
[0025] La presente divulgación también proporciona un método para preparar un dispositivo de almacenamiento de energía, comprendiendo el método:
[0026] aplicar partículas de borofeno sobre una superficie de un sustrato;
[0027] pulverizar un líquido iónico sobre las partículas de borofeno sobre el sustrato para formar una capa de prerrevestimiento;
[0028] extender la capa de prerrevestimiento para formar una capa de borofeno, formando así uno o más electrodos; laminar el uno o más electrodos entre una primera capa protectora y una segunda capa protectora para formar un conjunto de electrodos;
[0029] encerrar el conjunto de electrodos en una carcasa; y
[0030] unir un conector positivo y un conector negativo a una superficie exterior de la carcasa.
[0031] Preferiblemente, el líquido iónico puede ser ácido fosfórico acuoso.
[0032] En una realización, las partículas de borofeno pueden tener un tamaño de partícula de 0,001 a 2 pm.
[0033] Preferiblemente, el sustrato puede ser una celulosa vulcanizada microporosa o una lámina de aluminio. Más preferentemente, el sustrato puede ser una celulosa vulcanizada microporosa.
[0034] Preferentemente, cada una de la primera capa protectora y la segunda capa protectora puede ser una capa de plástico.
[0035] La capa de plástico puede estar formada por un material plástico que comprende polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo o nailon.
[0036] En una realización, el conjunto de electrodos puede incluir dos o más electrodos y una tercera capa protectora entre los dos o más electrodos.
[0037] En otra realización, la capa de borofeno puede formarse tanto en la superficie superior como en la inferior del sustrato.
[0038] En una realización, la carcasa puede ser una carcasa de aluminio.
[0039] En otra realización, la carcasa puede incluir uno o más respiraderos de gas.
[0040] En otra realización más, la carcasa puede tener cualquier forma seleccionada de forma cúbica, cuboide, de moneda y cilíndrica.
[0041] La presente divulgación proporciona adicionalmente un módulo de almacenamiento de energía que comprende una pluralidad de los dispositivos de almacenamiento de energía descritos anteriormente.
[0042] En otro aspecto de la presente divulgación, también se proporciona un paquete de almacenamiento de energía que comprende una pluralidad de los módulos de almacenamiento de energía descritos anteriormente.
[0043] Otros dispositivos y métodos de acuerdo con las realizaciones de la presente divulgación serán evidentes para un experto en la materia tras la revisión de los siguientes dibujos y la descripción detallada. Se pretende que todos tales dispositivos y métodos adicionales se incluyan dentro de esta descripción y dentro del alcance de esta divulgación.
[0044] Breve descripción de los dibujos
[0045] La figura 1 es una ilustración que muestra una estructura de un conjunto de electrodos de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la primera realización de la presente divulgación.
[0046] La figura 2A es una ilustración que muestra una estructura del dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la primera realización de la presente divulgación.
[0047] La figura 2B es una ilustración que muestra una estructura de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la segunda realización de la presente divulgación.
[0048] La figura 3 es una ilustración que muestra una estructura de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la tercera realización de la presente divulgación.
[0049] La figura 4A es una ilustración que muestra una estructura de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la cuarta realización de la presente divulgación.
[0050] La figura 4B es una ilustración que muestra una estructura de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la quinta realización de la presente divulgación.
[0051] La figura 5 es una vista en planta que muestra una estructura de un módulo de almacenamiento de energía de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
[0052] La figura 6 es una ilustración que muestra una estructura de un paquete de almacenamiento de energía de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
[0053] Descripción detallada
[0054] La siguiente descripción detallada se dirige a un dispositivo de almacenamiento de energía que incluye un electrodo basado en borofeno y un método para fabricar el mismo.
[0055] La figura 1 muestra una estructura de un conjunto de electrodos de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la primera realización de la presente divulgación.
[0056] Haciendo referencia a la figura 1, el conjunto de electrodos incluye una primera capa protectora 10a que es una capa de plástico, un electrodo que incluye una capa de borofeno 12 revestida sobre un sustrato que es una celulosa vulcanizada microporosa o una lámina de aluminio, otro electrodo que tiene otra capa de borofeno 12 y otro sustrato 11 y una segunda capa protectora 10b.
[0057] La capa de borofeno 12 se forma sobre el sustrato 11, aplicando partículas de borofeno sobre el sustrato y pulverizando líquido iónico sobre las partículas de borofeno.
[0058] Preferiblemente, el conjunto de electrodos del dispositivo de almacenamiento de energía de la primera realización se forma enrollando los componentes enumerados anteriormente en dicha secuencia anterior.
[0059] La figura 2A ilustra una estructura de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la primera realización de la presente divulgación.
[0060] Haciendo referencia a la figura 2A, un conector positivo 30 y un conector negativo 40 están unidos a la superficie superior de una carcasa de aluminio 20. Estos conectores positivos y conectores negativos pueden ser de tipo tornillo o tener un orificio, y pueden conectarse a cables o a conectores deslizantes.
[0061] Preferiblemente, en el dispositivo de almacenamiento de energía de la primera realización, la primera capa protectora de plástico 10a cubre el electrodo, en la superficie exterior del conjunto de electrodos, que incluye un sustrato 11, por ejemplo, una celulosa vulcanizada microporosa, y una capa de borofeno 12. La capa de borofeno se forma sobre el sustrato 11 aplicando partículas de borofeno sobre el sustrato 11 y pulverizando un líquido iónico, por ejemplo, ácido fosfórico acuoso, sobre las partículas de borofeno.
[0062] El dispositivo de almacenamiento de energía de la primera realización incluye un electrodo adicional que incluye el sustrato y la capa de borofeno obtenida mediante el mismo proceso descrito anteriormente, y la segunda capa protectora de plástico adyacente al mismo. Cuando el dispositivo tiene una forma cilíndrica y necesita fabricarse para tener un diámetro más pequeño o más grande, las capas de borofeno pueden retirarse o añadirse dependiendo del tamaño deseado del dispositivo. De manera similar, las capas protectoras pueden eliminarse o agregarse dependiendo del tamaño deseado del dispositivo.
[0063] La figura 2B muestra una estructura de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la segunda realización de la presente divulgación.
[0064] Haciendo referencia a la figura 2B, el dispositivo de almacenamiento de energía de la segunda realización de la presente divulgación es diferente de la primera realización únicamente en que el conector negativo y el conector positivo están ubicados en los extremos opuestos entre sí. El conjunto de electrodos que incluye la capa protectora de plástico 10 y el electrodo que tiene el sustrato 11 y la capa de borofeno 12, está incluido en la porción interior 13 de la carcasa de aluminio 20.
[0065] La figura 3 es una ilustración que muestra una estructura de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la tercera realización de la presente divulgación.
[0066] Haciendo referencia a la figura 3, el dispositivo de almacenamiento de energía de la tercera realización incluye la primera capa protectora de plástico 10a, dos electrodos 21 que incluyen la capa de borofeno 12 en las superficies superior e inferior del sustrato 11, formados por el mismo proceso que se ha descrito anteriormente, la tercera capa protectora de plástico la capa 10c entre los dos electrodos 21 que también puede funcionar como un separador o divisor, y la segunda capa protectora de plástico 10b en la superficie interior del conjunto de electrodos, encerrada en la carcasa de aluminio 20 que tiene forma de cilindro.
[0067] La figura 4A es una ilustración que muestra una estructura de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la cuarta realización de la presente divulgación.
[0068] Haciendo referencia a la figura 4A, el dispositivo de almacenamiento de energía de la cuarta realización incluye una carcasa de aluminio 50 que tiene una forma de paralelepípedo y el conector positivo 30 y el conector negativo 40 están unidos a la misma. La carcasa de aluminio 50 incluye además respiraderos de gas 51 para ventilación.
[0069] La figura 4B es una ilustración que muestra una estructura de un dispositivo de almacenamiento de energía de acuerdo con la quinta realización de la presente divulgación.
[0070] Haciendo referencia a la figura 4B, el dispositivo de almacenamiento de energía de la quinta realización incluye el conector positivo 30 y el conector negativo 40 ubicados en los extremos opuestos entre sí y extendidos hacia fuera desde la carcasa de aluminio 50, y cada uno de los electrodos 60 incluye la capa de borofeno formada en el sustrato, por ejemplo, una celulosa vulcanizada microporosa, y la capa protectora de plástico se extiende a lo largo de la dirección desde el conector positivo al conector negativo dentro de la carcasa 50.
[0071] La figura 5 es una vista en planta que muestra una estructura de un módulo de almacenamiento de energía de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
[0072] Haciendo referencia a la figura 5, el módulo de almacenamiento de energía de una realización de la presente divulgación incluye dieciséis (16) dispositivos de almacenamiento de energía individuales 70 conectados en serie y el extremo de conexión positivo 31 y el extremo de conexión negativo 41 ubicados en los extremos opuestos entre sí.
[0073] El dispositivo de almacenamiento de energía individual 70 tiene un diámetro de % de pulgada y una longitud L de 2 % de pulgada, y una tensión de 2,7 V. Este módulo de tamaño relativamente pequeño puede tener una tensión de 43,2 V.
[0074] La figura 6 es una ilustración que muestra una estructura de un paquete de almacenamiento de energía de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
[0075] Haciendo referencia a la figura 6, el paquete de almacenamiento de energía de una realización de la presente divulgación incluye una cubierta superior 80 y una base de plástico inferior 90 que aloja una pluralidad de módulos de almacenamiento de energía 100.
[0076] La cubierta superior 80 puede fabricarse usando cualquier material, tal como acero de aluminio ligero, pero sin limitación al mismo. El paquete de almacenamiento de energía también incluye conectores eléctricos 110 para conectar los módulos de almacenamiento de energía 100. Los módulos de almacenamiento de energía pueden tener diferentes formas entre sí y la configuración del paquete de almacenamiento de energía puede diseñarse de acuerdo con la tensión o corriente deseada.
[0077] Ejemplo
[0078] Se ha preparado un dispositivo de almacenamiento de energía cilíndrico que tiene una dimensión de % de pulgada y una longitud de 2 % de pulgada como se ha descrito anteriormente en la tercera realización de la presente divulgación. Se han preparado dos electrodos formando la capa de borofeno aplicando partículas de borofeno que tienen un tamaño de partícula de 0,001 a 2 pm en las superficies superior e inferior de la celulosa vulcanizada microporosa (GC Electronics, 560 Fibroid Fish Paper), pulverizando ácido fosfórico acuoso en la partículas de borofeno para formar una capa de prerrevestimiento, luego cepillar la capa de prerrevestimiento para extenderla sobre la superficie de la película de electrolito microporoso.
[0079] Como se muestra en la figura 3, incluyendo el conjunto de electrodos la primera capa protectora de plástico 10a, que es una película de plástico, el conjunto de electrodos preparado como anteriormente e incluyendo la tercera capa protectora de plástico 10c que es la misma película de plástico que la primera capa protectora entre los dos electrodos 21, y la segunda capa protectora de plástico 10b, que también es la misma película de plástico que la primera película de plástico, se ha preparado y encerrado en la carcasa de aluminio 20 que tiene forma de cilindro. El dispositivo de almacenamiento de energía preparado como anteriormente proporciona una tensión eléctrica de alto rendimiento de 2,7 V.
[0080] Como se ha descrito anteriormente, el método de la presente divulgación proporciona un proceso de fabricación sustancialmente simplificado y el dispositivo de almacenamiento de energía de alto rendimiento con un peso un 60 % más ligero que las baterías convencionales, sin tiempo de almacenamiento limitado, una vida útil esperada de 70 a 80 años, los ciclos recargables mínimos de 45.000 a 50.000 ciclos, un tiempo de carga un 60 % más rápido que las baterías de iones de litio y un 60 % más de capacidad que las baterías de iones de litio.
[0081] Debido a las propiedades únicas descritas anteriormente, el dispositivo de almacenamiento de energía de la presente divulgación puede usarse para diversas aplicaciones tales como drones de defensa, barcos, embarcaciones, aviones, trenes, robots, aplicaciones láser, motocicletas, vehículos eléctricos y centrales eléctricas.
[0082] Descripción de números y símbolos de referencia
[0084] 10a: Primera capa protectora 50: Carcasa (forma cuboide)
[0085] 10b: Segunda capa protectora 51: Respiradero de gas
[0086] 10c: Tercera capa protectora 60: Electrodo
[0087] 70: Dispositivo de almacenamiento de energía individual
[0088] 11 Sustrato 80: Cubierta superior del paquete de almacenamiento de energía 12 Capa de borofeno 90: Base inferior del paquete de almacenamiento de energía
[0089] 13 Interior de la carcasa 100: Módulo de almacenamiento de energía
[0090] 20 Carcasa 110: Conector eléctrico
[0091] 21 Electrodo L: Longitud de un dispositivo de almacenamiento de energía individual 30 Conector positivo
[0092] 31 Extremo de conexión positivo
[0093] 40 Conector negativo
[0094] 41 Extremo de conexión negativo

Claims (18)

1. REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo de almacenamiento de energía que comprende:
un conector positivo;
un conector negativo;
un conjunto de electrodos que incluye uno o más electrodos entre una primera capa protectora y una segunda capa protectora; y
una carcasa que aloja el conjunto de electrodos,
en donde el electrodo incluye una capa de borofeno y un sustrato, comprendiendo la capa de borofeno partículas de borofeno y un líquido iónico, y
en donde el conector positivo y el conector negativo están unidos a una superficie exterior de la carcasa.
2. El dispositivo de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, en donde el líquido iónico es ácido fosfórico acuoso.
3. El dispositivo de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, en donde un tamaño de partícula de las partículas de borofeno está en un intervalo de 0,001 a 2 pm.
4. El dispositivo de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, en donde el sustrato es una celulosa vulcanizada microporosa o una lámina de aluminio.
5. El dispositivo de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, en donde cada una de la primera y segunda capas protectoras es una capa plástica formada de un material plástico que comprende polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo o nailon.
6. El dispositivo de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, en donde el conjunto de electrodos incluye dos o más electrodos y una tercera capa protectora entre los dos o más electrodos.
7. El dispositivo de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, en donde el electrodo incluye la capa de borofeno en ambas superficies superior e inferior del sustrato.
8. El dispositivo de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, en donde la carcasa de batería es una carcasa de aluminio.
9. El dispositivo de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, en donde la carcasa de batería incluye uno o más respiraderos de gas.
10. Un método para preparar un dispositivo de almacenamiento de energía, comprendiendo el método: aplicar partículas de borofeno sobre una superficie de un sustrato;
pulverizar un líquido iónico sobre las partículas de borofeno sobre el sustrato para formar una capa de prerrevestimiento;
extender la capa de prerrevestimiento para formar una capa de borofeno, formando así uno o más electrodos; laminar el uno o más electrodos entre una primera capa protectora y una segunda capa protectora para formar un conjunto de electrodos;
encerrar el conjunto de electrodos en una carcasa; y
unir un conector positivo y un conector negativo a una superficie exterior de la carcasa.
11. El método de la reivindicación 10, en donde el líquido iónico es ácido fosfórico acuoso.
12. El método de la reivindicación 10, en donde un tamaño de partícula de las partículas de borofeno está en un intervalo de 0,001 a 2 pm.
13. El método de la reivindicación 10, en donde el sustrato es una celulosa vulcanizada microporosa o una lámina de aluminio.
14. El método de la reivindicación 10, en donde cada una de la primera y segunda capas protectoras es una capa plástica formada de un material plástico que comprende polietileno, polipropileno, cloruro de polivinilo o nailon.
15. El método de la reivindicación 10, en donde el conjunto de electrodos incluye dos o más electrodos y una tercera capa protectora entre los dos o más electrodos.
16. El método de la reivindicación 10, en donde la capa de borofeno se forma en ambas superficies superior e inferior del sustrato.
17. Un módulo de almacenamiento de energía que comprende una pluralidad de los dispositivos de almacenamiento de energía de acuerdo con la reivindicación 1.
18. Un paquete de almacenamiento de energía que comprende una pluralidad de los módulos de almacenamiento de energía de acuerdo con la reivindicación 17.
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