ES3054101T3 - Secondary battery having structure in which unit cells which become thinner in one direction are radially assembled, and device comprising same - Google Patents

Secondary battery having structure in which unit cells which become thinner in one direction are radially assembled, and device comprising same

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ES3054101T3 ES20878093T ES20878093T ES3054101T3 ES 3054101 T3 ES3054101 T3 ES 3054101T3 ES 20878093 T ES20878093 T ES 20878093T ES 20878093 T ES20878093 T ES 20878093T ES 3054101 T3 ES3054101 T3 ES 3054101T3
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Abstract

La presente invención proporciona una batería secundaria que tiene una estructura novedosa en la que se ensamblan radialmente celdas unitarias que se hacen más delgadas en una dirección, y un dispositivo que la comprende, y cuando se va a aplicar un colector que tiene un orificio pasante en la dirección del espesor, se reduce el rango de variación de la concentración del electrolito en la batería, lo que ayuda a mejorar el rendimiento de la batería. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Batería secundaria que tiene una estructura en la que están ensambladas radialmente unas celdas unitarias que se afinan en una dirección y dispositivo que comprende la misma
[0003] Sector de la técnica
[0004] La presente invención se refiere a una batería secundaria que incluye una estructura en la que se ensamblan radialmente celdas unitarias cuyo grosor disminuye en una dirección, y un dispositivo que incluye la misma.
[0005] La presente solicitud reivindica el beneficio de prioridad basándose en la solicitud de patente coreana n.º 10-2019-0133561, presentada el 25 de octubre de 2019.
[0006] Antecedentes de la invención
[0007] A medida que aumenta el precio de las fuentes de energía debido al agotamiento de los combustibles fósiles y se amplifica el interés por la contaminación ambiental, la demanda de fuentes de energía alternativas respetuosas con el medio ambiente está aumentando. En particular, a medida que aumenta el desarrollo tecnológico y la demanda de dispositivos móviles, la demanda de baterías secundarias como fuentes de energía aumenta rápidamente. A medida que la demanda de baterías secundarias se diversifica y aumenta, existe una demanda de nuevos tipos de baterías secundarias.
[0008] Además, en el caso de una batería secundaria de litio, los iones de litio en una solución electrolítica generalmente presentan una elevada conductividad iónica en un intervalo de concentración específico, y cuando la concentración es más fina o más gruesa que este, disminuye la conductividad iónica. La concentración de la solución electrolítica o de los iones de litio en el interior de la batería secundaria de litio no es constante y dependiendo de las condiciones de funcionamiento de la batería, las concentraciones de iones de litio cerca del electrodo positivo y del electrodo negativo se comportan en direcciones opuestas.
[0009] Por lo tanto, se necesita un nuevo tipo de tecnología de baterías secundarias que resuelva este problema.
[0010] Los documentos JP H07130344, JP 2010102962, JP 2014007108 y JP S5165331 divulgan una batería secundaria que tiene una estructura en la que 16 celdas unitarias están ensambladas radialmente alrededor de un eje central basado en una estructura de sección transversal horizontal. El documento KR 20170022289 divulga un conjunto de electrodos que comprende un electrodo que tiene un gradiente en la cantidad de carga de material activo. El documento KR 20060015060 divulga una placa de electrodo de batería secundaria.
[0011] Explicación de la invención
[0012] Problema técnico
[0013] La presente invención se inventó para resolver los problemas anteriores, y un objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un nuevo tipo de batería secundaria que incluye una estructura en la que las celdas unitarias cuyo grosor disminuye en una dirección se ensamblan radialmente, y un dispositivo que incluye la misma.
[0014] Solución técnica
[0015] En un ejemplo, una batería secundaria, de acuerdo con la presente invención, se forma cuando n (n es un número entero de 5 o más) celdas unitarias se ensamblan radialmente alrededor de un eje central basándose en una estructura de sección transversal horizontal. En el presente documento, cada celda unitaria tiene una estructura en la que el grosor disminuye en una dirección hacia el eje central desde un extremo exterior que forma una superficie periférica exterior de la batería secundaria basándose en la estructura de sección transversal horizontal.
[0016] En un ejemplo específico, en la batería secundaria, una k-ésima (k es un número entero entre 1 y n-1) celda unitaria y una (k+1)-ésima celda unitaria son adyacentes entre sí y están enfrentadas entre sí. Asimismo, una primera celda unitaria y una n-ésima (n es un número entero entre 5 y 10000) celda unitaria son también adyacentes entre sí y están enfrentadas entre sí. El valor n puede variar dependiendo del tamaño del dispositivo que se vaya a aplicar. Para dispositivos móviles o pequeños, n puede ser igual o inferior a 1000 y en el caso de grandes celdas para vehículos, etc., las celdas unitarias pueden añadirse en el intervalo de 1000 a 10000.
[0017] En un ejemplo, la batería secundaria tiene una estructura cilíndrica en la que n celdas unitarias están ensambladas radialmente alrededor del eje central para formar un hueco basándose en la estructura de sección transversal horizontal, en donde n es un número entero igual o superior a 5, y en donde la relación de diámetro de los diámetros interior y exterior de la batería secundaria está en un intervalo de 1 : 1,1 a 100.
[0018] En otro ejemplo más, en cada celda unitaria que forma una batería, la relación (D<in>: D<ext>) del grosor (D<in>) del extremo interior que forma la superficie periférica interior de la batería en la dirección central y el grosor (D<ext>) del extremo exterior que forma la superficie periférica exterior de la batería está en el intervalo de 1 : 1,1 a 100, basándose en la estructura de sección transversal horizontal.
[0019] En un ejemplo específico, en cada celda unitaria que forma la batería, al menos uno de un electrodo positivo y un electrodo negativo tiene una estructura en la que una distancia entre electrodos disminuye en una dirección central desde el extremo exterior que forma una superficie periférica exterior de la batería basándose en la estructura de sección transversal horizontal.
[0020] De acuerdo con la invención, cada celda unitaria comprende un electrodo positivo y un electrodo negativo, y cada uno del electrodo positivo y del electrodo negativo tiene una estructura en la que se aplica una capa de mezcla que incluye un material activo sobre un colector de corriente metálico, y en donde al menos uno del electrodo positivo o del electrodo negativo tiene una estructura en la que el grosor de la capa de mezcla aplicada sobre el colector de corriente metálico disminuye en una dirección hacia el eje central desde el extremo exterior que forma la superficie periférica exterior de la batería, basándose en la estructura de sección horizontal.
[0021] De acuerdo con la invención, en cada celda unitaria, al menos uno del electrodo positivo o del electrodo negativo tiene una estructura en la que una densidad de la capa de mezcla aumenta en una dirección hacia el eje central desde el extremo exterior que forma la superficie periférica exterior de la batería, basándose en la estructura de sección horizontal.
[0022] En un ejemplo, cada celda unitaria incluye un electrodo positivo y un electrodo negativo, y un primer separador se interpone entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, y en donde un segundo separador se interpone entre las celdas unitarias.
[0023] En un ejemplo específico, cada uno del electrodo positivo y del electrodo negativo incluye: un colector de corriente; y una capa de mezcla que incluye un material activo dispuesto sobre el colector de corriente sobre una superficie orientada hacia el primer separador.
[0024] En un ejemplo, en cada celda unitaria, al menos uno de un electrodo positivo o un electrodo negativo incluye un colector de corriente metálico que tiene una estructura porosa en la que se forman orificios pasantes en una dirección de grosor.
[0025] En un ejemplo específico, en cada celda unitaria que forma la batería, un colector de corriente metálico que forma al menos uno de un electrodo positivo y un electrodo negativo tiene una estructura porosa en la que se forma un orificio pasante, y una relación de área de los orificios pasantes en una superficie del colector de corriente metálico está en un intervalo de un 10 a un 80 %.
[0026] Por ejemplo, el colector de corriente metálico que tiene la estructura porosa tiene forma de malla.
[0027] En otro ejemplo adicional, la presente invención proporciona un dispositivo que incluye la batería secundaria descrita anteriormente. Específicamente, el dispositivo puede incluir un dispositivo portátil, un dispositivo ponible, una herramienta eléctrica que se mueve al recibir energía de un motor basado en baterías, un dron o un vehículo eléctrico (EV), un vehículo eléctrico híbrido (HEV), un vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV), una bicicleta eléctrica (E-bike), un patinete eléctrico (E-scooter), un carrito de golf eléctrico o un sistema de almacenamiento de energía.Efectos ventajosos
[0028] Una batería secundaria y un dispositivo que incluye la misma, de acuerdo con la presente invención, proponen una nueva estructura en la que se ensamblan radialmente las celdas unitarias cuyo grosor disminuye en una dirección, y cuando se aplica un colector de corriente con un orificio pasante formado en la dirección del grosor, se puede reducir la variación de la concentración de la solución electrolítica en la batería, mejorando de este modo el rendimiento de la batería.
[0029] Breve descripción de los dibujos
[0030] La Figura 1 es un diagrama esquemático que muestra una estructura en sección transversal de una batería secundaria de acuerdo con una realización de la presente invención.
[0031] Las Figuras 2 y 3 son vistas parcialmente ampliadas que muestran estructuras en sección transversal de un conjunto de electrodos en una dirección horizontal y en una dirección vertical, respectivamente, de acuerdo con una realización de la presente invención.
[0032] Las Figuras 4 y 5 son gráficos que muestran los resultados de la comparación y evaluación de las variaciones de tensión y temperatura durante la carga y descarga de una batería secundaria de acuerdo con una realización de la presente invención, respectivamente.
[0033] Realización preferente de la invención
[0034] En lo sucesivo, se describirá la presente invención en detalle con referencia a los dibujos. Los términos y palabras usados en la presente memoria descriptiva y en las reivindicaciones no deben interpretarse limitados a términos ordinarios o del diccionario y el inventor podrá definir adecuadamente el concepto de los términos para describir su invención de la mejor manera. Se debe interpretar el significado y el concepto de los términos y palabras de manera coherente con la idea técnica de la presente invención.
[0036] Además, el significado de "cilíndrico" o "circular" en la presente invención incluye no solo el caso de una forma física cilíndrica o circular, sino también el caso de que la forma general se aproxime a un cilindro o un círculo. Por ejemplo, en caso de que la sección transversal de una batería tenga una forma n-gonal, si n es igual o superior a 5 o es igual o superior a 10, debe interpretarse como incluida en la categoría circular.
[0038] En la presente invención, basándose en una estructura de sección transversal horizontal, n (n es un número entero igual a superior 5) celdas unitarias se ensamblan radialmente alrededor de un eje central para formar una batería. En el presente documento, cada celda unitaria proporciona una batería secundaria que tiene una estructura en la que el grosor de una celda disminuye en dirección de un eje central desde un extremo exterior que forma una superficie periférica exterior de la batería basándose en una estructura de sección transversal horizontal. En el paquete de baterías secundarias, de acuerdo con la presente invención, se ensambla radialmente una pluralidad de celdas unitarias para formar una batería. La forma de la batería secundaria puede tener una forma circular o una muy parecida, una forma n-gonal, o forma de abanico, basándose en una estructura de sección transversal horizontal.
[0039] El número n de celdas unitarias recogidas en la batería secundaria es un número entero igual o superior a 5 y específicamente en el intervalo de 5 a 10000, 5 a 100, 100 a 1000, 1000 a 10000, 500 a 5000 o de 3000 a 10000. El número n de celdas unitarias puede tener diversos diseños en función de la forma, estructura o de las propiedades físicas requeridas de la batería.
[0041] En una realización, en la batería secundaria, la k-ésima (k es un número entero entre 1 y n-1) celda unitaria y la k+1-ésima celda unitaria son adyacentes entre sí y están enfrentadas entre sí. Además, la primera celda unitaria y la nésima celda unitaria (n es un número entero entre 5 y 10000) son también adyacentes entre sí y están enfrentadas entre sí. Por ejemplo, en la batería secundaria, una pluralidad de celdas unitarias puede ensamblarse radialmente para formar una estructura cilíndrica. En este caso, la superficie periférica exterior de la estructura cilíndrica viene determinada por el número de celdas unitarias, y puede formarse una forma circular o n-gonal a partir de la sección transversal.
[0043] En una realización, la batería secundaria puede tener una estructura en la que se forma un hueco que penetra en dirección vertical en el centro de la batería secundaria en su conjunto y el exterior tiene forma cilíndrica. Específicamente, la batería secundaria tiene una estructura cilíndrica en la que n celdas unitarias (n es un número entero de 5 o más) se agregan radialmente alrededor de un eje central para formar un hueco basado en una estructura de sección transversal horizontal. Además, la batería secundaria tiene una relación de diámetro entre un diámetro interior y un diámetro exterior de 1 : 1,1 a 100. La relación diametral entre el diámetro interior y el diámetro exterior de la batería secundaria se calcula basándose en los valores promedio de los diámetros interior y exterior, respectivamente. En un ejemplo específico, la batería secundaria tiene una relación diametral entre el diámetro interior y el diámetro exterior de la batería en el intervalo de 1 : 1,1 a 100, 1 : 1,5 a 80, 1 : 2 a 50, 1 : 10 a 100, o 1 : 30 a 100.
[0044] En otra realización más, en cada celda unitaria que forma una batería, la relación (D<in>: D<ext>) del grosor (D<in>) del extremo interior que forma la superficie periférica interior de la batería en la dirección central y el grosor (D<ext>) del extremo exterior que forma la superficie periférica exterior de la batería está en el intervalo de 1 : 1,5 a 10, basándose en la estructura de sección horizontal. En un ejemplo específico, la relación (D<in>: D<ext>) está en el intervalo de 1 : 1,1 a 100, 1 : 1,5 a 80, 1 : 2 a 50, 1 : 10 a 100, o 1 : 30 a 100.
[0046] La celda unitaria incluida en la batería secundaria de acuerdo con la presente invención tiene una forma en la que el grosor disminuye en una dirección. Se trata de una forma diferenciada de las baterías prismáticas convencionales, baterías de tipo bolsa o baterías cilíndricas. Las baterías secundarias existentes tienen una forma externa diferente, pero las celdas unitarias que constituyen cada batería se fabrican con un grosor general uniforme, sino que simplemente se diferencian en una forma apilada o una forma sinuosa. En una realización, en cada celda unitaria que forma la batería, al menos uno del electrodo positivo y del electrodo negativo tiene una estructura en la que la distancia entre electrodos disminuye en una dirección central desde el extremo exterior que forma la superficie periférica exterior de la batería basándose en la estructura de sección transversal horizontal.
[0048] Además, aplicando una estructura en la que se ensamblan las celdas unitarias cuyo grosor disminuye en una dirección y las celdas unitarias que tienen un grosor uniforme, se puede fabricar una batería secundaria aplicable a diversos tipos de dispositivos. Por ejemplo, en el caso de un reloj inteligente móvil, se puede aplicar una batería secundaria que pueda almacenarse dentro de la correa del reloj. En el presente documento, la correa del reloj puede tener una forma en la que se combinan una zona de sección recta y una zona de sección curva. En ese momento, usando una batería secundaria que tiene una estructura en la que las celdas unitarias de grosor uniforme se ensamblan en la zona de la sección recta de la correa del reloj y las celdas unitarias cuyo grosor disminuye en una dirección se ensamblan en la zona de sección curva, se puede fabricar fácilmente una batería secundaria con la forma deseada.
[0050] En una realización específica, en cada celda unitaria que forma una batería, cada uno de un electrodo positivo y de un electrodo negativo tiene una estructura en la que una capa de mezcla que incluye un material activo se aplica sobre un colector de corriente metálico. Asimismo, al menos uno del electrodo positivo y del electrodo negativo tiene una estructura en la que el grosor de la capa de mezcla aplicada sobre el colector de corriente metálico disminuye en la dirección del eje central en el extremo exterior formando la superficie periférica exterior de la batería basándose en la estructura de sección transversal horizontal. Es decir, la presente invención está diseñada para aumentar o disminuir el grosor de la capa de mezcla de materiales cargada en el colector de corriente en una dirección, impartiendo de ese modo la orientación del grosor a la celda unitaria.
[0052] De acuerdo con la invención, en cada celda unitaria que forma una batería, cada uno de un electrodo positivo y de un electrodo negativo tiene una estructura en la que una capa de mezcla que incluye un material activo se aplica sobre un colector de corriente metálico. Asimismo, al menos uno del electrodo positivo y del electrodo negativo tiene una estructura en la que la densidad de la capa de mezcla aplicada sobre el colector de corriente metálico aumenta en la dirección del eje central desde el eje central del extremo exterior formando la superficie periférica exterior de la batería basándose en la estructura de sección transversal horizontal. Como se ha descrito anteriormente, cuando la presente invención está diseñada para aumentar o disminuir el grosor de la capa de mezcla de materiales cargada en el colector de corriente en una dirección, puede producirse una falta de uniformidad de la capacidad dependiendo de la ubicación o la dirección de las celdas unitarias. En la presente invención, diseñando para disminuir la densidad de la capa de mezcla cargada en el colector de corriente en una dirección, es posible compensar la disparidad de capacidad según la orientación del grosor en la celda unitaria. Por ejemplo, en una zona en la que el grosor de la capa de mezcla laminada sobre el colector de corriente sea pequeño, la densidad de la capa de mezcla puede ajustarse para que sea alta. La orientación de la densidad de la capa de mezcla puede realizarse presionando o despresurizando en una dirección al presionar con un rodillo mientras se carga uniformemente la capa de mezcla en el colector de corriente.
[0053] En una realización, cada celda unitaria que constituye la batería secundaria, de acuerdo con la presente invención, incluye un electrodo positivo y un electrodo negativo, un primer separador se interpone entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, y un segundo separador se interpone entre las celdas unitarias. En este caso, el electrodo positivo y el electrodo negativo pueden tener una estructura en la que una capa de mezcla que incluye un material activo se lamina sobre una superficie de un colector de corriente en una dirección orientada hacia el primer separador.
[0055] Específicamente, en cada celda unitaria que forma una batería, un colector de corriente metálico que forma al menos uno de un electrodo positivo y de un electrodo negativo tiene una estructura porosa en la que se forma un orificio pasante. En el paquete de baterías secundarias, de acuerdo con la presente invención, al aplicar en una celda unitaria un colector de corriente que tiene un orificio de tipo pasante formado en la dirección del grosor, es posible mejorar el rendimiento de la batería reduciendo la amplitud de variación de la concentración del electrolito o de los iones de litio en la batería. En la presente invención, al aplicar a la celda unitaria el colector de corriente en el que se forma el agujero de tipo pasante en dirección del grosor, se puede mantener uniformemente la concentración de iones de litio en la solución electrolítica dentro de un intervalo determinado. Mediante esto, es posible aumentar el rendimiento de la batería reduciendo un factor de sobretensión relacionado con el electrolito de entre los factores de sobretensión de una batería.
[0057] En una realización, en cada celda unitaria que forma una batería, un colector de corriente metálico que forma al menos uno de un electrodo positivo y de un electrodo negativo tiene una estructura porosa en la que se forma un orificio pasante del grosor, y la fracción de área en la que se forma el orificio de tipo pasante está en el intervalo de un 10 a un 80 %. Específicamente, la fracción de área en la que se forma el orificio pasante está en el intervalo de un 10 a un 80 %, de un 10 a un 70 %, de un 10 a un 50 %, de un 20 a un 90 %, de un 30 a un 90 % o de un 30 a un 60 %. Al controlar el número o la fracción de área por unidad de área de los orificios pasantes en el intervalo anterior, es posible reducir la tasa de deformación del colector de corriente y reducir el intervalo de variación de la concentración de solución electrolítica y la concentración de iones de litio en la batería sin una disminución significativa de la resistencia mecánica.
[0059] En un ejemplo específico, el agujero pasante tiene una estructura en la que se forman de 10 a 500 agujeros por unidad de área de 10 cm x 10 cm. Específicamente, el número de orificios pasantes por unidad de área puede ser de 10 a 300, de 10 a 200, de 10 a 100, de 10 a 70, de 30 a 50, de 50 a 500, de 100 a 200, de 50 a 300, de 100 a 500, de 30 a 200 o de 10 a 200. Por ejemplo, el colector de corriente metálico tiene forma de malla.
[0061] La batería secundaria de la presente invención es, por ejemplo, una batería secundaria de litio. La batería secundaria de litio puede incluir, por ejemplo, el conjunto de electrodos descrito anteriormente; un electrolito no acuoso que impregna el conjunto de electrodos; y una envoltura de batería que contiene el conjunto de electrodos y el electrolito no acuoso.
[0063] El electrodo positivo tiene una estructura en la que una capa de mezcla de electrodo positivo se apila en uno o ambos lados de un colector de corriente de electrodo positivo. Cada uno de los materiales activos de electrodo positivo pueden ser independientemente un óxido que contiene litio y pueden ser iguales o diferentes. Se puede usar un óxido de metal de transición que contiene litio como el óxido que contiene litio. En un ejemplo, la capa de mezcla de electrodo positivo incluye un material conductor y un polímero aglutinante además del material activo de electrodo positivo y, si es necesario, puede incluir además un aditivo de electrodo positivo comúnmente usado en la técnica.
[0064] El colector de corriente usado para el electrodo positivo es un metal que tiene una alta conductividad, y puede usarse cualquier metal al que se pueda unir fácilmente la suspensión de material activo de electrodo positivo y que no sea reactivo en el intervalo de tensión de la batería secundaria. Específicamente, los ejemplos no limitativos del colector de corriente para el electrodo positivo incluyen aluminio, níquel o una lámina fabricada mediante una combinación de los mismos. Específicamente, el colector de corriente para el electrodo positivo está formado por los componentes metálicos descritos anteriormente e incluye una placa metálica que tiene un orificio pasante en dirección del grosor, y un material de refuerzo poroso conductor de iones que rellena el orificio pasante de la placa metálica.
[0065] El electrodo negativo puede incluir además una capa de mezcla de electrodo negativo y puede incluir un material de carbono, litio metálico, silicio o estaño. Cuando se usa un material de carbono como material activo de electrodo negativo, se puede usar carbono poco cristalino y carbono altamente cristalino. Los típicos ejemplos representativos de carbono poco cristalino incluyen carbono blando y carbono duro. Ejemplos representativos de carbono altamente cristalino incluyen grafito natural, grafito Kish, carbón pirolítico, fibra de carbono a base de brea de mesofase, microesferas de mesocarbono, breas de mesofase y carbono cocido a alta temperatura, tales como coques derivados de brea de alquitrán de hulla o petróleo.
[0066] Ejemplos no limitativos del colector de corriente usado para el electrodo negativo incluyen cobre, oro, níquel o una lámina fabricada con una aleación de cobre o una combinación de los mismos. Además, el colector de corriente puede usarse apilando sustratos hechos de los materiales anteriores. Específicamente, el colector de corriente para el electrodo negativo está formado por los componentes metálicos descritos anteriormente e incluye una placa metálica que tiene un orificio pasante en dirección del grosor, y un material de refuerzo poroso conductor de iones que rellena el orificio pasante de la placa metálica.
[0067] Además, el electrodo negativo puede incluir un material conductor y un aglutinante comúnmente usados en la técnica. Los separadores primero y segundo pueden estar hechos de cualquier sustrato poroso usado en una batería secundaria de litio y, por ejemplo, se puede usar una membrana porosa a base de poliolefina o una tela no tejida, aunque la presente invención no está particularmente limitada a ello. Ejemplos de la membrana porosa a base de poliolefina incluyen polietileno, tal como polietileno de alta densidad, polietileno lineal de baja densidad, polietieleno de baja densidad, polietileno de peso molecular ultra alto y una membrana en la que los polímeros a base de poliolefina, tal como polipropileno, polibutileno y polipenteno, se forman, cada uno, solo o en una mezcla de los mismos.
[0068] De acuerdo con una realización de la presente invención, el electrolito puede ser un electrolito no acuoso. Ejemplos del disolvente para el electrolito no acuoso incluyen N-metil-2-pirrolidinona, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de butileno, carbonato de dimetilo, carbonato de dietilo, gamma-butirolactona, 1,2-dimetoxietano, tetrahidroxifurano, 2-metiltetrahidrofurano, dimetilsulfóxido, 1,3-dioxolano, formamida, dimetilformamida, dioxolano, acetonitrilo, nitrometano, formiato de metilo, acetato de metilo, triéster de ácido fosfórico, trimetoximetano, derivados de dioxolano, sulfolano, metil sulfolano, 1,3-dimetil-2-imidazolidinona, derivados de carbonato de propileno, derivados de tetrahidrofurano, éteres, pirofosfato de metilo, propionato de etilo, etc. Sin embargo, no se limita particularmente a los mismos, y se pueden agregar o restar varios componentes electrolíticos comúnmente utilizados en el campo de las baterías secundarias de litio dentro de un intervalo apropiado.
[0069] Además, la presente invención proporciona un dispositivo que incluye la batería secundaria descrita anteriormente. En un ejemplo específico, el dispositivo incluye un dispositivo móvil, un dispositivo ponible, una herramienta eléctrica que se mueve al recibir energía de un motor basado en baterías, un dron o un vehículo eléctrico (EV), un vehículo eléctrico híbrido (HEV), un vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV), una bicicleta eléctrica (E-bike), un patinete eléctrico (E-scooter), un carrito de golf eléctrico o un sistema de almacenamiento de energía.
[0070] Por ejemplo, cuando la batería secundaria de la presente invención se incluye en un reloj inteligente, que es un dispositivo electrónico móvil, las baterías convencionales de tipo bolsa requieren apilar múltiples electrodos finos sobre una superficie plana, pero la batería secundaria de la presente invención puede fabricarse en una estructura hueca por sí misma, de modo que pueden fabricarse en función de la forma de la correa de un reloj. Además, puede aplicarse a dispositivos ultrapequeños, tal como auriculares inalámbricos, porque puede alcanzar una gran capacidad en comparación con su tamaño. Por otro lado, ya que es fácil ajustar el tamaño en función del número de celdas unitarias ensambladas, se puede aplicar a grandes baterías cilíndricas para vehículos eléctricos.
[0071] En lo sucesivo, la presente invención se describirá con más detalle a través de ejemplos y dibujos. Sin embargo, las realizaciones descritas en la memoria descriptiva y las configuraciones descritas en los dibujos son únicamente las realizaciones más preferidas de la presente invención, y no representan todas las ideas técnicas de la presente invención. Se debe entender que podría haber diversos equivalentes y variaciones en lugar de estas en el momento de presentar la presente solicitud.
[0072] Ejemplo 1
[0073] se añadieron 100 partes en peso de NCM (LiNi<0,8>Co<0,1>Mn<0,1>O<2>) como material activo del electrodo positivo, 1,5 partes en peso de negro de humo (FX35, Denka) como material conductor, y 2,3 partes en peso de fluoruro de polivinilideno (KF9700, Kureha) como polímero aglutinante a NMP (N-metil-2-pirrolidona) como disolvente para preparar de este modo una suspensión de capa de mezcla de electrodo positivo. La suspensión de la capa de mezcla del electrodo positivo se recubrió sobre una cara de un colector de corriente de aluminio con orificios pasantes en dirección del grosor en una cantidad de carga de 640 mg/25 cm<2>y a continuación, se secó al vacío para obtener de este modo un electrodo positivo. En el colector de corriente de aluminio, se formaron los orificios pasantes en una fracción de área de aproximadamente un 40 %, y se formaron aproximadamente 50 orificios por unidad de área de 10 cm x 10 cm. Además, la capa de mezcla del electrodo positivo se presionó para que disminuyera secuencialmente hasta un grosor de aproximadamente un 40 % en una dirección.
[0074] Se añadieron 100 partes en peso de grafito artificial (GT, Zichen (China)) como material activo del electrodo negativo, 1,1 partes en peso de negro de humo (Super-P) como material conductor, 2,2 partes en peso de caucho de estirenobutadieno y 0,7 partes en peso de carboximetilcelulosa al agua como disolvente para preparar una suspensión de material de electrodo negativo y, a continuación, se recubrió, secó y presionó sobre una cara de un colector de corriente de cobre con orificios pasantes en dirección del grosor, para fabricar de este modo un electrodo negativo. En el colector de corriente de cobre, se formaron los orificios pasantes en una fracción de área de aproximadamente un 40 %, y se formaron aproximadamente 50 orificios por unidad de área de 10 cm x 10 cm. Además, la capa de mezcla del electrodo negativo se presionó para que disminuyera secuencialmente hasta un grosor de aproximadamente un 40 % en una dirección.
[0075] Por otro lado, el polipropileno se estiró uniaxialmente usando un método en seco para preparar un separador que tuviera una estructura microporosa con un punto de fusión de 165 °C y una anchura de 200 mm por un lado. Se ensamblaron repetidamente las celdas unitarias, que tenían una estructura en la que el primer separador se interpuso entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, y el segundo separador se situó fuera del electrodo positivo y del electrodo negativo, para preparar un conjunto de electrodos. El conjunto de electrodos tiene una estructura en la que 50 celdas unitarias se ensamblan radialmente alrededor de un eje central basándose en una estructura de sección transversal horizontal.
[0076] Una vez que el conjunto de electrodos se integró en una envoltura de batería cilíndrica hueca, se inyectó un electrolito de solución a base de carbonato con 1M de LiPF<6>para completar la batería.
[0077] La Figura 1 muestra una estructura en sección transversal de una batería secundaria fabricada. Además, La Figura 2 es una vista parcialmente ampliada de una estructura de sección transversal en dirección horizontal de un conjunto de electrodos incluido en una batería secundaria, y la Figura 3 es una vista parcialmente ampliada de una estructura de sección transversal en dirección vertical de un conjunto de electrodos incluido en una batería secundaria.
[0078] Con referencia a la Figura 1, una batería secundaria 100, de acuerdo con una realización de la presente invención, tiene una estructura en la que 50 celdas unitarias están ensambladas radialmente alrededor de un eje central basándose en una estructura de sección transversal horizontal. Además, cada celda unitaria tiene una estructura en la que el grosor de la celda disminuye en dirección del eje central desde un extremo exterior que forma una superficie periférica exterior de la batería basándose en una estructura de sección transversal horizontal.
[0079] Con referencia a la Figura 2, las celdas unitarias que constituyen la batería secundaria tienen una estructura en la que un colector de corriente de electrodo negativo 110, una capa de mezcla de electrodo negativo 111, un primer separador 131, una capa de mezcla de electrodo positivo 121, un colector de corriente de electrodo positivo 120 y un segundo separador 132 se apilan secuencialmente. Además, el colector de corriente de electrodo negativo 110 y el colector de corriente de electrodo positivo 120 tienen una estructura en la que se forman orificios pasantes en dirección del grosor. La capa de mezcla de electrodo negativo 111 y la capa de mezcla de electrodo positivo 121 tienen, cada una de ellas, una estructura en la que el grosor de las capas de mezcla 111 y 121 aplicadas sobre los colectores de corriente metálicos 110 y 120 disminuye y la densidad aumenta en dirección del eje central desde el extremo exterior que forma la superficie periférica exterior de la batería.
[0080] Con referencia a la Figura 3, en las celdas unitarias que constituyen la batería secundaria, se repite una estructura, en la que un colector de corriente de electrodo negativo 110, una capa de mezcla de electrodo negativo 111, un primer separador 131, una capa de mezcla de electrodo positivo 121, un colector de corriente de electrodo positivo 120 y un segundo separador 132 se apilan secuencialmente. Además, el colector de corriente de electrodo negativo 110 y el colector de corriente de electrodo positivo 120 tienen una estructura en la que se forman orificios pasantes en dirección del grosor. En el colector de corriente de electrodo negativo 110 y en el colector de corriente de electrodo positivo 120 se forma una pluralidad de orificios pasantes que favorecen el flujo fluido de los iones de litio.
[0081] Ejemplo 2
[0082] Se fabricó una batería secundaria de la misma manera que en el Ejemplo 1, salvo que se usó un colector de corriente con estructura de malla para cada uno de los colectores de corriente de aluminio y cobre.
[0083] Ejemplo comparativo 1
[0084] Se preparó un electrodo positivo y un electrodo negativo de la misma manera que en el Ejemplo 1, salvo que no se formaron orificios pasantes en los colectores de corriente de electrodo positivo y de electrodo negativo, respectivamente, y no se formó el gradiente de grosor de la capa de mezcla del electrodo positivo y del electrodo negativo.
[0085] Por otro lado, el polipropileno se estiró uniaxialmente usando un método en seco para preparar un separador que tuviera una estructura microporosa con un punto de fusión de 165 °C y una anchura de 200 mm por un lado. Se ensamblaron repetidamente las celdas unitarias, que tenían una estructura en la que el primer separador se interpuso entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, y el segundo separador se situó fuera del electrodo positivo y del electrodo negativo, para preparar un conjunto de electrodos. El conjunto de electrodos tiene una estructura en la que se ensamblan secuencialmente 50 celdas unitarias.
[0086] Una vez que el conjunto de electrodos se integró en una envoltura de batería rectangular hueca, se inyectó un electrolito de solución a base de carbonato con 1M de LiPF<6>para completar la batería.
[0087] Ejemplo experimental 1: Evaluación de las propiedades de la batería secundaria
[0088] Se evaluaron las propiedades físicas de cada batería secundaria preparada en el Ejemplo 1 y en el Ejemplo comparativo 1. Específicamente, se realizaron cargas y descargas para cada batería secundaria y se midieron las variaciones de tensión y temperatura durante la carga y la descarga, respectivamente. La carga y descarga de la batería secundaria se realizó a 20 °C y 1 C.
[0089] El resultado de la evaluación de la variación de tensión durante la carga y descarga de la batería secundaria se muestra en la Figura 4, y el resultado de la evaluación de la variación de temperatura durante la carga y descarga de la batería secundaria se muestra en la Figura 5.
[0090] En primer lugar, con referencia a la Figura 4, se puede observar que la batería secundaria, de acuerdo con el Ejemplo 1, tiene una tensión de descarga elevada y una tensión de carga baja en comparación con el Ejemplo comparativo 1. Mediante esto, se puede observar que la batería secundaria, de acuerdo con el Ejemplo 1, proporciona mayor potencia cuando se aplica a un producto y requiere menor potencia de carga cuando se recarga.
[0091] Con referencia a la Figura 5, se puede observar que la batería secundaria, de acuerdo con el Ejemplo 1, tiene una temperatura más baja durante la carga y la descarga y una variación notablemente pequeña, en comparación con el Ejemplo comparativo 1. Por consiguiente, la batería secundaria, de acuerdo con la primera realización, tiene un menor rendimiento de refrigeración requerido y es posible un diseño más compacto.
[0092] Por lo tanto, la batería secundaria puede aplicarse a diversos dispositivos móviles, dispositivos ponibles, etc., y es particularmente adecuado para dispositivos pequeños, tales como auriculares inalámbricos y relojes inteligentes, especialmente, dispositivos que requieren un uso prolongado y están limitados por el peso y el volumen de una batería secundaria.
[0093] Además, ya que la batería secundaria tiene un rendimiento excelente, se puede usar en herramientas eléctricas accionadas por un motor basado en baterías y es adecuada para su aplicación en sistemas de almacenamiento de electricidad, así como en drones, vehículos eléctricos, incluyendo vehículos eléctricos (EV), vehículos eléctricos híbridos (VEH), vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV), etc., vehículos eléctricos de dos ruedas, incluyendo bicicletas eléctricas (E-bikes) y patinetes eléctricos (E-scooters), y medios de transporte que usan electricidad de alta potencia, tal como carritos de golf eléctricos.
[0094] Descripción de los números de referencia
[0095] 100: batería secundaria
[0096] 110: colector de corriente de electrodo negativo
[0097] 111: capa de mezcla de electrodo negativo
[0098] 120: colector de corriente de electrodo positivo
[0099] 121: capa de mezcla de electrodo positivo
[0100] 131: primer separador
[0101] 132: segundo separador

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES
1. Una batería secundaria (100) que tiene una estructura en la que n celdas unitarias están ensambladas radialmente alrededor de un eje central basándose en una estructura de sección transversal horizontal,
en donde n es un número entero igual o superior a 5, y
en donde cada celda unitaria tiene una estructura en la que un grosor disminuye en una dirección hacia el eje central desde un extremo exterior que forma una superficie periférica exterior de la batería secundaria (100) basándose en la estructura de sección transversal horizontal,
en donde cada celda unitaria comprende un electrodo positivo y un electrodo negativo, y cada uno del electrodo positivo y del electrodo negativo tiene una estructura en la que una capa de mezcla (111, 121) que incluye un material activo se aplica sobre un colector de corriente metálico (110, 120), y
en donde al menos uno del electrodo positivo o del electrodo negativo tiene una estructura en la que un grosor de la capa de mezcla (111, 121) aplicada sobre el colector de corriente metálico (110, 120) disminuye en una dirección hacia el eje central desde el extremo exterior que forma la superficie periférica exterior de la batería, basándose en la estructura de sección horizontal,
en donde, en cada celda unitaria, al menos uno del electrodo positivo o del electrodo negativo tiene una estructura en la que una densidad de la capa de mezcla (111, 121) aumenta en una dirección hacia el eje central desde el extremo exterior que forma la superficie periférica exterior de la batería, basándose en la estructura de sección horizontal.
2. La batería secundaria (100) de la reivindicación 1, en donde una k<ésima>celda unitaria y una (k+1)<ésima>celda unitaria son adyacentes entre sí y están enfrentadas entre sí,
en donde k es un número entero entre 1 y n-1,
en donde una primera celda unitaria y una n<ésima>celda unitaria son también adyacentes entre sí y están enfrentadas entre sí, y
en donde n es un número entero entre 5 y 10000.
3. La batería secundaria (100) de la reivindicación 1, en donde la batería secundaria (100) tiene una estructura cilíndrica en la que n celdas unitarias están ensambladas radialmente alrededor del eje central para formar un hueco basándose en la estructura de sección transversal horizontal,
en donde n es un número entero igual o superior a 5, y
en donde la relación de diámetro de los diámetros interior y exterior de la batería secundaria (100) está en un intervalo de 1 : 1,1 a 100.
4. La batería secundaria (100) de la reivindicación 1, en donde, en cada celda unitaria que forma una batería, la relación (D<in>: D<ext>) del grosor (D<in>) del extremo interior que forma la superficie periférica interior de la batería en la dirección central y el grosor (D<ext>) del extremo exterior que forma la superficie periférica exterior de la batería está en el intervalo de 1 : 1,1 a 100, basándose en la estructura de sección transversal horizontal.
5. La batería secundaria (100) de la reivindicación 1, en donde cada celda unitaria incluye un electrodo positivo y un electrodo negativo, y un primer separador (131) se interpone entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, y en donde un segundo separador (132) se interpone entre las celdas unitarias.
6. La batería secundaria (100) de la reivindicación 5, en donde cada uno del electrodo positivo y del electrodo negativo incluye: un colector de corriente (110, 120); y una capa de mezcla (111, 121) que incluye un material activo dispuesto sobre el colector de corriente (110, 120) sobre una superficie orientada hacia el primer separador (131).
7. La batería secundaria (100) de la reivindicación 1, en donde, en cada celda unitaria, al menos uno de un electrodo positivo o de un electrodo negativo incluye un colector de corriente metálico (110, 120) que tiene una estructura porosa en la que se forman orificios pasantes en dirección del grosor.
8. La batería secundaria (100) de la reivindicación 7, en donde, en cada celda unitaria,
una relación de área de los orificios pasantes en una superficie del colector de corriente metálico (110, 120) está en un intervalo de un 10 a un 80 %.
9. La batería secundaria (100) de la reivindicación 7, en donde el colector de corriente metálico (110, 120) tiene forma de malla.
10. Un dispositivo que comprende la batería secundaria (100) de acuerdo con la reivindicación 1.
11. El dispositivo de la reivindicación 10, en donde el dispositivo incluye un dispositivo móvil, un dispositivo ponible, una herramienta eléctrica que se mueve al recibir energía de un motor basado en baterías, un dron o un vehículo eléctrico (EV), un vehículo eléctrico híbrido (HEV), un vehículo eléctrico híbrido enchufable (PHEV), una bicicleta
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