ES3056695T3 - Method for evaluating safety of an electrochemical element for inducing internal short circuit and such an electrochemical element - Google Patents

Method for evaluating safety of an electrochemical element for inducing internal short circuit and such an electrochemical element

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ES3056695T3 ES20849878T ES20849878T ES3056695T3 ES 3056695 T3 ES3056695 T3 ES 3056695T3 ES 20849878 T ES20849878 T ES 20849878T ES 20849878 T ES20849878 T ES 20849878T ES 3056695 T3 ES3056695 T3 ES 3056695T3
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Abstract

La presente invención se refiere a un elemento electroquímico que comprende un separador con orificios pasantes, un material de cubierta para los orificios pasantes y un espaciador; y a un método para utilizar dicho elemento electroquímico para evaluar la seguridad de un dispositivo de almacenamiento de energía mediante un cortocircuito interno. Un dispositivo de almacenamiento de energía que incluye el elemento electroquímico según la presente invención se caracteriza porque, tras una prueba de evaluación de cortocircuito interno, el dispositivo puede restaurarse a un estado en el que no se ha producido ningún cortocircuito; y puede repetirse la prueba y la evaluación sin desmontar ni volver a montar. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Método para evaluar la seguridad de un elemento electroquímico para inducir un cortocircuito interno y tal elemento electroquímico
[0003] Sector de la técnica
[0004] La presente invención se refiere a un método para evaluar la seguridad de un dispositivo de almacenamiento de energía debido a un cortocircuito interno utilizando un dispositivo electroquímico y un dispositivo electroquímico que incluye un separador que tiene un orificio pasante, un material de recubrimiento de orificio pasante y un espaciador. Esta solicitud reivindica el beneficio de prioridad basado en la Solicitud de patente coreana n.º 10-2019-0096020, presentada el 7 de agosto de 2019.
[0005] La invención está definida por las reivindicaciones.
[0006] Estado de la técnica
[0007] A medida que aumenta el precio de las fuentes de energía debido al agotamiento de los combustibles fósiles y aumenta el interés por la contaminación ambiental, la demanda de fuentes de energía alternativas y respetuosas con el medio ambiente se convierte en un factor indispensable para la vida futura. Especialmente, a medida que aumentan el desarrollo tecnológico y la demanda de dispositivos móviles, la demanda de baterías secundarias como fuente de energía aumenta rápidamente.
[0008] Normalmente, en términos de forma de la batería, existe una gran demanda de una batería secundaria prismática y de una batería secundaria de tipo bolsa que pueda aplicarse a productos, tales como teléfonos móviles de pequeño grosor. En términos de materiales, existe una gran demanda de baterías secundarias de litio, tales como las baterías de iones de litio y las baterías de polímero de iones de litio, de alta densidad energética, tensión de descarga y estabilidad de salida.
[0009] Generalmente, para preparar una batería secundaria, en primer lugar, se forma un electrodo positivo y un electrodo negativo aplicando una mezcla para electrodos que contiene un material activo para electrodos a una superficie de un colector de corriente, a continuación, se interpone un separador entre los mismos para elaborar de este modo un conjunto de electrodos, que a continuación, se monta en una lata metálica cilíndrica o rectangular o dentro de una funda de tipo bolsa de una lámina de aluminio laminado, y se inyecta o impregna un electrolito líquido en el conjunto de electrodos o un electrolito sólido para preparar una batería secundaria.
[0010] Además, las baterías secundarias se clasifican según la estructura del conjunto de electrodos que tiene una estructura de electrodo positivo/separador/electrodo negativo. Entre los ejemplos representativos de la misma se incluye un conjunto de electrodos de tipo rollo de gelatina (enrollado), en el que los electrodos positivos y los electrodos negativos se enrollan con un separador interpuesto entre los mismos, un conjunto de electrodos apilados, en el que una pluralidad de electrodos positivos y negativos cortados en una unidad de tamaño predeterminado se apilan secuencialmente con un separador interpuesto entre los mismos, y un conjunto de electrodos apilados/plegables en el que unas celdas dobles o celdas completas se enrollan con una lámina separadora, en las que los electrodos positivo y negativo de una unidad predeterminada se apilan con un separador interpuesto entre los mismos.
[0011] Por otro lado, el electrodo genera una corriente mediante el intercambio de iones, y el electrodo positivo y el electrodo negativo que constituyen el electrodo tienen una estructura en la que el material activo del electrodo se aplica al colector de corriente del electrodo hecho de metal.
[0012] En general, el electrodo negativo tiene una estructura en la que un material activo a base de carbono está recubierto sobre una placa de electrodo hecha de cobre o aluminio, y el electrodo positivo tiene una estructura en la que un material activo hecho de LiCoO<2>, LiMnO<2>, LiNiO<2>o similares se recubre sobre una placa de electrodo hecha de aluminio, etc.
[0013] Para fabricar un electrodo positivo o un electrodo negativo, se recubre un colector de corriente de electrodo hecho de una lámina metálica alargada en una dirección, con una mezcla para electrodos que incluye un material activo de electrodo.
[0014] El separador está situado entre el electrodo positivo y el electrodo negativo de la batería para realizar el aislamiento y mantener el electrolito para proporcionar un paso para la conducción de iones.
[0015] La batería secundaria es una batería recargable fabricada utilizando un material que puede repetir una pluralidad de procesos redox entre una corriente y un material. Cuando la reacción de reducción se realiza en el material mediante la corriente, esta se carga de potencia, y cuando la reacción de oxidación se realiza en el material, se descarga de potencia. En el presente documento, a medida que se realiza repetidamente la carga-descarga, se genera electricidad.
[0016] La batería secundaria de litio tiene el problema de su baja seguridad, al tiempo que cuenta con excelentes propiedades eléctricas. Por ejemplo, las baterías secundarias de litio generan calor y gas debido a la reacción de descomposición de los materiales activos y los electrolitos, que son componentes de la batería, en condiciones de funcionamiento anómalas tales como sobrecarga, sobredescarga, exposición a altas temperaturas y las condiciones resultantes de alta temperatura y alta presión favorecen aún más la reacción de descomposición y a veces provocan un incendio o una explosión.
[0017] Adicionalmente, es muy importante garantizar la seguridad incluso cuando se produce un cortocircuito interno en la batería, y con este fin, es importante evaluar correctamente la seguridad de la batería cuando se produce un cortocircuito interno. Como elemento de estabilidad de la batería para baterías secundarias de litio, se explican detalles sobre un ensayo de evaluación de baterías para evaluar el comportamiento de generación de calor durante cortocircuitos internos en la norma UL para baterías de litio (UL1642), sobre Directrices de la Asociación de la Industria de Baterías (SBA G1101-1997 Lithium Secondary Battery Safety Evaluation Criteria Guidelines), etc.
[0018] Existe un método consistente en poner un elemento calefactor dentro de la celda de la batería para inducir un cortocircuito interno y generar calor interno por el elemento calefactor, un método consistente en perforar previamente un separador interno y tratar la zona con productos químicos para que de este modo se disuelva a una temperatura determinada, y un método para inducir un cortocircuito interno rompiendo el separador mediante la inserción de un tipo determinado de material metálico y la aplicación de una fuerza externa. Sin embargo, en el primer método, el producto y la forma reales serían diferentes debido al elemento calefactor dentro de la celda y a la fuente de calor externa. En el caso del segundo método, era necesario deformar el separador utilizado efectivamente y se realizó un tratamiento químico en la parte en la que el separador estaba dañado, por lo que existía el problema de que las características podían ser diferentes a las de los productos existentes, y la reacción deseada podía no producirse debido a reacciones secundarias causadas por la reacción química dentro de la celda.
[0019] Por otro lado, la publicación de patente de EE. UU, n.º 2013-0209841 (documento de patente 1) divulga un dispositivo de inducción de cortocircuito interno de una batería, en el que después de perforar un separador, se inserta una placa de cobre en una celda de batería, a continuación, se colocan placas de cobre y aluminio a ambos lados del separador y, después, se instala una capa de cera entre la placa de cobre y el separador o entre la placa de aluminio y el separador. Cuando la temperatura se eleva por encima del punto de fusión de la capa de cera en el dispositivo de inducción de cortocircuito interno, se retira la capa de cera y los electrodos positivo y negativo se conectan eléctricamente mediante placas de cobre y aluminio, provocando un cortocircuito interno. Sin embargo, este método tiene el problema de que el proceso de fabricación del dispositivo de inducción de cortocircuito interno es complicado y el coste es elevado, y la celda de batería debe desmontarse y volverse a montar para repetir su utilización.
[0020] El documento EP 3826097 A1 divulga una celda de batería.
[0021] Objeto de la invención
[0022] Problema técnico
[0023] La presente invención se creó para resolver los problemas anteriores, y un objetivo de la presente invención es proporcionar un método para evaluar la seguridad del dispositivo de almacenamiento de energía utilizando el dispositivo electroquímico y un dispositivo electroquímico para evaluar la seguridad de un dispositivo de almacenamiento de energía sin modificar físicamente la estructura de la celda de batería.
[0024] Solución técnica
[0025] Estos objetivos se alcanzan con un método según la reivindicación 1 y un dispositivo electroquímico según la reivindicación 3.
[0026] Las reivindicaciones dependientes están dirigidas a las características de las realizaciones preferidas de la invención.
[0027] Efectos ventajosos
[0028] El dispositivo electroquímico para inducir un cortocircuito interno de la presente invención mejora el problema de que el dispositivo de almacenamiento de energía se deforme físicamente después de un ensayo de evaluación de cortocircuito interno, que era el mayor problema de los métodos convencionales, y los cortocircuitos internos pueden inducirse en una variedad de condiciones y entornos sin cambios físicos. Adicionalmente, si no hay deformación del dispositivo de almacenamiento de energía tras la evaluación del cortocircuito interno, el material de recubrimiento de orificio pasante dentro del dispositivo electroquímico se puede volver a desplazar de modo que se solape con el orificio pasante del separador, y se puede restituir a un estado en el que no se produce ningún cortocircuito. Como tal, la repetición de los ensayos y la evaluación son posibles sin necesidad de desmontar y volver a montar.
[0029] Descripción de la figuras
[0030] La Figura 1 muestra esquemáticamente la estructura de una celda de batería que incluye un dispositivo electroquímico, según una realización de la presente invención.
[0031] La Figura 2 muestra esquemáticamente la estructura de un material de recubrimiento de orificio pasante, según una realización de la presente invención.
[0032] La Figura 3 muestra esquemáticamente una estructura que incluye un dispositivo electroquímico, según otra realización de la presente invención.
[0033] La Figura 4 ilustra esquemáticamente un proceso de desplazamiento del material de recubrimiento de orificio pasante para inducir un cortocircuito interno en el dispositivo electroquímico de la presente invención, y a continuación, volver a desplazar el material de recubrimiento de orificio pasante para recubrir el orificio pasante.
[0034] Descripción detallada de la invención
[0035] Como el concepto inventivo permite varios cambios y numerosas realizaciones, se ilustrarán realizaciones particulares en los dibujos y se describirán detalladamente en el texto. Sin embargo, esto no tiene por objeto limitar la presente invención a la forma específica divulgada.
[0036] Al describir los dibujos, se utilizan números de referencia similares para elementos similares. En los dibujos adjuntos, las dimensiones de las estructuras se muestran a escala ampliada para mayor claridad de la invención. Los términos utilizados para describir los distintos componentes son para una mejor comprensión y los componentes no deben estar limitados por los términos. Los términos se utilizan solo con el fin de distinguir un componente de otro. Por ejemplo, sin alejarse del alcance de la presente invención, se puede hacer referencia a un primer componente como segundo componente, y de manera similar, también se puede hacer referencia al segundo componente como primer componente. Las expresiones singulares incluyen expresiones plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
[0037] En la presente solicitud, se debe entender que términos tales como "incluir" o "tener" tienen por objeto indicar que existe una característica, número, etapa, operación, componente, parte o una combinación de los mismos descritos en la memoria descriptiva, y no excluyen de antemano la posibilidad de la presencia o adición de una o más características o números, etapas, operaciones, componentes, partes o combinaciones distintas de los mismos. Asimismo, cuando se hace referencia que una porción, tal como una capa, película, zona, placa, etc., está "sobre" otra porción, esto incluye no solo el caso en que la porción está "directamente sobre" la otra porción, sino también el caso en el que otra porción se interpone entre las mismas. Por otro lado, cuando se hace referencia que una porción, tal como una capa, película, zona, placa, etc., está "debajo de" otra porción, esto incluye no solo el caso en que la porción está "directamente debajo de" la otra porción, sino también el caso en el que otra porción se interpone entre las mismas. Adicionalmente, disponerse "sobre" en la presente solicitud puede incluir el caso dispuesto tanto en la parte inferior como en la superior.
[0038] En la memoria descriptiva de la presente invención, "recubrir" significa que la parte expuesta de un objeto se coloca en un lado, de modo que el objeto no sea visible, y cuando un objeto está "cubierto", significa que el exterior del objeto ya no se revela por el lado cubierto. Por ejemplo, "el orificio pasante está recubierto con el material de recubrimiento de orificio pasante" quiere decir que el material de recubrimiento de orificio pasante está solapando el orificio pasante, y la parte del orificio pasante ya no está expuesta por el lado cubierto con el material de recubrimiento de orificio pasante.
[0039] De aquí en adelante, la presente invención se describe en detalle.
[0040] El ensayo de cortocircuito interno es un ensayo para evaluar la resistencia al cortocircuito interno de entre los ensayos de seguridad de la batería, y es un ensayo simulado cuando un electrodo positivo y un electrodo negativo se cortocircuitan dentro de la batería. En el ensayo de cortocircuito interno, primero se prepara una batería de evaluación totalmente cargada, se genera un cortocircuito interno y se evalúa el comportamiento de la batería. En general, cuando se produce un cortocircuito interno, la batería se descarga y la tensión disminuye, y el ensayo se realiza hasta que la tensión disminuye por debajo de un valor determinado para evaluar la presencia o ausencia de rotura, así como la tensión y la temperatura de la batería, etc.
[0041] A modo de ejemplo de dispositivo de inducción de cortocircuito interno diseñado para evaluar la seguridad de las baterías, en el caso de un dispositivo de inducción de cortocircuito interno desarrollado por el Instituto nacional de investigación energética (NREL) estadounidense, se coloca un aislante hecho de cera entre los electrodos positivo y negativo para separar físicamente los electrodos positivo y negativo. Seguidamente, cuando la batería se ha cargado y descargado y la temperatura interna de la batería aumenta hasta el punto de fusión de la cera, se retira la cera, y el electrodo positivo y el negativo entran en contacto directo, provocando un cortocircuito dentro de la batería.
[0042] Específicamente, el dispositivo convencional de inducción de cortocircuito interno crea un orificio al perforar una parte de un separador 120, inserta en el orificio un bloque hecho de un material metálico tal como el cobre e interpone una capa de cera en un lado del bloque metálico. Adicionalmente, la placa del electrodo positivo se une a la parte del separador en la que no está interpuesta la capa de cera, y la placa de electrodo negativo se une a la capa de cera.
[0043] Cuando se retira la capa de cera, el electrodo positivo, el bloque metálico y el electrodo negativo entran en contacto directo, provocando de este modo un cortocircuito.
[0044] En una batería secundaria de iones de litio, se produce una reacción redox cuando los iones de litio se desplazan entre los electrodos negativo y positivo. Sin embargo, en caso de que la batería tenga el miembro de inducción de cortocircuito convencional, como se ha descrito anteriormente, se forma una región que no reacciona porque es imposible que los iones de litio se desplacen debido a la placa de aluminio y la placa de cobre en la porción donde está instalado el miembro de inducción de cortocircuito. Debido a la región que no reacciona, el rendimiento de la batería, tal como la capacidad, se reduce en comparación con las baterías convencionales, y la precisión de la evaluación de seguridad se reduce porque es difícil simular el comportamiento correcto de la batería cuando se produce un cortocircuito interno. Adicionalmente, en el caso del dispositivo convencional de inducción de cortocircuito interno, el coste de fabricación es elevado, y la celda de la batería debe desmontarse y volver a montarse para incluir la estructura del dispositivo de inducción de cortocircuito con el fin de reutilizarlo tras insertarlo en la celda de batería para su montaje y ensayo. Sin embargo, durante el proceso de volver a montarse, la alineación del conjunto puede distorsionarse o la estructura de la celda de batería puede deformarse, lo que puede provocar problemas de seguridad inesperados.
[0045] Además del método descrito anteriormente, existe un método de ensayo para el cortocircuito interno de una celda de batería utilizando una aleación con memoria de forma. Sin embargo, esto también tiene la limitación de que la batería debe calentarse hasta una temperatura determinada o superior, y a medida que la forma de la aleación con memoria de forma insertada dentro de la celda de batería se deforma, existe el riesgo de que se distorsionen otros componentes de la celda de batería además del separador.
[0046] Otros métodos conocidos incluyen la prueba de penetración de clavos y la prueba de aplastamiento. Sin embargo, deforman de forma irreversible y permanente la propia celda de batería, y existe el problema de que habría que fabricar una nueva celda de batería para cada prueba.
[0047] En la presente invención, el dispositivo electroquímico se puede utilizar sin limitación en dispositivos de almacenamiento de energía tales como condensadores y baterías secundarias que incluyan electrodos positivos, electrodos negativos y separadores, y constituye un perfeccionamiento adicional de la técnica anterior.
[0048] Específicamente, el dispositivo electroquímico de la presente invención se puede utilizar en un conjunto de electrodos dentro de una celda de batería de una batería secundaria de litio, y no hay limitación en la forma de la batería tal como una batería cilíndrica, una batería de tipo bolsa, una batería prismática o una batería de tipo moneda, pero en una realización de la presente invención, se ha utilizado una batería de tipo bolsa.
[0049] El conjunto de electrodos tiene una estructura en la que un electrodo negativo y un electrodo positivo están apilados alternadamente con un separador interpuesto entre los electrodos e impregnado con un electrolito no acuoso de sal de litio. El electrodo de la batería secundaria puede fabricarse aplicando una mezcla para electrodos que contenga un material activo de electrodo sobre un colector de corriente y secando a continuación la mezcla de electrodo. La mezcla para electrodos puede incluir además un aglutinante, un material conductor, un relleno y similares, según sea necesario.
[0050] En la presente invención, el colector del electrodo positivo generalmente tiene un grosor de 3 a 500 micrómetros. El colector de corriente del electrodo positivo no está particularmente limitado siempre y cuando tenga una alta conductividad sin provocar un cambio químico en la batería. Entre los ejemplos del colector de corriente de electrodo positivo se incluye el acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbono o aluminio sinterizado o acero inoxidable cuya superficie se ha tratado con carbono, níquel, titanio, plata o similares. El colector de corriente puede tener finas irregularidades en la superficie del mismo para aumentar la adherencia del material activo del electrodo positivo, y son posibles diversas formas tales como una película, una lámina, una hoja metálica, una red, un cuerpo poroso, una espuma y un tejido no tejido.
[0051] La lámina para el colector del electrodo negativo generalmente tiene un grosor de 3 a 500 micrómetros. El colector de corriente del electrodo negativo no está particularmente limitado, siempre y cuando tenga conductividad eléctrica sin provocar cambios químicos en la batería, y ejemplos del mismo incluyen el cobre, acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbono sinterizado, cobre o acero inoxidable cuya superficie se ha tratado con carbono, níquel, titanio, plata o similares, aleación de aluminio-cadmio o similares. Adicionalmente, al igual que con el colector de corriente de electrodo positivo, se pueden formar finas irregularidades en la superficie para mejorar la fuerza de adhesión del material activo del electrodo negativo, y se puede utilizar de diversas formas tal como una película, una lámina, una hoja metálica, una red, un cuerpo poroso, una espuma y un tejido no tejido.
[0052] En la presente invención, el material activo del electrodo positivo es un material capaz de provocar una reacción electroquímica y un óxido de litio con metal de transición, y contiene dos o más metales de transición. Entre los ejemplos del mismo se incluye: compuestos en capas, tales como óxido de litio y cobalto (LiCoO<2>) y óxido de litio y níquel (LiNiO<2>) sustituido con uno o más metales de transición; óxido de litio y manganeso sustituido con uno o más metales de transición; óxido de litio y níquel representado por la fórmula LiNi<1-y>M<y>O<2>(en donde M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn o Ga y contiene al menos uno de los elementos anteriores, 0,01 ≤ y < 0,7); óxido compuesto de litio, níquel, cobalto y manganeso representado por la fórmula Li<1+z>Ni<b>Mn<c>Co<1-(b+c+d)>M<d>O<(2-e)>A<e>, tal como Li<1+z>Ni<1/3>CO<1/3>Mn<1/3>O<2>, Li<1+z>Ni<0.4>Mn<0.4>Co<0.2>O<2>etc. (en donde -0,5≤z≤0,5, 0,1≤b≤0,8, 0,1≤c≤0,8, 0≤d≤0,2, 0≤e≤0,2, b+c+d<1, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si o Y, y A = F, P o Cl); fosfato de metal de litio a base de olivino representado por la fórmula Li<1+x>M+M'<y>PO<4-z>X<z>(en donde M = metal de transición, preferentemente, Fe, Mn, Co o Ni, M'= Al, Mg o Ti, X = F, S o N, y -0,5≤x≤0,5, 0≤y≤0,5, 0≤z≤0,1).
[0053] Entre los ejemplos del material activo del electrodo negativo se incluye el carbono, tal como carbono no grafitizado y carbono grafitado; óxido complejo metálico, tal como Li<x>Fe<2>O<3>(0≤x≤1), Li<x>WO<2>(0≤x≤1), Sn<x>Me<1-x>Me'<y>O<z>(Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, grupos 1, 2 y 3 de la tabla periódica, halógeno; 0<x≤1; 1≤y≤3; 1≤z≤8); aleación de litio; aleación de silicio; aleación de estaño; óxidos metálicos, tales como SnO, SnO<2>, PbO, PbO<2>, Pb<2>O<3>, Pb<3>O<4>, Sb<2>O<3>, Sb<2>O<4>, Sb<2>O<5>, GeO, GeO<2>, Bi<2>O<3>, Bi<2>O<4>y Bi<2>O<5>; polímeros conductores, tales como el poliacetileno; y materiales a base de Li-Co-Ni.
[0054] El material conductor suele añadirse en una cantidad del 1 al 30 % en peso basándose en el peso total de la mezcla, incluyendo el material activo del electrodo positivo. Tal material conductor no está particularmente limitado siempre y cuando tenga conductividad eléctrica sin provocar un cambio químico en la batería, y entre los ejemplos del mismo se incluye el grafito, tal como grafito natural y grafito artificial; negro de carbono tal como negro de carbón, negro de acetileno, negro de Ketjen, negro de canal, negro de horno, negro de lámpara y negro verano; fibras conductoras, tales como fibras de carbono y fibras metálicas; polvos metálicos, tales como el fluoruro de carbono, aluminio y níquel en polvo; hilo conductor tal como óxido de zinc y titanato de potasio; óxidos metálicos conductores tales como el óxido de titanio; y materiales conductores, tales como derivados del polifenileno y similares.
[0055] El aglutinante se añade en una cantidad de 1 a 30 % en peso, basándose en el peso total de la mezcla que contiene el material activo del electrodo positivo, como componente que ayuda a la unión entre el material activo y el material conductor y a la unión con el colector de corriente. Entre los ejemplos de tales aglutinantes se incluye fluoruro de polivinilideno, alcohol de polivinilo, carboximetilcelulosa (CMC), almidón, hidroxipropilcelulosa, celulosa regenerada, polivinilpirrolidona, tetrafluoroetileno, polietileno, polipropileno, terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno-butileno, caucho fluorado, diversos copolímeros y similares.
[0056] El relleno se utiliza opcionalmente como componente para inhibir la expansión de un electrodo, y no está particularmente limitado siempre y cuando sea un material fibroso sin provocar un cambio químico en la batería. Entre los ejemplos del relleno se incluye polímeros de olefina, tales como polietileno y polipropileno; materiales fibrosos, tales como fibras de vidrio y fibras de carbono.
[0057] Otros componentes, tales como modificadores de la viscosidad, promotores de la adherencia y similares pueden incluirse además opcionalmente o en combinaciones de dos o más. El modificador de la viscosidad es un componente que ajusta la viscosidad de la mezcla para electrodos, de modo que el proceso de mezclado de la mezcla para electrodos y el proceso de recubrimiento del colector de corriente con el mismo se puedan facilitar, y puede añadirse hasta un 30 % en peso basándose en el peso total de la mezcla para electrodos negativos. Entre los ejemplos de tal modificador de la viscosidad se incluye carboximetilcelulosa, fluoruro de polivinilideno y similares, aunque sin limitarse a ello. En algunos casos, el disolvente descrito anteriormente puede servir como modificador de la viscosidad.
[0058] El promotor de adherencia es un componente auxiliar que se añade para mejorar la adherencia del material activo al colector de corriente y puede añadirse en menos de un 10 % en peso con respecto al aglutinante, y algunos ejemplos del mismo incluyen el ácido oxálico, ácido adípico, ácido fórmico, derivados del ácido acrílico, derivados del ácido itacónico y similares.
[0059] El separador se interpone entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, y se utiliza una fina película aislante que tiene una alta permeabilidad iónica y resistencia mecánica. El diámetro de los poros del separador es generalmente de 0,01 a 10 micrómetros, y el grosor es generalmente de 5 a 300 micrómetros. Entre los ejemplos de tal separador se incluyen polímeros basados en olefinas, tales como el polipropileno que es químicamente resistente e hidrofóbico; una lámina o un tejido no tejido hecho de fibra de vidrio, polietileno o similares.
[0060] La solución electrolítica no acuosa que contiene sales de litio consiste en un electrolito y una sal de litio. Y como solución electrolítica se utiliza un disolvente orgánico no acuoso, un electrolito sólido orgánico, un electrolito sólido inorgánico y similares.
[0061] Entre los ejemplos de disolvente orgánico no acuoso se incluye 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.
[0062] Entre los ejemplos de electrolito sólido orgánico se incluye un electrolito polimérico, tal como un derivado de polietileno, un derivado de óxido de polietileno, un derivado de óxido de polipropileno, un polímero de éster de fosfato, lisina de agitación, poliéster de sulfuro, alcohol polivinílico, fluoruro de polivinilideno, un polimerizador que incluye un grupo de disociación iónica y similares.
[0063] Entre los ejemplos de electrolito sólido inorgánico se incluyen nitruros, haluros y sulfatos de Li, tales como Li<3>N, LiI, Li<5>NI<2>, Li<3>N-LiI-LiOH, LiSiO<4>, LiSiO<4>-LiI-LiOH, Li<2>SiS<3>, Li<4>SiO<4>, Li<4>SiO<4>-LiI-LiOH y Li<3>PO<4>-Li<2>S-SiS<2>.
[0064] La sal de litio es una sustancia soluble en el electrolito no acuoso. Entre los ejemplos de sal de litio se incluye LiCl, LiBr, LiI, LiClO<4>, LiBF<4>, LiB<10>Cl<10>, LiPF<6>, LiCF<3>SO<3>, LiCF<3>CO<2>, LiAsF<6>, LiSbF<6>, LiAlCl<4>, CH<3>SO<3>Li, (CF<3>SO<2>)<2>NLi, cloroborano de litio, ácido carboxílico alifático inferior de litio, 4-fenilborato de litio, imida y similares.
[0065] Con el fin de mejorar las características de carga/descarga, de retardante de llama, etc., se puede añadir al electrolito piridina, trietilfosfito, trietanolamina, éter cíclico, etilendiamina, n-glima, triamida hexafosfórica, derivado del nitrobenceno, azufre, colorante de quinona imina, oxazolidinona N-sustituida, N,N-imidazolidina sustituida, éter dialquílico de etilenglicol, sal de amonio, pirrol, 2-metoxietanol, tricloruro de aluminio, etc. En algunos casos, además se puede añadir un disolvente que contenga halógeno, tal como tetracloruro de carbono o trifluoruro de etileno, para conferir no inflamabilidad, o además se puede añadir un gas dióxido de carbono para mejorar las características de almacenamiento a alta temperatura, y además se puede añadir FEC (carbonato de fluoroetileno), PRS (propeno sultona) y similares.
[0066] En un ejemplo preferido, una sal de litio, tal como LiPF<6>, LiClO<4>, LiBF<4>y LiN(SO<2>CF<3>)<2>pueden añadirse a un disolvente mixto de un carbonato cíclico de EC o PC que sea un disolvente altamente dieléctrico y un carbonato lineal de DEC, DMC o EMC que es un disolvente de baja viscosidad para preparar de este modo un electrolito no acuoso que contiene una sal de litio.
[0067] Con el fin de alcanzar el objeto anterior, el dispositivo electroquímico según la presente invención incluye una estructura en la que un electrodo positivo, un separador y un electrodo negativo se apilan secuencialmente. En el presente documento, el separador tiene una estructura en la que se forma al menos un orificio pasante que comunica entre sí un electrodo positivo y un electrodo negativo. Además, al menos una interfaz entre el electrodo positivo y el separador y entre el electrodo negativo y el separador puede incluir un espaciador formado en una posición en la que no se solapa con el orificio pasante, y la interfaz en la que está provisto el espaciador puede incluir un material de recubrimiento de orificio pasante que contenga un material magnético.
[0068] El material de recubrimiento de orificio pasante solapa el orificio pasante formado en el separador y recubre completamente el orificio pasante, bloqueando físicamente de este modo el contacto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo a través del orificio pasante. Adicionalmente, se pueden incluir uno o más espaciadores en la interfaz entre el electrodo positivo y el separador o entre el electrodo negativo y el separador de forma que no se solape con el orificio pasante, y los espaciadores sirvan para asegurar un espacio, de modo que el material de recubrimiento de orificio pasante pueda desplazarse dentro del dispositivo electroquímico.
[0069] El espaciador sirve para soportar la interfaz entre el electrodo positivo o el electrodo negativo y el separador y, al mismo tiempo, sirve para asegurar un espacio en el que el material de recubrimiento de orificio pasante pueda desplazarse fácilmente por el interior del espacio. Por consiguiente, el grosor del espaciador es preferentemente igual o mayor que el grosor del material de recubrimiento de orificio pasante.
[0070] Adicionalmente, el material del espaciador está hecho preferentemente de un material poroso para minimizar el efecto sobre la conductividad iónica. Es decir, se puede aplicar una malla porosa o un material polimérico. Se puede utilizar un separador como material para el espaciador. En tal caso, al igual que en la realización mostrada en la Figura 3, también es posible fabricar un separador laminándolo en múltiples capas hasta un grosor predeterminado deseado. Por otro lado, el material de recubrimiento de orificio pasante no está limitado por su forma siempre y cuando pueda recubrir el orificio pasante, pero es preferible que tenga forma de placa para maximizar la eficiencia espacial a la par que es capaz de desplazarse dentro del espaciador.
[0071] Adicionalmente, el material de recubrimiento de orificio pasante puede incluir uno o más materiales magnéticos seleccionados de entre Fe, Ni y Co. Al incluir material magnético en el material de recubrimiento de orificio pasante, es posible desplazar el material de recubrimiento de orificio pasante según un campo magnético aplicado en una posición separada del dispositivo electroquímico.
[0072] En ese momento, de manera similar, el material magnético puede tener forma de placa cuando el material de recubrimiento de orificio pasante tiene forma de placa, y puede estar conformado en forma de anillo para minimizar el efecto sobre la conductividad iónica. Se deben incluir materiales magnéticos para desplazar el material de recubrimiento de orificio pasante mediante el campo magnético. Sin embargo, un dispositivo de almacenamiento de energía, en el que esté embebido un dispositivo electroquímico, por ejemplo, puede actuar como elemento que inhiba el desplazamiento de iones en el interior de una celda de batería. Por lo tanto, para minimizar el área ocupada por el material magnético, el material magnético puede tener forma de anillo conformado a lo largo de cada extremo del material de recubrimiento de orificio pasante, más preferentemente un material poroso.
[0073] Como se ha descrito anteriormente, dado que el material magnético puede incluir un metal conductor, este puede provocar un cortocircuito al entrar en contacto simultáneamente con el electrodo positivo o el electrodo negativo. Por consiguiente, una parte o la totalidad de la superficie periférica exterior del material magnético puede estar rodeada de un material aislante. En este caso, el material aislante puede ser una película polimérica porosa y, más específicamente, puede ser del mismo material que el separador.
[0074] Cuando la dirección ortogonal a la dirección en la que el electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador del dispositivo electroquímico están apilados se denomina dirección horizontal, el área de la sección transversal horizontal del material de recubrimiento de orificio pasante es mayor que el área del orificio pasante formado en el separador. Es decir, el material de recubrimiento de orificio pasante debe ser mayor que el área del orificio pasante basándose en el área de la sección transversal en la dirección horizontal, de modo que pueda recubrir completamente el orificio pasante en la posición en la que se solapa con el orificio pasante, y no hay ninguna restricción en cuanto a la forma, pero el material de recubrimiento de orificio pasante debe tener una forma que pueda bloquear completamente el orificio pasante.
[0075] Adicionalmente, un área de sección transversal horizontal dentro del espaciador es mayor que un área de sección transversal horizontal del material de recubrimiento de orificio pasante. Por consiguiente, el material de recubrimiento de orificio pasante puede desplazarse por dentro del espaciador.
[0076] Por otro lado, el material de recubrimiento de orificio pasante puede desplazarse mediante un campo magnético aplicado desde el exterior del dispositivo electroquímico. Por consiguiente, es posible recubrir completamente el orificio pasante solapándolo con el material de recubrimiento de orificio pasante, y al dejar el orificio pasante al descubierto, también es posible provocar un cortocircuito por contacto directo entre el electrodo positivo y el electrodo negativo. Este desplazamiento posicional puede realizarse de forma reversible.
[0077] Es decir, el método para evaluar un cortocircuito interno utilizando un dispositivo electroquímico, según la presente invención, puede realizarse en las siguientes etapas.
[0078] En primer lugar, se realiza una etapa de fabricación de un dispositivo electroquímico que incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo, un separador que tiene un orificio pasante, un espaciador dispuesto en al menos una interfaz entre el electrodo positivo y el separador o entre el electrodo negativo y el separador, y un material de recubrimiento de orificio pasante que recubre el orificio pasante.
[0079] A continuación, se aplica un campo magnético al material de recubrimiento de orificio pasante en una posición separada del dispositivo electroquímico. En ese momento, el material de recubrimiento de orificio pasante que contiene el material magnético puede desplazarse según la intensidad y dirección del campo magnético aplicado.
[0080] Cuando el material de recubrimiento de orificio pasante se desplaza para exponer el orificio pasante, el orificio pasante del separador cubierto por el material de recubrimiento de orificio pasante queda al descubierto. Al hacer esto, el electrodo positivo y el electrodo negativo pueden estar en contacto físico directo y se puede inducir un cortocircuito interno.
[0081] A través del proceso anterior, es posible evaluar la seguridad en función del cortocircuito interno, observando el cambio en el dispositivo de almacenamiento de energía, tal como la batería secundaria y el condensador en el que se ha producido el cortocircuito interno.
[0082] Adicionalmente, si la estructura interna del dispositivo de almacenamiento de energía no se ha deformado debido al cortocircuito interno, es posible desplazar de nuevo el material de recubrimiento de orificio pasante para recubrir el orificio pasante en una posición de solapamiento con el orificio pasante. Por lo tanto, es posible realizar repetidamente la evaluación de cortocircuitos internos tan solo desplazando el material de recubrimiento de orificio pasante sin desmontar o volver a montar por separado.
[0083] Con referencia a los dibujos, se describirá con más detalle un miembro de inducción de cortocircuito, según la presente invención, y un método para evaluar la seguridad de una batería utilizando el mismo.
[0084] La Figura 1 muestra esquemáticamente la estructura de una celda de batería 100 que incluye un dispositivo electroquímico, según una realización de la presente invención.
[0085] Con referencia a la Figura 1, una celda de batería 100 que incluye un dispositivo electroquímico, según la presente invención, puede incluir un electrodo positivo 110, un electrodo negativo 120, un separador 130, un espaciador 140 y una funda de batería 150. El espaciador 140 se puede disponer en una interfaz entre el electrodo positivo 110 o el electrodo negativo 120 y el separador 130, y un espacio interior 141 del espaciador 140 puede incluir un material de recubrimiento de orificio pasante 10. Paralelamente, se forma un orificio pasante 131 en el separador 130, y el material de recubrimiento de orificio pasante 10 se solapa con el orificio pasante 131 para recubrir completamente el orificio pasante 131.
[0086] En la Figura 2 se muestra una realización del material de recubrimiento de orificio pasante 10. Según la realización de la Figura 2, el material de recubrimiento de orificio pasante 10 incluye un material magnético 11 en su interior, y el material magnético 11 puede tener forma de anillo poroso. Adicionalmente, se pueden proporcionar películas aislantes 12 y 13 en las superficies superior e inferior del material magnético 11 para que no se produzca un cortocircuito debido al contacto entre el material magnético 11 y el electrodo positivo y el electrodo negativo del dispositivo electroquímico. Por otro lado, la Figura 3 muestra la estructura de una celda de batería 200 que incluye un dispositivo electroquímico, según otra realización de la presente invención.
[0087] Con referencia a la Figura 3, una celda de batería 200 que incluye un dispositivo electroquímico, según la presente invención, puede incluir un electrodo positivo 210, un electrodo negativo 220, un separador 230, un espaciador 240 y una funda de batería 250. El espaciador 240 se puede disponer en una interfaz entre el electrodo positivo 210 o el electrodo negativo 220 y el separador 230, y un espacio interior 241 del espaciador 240 puede incluir un material de recubrimiento de orificio pasante 10. En la presente realización, el espaciador 240 puede formarse apilando una pluralidad de separadores, y puede fabricarse apilando los separadores hasta un grosor suficiente como para que el material de recubrimiento de orificio pasante 10 pueda desplazarse fácilmente.
[0088] Paralelamente, se forma un orificio pasante 231 en el separador 230, y el material de recubrimiento de orificio pasante 10 se solapa con el orificio pasante 231 para recubrir completamente el orificio pasante 231.
[0089] En la Figura 4 se muestra en detalle un método para evaluar la seguridad debido al desplazamiento del material de recubrimiento de orificio pasante mediante un campo magnético y un cortocircuito interno en función del mismo. Con referencia a la Figura 4, al igual que en la etapa (a) de la Figura 4, se aplica un campo magnético desde una superficie exterior de un dispositivo de almacenamiento de energía, tal como una celda de batería o un condensador equipado con un dispositivo electroquímico de la presente invención. En ese momento, el material de recubrimiento de orificio pasante recubre completamente el orificio pasante del separador, y el electrodo positivo y el electrodo negativo están físicamente bloqueados por la unidad de recubrimiento de orificio pasante que recubre el orificio pasante y no están en contacto directo.
[0090] Cuando se aplica el campo magnético al material magnético del material de recubrimiento de orificio pasante, este puede ser aplicado por un imán permanente 20, tal como el neodimio, aunque el método de aplicación del campo magnético no está limitado al mismo.
[0091] Con referencia a la etapa (b) de la Figura 4, el material de recubrimiento de orificio pasante se desplaza en función del campo magnético aplicado desde el exterior, de modo que el orificio pasante del separador quede al descubierto. A través de este orificio pasante, el electrodo positivo y el electrodo negativo entran en contacto directo, provocando un cortocircuito interno.
[0092] Paralelamente, en la etapa (c) de la Figura 4, se aplica de nuevo un campo magnético al material de recubrimiento de orificio pasante para que se desplace en la dirección del orificio pasante. En la etapa d), el material de recubrimiento de orificio pasante puede desplazarse a una posición de solapamiento con el orificio pasante para recubrir completamente el orificio pasante. Por lo tanto, después de la etapa (d), es posible repetir de nuevo las etapas (a) a (d), de modo que, si el dispositivo de almacenamiento de energía no se ha dañado, la evaluación de seguridad puede realizarse repetidamente sin desmontar y volver a montar.
[0093] <Descripción de los números de referencia>
[0094] 10: material de recubrimiento de orificio pasante
[0095] 11: material magnético
[0096] 12: película aislante
[0097] 13: película aislante
[0098] 100: celda de batería
[0099] 110: electrodo positivo
[0100] 120: electrodo negativo
[0101] 130: separador
[0102] 131: orificio pasante
[0103] 140: separador
[0104] 141: espacio interior del espaciador
[0105] 150: funda de batería
[0106] 200: celda de batería
[0107] 210: electrodo positivo
[0108] 220: electrodo negativo
[0109] 230: separador
[0110] : orificio pasante
[0111] : separador
[0112] : espacio interior del espaciador
[0113] : funda de batería

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES
1. Un método para evaluar la seguridad según un cortocircuito interno de una batería, que comprende:
fabricar un dispositivo electroquímico que incluya un electrodo positivo (110, 210), un electrodo negativo (120, 220), un separador (130, 230) que tenga un orificio pasante (131, 231), un espaciador (140, 240) dispuesto en al menos una interfaz entre el electrodo positivo (110, 210) y el separador (130, 230) o entre el electrodo negativo (120, 220) y el separador (130, 230), y un material de recubrimiento de orificio pasante (10) que contenga un material magnético que cubra el orificio pasante (131, 231), en donde un área de sección transversal horizontal del material de recubrimiento de orificio pasante (10) es mayor que un área del orificio pasante (131, 231) formado en el separador (130, 230);
aplicar un campo magnético desde el exterior del dispositivo electroquímico al material de recubrimiento de orificio pasante (10) en una posición separada del dispositivo electroquímico; y
exponer el orificio pasante (131, 231) retirando el material de recubrimiento de orificio pasante (10) del orificio pasante (131, 231) mediante el campo magnético.
2. El método de la reivindicación 1, que comprende, además: recubrir el orificio pasante (131, 231) con el material de recubrimiento de orificio pasante (10) para recubrir de nuevo el orificio pasante (131, 231).
3. Un dispositivo electroquímico para llevar a cabo el método según la reivindicación 1 o 2, que comprende un electrodo positivo (110, 210), un separador (130, 230) y un electrodo negativo (120, 220), que se apilan secuencialmente, en donde el separador (130, 230) tiene al menos un orificio pasante (131, 231) que comunica entre sí el electrodo positivo (110, 210) y el electrodo negativo (120, 220),
en donde al menos una interfaz entre el electrodo positivo (110, 210) y el separador (130, 230) o entre el electrodo negativo (120, 220) y el separador (130, 230) incluye un espaciador (140, 240) colocado en una posición en la que no se solapa con el orificio pasante (131, 231), y
en donde la interfaz sobre la que se coloca el espaciador (140, 240) incluye un material de recubrimiento de orificio pasante (10) que contiene un material magnético (11),
en donde un área de sección transversal horizontal del material de recubrimiento de orificio pasante (10) es mayor que un área del orificio pasante (131, 231) formado en el separador (130, 230), y
en donde el material de recubrimiento de orificio pasante (10) puede desplazarse mediante un campo magnético aplicado desde el exterior del dispositivo electroquímico.
4. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 3, en donde el material de recubrimiento de orificio pasante (10) tiene forma de placa.
5. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 3, en donde el material de recubrimiento de orificio pasante (10) incluye uno o más materiales magnéticos (11) seleccionados de entre Fe, Ni y Co.
6. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 5, en donde el material magnético (11) tiene forma de placa o de anillo.
7. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 5, en donde una superficie periférica exterior del material magnético (11) está rodeada por un material aislante.
8. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 6, en donde el material aislante es una película polimérica porosa.
9. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 3, en donde un área de sección transversal horizontal dentro del espaciador (140, 240) es mayor que un área de sección transversal horizontal del material de recubrimiento de orificio pasante (10).
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