ES3057546T3 - Energy storage cells with rapid charge and discharge capacities - Google Patents

Energy storage cells with rapid charge and discharge capacities

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ES3057546T3 ES24179605T ES24179605T ES3057546T3 ES 3057546 T3 ES3057546 T3 ES 3057546T3 ES 24179605 T ES24179605 T ES 24179605T ES 24179605 T ES24179605 T ES 24179605T ES 3057546 T3 ES3057546 T3 ES 3057546T3
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Abstract

Una celda de almacenamiento de energía (1) para almacenar energía eléctrica, la celda (1) comprende un electrodo negativo (22) y un electrodo positivo (32) que están inmersos en un electrolito orgánico anhidro (4), en donde el electrodo negativo (22) incluye una composición de material activo negativo que tiene partículas de Nb2O5 y partículas de carbono microporoso (MC); en donde el electrodo positivo (32) incluye una composición de material activo positivo que en su mayor parte tiene partículas de LiMn0.6Fe0.4PO4 (LMFP). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Celdas de almacenamiento de energía con capacidades de carga y descarga rápidas
[0003] La invención se refiere a celdas de almacenamiento de energía, por ejemplo, supercondensadores híbridos, con capacidades de carga y descarga rápidas, así como a sus componentes, tales como electrodos y electrolitos. En los últimos años, la demanda de celdas de almacenamiento de energía ha aumentado sustancialmente, ya sea en el campo de los automóviles, las aplicaciones industriales, el transporte masivo o la regulación de la red. Las celdas pueden servir como batería de tracción, almacenamiento de energía intermedio para sistemas de recuperación de energía cinética o almacenamiento de energía para sistemas de asistencia mecánica, tales como sistemas antideslizantes o amortiguadores activos. En la regulación de la red, las celdas almacenan el exceso de energía producida, en particular el exceso de energía eólica o solar, y ayudan a cubrir el déficit energético en situaciones de alta demanda. Para todas estas aplicaciones es útil tener un tipo de celda de almacenamiento de energía que permita una carga o descarga rápida, o en otras palabras, una alta potencia máxima.
[0004] Las celdas de almacenamiento de energía en general se pueden dividir en baterías y condensadores. Mientras que las baterías almacenan energía eléctrica en forma química, los condensadores por lo general almacenan energía eléctrica en el campo eléctrico. Las baterías por lo general no son capaces de alcanzar las potencias máximas que se requieren para las aplicaciones mencionadas anteriormente.
[0005] Los ultracondensadores, también conocidos como supercondensadores, son un tipo de condensador y se pueden separar en condensadores de doble capa y pseudocondensadores. Los primeros almacenan la energía eléctrica en una doble capa electrostática, mientras que los segundos almacenan la energía eléctrica electroquímicamente, pero de una manera diferente a las baterías. Recientemente, se han desarrollado (super)condensadores híbridos que combinan las características de los condensadores de doble capa y los pseudocondensadores.
[0006] Estos condensadores por lo general presentan una gran variación de tensión durante la carga y descarga, mientras que las baterías no. La principal ventaja de los condensadores es que son ideales para aplicaciones que requieren grandes potencias máximas o, en otras palabras, una gran transferencia de energía en muy poco tiempo.
[0007] Esta capacidad, en particular para los supercondensadores, no está exenta de límites, ya que en general la capacidad realmente utilizable depende de la corriente de descarga: cuanto mayor es la corriente, menor es la capacidad utilizable.
[0008] El documento JP 2018101628 A describe un material activo de electrodo negativo para una batería secundaria, comprendiendo el material partículas de óxido compuesto de niobio y titanio de tipo monoclínico; y una capa de material de carbono. Las partículas de óxido compuesto de niobio y titanio de tipo monoclínico son capaces de ocluir y liberar un ion Li o un ion Na, y satisfacen la expresión 0,5 ≤ (α/β) ≤ 2, donde α es un número molar de Nb en las partículas de óxido compuesto de niobio y titanio, β es un número molar de Ti en las partículas de óxido compuesto de niobio y titanio. La capa de material de carbono cubre al menos una parte de la superficie de cada partícula de óxido compuesto de niobio y titanio, y satisface la expresión 0 ≤ (γ/σ) ≤ 0,1, donde γ es un número de átomos de hidrógeno de la capa de material de carbono, y σ es un número de átomos de carbono de la capa de material de carbono.
[0009] El documento JP 2019164932 A describe un electrodo que comprende un colector de corriente; y una capa que contiene material activo. La capa que contiene material activo se proporciona en al menos una cara principal del colector de corriente. La capa que contiene material activo contiene un material activo y un agente aglutinante. El material activo satisface la expresión 9 ≤ I<1>/I<2>≤ 12, donde I<1>es la intensidad de un primer pico que muestra una intensidad máxima en un intervalo de número de onda de 1155 cm<-1>o más y 1200 cm<-1>o menos en los espectros de absorción infrarroja de la capa que contiene material activo según la medición de reflexión total; e I<2>es una intensidad de un segundo pico que muestra la intensidad máxima en un intervalo de número de onda de 1390 cm<-1>o más y 1410 cm<-1>o menos en los espectros de absorción infrarroja.
[0010] El documento FR 3127331 A1 describe un elemento electroquímico comprendiendo un cátodo que contiene un material activo que funciona a un potencial de al menos 4,7 V con respecto al par Li+/Li y al menos un compuesto seleccionado de difluorofosfato de litio (LiPO<2>F<2>), sulfato de etileno (ESA), oxalato de litio (Li<2>C<2>O<4>); un ánodo; y un electrolito.
[0011] El documento US 5258245 A describe una batería de litio comprendiendo un electrodo positivo principalmente de pentóxido de vanadio, un electrodo negativo principalmente de pentóxido de niobio dopado con litio y un electrolito principalmente de un disolvente anhidro con sal de litio disuelta.
[0012] Los documentos US 2021/0110980 A1, US 2021/0110979 A1 y US 2021/0218048 A1 describen conceptos de celdas que emplean tres o cuatro electrodos.
[0013] El documento DE 102018202929 A1 describe un supercondensador híbrido.
[0014] El objeto de la invención es mejorar los ultracondensadores con respecto a sus propiedades eléctricas, preferiblemente la capacidad realmente utilizable o la velocidad de carga/descarga.
[0015] La invención proporciona una composición de material activo negativo para un electrodo negativo de una celda de almacenamiento de energía según la reivindicación 1, consistiendo la composición en:
[0016] - de 89 % en peso a 96 % en peso de material activo negativo;
[0017] - de 3 % en peso a 6 % en peso de al menos un aglutinante;
[0018] - opcionalmente hasta 10,1 % en peso en total de al menos un aditivo conductor; y
[0019] - opcionalmente menos del 10 % en peso en total de otros componentes o impurezas
[0020] en donde el material activo negativo consiste en partículas de Nb<2>O<5>y partículas de carbono microporoso (MC).
[0021] Preferiblemente, la proporción del material activo negativo es de 89,5 % en peso a 95,2 % en peso.
[0022] En el marco de la invención descrita aquí, la clasificación de los tamaños de poro se realiza según las directrices proporcionadas por la “Unión Internacional de Química Pura y Aplicada” (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC), mientras que los “microporos” presentan un diámetro de poro entre 0-2 nm, los “mesoporos” presentan un diámetro de poro entre 2-50 nm y los “macroporos” presentan un diámetro de poro superior a 50 nm.
[0023] La invención proporciona un procedimiento para fabricar un electrodo negativo para una celda de almacenamiento de energía, comprendiendo el procedimiento:
[0024] a) proporcionar de 1 % en peso a 20 % en peso de aglutinante en un recipiente de mezcla;
[0025] b) mezclar en el recipiente para obtener una suspensión:
[0026] - de 60 % en peso a 99 % en peso de material activo negativo que incluye partículas de carbono microporoso (MC);
[0027] - opcionalmente hasta un 10 % en peso en total de al menos un aditivo conductor; y
[0028] - opcionalmente menos del 10 % en peso en total de otros componentes;
[0029] c) recubrir un sustrato de electrodo conductor con la suspensión y calentar el sustrato de electrodo recubierto, generando así el electrodo negativo.
[0030] En una realización, todos los aglutinantes tienen una proporción total de 2 % en peso a 8 % en peso, preferiblemente de 7 % en peso, más preferiblemente de 6 % en peso. Preferiblemente, la proporción del material activo negativo es de 89,5 % en peso a 95,2 % en peso. En una realización, cada aglutinante tiene una proporción de no más del 2 % en peso.
[0031] En una realización, la cantidad de partículas de Nb<2>O<5>es de 5 % en peso, 10 % en peso, 20 % en peso, 30 % en peso, 40 % en peso, 50 % en peso, 60 % en peso, 70 % en peso, 80 % en peso, 90 % en peso o 95 % en peso. En una realización, la cantidad de partículas de MC es de 5 % en peso, 10 % en peso, 20 % en peso, 30 % en peso, 40 % en peso, 50 % en peso, 60 % en peso, 70 % en peso, 80 % en peso, 90 % en peso o 95 % en peso.
[0032] En una realización, el material activo negativo consiste en partículas de Nb<2>O<5>y partículas de MC. En una realización, las partículas de Nb<2>O<5>consisten principalmente en Nb<2>O<5>ortorrómbico. En una realización, las partículas de Nb<2>O<5>consisten en más del 90 % en peso de Nb<2>O<5>ortorrómbico.
[0033] En una realización, las partículas de Nb<2>O<5>tienen un tamaño de partícula de D90 de 1 µm a 100 µm, preferiblemente de 2 µm a 60 µm, más preferiblemente de 10 µm a 30 µm. En una realización, las partículas de Nb<2>O<5>tienen un tamaño de partícula de D10 de 0,05 µm a 10 µm, preferiblemente de 0,3 µm a 5 µm, más preferiblemente de 0,3 µm a 3 µm.
[0034] En una realización, las partículas de MC tienen un área superficial de nitrógeno BET de al menos 60 m<2>/g, preferiblemente de al menos 1000 m<2>/g.
[0035] En una realización, las partículas de MC tienen un tamaño de partícula de D90 de 5 µm a 30 µm, preferiblemente de 5 µm a 20 µm. En una realización, las partículas de MC tienen un tamaño de partícula de D10 de 1 µm a 2 µm. En una realización, las partículas de MC comprenden partículas de carbono derivado de carburo (CDC).
[0036] En una realización, cada aditivo conductor se selecciona de un grupo que consiste en negro de carbono, nanotubos de carbono (CNTs), grafeno y mezclas de los mismos. Preferiblemente, los CNT son CNT de paredes múltiples (MWCNTs).
[0037] En una realización, la composición incluye del 1 % en peso al 10 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición incluye del 1 % en peso al 8 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición incluye del 1 % en peso al 3 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición incluye del 2 % en peso al 6 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición incluye del 3 % en peso al 7 % en peso de negro de carbono.
[0038] En una realización, la composición incluye del 0,3 % en peso al 2 % en peso de CNTs. En una realización, la composición incluye del 0,3 % en peso al 1,0 % en peso de CNTs.
[0039] La invención proporciona una composición de material activo positivo para un electrodo positivo de una celda de almacenamiento de energía, consistiendo la composición en:
[0040] - de 0,5 % en peso a 10 % en peso de negro de carbono (CB);
[0041] - de 1 % en peso a 20 % en peso de al menos un aglutinante;
[0042] - de 56 % en peso a 98,5 % en peso de material activo positivo que, en su mayor parte, incluye o, en su mayor parte, consiste en partículas de LiMn<0,6>Fe<0,4>PO<4>(LMFP);
[0043] - opcionalmente del 0,1 % en peso al 2 % en peso de nanotubos de carbono (CNTs);
[0044] - opcionalmente del 0,1 % en peso al 2 % en peso de grafeno; y
[0045] - opcionalmente menos del 10 % en peso de otros componentes o impurezas.
[0046] La invención proporciona un procedimiento para fabricar un electrodo positivo para una celda de almacenamiento de energía, comprendiendo el procedimiento:
[0047] a) proporcionar de 1 % en peso a 20 % en peso de aglutinante en un recipiente de mezcla;
[0048] b) mezclar en el recipiente para obtener una suspensión:
[0049] - de 0,5 % en peso a 10 % en peso de negro de carbono (CB);
[0050] - de 56 % en peso a 98,5 % en peso de material activo positivo que consiste en partículas de LMFP; - opcionalmente de 0,1 % en peso a 2 % en peso de nanotubos de carbono (CNTs); y
[0051] - opcionalmente de 0,1 % en peso a 2 % en peso de grafeno;
[0052] c) recubrir un sustrato de electrodo conductor con la suspensión y calentar el sustrato de electrodo recubierto, generando así el electrodo positivo.
[0053] En una realización, las partículas de LMFP tienen un tamaño de partícula de D90 de 30 µm a 40 µm. Preferiblemente, las partículas de LMFP tienen un tamaño de partícula de D50 de 10 µm a 20 µm. Preferiblemente, las partículas de LMFP tienen un tamaño de partícula de D10 de 3 µm a 9 µm.
[0054] En una realización, la proporción de CNTs se desvía de la proporción de grafeno o viceversa en menos del 10 %. En una realización, las proporciones de CNTs y grafeno son idénticas.
[0055] La invención proporciona una celda de almacenamiento de energía para almacenar energía eléctrica, comprendiendo la celda una pluralidad de electrodos que se sumergen en un electrolito anhidro orgánico, en donde al menos un electrodo se configura como un electrodo negativo y al menos un electrodo se configura como un electrodo positivo, en donde el electrodo negativo incluye una composición de material de electrodo negativo como se describió anteriormente o se puede obtener por un procedimiento descrito anteriormente. Como alternativa o adicionalmente, el electrodo positivo incluye una composición de material de electrodo positivo como se describió anteriormente o se puede obtener por un procedimiento descrito anteriormente. En una realización, el electrolito consiste en 80 % en volumen a 95 % en volumen de acetonitrilo, en 5 % en volumen a 20 % en volumen de carbonato de etileno y una sal conductora de litio.
[0056] En una realización, el electrolito consiste en 50 % en volumen de acetonitrilo y 50 % en volumen de carbonato de etileno y una sal conductora de litio.
[0057] En una realización, el electrolito consiste en carbonato de propileno y una sal conductora de litio.
[0058] En una realización, el electrolito consiste en 70 % en volumen de carbonato de propileno y 30 % en volumen de carbonato de etileno y una sal conductora de litio.
[0059] En una realización, el electrolito consiste en 25 % en volumen de carbonato de etileno, 5 % en volumen de carbonato de etilo y metilo y 70 % en volumen de dimetilcarbonato y una sal conductora de litio.
[0060] La invención proporciona una composición electrolítica anhidra orgánica para una celda de almacenamiento de energía, consistiendo la composición en
[0061] - de 80 % en volumen a 95 % en volumen de acetonitrilo;
[0062] - de 5 % en volumen a 20 % en volumen de carbonato de etileno; y añadido a eso
[0063] - una sal conductora de litio.
[0064] En una realización, la proporción de acetonitrilo es del 85 % en volumen al 93 % en volumen y la proporción de carbonato de etileno es del 7 % en volumen al 15 % en volumen. En una realización, la proporción de acetonitrilo es del 88 % en volumen al 93 % en volumen y la proporción de carbonato de etileno es del 7 % en volumen al 12 % en volumen. En una realización, la proporción de acetonitrilo es del 89 % en volumen al 91 % en volumen y la proporción de carbonato de etileno es del 9 % en volumen al 11 % en volumen.
[0065] En una realización, la sal conductora de litio tiene una concentración de 0,1 mol/l a 3 mol/l.
[0066] En una realización, la sal conductora de litio se selecciona de un grupo que consiste en perclorato de litio (LiCIO<4>), tetrafluoroborato de litio (LiBPF<4>), hexafluorofosfato de litio (LiPF<6>), hexafluoroarseniato de litio (LiAsF<6>), trifluorometanosulfonato de litio (LiSO<3>CF<3>), bis(trifluorometilsulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>CF<3>)<2>), bis(pentafluoroetanosulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>C<2>F<5>)<2>), bis(oxalato)borato de litio (LiBOB, LiB(C<2>O<4>)<2>), difluoro(oxalato)borato de litio (LiBF<2>(C<2>O<4>)), tris(pentafluoroetil)trifluorofosfato de litio (LiPF<3>(C<2>F<5>)<3>) y mezclas de los mismos. En una realización, la sal conductora de litio es LiPF<6>.
[0067] La invención proporciona una celda de almacenamiento de energía para almacenar energía eléctrica, comprendiendo la celda un electrodo positivo y un electrodo negativo sumergidos en un electrolito anhidro orgánico,
[0068] en donde el electrodo negativo incluye una composición de material activo negativo que tiene partículas de Nb<2>O<5>y partículas de carbono microporoso (MC);
[0069] en donde el electrodo positivo incluye una composición de material activo positivo que en su mayor parte tiene partículas de LMFP.
[0070] En una realización, la composición de material activo negativo incluye un material activo negativo que consiste en partículas de Nb<2>O<5>y partículas de MC.
[0071] En una realización, la cantidad de partículas de Nb<2>O<5>y la cantidad de partículas de MC se seleccionan de un grupo que consiste en 5 % en peso, 10 % en peso, 20 % en peso, 30 % en peso, 40 % en peso, 50 % en peso, 60 % en peso y 70 % en peso, de modo que la cantidad total sea del 100 % en peso.
[0072] En una realización, la composición de electrodo negativo y/o la composición de electrodo positivo incluyen al menos un aditivo conductor.
[0073] En una realización, el al menos un aditivo conductor se selecciona de un grupo que consiste en negro de carbono (CB), nanotubos de carbono (CNTs), grafeno y mezclas de los mismos.
[0074] En una realización, la composición de material activo negativo consiste en más del 50 % en peso, preferiblemente en más del 60 % en peso, de material activo negativo. En una realización, la composición de material activo positivo consiste en más del 50 % en peso, preferiblemente en más del 90 % en peso, preferiblemente en más del 95 % en peso, preferiblemente en el 97 % en peso o más, de material activo positivo.
[0075] En una realización, las partículas de Nb<2>O<5>tienen un tamaño de partícula de D90 de 1 µm a 100 µm, preferiblemente de 2 µm a 60 µm, más preferiblemente de 10 µm a 30 µm. En una realización, las partículas de Nb<2>O<5>tienen un tamaño de partícula de D10 de 0,05 µm a 10 µm, preferiblemente de 0,3 µm a 5 µm, más preferiblemente de 0,3 µm a 3 µm.
[0076] En una realización, las partículas de MC tienen un área superficial de nitrógeno BET de al menos 60 m<2>/g, preferiblemente de al menos 1000 m<2>/g.
[0077] En una realización, las partículas de MC tienen un tamaño de partícula de D90 de 5 µm a 30 µm, preferiblemente de 5 µm a 20 µm. En una realización, las partículas de MC tienen un tamaño de partícula de D10 de 1 µm a 2 µm.
[0078] En una realización, las partículas de MC comprenden partículas de carbono derivado de carburo.
[0079] En una realización, los CNT son CNTs de paredes múltiples (MWCNTs).
[0080] En una realización, la composición de electrodo negativo incluye del 1 % en peso al 10 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición de electrodo negativo incluye del 1 % en peso al 8 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición de electrodo negativo incluye del 1 % en peso al 3 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición de electrodo negativo incluye del 2 % en peso al 6 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición de electrodo negativo incluye del 3 % en peso al 7 % en peso de negro de carbono.
[0081] En una realización, la composición de electrodo positivo incluye del 1 % en peso al 10 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición de electrodo positivo incluye del 1 % en peso al 8 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición de electrodo positivo incluye del 1 % en peso al 3 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición de electrodo positivo incluye del 2 % en peso al 6 % en peso de negro de carbono. En una realización, la composición de electrodo positivo incluye del 3 % en peso al 7 % en peso de negro de carbono.
[0082] En una realización, la composición de electrodo negativo incluye del 0,3 % en peso al 2 % en peso, preferiblemente del 0,3 % en peso al 1,0 % en peso de CNTs. En una realización, la composición de electrodo positivo incluye del 0,3 % en peso al 2 % en peso, preferiblemente del 0,3 % en peso al 1,0 % en peso de CNTs.
[0083] En una realización, la composición de electrodo negativo incluye del 0,3 % en peso al 2 % en peso, preferiblemente del 0,3 % en peso al 1,0 % en peso, de grafeno. En una realización, la composición de electrodo positivo incluye del 0,3 % en peso al 2 % en peso, preferiblemente del 0,3 % en peso al 1,0 % en peso, de grafeno.
[0084] En una realización, la proporción de CNTs se desvía de la proporción de grafeno o viceversa en menos del 10 %. En una realización, las proporciones de CNTs y grafeno son idénticas.
[0085] En una realización, la sal conductora de litio se selecciona de un grupo que consiste en perclorato de litio (LiCIO<4>), tetrafluoroborato de litio (LiBF<4>), hexafluorofosfato de litio (LiPF<6>), hexafluoroarseniato de litio (LiAsF<6>), trifluorometanosulfonato de litio (LiSO<3>CF<3>), bis(trifluorometilsulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>CF<3>)<2>), bis(pentafluoroetanosulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>C<2>F<5>)<2>), bis(oxalato)borato de litio (LiBOB, LiB(C<2>O<4>)<2>), difluoro(oxalato)borato de litio (LiBF<2>(C<2>O<4>)), tris(pentafluoroetil)trifluorofosfato de litio (LiPF<3>(C<2>F<5>)<3>) y mezclas de los mismos. En una realización, la sal conductora de litio es LiPF<6>.
[0086] Las partículas de Nb<2>O<5>permiten reacciones redox e intercalación de iones de litio en su estructura cristalina. Las partículas de carbono microporoso incluyen microporos que proporcionan un espacio de almacenamiento para el litio metálico. Debido a la mezcla de ambos, el litio tiene una longitud de trayectoria bastante corta hasta los sitios donde pueden producirse reacciones redox durante la carga o descarga. Como resultado, la resistencia en serie equivalente (ESR) se puede reducir a menos de 27,4 mΩ cm<2>durante 1 s de tiempo de (des)carga. Para tiempos de (des)carga más cortos de 10 ms, la ESR puede reducirse aún más a menos de 6,19 mΩ cm<2>.
[0087] Los experimentos realizados por el Solicitante revelaron que las composiciones particulares de los aditivos conductores permiten la mejora de la capacidad específica disponible dependiendo de la corriente específica, así como de la energía específica y la potencia específica. La capacidad específica es la cantidad de miliamperios hora por gramo de material activo, mientras que la corriente específica es la cantidad de miliamperios por gramo de material activo. La energía específica se da en vatios hora por kilogramo de material activo. La potencia específica se da en vatios por kilogramo de material activo.
[0088] Se puede lograr un aumento en un factor de dos de la capacidad específica disponible para el electrodo negativo con la adición de CNTs al negro de carbono solo. El uso de CNTs permite que la capacidad específica disponible sea superior a 80 mAh/g para corrientes específicas de hasta 1000 mA/g.
[0089] Otra mejora es la tensión de celda disponible. Las baterías de iones de litio (LIB) pueden tener una tensión de celda de aproximadamente 4,2 V, teniendo en cuenta los aditivos de sacrificio en el electrolito que pasivan el electrodo. Esto no es deseable aquí, ya que la pasivación reduce la capacidad de potencia máxima disponible. Debido al uso de LMFP, es posible una tensión máxima de la celda de más de 3,0 V, hasta 3,5 V. Es posible una mejora adicional con la composición de electrolito, que es lo suficientemente estable como para lograr estas tensiones.
[0090] Los materiales activos de los electrodos permiten una mayor densidad de electrodos, lo que se traduce en una mayor densidad de energía. En general, el Solicitante descubrió que la energía específica, es decir, vatios hora por kilogramo de material activo, se puede duplicar en comparación con las celdas convencionales. Si bien la densidad de energía específica depende de la potencia específica de la celda, es decir, vatios por kilogramo de material activo, la mejora es independiente de la potencia específica de la celda. Por tanto, se puede lograr una mejora general de las propiedades eléctricas para un amplio intervalo de aplicaciones.
[0091] Las realizaciones de la invención se describen con más detalle con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos. En ella, la única figura representa esquemáticamente una sección transversal a través de una celda de almacenamiento de energía según la invención.
[0092] Celda de almacenamiento de energía
[0093] Como se representa en la Fig., una celda 1 de almacenamiento de energía puede configurarse como un ultracondensador híbrido. La celda 1 de almacenamiento de energía está formada preferiblemente como un cilindro. La celda 1 de almacenamiento de energía comprende una primera disposición 2 de electrodo y una segunda disposición 3 de electrodo. Ambas disposiciones de electrodo se sumergen en un electrolito 4 anhidro orgánico. Es más, la celda 1 de almacenamiento de energía comprende un separador 5 que se interpone entre las disposiciones 2, 3 de electrodo primera y segunda.
[0094] Cabe señalar que la celda 1 de almacenamiento de energía por lo general contiene una pluralidad de devanados de las disposiciones 2, 3 de electrodos primera y segunda alrededor del eje del cilindro, sin embargo, en aras de la claridad, solamente se muestran aquí partes.
[0095] La primera disposición 2 de electrodo comprende un terminal 21 de ánodo. El terminal 21 de ánodo está dispuesto de modo que se pueda formar un contacto eléctrico externo. La primera disposición 2 de electrodo comprende un electrodo 22 negativo. El electrodo 22 negativo está acoplado eléctricamente al terminal 21 de ánodo. El electrodo 22 negativo incluye un colector 23 de corriente que está hecho de metal, preferiblemente aluminio. El colector 23 de corriente entra en contacto con el terminal 21 de ánodo. El electrodo 22 negativo incluye un material 24 de electrodo negativo.
[0096] La segunda disposición 3 de electrodo comprende un terminal 31 de cátodo. El terminal 31 de cátodo está dispuesto de modo que se puede formar un contacto eléctrico externo. La segunda disposición 3 de electrodo comprende un electrodo 32 positivo. El electrodo 32 positivo está acoplado eléctricamente al terminal 31 de ánodo. El electrodo 32 positivo incluye un colector 33 de corriente que está hecho de metal, preferiblemente aluminio. El colector 33 de corriente entra en contacto con el terminal 31 de cátodo. El electrodo 32 positivo incluye un material 34 de electrodo positivo.
[0097] Fabricación del electrodo negativo - Ejemplo 1
[0098] Se proporciona un aglutinante de carboximetilcelulosa (CMC) y, opcionalmente, se mezcla con agua. La proporción del aglutinante de CMC es del 2 % en peso.
[0099] Se añade negro de carbono (CB) como primer aditivo conductor con una proporción del 5 % en peso.
[0100] Se añaden partículas de carbono microporoso (MC) y partículas de Nb<2>O<5>como material activo negativo. Las partículas de Nb<2>O<5>están hechas de Nb<2>O<5>ortorrómbico. El material activo negativo constituye el resto hasta el 100 % en peso, aparte de las impurezas inevitables. El material activo negativo consiste en un 60 % en peso de partículas de Nb<2>O<5>y en un 40 % en peso de partículas de AC.
[0101] Las partículas de AC tienen un tamaño de partícula de D90 de 10 µm a 15 µm y las partículas de Nb<2>O<5>tienen un tamaño de partícula de D90 de 0,5 µm a 60 µm. Las partículas de AC pueden ser carbono derivado de carburo tal como de SiC o TiC y tienen una superficie de nitrógeno BET de más de 1000 m<2>/g.
[0102] Se añade caucho de estireno-butadieno (SBR) como segundo aglutinante con una proporción de 2 % en peso. Después de la mezcla, se obtiene una suspensión que se puede distribuir sobre un sustrato de electrodo conductor, tal como el colector 23 de corriente.
[0103] A continuación, el sustrato recubierto se calienta para eliminar los posibles disolventes y curar el aglutinante, formando así el electrodo 22 negativo.
[0104] Ejemplo 2
[0105] Se repite el procedimiento del Ejemplo 1, aparte de las proporciones de algunos componentes de la composición. Los aglutinantes permanecen sin cambios. Se añade CB con una proporción del 4 % en peso. Se añaden nanotubos de carbono (CNTs) como segundo aditivo conductor con una proporción del 0,5 % en peso junto con el CB. La proporción del material activo negativo se adapta por consiguiente.
[0106] Ejemplo 3
[0107] Se repite el procedimiento del Ejemplo 2, aparte de las proporciones de algunos componentes de la composición. Los aglutinantes permanecen sin cambios. Se añade negro de carbono (CB) con una proporción del 2 % en peso. Los CNT se añaden con una proporción del 0,5 % en peso. La proporción del material activo negativo se adapta por consiguiente.
[0108] Ejemplo 4
[0109] Se repiten los procedimientos del Ejemplo 1 al Ejemplo 3, en donde la cantidad de partículas de Nb<2>O<5>se cambia al 30 % en peso, 40 % en peso, 50 % en peso y 70 % en peso. La cantidad de partículas de AC se adapta por consiguiente al 70 % en peso, 60 % en peso, 50 % en peso y 30 % en peso.
[0110] Ejemplo 5
[0111] Se repiten los procedimientos del Ejemplo 1 al Ejemplo 3, en donde el tamaño de partícula de las partículas de AC se cambia a D90 de 20 µm a 50 µm.
[0112] Fabricación del electrodo positivo - Ejemplo 1
[0113] Se proporciona un aglutinante de carboximetilcelulosa (CMC) y, opcionalmente, se mezcla con agua. La proporción del aglutinante de CMC es del 4 % en peso.
[0114] Se añade negro de carbono (CB) con una proporción del 2 % en peso. Se añaden nanotubos de carbono (CNTs) con una proporción del 1 % en peso.
[0115] Se añaden partículas de LiMn<0,6>Fe<0,4>PO<4>(LMFP) como material activo positivo y constituyen la mayor parte del material de electrodo positivo.
[0116] El aglutinante acrílico se añade como un segundo aglutinante con una proporción del 2 % en peso.
[0117] Después de la mezcla, se obtiene una suspensión que se puede distribuir sobre un sustrato de electrodo conductor, tal como el colector 33 de corriente.
[0118] A continuación, el sustrato recubierto se calienta para eliminar los posibles disolventes y curar el aglutinante, formando así el electrodo 32 positivo.
[0119] Ejemplo 2
[0120] Se repite el procedimiento del Ejemplo 1, aparte de las proporciones de algunos componentes de la composición. Los aglutinantes, CB y el material activo positivo permanecen sin cambios. Ahora, en lugar de CNTs, se añade un 1 % en peso de grafeno.
[0121] Ejemplo 3
[0122] Se repite el procedimiento del Ejemplo 1, aparte de las proporciones de algunos componentes de la composición. Los aglutinantes, CB y el material activo positivo permanecen sin cambios. La proporción de CNTs se reduce a 0,5 % en peso y además se añade 0,5 % en peso de grafeno.
[0123] Composición del electrolito - Ejemplo 1
[0124] El electrolito 4 anhidro orgánico se obtiene mezclando el 50 % en volumen de acetonitrilo (ACE) con el 50 % en volumen de carbonato de etileno (EC) y añadiendo una cantidad de LiPF<6>de modo que la concentración en los componentes líquidos sea de 1 mol/l.
[0125] Ejemplo 2
[0126] El electrolito 4 anhidro orgánico se obtiene cambiando la cantidad de ACE al 45 % en volumen, 48 % en volumen, 49 % en volumen, 51 % en volumen, 53 % en volumen y 55 % en volumen y adaptando la cantidad de EC por consiguiente. La concentración de LiPF<6>permanece sin cambios.
[0127] Ejemplo 3
[0128] El electrolito 4 anhidro orgánico se obtiene realizando la mezcla como se describe en los Ejemplos 1 y 2, en donde la concentración de LiPF<6>se cambia a 0,5 mol/l, 1,5 mol/l, 2 mol/l y 3 mol/l.
[0129] Ejemplo 4
[0130] El electrolito 4 anhidro orgánico se obtiene realizando la mezcla como se describe en los Ejemplos 1 a 2, en donde LiPF<6>se reemplaza por una de las siguientes sales conductoras: perclorato de litio (LiCIO<4>), tetrafluoroborato de litio (LiBF<4>), hexafluorofosfato de litio (LiPF<6>), hexafluoroarseniato de litio (LiAsF<6>), trifluorometanosulfonato de litio (LiSO<3>CF<3>), bis(trifluorometilsulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>CF<3>)<2>), bis(pentafluoroetanosulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>C<2>F<5>)<2>), bis(oxalato)borato de litio (LiBOB, LiB(C<2>O<4>)<2>), difluoro(oxalato)borato de litio (LiBF<2>(C<2>O<4>)), tris(pentafluoroetil)trifluorofosfato de litio (LiPF<3>(C<2>F<5>)<3>), o mezclas de los mismos.
[0131] Composición del electrolito alternativo - Ejemplo 1
[0132] El electrolito 4 anhidro orgánico se obtiene a partir de la adición de una cantidad de LiPF<6>a carbonato de propileno (PC) para que la concentración en los componentes líquidos sea de 1 mol/l.
[0133] Ejemplo 2
[0134] El electrolito 4 anhidro orgánico se obtiene mezclando el 70 % en volumen de PC y el 30 % en volumen de EC y añadiendo una cantidad de LiPF<6>de modo que la concentración en los componentes líquidos sea de 1 mol/l. Ejemplo 3
[0135] El electrolito 4 anhidro orgánico se obtiene realizando la mezcla del Ejemplo 2 y cambiando la cantidad de PC al 65 % en volumen, 68 % en volumen, 69 % en volumen, 71 % en volumen, 73 % en volumen y 75 % en volumen y adaptando la cantidad de EC por consiguiente. La concentración de LiPF<6>permanece sin cambios. Ejemplo 4
[0136] El electrolito 4 anhidro orgánico se obtiene realizando la mezcla como se describe en uno de los Ejemplos 1 a 3, en donde la concentración de LiPF<6>se cambia a 0,5 mol/l, 1,5 mol/l, 2 mol/l y 3 mol/l.
[0137] Ejemplo 5
[0138] El electrolito 4 anhidro orgánico se obtiene realizando la mezcla como se describe en uno de los Ejemplos 1 a 4, en donde LiPF<6>se reemplaza por una de las siguientes sales conductoras: perclorato de litio (LiCIO<4>), tetrafluoroborato de litio (LiBF<4>), hexafluorofosfato de litio (LiPF<6>), hexafluoroarseniato de litio (LiAsF<6>), trifluorometanosulfonato de litio (LiSO<3>CF<3>), bis(trifluorometilsulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>CF<3>)<2>), bis(pentafluoroetanosulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>C<2>F<5>)<2>), bis(oxalato)borato de litio (LiBOB, LiB(C<2>O<4>)<2>), difluoro(oxalato)borato de litio (LiBF<2>(C<2>O<4>)), tris(pentafluoroetil)trifluorofosfato de litio (LiPF<3>(C<2>F<5>)<3>), o mezclas de los mismos.
[0139] Lista de signos de referencia:
[0140] 1 celda de almacenamiento de energía
[0141] 2 primera disposición de electrodo
[0142] 3 segunda disposición de electrodo
[0143] 4 electrolito
[0144] 5 separador
[0145] 21 terminal de ánodo
[0146] 22 electrodo negativo
[0147] 23 colector de corriente
[0148] 24 material de electrodo negativo
[0149] 31 terminal de cátodo
[0150] 32 electrodo positivo
[0151] 33 colector de corriente
[0152] 34 material de electrodo positivo

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES
1. Una celda (1) de almacenamiento de energía para almacenar energía eléctrica, comprendiendo la celda (1) un electrodo (22) negativo y un electrodo (32) positivo que se sumergen en un electrolito (4) anhidro orgánico,
en donde el electrodo (22) negativo incluye una composición de material activo negativo que tiene partículas de Nb<2>O<5>y partículas de carbono microporoso (MC);
en donde el electrodo (32) positivo incluye una composición de material activo positivo que en su mayor parte tiene partículas de LiMn<0,6>Fe<0,4>PO<4>(LMFP).
2. La celda (1) según la reivindicación 1, en donde la composición de material activo negativo incluye un material activo negativo que consiste en partículas de Nb<2>O<5>y partículas de MC.
3. La celda (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la composición de electrodo negativo y/o la composición de electrodo positivo incluyen al menos un aditivo conductor.
4. La celda (1) según la reivindicación 3, en donde el al menos un aditivo conductor se selecciona de un grupo que consiste en negro de carbono (CB), nanotubos de carbono (CNTs), grafeno y mezclas de los mismos.
5. La celda (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la composición de material activo negativo consiste en más del 50 % en peso, preferiblemente en más del 60 % en peso, de material activo negativo, y/o en donde la composición de material activo positivo consiste en más del 50 % en peso, preferiblemente en más del 90 % en peso, preferiblemente en más del 95 % en peso, preferiblemente en el 97 % en peso o más, de material activo positivo.
6. La celda (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las partículas de Nb<2>O<5>tienen un tamaño de partícula de D90 de 1 µm a 100 µm.
7. La celda (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las partículas de MC tienen un área superficial de nitrógeno BET de al menos 60 m<2>/g, preferiblemente de al menos 1000 m<2>/g.
8. La celda (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las partículas de MC tienen un tamaño de partícula de D90 de 5 µm a 30 µm.
9. La celda (1) según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, en donde la composición de electrodo negativo y/o la composición de electrodo positivo incluyen de 1 % en peso a 10 % en peso de negro de carbono.
10. La celda (1) según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, en donde la composición de electrodo negativo y/o la composición de electrodo positivo incluyen de 0,3 % en peso a 2 % en peso de CNTs.
11. La celda (1) según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 10, en donde la composición de electrodo negativo y/o la composición de electrodo positivo incluyen de 0,3 % en peso a 2 % en peso de grafeno.
12. La celda (1) según la reivindicación 10 y 11, en donde la proporción de CNTs se desvía de la proporción de grafeno o viceversa en menos del 10 %.
13. La celda (1) según la reivindicación 12, en donde las proporciones de CNTs y grafeno son idénticas.
14. La celda (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el electrolito incluye una sal conductora de litio, de 80 % en volumen a 95 % en volumen de acetonitrilo y de 5 % en volumen a 20 % en volumen de carbonato de etileno.
15. La celda (1) según la reivindicación 14, en donde la sal conductora de litio se selecciona de un grupo que consiste en perclorato de litio (LiCIO<4>), tetrafluoroborato de litio (LiBF<4>), hexafluorofosfato de litio (LiPF<6>), hexafluoroarseniato de litio (LiAsF<6>), trifluorometanosulfonato de litio (LiSO<3>CF<3>), bis(trifluorometilsulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>CF<3>)<2>), bis(pentafluoroetanosulfonil)imida de litio (LiN(SO<2>C<2>F<5>)<2>), bis(oxalato)borato de litio (LiBOB, LiB(C<2>O<4>)<2>), difluoro(oxalato)borato de litio (LiBF<2>(C<2>O4)), tris(pentafluoroetil)trifluorofosfato de litio (LiPF<3>(C<2>F<5>)<3>) y mezclas de los mismos.
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