ES3058663T3 - Electrochemical device comprising short circuit inducing member, and safety evaluation method using same - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo electroquímico que comprende una membrana de separación con una línea discontinua y un elemento inductor de cortocircuito, así como a un método para evaluar la seguridad en condiciones de cortocircuito interno mediante dicho dispositivo. Al utilizar el dispositivo electroquímico de la presente invención, es posible evaluar fácilmente la seguridad en condiciones de cortocircuito interno sin deformar físicamente el aparato de almacenamiento de energía. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Dispositivo electroquímico que comprende un miembro inductor de cortocircuito, y método de evaluación de seguridad que usa el mismo

[0003] [Sector de la técnica]

[0004] La presente invención se refiere a un dispositivo electroquímico que incluye un miembro de inducción de cortocircuito y a un método para evaluar la seguridad de la batería debido a un cortocircuito interno usando el dispositivo electroquímico.

[0005] [Antecedentes de la invención]

[0006] 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 respetuosas con el medio ambiente pasa a ser 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 fuentes de energía está aumentando rápidamente.

[0007] Normalmente, en términos de la forma de la batería, existe una gran demanda de una batería secundaria prismática y una batería secundaria de tipo bolsa que se pueda aplicar a productos tales como teléfonos móviles con un espesor pequeño. En cuanto a los materiales, existe una alta demanda de baterías secundarias de litio tales como baterías de iones de litio y baterías de polímero de iones de litio que tienen alta densidad de energía, tensión de descarga y estabilidad de salida.

[0008] En general, para preparar una batería secundaria, en primer lugar, se forman un electrodo positivo y un electrodo negativo aplicando una mezcla de electrodos que contiene un material activo de electrodo a una superficie de un colector de corriente, después se interpone un elemento separador entre los mismos para de este modo formar un conjunto de electrodos, que después se monta en una lata metálica cilíndrica o rectangular o en el interior de una carcasa de tipo bolsa de una lámina laminada de aluminio, y se inyecta o se impregna un electrolito líquido en el conjunto de electrodos o un electrolito sólido para preparar una batería secundaria.

[0009] Es más, las baterías secundarias se clasifican de acuerdo con la estructura del conjunto de electrodos que tiene una estructura de electrodo positivo/separador/electrodo negativo. Ejemplos representativos de las mismas incluyen un conjunto de electrodos tipo jelly-roll (enrollado) en el cual electrodos positivos y electrodos negativos de tipo lámina larga 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 bi-celdas o celdas completas, en el que los electrodos positivo y negativo de una unidad predeterminada se apilan con un separador interpuesto entre los mismos, se enrollan con una lámina separadora.

[0010] 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 de electrodo se aplica al colector de corriente de electrodo hecho de metal.

[0011] Generalmente, el electrodo negativo tiene una estructura en la que un material activo basado en carbono se recubre 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.

[0012] Para fabricar un electrodo positivo ora un electrodo negativo, una mezcla de electrodos que incluye un material activo de electrodo se recubre sobre un colector de corriente de electrodo hecho de una lámina metálica larga en una dirección.

[0013] El separador se posiciona entre el electrodo positivo y el electrodo negativo de la batería para realizar aislamiento y mantener el electrolito para proporcionar un pasaje para la conducción iónica.

[0014] La batería secundaria es una batería recargable que se fabrica usando un material que puede repetir una pluralidad de procesos redox entre una corriente y un material. Cuando se realiza la reacción de reducción en el material por la corriente, la energía se carga, y cuando se realiza la reacción de oxidación en el material, la energía se descarga. En el presente documento, a medida que se realiza repetidamente la carga-descarga, se genera electricidad.

[0015] La batería secundaria de litio tiene un problema de baja seguridad teniendo al mismo tiempo excelentes propiedades eléctricas. Por ejemplo, las baterías secundarias de litio generan calor y gas debido a una reacción de descomposición de materiales activos y electrolitos, que son componentes de la batería, bajo condiciones de funcionamiento anómalas tales como sobrecarga, sobredescarga, exposición a altas temperaturas, y las condiciones resultantes de alta temperatura y alta presión promueven adicionalmente la reacción de descomposición y en ocasiones causan un incendio o una explosión.

[0016] Adicionalmente, es muy importante garantizar la seguridad incluso cuando se produce un cortocircuito interno en la batería, y para este propósito, es importante evaluar correctamente la seguridad de la batería cuando se produce el cortocircuito interno. Como un ítem de estabilidad de batería para baterías secundarias de litio, los detalles acerca de un ensayo de evaluación de batería para evaluar el comportamiento de generación de calor durante cortocircuitos internos se explican en la Norma UL para baterías de litio (UL1642), directrices de la Asociación de la Industria de Baterías (SBA G1101-1997 Lithium Secondary Battery Safety Evaluation Criteria Guidelines), etc.

[0017] Ha existido un método de colocar un elemento calefactor dentro de la celda de batería para inducir un cortocircuito interno y generar calor interno mediante el elemento calefactor, un método de taladrar previamente un separador interno y tratar el área con productos químicos para de este modo disolverse a una cierta temperatura, y un método de inducir un cortocircuito interno desgarrando el separador insertando un cierto tipo de material metálico y aplicando fuerza externa. Sin embargo, en el primer método, el producto real y la forma serían diferentes debido al elemento calefactor dentro de la celda y la fuente de calentamiento externa. En el caso del segundo método, era necesario deformar el separador realmente usado y se realizó un tratamiento químico en la parte en la que el separador fue dañado, por lo que existía un problema de que las características pueden ser diferentes de los productos existentes, y la reacción deseada puede no ocurrir debido a reacciones secundarias causadas por la reacción química dentro de la celda.

[0018] 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 cual, después de que se perfora un separador, se inserta una placa de cobre dentro de una celda de batería, después se colocan placas de cobre y aluminio en 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 aumenta por encima del punto de fusión de la capa de cera en el dispositivo de inducción de cortocircuito interno, la capa de cera se elimina y los electrodos positivo y negativo se conectan eléctricamente por placas de cobre y aluminio, provocando un cortocircuito interno. Sin embargo, este método tiene un problema de que el proceso de fabricación del dispositivo de inducción de cortocircuito interno es complicado y el coste es alto, y la celda de batería debe desmontarse y volver a montarse para uso repetido.

[0019] Otros ejemplos de antecedentes de la técnica pueden encontrarse en US2013/209841A1, US2018/309112A1, CN204614848U, y KR20140066364A.

[0020] [Explicación de la invención]

[0021] [Problema técnico]

[0022] La presente invención se concibe para resolver los problemas anteriores, y un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo electroquímico capaz de ensayar la seguridad debido a un cortocircuito interno sin alterar físicamente toda la estructura en una batería secundaria, un condensador, u otros dispositivos de almacenamiento de energía, y un método de evaluación de seguridad usando dicho dispositivo electroquímico.

[0023] [Solución técnica]

[0024] Un dispositivo electroquímico según la presente invención para alcanzar el objeto anterior 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 una línea perforada lineal, y se proporciona un miembro de inducción de cortocircuito unido a un lado o a ambos lados del separador adyacente a la línea perforada. El miembro de inducción de cortocircuito se mueve mediante un campo magnético aplicado desde una posición separada del dispositivo electroquímico. El separador está adaptado para despegarse a lo largo de la línea perforada, cuando el miembro de inducción de cortocircuito se mueve según la dirección del campo magnético.

[0025] En este momento, la línea perforada se caracteriza por que se forma a lo largo de una línea recta, una curva, o una línea formada de una combinación de una línea recta y una curva en el separador. Es decir, la forma de la línea no está limitada excepto por la forma de una única curva cerrada en la cual la línea forma una figura cerrada tal como un círculo o un polígono.

[0026] Entretanto, la línea perforada se caracteriza por que está hecha de una pluralidad de hendiduras de tipo pasante o ranuras de tipo no pasante. Sin embargo, en el caso de una línea perforada hecha de una hendidura de tipo pasante, es preferible que la línea perforada se forme como una hendidura lineal que tenga un ancho suficientemente pequeño de modo que no se produzca un cortocircuito a través de la hendidura formada. En el caso de la ranura de tipo no pasante, el tamaño o la forma de la ranura no está limitado, como lineal, circular, poligonal, etc.

[0027] El miembro de inducción de cortocircuito se caracteriza por que contiene un material magnético. Preferentemente, el material magnético es uno o dos o más tipos de material magnético seleccionados de Fe, Ni, y Co. El movimiento del miembro de inducción de cortocircuito pasa a ser posible mediante el campo magnético aplicado en una posición separada del dispositivo electroquímico.

[0028] Adicionalmente, a medida que el miembro de inducción de cortocircuito se mueve, el separador en el cual se forma la línea perforada se rompe, y el electrodo positivo y el electrodo negativo entran en contacto directo entre sí a través de la porción rota, provocando así un cortocircuito interno del dispositivo electroquímico.

[0029] Sin embargo, dado que el material magnético incluido en el miembro de inducción de cortocircuito puede provocar un cortocircuito cuando está en contacto con el electrodo positivo o el electrodo negativo, la superficie circunferencial exterior puede estar rodeada por un material aislante. En este caso, el material aislante puede ser una película de polímero porosa.

[0030] Por otro lado, puesto que el miembro de inducción de cortocircuito de la presente invención induce un cortocircuito despegando el separador a lo largo de una línea perforada mientras se mueve por un campo magnético, debe estar conectado físicamente al separador. Por lo tanto, para este fin, el miembro de inducción de cortocircuito puede estar unido al separador por un aglutinante.

[0031] El aglutinante puede contener uno o más materiales seleccionados de fluoruro de polivinilideno, alcohol polivinílico, carboximetilcelulosa (CMC), almidón, hidroxipropilcelulosa, celulosa regenerada, polivinilpirrolidona, tetrafluoroetileno, polietileno, polipropileno, resina epoxi, polímero de etileno-propileno-dieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno butadieno o copolímeros de los mismos, y también puede usarse selectivamente entre aglutinantes conocidos a los que un separador puede unirse.

[0032] Entretanto, el método de evaluación de seguridad según un cortocircuito interno usando el dispositivo electroquímico puede usarse sin limitación en un dispositivo de almacenamiento de energía que incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador, tal como una celda de batería para una batería secundaria y un condensador, y específicamente puede realizarse mediante las etapas siguientes:

[0033] preparar un separador que tiene formada en el mismo una línea perforada;

[0034] unir un miembro de inducción de cortocircuito que incluye un material magnético en una posición adyacente a la línea perforada;

[0035] aplicar un campo magnético al miembro de inducción de cortocircuito; y

[0036] mover el miembro de inducción de cortocircuito para romper una porción de línea perforada del separador. Cuando el miembro de inducción de cortocircuito se mueve para romper el separador según la etapa descrita anteriormente, el electrodo positivo y el electrodo negativo entran en contacto directo a través de la porción rota, induciendo así un cortocircuito interno.

[0037] [Efectos ventajosos]

[0038] El dispositivo electroquímico que incluye el miembro de inducción de cortocircuito de la presente invención mejora el problema de deformación físicamente irreversible de dispositivos de almacenamiento de energía tales como celdas de batería y condensadores después del ensayo de evaluación de cortocircuito interno, que era el mayor problema de los métodos convencionales. El dispositivo electroquímico de la presente invención no sufre deformación estructural excepto que el separador se rompe parcialmente, y puede inducir un cortocircuito interno en diversos estados y entornos. Adicionalmente, puesto que es posible experimentar y evaluar sin desmontaje y remontaje, el proceso es simple y puede ahorrarse tiempo y coste.

[0039] [Breve descripción de los dibujos]

[0040] La FIG. 1 muestra esquemáticamente la estructura de un dispositivo electroquímico que incluye un miembro de inducción de cortocircuito y una celda de batería que incluye el dispositivo electroquímico según una realización de la presente invención.

[0041] La FIG. 2 muestra esquemáticamente la estructura de un dispositivo electroquímico que incluye un miembro de inducción de cortocircuito y una celda de batería que incluye el dispositivo electroquímico según otra realización de la presente invención.

[0042] La FIG.3 es un diagrama esquemático que muestra secuencialmente un proceso de inducir un cortocircuito dentro de una celda de batería usando un imán y una celda de batería que incluye un dispositivo electroquímico que tiene un miembro de inducción de cortocircuito según una realización de la presente invención.

[0043] [Realización preferente de la invención]

[0044] La invención está definida por las reivindicaciones adjuntas. Dado que el concepto inventivo permite varios cambios y numerosas realizaciones, se ilustrarán realizaciones particulares en los dibujos y se describirán en detalle en el texto. Al describir los dibujos, se usan números de referencia similares para elementos similares. En los dibujos adjuntos, las dimensiones de las estructuras se muestran en una escala ampliada para mayor claridad de la invención. Los términos usados para describir diversos componentes son para comprensión, y los componentes no deben limitarse por los términos. Los términos se usan únicamente con el fin de distinguir un componente de otro. Por ejemplo, sin alejarse del alcance de la presente invención, un primer componente puede denominarse segundo componente y, de forma similar, el segundo componente puede denominarse también primer componente. Las expresiones singulares incluyen expresiones plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

[0045] En esta solicitud, debe entenderse que términos como "incluyen" o "tienen" pretenden 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 de los mismos, distintos.

[0046] También, cuando una porción tal como una capa, una película, un área, una placa, etc. se designa como que se encuentra "sobre" otra porción, esto incluye no solo el caso en el que la porción está "directamente sobre" la otra porción, sino también el caso en el que se interpone otra porción adicional entre las mismas. Por otro lado, cuando una porción tal como una capa, una película, un área, una placa, etc. se designa como que se encuentra "debajo" de otra porción, esto incluye no solo el caso en el que la porción está "directamente debajo" de la otra porción, sino también el caso en el que se interpone otra porción adicional entre las mismas. Adicionalmente, disponerse "sobre" en la presente solicitud puede incluir el caso de disponerse en la parte inferior así como en la parte superior.

[0047] En lo sucesivo en el presente documento, se describirá la presente invención en detalle.

[0048] La prueba de cortocircuito interno es una prueba para evaluar la resistencia al cortocircuito interno entre las pruebas de seguridad de la batería, y es una prueba simulada cuando un electrodo positivo y un electrodo negativo se cortocircuitan dentro de la batería. En la prueba de cortocircuito interno, primero se prepara una batería de evaluación completamente 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 el voltaje disminuye, y la prueba se realiza hasta que el voltaje disminuye por debajo de un cierto valor para evaluar la presencia o ausencia de rotura, y el voltaje y la temperatura de la batería, etc.

[0049] Como un ejemplo de un dispositivo de inducción de cortocircuito interno diseñado para evaluación de seguridad de batería, en el caso de un dispositivo de inducción de cortocircuito interno desarrollado por el National Energy Research Institute (NREL), un aislante hecho de cera se coloca entre los electrodos positivo y negativo para separar físicamente los electrodos positivo y negativo. Después, cuando la batería se carga y se descarga y la temperatura interna de la batería aumenta hasta el punto de fusión de la cera, la cera se elimina, y el electrodo positivo y el electrodo negativo entran en contacto directo, provocando un cortocircuito dentro de la batería.

[0050] Específicamente, el dispositivo convencional de inducción de cortocircuito interno crea un orificio perforando una parte de un separador, inserta un bloque hecho de un material metálico tal como cobre en el orificio, e interpone una capa de cera en un lado del bloque metálico. Adicionalmente, la placa de electrodo positivo se fija a la parte del separador en la que la capa de cera no está interpuesta, y la placa de electrodo negativo se fija a la capa de cera. Cuando la capa de cera se elimina, el electrodo positivo, el bloque metálico, y el electrodo negativo entran en contacto directo, provocando así un cortocircuito.

[0051] En una batería secundaria de iones de litio, se produce una reacción redox a medida que los iones de litio se mueven entre electrodos negativo y positivo. Sin embargo, en el caso de la batería que tiene el miembro de inducción de cortocircuito convencional tal como se describió anteriormente, se formó una región no reaccionada porque era imposible mover iones de litio debido a la placa de aluminio y la placa de cobre en la porción en la que el miembro de inducción de cortocircuito está instalado. Debido a la región no reaccionada, el rendimiento de la batería tal como capacidad se redujo en comparación con baterías convencionales, y la precisión de la evaluación de seguridad se redujo porque era difícil simular el comportamiento correcto de la batería cuando se producía un cortocircuito interno. Adicionalmente, en el caso del dispositivo convencional de inducción de cortocircuito interno, el coste de fabricación es alto, y la celda de batería debe desmontarse y volver a montarse para incluir la estructura del dispositivo de inducción de cortocircuito con el fin de reutilizarlo después de insertarlo en la celda de batería para montaje y ensayo. Sin embargo, durante el proceso de remontaje, la alineación de montaje puede distorsionarse o la estructura de la celda de batería puede deformarse, y esto puede provocar problemas de seguridad inesperados.

[0052] Además del método descrito anteriormente, existe un método de ensayo para el cortocircuito interno de una celda de batería usando una aleación con memoria de forma. Sin embargo, esto también tiene una limitación de que la batería debe calentarse a una cierta temperatura o superior, y a medida que se deforma la forma de la aleación con memoria de forma insertada dentro de la celda de batería, existe un riesgo de que otros componentes de la celda de batería distintos del separador puedan distorsionarse.

[0053] Otros métodos conocidos incluyen una prueba de penetración de clavo y una prueba de aplastamiento. Sin embargo, deforman de manera irreversible y permanente la propia celda de batería, y existe un problema de que debe fabricarse una nueva celda de batería para cada prueba.

[0054] El dispositivo electroquímico que incluye el miembro de inducción de cortocircuito según la presente invención es una mejora adicional de la técnica anterior, y el miembro de inducción de cortocircuito incluye un material magnético, y el separador se despega a medida que el miembro de inducción de cortocircuito se mueve.

[0055] El dispositivo electroquímico según la presente invención incluye específicamente un electrodo positivo, un electrodo negativo, un separador y un miembro de inducción de cortocircuito, y se aplica a una batería secundaria, un condensador, y diversos dispositivos de almacenamiento de energía para realizar una prueba de cortocircuito interno. Específicamente, en el caso de una batería secundaria de litio, un conjunto de electrodos que incluye el dispositivo electroquímico puede tener una estructura incorporada en una carcasa de batería, y dependiendo de la forma de la batería secundaria, puede aplicarse a la mayoría de baterías secundarias tales como baterías cilíndricas, baterías de tipo bolsa, baterías prismáticas, o baterías de tipo moneda, pero en una realización de la presente invención, se usa una batería de tipo bolsa.

[0056] El conjunto de electrodos tiene una estructura en la que un electrodo negativo y un electrodo positivo se apilan alternativamente con un separador interpuesto entre los electrodos y se impregna con un electrolito no acuoso de sal de litio. El electrodo para la batería secundaria puede fabricarse aplicando una mezcla de electrodos que contiene un material activo de electrodo sobre un colector de corriente y después secando la mezcla de electrodos. La mezcla de electrodos puede incluir adicionalmente un aglutinante, un material conductor, un relleno, y similares, según sea necesario.

[0057] En la presente invención, el colector de electrodo positivo tiene generalmente un espesor de 3 a 500 micrómetros. El colector de corriente de electrodo positivo no está particularmente limitado siempre que tenga una alta conductividad sin causar un cambio químico en la batería. Ejemplos del colector de corriente de electrodo positivo incluyen acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, aluminio o carbono sinterizado o acero inoxidable cuya superficie ha sido tratada con carbono, níquel, titanio, plata o similares. El colector de corriente puede tener finas irregularidades sobre su superficie para aumentar la adherencia del material activo de electrodo positivo, y son posibles diversas formas, tal como una película, una lámina, una hoja, una red, un cuerpo poroso, una espuma y una tela no tejida.

[0058] La lámina para el colector de electrodo negativo tiene generalmente un espesor de 3 a 500 micrómetros. El colector de corriente de electrodo negativo no está particularmente limitado siempre que tenga conductividad eléctrica sin causar cambios químicos en la batería, y ejemplos de ello incluyen cobre, acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbono sinterizado, cobre o acero inoxidable cuya superficie haya sido tratada con carbono, níquel, titanio, plata o similares, aleación de aluminio-cadmio, o similares. Adicionalmente, al igual que el colector de corriente de electrodo positivo, se pueden formar finos desniveles en la superficie para mejorar la fuerza de adhesión del material activo de electrodo negativo, y se puede utilizar en diversas formas, tal como una película, una lámina, una hoja, una red, un cuerpo poroso, una espuma y una tela no tejida.

[0059] En la presente invención, el material activo de electrodo positivo es un material capaz de provocar una reacción electroquímica y un óxido de metal de transición de litio, y contiene dos o más metales de transición. Ejemplos de ello son: compuestos estratificados como el óxido de litio y cobalto (LiCoO<2>) y el óxido de litio y níquel (LiNiO<2>) sustituidos con uno o más metales de transición; óxido de manganeso de litio 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>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 metálico 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, preferiblemente 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).

[0060] Entre los ejemplos del material activo de electrodo negativo se incluyen el carbono, como el carbono no grafitizado y el carbono grafitado; óxido compuesto 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, los 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 poliacetileno; y materiales a base de Li-Co-Ni.

[0061] El material conductor suele añadirse en una cantidad del 1 al 30 % en peso con respecto al peso total de la mezcla que incluye el material activo de electrodo positivo. Dicho material conductor no está particularmente limitado siempre que tenga conductividad eléctrica sin provocar un cambio químico en la batería, y ejemplos de ello incluyen grafito, tal como grafito natural y grafito artificial; negro de humo, tal como negro de carbón, negro de acetileno, Negro Ketjen, negro de canal, negro de horno, negro de lámpara y negro verano; fibras conductoras, tales como Aber de carbono y fibra metálica; polvos metálicos como el fluoruro de carbono, polvo de aluminio y níquel; whisky conductor tal como óxido de zinc y titanato de potasio; óxidos de metal conductor, tales como óxido de titanio; y materiales conductores, tales como derivados de polifenileno y similares.

[0062] El aglutinante se añade en una cantidad del 1 al 30 % en peso, con respecto al peso total de la mezcla que contiene el material activo de 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. Ejemplos de tales aglutinantes incluyen fluoruro de polivinilideno, alcohol polivinílico, 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.

[0063] El Aller se usa opcionalmente como un componente para inhibir la expansión de un electrodo, y no está particularmente limitado en la medida en que sea un material fibroso sin provocar un cambio químico en la batería. Ejemplos del Aller incluyen polímeros de olefina tales como polietileno y polipropileno; materiales fibrosos tales como fibras de vidrio y fibras de carbono.

[0064] Otros componentes, tales como modificadores de viscosidad, promotores de adhesión, y similares pueden incluirse adicionalmente de manera opcional o en combinación de dos o más. El modificador de viscosidad es un componente que ajusta la viscosidad de la mezcla de electrodos de modo que el proceso de mezclado de la mezcla de electrodos y el proceso de recubrimiento en su colector de corriente puedan ser fáciles, y puede añadirse hasta 30 % en peso con base en el peso total de la mezcla de electrodo negativo. Entre los ejemplos de estos modificadores de la viscosidad se incluye la carboximetilcelulosa, fluoruro de polivinilideno y similares, pero sin limitación. En algunos casos, el disolvente descrito anteriormente puede servir como un modificador de viscosidad.

[0065] El promotor de adhesión es un componente auxiliar añadido para mejorar la adhesión del material activo al colector de corriente y puede añadirse en menos de 10 % en peso en comparación con el aglutinante, y algunos ejemplos del mismo incluyen ácido oxálico, ácido adípico, ácido fórmico, derivados de ácido acrílico, derivados de ácido itacónico, y similares.

[0066] El separador se interpone entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, y se usa una película delgada aislante que tiene alta permeabilidad iónica y resistencia mecánica. El diámetro de poro del separador generalmente es de 0,01 a 10 micrómetros, y el espesor generalmente es de 5 a 300 micrómetros. Ejemplos de tal separador incluyen polímeros basados en olefina tales como polipropileno que es químicamente resistente e hidrófobo; una hoja o un tejido no tejido hecho de vidrio Aber, polietileno o similares.

[0067] La solución electrolítica no acuosa que contiene sal de litio consiste en un electrolito y una sal de litio. Y como la solución electrolítica se usan un disolvente orgánico no acuoso, un electrolito sólido orgánico, un electrolito sólido inorgánico, y similares.

[0068] Entre los ejemplos de disolvente orgánico no acuoso se incluye la 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.

[0069] Ejemplos del electrolito sólido orgánico incluyen 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 fosfato, una lisina de agitación, un sulfuro de poliéster, un alcohol polivinílico, un fluoruro de polivinilideno, un polimerizador que incluye un grupo de disociación iónica y similares.

[0070] Entre los ejemplos de electrolito sólido inorgánico se incluyen los nitruros, haluros, y sulfatos de Li como Li<3>N, Lil, 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>.

[0071] La sal de litio es una sustancia que es soluble en el electrolito no acuoso. Los ejemplos de sales de litio incluyen 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 litio, litio de ácido carboxílico alifático inferior, 4-fenilborato de litio, imida y similares.

[0072] Para el propósito de mejorar las características de carga/descarga, la retardancia a la llama, etc., pueden añadirse al electrolito piridina, fosfito de trietilo, trietanolamina, éter cíclico, etilendiamina, n-glyme, triamida hexafosfórica, un derivado de nitrobenceno, azufre, un colorante de imina de quinona, una oxazolidinona N-sustituida, una imidazolidina N,N-sustituida, un éter dialquílico de etilenglicol, una sal de amonio, pirrol, 2-metoxietanol, tricloruro de aluminio, etc. En algunos casos, puede añadirse además un disolvente que contenga halógeno, tal como tetracloruro de carbono o trifluoruro de etileno, para conferir no inflamabilidad, o puede añadirse además un gas dióxido de carbono para mejorar las características de almacenamiento a alta temperatura, y pueden añadirse además FEC (fluoroetilencarbonato), PRS (sultona de propeno) y similares.

[0073] En un ejemplo preferido, una sal de litio como LiPF<6>, LiClO<4>, LiBF<4>, y LiN(SO<2>CF<3>)<2>puede añadirse a un disolvente mixto de un carbonato cíclico de EC o PC que es un disolvente de alto dieléctrico y un carbonato lineal de DEC, DMC o EMC que es un disolvente de baja viscosidad para preparar así un electrolito no acuoso que contiene una sal de litio.

[0074] Específicamente, 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. El separador tiene una estructura en la que se forma una línea perforada lineal, e incluye un miembro de inducción de cortocircuito unido a uno o ambos lados del separador adyacente a la línea perforada.

[0075] En este momento, la línea perforada se caracteriza por que se forma a lo largo de una línea recta, una curva, o una línea formada de una combinación de una línea recta y una curva en el separador. Es decir, la forma de la línea no está limitada excepto por la forma de una única curva cerrada en la cual la línea forma una figura cerrada tal como un círculo o un polígono. Aunque no es imposible aplicar incluso cuando se forma una figura que forma una única curva cerrada, la línea se forma preferiblemente en una forma lineal abierta con el fin de provocar fácilmente un despegado según el movimiento del miembro de inducción de cortocircuito en una dirección.

[0076] Entretanto, la línea perforada se caracteriza por que está hecha de una pluralidad de hendiduras de tipo pasante o ranuras de tipo no pasante. Sin embargo, en el caso de una línea perforada hecha de una hendidura de tipo pasante, si el ancho de la abertura del separador por la hendidura formada es grande, puede producirse un problema de cortocircuito antes de que el electrodo positivo y el electrodo negativo entren en contacto entre sí para inducir un cortocircuito. Por lo tanto, al formar la hendidura de tipo pasante, es preferible que sea lineal, pero es preferible que el ancho sea suficientemente estrecho de modo que el electrodo positivo y el electrodo negativo no entren en contacto. En este caso, puede usarse un cortador lineal para formar la hendidura.

[0077] Adicionalmente, en el caso de la ranura de tipo no pasante, el tamaño o la forma de la ranura no está limitado, tales como lineal, circular, poligonal, etc. En este caso, la ranura puede formarse presionando el separador usando un dispositivo de prensado hasta el resalte con forma de ranura a lo largo de la línea que va a crearse.

[0078] El miembro de inducción de cortocircuito se caracteriza por que contiene un material magnético. Preferentemente, el material magnético es uno o dos o más tipos de material magnético seleccionados de Fe, Ni, y Co. El movimiento del miembro de inducción de cortocircuito pasa a ser posible mediante el campo magnético aplicado en una posición separada del dispositivo electroquímico.

[0079] Adicionalmente, a medida que el miembro de inducción de cortocircuito se mueve, el separador en el cual se forma la línea perforada se rompe, y el electrodo positivo y el electrodo negativo entran en contacto directo entre sí a través de la porción rota, provocando así un cortocircuito interno del dispositivo electroquímico.

[0080] Sin embargo, dado que el material magnético incluido en el miembro de inducción de cortocircuito puede provocar un cortocircuito cuando está en contacto con el electrodo positivo o el electrodo negativo, la superficie circunferencial exterior puede estar rodeada por un material aislante. En este caso, el material aislante puede ser una película de polímero porosa.

[0081] Entretanto, uno o más de los miembros de inducción de cortocircuito pueden unirse a un extremo de la unidad de cubierta por un aglutinante. La parte magnética sirve para mover el miembro de inducción de cortocircuito mediante un campo magnético aplicado desde el exterior de la celda de batería y, cuando el miembro de inducción de cortocircuito se mueve según la dirección del campo magnético, el separador puede despegarse a lo largo de la línea perforada. En consecuencia, dado que el electrodo positivo expuesto y el electrodo negativo expuesto pueden entrar en contacto directo, se produce un cortocircuito interno de la celda de batería. Es decir, al fijar el miembro de inducción de cortocircuito al separador como se ha descrito anteriormente, cuando se aplica un campo magnético en una posición separada del dispositivo electroquímico que incluye el miembro de inducción de cortocircuito, el separador se despega a lo largo de la línea perforada mientras la posición del miembro de inducción de cortocircuito se desplaza según la dirección del campo magnético.

[0082] Si el aglutinante para unir el miembro de inducción de cortocircuito al separador se diseña de modo que no afecte al separador y la capa de electrodo del miembro de inducción de cortocircuito, y para evitar la conducción entre los electrodos cuando se produce un cortocircuito por el miembro de inducción de cortocircuito, no existen restricciones específicas sobre los tipos de productos químicos, y puede usarse una composición de resina epoxi en la medida en que la fuerza adhesiva no se reduzca por el electrolito interno.

[0083] Tales aglutinantes pueden estar hechos de uno o más materiales seleccionados de fluoruro de polivinilideno, alcohol polivinílico, carboximetilcelulosa (CMC), almidón, hidroxipropilcelulosa, celulosa regenerada, polivinilpirrolidona, tetrafluoroetileno, polietileno, polipropileno, resina epoxi, polímero de etileno-propileno-dieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno butadieno o copolímeros de los mismos.

[0084] En particular, el fluoruro de polivinilideno (PVDF) entre los productos químicos es un material usado comúnmente como un aglutinante para electrodos, y tiene excelente resistencia química y buenas propiedades mecánicas, térmicas, y eléctricas, que son ventajas de resina de flúor. Como tal, no interfiere con la conexión eléctrica dentro de la celda de batería mientras mantiene la adhesión entre el miembro de inducción de cortocircuito y el separador. Entretanto, el método de evaluación de seguridad según un cortocircuito interno usando el dispositivo electroquímico puede usarse sin limitación en un dispositivo de almacenamiento de energía que incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador, tal como una celda de batería para una batería secundaria y un condensador, y específicamente puede realizarse mediante las etapas siguientes:

[0085] preparar un separador que tiene formada en el mismo una línea perforada;

[0086] unir un miembro de inducción de cortocircuito que incluye un material magnético en una posición adyacente a la línea perforada;

[0087] aplicar un campo magnético al miembro de inducción de cortocircuito; y

[0088] mover el miembro de inducción de cortocircuito para romper una porción de línea perforada del separador. Cuando el miembro de inducción de cortocircuito se mueve para romper el separador según la etapa descrita anteriormente, el electrodo positivo y el electrodo negativo entran en contacto directo a través de la porción rota, induciendo así un cortocircuito interno. De acuerdo con una realización de la presente invención, al fabricar una celda de batería que incluye el dispositivo electroquímico, puede inducirse un cortocircuito interno dentro de la batería secundaria.

[0089] En lo sucesivo en el presente documento, con referencia a los dibujos, un dispositivo electroquímico que incluye el miembro de inducción de cortocircuito según la presente invención y una estructura de celda de batería que incluye el mismo y un método de evaluación de seguridad se describirán con más detalle.

[0090] La FIG. 1 muestra una estructura de una celda de batería 100 que incluye un dispositivo electroquímico como una realización según la presente invención. La celda de batería 100 puede incluir un electrodo positivo 110, un electrodo negativo 120, y un separador 130 interpuesto entre los mismos, y el electrodo positivo 110 y el electrodo negativo 120 y el separador 130 pueden alojarse en una carcasa de tipo bolsa 140.

[0091] Una línea perforada 131 en forma de "C" se forma en el separador 130, y la línea perforada puede formarse como una pluralidad de hendiduras lineales o ranuras lineales. En el caso de una hendidura, puede usarse un cortador, y en el caso de una ranura, puede usarse una plantilla de presurización, pero el método de formación de la línea perforada 131 no está limitado a los mismos. Mientras tanto, un miembro de inducción de cortocircuito 132 está unido adyacente a la línea perforada, y a medida que el miembro de inducción de cortocircuito 132 se mueve, el separador en la porción a la que el miembro de inducción de cortocircuito 132 está unido se mueve, y se produce rotura (despegado) a lo largo de la línea perforada 131.

[0092] La FIG. 2 muestra una estructura de otra celda de batería 200 que incluye un dispositivo electroquímico como otra realización según la presente invención. La celda de batería 200 tiene una estructura similar a la de la realización de la FIG.1, y puede incluir un electrodo positivo 210, un electrodo negativo 220, y un separador 230 interpuesto entre los mismos. El electrodo positivo 210 y el electrodo negativo 220 y el separador 230 pueden alojarse en una carcasa de tipo bolsa 240.

[0093] Una línea perforada 231 en forma de "<" se forma en el separador 230, y la línea perforada puede formarse como una pluralidad de hendiduras lineales o ranuras lineales. En el caso de una hendidura, puede usarse un cortador, y en el caso de una ranura, puede usarse una plantilla de presurización, pero el método de formación de la línea perforada 231 no está limitado a los mismos. Mientras tanto, un miembro de inducción de cortocircuito 232 está unido adyacente a la línea perforada, y a medida que el miembro de inducción de cortocircuito 232 se mueve, el separador en la porción a la que el miembro de inducción de cortocircuito 232 está unido se mueve, y se produce rotura (despegado) a lo largo de la línea perforada 231. La línea perforada con forma de "<" está diseñada para ensanchar gradualmente el ancho de la porción rota a medida que el miembro de inducción de cortocircuito 232 se mueve, y la línea perforada se forma en una forma para provocar fácilmente la rotura (despegado) del separador con una fuerza pequeña.

[0094] Un proceso de inducir un cortocircuito aplicando un campo magnético a una distancia del dispositivo electroquímico se muestra esquemáticamente en la FIG.3.

[0095] Con referencia a la FIG.3 para describir el proceso de inducir un cortocircuito interno con más detalle, primero, como en (a) de la FIG.3, usando un imán permanente 10 o un dispositivo capaz de aplicar un campo magnético, se aplica un campo magnético al miembro de inducción de cortocircuito unido al dispositivo electroquímico desde el exterior de la celda de batería.

[0096] El campo magnético se aplica al material magnético incluido en el miembro de inducción de cortocircuito, y puede aplicarse a lo largo de una dirección en la que no se forma una línea perforada tal como indica una flecha de modo que el separador pueda romperse a lo largo de la línea perforada.

[0097] A continuación, con referencia a (b) de la FIG.3, el miembro de inducción de cortocircuito se mueve dentro de la celda de batería según el campo magnético aplicado desde el exterior, con lo cual el separador en el área donde el miembro de inducción de cortocircuito está unido se mueve, y el separador se rompe a lo largo de la línea perforada. Como resultado, el electrodo positivo y el electrodo negativo de la parte rota entran en contacto directo, provocando un cortocircuito, y pasa a ser posible evaluar la seguridad de la celda de batería en la cual se induce el cortocircuito interno.

[0099] <Descripción de los números de referencia>

[0101] 10: imán permanente

[0102] 100: celda de batería

[0103] 110: electrodo positivo

[0104] 120: electrodo negativo

[0105] 130: separador

[0106] 131: línea perforada

[0107] 132: miembro de inducción de cortocircuito

[0108] 140: carcasa de batería

[0109] 200: celda de batería

[0110] 210: electrodo positivo

[0111] 220: electrodo negativo

[0112] 230: separador

[0113] 231: línea perforada

[0114] 232: miembro de inducción de cortocircuito

[0115] 240: carcasa de batería

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo electroquímico que comprende un electrodo positivo (110, 210), un separador (130, 230), y un electrodo negativo (120, 220) que están apilados secuencialmente,

en donde el separador (130, 230) comprende una línea perforada lineal (131, 231), y

en donde un miembro de inducción de cortocircuito (132, 232) que incluye un material magnético está dispuesto en un lado o en ambos lados del separador (130, 230) adyacente a la línea perforada (131, 231), en donde el miembro de inducción de cortocircuito (132, 232) se mueve por un campo magnético aplicado desde una posición separada del dispositivo electroquímico,

en donde el separador (130, 230) está adaptado para despegarse a lo largo de la línea perforada (131, 231), cuando el miembro de inducción de cortocircuito (132, 232) se mueve según la dirección del campo magnético.

2. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 1, en donde el separador (130, 230) incluye la línea perforada (131, 231) a lo largo de una línea recta, una curva, o una línea formada de una combinación de una línea recta y una curva en el separador (130, 230).

3. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 1, en donde la línea perforada comprende una pluralidad de hendiduras de tipo pasante o ranuras de tipo no pasante.

4. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 1, en donde el material magnético incluido en el miembro de inducción de cortocircuito (132, 232) es uno o más materiales magnéticos seleccionados de Fe, Ni y Co.

5. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 4, en donde una superficie periférica exterior del material magnético está rodeada por un material aislante.

6. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 5, en donde el material aislante comprende una película de polímero porosa.

7. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 1, en donde el miembro de inducción de cortocircuito (132, 232) está unido al separador (130, 230) por un aglutinante.

8. El dispositivo electroquímico de la reivindicación 7, en donde el aglutinante contiene uno o más materiales seleccionados de fluoruro de polivinilideno, alcohol polivinílico, carboximetilcelulosa (CMC), almidón, hidroxipropilcelulosa, celulosa regenerada, polivinilpirrolidona, tetrafluoroetileno, polietileno, polipropileno, resina epoxi, polímero de etileno-propileno-dieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno butadieno o copolímeros de los mismos.

9. Un método para evaluar seguridad según un cortocircuito interno de una batería, que comprende:

preparar un separador (130, 230) que tiene formada en el mismo una línea perforada (131, 231);

unir un miembro de inducción de cortocircuito (132, 232) que incluye un material magnético en una posición adyacente a la línea perforada (131, 231);

aplicar un campo magnético al miembro de inducción de cortocircuito (132, 232); y

mover el miembro de inducción de cortocircuito (132, 232) por un campo magnético aplicado desde una posición separada del dispositivo electroquímico para exponer la porción de línea perforada,

despegar el separador (130, 230) a lo largo de la línea perforada (131, 231), cuando el miembro de inducción de cortocircuito (132, 232) se mueve según la dirección del campo magnético.