MX2011002942A - Acumulador de litio y metodo de produccion del mismo. - Google Patents

Acumulador de litio y metodo de produccion del mismo.

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Abstract

Un Acumulador de litio que incluye al menos dos electrodos tridimensionales separados por un separador y encapsulados junto con un electrolito, que comprende una solución no acuosa de una sal de litio en un solvente orgánico, en un cuerpo de acumulador donde los dos electrodos tienen un espesor mínimo de 0.5 mm. cada uno, de los cuales al menos un electrodo comprende una mezcla comprimida, homogénea, de un componente conductor de electrones y un material activo, capaz de absorber y extraer litio en presencia del electrolito, donde la porosidad de los electrodos prensados es de 25 a 90%, el material activo tiene morfología de esferas huecas con un espesor de pared máximo de 10 micrómetros, o morfología de agregados o aglomerados de 30 micrómetros de tamaño como máximo, mientras que el separador consiste de material de cerámica eléctricamente aislante con poros abiertos y porosidad de 30 a 95%.

Description

ACUMULADOR DE LITIO Y METODO DE PRODUCCION DEL MISMO CAMPO DE LA INVENCION La invención se relaciona con un acumulador de litio que incluye al menos dos electrodos tridimensionales separados por un separador y encapsulados junto con un electrolito, que comprende una solución no acuosa de una sal de litio en un solvente polar orgánico, en un cuerpo de acumulador. Además, la invención se relaciona con un método para producir un acumulador de litio con un tipo especifico de electrodos tridimensionales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION Las células de litio han sido desarrolladas intensamente durante las recientes dos décadas permitiendo de este modo la existencia de muchos dispositivos portátiles. No obstante, las demandas crecientes por una mayor capacidad y seguridad de las baterías de litio no siempre se cumplen. Esto hace lento el progreso de muchas aplicaciones, incluyendo la sustitución de los acumuladores de plomo-ácido con acumuladores de litio que posean mayor voltaje, o el desarrollo de baterías grandes para electromóviles y almacenamiento de energía.
Las tecnologías de la técnica anterior que usan grafito como un material activo para el electrodo negativo no permiten asegurar la seguridad de una batería con un peso que exceda de 0.5-1 kg. Los esfuerzos por incrementar el tamaño de este tipo de acumuladores encuentran muchos problemas como el sobrecalentamiento, la capa intermedia sobre el grafito, aumento de volumen, desarrollo de litio metálico sobre la superficie de grafito y riesgo de explosión o fuego. Esos problemas de seguridad empujan a los acumuladores de litio grande más allá de los limites de aceptabilidad.
Las tecnologías que sustituyen grafito con un material diferente, por ejemplo espinela de titanato de litio Li4Ti50i2 (LTS) mejoran fuertemente los parámetros de seguridad de las baterías de litio, pero por otro lado, hacen disminuir significativamente el voltaje de la célula.
Las baterías de litio fabricadas sobre esta base satisfacen las demandas de seguridad de uso en electromóviles , pero los parámetros de peso de esas baterías no permiten su uso fácil en vehículos pequeños.
Todos los acumuladores de litio recargables fabricados hoy en día se basan en electrodos planos, donde una mezcla de un material activo, carbono conductor y agente aglutinante orgánico se laminan en una capa delgada sobre una hoja metálica delgada, conductora, usualmente aluminio o cobre (recolector de corriente) . Él espesor de esos electrodos planos usualmente no excede de 200 micrómetros. Los electrodos positivo y negativo se apilan juntos, separados por una capa delgada de un material eléctricamente aislante, usualmente una hoja delgada perforada hecha de un polímero orgánico-separador . Los electrodos de película delgada apilados aislados por los separadores son entonces prensados juntos, colocados en el paquete del acumulador y el espacio dentro del acumulador es llenado con un electrolito. Se usa una solución acuosa de sales de litio como el electrolito. En relación con esos dispositivos basados en los electrodos planos, es muy importante ;evitar el crecimiento del metal de litio durante el proceso de carga y descarga, por ejemplo, cuando la carga o descarga es demasiado rápida. El metal de litio se desarrolla sobre los electrodos en forma de dendritas, las cuales crecen excesivamente a través del separador y producen un corto eléctrico entre ambos electrodos. Cualquier uso de litio metálico como un electrodo negativo en el acumulador de configuración de película delgada plana es imposible por la misma razón.
Un tipo de una célula con electrodos planos de película delgada se describe con detalle en la Patente Estadounidense No. 6,127,450. A pesar de su capacidad volumétrica incrementada, este tipo es afectado por propiedades inherentes de los electrodos planos como se describió anteriormente.
Una de las posibles composiciones de una batería de litio con una configuración de electrodo plano de película delgada se describe en la solicitud de Patente Estadounidense No. 2007/0092798. Se usan varios materiales activos, un componente de los electrodos. La célula de la batería arreglada en la configuración plana, muestra una capacidad volumétricamente relativamente, la cual es limitada además por el tipo de material del cátodo.
Otra solicitud de Patente Estadounidense No. 2007/0134554 enseña un conductor de electrones de carbono depositado sobre partículas sólidas y un material activo específico. El carbono que mejora la conductividad del material activo se forma directamente sobre la superficie del material activo usando un proceso de pirólisis más que complicado.
La EP1244168A describe la ' formación de capas delgadas de una célula electroquímica recubriendo un sustrato adecuado con una pasta que comprende el material activo, aglutinantes orgánicos y carbono conductor sin la aplicación de un proceso de sinterización . El cálculo de un ejemplo modelo 8, donde es usado un separador con una porosidad de 50-90%, muestra un gradiente del voltaje del electrodo con el potencial eléctrico cayendo agudamente con el incremento del espesor del electrodo. Sobre la base de este hecho, debe comprenderse que la red descrita no puede ser usada para la formación de electrodos de mayor espesor, por ejemplo que excedan de 0.5 mm.
SUMARIO DE LA INVENCION Un objetivo principal de la invención es proporcionar un acumulador de litio con capacidad de almacenamiento de energía y espesor extendidos de los componentes individuales del acumulador, el cual puede operar en un amplio intervalo de potencial eléctrico.
Otro objetivo de la invención es lograr el voltaje más altó del acumulador y un incremento considerable de la densidad de energía. : Otro objetivo más de la invención es proporcionar un acumulador que pueda ser usado no únicamente para baterías de botón de alta capacidad y sistemas: microelectromecánicos sino también como un acumulador de densidad de energía diseñado para la industria automotriz, almacenamiento de energía, etc.
Un objetivo más de la invención es proporcionar un proceso de fabricación del acumulador a bajo costo, simple.
Los objetivos de la presente' invención pueden ser logrados y las deficiencias descritas superadas por el acumulador de litio que incluya al menos dos electrodos tridimensionales separados por un separador y encapsulados juntos con un electrolito, que comprende una solución no acuosa de una sal de litio en un solvente polar orgánico, en un cuerpo de acumulador caracterizado porque los dos electrodos tienen un espesor mínimo de 0.5 mm cada uno, de los cuales al menos un electrodo comprende una mezcla comprimida, homogénea, de un componente conductor de electrones y un material activo, capaz de absorber y extraer litio en presencia del electrolito, donde la porosidad de los electrodos prensados es de 25 a 90%, el material activo tiene una morfología de esferas huecas con un espesor de pared máximo de 10 micrómetros, o una morfología de agregados o aglomerados con un máximo de 30 micrómetros de tamaño, mientras que el separador consiste de un material de cerámica eléctricamente aislante altamente poroso con poros abiertos y una porosidad de 30 a 95%.
Aquí posteriormente, son descritas otras modalidades ventajosas de la invención incluyendo modificaciones, detalles específicos y el método de producción del acumulador de litio.
El componente conductor de electrones, el material activo y el separador son materiales inorgánicos libres de aglutinantes orgánicos. Esta característica de la invención se basa en un nuevo conocimiento descubierto en el curso de la elaboración de esta invención de que cualquier presencia de aglutinante orgánico en los componentes afecta de manera adversa la difusión de los iones litio dentro de capas con un espesor que exceda de varios micrómetros. La fabricación ventajosa por prensado crea acumuladores que no requiere ningún aglutinante orgánico de ningún tipo y son resistentes a la vibración.
El componente conductor de electrones puede ser seleccionado de un grupo que consiste de un carbono conductor y sus modificaciones, metales conductores y óxidos eléctricamente conductores.
Usualmente, pero sin limitación, el material activo puede ser seleccionado del grupo que consiste de óxidos mezclados o fosfatos de litio, manganeso, cromo, vanadio, titanio, cobalto, aluminio, níquel, hierro, lantano, niobio, boro, cerio, tántalo, estaño, magnesio, itrio y zirconio.
En un electrodo de película delgada, las partículas del material activo tienen, dentro del alcance de su capacidad útil, la capacidad de " absorber y extraer completamente iones litio en el intervalo de tiempo de hasta 20 minutos.
El material activo preferiblemente consiste de nanopartículas de espinelas modificadas y no modificadas de óxido de litio y manganeso u óxido de litio y titanio con un tamaño de hasta 250 nm.
El electrodo positivo comprende 40-85% en peso del material activo y opcionalmente un recolector de corriente en forma de una hoja delgada expandida, red, rejilla, alambre, fibras o polvo.
El recolector de corriente se selecciona de un grupo que consiste de aluminio, cobre, plata, titanio, silicio, platino, carbono o un material estable dentro de la ventana de voltaje de la célula particular.
El electrodo consiste en una mezcla homogénea, comprimida de un material activo, componentes conductores de electrones y un recolector de corriente.
El separador es una capa u hoja voluminosa de un polvo altamente poroso de un material de cerámica, basado, de manera ventajosa en AI2O3 o Zr02.
Preferiblemente, el separador puede tener una morfología no direccional del producto pirolizado o fibras de vidrio o cerámica no tejidas con un tipo de porosidad abierta, y puede ser hecho por compresión del polvo de un producto pirolizado o fibras no tejidas de cerámica en una capa voluminosa. El espesor del separador fluctúa de 0.1 mm a 10 mm y el separador puede ser creado comprimiendo el polvo directamente sobre el electrodo, o puede ser prensado por separado en una hoja, con frecuencia una tableta, opcionalmente tratada térmicamente, y entonces colocado sobre el electrodo.
Ambas de esas morfologías del separador completamente inorgánico, junto con su espesor, el cual puede ser varias veces mayor en comparación con los separadores de la técnica anterior, permite el uso de metal de litio como un electrodo negativo. Esto extiende el voltaje y la capacidad de almacenamiento de energía del acumulador de litio hasta las posibilidades teóricas.
El electrodo negativo preferiblemente consiste de metal de litio, el cual puede estar en forma de una hoja u hoja delgada de litio, o una combinación de una hoja u hoja delgada de litio comprimida, y dendritas, o preferiblemente dendritas de litio como tal. La forma dendritica de litio puede ser producida in situ a partir de la hoja delgada u hoja de litio por medio de un ciclo del acumulador de litio. Además, el tamaño de las dendritas y su superficie puede ser modificado por la adición de otro compuesto, por ejemplo carbono conductor o por la composición del electrolito, o mezclando ciertas sustancias en el electrolito, por ejemplo fosfatos estables.
El uso de litio metálico, ventajosamente en su forma dendritica, reduce fuertemente el peso y tamaño del acumulador de litio y en las modalidades descritas aquí; esta forma incrementa simultáneamente la seguridad del acumulador en comparación con aquéllos que contienen grafito. Para este efecto, se usa la combinación de las dendritas de metal de litio con el separador libre de compuestos orgánicos descrito anteriormente. El separador evita que las dendritas de litio penetren; a través de éste, de modo que las dendritas pueden ser usadas como un electrodo negativo. Además, la combinación proporciona mayor seguridad al acumulador en el caso de un cortocircuito .
La sal de litio del electrolito es seleccionada preferiblemente del grupo que consiste de LÍPF6, LiPF4(CF3)2, LiPF4(CF4S02)2, LiPF4(C2F5)2, LiPF4 (C2F5S02) 2, LiN (CF3S02 ) 2, LÍN(C2F5S02)2, LÍCF3SO3, LÍC(CF3S02)3, L1BF4, LÍBF2(CF3)2, LiBF2 (C2F5) 2 , LiBF2 (CF3SO2) 2 , LiBF2(C2F5S02)2 y LiC104. El electrolito puede contener además agentes de modificación que mejoren las funciones del acumulador a temperatura altas y/o remoción de los productos de descomposición y/o protección del acumulador contra sobrecarga y/o sustancias que controlen el tamaño de las dendritas de litio metálico.
De acuerdo con una modalidad de la invención, el acumulador de litio comprende un cuerpo hueco que tiene una parte superior y una parte inferior abiertas para formar un primer polo del acumulador, un primer electrodo situado en la parte inferior del cuerpo y que está en contacto eléctrico con una superficie interna del cuerpo, y un segundo electrodo con la parte superior separado de la superficie interna del cuerpo por un inserto aislante, y un separador colocado entre el primer electrodo y el segundo electrodo, una tapa que cierra la parte superior abierta y que está en contacto eléctrico con un segundo electrodo para formar un segundo polo del; acumulador, una cubierta de sellado para aislar la tapa del cuerpo.
De acuerdo con otra modalidad, el acumulador de litio comprende un cuerpo superior y un cuerpo inferior unidos para definir juntos un espacio de acumulador interno y conectados al primer polo del acumulador, un primer electrodo prensado en el espacio interno para formar una cavidad central dentro y que está en contacto eléctrico con los cuerpos, el segundo electrodo localizado dentro de la cavidad central, estando el segundo polo del acumulador en contacto eléctrico con el segundo electrodo y extendiéndose hacia fuera del cuerpo del acumulador y los separadores que dividen el primer electrodo del segundo electrodo.
De acuerdo con otra modalidad más, el acumulador de litio comprende un cuerpo superior que incluye el primer polo del acumulador y un cuerpo inferior que incluye el segundo polo del acumulador, definiendo ambos montajes de cuerpo juntos un volumen del espacio del acumulador interno, un primer electrodo localizado dentro del espacio interno del cuerpo superior, el segundo electrodo localizado dentro del espacio interno del cuerpo inferior, un separador que divide el primer electrodo del segundo electrodo y un sello colocado entre el cuerpo superior y el cuerpo inferior para el aislamiento eléctrico del primer polo del acumulador del segundo polo del acumulador.
De acuerdo con otra modalidad, el acumulador de litio incluye dos conjuntos marginales y al menos un conjunto interno, comprendiendo cada uno de los conjuntos primeros electrodos, segundos electrodos, separadores, recolectores de corriente y polos de acumulador, que comprende además: un cuerpo superior marginalmente hueco que tiene una superficie externa cerrada y una superficie interna abierta para definir un armazón marginal para recibir un primer electrodo, un cuerpo inferior marginal hueco que tiene una superficie externa cerrada y una superficie interna abierta para definir un armazón marginal para recibir un primer electrodo, armazones internos para recibir los primeros electrodos, armazones internos para recibir los segundos electrodos, separadores colocados entre los primeros electrodos adyacentes y segundos electrodos, recolectores de corriente para proporcionar contacto eléctrico con los primeros electrodos y conectados al primer polo del acumulador, recolectores de corriente para proporcionar contacto eléctrico con los segundos electrodos y conectado al segundo polo del' acumulador, al menos un conjunto interno de la misma configuración que los conjuntos marginales donde los cuerpos marginales son reemplazados por los armazones internos.
De acuerdo con un método" de producción del acumulador de litio, al menos una hoja voluminosa de un primer electrodo, un separador y al menos una hoja de un segundo electrodo se apilan presionándolas una sobre otra, el cuerpo del acumulador es llenado con un electrolito, cerrado y el recolector de corriente del mismo tipo de electrodos son conectados .
De manera alternativa, las hojas individuales pueden ser prensadas gradualmente una sobre la otra por impacto .
En otra alternativa, las hojas comprimidas de al menos un electrodo, un separador y al menos otro segundo electrodo son apiladas alternativamente una sobre la otra, el cuerpo del acumulador es llenado con el electrolito, cerrado y los recolectores de corriente del mismo tipo de electrodo son conectados .
En cuanto a la composición química es posible usar únicamente materiales activos con una electrodifusión de litio rápida para este tipo de células de litio (que absorben y extraen litio muy rápido) . Las óptimas son estructuras de espinela, las cuales pueden absorber y extraer litio rápidamente en todas las orientaciones critalinas. Es posible usar convenientemente espinelas modificadas o no modificadas de óxido de litio y manganeso LiMn204 (LMS) , LiMn1.5Nio.5O4 (LNMS) u óxido de litio y titanio Li4Ti5O12 (LTS) .
La morfología del material activo en forma de polvo, capaz de absorber y extraer litio rápidamente, juega un papel importante y debe satisfacer varios parámetros básicos. El tamaño de partícula óptimo de los materiales activos puede variar, pero debe satisfacer la capacidad de completar la carga y descarga (absorción y extracción de iones litio) de las partículas dentro de 20 minutos. Las óptimas son partículas de materiales activos, las cuales pueden ser cargadas y descargadas completamente en menos de 1 minuto, preferiblemente en varios segundos. De manera ventajosa, pueden ser usados nanocristales de estructuras de espinela. El óxido de litio y titanio con estructura de espinela y el tamaño de partícula de 200-250 nm pueden ser cargados o descargados durante 30 minutos, pero el mismo material con un tamaño de partícula de 30-50 nm puede ser cargado o descargado en un periodo de tiempo de hasta 30 segundos. La espinela de óxido de litio y manganeso con un tamaño de partícula de 150 nm puede ser cargada o descargada en 1 minuto.
En el caso óptimo, los materiales nanocristalinos activos tienen morfología de esferas huecas con un espesor de pared de hasta 10 micrómetros, preferiblemente de 1 a 3 micrómetros. Esta morfología puede ser preparada convenientemente secando por rocío la suspensión de material activo. El diámetro de esas esferas huecas es preferiblemente de 1 a 50 micrómetros.
Cuando se usan agregados o aglomerados compactos de lo materiales activos, los cuales se produzcan por ejemplo triturando un material seco, el tamaño de esas formaciones debe ser menor de 30 micrómetros, y favorablemente menor de 5 micrómetros.
El espesor y capacidad de los electrodos individuales del acumulador de litio de acuerdo con la invención es al menos 5 veces, y comúnmente de 2 órdenes de magnitud mayor que el espesor de los electrodos usados en las células de litio con la configuración plana de película delgada. En consecuencia, el acumulador de litio de acuerdo con la invención permite alcanzar hasta 5 veces más voltaje que el acumulador de plomo, conservando a la vez la misma capacidad y tamaño.
El cuerpo del acumulador de metal de la construcción descrita permite un fácil enfriamiento y calentamiento del acumulador. Si es usado un electrodo de litio negativo en lugar del electrodo de grafito comúnmente usado, es posible cargar el acumulador más rápido con una diferencia de potencial eléctrico mayor. El acumulador de litio de acuerdo con la invención puede ser cargado y descargado en el intervalo de tiempo dé 1-24 horas, mientras que el 5"0% de la capacidad de la célula puede ser descargado típicamente en menos de 2 horas. Es posible cargar y descargar el acumulador de litio 100 veces más, preservando a la vez 80% de su capacidad. El uso de litio metálico en forma de dendritas incrementa significativamente la densidad de corriente en comparación con una hoja delgada de litio compacta .
En el proceso de fabricación, el material activo es mezclado homogéneamente con el componente altamente conductor de electrones, por ejemplo, carbono conductor. La relación de material activo al carbón conductor difiere con las composiciones químicas individuales. La mezcla usualmente contiene 40-85% en peso del material activo. De manera más frecuente, el contenido de carbono conductor es de 25-40% en peso. Esta mezcla no contiene ningún agente aglutinante orgánico como cloruro de polivinilideno (PVDF) u otros. La mezcla obtenida es comprimida en una hoja de 0.5-50 mm de espesor. Las hojas del separador y el segundo electrodo son prensadas gradualmente sobre la hoja del primer electrodo; el acumulador es llenado con un electrolito y cerrado. El separador a ser incorporado en el acumulador puede tener una estructura inicial de un polvo que puede ser prensado directamente sobre el electrodo o puede ser un bloque compacto de un polvo comprimido por separado para obtener una tableta de una forma que se ajuste a la forma respectiva del electrodo, y puede ser sometido además a un tratamiento térmico. El espesor del separador fluctúa de varias décimas de micrómetros hasta varios milímetros.
Si son fabricados bloques más grandes de electrodos con mayor capacidad, es posible agregar un recolector de corriente a la mezcla del componente conductor de electrones y el material activo por ejemplo alambre, limadura de metal, fibras, rejilla o red para transportar corrientes altas, y prensarlos juntos en un bloque compacto del electrodo de tal forma que el recolector de corriente se conecte al polo del electrodo. El polo del electrodo, conectado eléctricamente a un alambre periférico, es usualmente la armadura del electrodo, hecha de aluminio u otro material conductor. El aluminio, cobre, plata, titanio, oro, platino, silicio u otros metales conductores, los cuales son estables en el intervalo de voltaje aplicable, pueden ser usados como este material recolector de corriente. También es posible usar fibras y nanotubos de carbono. La mezcla es prensada junta, pertinentemente con un impacto en una hoja o bloque de hasta varios centímetros de espesor. La porosidad de un electrodo preparado de este modo varía de 25 hasta 80%, típicamente de 30 hasta- 50%.
Un acumulador de litio multielectrodo con una capacidad de almacenamiento de energía alta puede ser producido de manera ventajosa prensando hojas individuales de electrodos y separadores repetidamente uno encima del otro y conectando los polos del mismo tipo de electrodo, es decir repitiendo la configuración de un bloque tridimensional de electrodo positivo separado por un separador de litio o un bloque tridimensional del electrodo negativo y con la conexión eléctrica de los electrodos respectivos juntos.
La producción de la célula del acumulador prensando los componentes individuales de polvos es fácil y barata. Esos métodos también garantizan una excelente resistencia contra agitación y vibraciones, a las cuales los acumuladores pueden ser expuestos durante la operación.
El acumulador de litio de acuerdo con la invención está diseñado para usarse como un acumulador de célula de botón de alta capacidad para acumuladores de alto voltaje usados en la industria automotriz o como un medio de almacenamiento de energía.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La Figura 1 es una vista en corte, esquemática, de una modalidad de un acumulador de litio; La Figura 2a es una vista esquemática de la mezcla de polvo; La Figura 2b es una micrografía de microscopio electrónico de barrido que muestra la morfología óptima de una mezcla de polvo del material activo y el carbono conductor para un electrodo tridimensional; La Figura 3 es una gráfica con voltamogramas que muestra los potenciales característicos de materiales activos Li4Ti50i2 (LTS), LiMn204 (LMS) , un LiMn1.5Nio.5O4 (LMNS ) contra litio, La Figura 4 es una gráfica que muestra las características del ciclo de descarga (1.5 V) del acumulador de Li/LTS a la desviación constante de 3 V; La Figura 5 es una gráfica que muestra las características de corriente del acumulador de Li/LTS (1.5 V) durante las mediciones de carga y descarga, descritas en el Ejemplo 2; La Figura 6 es una gráfica que muestra el voltaje característico del acumulador de Li/LTS (1.5 V) durante las mediciones de carga y descarga, descritas en el Ejemplo 2; La Figura 7 es una gráfica que muestra la corriente característica del acumulador de LTS/LNMS (3 V) durante las mediciones de carga y descarga, descritas en el Ejemplo 3; La Figura 8 muestra una fotografía de nanopartículas de material activo de LiMn204 (LMS), usado en el ejemplo 4, adquirida por un microscopio electrónico; La Figura 9 es una gráfica que muestra las características de corriente del acumulador de Li/LMS (4.3 V) durante las mediciones de carga y descarga, descritas en el Ejemplo 4 ; La Figura 10 es una vista eri corte esquemático de otra modalidad de un acumulador de litio; La Figura lia muestra el impulso de descarga y las características de carga lenta de un acumulador descrito en el ejemplo 5; La Figura 11b muestra un detalle de las características de descarga de impulso durante los primeros 30 segundos y el cambio a la carga lenta; La Figura 12 muestra las características de carga y descarga de un acumulador descrito en el ejemplo 5 a diferentes desviaciones aplicadas; La Figura 13 es una vista en sección esquemática de otra modalidad más de un acumulador de litio; La Figura 14 muestra las características de carga y descarga relacionadas con el tiempo de un acumulador descrito en el ejemplo 6; La Figura 15 muestra un ciclo galvanostático de un acumulador descrito en el Ejemplo 6; La Figura 16 muestra una descarga por cortocircuito de un acumulador descrito en el ejemplo 6; La Figura 17 es una vista en perspectiva, del despiece, esquemática, de un montaje de acumulador de litio que consiste de electrodos múltiples.
DESCRIPCION DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Ahora se hace referencia con detalle a las modalidades de la presente invención, los ejemplos de las cuales se ilustran en las Figuras acompañantes y en ejemplos específicos de esas modalidades, donde números de referencia similares se refieren a elementos similares a su través. Los siguientes ejemplos ilustran pero no limitan la presente invención. Debe comprenderse que donde sea usado un término tridimensional (3D) a través de la especificación con relación a los electrodos, el término se referirá al espesor de electrodo mayor de 0.5 mm.
Ejemplo 1 La Figura 1 muestra una de las posibles modalidades de un acumulador de litio, basado en electrodos tridimensionales, que consiste de un cuerpo hueco 6 con una parte superior y una parte inferior abiertas. La parte inferior es llenada con el material de un primer (electrodo positivo) 1 mientras que en la parte superior se localiza un segundo electrodo 2 como un electrodo negativo. Un separador 5 se localiza encima del primer electrodo 1 para separar éste del segundo electrodo 2. El primer electrodo 1 está en contacto eléctrico con el cuerpo 6, el cual es el polo positivo' del acumulador. El segundo electrodo 2 está separado eléctricamente del cuerpo 6 por una carga aislante 8 hecha de corindón. En la parte superior, el espacio interno del cuerpo 6 es sellado herméticamente por una tapa eléctricamente conductora 7 hecha de cobre, y una cubierta selladora 9 hecha de plástico. La tapa 7 es un contacto eléctrico con un segundo electrodo 2 y representa el polo negativo del acumulador. Todo el espacio interno del cuerpo del acumulador 6 es llenado con un electrolito y cerrado herméticamente.
Aquí posteriormente, se describe con detalle la composición de los componentes individuales del acumulador, incluyendo los métodos de su preparación. La Figura esquemática en la Figura 2a muestra una mezcla de polvos del material activo 4, es decir nanocristales de óxido de litio y titanio LÍ4TÍ5O12 (nano-LTS) y un componente conductor de electrones 3. La morfología de la mezcla es mostrada por una fotografía SEM en la Figura 2b. El material activo fue preparado secando una suspensión de cristales nano-LTS en un secador de rocío. El polvo fue mezclado homogéneamente con un componente conductor 3, es decir carbono altamente conductor, fabricado por Timcal y distribuido bajo un nombre de producto Super P Li, y una relación del 65% en peso de cristales de nano-LTS a 35% en peso del carbón conductor. La mezcla completamente inorgánica, libre de cualquier aglutinante orgánico, fue prensada en el cuerpo 6 para formar una tableta del primer electrodo 1. El espesor del primer electrodo 1 (electrodo LTS) fue de 4 mm y su porosidad total del 40%. El tamaño promedio de las partículas de material activo fue de 50 nm y' la capacidad de las partículas para absorber iones litio extracto en una capa delgada durante el periodo de carga y descarga completo fue inferior a 1 minuto. El separador 5 fue hecho de polvo de corindón, libre de cualquier aglutinante orgánico, prensando el polvo directamente sobre el electrodo de LTS. El separador comprimido fue de 2 mm de espesor y su porosidad fue del 85%. En otro método, el separador de la misma composición fue aplicado en forma de un bloque comprimido por separado, colocado sobre el electrodo.
Se usó una hoja de metal de litio puro como el segundo electrodo 2, se prensó con la tapa de cobre 7 sobre el separador 5 en el espacio separado eléctricamente del cuerpo 6 por una carga aislante de corindón 2 y una cubierta selladora de plástico 9. Después de humedecer el acumulador con el electrolito LiPF6 1 en EC-D C (carbonato de etileno-carbonato de dimetilo) durante la noche, el acumulador fue cerrado herméticamente y sometido a un ciclo varias veces, de modo que pudieran formarse dendritas de litio que expandan la superficie activa del electrodo negativo 2. Después de lograr la capacidad total del acumulador durante un ciclo de carga lenta (litiación del material de LTS activo), el acumulador fue descargado a una desviación aplicada de 1.5 V por encima del voltaje formal del acumulador (3V contra Li/Li+) . El voltamograma de la combinación descrita anteriormente se muestra en la Figura 3 junto con los potenciales eléctricos formales- de otros dos materiales activos usados en los siguientes ejemplos.
El ciclo de descarga característico se muestra en la Figura 4. La capacidad reversible de este acumulador fue a lo más de 100 mAh/cm3. Tomó 7 horas alcanzar la capacidad completa. Las corrientes de carga mejoraron durante el ciclo debido al incremento de la concentración de litio en el electrolito dentro del electrodo de LTS positivo comprimido 1 y debido a la creación de dendritas de Li sobre el electrodo de litio negativo 2. El ciclo de descarga fue regularmente lento, cuando se alcanzó aproximadamente el 80% de la capacidad teórica del acumulador.
El acumulador puede ser cargado y descargado completamente durante varias horas. Típicamente, es posible cargar y descargar repetidamente la capacidad completa del acumulador durante 3 a 24 horas. De manera más frecuente, el 50% de la capacidad es cargada y descargada de manera reproducible y repetida dentro de 2 horas y un ciclo de este tipo de acumulador de litio excede de 100 ciclos de carga y descarga. El electrodo de litio permite usar una mayor desviación durante la carga en comparación con un electrodo de grafito.
Ejemplo 2 Fue compuesto un acumulador de litio de la Figura 1 de dendritas de litio comprimidas con un electrodo negativo, y un electrodo positivo de 2.5 mm de espesor preparado prensando la mezcla de material activo de LTS con un componente conductor de electrones-carbono conductor, descrito' en el ejemplo 1. El separador fue hecho de fibras inorgánicas de Zr02 con la porosidad de un 70%. Este fue de menos de un milímetro de espesor. El acumulador fue entonces sometido a un ciclo 5 veces para lograr la capacidad total del ciclo de carga. La capacidad teórica del acumulador fue de 12 mAh. Posteriormente, se midieron las características de corriente y voltaje del acumulador durante los siguientes ciclos. La Figura 5 muestra las características de corriente durante la carga y descarga controlada con la desviación de UV aplicada de IV por encima y por , debajo del potencial formal del acumulador de Li/LTS, el cual es de 1.5 V. El proceso reversible en ambas direcciones finalizó prácticamente después de veinte mil segundos (5.5 horas). La Figura 6 muestra el curso de voltaje estable de ambos ciclos hasta aproximadamente el 80% de la capacidad teórica durante la carga y descarga galvanostática con la corriente constante de 2 mA.
Ejemplo 3 El electrodo negativo de un acumulador de litio de la Figura 1 fue producido prensando una mezcla de 30% en peso del carbono conductor con 70% en peso de material activo de LÍ4TÍ5O12 (LTS) que tiene la morfología original de esferas huecas. El tamaño promedio de las partículas de LTS fue de 50 nm. El electrodo positivo fue una mezcla comprimida de material activo de LiM i.5 io.5O4 (LNMS) que consiste de aglomerados, menores de 5 micrómetros con un tamaño promedio de las partículas primarias de aproximadamente 100 nm, y 30% en peso del carbono conductor. La mezcla fue comprimida junto con un alambre de aluminio como un recolector de corriente. El material activo de LNMS fue usado con un exceso del 30% en peso creando un electrodo positivo de 4 mm de espesor. Ambos electrodos fueron divididos por un separador de 0.5 mm de espesor hecho de corindón comprimido con una porosidad del 80%. El acumulador fue llenado con el electrolito LÍPF6 1M + EC-DMC. El potencial formal del acumulador fue de 3.1 V y fue probado en el intervalo de voltaje de 2.0 a 3.5 V. La gráfica en la Figura 7 ilustra la corriente característica de un ciclo potenciostático con el voltaje de carga y descarga de 3.5 V y 2 V respectivamente.
Ejemplo 4 En la preparación del acumulador de litio en la Figura 1, una mezcla de 70% en peso de material activo de LiMn20 (LMS) con una distribución de tamaño del agregado inferior a 30 micrómetros, mostrada en la fotografía SEM en la Figura 8, y 30% en peso del carbono altamente conductor fue comprimida en una tableta del primer electrodo 1. El electrodo 1 obtenido fue de más de 1 mm de espesor, su porosidad total fue de 35% y la capacidad fue de 7 mAh. La tableta separadora hecha de corindón poroso fue de 1.5 mm de espesor con una porosidad del 75%. Esta fue prensada directamente sobre el primer electrodo de LiMn204 (LMS) positivo 1. La esponja de dendritas de metal de litio comprimida sobre la superficie de una hoja de metal de litio fue usada como el segundo electrodo 2 (negativo) . La Figura 9 muestra las características de corriente de carga y descarga reversible de 40% de la capacidad del acumulador de Li/LMS. Toma menos de 3 horas cargar y descargar de manera reversible el 40% de la capacidad a potenciales de 4.45 V y 3.9 V respectivamente .
La gráfica con voltamogramas en la Figura 3 muestra voltajes de celdas obtenibles con los materiales mencionados. Es evidente de la gráfica que es posible crear una célula con el voltaje promedio de 1.55 V de la combinación de electrodos hechos de litio y Li4Ti502 (LTS) . Comparando el litio con (LMS) , es posible crear una célula con un voltaje aproximadamente de 4.2 V, mientras que si se usa óxido de litio y manganeso modificado con níquel LiMnx.5Nio.5O (LNMS) , el voltaje formal del acumulador creado es de 4.7 V. Si son combinados dos componentes, LTS y LNMS, es posible crear una célula con un voltaje de 3.02 V (4.62 - 1.60 = 3.02).
Ejemplo 5 La Figura 10 muestra otra posible modalidad de un acumulador de litio. El cuerpo del acumulador hecho de aluminio consiste de dos secciones huecas similares: un cuerpo superior 6a y un cuerpo inferior 6b. Los cuerpos 6a y 6b son unidos para formar juntos un espacio hueco sellado herméticamente interno. Un primer electrodo, como un electrodo positivo, consiste de dos electrodos positivos similares la, Ib cada uno colocado a lo largo de la superficie interna de los cuerpos 6a, 6b de modo que el primer electrodo arreglado en una constelación "emparedada" define una cavidad central, en la cual se localiza un separador que consiste de dos placas 5a, 5b. Las placas 5a, 5b están formadas para formar una cámara interna entre ellas, la cual es llenada con un material de un segundo electrodo 2 (negativo) . El segundo electrodo 2 es aislado eléctricamente de los cuerpos 6a, 6b por un separador 5.
Dos sellos de VITON hechos por DuPont, como cargas aislantes 8a y 8b son colocados entre los cuerpos del acumulador 6a y 6b cerrando herméticamente el acumulador. El primer polo 11 como un polo positivo del acumulador se conecta a la superficie externa de los cuerpos 6a, 6b, mientras- que el segundo polo (negativo) 22 hecho de alambre de cobre provisto con aislamiento de teflón se proyecta hacia la cámara del segundo electrodo 2, donde está en contacto eléctrico con el litio, y su otro extremo se extiende hacia fuera de los cuerpos 6a, 6b.
En lo siguiente se dan detalles de la composición, preparación y características del acumulador mostrado en la Figura 10 y son descritos los componentes del mismo. El material activo de LiCoo._Mn1.9O4 (LCMS) con la superficie especifica de 10 m2/g y la morfología de esfera hueca, se mezcló con el carbono altamente conductor (Super P Li fabricado por Timcal) en la relación de 60% en peso a 40% en peso. La mezcla fue prensada en los cuerpos (6a, 6b) formando dos electrodos positivos. La fuerza de prensado fue de 25 kN . Un electrodo positivo contenía 0.4 g de la mezcla y el otro 0.35 g. Los electrodos fueron usados juntos en el montaje "emparedado" teniendo una capacidad total de 40 mAh. Los electrodos positivos en los cuerpos de aluminio fueron de 3 mm de espesor cada uno con un área superficial de 0.64 cm2, lo cual da un total de 1.28 cm2 en la constelación "emparedado". Dos separadores de alúmina altamente porosos 5a, 5b fueron preparados para crear una cámara de 1 mm de alto para el ánodo de metal de litio -' el segundo electrodo. Ellos fueron preparados prensando un polvo de aluminio de 25 kN y un tratamiento térmico posterior a 1050 °C durante 2 horas. El espesor de cada placa separadora fue de aproximadamente 0.8 mm y la porosidad mayor del 60%. Las placas separadoras perfiladas fueron colocadas sobre los electrodos positivos. El espacio entre ellas fue llenado por una mezcla de dendritas de litio con 5% en peso de carbono conductor Super P Li esparcido sobre una hoja delgada de metal de Li de 0.3 mm.
Las hebras desnudas individuales de alambre fueron prensadas en una hoja delgada de litio y cortadas como un recolector de corriente dentro del electrodo negativo del metal de Li . El otro extremo del alambre fue el polo negativo 22 del acumulador. El polo positivo del acumulador 11 fue una pinza de aluminio que conecta ambos cuerpos 6a, 6b de los electrodos positivos. El acumulador seco fue llenado con el electrolito de sal de litio LÍPF6 de 0.5 M en solventes de EC/PC/DMC (carbonato de étileno - carbonato de propileno - carbonato de dimetilo) · en la relación de 0.5/0.5/1.
El LC S opera en la ventana de aproximadamente 4.2 V contra el litio. La carga y descarga completa del material ocurrió en menos de 3 minutos, cuando se midió como una capa de 5 micrómetros sobre un sustrato de vidrio conductor. La capacidad especifica del material partícula fue determinada como 90 mAh/g. El acumulador fue cargado continuamente a 4.45 V durante 7000 segundos para alcanzar el 60% de la capacidad teórica. Entonces el acumulador fue expuesto a impulso de descarga de 10 segundos a los potenciales controlador de 2 V, 3V y 3.6 V. Después de los impulsos de descarga de 10 segundos el acumulador fue cargado lentamente a 4.3 V durante 3000 segundos y el procedimiento fue repetido 10 veces (Figura lia) . Los detalles de la descarga controlada por impulso gradual se muestran en la Figura 11b. Durante los 30 segundos se descargó 0.85-0.95% de la capacidad del acumulador .
El comportamiento del acumulador, especialmente los signos de un cortocircuito fueron observados adicionalmente a potenciales de descarga de 2 V, 3 V, y 3.6 V y de carga de 4.15 V, 4.3 V y 4.45 V (Figura 12). El acumulador, fue separado y analizado después de 70 ciclos. El separador no mostró signos de penetración en las dendritas de litio bajo la superficie. La hoja delgada de litio se convirtió parcialmente en una esponja agregada negra densa consistente de dendritas de Li . Las dendritas se mantuvieron mecánicamente juntas.
Ejemplo 6 La Figura 13 muestra otra posible modalidad de un acumulador de litio de una sola célula. De manera similar al acumulador en la Figura 10, el cuerpo · del acumulador, hecho de aluminio, consiste de dos secciones huecas análogas: una porción superior 6a y una porción inferior 6b. A diferencia de la modalidad anterior, el espacio hueco del cuerpo superior 6a es llenado con un material de un primer electrodo 1 como electrodo positivo y el espacio hueco del cuerpo inferior 6b es llenado con un material de un segundo electrodo 2 como un electrodo negativo. Los cuerpos 6a y 6b son provistos con sus polos correspondientes, es decir, el cuerpo' superior con el primer polo 11 como un polo positivo y el cuerpo inferior 6b con el segundo polo 22 como un polo negativo. El primer electrodo 1 y el. segundo electrodo 2 están separados mutuamente por un separador 5 y el cuerpo superior 6a forma el cuerpo inferior 6b por medio de una carga aislante 8.
La preparación, composición y características del acumulador y sus componentes mostrados en la Figura 13 son evidentes de la siguiente descripción.
El material activo de LiCoo.1Mn1.9O4 (LCMS) con el potencial formal de 4.2 V contra el litio, la superficie específica de 10 m2/g y la morfología de esfera hueca fue mezclada con el carbono altamente conductor (Super P Li fabricado por Timcal) en la relación de 60 a 40%. La mezcla fue prensada en el cuerpo superior de ' aluminio 6a, formando el electrodo positivo. La fuerza de prensado fue de 15 kN. El electrodo positivo contenía 0.736 g de la mezcla con la capacidad total de 39 mAh. El electrodo positivo fue de 3 mm de espesor y su área superficial fue de 1.33 cm2. El electrodo negativo fue creado de manera similar prensando 0.4 g de una mezcla que contiene 60% en : peso del material de titanato de litio activo Li4Ti50i2 (LTS) de forma micronizada y 40% en peso de carbono altamente conductor (Super P Li) en el cuerpo inferior de aluminio 6b. La fuera de prensado aplicada fue de 15 kN. El electrodo fue de 2 mm de espesor y su área superficial fue de 1.33 cm2. La capacidad específica teórica del titanato de aluminio es de 175 mAh/g y su potencial formal contra litio de 1.6 V. La capacidad del titanato de litio en el electrodo negativo fue similar a la capacidad de LCMS en el electrodo positivo. Los electrodos separados por el separador 5 hecho de una capa voluminosa de una capa de alúmina por una porosidad de 95% y prensado directamente sobre los electrodos formó el acumulador 5. La hoja separadora fue de unos cuantos cientos de micrómetros de espesor. Los cuerpos de aluminio también sirvieron como los polos positivos y negativos del acumulador. Ellos fueron aislados uno del otro con una carga aislante 8 - sello de Teflón. El acumulador fue llenado con el electrolito consistente de sales de (CF3S02)2NLi 0.9 M + LiBF3 0.1 M disueltas en ?-Butirolactona (GBL) + Carbonato de Propileno (volumen 0.9/0.1). Entonces el acumulador fue cerrado herméticamente .
La capacidad del acumulador fue de 39 mAh y su voltaje formal de 2.5 V. El acumulador fue cargado a 2.9 V y descargado a 1.9 V en series de 10 ciclos. Los intervalos de tiempo de carga/descarga fueron de 7000 y 15000 segundos y la capacidad intercambiada en el intervalo corto fue consistentemente de aproximadamente 40%. Una gráfica de la tercera serie de ciclo se muestra en la Figura 14 con los valores correspondientes organizados en la siguiente Tabla 1.
Ciclo Capacidad (mAh) % de Capacidad 2.9 v/7000s - el 15.7 40% 2.9 v/7000s - c2 -15.4 -40% 2.9 v/7000s - c3 15.7 40% 1.9 v/7000s - c4 -16.0 ' -41% 2.9 v/15000s - c5 22.5 58% 1. 9 v/15000s - c6 -20.4 -53% 2.9 v./7000s - c7 15.3 39% 1.9 v/70003 - c8 -14.7 -38% 2.9 v/7000s - c9 15.1 39% 1.9 v/7000s - clO -14.5 -37% La Figura 15 ilustra un ciclo galvánico en un intervalo de potencial de 1.5 a 3 V. La carga y descarga de corriente constante de +/- 4 mA demostró un intercambio del 30% de la capacidad del acumulador en 3 horas. Finalmente, ambos polos del acumulador fueron interconectados y fueron medidas las corrientes de cortocircuito. La descarga procedió en impulsos de un minuto, con periodos de relajación de 1, 2 y 5 minutos como se expone en la Figura 16. Los parámetros de voltaje en la Figura 16 que indexan el inicio y fin de los ciclos dé descarga indican una descarga plana y estable con una calda de voltaje pequeña y una relajación rápida del acumulador. Treinta por ciento de la capacidad teórica del acumulador se descargó en 6 minutos.
Ejemplo 7 Un ejemplo de un acumulador multielectrodo de acuerdo con la invención se muestra en la Figura 17. El acumulador es ilustrado en una vista del despiece, es decir antes de que los componentes individuales fueran prensados juntos para formar la forma final ; del acumulador. El acumulador fue montado a partir de tres conjuntos arreglados en una configuración de pila entre un cuerpo superior 6a y un cuerpo inferior 6b. Cada conjunto comprende dos primeros electrodos la, Ib, dos segundos electrodos 2a, 2b y dos separadores 5a, 5b. El material del primer electrodo Ib es prensado en una cámara interna de un cuerpo inferior 6b y el material del otro primer electrodo la en un armazón 10a. El material del segundo electrodo 2b es prensado en un armazón 20b y el material del otro segundo electrodo 2a entre un armazón 20a. Los electrodos Ib y 2b son divididos por un separador 5b y los electrodos la y 2a por el separador 5a. Una hoja delgada de recolector de corriente 221 es colocada entre los segundos electrodos 2a y 2b para formar un contacto para un alambre de un polo negativo 22 y una hoja delgada de un recolector de corriente 111 colocada entre el otro primer electrodo la y el siguiente primer electrodo del conjunto superpuesto, para formar un contacto para un alambre de un polo positivo 11. El segundo conjunto tiene una configuración similar a la del primer conjunto con la excepción de que el cuerpo 6b es reemplazado por un armazón de la misma forma que el armazón 10a y que el tercer conjunto con el cuerpo superior 6a es una imagen especular del primer conjunto descrito anteriormente. Todos los tres conjuntos arreglados entre los cuerpos 6a, 6b fueron llenados con un electrolito y prensados para quedar fuertemente juntos y cerrar herméticamente el acumulador. El espesor de cada electrodo individual en la condición comprimida fue determinado por el espesor del armazón y el tamaño de las cámaras en los cuerpos, todos los cuales fueron de 3 mm. Las hojas delgadas y los separadores fueron de 30 micrómetros de espesor cada una. Considerando que el área superficial del electrodo fue de 5 cm2, el volumen interno del acumulador fue de aproximadamente 18 cm3. Es obvio que el número de conjuntos apilados uno sobre otro no 'está limitado y puede ser diseñado de acuerdo con la capacidad deseada del acumulador. Cualquier combinación de materiales de electrodo descrita en los ejemplos precedentes o materiales descritos en la descripción de esta invención puede ser usada para el acumulador con éste ejemplo.
APLICABILIDAD INDUSTRIAL La construcción tridimensional de la célula del acumulador de litio recargable repetidamente en combinación con el litio metálico como un electrodo negativo, de acuerdo con la invención, es útil ara la simplificación de la fabricación del acumulador de litio, capacidad mejorada, disminución de las dimensiones, peso y costo y mejora de la seguridad. Este tipo de células es adecuado para reemplazar los acumuladores de plomo - ácido actuales con un sistema de mayor voltaje, es decir en la industria automotriz, y para herramientas eléctricas de mano y aparatos y servicios eléctricos y electrónicos portátiles, y también incrementa la capacidad de las células de acumulador de litio de botón.

Claims (25)

REIVINDICACIONES
1. Un acumulador de litio caracterizado porque incluye al menos dos electrodos tridimensionales separados por un separador y encapsulados juntos con un electrolito, que comprende una solución no acuosa de una sal de litio en un solvente polar orgánico, en un cuerpo de acumulador caracterizado porque los dos electrodos tienen un espesor mínimo de 0.5 mm cada uno, de los cuales al menos un electrodo comprende una mezcla comprimida, homogénea, de un componentes conductor de electrones y un material activo, capaz de absorber y extraer litio en presencia del electrolito, donde la porosidad de los electrodos prensados es de 25 a 90%, el material activo tiene la morfología de esferas huecas con un espesor de pared máxima de 10 micrómetros, o una morfología de agregados o aglomerados con un máximo de 30 micrómetros de tamaño, mientras que el separador consiste de un material de cerámica eléctricamente aislante altamente poroso con poros abiertos y porosidad de 30 a 95%.
2. El acumulador de litio de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el componente conductor de electrones, el material activo y el separador son materiales completamente inorgánicos libres de aglutinantes orgánicos.
3. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el componente conductor de electrones es seleccionado del grupo que consiste del carbono conductor y sus modificaciones, metales conductores y óxidos eléctricamente conductores .
4. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el material activo es seleccionado del grupo que consiste de óxidos, óxidos de metal mezclados o fosfatos de metal mezclados de litio, manganeso, cromo, vanadio, titanio, cobalto, aluminio, níquel, hierro, lántano, niobio, boro, cerio, tántalo, estaño, magnesio, itrio y circonio.
5. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las partículas de material activo tienen, dentro del alcance de su capacidad útil, la capacidad de absorber y extraer completamente iones litio en el intervalo de tiempo e hasta 20 minutos.
6. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el material activo consiste de nanopartículas de espinelas modificadas y no modificadas de óxido de litio y manganeso y óxido de litio y titanio con un tamaño de hasta 250 nm.
7. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el electrodo comprende de 40 a 85% en peso del material activo.
8. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el electrodo comprende un recolector de corriente en forma de una hoja delgada expandida, red, rejilla, alambre, fibras o polvo.
9. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el recolector de corriente es seleccionado del grupo que consiste de aluminio, cobre, plata, titanio, silicio, carbono o un material estable dentro de la ventana de potencial de la célula particular.
10. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el electrodo consiste de una mezcla homogénea, comprimida de material activo, un componente conductor de electrodos y un recolector de corriente'.
11. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones l a 10, caracterizado porque el separador consiste de polvo altamente poroso, comprimido de un material de cerámica basado ventajosamente en A1203 o Zr02.
12. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el separador tiene una morfología no direccional de producto pirolizado o fibras de vidrio o cerámica no tejidas.
13. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 12, caracterizado porque el separador es producido comprimiendo un polvo de un producto hidrolizado o fibras no tejidas hasta que el espesor del separador es de 0.1 mm a 10 mm.
14. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque el segundo electrodo consiste de litio metálico.
15. El acumulador de litio de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el metal de litio está en forma de una hoja o una hoja delgada de litio, o una combinación de la hoja u hoja delgada de litio prensada y dendritas de litio o en forma de dendritas de litio.
16. El acumulador de litio de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque la forma dendrítica de litio se produce in situ a partir de la hoja delgada u hoja de litio sometiendo a un ciclo el acumulador de litio.
17. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la sal de litio del electrolito es seleccionado del grupo que consiste de LiPF6, LiPF4(CF3)2, LiPF (CF4S02) 2, LiPF4 (C2F5) 2, LiPF4 (C2F5S02) 2, LiN (CF3S02) 2, LiN ( C2F5S02) 2 , LÍCF3S03, LiC(CF3S02)3, LiBF4, LiBF2(CF3)2, LiBF2 (C2F5) 2, LiBF2 (CF3S02) 2, LiBF2 (C2F5S02) 2 Y LiC104.
18. El acumulador de litio de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el electrolito contiene además agentes de modificación, que mejora las funciones del acumulador a temperaturas altas y/o remueve productos de descomposición y/o protege el acumulador contra la sobrecarga y/o sustancias que afectan el tamaño de la dendritas de litio metálico.
19. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque comprende un cuerpo hueco que tiene una parte superior y una parte inferior abiertas para formar un primer polo del acumulador, un primer electrodo situado en la parte inferior del cuerpo y que está en contacto eléctrico con una superficie interna del cuerpo, y un segundo electrodo en la parte superior separado de la superficie interna del cuerpo por un inserto aislante, y un separador colocado entre el primer electrodo y el segundo electrodo, una tapa que cierra la parte superior abierta y que está en contacto eléctrico con un segundo electrodo para formar un segundo polo del acumulador; una cubierta de sellado para aislar la tapa del cuerpo .
20. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque comprende un cuerpo superior y un cuerpo inferior unidos para definir juntos un espacio de acumulador interno y conectados al primer polo del acumulador, un primer electrodo prensado en el espacio interno de los cuerpos para formar una cavidad central en el interior y que está en contacto eléctrico con los cuerpos, un segundo electrodo localizado dentro de la cavidad central, estando el segundo polo del acumulador en contacto eléctrico con él segundo electrodo y extendiéndose hacia fuera del cuerpo del acumulador y separadores que dividen el primer electrodo del segundo electrodo.
21. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque comprende un cuerpo superior que incluye el primer polo del acumulador y un cuerpo inferior que incluye el segundo polo del acumulador, definiendo ambos cuerpos montados juntos un volumen del espacio del acumulador interno, un primer electrodo localizado dentro del espacio interno del cuerpo superior, un segundo electrodo localizado dentro del espacio interno del cuerpo inferior, un separador que divide el primer electrodo del segundo electrodo y un sello colocado entre el cuerpo superior y el cuerpo inferior para el aislamiento eléctrico del primer polo del acumulador del segundo polo del acumulador.
22. El acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque incluye dos conjuntos marginales y al menos un conjunto interno, comprendiendo cada uno de los conjuntos primeros electrodos, segundos electrodos, separadores, recolectores de corriente y polos de acumulador, que comprende además: un cuerpo superior marginal hueco que tiene una superficie externa cerrada y una superficie interna abierta para definir un armazón marginal para recibir un primer electrodo, un cuerpo inferior marginal hueco que tiene una superficie externa cerrada y una superficie interna abierta para definir un armazón marginal para recibir un primer electrodo, armazones internos para recibir los primeros electrodos, armazones internos para recibir los segundos electrodos, separadores colocados entre los primeros electrodos adyacentes y segundos electrodos, recolectores de corriente para proporcionar contacto eléctrico con los primeros electrodos y conectados al primer polo del acumulador, recolectores de corriente para proporcionar contacto eléctrico con los segundos electrodos y conectados al segundo polo del acumulador, al menos un conjunto interno de la misma configuración que los conjuntos marginales donde los cuerpos marginales son reemplazados por los armazones internos.
23. Un método para producir Un acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque al menos una capa de un primer electrodo separador y al menos una capa de un segundo electrodo son apiladas prensándolas entre si, el cuerpo del acumulador es llenado con electrolito, cerrado y los recolectores e corriente del mismo tipo de los electrodos son conectados.
24. Un método de conformidad con la reivindicación 23, caracterizado porque las capas individuales son prensadas gradualmente una sobre la otra por impacto.
25. Un método para producir un acumulador de litio de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque las capas comprimidas de al menos un electrodo, un separador y al menos otro segundo electrodo son apiladas alternativamente sobre la parte superior de cada una de la otra, el cuerpo del acumulador es llenado con el electrolito, cerrado y los colectores de corriente del mismo tipo de los electrodos son conectados.
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