WO2024059922A1 - Célula de bateria, aditivo para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria, método para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria, uso de nanopartículas de nióbio, titânio ou combinações das mesmas e uso de célula de bateria - Google Patents

Célula de bateria, aditivo para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria, método para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria, uso de nanopartículas de nióbio, titânio ou combinações das mesmas e uso de célula de bateria Download PDF

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battery cell
nanoparticles
electrolyte
niobium
cyclability
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PCT/BR2023/050317
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Joel Boaretto
Robinson Carlos Dudley CRUZ
Cristiani Campos Plá CID
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Instituto Hercílio Randon
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G23/00—Compounds of titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G33/00—Compounds of niobium

Definitions

  • BATTERY CELL ADDITIVE FOR MODULATING THE CHARGING SPEED AND/OR CYCLABILITY OF A BATTERY CELL, METHOD FOR MODULATING THE CHARGING SPEED AND/OR CYCLABILITY OF A BATTERY CELL, USE OF NIOBUM, TITANIUM NANOPARTICLES OR COMBINATIONS THEREOF SAME AND USE OF BATTERY CELL
  • the present invention relates to a battery cell, particularly for use in vehicles. Additionally, it refers to the use of Niobium, Titanium nanoparticles or combinations thereof as a dopant in cathode, anode or battery cell electrolyte.
  • the present invention is in the technical field of materials science, electrochemistry and nanotechnology.
  • battery cells are the parameters important for determining its characteristics that imply the selection of components, with the ultimate objective of forming the secondary battery.
  • charge density, power, energy efficiency, coulomb efficiency conservation of the total charge of a cycle over time
  • capacity specific mAh/g, mass referring to the active material (LiFePO4-C)
  • state of charge measure to monitor the performance and useful life of batteries
  • charging rate or charging speed
  • cyclability life cycle
  • charge density refers to the amount of charge per battery weight, being an important parameter for battery autonomy.
  • Power refers to the power per mass that the battery can provide, being an important parameter for the performance of said battery.
  • Energy efficiency is related to the parameters mentioned previously and represents the battery’s performance.
  • the charging (and discharging) rate is a fundamental parameter currently with the spread of hybrid or 100% electrically powered vehicles, with the effect of increasing charging speed becoming increasingly important with the exponential increase in hybrid vehicles. or 100% powered by electricity circulating on the streets around the world.
  • Cycle life refers to the number of times a battery can be charged and discharged while maintaining its energy efficiency. When the energy efficiency or state of charge decreases substantially after a large number of charge and discharge cycles, the battery is usually replaced, that is, when it approaches or reaches the end of its useful life.
  • Lithium ion batteries are also used in portable electronic devices. They have a good power-to-weight ratio, high energy efficiency and good performance even at higher temperatures. Because they have a good power-to-weight ratio and high energy efficiency, lithium ion batteries are a good option for electric cars. provided good autonomy, that is, the ability to travel long distances on a single charge.
  • nickel-metal hydride batteries which are also used in electric cars. They have a longer life cycle than lithium-ion batteries, but they have some disadvantages such as substantial heat generation and quite high cost.
  • Patent document US9190697B2 discloses a composition comprising nanoparticles of an ion-conducting material (electrolytes), more specifically a solid composition of a junction of metallic oxides, among these oxides, niobium is mentioned.
  • the document does not specifically disclose a battery cell or an additive comprising Niobium, Titanium nanoparticles or combinations thereof as defined in the present invention.
  • Patent document US20180294476A1 discloses a lithium battery comprising a cathode, an anode, and an electrolyte, wherein the anode comprises a lithium coating or a lithium alloy, and a cathode that optionally comprises niobium.
  • the document does not specifically disclose a battery cell or an additive comprising Niobium, Titanium nanoparticles or combinations thereof as defined in the present invention.
  • the article Qi et al. (2022) (Research progress of anode materials for lithium ion battery) reveals the use of lithium for an anode, more specifically, lithium titanate, graphite, and carbon-based electrodes for a lithium battery.
  • the document does not specifically disclose a battery cell or an additive comprising Niobium, Titanium nanoparticles or combinations thereof as defined in the present invention.
  • the article Lim et al. (2021) (Nanoparticle-Dispersed Colloidal Electrolytes for Advanced Lithium Batteries) proposes a new type of organic solvent lithium salt electrolyte containing dispersed nanoparticles, which could potentially be used in lithium batteries.
  • the document does not specifically discloses a battery cell or an additive comprising Niobium, Titanium nanoparticles or combinations thereof as defined in the present invention.
  • the present invention solves the problems of the prior art using a battery cell with a charging speed and/or cyclability much higher than existing battery cells in the prior art.
  • Charging speed is increasingly becoming a preponderant differentiator due to the exponential increase in hybrid or 100% electric vehicles around the world.
  • the invention presented here can also be applied to lithium ion batteries for portable electronic devices, such as smartphones and laptops.
  • the inventors have surprisingly found that properties such as loading speed and/or cyclability are even more significantly improved when nanoparticles with a significant degree of amortization are used, such as at least 19% amortization for the amount in Niobium nanoparticle mass of nanoparticles.
  • said nanoparticles are capable of increasing the charging speed and/or cyclability of a battery that is close to or has reached the end of its useful life. This surprising effect makes it possible to revitalize and reuse batteries that are close to or have reached the end of their useful life.
  • Niobium nanoparticle encompasses various chemical entities containing Niobium, including metallic Niobium, oxides, hydrates, hydrides, carbides, or nitrides of Niobium, iron Niobium or Niobium linked to other metals or metals transition, or combinations thereof. It also includes Niobium pentoxide (Nb20s), NbC and NbO.
  • the present invention defines a battery cell comprising at least one cathode, at least one anode and at least one electrolyte, wherein at least one of the cathode, anode or electrolyte comprises a mass amount of Niobium nanoparticles, titanium nanoparticles or combinations thereof.
  • said mass quantity of nanoparticles comprises a degree of amortization of at least 19%.
  • the present invention defines an additive for modulating the charging speed and/or cyclability of a battery cell comprising a mass quantity of Niobium nanoparticles, titanium nanoparticles or combinations thereof [0023]
  • the present invention defines a method for modulating the charging speed and/or cyclability of a battery cell comprising at least one step of incorporating the additive as previously defined in at least one of the cathode, anode or electrolyte of a battery cell.
  • the present invention defines a use of Niobium, Titanium nanoparticles or combinations thereof as a cathode, anode or electrolyte dopant in a battery cell.
  • the present invention defines the use of a battery cell as previously defined in a vehicle or electronic device.
  • said electronic device is a portable electronic device.
  • said portable electronic device is a smartphone or laptop.
  • Figure 1 shows a discharge and charging curve profile of a state of the art reference LiFePCU battery. Showing the variation of potential over time in battery discharge and charge cycles.
  • Figure 2 shows a discharge and charging curve profile of a LiFePC battery of the present invention containing Nb nanoparticles. Showing the variation of potential over time in battery discharge and charge cycles.
  • Figure 3 shows charging and discharging curves of battery cells without nanoparticles in the salt bridge model.
  • Figure 4 shows charging and discharging curves of cells containing Niobium pentoxide nanoparticles incorporated into the cathode in the salt bridge model.
  • Figure 5 shows a comparison of the charging and discharging curves in the vertical electrochemical cell model with and without Niobium pentoxide nanoparticles.
  • Figure 6 presents graphs comparing the cyclability for the different electrolyte constructions tested in the horizontal electrochemical cell model.
  • Figure 7 shows the results of test 1 described in example 8 comparing the electrolyte with only KCI, electrolyte with a first layer of Nb2Ü5 nanoparticles and electrolyte with a first layer of Nb2Ü5 nanoparticles and a second layer of TIO2 nanoparticles.
  • Figure 8 shows the results of test 2 described in example 8 comparing the electrolyte with only KCI, electrolyte with a first layer of TiC nanoparticles and electrolyte with a first layer of TIO2 nanoparticles and a second layer of Nb2Ü5 nanoparticles.
  • Figure 9 shows the results of test 3 described in example 8 comparing the electrolyte with only KCI and a layer of Nb 2 O 5 microparticles.
  • Figure 10 illustrates the results of test 1 of example 9 showing that there was a more significant reduction in charging time when only a first layer of Niobium pentoxide was used (19.04 min).
  • Figure 1 1 illustrates the results of test 2 of example 9 showing that there was already a significant reduction when only a first layer of Titanium dioxide was used (15.52 min). However, even more surprisingly, there was an even more significant reduction when a second layer of Niobium pentoxide was used over the first layer (12.97 min).
  • the present invention concerns a battery cell comprising Niobium nanoparticles as a dopant in its electrolyte.
  • Niobium nanoparticles as a dopant in its electrolyte.
  • the presence of a small concentration of Nb nanoparticles in the electrolyte material resulted in a much higher charging speed compared to prior art batteries.
  • Niobium nanoparticle encompasses various chemical entities containing Niobium, including metallic Niobium, oxides, hydrates, hydrides, carbides, or nitrides of Niobium, iron Niobium or Niobium linked to other metals or metals transition, or combinations thereof. It also includes Niobium pentoxide (Nb20s), NbC and NbO.
  • the expression “degree of amortization” should be understood as the extent to which a material presents a predominantly disordered phase, in contrast to predominantly monocrystalline and polycrystalline phases. “Amortization” can be understood as a process of loss of the long-range ordering of atoms, molecules or ions in the crystalline structure of a given material, which may also present a short-range ordering.
  • nanoparticle should be understood as a particle that can have a diameter ranging from 1 to 1000 nm.
  • carbon-based material should be understood as any porous carbon-based material that allows physical or chemical retention of lithium ions.
  • Non-limiting examples of said carbon-based materials may be coal, coke, graphene, synthetic or natural graphite.
  • lithium-based material should be understood as a cathode material that serves as a source of Li + ions, such that Li + ions migrate from the cathode to the anode during battery charge cycle, with Li + ions going the other way during the charge cycle. discharge.
  • Non-limiting examples of said lithium-based materials can be LICOO2 to LiFePCU.
  • polymeric material should be understood as a porous polymeric membrane that allows the passage of Li + ions that transit between the cathode and the anode of the battery.
  • Non-limiting examples of said polymeric material may be materials based on polyolefins with semi-crystalline structure, eg, polyethylene, polypropylene and mixtures thereof.
  • electrolyte should be understood as a solution that contacts and promotes electrical contact between the electrodes, in addition to allowing the diffusion of Li + ions.
  • Non-limiting examples for said electrolyte are organic solutions of lithium salt, such as LiCI, LiPFe, LIBF4, LiBOB (lithium bis(oxalate)borate) or mixtures thereof.
  • Non-limiting examples of organic solvent to compose the electrolyte can be propylene carbonate (PC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC) and mixtures thereof. same.
  • a more interesting charge and discharge cycle is one that has a high charge speed and an adequate discharge rate (depending on the purpose/use of the battery), conserving the full charge involved in a cycle, in time (Coulomb efficiency).
  • the present invention defines a battery cell comprising at least one cathode, at least one anode and at least one electrolyte, wherein at least one of the cathode, anode or electrolyte comprises a mass amount of Niobium nanoparticles, titanium nanoparticles or combinations thereof.
  • said mass quantity of nanoparticles comprises a degree of amortization of at least 19%.
  • said mass quantity of nanoparticles preferably comprises a degree of amortization of at least 20%, more preferably at least 25%, more preferably at least 30%, more preferably at least 35%, more preferably at least 39%, more preferably at least 40%, more preferably at least least 45%, more preferably at least 50%, more preferably a degree of amortization of at least 55%, more preferably at least 60%, more preferably at least 65% and even more preferably a degree of amortization of at least 70%.
  • the amortization degree is at least 71%, more preferably at least 72%, more preferably at least 73%.
  • the degree of amortization is 74%.
  • said mass quantity of nanoparticles preferably comprises a degree of amortization of at least 39%, preferably a degree of amortization of at least 55% and even more preferably a degree of amortization of at least minus 70%.
  • said Niobium nanoparticles are composed of NbO, NbC or Nb2Ü5. In one embodiment of the battery cell, said Niobium nanoparticles are composed of Nb 2 O 5 .
  • said Titanium nanoparticles are composed of TiO 2 .
  • said Niobium nanoparticles comprise a particle size distribution profile that is: d10: between 14 and 110 nm; d50: between 29 and 243 nm; and d90: between 89 and 747 nm.
  • said Titanium nanoparticles comprise a particle size distribution profile that is: d10 from 148 to 189nm; d50 from 239 to 485m; d90 from 402 to 970nm.
  • said anode contains natural or synthetic graphite, lithium titanate (LTO), copper-coated graphite, copper, platinum or combinations thereof.
  • LTO lithium titanate
  • said cathode comprises lithium-based material.
  • said lithium-based material is LICOO2 or LiFePCU.
  • said lithium-based material is covered with aluminum.
  • said electrolyte is organic or aqueous.
  • said organic electrolyte comprises a lithium salt and an organic solvent.
  • said lithium salt is LiCI, LiPFe, LIBF4, LiBOB (lithium bis(oxalate)borate) or mixtures thereof.
  • said organic solvent is propylene carbonate (PC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC) or mixtures thereof.
  • said aqueous electrolyte comprises LiCI, KCI or mixture thereof.
  • the present invention defines an additive for modulating the charging speed and/or cyclability of a battery cell comprising a mass quantity of Niobium nanoparticles, titanium nanoparticles or combinations thereof.
  • said modulation of the charging speed and/or cyclability of a battery cell is to increase the charging speed and/or cyclability.
  • said additive is to increase the charging speed and/or cyclability of a battery that is near or has reached the end of its useful life.
  • said mass quantity of nanoparticles comprises a degree of amortization of at least 19%.
  • said mass quantity of nanoparticles preferably comprises a degree of amortization of at least 20%, more preferably at least 25%, more preferably at least 30%, more preferably at least 35%. %, more preferably at least 39%, more preferably at least 40%, more preferably at least 45%, more preferably at least 50%, more preferably a degree of amortization of at least 55%, more preferably at least 60% , more preferably at least 65% and even more preferably a degree of amortization of at least 70%.
  • the amortization degree is at least 71%, more preferably at least 72%, more preferably at least 73%.
  • the degree of amortization is 74%.
  • said mass quantity of nanoparticles preferably comprises a degree of amortization of at least 39%, preferably a degree of amortization of at least 55% and even more preferably a degree of amortization of at least 70%. %.
  • said Niobium nanoparticles are composed of NbO, NbC or Nb2Ü5.
  • said Niobium nanoparticles are composed of Nb2Ü5.
  • said titanium nanoparticles are composed of TIO2.
  • the present invention defines a method for modulating the charging speed and/or cyclability of a battery cell comprising at least one step of incorporating the additive as previously defined in at least one of the cathodes, anode or electrolyte of a battery cell.
  • said modulation of the charging speed and/or cyclability of a battery cell is to increase the charging speed and/or cyclability.
  • the method is to increase the charging speed and/or cyclability of a battery that is near or has reached the end of its useful life.
  • the present invention defines a use of Niobium, Titanium nanoparticles or combinations thereof as a dopant of cathode, anode or electrolyte in a battery cell.
  • said Niobium nanoparticles are composed of Nb2Ü5.
  • said titanium nanoparticles are composed of TIO2.
  • the nanoparticles comprise a degree of amortization of at least 19%.
  • the nanoparticles preferably comprise a degree of amortization of at least 20%, more preferably of at least 25%, more preferably of at least 30%, more preferably of at least 35%, more preferably of at least 39%, more preferably at least 40%, more preferably at least 45%, more preferably at least 50%, more preferably a degree of amortization of at least 55%, more preferably at least 60%, more preferably at least 65% and even more preferably a degree of amortization of at least 70%.
  • the amortization degree is at least 71%, more preferably at least 72%, more preferably at least 73%.
  • the degree of amortization is 74%.
  • the nanoparticles preferably comprise a degree of amortization of at least 39%, preferably a degree of amortization of at least 55% and even more preferably a degree of amortization of at least 70%.
  • the present invention defines the use of a battery cell as previously defined in a vehicle or electronic device.
  • said electronic device is a portable electronic device.
  • said portable electronic device is a smartphone or laptop.
  • An example of a battery cell of the present invention presents a closed battery structure with several layers of cathodes and anodes separated by spacers.
  • the cathode being an Aluminum electrode with adjacent layers of LiFePC and adjacent layers of graphite
  • the anode being a copper electrode with adjacent layers of graphite.
  • the cathode and anode are separated by spacers composed of a layer of porous polymeric material that allows lithium ions to pass through.
  • the cathode and anode are contacted with an electrolyte solution containing mixture of LiCl in propylene carbonate.
  • This electrolyte has a concentration of 1 mM LiCI (42.39 mg of LiCI diluted in 4mL of isopropyl alcohol) with a final volume of 100 mL, using propylene carbonate.
  • Example 2 Process for preparing the Niobium pentoxide nanoparticle preparation
  • a Labstar LS01 ball agitator equipment (Netzsch) was fed with micrometric particles of Niobium pentoxide. Said process involves high-energy wet grinding.
  • the particle suspension was 17.7 m%, consisting of approximately 3500 g of milli-Q water + 10 M NaOH and 750 g of the solid sample which was prepared and stabilized in the mill mixing tank at pH 9, titrated with 10 M NaOH.
  • the grinding balls used were yttria-stabilized zirconia, 400 pm in diameter.
  • the filling of the grinding chamber was 80% vol. and the suspension temperature is less than 40 °C.
  • the mill rotation speed was set at 3000 rpm and grinding was conducted for 8 hours. To stabilize the suspension at pH 9, 10 M NaOH was added during grinding, and sampling from time to time and measuring particle sizes.
  • Niobium pentoxide nanoparticle preparations were obtained, with purity greater than 99%.
  • Commercial niobium pentoxide with the particle size distribution described in table 1, was pre-comminuted in a high-energy mill containing zirconia spheres stabilized with yttria with a diameter of 400 pm, in a liquid medium and the pH adjusted to 6.6. The rotation speed of the mill was 3500 rpm and the particle grinding was carried out at temperatures below 40 °C.
  • Table 4 shows the particle size distribution (DTP) of Niobium pentoxide input (commercial product) and output of a pre-comminution step.
  • the pre-comminuted particles were then fed to a high-energy mill, applying conditions similar to those described above, but with 200 pm Zr spheres and milled for different times, until each preparation was obtained. of nanoparticles. Three different nanoparticle preparations were obtained, each with a defined particle size distribution as described in table 2.
  • Example 3 Process for preparing the Titanium dioxide nanoparticle preparation
  • the parameters were an inlet temperature of 7.3 °C and 11.4 °C, respectively in the grinding chamber, mechanical seal, circulation tank and chiller, each of these stages with a flow rate 1000 liters per hour of cooling water, totaling 4000 liters per hour.
  • a second battery cell model tested was the salt bridge model.
  • the cathode was composed of AI/LiFePCU-C
  • the electrolyte was organic composed of propylene carbonate with LiCl
  • the anode was platinum.
  • the system also had a reference electrode.
  • Figure 3 shows charging and discharging curves of battery cells without nanoparticles.
  • Figure 4 shows charging and discharging curves of cells containing Niobium pentoxide nanoparticles incorporated into the cathode. [0107] From the graphs in figures 3 and 4, it is possible to see that cyclability increased by approximately 4x in this model with a substantial increase in cyclability and loading speed, as can be seen in table 5: [0108] Table 5 - comparison of the cycle speed without Niobium pentoxide nanoparticles and with Niobium pentoxide nanoparticles in this experimental model:
  • Example 7 Vertical electrochemical cell (alternative model)
  • a third battery cell model tested was the vertical electrochemical cell model.
  • the cathode was composed of Au/PB (Dark Blue). Prussia)
  • the electrolyte was aqueous composed of 1 M KCl solution and the anode was platinum.
  • the system also had a reference electrode.
  • Figure 5 shows charging and discharging curves of the vertical electrochemical cell with and without nanoparticles.
  • Example 8 Horizontal electrochemical cell (alternative model)
  • a fourth battery cell model tested was the horizontal electrochemical cell model.
  • the cathode was composed of Au/PB (Prussian Blue)
  • the electrolyte was aqueous composed of 1 M KCI solution (called S1)
  • the anode was platinum.
  • the system also had a reference electrode.
  • Test route 1 charge and discharge tests were carried out using PB/Au substrate: First only with 2ml_ of S1. After the test, 1 ml_ of solution is removed and 1 ml_ of S2 is added (waiting 30 minutes for the particles to decant and the electrode to be completely covered), continuing with the second test. Finally, remove the solution, adding 1 ml of S3 (waiting 30 minutes for the particles to decant and cover the entire electrode), and the test continues.
  • Test route 2 considers the following order of insertion of solutions: first S3 and then with S2.
  • Figure 6 presents graphs comparing the cyclability for the different electrolyte constructions tested.
  • Table 7 shows a comparative analysis of the results presented in figure 6.
  • S1 was prepared with 7.455 g of KCI diluted in distilled and deionized water totaling a total volume of 100 m L (1 M of KCI).
  • Electrolyte 1 With 7.455 g of KCI diluted in distilled and deionized water totaling a total volume of 100 mL or 1 M of KCI
  • Electrolyte 2 With 0.02658 g of Nb2Ü5 nano were diluted in solution 1 totaling a total volume of 10 mL or 10 mM of Nb2Ü5
  • Electrolyte 3 With 0.00798 g of TIO2 nano were diluted in solution 1 totaling a total volume of 10 mL or 10 mM of TIO2
  • Electrolyte 4 With 0.02658 micro g of Nb2Ü5 were diluted in solution 1 totaling a total volume of 10 mL or 10 mM of Nb2Ü5.
  • Procedure Charge and discharge test from 0 to 0.5 V and from 0.5 to 0 V respectively were carried out on the 30 mC PB electrode (cathode). The current used for the Tests was 5pA.
  • Test 1 Following the procedure, first the test was carried out with electrolyte 1, of which 2 mL was used to carry out the measurements. After acquiring the data, the 2 mL was removed and 2 mL of electrolyte 2 was inserted. After ⁇ 30min it was noticed that the nanoparticles formed a film covering the electrode completely. Thus, after data acquisition, 2 mL was removed by inserting 2 mL of electrolyte 3 (it was also decanted, covering the entire electrode). Data acquisition and completion of tests with this electrode.
  • Test 2 (same test 1 reversing the order of use of Ti and Nb, a new PB electrode was used): Following the procedure, first the test was carried out with electrolyte 1, of which 2 mL was used to carry out the measurements . After acquiring the data, the 2 mL was removed and 2 mL of electrolyte 3 was inserted. After ⁇ 30min it was noticed that the nanoparticles formed a film covering the electrode for complete. Thus, acquiring the data, 2 m L was removed by inserting 2 ml of electrolyte 2, which was also decanted, covering the entire electrode. Acquiring the data and completing the tests with this electrode.
  • Test 3 Following the procedure, first the test was carried out with electrolyte 1, 2 ml of which was used to carry out the measurements. After acquiring the data, the 2 ml_ was removed and 2 ml_ of electrolyte 4 was inserted. After ⁇ 30min it was noticed that the nanoparticles formed a film covering the electrode completely. Thus, acquiring the data, 2 m L was removed by inserting 2 ml of electrolyte 2, which was also decanted, covering the entire electrode. Acquiring the data and completing the tests with this electrode.
  • Figure 7 shows the results of test 1 described above comparing the electrolyte with only KCI, electrolyte with a first layer of Nb2Ü5 nanoparticles and electrolyte with a first layer of Nb2Ü5 nanoparticles and a second layer of TIO2 nanoparticles.
  • Figure 8 shows the results of test 2 described above comparing the electrolyte with only KCI, electrolyte with a first layer of TIO2 nanoparticles and electrolyte with a first layer of TIO2 nanoparticles and a second layer of Nb2Ü5 nanoparticles.
  • Figure 9 shows the results of test 3 described above comparing the electrolyte with only KCI and a layer of Nb2Ü5 microparticles.
  • Electrolyte 1 With 7.455 g of KCI diluted in distilled and deionized water totaling a total volume of 100 m L or 1 M KCI.
  • Electrolyte 2 With 0.02658 g of Nb2Ü5 nano were diluted in solution 1 totaling a total volume of 10 mL or 10 mM of Nb2Ü5.
  • Electrolyte 3 With 0.00798 g of TIO2 nano were diluted in solution 1 totaling a total volume of 10 mL or 10 mM of TIO2.
  • the current used for the Tests was 5pA.
  • Test 1 charge&discharge test using electrolyte 1, 2 ml of which was used to carry out the measurements. After acquiring the data, the 2 ml were removed and 2 ml of electrolyte 2 was inserted. After ⁇ 30min it was noticed that the nanoparticles formed a film covering the electrode completely. Thus, acquiring the data, 2 ml were removed, inserting 2 ml of electrolyte 3, which was also decanted, covering the entire electrode. Acquiring the data and completing the tests with this electrode. The natos visually came off the electrode after washing with water.
  • Test 2 (same test 1 reversing the order of nanos and a new PB electrode) Following the procedure, first the test was carried out with electrolyte 1, 2 ml of which was used to carry out the measurements. After acquiring the data, the 2 ml was removed and 2 ml of electrolyte 3 was inserted. After ⁇ 30min it was noticed that the nanoparticles formed a film covering the electrode completely. Thus, acquiring the data, 2 ml were removed, inserting 2 ml of electrolyte 2, which was also decanted, covering the entire electrode. Acquiring the data and completing the tests with this electrode. The natos visually came off the electrode after washing with water.
  • Figure 10 illustrates the results of test 1 showing that there was a more significant reduction in charging time when only one first layer of Niobium pentoxide (19.04 min).
  • Figure 1 1 illustrates the results of test 2 showing that there was already a significant reduction when only a first layer of Titanium dioxide was used (15.52 min). However, surprisingly, there was an even more significant reduction when a second layer of Niobium pentoxide was used over the first layer (12.97 min).
  • Niobium pentoxide was able to reduce charging time and cyclability in the experimental model.
  • Niobium pentoxide samples subjected to 12 hours of grinding which present a greater degree of amortization, contribute to the surprising effects presented. This result is corroborated by the comparison with Niobium microparticles (which have a lower degree of amortization).
  • Table 8 compares the types of models tested in the present patent application.
  • Niobium pentoxide was able to reduce charging time and cyclability in the experimental model.
  • Niobium pentoxide samples subjected to 12 hours of grinding which present a greater degree of amortization, contribute to the surprising effects presented. This result is corroborated by the comparison with Niobium microparticles (which have a lower degree of amortization).
  • Niobium pentoxide and Titanium dioxide nanoparticles are capable of increasing the charging speed and cyclability of the most diverse types of battery cells.
  • a more interesting charge and discharge cycle is one that has a high charge speed and an adequate discharge rate (depending on the purpose/use of the battery), conserving the full charge involved in a cycle, in time (Coulomb efficiency).
  • the tests presented show an increase in the number of cycles (battery life), conserving initial charge, under the use of additives.

Abstract

A presente invenção se refere a uma célula de bateria para uso em veículos, dispositivos eletrônicos portáteis ou outros dispositivos adequados. Especificamente, a presente invenção revela uma célula de bateria compreendendo nanopartículas de Nióbio, nanopartículas de titânio ou combinações das mesmas em seu cátodo, ânodo ou eletrólito que apresenta uma velocidade de carga e/ou ciclabilidade muito superior às células de bateria do estado da técnica. Adicionalmente, a presente invenção se refere também ao uso de nanopartículas como dopante de cátodo, ânodo ou eletrólito e ao uso das referidas células de bateria. A presente invenção encontra-se no campo técnico da ciência de materiais, eletroquímica e nanotecnologia.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção
CÉLULA DE BATERIA, ADITIVO PARA A MODULAÇÃO DA VELOCIDADE DE CARGA E/OU CICLABILIDADE DE UMA CÉLULA DE BATERIA, MÉTODO PARA A MODULAÇÃO DA VELOCIDADE DE CARGA E/OU CICLABILIDADE DE UMA CÉLULA DE BATERIA, USO DE NANOPARTÍCULAS DE NIÓBIO, TITÂNIO OU COMBINAÇÕES DAS MESMAS E USO DE CÉLULA DE BATERIA
Campo da Invenção
[0001] A presente invenção se refere a uma célula de bateria, particularmente para uso em veículos. Adicionalmente, se refere ao uso de nanopartícula de Nióbio, Titânio ou combinações das mesmas como dopante em cátodo, ânodo ou eletrólito de célula de bateria. A presente invenção encontra-se no campo técnico da ciência de materiais, eletroquímica e nanotecnologia.
Antecedentes da Invenção
[0002] Atualmente, o desenvolvimento sustentável é um modelo socioeconômico-ambiental, que está diretamente relacionado com o crescimento da economia de modo que garanta a inclusão social e proteção do meio ambiente. Neste contexto, surgem as tecnologias limpas, que são novos processos industriais ou alterações realizadas em processos já existentes, com o objetivo de que o consumo de matérias primas, o consumo energético, os impactos ambientais e o desperdício sejam diminuídos. Com esta necessidade, surgem oportunidades para o desenvolvimento de novas tecnologias limpas para geração de energia.
[0003] Na busca por tecnologias mais limpas, veículos movidos com energia elétrica têm emergido como alternativa atrativa por serem menos poluentes em comparação aos veículos movidos através da queima de combustíveis fósseis. Assim, um dos componentes centrais dos veículos movidos com energia elétrica são as células de bateria. Em relação às células de bateria, dentre os parâmetros importantes para determinação de suas características que implicam na seleção de componentes, com objetivo final formar a bateria secundária, pode-se citar a densidade de carga, potência, eficiência energética, eficiência coulombiana (conservação da carga total de um ciclo no tempo), capacidade específica (mAh/g, massa referente ao material ativo (LiFePO4-C)), estado da carga (medida para monitorar o desempenho e a vida útil das baterias), taxa de carregamento (ou velocidade de carga), ciclabilidade (ciclo de vida) da bateria.
[0004] Resumidamente, a densidade de carga se refere a quantidade de carga pelo peso da bateria, sendo um parâmetro importante para a autonomia da mesma. A potência se refere a potência por massa que a bateria pode proporcionar, sendo um parâmetro importante para o desempenho da dita bateria. A eficiência energética tem relação com os parâmetros mencionados anteriormente e representa o rendimento da bateria. A taxa de carregamento (e descarregamento) é um parâmetro fundamental atualmente com a disseminação dos veículos híbridos ou 100% movidos com energia elétrica, sendo que um efeito de aumento na velocidade de carga se torna cada vez mais importante com o aumento exponencial de veículos híbridos ou 100% movidos com energia elétrica circulando nas ruas ao redor do mundo. O ciclo de vida se refere ao número de vezes que uma bateria pode ser carregada e descarregada enquanto mantém sua eficiência energética. Quando a eficiência energética ou estado da carga diminui substancialmente após uma quantidade grande de ciclos de carga e descarga, a bateria costuma ser trocada, ou seja, quando ela chega próxima ou atinge o fim de sua vida útil.
[0005] Dentre os tipos mais comuns de células de bateria utilizadas em veículos podem se citar as baterias de íon de lítio e bateria de níquel-hidreto metálico.
[0006] As baterias de íon de lítio são utilizadas também em aparelhos eletrônicos portáteis. Elas apresentam boa razão potência em relação ao peso, alta eficiência energética e bom desempenho mesmo em temperaturas mais elevadas. Por terem boa razão potência-peso e alta eficiência energética, as baterias de íon de lítio se apresentam como boa opção para carros elétricos por forneceram uma boa autonomia, ou seja, uma capacidade de percorrer grandes distâncias com uma única carga.
[0007] Outro tipo de bateria são as baterias de níquel-hidreto metálico que também são utilizadas em carros elétricos. Elas apresentam ciclo de vida mais longo que baterias de íon-lítio, mas apresentam algumas desvantagens como geração substantiva de calor e custo bastante alto.
[0008] O documento de patente US9190697B2 revela uma composição que compreende nanopartículas de um material condutor de íons (eletrólitos), mais especificamente uma composição sólida de uma junção de óxidos metálicos, dentre esses óxidos, o nióbio é mencionado. Por outro lado, o documento não revela especificamente uma célula de bateria ou um aditivo compreendendo nanopartículas de Nióbio, Titânio ou combinações das mesmas conforme definidos na presente invenção.
[0009] O documento de patente US20180294476A1 revela uma bateria de lítio que compreende um cátodo, um ânodo, e um eletrólito, em que o ânodo compreende um revestimento de lítio ou uma liga de lítio, e um cátodo que opcionalmente compreende nióbio. Por outro lado, o documento não revela especificamente uma célula de bateria ou um aditivo compreendendo nanopartículas de Nióbio, Titânio ou combinações das mesmas conforme definidos na presente invenção.
[0010] O artigo Qi et al. (2022) (Research progress of anode materials for lithium ion battery) revela o uso de lítio para um ânodo, mais especificamente, titanato de lítio, grafite, e eletrodos baseados em carbono para uma bateria de lítio. Por outro lado, o documento não revela especificamente uma célula de bateria ou um aditivo compreendendo nanopartículas de Nióbio, Titânio ou combinações das mesmas conforme definidos na presente invenção.
[0011] O artigo Lim et al. (2021 ) (Nanoparticle-Dispersed Colloidal Electrolytes for Advanced Lithium Batteries) propõe um novo tipo de eletrólito de sais de lítio com solvente orgânico contendo nanopartículas dispersas, que poderiam ser potencialmente usadas em baterias de lítio. Por outro lado, o documento não revela especificamente uma célula de bateria ou um aditivo compreendendo nanopartículas de Nióbio, Titânio ou combinações das mesmas conforme definidos na presente invenção.
[0012] O artigo Budak et al. (2020) (Carbide-Derived Niobium Pentoxide with Enhanced Charge Storage Capacity for Use as a Lithium-Ion Battery Electrode) revela que pentóxido de nióbio é urn material de ânodo promissor em baterias de lítio. Por outro lado, o documento não revela especificamente uma célula de bateria ou um aditivo compreendendo nanopartículas de Nióbio, Titânio ou combinações das mesmas conforme definidos na presente invenção.
[0013] Assim, do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.
[0014] Em vista do exposto, nota-se que a busca de tecnologias renováveis, acessíveis e limpas é uma constante necessidade, uma vez que a geração de energia através de meios convencionais, tais como combustão de biodiesel, metanol, gás natural e gás liquefeito de petróleo, acarreta diversos efeitos danosos ambientais e socioeconômicos. Dentre estas tecnologias, o desenvolvimento de células de bateria mais eficientes se torna uma necessidade.
Sumário da Invenção
[0015] Dessa forma, a presente invenção resolve os problemas do estado da técnica a partir de uma célula de bateria com velocidade de carga e/ou ciclabilidade muito maior que as células de bateria existentes no estado da técnica. A velocidade de carga se torna cada mais um diferencial preponderante devido ao aumento exponencial de veículos híbridos ou 100% movidos com energia elétrica ao redor do mundo. Por outro lado, a invenção aqui apresentada também pode ser aplicada a baterias de íon de lítio de aparelhos eletrônicos portáteis, como por exemplo smartphones e laptops. [0016] Não obstante, os inventores encontraram surpreendentemente que propriedades como a velocidade de carga e/ou ciclabilidade são ainda melhoradas mais significativamente quando são utilizadas nanopartículas com um grau significativo de amortização, como por exemplo pelo menos 19% de amortização para a quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio de nanopartículas.
[0017] Em uma concretização, as ditas nanopartículas são capaz de aumentar a velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma bateria que está próxima ou atingiu o fim de sua vida útil. Tal efeito surpreendente possibilita a revitalização e reuso de baterias que estão próximas ou atingiram o fim de sua vida útil.
[0018] No contexto da presente invenção, a expressão “nanopartícula de Nióbio” abrange variadas entidades químicas contendo Nióbio, incluindo Nióbio metálico, óxidos, hidratos, hidretos, carbetos, ou nitretos de Nióbio, ferro Nióbio ou Nióbio ligado a outros metais ou metais de transição, ou combinações dos mesmos. Inclui também o pentóxido de Nióbio (Nb20s), NbC e NbO.
[0019] Devido às reservas expressivas de Nióbio no território brasileiro, é uma vantagem da presente invenção usar esse elemento para produção de células de bateria mais eficientes.
[0020] Em um primeiro aspecto, a presente invenção define uma célula de bateria compreendendo pelo menos um cátodo, pelo menos um ânodo e pelo menos um eletrólito, em que pelo menos um dentre o cátodo, ânodo ou eletrólito compreende uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio, nanopartículas de titânio ou combinações das mesmas.
[0021] Em uma concretização da célula de bateria, a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende um grau de amortização de pelo menos 19%.
[0022] Em um segundo aspecto, a presente invenção define um aditivo para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria compreendendo uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio, nanopartículas de titânio ou combinações das mesmas [0023] Em um terceiro aspecto, a presente invenção define um método para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria compreendendo pelo menos uma etapa de incorporação do aditivo conforme definido anteriormente em pelo menos um dentre o cátodo, ânodo ou eletrólito de uma célula de bateria.
[0024] Em um quarto aspecto, a presente invenção define um uso de nanopartículas de Nióbio, Titânio ou combinações das mesmas como dopante de cátodo, ânodo ou eletrólito em uma célula de bateria.
[0025] Em um quinto aspecto, a presente invenção define o uso de célula de bateria conforme definida anteriormente em um veículo, ou dispositivo eletrônico. Em uma concretização do uso de célula de bateria, o dito dispositivo eletrônico é um dispositivo eletrônico portátil. Em uma concretização do uso de célula de bateria, o dito dispositivo eletrônico portátil é um smartphone ou laptop.
[0026] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e serão descritos detalhadamente a seguir.
Breve Descrição das Figuras
[0027] São apresentadas as seguintes figuras:
[0028] A Figura 1 mostra um perfil de curva de descarregamento e carregamento de uma bateria de LiFePCU de referência do estado da técnica. Mostrando a variação do potencial ao longo do tempo em ciclos de descarga e carga da bateria.
[0029] A Figura 2 mostra um perfil de curva de descarregamento e carregamento de uma bateria de LiFePC da presente invenção contendo nanopartículas de Nb. Mostrando a variação do potencial ao longo do tempo em ciclos de descarga e carga da bateria.
[0030] A figura 3 mostra curvas de carregamentos e descarregamentos de células de bateria sem nanopartículas no modelo de ponte salina.
[0031] A figura 4 mostra curvas de carregamentos e descarregamentos de células contendo nanopartículas de pentóxido de Nióbio incorporadas ao cátodo no modelo de ponte salina.
[0032] A figura 5 mostra uma comparação das curvas de carregamentos e descarregamentos no modelo da célula eletroquímica vertical com e sem nanopartículas de pentóxido de Nióbio.
[0033] A figura 6 apresenta gráficos comparando a ciclabilidade para as diferentes construções de eletrólito testadas no modelo da célula eletroquímica horizontal.
[0034] A figura 7 mostra os resultados do teste 1 descrito no exemplo 8 comparando o eletrólito com somente KCI, eletrólito com uma primeira camada de nanopartículas de Nb2Ü5 e eletrólito com primeira camada de nanopartículas de Nb2Ü5 e segunda camada de nanopartículas de TÍO2.
[0035] A figura 8 mostra os resultados do teste 2 descrito no exemplo 8 comparando 0 eletrólito com somente KCI, eletrólito com uma primeira camada de nanopartículas de TiC e eletrólito com primeira camada de nanopartículas de TÍO2 e segunda camada de nanopartículas de Nb2Ü5.
[0036] A figura 9 mostra os resultados do teste 3 descrito no exemplo 8 comparando 0 eletrólito com somente KCI e uma camada de micropartículas de Nb2O5.
[0037] A figura 10 ilustra os resultados do teste 1 do exemplo 9 mostrando que houve uma redução mais significativa no tempo de carga quando foi utilizado somente uma primeira camada de pentóxido de Nióbio (19,04 min).
[0038] A figura 1 1 ilustra os resultados do teste 2 do exemplo 9 mostrando que já houve uma redução significativa quando foi utilizado somente uma primeira camada de dióxido de Titânio (15,52 min). Porém, de forma ainda mais surpreendente, houve uma redução ainda mais significativa quando foi utilizada uma segunda camada de pentóxido de Nióbio sobre a primeira camada (12,97 min).
Descrição Detalhada da Invenção
[0039] A presente invenção se trata de uma célula de bateria que compreende nanopartículas de Nióbio como dopante em seu eletrólito. A presença de uma pequena concentração de nanopartículas de Nb no material do eletrólito resultou em uma velocidade de carga bem mais alta em comparação a baterias do estado da técnica.
[0040] No contexto da presente invenção, a expressão “nanopartícula de Nióbio” abrange variadas entidades químicas contendo Nióbio, incluindo Nióbio metálico, óxidos, hidratos, hidretos, carbetos, ou nitretos de Nióbio, ferro Nióbio ou Nióbio ligado a outros metais ou metais de transição, ou combinações dos mesmos. Inclui também o pentóxido de Nióbio (Nb20s), NbC e NbO.
[0041] Devido às reservas expressivas de Nióbio no território brasileiro, é uma vantagem da presente invenção usar esse elemento para produção de células de bateria mais eficientes.
[0042] No contexto da presente invenção, a expressão “grau de amortização” deve ser entendido como a extensão em que um material apresenta uma fase predominantemente desordenada, em contraste a fases predominantemente monocristalinas e policristalinas. “Amortização” pode ser entendido como um processo de perda da ordenação de longo alcance dos átomos, moléculas ou íons na estrutura cristalina de um determinado material, podendo ainda apresentar uma ordenação de curto alcance.
[0043] No contexto da presente invenção, o termo “nanopartícula” deve ser entendido como uma partícula que pode ter diâmetro variando de 1 a 1000 nm.
[0044] No contexto da presente invenção, o termo “material a base de carbono” deve ser entendido como qualquer material a base de carbono poroso que permita retenção física ou química de íons de lítio. Exemplos não limitantes dos ditos materiais a base de carbono podem ser carvão, coque, grafeno, grafite sintético ou natural.
[0045] No contexto da presente invenção, o termo “material a base de lítio” deve ser entendido como um material de cátodo que sirva como fonte de íons Li+, de forma que os íons Li+ migram do cátodo para o ânodo durante a ciclo de carga da bateria, sendo que os íons Li+ fazem o caminho contrário durante o ciclo de descarga. Exemplos não limitantes dos ditos materiais a base de lítio podem ser LÍC0O2 a LiFePCU.
[0046] No contexto da presente invenção, o termo “material polimérico” deve ser entendido como uma membrana polimérica porosa que permite a passagem de íons Li+ que transitam entre 0 cátodo e 0 ânodo da bateria. Exemplos não limitantes do dito material polimérico podem ser materiais à base de poliolefinas com estrutura semicristalina, e.g., polietileno, polipropileno e suas misturas.
[0047] No contexto da presente invenção, o termo “eletrólito” deve ser entendido como uma solução que contata e promove contato elétrico entre os eletrodos, além de permitir a difusão de íons Li+. Exemplos não limitantes para 0 dito eletrólito são soluções orgânicas de sal de Lítio, como por exemplo, LiCI, LiPFe, LÍBF4, LiBOB (bis(oxalato)borato de lítio) ou misturas dos mesmos. Exemplos não limitantes de solvente orgânico para compor 0 eletrólito podem ser carbonato de propileno (PC), carbonato de etil metila (EMC), carbonato de etileno (EC), carbonato de dietila (DEC), carbonato de dimetila (DMC) e misturas dos mesmos.
[0048] Sem 0 desejo de estar ligado à teoria, um ciclo de carga e descarga mais interessante é aquele que possui uma velocidade de carga alta e uma taxa de descarga adequada (a depender do propósito/uso da bateria), conservando a carga total envolvida em um ciclo, no tempo (eficiência coulombiana).
[0049] Em um primeiro aspecto, a presente invenção define uma célula de bateria compreendendo pelo menos um cátodo, pelo menos um ânodo e pelo menos um eletrólito, em que pelo menos um dentre 0 cátodo, ânodo ou eletrólito compreende uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio, nanopartículas de titânio ou combinações das mesmas.
[0050] Em uma concretização da célula de bateria, a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende um grau de amortização de pelo menos 19%.
[0051] Em uma concretização da célula de bateria, a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 20%, mais preferivelmente de pelo menos 25%, mais preferivelmente de pelo menos 30%, mais preferivelmente de pelo menos 35%, mais preferivelmente de pelo menos 39%, mais preferivelmente de pelo menos 40%, mais preferivelmente de pelo menos 45%, mais preferivelmente de pelo menos 50%, mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55%, mais preferivelmente de pelo menos 60%, mais preferivelmente de pelo menos 65% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%. Em uma concretização, o grau amortização de pelo menos 71 %, mais preferivelmente de pelo menos 72%, mais preferivelmente de pelo menos 73%. Em uma concretização não limitante, o grau de amortização é de 74%.
[0052] Em uma concretização da célula de bateria, a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 39%, preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%. [0053] Em uma concretização da célula de bateria, as referidas nanopartículas de Nióbio são compostas de NbO, NbC ou Nb2Ü5. Em uma concretização da célula de bateria, as referidas nanopartículas de Nióbio são compostas de Nb2O5.
[0054] Em uma concretização da célula de bateria, as referidas nanopartículas de Titânio são compostas de TiO2.
[0055] Em uma concretização da célula de bateria, as referidas nanopartículas de Nióbio compreendem um perfil de distribuição granulométrica é: d10: entre 14 e 1 10 nm; d50: entre 29 e 243 nm; e d90: entre 89 e 747 nm.
[0056] Em uma concretização da célula de bateria, as referidas nanopartículas de Titânio compreendem um perfil de distribuição granulométrica é: d10 de 148 a 189nm; d50 de 239 a 485m; d90 de 402 a 970nm.
[0057] Em uma concretização da célula de bateria, 0 referido ânodo contém grafite natural ou sintético, titanato de lítio (LTO), grafite recoberto com cobre, cobre, platina ou combinações dos mesmos.
[0058] Em uma concretização da célula de bateria, 0 referido cátodo compreende material a base de lítio. Em uma concretização, o referido material a base de lítio é LÍC0O2 ou LiFePCU.
[0059] Em uma concretização da célula de bateria, 0 referido material a base de lítio é recoberto com alumínio.
[0060] Em uma concretização da célula de bateria, 0 referido eletrólito é orgânico ou aquoso.
[0061] Em uma concretização da célula de bateria, 0 referido eletrólito orgânico compreende um sal de lítio e um solvente orgânico. Em uma concretização, 0 dito sal de lítio é LiCI, LiPFe, LÍBF4, LiBOB (bis(oxalato)borato de lítio) ou misturas dos mesmos. Em uma concretização, 0 dito solvente orgânico é carbonato de propileno (PC), carbonato de etil metila (EMC), carbonato de etileno (EC), carbonato de dietila (DEC), carbonato de dimetila (DMC) ou misturas dos mesmos.
[0062] Em uma concretização da célula de bateria, 0 referido eletrólito aquoso compreende LiCI, KCI ou mistura dos mesmos.
[0063] Em um segundo aspecto, a presente invenção define um aditivo para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria compreendendo uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio, nanopartículas de titânio ou combinações das mesmas.
[0064] Em uma concretização do aditivo, a referida modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria é para aumentar a velocidade de carga e/ou ciclabilidade. Em uma concretização, 0 dito aditivo é para aumentar a velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma bateria que está próxima ou atingiu 0 fim de sua vida útil.
[0065] Em uma concretização do aditivo, a referida quantidade em massa de nanopartículas compreender um grau de amortização de pelo menos 19%.
[0066] Em uma concretização do aditivo, a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 20%, mais preferivelmente de pelo menos 25%, mais preferivelmente de pelo menos 30%, mais preferivelmente de pelo menos 35%, mais preferivelmente de pelo menos 39%, mais preferivelmente de pelo menos 40%, mais preferivelmente de pelo menos 45%, mais preferivelmente de pelo menos 50%, mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55%, mais preferivelmente de pelo menos 60%, mais preferivelmente de pelo menos 65% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%. Em uma concretização, o grau amortização de pelo menos 71%, mais preferivelmente de pelo menos 72%, mais preferivelmente de pelo menos 73%. Em uma concretização não limitante, o grau de amortização é de 74%.
[0067] Em uma concretização do aditivo, a referida quantidade em massa de nanopartículas compreende preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 39%, preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%.
[0068] Em uma concretização do aditivo, as referidas nanopartículas de Nióbio são compostas de NbO, NbC ou Nb2Ü5.
[0069] Em uma concretização do aditivo, as referidas nanopartículas de Nióbio são compostas de Nb2Ü5.
[0070] Em uma concretização do aditivo, as referidas nanopartículas de titânio serem compostas de TÍO2.
[0071] Em um terceiro aspecto, a presente invenção define um método para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria compreendendo pelo menos uma etapa de incorporação do aditivo conforme definido anteriormente em pelo menos um dentre 0 cátodo, ânodo ou eletrólito de uma célula de bateria.
[0072] Em uma concretização do método, a referida modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria é para aumentar a velocidade de carga e/ou ciclabilidade. Em uma concretização, 0 método é para aumentar a velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma bateria que está próxima ou atingiu 0 fim de sua vida útil.
[0073] Em um quarto aspecto, a presente invenção define um uso de nanopartículas de Nióbio, Titânio ou combinações das mesmas como dopante de cátodo, ânodo ou eletrólito em uma célula de bateria.
[0074] Em uma concretização do uso, as referidas nanopartículas de Nióbio são compostas de Nb2Ü5.
[0075] Em uma concretização do uso, as referidas nanopartículas de titânio são compostas de TÍO2.
[0076] Em uma concretização do uso, as nanopartículas compreendem um grau de amortização de pelo menos 19%.
[0077] Em uma concretização do uso, as nanopartículas compreendem preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 20%, mais preferivelmente de pelo menos 25%, mais preferivelmente de pelo menos 30%, mais preferivelmente de pelo menos 35%, mais preferivelmente de pelo menos 39%, mais preferivelmente de pelo menos 40%, mais preferivelmente de pelo menos 45%, mais preferivelmente de pelo menos 50%, mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55%, mais preferivelmente de pelo menos 60%, mais preferivelmente de pelo menos 65% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%. Em uma concretização, 0 grau amortização de pelo menos 71 %, mais preferivelmente de pelo menos 72%, mais preferivelmente de pelo menos 73%. Em uma concretização não limitante, 0 grau de amortização é de 74%.
[0078] Em uma concretização do uso, as nanopartículas compreendem preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 39%, preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%.
[0079] Em um quinto aspecto, a presente invenção define 0 uso de célula de bateria conforme definida anteriormente em um veículo, ou dispositivo eletrônico. Em uma concretização do uso de célula de bateria, 0 dito dispositivo eletrônico é um dispositivo eletrônico portátil. Em uma concretização do uso de célula de bateria, 0 dito dispositivo eletrônico portátil é um smartphone ou laptop.
Exemplos [0080] Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo sem limitar, o escopo da mesma.
Exemplo 1 - Estrutura da bateria
[0081] Um exemplo de célula de bateria da presente invenção apresenta uma estrutura de bateria fechada com diversas camadas de cátodos e ânodos separados por espaçadores. O cátodo sendo um eletrodo de Alumínio com camadas adjacentes de LiFePC e camadas adjacentes de grafite, o ânodo sendo um eletrodo de cobre com camadas adjacentes de grafite. O cátodo e o ânodo sendo separados por espaçadores compostos de uma camada de material polimérico poroso que permite passagem dos íons lítio. O cátodo e o ânodo são contatados com uma solução de eletrólito contendo mistura de LiCI em carbonato de propileno. Tal eletrólito tem concentração de 1 mM de LiCI (42,39 mg de LiCI diluídos em 4mL de álcool isopropílico) com volume final de 100 mL, usando carbonato de propileno.
[0082] Exemplo 2 - Processo de preparação do preparado de nanopartículas de pentóxido de Nióbio
[0083] Um equipamento moinho agitador de esferas Labstar LS01 (Netzsch) foi alimentado com partículas micrométricas de pentóxido de Nióbio. Referido processo envolve moagem úmida de alta energia. A suspensão de partículas foi de 17,7% m, consistindo de aproximadamente 3500 g de água milli-Q + NaOH 10 M e 750 g da amostra sólida a qual foi preparada e estabilizada no tanque de mistura do moinho em pH 9, titulada com NaOH 10 M. As esferas de moagem usadas foram de zircônia estabilizada com ítria, de 400 pm de diâmetro. O preenchimento da câmara de moagem foi de 80% vol. e a temperatura da suspensão inferior a 40 °C. A velocidade de rotação do moinho foi ajustada 3000 rpm e a moagem foi conduzida por 8 horas. Para estabilizar a suspensão em pH 9, foram realizadas adições de NaOH 10 M durante a moagem, sendo feitas amostragens de tempos em tempos e medidos os tamanhos de partículas.
[0084] No presente exemplo, diversas concretizações de preparados de nanopartículas de pentóxido de Nióbio foram obtidas, com pureza superior a 99%. Pentóxido de Nióbio comercial, com a distribuição granulométrica descrita na tabela 1 foi pré-cominuído de em moinho de alta energia contendo esferas de zircônia estabilizadas com ítria com diâmetro de 400 pm, em meio líquido e o pH ajustado para 6,6. A velocidade de rotação do moinho foi de 3500 rpm e a moagem das partículas foi conduzida em temperatura abaixo de 40 °C. A tabela 4 mostra a distribuição dos tamanhos de partícula (DTP) de pentóxido de Nióbio de entrada (produto comercial) e de saída de uma etapa de pré-cominuição.
[0085] Tabela 1 - DTP de entrada (produto comercial) e de saída após pré- cominuição.
Figure imgf000017_0001
[0086] A área de superfície específica média S (m2/g) das partículas após a etapa de pré-cominuição foi de 0,32 m2/g.
[0087] Em uma concretização, as partículas pré-cominuídas foram então alimentadas a um moinho de alta energia, sendo aplicadas condições semelhantes às descritas acima, porém com esferas de Zr de 200 pm e moídas por tempos diferentes, até a obtenção de cada preparado de nanopartículas. Foram obtidos três diferentes preparados de nanopartículas, cada um com uma distribuição granulométrica definida conforme descrito na tabela 2.
[0088] Tabela 2 - Distribuição de tamanhos de partículas de três diferentes preparados (C, D e E) de nanopartículas de pentóxido de Nióbio.
Figure imgf000018_0001
[0089] Mais detalhes sobre o processo de obtenção das nanopartículas podem ser encontrados no pedido de patente BR112023003019 dos inventores do presente pedido. Nos exemplos do presente pedido, foram utilizadas amostras que foram submetidas a 12h de moagem.
[0090] Sem o desejo de estar ligado à teoria, entende-se que as amostras submetidas 12h de moagem, que apresentam um grau de amortização maior (74%), contribuem com os efeitos surpreendentes apresentados.
[0091] Exemplo 3 - Processo de preparação do preparado de nanopartículas de dióxido de Titânio
[0092] Nesta concretização, um lote de 1 ,125kg partículas de TiO2 com distribuição granulométrica de D90 1 ,320 pm, D50 0,6098 pm e D10 0,153 pm foi alimentado a um moinho de alta energia com 5 litros de água e contendo esferas zeta beads 3,65kh/l 0,2-0,4mm. Os parâmetros de moagem foram, Tmax 60 °C, teor de sólidos 18,36%. Operando o moinho de alta energia por vários ciclos, de 1 até 8 ciclos de 1 hora cada um, na pressão de 1 ,1 a 1 ,2 bar, velocidade da bomba de 90 min 1, vazão de 51 kgslurry/h, velocidade do agitador de 3700 min’1, temperatura do material de entrada variando em 21 ,3 °C e 37,1 °C e temperatura do material de saída variando em 22,4 °C e 49,2 °C nos respectivos ciclos, a energia bruta foi de 2,4kW e a energia de moagem foi de 1 ,8 a 14,4 kWh nos respectivos ciclos. O perfil de distribuição granulométrica obtido é descrito na tabela 3 abaixo:
[0093] Tabela 3 - perfil de distribuição granulométrica obtido após múltiplos ciclos de cominuição nas condições indicadas acima.
Figure imgf000019_0001
[0094] Para o resfriamento, os parâmetros foram de temperatura de entrada de 7,3 °C e 1 1 ,4 °C, respectivamente na câmara de moagem, selo mecânico, tanque de circulação e chiller, cada uma destas etapas com uma vazão de 1000 litros por hora de água de resfriamento, perfazendo 4000 litros por hora.
[0095] Mais detalhes sobre o processo de obtenção das nanopartículas podem ser encontrados no pedido de patente BR102023010990 dos inventores do presente pedido. Nos exemplos do presente pedido, foram utilizadas amostras que foram submetidas a 12h de moagem.
[0096] Sem o desejo de estar ligado à teoria, entende-se que as amostras submetidas 12h de moagem, que apresentam um grau de amortização maior, contribuem com os efeitos surpreendentes apresentados.
Exemplo 4 - Processo para incorporação das nanopartículas de Nb
[0097] A incorporação das nanopartículas é feita com uma diluição em carbonato de propileno contendo 26,6 mg de nanopartículas de Nb2Ü5. A dita diluição é posteriormente depositada cátodo de AI/LiFePC -C, o qual é posteriormente submetido a forno a 100 °C por 30 min antes dos testes para obter as curvas de carregamentos e descarregamentos.
Exemplo 5 - Curvas de carregamentos e descarregamento
[0098] Os terminais dos eletrodos produzidos no exemplo 4 (cátodo-AI e ânodo- Cu) são contatados com o eletrólito contendo mistura de LiCI em carbonato de propileno e a bateria formada é submetida a ciclos de carga e descarga que estão ilustrados na figura 1 (bateria do estado da técnica) e na figura 2 (bateria da presente invenção) contendo nanopartículas de Nb.
[0099] A comparação dos gráficos nas figuras 1 e 2 mostra claramente que a bateria da presente invenção contendo nanopartículas de Nb2Ü5 (figura 2) apresenta uma velocidade de carga muito mais rápida que a bateria do estado da técnica (figura 1 ).
[0100] Pelos gráficos das figuras 1 e 2, é possível verificar que a ciclabilidade aumentou em 5,5x com um aumento substancial na ciclabilidade e na velocidade de carga conforme pode ser visto na tabela 4:
[0101] Tabela 4 - comparação da velocidade de ciclo sem nanopartículas de pentóxido de Nióbio e com nanopartículas de pentóxido de Nióbio neste modelo experimental:
Figure imgf000021_0001
[0102] Exemplo 6 - ponte salina (modelo alternativo)
[0103] Um segundo modelo de célula de bateria testada foi o modelo de ponte salina. Neste modelo o cátodo foi composto de AI/LiFePCU-C, o eletrólito era orgânico composto de carbonato de propileno com LiCI e o ânodo era de platina. O sistema também contava com um eletrodo de referência.
[0104] Uma massa de nanopartículas de pentóxido de Nióbio (tempo de moagem 12h) foi incorporada no cátodo de AI/LiFePCU-C.
[0105] A figura 3 mostra curvas de carregamentos e descarregamentos de células de bateria sem nanopartículas.
[0106] A figura 4 mostra curvas de carregamentos e descarregamentos de células contendo nanopartículas de pentóxido de Nióbio incorporadas ao cátodo. [0107] Pelos gráficos das figuras 3 e 4, é possível verificar que a ciclabilidade aumentou em aproximadamente 4x neste modelo com um aumento substancial na ciclabilidade e na velocidade de carga , conforme pode ser visto na tabela 5: [0108] Tabela 5 - comparação da velocidade de ciclo sem nanopartículas de pentóxido de Nióbio e com nanopartículas de pentóxido de Nióbio neste modelo experimental:
Figure imgf000021_0002
[0109] Exemplo 7 - Célula eletroquímica vertical (modelo alternativo)
[0110] Um terceiro modelo de célula de bateria testada foi o modelo de célula eletroquímica vertical. Neste modelo o cátodo foi composto de Au/PB (Azul da Prússia), o eletrólito era aquoso composto de solução 1 M de KCI e o ânodo era de platina. O sistema também contava com um eletrodo de referência.
[0111] Neste modelo, uma massa de nanopartículas de pentóxido de Nióbio foi incorporada ao eletrólito de solução 1 M de KCI, chegando a uma concentração de 10mM de Nb2Ü5.
[0112] A figura 5 mostra curvas de carregamentos e descarregamentos da célula eletroquímica vertical com e sem nanopartículas.
[0113] Pelos gráficos da figura 5, é possível verificar que a presença de nanopartículas aumentou a ciclabilidade em aproximadamente 2,2x neste modelo com um aumento substancial na ciclabilidade e na velocidade de carga conforme pode ser visto na tabela 6:
[0114] Tabela 6 - comparação da velocidade de ciclo sem nanopartículas de pentóxido de Nióbio e com nanopartículas de pentóxido de Nióbio neste modelo experimental:
Figure imgf000022_0001
[0115] Exemplo 8 - Célula eletroquímica horizontal (modelo alternativo)
[0116] Um quarto modelo de célula de bateria testada foi o modelo de célula eletroquímica horizontal. Neste modelo o cátodo foi composto de Au/PB (Azul da Prússia), o eletrólito era aquoso composto de solução 1 M de KCI (denominado S1 ) e o ânodo era de platina. O sistema também contava com um eletrodo de referência.
[0117] Neste modelo, uma massa de nanopartículas de pentóxido de Nióbio e de dióxido de Titânio foi incorporada ao eletrólito de solução 1 M de KCI. A concentração de nanopartículas sendo igual a 10 mM para ambas. A solução contendo 10mM de TÍO2 foi denominada S2 e a solução contendo 10mM de Nb2Ü5 foi denominada S3.
[0118] Neste modelo foi testada uma mistura de partículas de pentóxido de Nióbio e dióxido de Titânio. O primeiro passo foi o crescimento por eletrodeposição dos cátodos, i.e., filmes de Azul da Prússia (PB) crescidos sobre substrato de Au (PB/Au, espessura do PB ~400nm, correspondendo a uma carga de 30 mC). O segundo passo foi preparar uma solução de 1 M de KCI em água deionizada (S1 ). O terceiro passo foi preparar S2 e S3.
[0119] Rota de teste 1 : foram realizados testes de carga e descarga usando substrato de PB/Au: Primeiro somente com 2ml_ de S1. Após o teste, retira-se 1 ml_ de solução e acrescenta 1 ml_ de S2 (aguardando 30min para decantação das partículas e recobrimento do eletrodo por inteiro), prosseguindo com o segundo teste. Finalmente, retira solução, acrescentando 1 ml_ de S3 (aguardando 30min para decantação das partículas e recobrimento do eletrodo por inteiro), prossegue o teste.
[0120] Rota de teste 2: considera a seguinte ordem de inserção das soluções: primeiro S3 e depois com S2.
[0121] Os resultados do teste acima são apresentados na figura 6.
[0122] A figura 6 apresenta gráficos comparando a ciclabilidade para as diferentes construções de eletrólito testadas.
[0123] A tabela 7 mostra uma análise comparativa dos resultados apresentados na figura 6.
[0124] Tabela 7 - análise comparativa dos resultados
Figure imgf000023_0001
[0125] Para a amostra acima, verificou-se que os 10 ciclos começando por TÍO2 e depois acrescentando Nb2Ü5, reduziu o tempo de ciclo em 9,4 min.
[0126] S1 foi preparado com 7,455 g de KCI diluídos em água destilada e deionizada totalizando um volume total de 100 m L (1 M de KCI).
[0127] Um segundo teste foi conduzido com os seguintes eletrólitos:
[0128] Eletrólito 1 : Com 7,455 g de KCI diluídos em água destilada e deionizada totalizando um volume total de 100 mL ou 1 M de KCI
[0129] Eletrólito 2: Com 0,02658 g de nano de Nb2Ü5 foram diluídos na solução 1 totalizando um volume total de 10 mL ou 10 mM de Nb2Ü5
[0130] Eletrólito 3: Com 0,00798 g de nano de TÍO2 foram diluídos na solução 1 totalizando um volume total de 10 mL ou 10 mM de TÍO2
[0131] Eletrólito 4: Com 0,02658 g de micro de Nb2Ü5 foram diluídos na solução 1 totalizando um volume total de 10 mL ou 10 mM de Nb2Ü5.
[0132] O experimento foi conduzido no LFFS utilizando um eletrodo produzido no laboratório juntamente com um potenciostato e uma micro balança de quartzo.
[0133] Procedimento: Realizado no eletrodo de 30 mC de PB (cátodo) teste de carga e descarga de 0 à 0,5 V e de 0,5 à 0 V respectivamente. A corrente utilizada para os Testes foi de 5pA.
[0134] Teste 1 : Seguindo 0 procedimento, primeiro se realizou 0 teste com 0 eletrólito 1 , deste foi utilizado 2 mL para realizar as medidas. Após adquirir os dados, foi retirado os 2 mL e inserido 2 mL do eletrólito 2. Após ~30min notou- se que as nano partículas formaram um película recobrindo 0 eletrodo por completo. Assim, após aquisição de dados, retirou-se 2 mL inserindo 2mL do eletrólito 3 (também decantou recobrindo todo 0 eletrodo). Aquisição de dados e finalização dos testes com esse eletrodo.
[0135] Teste 2 (mesmo teste 1 invertendo a ordem do uso de Ti e Nb, foi usado novo eletrodo de PB) : Seguindo 0 procedimento, primeiro se realizou 0 teste com 0 eletrólito 1 , deste foi utilizado 2 mL para realizar as medidas. Após adquirir os dados, foi retirado os 2 mL e inserido 2 mL do eletrólito 3. Após ~30min notou- se que as nano partículas formaram um película recobrindo 0 eletrodo por completo. Assim, adquirindo os dados, retirou-se 2 m L inserindo 2ml_ do eletrólito 2, também decantou recobrindo todo o eletrodo. Adquirindo os dados e finalizando os testes com esse eletrodo.
[0136] Teste 3: Seguindo o procedimento, primeiro se realizou o teste com o eletrólito 1 , deste foi utilizado 2 ml_ para realizar as medidas. Após adquirir os dados, foi retirado os 2 ml_ e inserido 2 ml_ do eletrólito 4. Após ~30min notou- se que as nano partículas formaram um película recobrindo o eletrodo por completo. Assim, adquirindo os dados, retirou-se 2 m L inserindo 2ml_ do eletrólito 2, também decantou recobrindo todo o eletrodo. Adquirindo os dados e finalizando os testes com esse eletrodo.
[0137] A figura 7 mostra os resultados do teste 1 descrito acima comparando o eletrólito com somente KCI, eletrólito com uma primeira camada de nanopartículas de Nb2Ü5 e eletrólito com primeira camada de nanopartículas de Nb2Ü5 e segunda camada de nanopartículas de TÍO2.
[0138] A figura 8 mostra os resultados do teste 2 descrito acima comparando 0 eletrólito com somente KCI, eletrólito com uma primeira camada de nanopartículas de TÍO2 e eletrólito com primeira camada de nanopartículas de TÍO2 e segunda camada de nanopartículas de Nb2Ü5.
[0139] A figura 9 mostra os resultados do teste 3 descrito acima comparando 0 eletrólito com somente KCI e uma camada de micropartículas de Nb2Ü5.
[0140] Pelas figuras 7, 8 e 9 é possível observar que há uma diferença significativa nas mudanças das propriedades a depender da ordem de adição das camadas na célula eletroquímica horizontal. Adicionalmente, é possível verificar que 0 mesmo efeito não é observado quando se utiliza micropartículas, ao invés de nanopartículas. Evidenciando 0 efeito surpreendente advindo da utilização das nanopartículas e com características mais amorfas (moagem de 12h).
[0141] Pelos resultados do teste 1 , é possível observar que houve um aumento da velocidade de carga e a ciclabilidade aumentou em 1 ,3x, ao comparar com os resultados do teste 3, 0 qual utiliza micropartículas de pentóxido de Nióbio. [0142] Exemplo 9 - Célula eletroquímica horizontal (modelo alternativo)
[0143] Uma outra rodada de testes foi realizada utilizando um protocolo de experimento parecido com o exemplo 8. Os seguintes eletrólitos foram utilizados: [0144] Eletrólito 1 : Com 7,455 g de KCI diluídos em água destilada e deionizada totalizando um volume total de 100 m L ou 1 M de KCI.
[0145] Eletrólito 2: Com 0,02658 g de nano de Nb2Ü5 foram diluídos na solução 1 totalizando um volume total de 10 mL ou 10 mM de Nb2Ü5.
[0146] Eletrólito 3: Com 0,00798 g de nano de TÍO2 foram diluídos na solução 1 totalizando um volume total de 10 mL ou 10 mM de TÍO2.
[0147] Procedimento: eletrodo de 30 mC de PB (cátodo) teste de carga&descarga de 0 à 0,5 V e de 0,5 à 0 V, respectivamente. A corrente utilizada para os Testes foi de 5pA.
[0148] Teste 1 : teste de carga&descarga usando 0 eletrólito 1 , deste foi utilizado 2 ml para realizar as medidas. Após adquirir os dados, foi retirado os 2 ml e inserido 2 ml do eletrólito 2. Após ~30min notou-se que as nano partículas formaram um película recobrindo 0 eletrodo por completo. Assim, adquirindo os dados, retirou-se 2 ml inserindo 2ml do eletrólito 3, também decantou recobrindo todo 0 eletrodo. Adquirindo os dados e finalizando os testes com esse eletrodo. As natos visualmente saíram do eletrodo após uma lavagem com água.
[0149] Teste 2: (mesmo teste 1 invertendo a ordem das nano e um novo eletrodo de PB) Seguindo 0 procedimento, primeiro se realizou 0 teste com 0 eletrólito 1 , deste foi utilizado 2 ml para realizar as medidas. Após adquirir os dados, foi retirado os 2 ml e inserido 2 ml do eletrólito 3. Após ~30min notou-se que as nano partículas formaram um película recobrindo 0 eletrodo por completo. Assim, adquirindo os dados, retirou-se 2 ml inserindo 2ml do eletrólito 2, também decantou recobrindo todo 0 eletrodo. Adquirindo os dados e finalizando os testes com esse eletrodo. As natos visualmente saíram do eletrodo após uma lavagem com água.
[0150] A figura 10 ilustra os resultados do teste 1 mostrando que houve uma redução mais significativa no tempo de carga quando foi utilizado somente uma primeira camada de pentóxido de Nióbio (19,04 min).
[0151] A figura 1 1 ilustra os resultados do teste 2 mostrando que já houve uma redução significativa quando foi utilizado somente uma primeira camada de dióxido de Titânio (15,52 min). Porém, de forma surpreendente, houve uma redução ainda mais significativa quando foi utilizada uma segunda camada de pentóxido de Nióbio sobre a primeira camada (12,97 min).
[0152] A comparação das figuras mostra que a ordem das camadas afetou inesperadamente os resultados no modelo da célula eletroquímica horizontal. Sendo que o resultado de redução do tempo de carga foi mais surpreendente quando foi utilizada uma primeira camada de dióxido de Titânio seguida de uma segunda camada de pentóxido de Nióbio.
[0153] Em ambos os casos, foi possível perceber que o pentóxido de Nióbio foi capaz de diminuir o tempo de carga e ciclabilidade no modelo experimental.
[0154] Sem o desejo de estar ligado à teoria, entende-se que as amostras de pentóxido de Nióbio submetidas 12h de moagem, que apresentam um grau de amortização maior, contribuem com os efeitos surpreendentes apresentados. Tal resultado é corroborado pela comparação com as micropartículas de Nióbio (as quais apresentam um grau de amortização menor).
[0155] Exemplo 10 - Comparação de todos os modelos
[0156] A tabela 8 compara os tipos de modelos testados no presente pedido de patente.
[0157] Tabela 8 - resumo dos resultados dos modelos testados nos exemplos
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000028_0001
[0158] Em todos os casos, foi possível perceber que o pentóxido de Nióbio foi capaz de diminuir o tempo de carga e a ciclabilidade no modelo experimental.
[0159] Sem o desejo de estar ligado à teoria, entende-se que as amostras de pentóxido de Nióbio submetidas 12h de moagem, que apresentam um grau de amortização maior, contribuem com os efeitos surpreendentes apresentados. Tal resultado é corroborado pela comparação com as micropartículas de Nióbio (as quais apresentam um grau de amortização menor).
[0160] Os exemplos comprovam que as nanopartículas de pentóxido de Nióbio e dióxido de Titânio, além de combinações delas é capaz de aumentar a velocidade de carga e a ciclabilidade dos mais diversos tipos de células de bateria.
[0161] Sem o desejo de estar ligado à teoria, um ciclo de carga e descarga mais interessante é aquele que possui uma velocidade de carga alta e uma taxa de descarga adequada (a depender do propósito/uso da bateria), conservando a carga total envolvida em um ciclo, no tempo (eficiência coulombiana). Os testes apresentados mostram o incremento no número de ciclos (vida da bateria), conservando carga inicial, sob o uso dos aditivos.
[0162] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes e alternativas, abrangidas pelo escopo das reivindicações a seguir.

Claims

Reivindicações
1. Célula de bateria compreendendo pelo menos um cátodo, pelo menos um ânodo e pelo menos um eletrólito caracterizado por pelo menos um dentre o cátodo, ânodo ou eletrólito compreender uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio, nanopartículas de titânio ou combinações das mesmas.
2. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pela referida quantidade em massa de nanopartículas compreender um grau de amortização de pelo menos 19%.
3. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pela referida quantidade em massa de nanopartículas compreender preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 39%, preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 55% e ainda mais preferivelmente um grau de amortização de pelo menos 70%.
4. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pela nanopartícula de Nióbio ser composta de NbO, NbC ou Nb2O5.
5. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pela nanopartícula de Nióbio ser composta de Nb2Ü5.
6. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pela nanopartícula de titânio ser composta de TiO2.
7. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pelo ânodo conter grafite natural ou sintético, titanato de lítio (LTO), grafite recoberto com cobre, cobre, platina ou combinações dos mesmos.
8. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pelo cátodo compreender material a base de lítio.
9. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pelo eletrólito ser orgânico ou aquoso.
10. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo referido eletrólito orgânico compreender um sal de lítio e um solvente orgânico.
1 1. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo sal de lítio ser LiCI, LiPFe, LÍBF4, LiBOB (bis(oxalato)borato de lítio) ou misturas dos mesmos.
12. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo solvente orgânico ser carbonato de propileno (PC), carbonato de etil metila (EMC), carbonato de etileno (EC), carbonato de dietila (DEC), carbonato de dimetila (DMC) ou misturas dos mesmos.
13. Célula de bateria de acordo com a reivindicação 9 caracterizada pelo referido eletrólito aquoso compreender LiCI, KCI ou mistura dos mesmos.
14. Aditivo para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria caracterizado por compreender uma quantidade em massa de nanopartículas de Nióbio, nanopartículas de titânio ou combinações das mesmas.
15. Aditivo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pela referida modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria ser para aumentar a velocidade de carga e/ou ciclabilidade.
16. Aditivo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por ser para aumentar a velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma bateria que está próxima ou atingiu 0 fim de sua vida útil.
17. Aditivo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pela referida quantidade em massa de nanopartículas compreender um grau de amortização de pelo menos 19%.
18. Método para a modulação da velocidade de carga e/ou ciclabilidade de uma célula de bateria caracterizado por compreender pelo menos uma etapa de incorporação do aditivo conforme definido na reivindicação 14 em pelo menos um dentre 0 cátodo, ânodo ou eletrólito de uma célula de bateria.
19. Uso de nanopartículas de Nióbio, Titânio ou combinações das mesmas caracterizado por ser como dopante de cátodo, ânodo ou eletrólito em uma célula de bateria.
20. Uso de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pela nanopartículas de Nióbio serem compostas de Nb2Ü5.
21. Uso de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pela nanopartículas de titânio ser compostas de TÍO2.
22. Uso de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelas nanopartículas compreenderem um grau de amortização de pelo menos 19%.
23. Uso de célula de bateria conforme definida na reivindicação 1 ou 2, caracterizado por ser em um veículo ou dispositivo eletrônico.
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