BRPI0608665A2 - cÉlulas eletroquÍmicas nço-aquosas - Google Patents
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Abstract
CÉLULAS ELETROQUÍMICAS NçO-AQUOSAS. A presente invenção refere-se a células eletroquímicas. Em algumas modalidades, uma célula eletroquímica inclui um cátodo, um ânodo e um eletrólito tendo um primeiro sal de lítio e LiBF~ 4~.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CÉLULASELETROQUÍMICAS NÃO-AQUOSAS".
Campo Técnico
A presente invenção refere-se a células eletroquímicas não-
aquosas.
As baterias, ou células eletroquímicas, são fontes de energiaelétrica de uso comum. Uma bateria contém um eletrodo negativo, tipica-mente chamado ânodo, e um eletrodo positivo, tipicamente denominado cá-todo. O ânodo contém um material ativo que pode ser oxidado, enquanto ocátodo contém ou consome um material ativo que pode ser reduzido. O ma-terial ativo do ânodo é capaz de reduzir o material ativo do cátodo.
Quando uma bateria é usada como fonte de energia elétrica emum dispositivo, é feito contato elétrico com o ânodo e o cátodo, permitindoque elétrons fluam através do dito dispositivo, e que ocorram as respectivas reações de oxidação e redução para a produção de energia elétrica. Um ele-trólito em contato com o ânodo e o cátodo contém íons que fluem através doseparador entre os eletrodos, para manter o equilíbrio de cargas em todabateria, durante a descarga.
Em um aspecto, a invenção apresenta uma célula eletroquímica,incluindo um cátodo, um ânodo e um eletrólito dotado de um primeiro sal delítio e LiBF4.
As modalidades podem incluir um ou mais dos recursos apre-sentados a seguir. O primeiro sal de lítio inclui trifluorometanossulfonato delítio. O eletrólito inclui, ainda, um segundo sal de lítio. O segundo sal de lítio é selecionado do grupo que consiste em LiPF6 e trifluorometanossulfonilaidade lítio. O eletrólito inclui de cerca de 300 ppm a cerca de 40.000 ppm deLiBF4. O primeiro sal de lítio inclui trifluorometanossulfonato de lítio, e o ele-trólito inclui de cerca de 300 a cerca de 35.000 ppm de LiBF4. O primeiro salde lítio inclui trifluorometanossulfonato de lítio, o eletrólito inclui, ainda, LiPF6, e o eletrólito inclui de cerca de 300 ppm a cerca de 10.000 ppm de LiBF4. Oprimeiro sal de lítio inclui trifluorometanossulfonato de lítio, o eletrólito inclui,ainda, trifluorometanossulfonilamida de lítio e o eletrólito inclui de cerca de
PI0608665-9300 ppm a cerca de 40.000 ppm de LiBF4. O cátodo inclui oxido de manga-nês. O ânodo inclui lítio. A célula inclui, ainda, uma superfície de alumínio ouum par de alumínio. O eletrólito inclui, ainda, um material selecionado dogrupo consistindo em carbonato de etileno, carbonato de propileno, dimeto-xietano e carbonato de butileno. O eletrólito inclui, ainda, carbonato de propi-leno e dimetoxietano. O eletrólito inclui, ainda, carbonato de etileno. O eletró-lito inclui, ainda, carbonato de etileno, carbonato de butileno e dimetoxietano.O eletrólito inclui dioxolano. A célula é uma célula primária.
Em outro aspecto, a invenção apresenta uma célula eletroquími- ca, incluindo um cátodo que contém oxido de manganês, um ânodo que con-tém lítio, uma superfície de alumínio ou um par de alumínio e um eletrólitoque tem trifluorometanossulfonato de lítio e LiBF4.
As modalidades podem incluir um ou mais dos recursos apre-sentados a seguir. O eletrólito inclui de cerca de 300 ppm a cerca de 40.000 ppm de LiBF4. O eletrólito inclui, ainda, um terceiro sal de lítio selecionadodo grupo que consiste em LiPF6 e trifluorometanossulfonilamida de lítio. Oeletrólito inclui de cerca de 300 ppm a cerca de 35.000 ppm de LiBF4. O ele-trólito inclui, ainda, um material selecionado do grupo consistindo em carbo-nato de etileno, carbonato de propileno, dimetoxietano, carbonato de butile- no e dioxolano. O eletrólito inclui, ainda, carbonato de propileno e dimetoxie-tano. O eletrólito inclui, ainda, carbonato de etileno. O eletrólito inclui, ainda,carbonato de etileno, carbonato de butileno e dimetoxietano. O eletrólito in-clui dioxolano. A célula é uma célula primária.
Em outro aspecto, a invenção apresenta um método que inclui descarregar uma célula eletroquímica que tem um cátodo incluindo oxido demanganês, um ânodo incluindo lítio e um eletrólito incluindo trifluorometa-nossulfonato de lítio e LiBF4 e descartar a célula sem recarregá-la. O eletróli-to pode incluir, ainda, LiPF6.
Outros aspectos, características e vantagens encontram-se na descrição, nos desenhos e nas reivindicações.
A figura 1 é uma vista em corte de uma célula eletroquímica não-
aquosa.A figura 2 é um gráfico mostrando a densidade de corrente ver-sus função do potencial.
A figura 3 é um gráfico mostrando a densidade de corrente ver-sus função da tensão. A figura 4 é um gráfico mostrando a densidade de corrente ver-
sus função da tensão.
A figura 5 é um gráfico mostrando a densidade de corrente ver-sus função do tempo.
A figura 6 é um gráfico mostrando o potencial de corrosão versus função da concentração de LiBF4.
Com referência à figura 1, uma célula eletroquímica 10 (como uma célula primária de lítio) inclui um ânodo 12 em contato elétrico com um condutor negativo 14, um cátodo 16 em contato elétrico com um condutor positivo 18, um separador 20 e uma solução eletrolítica. O ânodo 12, o cáto- do 16, o separador e a solução eletrolítica estão contidos no interior de uma carcaça 22. A solução eletrolítica inclui um sistema solvente e um sal que está ao menos parcialmente dissolvido no sistema solvente. A célula eletroquímica 10 inclui, ainda, uma tampa 24 e uma guarnição isolante anular 26, bem como uma válvula de segurança 28. 20 A solução eletrolítica, ou eletrólito, pode estar sob a forma de
líquido, sólido ou gel (por exemplo, polímero). O eletrólito pode conter um solvente orgânico como carbonato de propileno (PC), carbonato de etileno (EC), dimetoxietano (DME), carbonato de butileno (BC), dioxolano (DO), te-traidrofurano (THF), acetonitrila (CH3CN), gama-butirolactona, carbonato de dietila (DEC), carbonato de dimetila (DMC), carbonato de etil metila (EMC), sulfóxido de dimetila (DMSO), acetato de metila (MA), formiato de metila (MF), sulfolano, ou combinações desses itens. O eletrólito pode, alternativamente, conter um solvente inorgânico, como SO2 ou SOCI2.
O eletrólito pode, também, conter LiBF4 e um ou mais sais de lítio, como trifluorometanossulfonato de lítio (LiTFS), trifluorometanossulfoni-lamida de lítio (LiTFSI) e LiPF6. Por exemplo, o eletrólito pode incluir uma mistura de LiTFS e LiBF4, uma mistura de LiTFS, LiTFSI e LiBF4, ou umamistura de LiTFS, LiPF6 e LiBF4. Sem se ater à teoria, acredita-se que o LiBF4 possa reduzir (por exemplo, inibir ou suprimir) a ocorrência de corrosão, como quando a célula 10 incluir um componente de alumínio (por e-xemplo, um coletor de corrente do cátodo em alumínio) ou um par de alumí-5 nio, através da passivação do componente ou par de alumínio por fluoração. Um par geralmente inclui ao menos duas superfícies de metal ou de liga de metais, que estão em contato elétrico uma com a outra. Por exemplo, o cátodo 16 pode incluir um coletor de corrente em alumínio que está em contato elétrico com o condutor positivo 18, o qual pode ser feito de aço. As duassuperfícies metálicas que estão em contato elétrico uma com a outra podem ter a mesma composição (por exemplo, ambas as superfícies podem ser feitas do mesmo metal ou liga de metais (por exemplo, ambas as superfícies são feitas de alumínio)), ou podem ter composições diferentes (por exemplo, as duas superfícies podem ser feitas de metais ou ligas de metais diferentes (por exemplo, uma superfície é feita de alumínio e a outra superfície é feita de uma liga de alumínio)). Uma superfície pode ter uma interface entre duas porções com a mesma composição. A interface pode ter uma composição diferente daquela das porções, por exemplo devido à molhagem e difusão.
Em modalidades nas quais o eletrólito inclui uma mistura de sal contendo LiTFS e LiPF6, a concentração total de sais na mistura de solvente^) pode situar-se na faixa de cerca de 0,2 M a cerca de 1,2 M. A concentração total de LiTFS e LiPF6 na mistura de solvente(s) pode ser igual a, ou maior que, cerca de 0,20 M, 0,25 M, 0,30 M, 0,35 M, 0,40 M, 0,45 M, 0,50 M, 0,55 M, 0,60 M, 0,65 M, 0,70 M, 0,75 M, 0,80 M, 0,85 M, 0,90 M, 0,95 M,1,00 M, 1,05 M, 1,10 M, ou 1,15 M; e/ou igual a ou menor que cerca de 1,2 M, 1,15 M, 1,10 M, 1,05 M, 1,00 M, 0,95 M, 0,90 M, 0,85 M, 0,80 M, 0,75 M, 0,70 M, 0,65 M, 0,60 M, 0,55 M, 0,50 M, 0,45 M, 0,40 M ou 0,35 M, 0,30 M ou 0,25 M. Da concentração total de sais de LiTFS e LiPF6, a concentração de LiTFS na mistura de solventes pode ser (em fração molar) de cerca de 5 % a cerca de 95 %. Por exemplo, the concentração de LiTFS na mistura de solventes pode ser (em fração molar) igual a ou maior que 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %,80 %, 85 % ou 90 %, e/ou igual a ou menor que 95 %, 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 %, 35 %, 30 %, 25 %, 20 %, 15 % ou 10 %. A concentração de LiPF6 na mistura de solventes pode ser igual a 100 % menos a concentração de LiTFS na mistura de solventes. Por e-5 xemplo, se a concentração total de sal na mistura de solventes for 0,5 M, e a concentração de LiTFS (em fração molar) na mistura de solventes for de 90 % (isto é, 0,45 M), então a concentração de LiPF6 na mistura de eletrólitos será de 10 % (isto é, 0,05 M).
Em modalidades nas quais o eletrólito inclui LiTFS, a concentra- ção do LiTFS pode situar-se na faixa de cerca de 0,2 M a cerca de 1,2 M.A concentração total de LiTFS na mistura de solvente(s) pode ser igual a, ou maior que, cerca de 0,20 M, 0,25 M, 0,30 M, 0,35 M, 0,40 M, 0,45 M, 0,50 M, 0,55 M, 0,60 M, 0,65 M, 0,70 M, 0,75 M, 0,80 M, 0,85 M, 0,90 M, 0,95 M, 1,00 M, 1,05 M, 1,10 M, ou 1,15 M; e/ou igual a ou menor que cerca de 1,2 M, 1,15 M, 1,10 M, 1,05 M, 1,00 M, 0,95 M, 0,90 M, 0,85 M, 0,80 M, 0,75 M, 0,70 M, 0,65 M, 0,60 M, 0,55 M, 0,50 M, 0,45 M, 0,40 M, 0,35 M, 0,30 M ou 0,25 M.
Em modalidades nas quais o eletrólito inclui uma mistura de sal contendo LiTFS e LiTFSI, a concentração total de sais na mistura de solven- te(s) pode situar-se na faixa de cerca de 0,2 M a cerca de 1,2 M. A concentração total de LiTFS e LiTFSI na mistura de solvente(s) pode ser igual a, ou maior que, cerca de 0,20 M, 0,25 M, 0,30 M, 0,35 M, 0,40 M, 0,45 M, 0,50 M, 0,55 M, 0,60 M, 0,65 M, 0,70 M, 0,75 M, 0,80 M, 0,85 M, 0,90 M, 0,95 M, 1,00 M, 1,05 M, 1,10 M, ou 1,15 M; e/ou igual a ou menor que cerca de 1,2 M, 1,15 M, 1,10 M, 1,05 M, 1,00 M, 0,95 M, 0,90 M, 0,85 M, 0,80 M, 0,75 M, 0,70 M, 0,65 M, 0,60 M, 0,55 M, 0,50 M, 0,45 M, 0,40 M, 0,35 M, 0,30 M ou 0,25 M. Da concentração total de sais de LiTFS e LiTFSI, a concentração de LiTFS na mistura de solventes pode ser (em fração molar) de cerca de 5 % a cerca de 95 %. Por exemplo, a concentração de LiTFS na mistura de solventes pode ser (em fração molar) igual a ou maior que cerca de cinco por cento, dez por cento, 15 por cento, 20 por cento, 25 por cento, 30 por cento, 35 por cento, 40 por cento, 45 por cento, 50 por cento, 55 por cento,60 por cento, 65 por cento, 70 por cento, 75 por cento, 80 por cento, 85 por cento ou 90 por cento; e/ou igual a ou menos que cerca de 95 por cento, 90 por cento, 85 por cento, 80 por cento, 75 por cento, 70 por cento, 65 por cento, 60 por cento, 55 por cento, 50 por cento, 45 por cento, 40 por cento, 35 por cento, 30 por cento, 25 por cento, 20 por cento, 15 por cento ou dez por cento. A concentração de LiTFSI na mistura de solventes pode ser igual a 100 % menos a concentração de LiTFS na mistura de solventes. Por exemplo, se a concentração total de sal na mistura de solventes for 0,5 M e a concentração de LiTFS (em fração molar) na mistura de solventes for de 90
% (isto é, 0,45 M), então a concentração de LiTFSI na mistura de eletrólitos será de 10 % (isto é, 0,05 M).
Conforme indicado anteriormente, além do sal (ou sais) de lítio acima, o eletrólito inclui, ainda, LiBF4. Em algumas modalidades, o eletrólito inclui de cerca de 300 ppm a cerca de 40.000 ppm (em relação ao eletrólito)
de LiBF4, além de outros sais de lítio. O eletrólito pode incluir uma quantidade igual a ou maior que cerca de 300 ppm, 500 ppm, 1.000 ppm, 1.500 ppm, 2.000 ppm, 2.500 ppm, 3.000 ppm, 3.500 ppm, 5.000 ppm, 10.000 ppm, 15.000 ppm, 20.000 ppm, 25.000 ppm, 30.000 ppm ou 35.000 ppm de LiBF4; e/ou menor que ou igual a cerca de 40.000 ppm, 35.000 ppm, 30.000 ppm,
25.000 ppm, 20.000 ppm, 15.000 ppm, 10.000 ppm, 5.000 ppm, 4.000 ppm, cerca de 3.500 ppm, cerca de 3.000 ppm, cerca de 2.500 ppm, 2.000 ppm, cerca de 1.500 ppm, cerca de 1.000 ppm ou cerca de 500 ppm de LiBF4.
De forma mais específica, em modalidades nas quais o eletrólito inclui LiTFS e LiBF4, a concentração de LiBF4 pode situar-se na faixa de cer-
ca de 300 ppm a cerca de 35.000 ppm. O eletrólito pode incluir uma quantidade igual a ou maior que cerca de 300 ppm, 500 ppm, 1.000 ppm, 1.500 ppm, 2.000 ppm, 2.500 ppm, 3.000 ppm, 3.500 ppm, 5.000 ppm, 10.000 ppm, 15.000 ppm, 20.000 ppm, 25.000 ppm, 30.000 ppm de LiBF4; e/ou menor que ou igual a cerca de 35.000 ppm, 30.000 ppm, 25.000 ppm, 20.000
ppm, 15.000 ppm, 10.000 ppm, 5.000 ppm, 4.000 ppm, cerca de 3.500 ppm, cerca de 3.000 ppm, cerca de 2.500 ppm, 2.000 ppm, cerca de 1.500 ppm, cerca de 1.000 ppm, ou cerca de 500 ppm de LiBF4.Em modalidades nas quais o eletrólito inclui LiTFS, LiTFSI e LiBF4, a concentração de LiBF4 pode situar-se na faixa de cerca de 300 ppm a cerca de 40.000 ppm. O eletrólito pode incluir uma quantidade igual a ou maior que cerca de 300 ppm, 500 ppm, 1.000 ppm, 1.500 ppm, 2.000 ppm, 5 2.500 ppm, 3.000 ppm, 3.500 ppm, 5.000 ppm, 10.000 ppm, 15.000 ppm, 20.000 ppm, 25.000 ppm, 30.000 ppm ou 35.000 ppm de LiBF4; e/ou menor que ou igual a cerca de 40.000 ppm, 35.000 ppm, 30.000 ppm, 25.000 ppm, 20.000 ppm, 15.000 ppm, 10.000 ppm, 5.000 ppm, 4.000 ppm, cerca de 3.500 ppm, cerca de 3.000 ppm, cerca de 2.500 ppm, 2.000 ppm, cerca de 1.500 ppm, cerca de 1.000 ppm ou cerca de 500 ppm de UBF4.
Em modalidades nas quais o eletrólito inclui LiTFS, LiPF6 e LiBF4, a concentração de LiBF4 pode situar-se na faixa de cerca de 300 ppm a cerca de 10.000 ppm. O eletrólito pode incluir uma quantidade igual a ou maior que cerca de 300 ppm, 500 ppm, 1.000 ppm, 1.500 ppm, 2,000 ppm,2.500 ppm, 3.000 ppm, 3.500 ppm, 5.000 ppm ou 10.000 ppm de LiBF4; e/ou menor que ou igual a cerca de 10.000 ppm, 5.000 ppm, 4.000 ppm, cerca de 3.500 ppm, cerca de 3.000 ppm, cerca de 2.500 ppm, 2.000 ppm, cerca de 1.500 ppm, cerca de 1.000 ppm, ou cerca de 500 ppm de LiBF4.
Em adição aos sais, o eletrólito inclui uma mistura de um ou mais solventes. Exemplos de misturas de solvente incluem DME e PC; EC, PC e DME; EC, BC e DME; e dioxolano. Em uma mistura de solventes tendo DME e PC, a concentração de DME na mistura de solventes pode situar-se na faixa de cerca de 30 % a cerca de 90 %, em peso. A concentração de DME na mistura de solventes pode ser igual a ou maior que cerca de 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 % ou 85 %, em peso, e/ou igual a ou menor que cerca de 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 % ou 35 %, em peso. A concentração de PC na mistura de solventes pode ser igual a 100 % menos a concentração de DME. Por exemplo, se a concentração de DME na mistura de solventes for de 75 %, em peso, então a concentração de PC na mistura de solventes será de 25 %, em peso. Se a concentração de DME na mistura de solventes for de 50 % a 75 %, em peso, então a concentração de PC na mistura desolventes será de 25 % a 50 %, em peso.
Em uma mistura de solventes incluindo EC, DME e PC, a concentração de EC na mistura de solventes pode ser de cerca de 5 % a cerca de 30 %, em peso. A concentração de EC na mistura de solventes pode ser igual a ou maior que 5 %, 10 %, 15 %, 20 % ou 25 %,'em peso, e/ou igual a ou menor que 30 %, 25 %, 20 %, 15 % ou 10 %, em peso. A concentração de DME na mistura de solventes pode situar-se na faixa de cerca de 30 % a cerca de 90 %, em peso. A concentração de DME na mistura de solventes pode ser igual a ou maior que 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 % ou 85 %, em peso, e/ou igual a ou menor que cerca de 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 %, 50 %, 45 %, 40 % ou 35 %, em peso. A concentração de PC na mistura de solventes pode ser igual a 100 % menos a concentração de EC e DME. Por exemplo, se a concentração de EC na mistura de solventes for de 15 %, em peso, e a concentração de DME na mistura de solventes for de 60 %, em peso, então a concentração de PC na mistura de solventes será de 25 %, em peso. Exemplos de uma mistura de solvente EC:DME:PC são 14:62:24 % e 10:75:15 %, em peso.
Uma mistura de solventes incluindo EC:BC:DME pode ter, geralmente, as mesmas concentrações acima descritas para EC:PC:DME, respectivamente.
O cátodo 16 inclui um material de cátodo ativo, o qual é geralmente aplicado como revestimento sobre o coletor de corrente do cátodo. O coletor de corrente pode incluir aço, como um aço inoxidável (por exemplo, um aço inoxidável série 200, 300 ou 400, ou aço rolado a frio), alumínio (por exemplo, sob a forma de um papel alumínio), uma liga incluindo alumínio, e titânio ou níquel. Em algumas modalidades, o coletor de corrente pode ser uma grade metálica. O coletor de corrente geralmente tem ao menos uma dimensão (por exemplo, o comprimento, a largura e/ou o diâmetro) que é maior que cerca de 0,2 milímetro (por exemplo, maior que cerca de 0,5 milímetro, maior que cerca de um milímetro, maior que cerca de 1,5 milímetros, maior que cerca de 2 milímetros). O material ativo pode ser, por exemplo,um oxido metálico, um haleto ou um calcogeneto sendo que, alternativamente, o material ativo pode ser enxofre, um polímero organossulfurado, ou um polímero condutor. Exemplos específicos incluem óxidos de manganês (como Mn02), óxidos de cobalto, óxidos de lítio com metal misturado (por e- xemplo, Co, Ni, Cr), espinélios de manganês, V205, CoF3, materiais à base de molibdênio como MoS2 e M0O3, FeS2, SOCI2, S e (C6H5N)n e (S3N2)n, onde n é ao menos dois. O material ativo pode, também, ser um monofluoreto de carbono. Um exemplo é o composto de fórmula CFX, em que x é de 0,5 a um, ou maior. O material ativo pode ser misturado a um material condutor, como carbono, e a um aglutinante como politetrafluoroetileno (PTFE) ou Kra-ton (disponível junto à Shell). Um exemplo de cátodo é um que inclui uma lâmina de alumínio revestida com Mn02. O cátodo pode ser preparado conforme descrito na Patente U.S. N° 4.279.972. Os materiais de cátodo específicos são uma função, por exemplo, do tipo de célula (como primária ou se- cundária).
Em algumas modalidades, o cátodo 16 contém uma pequena quantidade de água. Sem se ater à teoria, acredita-se que, na presença de água, o LiPF6 e o LiBF4 podem se hidrolisar para formar ácido florídrico, que tende a corroer rapidamente os componentes da célula 10. Mediante a redu- ção da quantidade de água no cátodo 16, a formação de ácido florídrico é reduzida, otimizando-se assim o desempenho da célula 10. Em algumas modalidades, o cátodo 16 inclui de cerca de 50 ppm a cerca de 2.000 ppm de água. Por exemplo, o cátodo 16 pode incluir uma quantidade menor que ou igual a cerca de 2.000 ppm, cerca de 1.500 ppm, cerca de 1.000 ppm,cerca de 500 ppm, ou cerca de 100 ppm de água; e/ou maior que ou igual a cerca de 50 ppm, cerca de 100 ppm, cerca de 500 ppm, cerca de 1,000 ppm, ou cerca de 1.500 ppm de água. Em comparação, determinados materiais de cátodo, como dióxido de manganês, podem conter até 2 %, em peso, de água. A quantidade de água no cátodo 16 pode ser controlada, por exemplo,apenas expondo o cátodo a ambientes secos, como uma caixa seca, e/ou mediante o aquecimento do material de cátodo (por exemplo, a cerca de 200°C, sob vácuo). O material de cátodo à base de oxido de manganês estádisponível, por exemplo, junto a Kerr McGee, a Delta ou a ChemMetals. Em algumas modalidades, o teor de água na célula 10 pode ser ligeiramente mais alto que o teor de água do cátodo 16, como quando o eletrólito contém uma pequena quantidade de água (por exemplo, um máximo de cerca de 50 • ppm).
Para uso na presente invenção, o teor de água do cátodo 16 é determinado experimentalmente mediante o uso de titulometria-padrão de Karl Fisher. Por exemplo, a detecção de umidade pode ser feita com o uso de um analisador de umidade Mitsubishi (como CA-05 ou CA-06) com uma unidade de pirolização (VA-05 ou VA-21) ajustada para 110°C a 115°C.
O ânodo 12 pode incluir um material de ânodo ativo, geralmente sob a forma de um metal álcali (por exemplo, lítio, sódio, potássio) ou um metal álcali-terroso (por exemplo, cálcio, magnésio). O ânodo pode incluir uma liga de um metal álcali (por exemplo, lítio) com um metal alcalino-terroso, ou uma liga de um metal alcalino com alumínio. O ânodo pode ser usado com ou sem um substrato. O ânodo pode, também, incluir um material de ânodo ativo e um aglutinante. Nesse caso um material de ânodo ativo pode incluir materiais à base de estanho, materiais à base de carbono, como carvão, grafite, um carbono acetilênico de mesofase, coque, um oxido metálico e/ou um oxido metálico litiado. O aglutinante pode ser, por exemplo, PT-FE. O material de ânodo ativo e o aglutinante podem ser misturados para formar uma pasta, a qual pode ser aplicada ao substrato do ânodo 12. Os materiais de ânodo específicos são uma função, por exemplo, do tipo de célula (como primária ou secundária).
O separador 20 pode ser formado a partir de qualquer dos materiais separadores-padrão utilizados em células eletroquímicas. Por exemplo, o separador 20 pode ser formado de polipropileno (por exemplo, polipropile-no não-tecido ou polipropileno microporoso), polietileno, uma polissulfona, ou combinações desses itens.
A carcaça 22 pode ser feita de metal (por exemplo, alumínio, liga de alumínio, níquel, aço niquelado) ou plástico (por exemplo, cloreto de poli-vinila, polipropileno, polissulfona, ABS ou uma poliamida).O condutor positivo 18 e/ou a tampa 24 podem ser feitos de, por exemplo, alumínio, níquel, titânio ou aço.
A célula eletroquímica 10 pode ser uma célula primária ou uma célula secundária. As células eletroquímicas primárias destinam-se a serem descarregadas, por exemplo, até a exaustão apenas uma vez e, então, descartadas. As células primárias não se destinam a ser recarregadas. As células primárias são descritas, por exemplo, em "Handbook of Batteries", de David Linden (McGraw-Hill, 2a. Edição, 1995). As células eletroquímicas secundárias podem ser recarregadas várias vezes, por exemplo mais de cinqüenta vezes, mais de cem vezes, ou mais. Em alguns casos, células secundárias podem incluir separadores relativamente robustos, como aquelas tendo várias camadas e/ou que são relativamente espessas. As células secundárias também podem ser projetadas de modo a acomodar alterações, como expansão, que podem ocorrer nas células. As células secundárias são descritas, por exemplo, em Falk & Salkind, "Alkaline Storage Batteries", John Wiley & Sons, Inc. 1969, na Patente U.S. N° 345.124, e na Patente Francesa N° 164.681, todos aqui incorporados a título de referência.
Para a montagem da célula, o separador 20 pode ser recortado em pedaços de tamanhos similares aos do ânodo 12 e do cátodo 16, e colocado entre os eletrodos conforme mostrado na figura 1. O ânodo 12, o cátodo 16 e o separador 20 são, então, colocados no interior da carcaça 22 que é, então, preenchida com a solução eletrolítica e lacrada. Uma extremidade da carcaça 22 é fechada por uma tampa 24 e uma guarnição isolante anular 26 que pode proporcionar uma vedação impermeável a gases e fluidos. O condutor positivo 18 conecta o cátodo 16 à tampa 24. A válvula de segurança 28 está disposta no lado interno da tampa 24, sendo configurada para diminuir a pressão no interior da célula eletroquímica 10 quando a dita pressão exceder um valor predeterminado. Métodos adicionais para a montagem da célula são descritos nas Patentes U.S. N° 4.279.972, 4.401.735 e 4.526.846.
Outras configurações da célula eletroquímica 10 também podem ser usadas, incluindo, por exemplo, a configuração de célula em formato demoeda ou células prismáticas. As células eletroquímicas podem ter diferentes tensões como, por exemplo, 1,5 V, 3,0 V ou 4,0 V.
A invenção é descrita com mais detalhes nos exemplos apresentados a seguir, os quais não limitam o escopo da invenção descrita nas reivindicações. Nos exemplos, as células foram montadas mediante o uso dos procedimentos descritos em U.S.S.N. 10/719.056, U.S.S.N. 10/719.025 e U.S.S.N. 10/719.014, todos depositados em 24 de novembro de 2003, e todos aqui incorporados por referência. Experimento com célula de vidro
Uma célula eletroquímica de vidro foi construída com um eletrodo de trabalho em Al, um eletrodo de referência em Li e dois eletrodos auxi-liares em Li. O eletrodo de trabalho foi fabricado a partir de uma haste de 99,999 % de alumínio inserida em uma luva de Teflon para criar uma área de eletrodo plana de 0,33 cm2. A camada nativa de oxido foi removida primeiramente através do polimento da superfície plana de trabalho com papel de oxido de alumínio de 3 um sob uma atmosfera de argônio, seguido por um completo enxágüe do eletrodo de alumínio com um eletrólito. Todos os experimentos foram realizados em uma caixa de luvas com umidade controlada (menor que 5 ppm) sob uma atmosfera de argônio Voltametria cíclica
As medições da corrente de corrosão foram feitas de acordo com um procedimento modificado descrito geralmente em X. Wang et al., Electrochemica Acta, vol. 45, páginas 2677 a 2684 (2000). O potencial de corrosão do alumínio foi determinado por voltametria cíclica contínua. Em cada ciclo, o potencial foi inicialmente ajustado para um potencial de circuito aberto, depois, anodicamente ajustado em +4,5 V e revertido para um potencial de circuito aberto. Foi selecionada uma taxa de variação de 50 mV/s, que é a taxa na qual se obteve uma boa reprodutibilidade do potencial de corrosão do alumínio. O potencial de corrosão do alumínio foi definido como o potencial no qual a densidade de corrente anódica atingiu 10'4 A/cm2 no primeiro ciclo. CronoamperometriaAs medições de corrente de corrosão foram feitas de acordo com o procedimento descrito em EP 0 852 072. O eletrodo de alumínio foi polarizado em vários potenciais versus um eletrodo de referência de Li, sendo registrada a corrente versus tempo. As medições de corrente versus tempo foram feitas durante um período de 30 minutos. A área sob a curva de corrente versus tempo foi usada como a medida da corrosão do alumínio. O experimento poderia, também, ser interrompido se a densidade de corrente atingisse 3 mA/cm2 antes que transcorresse o período de tempo de 30 minutos e sem que ocorresse qualquer supressão da corrosão. A supressão da corrosão ocorreu quando a densidade de corrente resultante foi observada em uma faixa de 10"6 A/cm2. Exemplo 1:
Corrosão do alumínio em LiTFS contendo eletrolito com adição de LiBF4.
Com referência à figura 2, os voltamogramas cíclicos tomados no eletrolito contendo LiTFS e DME:EC:PC indicaram alterações significativas no potencial de corrosão do eletrodo de alumínio. A adição de LiBF4 ao eletrolito alterou o potencial do alumínio na direção positiva, o que acredita-se indicar supressão da corrosão.
As curvas da figura 2 mostram os voltamogramas cíclicos do eletrodo de alumínio no eletrolito contendo diferentes concentrações de LiBF4 (de 0 a 3 por cento em p/p). A adição de 0,1 % de LiBF4 ao eletrolito alterou o potencial do alumínio em 127 mV na direção positiva (curva "b"); a adição de 0,5 % de LiBF4 ao eletrolito alterou o potencial em 228 mV (curva "c"); a adição de 1 % de LiBF4 ao eletrolito alterou o potencial em 284 mV (curva "d"); a adição de 2 % de LiBF4 ao eletrolito alterou o potencial em 380 mV (curva "e"); e a adição of 3 % de LiBF4 ao eletrolito alterou o potencial em 1580 mV (curva "f"). Acredita-se que estes resultados demonstrem que a adição de quantidades crescentes de LiBF4 ao eletrolito contendo sal de LiTFS e mistura de DME:EC:PC produza graus crescentes de proteção contra a corrosão do eletrodo de alumínio. A janela eletroquímica da estabilidade do alumínio pode ser aumentada em pelo menos +4,42 V (versus um eletrodo de referência de Li) mediante o aumento da concentração de LiBF4para 3 por cento, em p/p. Em uma concentração de LiBF4 de 3 %, acredita-se que a corrosão do alumínio seja suprimida de forma efetiva a 4,42 V. Exemplo 2:
Corrosão do alumínio em ÜTFS+ LiTFSI contendo eletrólito com a adição de LiBF4.
Com referência à figura 3, a curva "a" apresenta o potencial de corrosão de um eletrodo de alumínio submetido a um eletrólito contendo uma mistura de sais de LiTFS e LiTFSI, de DME:EC:PC, e sem LiBF4. A adição de 0,47 % de LiBF4 ao eletrólito alterou o potencial do alumínio em 283 mV na direção positiva (curva "b"); a adição de 0,9 % de LiBF4 ao eletrólito alterou o potencial em 336 mV (curva "c"); a adição de 1,97 % de LiBF4 ao eletrólito alterou o potencial em 408 mV (curva "d"); a adição de 2,55 % de LiBF4 ao eletrólito alterou o potencial em 480 mV (curva "e"); e a adição de 3,04 % de LiBF4 ao eletrólito alterou o potencial em 558 mV (curva "f"). A-credita-se que estes resultados demonstrem que a adição de quantidades crescentes de LiBF4 ao eletrólito contendo sal de LiTFS e uma mistura de DME:EC:PC produza graus crescentes de proteção contra a corrosão do eletrodo de alumínio. Exemplo 3:
Corrosão do alumínio em ÜTFS+ LiPFg contendo eletrólito com a adição de LiBF4.
Com referência à figura 4, a curva "a" apresenta o potencial de corrosão do alumínio submetido a um eletrólito contendo uma mistura de sais de LiTFS e LiPF6, DME:EC:PC, e sem LiBF4. A adição de 0,24 % de LiBF4 a este eletrólito alterou o potencial de corrosão do alumínio em 161 mV na direção positiva (curva "b"); a adição de 0,47 % de LiBF4 ao eletrólito alterou o potencial em 423 mV (curva "c"); e a adição de 0,9 % de LiBF4 ao eletrólito alterou o potencial em 1389 mV (curva "d"). Acredita-se que estes resultados demonstrem que a adição de quantidades crescentes de LiBF4 ao eletrólito contendo a mistura de sais de LiTFS, L\PFe e DME:EC:PC produza graus crescentes de proteção contra a corrosão do eletrodo de alumínio. A janela eletroquímica da estabilidade de alumínio po-de ser aumentada em pelo menos +4,27 V (versus a um eletrodo de referência de Li) mediante o aumento da concentração de LiBF4 para 0,9 por cento em p/p. Em uma concentração de LiBF4 de 0,9 %, acredita-se que a corrosão do alumínio seja efetivamente suprimida a 4,27 V.
Com referência à figura 5, uma curva mostra um cronoampero-grama do eletrodo de alumínio exposto ao eletrólito contendo LiTFS, LiPF6, DME:EC:PC com LiBF a 0,24 %4 adicionado. Conforme mostrado na figura 5, em uma concentração de LiBF4 de 0,24 %, acredita-se que a corrosão do alumínio em +3,6 V (em comparação com um eletrodo de referência de Li) seja efetivamente suprimida, e que a corrente de corrosão seja menor que 10"6 A/cm2 após 30 minutos de medição. Exemplo 4:
Potencial de corrosão do alumínio em diferentes eletrólitos com a adição de LiBF4.
Com referência à figura 6, as curvas A, B e C mostram o potencial de corrosão do eletrodo de alumínio submetido a eletrólitos de diferentes composições contendo concentrações diferentes de LiBF4. A curva A mostra o potencial de corrosão do alumínio submetido ao eletrólito contendo LiTFS e DME:EC:PC e diferentes concentrações de LiBF4. A adição de 0,318 M de LiBF4 a este eletrólito alterou o potencial de corrosão do alumínio em 1580 mV na direção positiva, e acredita-se que suprima de forma efetiva a corrosão do alumínio. A curva B mostra o potencial de corrosão do alumínio submetido a eletrólito contendo LiTFS + LiTFSI e DME:EC:PC e diferentes concentrações de LiBF4. A adição de 0,35 M de LiBF4 a este eletrólito alterou o potencial de corrosão do alumínio em 558 mV na direção positiva. A curva C mostra o potencial de corrosão do alumínio submetido a eletrólito contendo LiTFS + LiPF6 e DME:EC:PC e diferentes concentrações de LiBF4. A adição de 0,096 M de LiBF4 a este eletrólito alterou o potencial de corrosão do alumínio em 1389 mV na direção positiva. Necessita-se de uma concentração menor de LiBF4 para suprimir efetivamente a corrosão do alumínio contendo LiTFS+LiPF6 em relação aos eletrólitos contendo LiTFS e LiTFS+LiTFSI: 0,096 M versus 0,35 M. Acredita-se que esta diferença seja indicativa de umefeito sinérgico da combinação de sais de LiBF4 e LiPF6 para a supressão da corrosão do alumínio. Exemplo 6:
Desempenho de armazenamento
A Tabela 1 mostra o desempenho das células de teste após o armazenamento por 20 dias a 60°C. A Tabela 1 mostra os dados sobre desempenho de células de teste em um teste de "câmera digital" à temperatura ambiente.
O teste de câmera digital é usado para simular as condições de funcionamento na câmera digital. O teste inclui a etapa de submeter as células de teste a um certo número de pulsos de drenagem de energia constante, medindo-se a tensão. O teste foi realizado com um sistema de teste Ar-bin, disponível junto àArbin Co.
Dez células prismáticas carregadas com eletrólito (grau de bateria) fornecidas por Ferro Co. tendo 0,54 M de LiTFS, 0,36 M de LiPF6 e 0,9 por cento em p/p, de LiBF4 foram incluídas em um grupo experimental. Foram usados cátodos com coletores de corrente de alumínio para o grupo experimental. O teor de umidade dos cátodos desse grupo experimental estava na faixa de 400 a 600 ppm.
Dez células prismáticas carregadas com um eletrólito de "controle" (grau de bateria) fornecidas por Ferro Co. tendo 0,54 M de LiTFS, 0,36 M de LiTFSI e 0,25 por cento em p/p, de LiCI04 foram incluídas em um grupo de controle. Foram usados cátodos com coletores de corrente de alumínio para o grupo de controle. O teor de umidade dos cátodos desse grupo de controle estava na faixa de 400 a 600 ppm.
Após a montagem, as células prismáticas foram submetidas a um teste de armazenamento por 20 dias em um forno de emissão a 60°C.
Conforme mostrado na Tabela 1, as células preenchidas com 0,54 M de LiTFS, 0,36 M de LiPF6 e 0,9 por centro em p/p de eletrólito experimental de LiBF4 têm, após o armazenamento, um desempenho relativo às células carregadas de eletrólito de controle (0,54 M de LiTFS, 0,36 M de LiTFSI e 0,25 por cento em p/p de L1CIO4). O "Desempenho versus Controle"foi calculado como a razão porcentual entre os pulsos distribuídos do grupo experimental e do grupo de controle após o armazenamento.
<table>table see original document page 18</column></row><table>Todas as publicações, patentes e pedidos de patente mencionados neste pedido estão aqui incorporados, a título de referência, com a mesma abrangência como se cada publicação, patente ou pedido de patente individual estivesse específica e individualmente indicado como estando incorporado por referência.
Claims (29)
1. Célula eletroquímica, compreendendo um cátodo, um ânodo e um eletrólito que compreende um primeiro sal de lítio e LiBF4.
2. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro sal de lítio compreende trifluorometanossulfonato de lítio.
3. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o eletrólito compreende, ainda, um segundo sal de lítio.
4. Célula, de acordo com a reivindicação 3, em que o segundo sal de lítio é selecionado do grupo que consiste em LiPF6 e trifluorometanos-sulfonilamida de lítio.
5. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o eletrólito compreende de cerca de 300 ppm a cerca de 40.000 ppm de LiBF4.
6. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro sal de lítio compreende trifluorometanossulfonato de lítio, e o eletrólito compreende de cerca de 300 a cerca de 35.000 ppm de LiBF4.
7. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro sal de lítio compreende trifluorometanossulfonato de lítio, o eletrólito compreende, ainda, LiPF6, e o eletrólito compreende de cerca de 300 ppm a cerca de 10.000 ppm de LiBF4.
8. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o primeiro sal de lítio compreende trifluorometanossulfonato de lítio, o eletrólito compreende, ainda, trifluorometanossulfonilamida de lítio, e o eletrólito compreende de cerca de 300 ppm a cerca de 40.000 ppm de LiBF4.
9. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o cátodo compreende oxido de manganês.
10. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o ânodo compreende lítio.
11. Célula, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo, ainda, uma superfície de alumínio ou um par de alumínio.
12. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o eletrólito compreende, ainda, um material selecionado do grupo consistindo em carbonato de etileno, carbonato de propileno, dimetoxietano e carbonato de bu-tileno.
13. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o eletrólito compreende, ainda, carbonato de propileno e dimetoxietano.
14. Célula, de acordo com a reivindicação 13, em que o eletrólito compreende, ainda, carbonato de etileno.
15. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o eletrólito compreende, ainda, carbonato de etileno, carbonato de butileno e dimetoxietano.
16. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que o eletrólito compreende dioxolano.
17. Célula, de acordo com a reivindicação 1, em que a célula é uma célula primária.
18. Célula eletroquímica, compreendendo:um cátodo que compreende oxido de manganês; um ânodo que compreende lítio;uma superfície de alumínio ou um par de alumínio; eum eletrólito que compreende trifluorometanossulfonato de lítio eLiBF4.
19. Célula, de acordo com a reivindicação 18, em que o eletrólito compreende de cerca de 300 ppm a cerca de 35.000 ppm de LiBF4.
20. Célula, de acordo com a reivindicação 18, em que o eletrólito compreende, ainda, um terceiro sal de lítio selecionado do grupo que consiste em LiPF6 e trifluorometanossulfonilamida de lítio.
21. Célula, de acordo com a reivindicação 20, em que o eletrólito compreende de cerca de 300 ppm a cerca de 35.000 ppm de LiBF4.
22. Célula, de acordo com a reivindicação 18, em que o eletrólito compreende, ainda, um material selecionado do grupo consistindo em carbonato de etileno, carbonato de propileno, dimetoxietano, carbonato de butileno e dioxolano.
23. Célula, de acordo com a reivindicação 18, em que o eletrólitocompreende, ainda, carbonato de propileno e dimetoxietano.
24. Célula, de acordo com a reivindicação 23, em que o eletrólitocompreende, ainda, carbonato de etileno.
25. Célula, de acordo com a reivindicação 21, em que o eletrólito compreende, ainda, carbonato de etileno, carbonato de butileno e dimetoxie-tano.
26. Célula, de acordo com a reivindicação 21, em que o eletrólitocompreende dioxolano.
27. Célula, de acordo com a reivindicação 21, em que a célula é uma célula primária.
28. Método, compreendendo: descarregar uma célula eletroquímica que compreendeum cátodo que compreende oxido de manganês; um ânodo compreendendo lítio; eum eletrólito que compreende trifluorometanossulfonato de lítio eLiBF4; 15 edescartar a dita célula sem recarregá-la.
29. Método, de acordo com a reivindicação 28, em que o eletrólito compreende, ainda, LiPF6.
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