BRPI0918029B1 - Acumulador de lítio, e, método para produzir acumulador de lítio - Google Patents

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Abstract

"acumulador de lítio, e, método para produzir acumulador de lítio" um acumulador de lítio incluindo pelo menos dois eletrodos tridimensionais separados por um separador e encerrado com um eletrólito, compreendendo uma solução não aquosa de um sal de lítio em um solvente polar orgânico, em um corpo acumulador em que os dois eletrodos têm uma espessura mínima de 0,5 mm cada, dos quais pelo menos um eletrodo compreende uma mistura homogênea comprimida de um componente condutor de elétrons e um material ativo, capaz de absorver e extrair lítio na presença de eletrólito, em que a porosidade dos eletrodos prensados é de 25 a 90 %, o material ativo tem morfologia de esferas ocas com uma espessura de parede de no máximo 1 o micrômetros, ou morfologia de agregados ou aglomerados de no máximo 30 micrômetros de tamanho, enquanto que o separador consiste de um material cerâmico eletricamente isolante altamente poroso com poros abertos e porosidade de 30 a 95 %.

Description

“ACUMULADOR DE LÍTIO, E, MÉTODO PARA PRODUZIR ACUMULADOR DE LÍTIO”
Campo da invenção
A invenção se refere a um acumulador de lítio incluindo pelo menos dois eletrodos tridimensionais separados por um separador e encerrados com um eletrólito, compreendendo uma solução não aquosa de um sal de lítio em um solvente polar orgânico, em um corpo acumulador. Além disso, a invenção se refere a um método de produção de acumulador de lítio com um tipo específico de eletrodos tridimensionais.
Fundamentos da Invenção
As células de lítio têm sido intensivamente desenvolvidas durante as últimas duas décadas permitindo assim a existência de muitos dispositivos portáteis. No entanto, as crescentes demandas por maior capacidade e segurança de baterias de lítio nem sempre se cumprem. Isso retarda o progresso de muitas aplicações, incluindo a substituição de acumuladores de ácido e chumbo com acumuladores de lítio que possuem voltagem mais elevada, ou o desenvolvimento de grandes baterias para mobiles eletrônicos e armazenamento de energia.
As tecnologias da técnica anterior que utilizam a grafita como um material ativo para o eletrodo negativo não são capazes de garantir a segurança de uma bateria com o peso excedente de 0,5 a 1 kg. Os esforços para aumentar o tamanho deste tipo de acumuladores enfrentam muitos problemas tais como o superaquecimento da camada intermediária sobre a grafita, o intumescimento, o desenvolvimento de lítio metálico sobre a superfície da grafita e um risco de explosão ou incêndio. Estes problemas de segurança empurrar os acumuladores de lítio grandes para além dos limites de aceitabilidade.
As tecnologias que substituem a grafite com um material diferente, por exemplo, espinélio de titanato de lítio LÍ4TÍ5O12 (LTS), fortemente melhoram os parâmetros de segurança das baterias de lítio, mas por outro lado, elas significativamente diminuem a voltagem da célula.
As baterias de lítio fabricadas nesta base alcançam as exigências de segurança para uso em mobiles eletrônicos, mas os parâmetros de peso de tais baterias não permitem a sua fácil utilização em veículos de pequeno porte.
Todos os acumuladores de lítio recarregáveis fabricados hoje em dia são baseados em eletrodos planos, onde uma mistura de um material ativo, carbono condutor e agente aglutinante orgânico é laminada em uma camada fina sobre uma lâmina condutora, geralmente de alumínio ou de cobre (coletor de corrente). A espessura destes eletrodos planares geralmente não excede a 200 micrômetros. Os eletrodos positivos e negativos são empilhados entre si separados por uma camada fina de um material eletricamente isolante, geralmente uma lâmina perfurada feita de um polímero orgânico - separador. Os eletrodos de película fina empilhados isolados pelos separadores são depois prensados entre si, colocados no pacote do acumulador e do espaço dentro do acumulador é preenchido com um eletrólito. Uma solução não aquosa de sais de lítio é usada como um eletrólito. Em conexão com tais dispositivos com base nos eletrodos planares, é mais importante prevenir o desenvolvimento do metal de lítio durante o processo de carregamento e descarregamento, por exemplo, quando o carregamento ou descarregamento for muito rápido. O metal de lítio se desenvolve sobre os eletrodos na forma de dendrites, que crescem de forma excessiva através do separador e causam uma escassez elétrica entre ambos os eletrodos. Qualquer uso de lítio metálico como um eletrodo negativo no acumulador de configuração plana de película fina é impossível pela mesma razão.
Um tipo de célula com eletrodos planares de película fina é descrito com detalhes na Patente US ns 6.127.450. A despeito de sua capacidade volumétrica aumentada, este tipo é afetado pelas propriedades inerentes de eletrodos planares como descrito acima.
Uma das possíveis composições de uma bateria de lítio com uma configuração de eletrodo planar de película fina é descrita no pedido de patente US 2007/0092798. Os nano-materiais ativos são utilizados como um componente dos eletrodos. A célula de bateria disposta na configuração planar mostra uma capacidade volumétrica relativa baixa, que é anida limitada pelo tipo de material do cátodo.
Outro pedido de patente US 2007/0134554 ensina um condutor de elétrons de carbono depositado sobre as partículas sólidas de um material ativo específico. O carbono que melhora a condutividade do material ativo deve ser formado diretamente na superfície do material ativo usando um processo bastante complicado de pirólise.
A EP 12441S8A divulga a formação de camadas finas de uma célula eletroquímica mediante o revestimento de um substrato adequado com uma pasta que compreendendo o material ativo, aglutinantes orgânicos e carbono condutor sem aplicação de um processo de sinterização. O cálculo de um exemplo modelo 8, onde um separador com 50 a 90 % de porosidade é utilizado, mostra um gradiente da voltagem do eletrodo com o potencial elétrico caindo acentuadamente com o aumento da espessura do eletrodo. Baseado neste fato, deve ficar entendido que a rede divulgada não pode ser utilizada para a formação de eletrodos de maior espessura, por exemplo, que excede a 0,5 mm.
Sumário da invenção
E um objetivo principal da invenção fornecer um acumulador de lítio com capacidade e espessura ampliadas de armazenamento de energia dos componentes individuais do acumulador, que podem operar em uma ampla faixa de potencial elétrico.
Outro objetivo da invenção é atingir a voltagem mais elevada do acumulador e um considerável aumento da densidade de energia.
Ainda outro objetivo da invenção é fornecer um acumulador que pode ser usado não apenas para baterias em forma de botão com alta capacidade e sistemas mecânicos micro-elétricos, mas também como um acumulador de densidade de energia elevada para a indústria automóvel, armazenamento de energia, etc.
Outro objetivo da invenção é fornecer um processo de fabricação de acumuladores simples e de baixo custo.
Os objetivos da presente invenção podem ser alcançados e as deficiências descritas superadas por um acumulador de lítio incluindo pelo menos dois eletrodos tridimensionais separados por um separador e encerrados juntamente com um eletrólito, compreendendo uma solução não aquosa de um sal de lítio em uma solvente polar orgânico, em um corpo acumulador, caracterizado pelo fato de que os dois eletrodos possuem uma espessura mínima de 0,5 mm cada um, dos quais pelo menos um eletrodo compreende uma mistura homogênea comprimida de um componente condutor de elétrons e um material ativo, capaz de absorver e extrair o lítio na presença de eletrólito, em que a porosidade dos eletrodos prensados é de 25 a 90 %, o material ativo possui a morfologia de esferas ocas com uma espessura de parede de no máxima 10 micrômetros, ou a morfologia de agregados ou aglomerados de no máximo 30 micrômetros de tamanho, enquanto que o separador consiste de um material cerâmico eletricamente isolante altamente poroso com poros abertos e porosidade de 30 a 95 %.
A seguir outras modalidades vantajosas da invenção incluindo modificações, detalhes específicos e o método de produção do acumulador de lítio são descritos.
O componente condutor de elétrons, o material ativo e o separador são materiais inorgânicos livres de aglutinantes orgânicos. Este aspecto da invenção baseia-se em um novo conhecimento descoberto no decurso de criar essa invenção de que qualquer presença de aglutinantes orgânicos em ditos componentes antagonistas, afeta a difusão dos íons de lítio dentro de camadas de espessura excedente a vários micrômetros. A fabricação vantajosa mediante pressão cria acumuladores que não requerem quaisquer aglutinantes orgânicos de qualquer tipo e que são resistentes a vibração.
O componente condutor de elétrons pode ser selecionado de um grupo constituído de um carbono condutor e suas modificações, metais condutores e óxidos eletricamente condutores.
Geralmente, mas sem limitações, o material ativo pode ser selecionado do grupo consistindo de óxidos misturados ou fosfatos de lítio, manganês, cromo, vanádio, titânio, cobalto, alumínio, níquel, ferro, lantânio, nióbio, boro, cério, tântalo, estanho, magnésio, ítrio e zircônio.
Em um eletrodo de película fina, as partículas do material ativo possuem, dentro do escopo de sua capacidade utilizável, a capacidade de absorver e extrair completamente os íons de lítio no intervalo de tempo de até 20 minutos.
O material ativo preferivelmente consiste de nanopartículas de espinélios dopados e não dopados de óxido de lítio manganês ou óxido de lítio titânio classificado por tamanho de até 250 nm.
O eletrodo positivo compreende de 40 a 85 % em peso do material ativo e opcionalmente um coletor de corrente na forma de lâmina ampliada expandida, grade, rede, fios, fibras ou pó.
O coletor de corrente é selecionado de um grupo consistindo de alumínio, cobre, prata, titânio, silício, platina, carbono ou um material estável dentro da janela de voltagem da célula particular.
O eletrodo consiste de uma mistura homogênea comprimida de um material ativo, componente condutor de elétrons e um coletor de corrente.
O separador é uma camada de massa ou uma chapa de um pó altamente porosa de um material cerâmico, vantajosamente com base em AI2O3 ou ZrO2.
Preferivelmente, o separador pode ter uma morfologia não direcional de um produto pirolisado ou vidro não tecido ou fibras cerâmicas com um tipo aberto de porosidade, e pode ser produzido mediante a compressão do pó de um produto pirolisado ou fibras não tecidas de cerâmica em uma camada de massa. A espessura do separador está variando de 0,1 mm a 10 mm e o separador pode ser criado mediante a compressão do pó diretamente sobre o eletrodo, ou pode ser separadamente prensado em uma chapa, freqüentemente um tablete, opcionalmente tratado de forma térmica, e em seguida colocado no eletrodo.
Ambas as morfologias do separador totalmente inorgânico, juntamente com a sua espessura, que é muitas vezes mais elevada em comparação com os separadores da técnica anterior, permitem a utilização do metal de lítio como um eletrodo negativo. Isso amplia a voltagem e a capacidade de armazenamento de energia do acumulador de lítio até as possibilidades teóricas.
O eletrodo negativo de preferência consiste de metal de lítio, que pode estar na forma de uma chapa de lítio ou uma lâmina, ou uma combinação de uma chapa de lítio comprimido ou lâmina e dendritos, ou preferivelmente dendritos de lítio como tais. A forma dendrítica do lítio pode ser constituída “in situ” a partir da lâmina ou chapa de lítio mediante a ciclagem do acumulador de lítio. Além disso, o tamanho dos dendritos e sua superfície podem ser modificados pela adição de outro composto, por exemplo, carbono condutivo, ou pela composição de eletrólito, ou pela mistura de certas substâncias no eletrólito, por exemplo, fosfatos estáveis.
O uso de lítio metálico, vantajosamente em sua forma dendrítica, reduz fortemente o peso e o tamanho do acumulador de lítio e nas modalidades aqui descritas, esta forma simultaneamente aumenta a segurança do acumulador em comparação com aqueles contendo grafita. Para este efeito, a combinação de dendritos de metal de lítio com o separador orgânico livre acima descrito é usada. O separador impede os dendritos de lítio de penetrar através dele, desse modo os dendritos podem ser usados como um eletrodo negativo. Além disso, dita combinação fornece uma alta segurança do acumulador em caso de curto-circuito.
O sal de lítio eletrólito é de preferência selecionado do grupo consistindo de LiPF6, LiPF4(CF3)2, LiPF4(CF4SO2)2, LiPF4(C2F5)2, LiPF4(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2, LiN(C2F5SO2)2, LiCF3SO3, LiC(CF3SO2)3, LiBF4, LiBF2(CF3)2, LiBF2(C2F5)2, LiBF2(CF3SO2)2, LiBF2(C2F5SO2)2 e LiCIO4. O eletrólito pode ainda conter agentes de modificação que melhora as funções do acumulador em altas temperaturas e/ou remove os produtos de decomposição e/ou protege o acumulador de sobrecargas e/ou substâncias que controlam o tamanho dos dendritos lítio metálico.
De acordo com uma modalidade da invenção, o acumulador de lítio compreende um corpo oco tendo uma parte superior aberta e uma parte inferior para formar um primeiro pólo do acumulador, um primeiro eletrodo situado na parte inferior do corpo e estando em contato elétrico com uma superfície interna do corpo, um segundo eletrodo na parte superior separado da superfície interna do corpo por um inserto de isolamento, um separador colocado entre o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo, uma tampa que fecha a parte superior aberta e estando em contato elétrico com o segundo eletrodo para formar um segundo pólo do acumulador, uma cobertura de vedação para isolar a tampa do corpo.
De acordo com outra modalidade, o acumulador de lítio compreende um corpo superior e um corpo inferior unidos entre si tanto definindo um espaço de acumulador interno quanto conectado ao primeiro pólo do acumulador, um primeiro eletrodo pressionado no espaço interno dos corpos para formar uma cavidade central por dentro e estando em contato elétrico com os corpos, um segundo eletrodo localizado no interior da cavidade central, o segundo pólo do acumulador estando em contato elétrico com o segundo eletrodo e se ampliando fora do corpo do acumulador e os separadores dividindo o primeiro eletrodo do segundo eletrodo.
De acordo com mais outra modalidade, o acumulador de lítio compreende um corpo superior que inclui o primeiro pólo do acumulador e um corpo que inclui o segundo pólo do acumulador, ambos os corpos montados em conjunto definindo um volume espacial do acumulador interno, um primeiro eletrodo localizado dentro do espaço interno do corpo superior, um segundo eletrodo localizado dentro do espaço interno do corpo inferior, um separador que divide o primeiro eletrodo do segundo eletrodo e uma vedação disposta entre o corpo superior e o corpo inferior para o isolamento elétrico do primeiro pólo do acumulador do segundo pólo do acumulador.
De acordo com mais outra modalidade o acumulador de lítio inclui dois conjuntos de marginais e pelo menos um conjunto interno de cada um de ditos conjuntos compreendendo os primeiros eletrodos, os segundos eletrodos, separadores, coletores de corrente e os pólos do acumulador, compreendendo ainda: um corpo superior marginal oco tendo uma superfície externa fechada e uma superfície interna aberta para definir uma estrutura marginal para receber um primeiro eletrodo, um corpo inferior marginal oco tendo uma superfície externa fechada e uma superfície interna aberta para definir uma estrutura marginal para receber um primeiro eletrodo, estruturas internas para receber os primeiros eletrodos, estruturas internas para receber os segundos eletrodos, separadores dispostos entre os primeiros eletrodos e os segundos eletrodos adjacentes, coletores de corrente para fornecer o contato elétrico com os primeiros eletrodos e conectado ao primeiro pólo do acumulador, coletores de corrente para fornecer o contato elétrico com os segundos eletrodos e conectado ao segundo pólo do acumulador, pelo menos um conjunto interno da mesma configuração como os conjuntos marginais em que os corpos marginais são substituídos pelas estruturas internas.
De acordo com um método de produção do acumulador de lítio, pelo menos uma chapa de massa de um primeiro eletrodo, um separador e pelo menos uma chapa de um segundo eletrodo são empilhados por pressão um sobre o outro, o corpo do acumulador é preenchido com um eletrólito, fechado completamente e os coletores de corrente do mesmo tipo de eletrodos são conectados.
Altemativamente, as chapas individuais podem ser gradualmente prensadas uma sobre a outra mediante um impacto.
Em uma outra alternativa, as chapas comprimidas de pelo menos um eletrodo, um separador, e pelo menos um outro segundo eletrodo são altemativamente empilhadas em cima uma da outra, o corpo de acumulador é preenchido com o eletrólito, fechado completamente e os coletores de corrente do mesmo tipo de eletrodos são conectados.
Quanto à composição química, é possível utilizar apenas matérias ativo com uma eletro difusão de íon de lítio rápida para este tipo de células de lítio (absorção e extração de lítio muito rápida). O ideal são as estruturas de espinélio, que podem absorver e extrair o lítio de forma rápida em todas as orientações cristalinas. E possível utilizar convenientemente espinélios dopados ou não dopados de óxido de lítio manganês, LiMn2O4 (LMS), LiMni>5O4 (LNMS) ou óxido de lítio titânio Li4Ti5Oi2 (LTS).
A morfologia dos materiais ativos na forma de pó, capaz de absorver e extrair lítio de forma rápida, desempenha um papel importante e deve atender os vários parâmetros básicos. O tamanho ideal de partícula de materiais ativos pode variar, mas deve cumprir a capacidade de completar a carga e descarga (absorção e extração de íons de lítio) das partículas dentro de 20 minutos. O ideal são as partículas dos materiais ativos, que podem ser completamente carregadas e descarregadas em menos do que 1 minuto, preferivelmente em vários segundos. Vantajosamente, os cristais de tamanho nano das estruturas de espinélio podem ser utilizados. O óxido de lítio titânio com a estrutura espinélio e tamanho de partícula de 200 a 250 nm pode ser carregado ou descarregado durante 30 minutos, mas o mesmo material com o tamanho de partícula de 30 a 50 nm pode ser carregado ou descarregado no período de tempo de até 30 segundos. O espinélio de óxido de lítio manganês com o tamanho de partícula de 150 nm pode ser carregado ou descarregado em 1 minuto.
No caso ideal, os materiais ativos nano-cristalinos possuem morfologia de esferas ocas com a espessura de parede de até 10 micrômetros, preferivelmente de 1 a 3 micrômetros. Esta morfologia pode ser convenientemente preparada pela secagem por pulverização das suspensões de material ativo. O diâmetro destas esferas ocas é preferivelmente de 1 a 50 micrômetros.
Quando se usa agregados ou aglomerados compactos do material ativo, que são produzidos, por exemplo, pela trituração de um material seco, o tamanho destas formações deve ser menor do que 30 micrômetros, e favoravelmente menor do que 5 micrômetros.
A espessura e capacidade dos eletrodos individuais do acumulador de lítio de acordo com a invenção é pelo menos 5 vezes, e comumente duas ordens de grandeza maior do que a espessura dos eletrodos utilizados nas células de lítio com a configuração planar de película fina. Conseqüentemente, o acumulador de lítio de acordo com a invenção permite alcançar a voltagem de até 5 vezes mais elevada do que o acumulador de chumbo, enquanto mantém a mesma capacidade e tamanho.
O corpo do acumulador de metal da construção divulgada permite o fácil esfriamento e aquecimento do acumulador. Se um eletrodo de lítio negativo for usado em lugar do eletrodo de grafita comumente usado, é possível carregar o acumulador mais rápido com uma maior diferença de potencial elétrico. O acumulador de lítio de acordo com a invenção pode ser carregado e descarregado no intervalo de tempo de 1 a 24 horas, enquanto que 50 % da capacidade da célula podem ser tipicamente descarregados em menos de 2 horas. É possível carregar e descarregar o acumulador de lítio 100 vezes e mais, enquanto se preserva 80 % da sua capacidade. O uso do lítio metálico na forma de dendritos aumenta significativamente a densidade de corrente em comparação com uma lâmina de lítio compacta.
No processo de fabricação, o material ativo é homogeneamente misturado com o componente altamente condutor de elétrons, por exemplo, o carbono condutivo. A relação do material ativo para o carbono condutivo varia com as composições químicas individuais. A mistura geralmente contém de 40 a 85 % em peso do material ativo. Mais freqüentemente, o teor de carbono condutivo é de 25 a 40 % em peso. Esta mistura não contém quaisquer agentes de ligação orgânicos tais como o fluoreto de polivinilideno (PVDF) ou outros. A mistura obtida é comprimida em uma chapa de 0,5 a 50 mm de espessura. As chapas do separador e do segundo eletrodo são gradualmente prensadas sobre a chapa do primeiro eletrodo; o acumulador é preenchido com um eletrólito e fechado completamente. O separador a ser incorporado no acumulador pode ter uma estrutura inicial de um pó que pode ser prensada diretamente sobre o eletrodo ou pode ser um bloco compacto de um pó separadamente comprimido para obter um tablete em uma forma que se ajusta na respectiva forma do eletrodo, e pode ser ainda submetido a um tratamento térmico. A espessura do separador está variando de várias dezenas de micrômetros até vários milímetros.
Se grandes blocos de eletrodos com maior capacidade forem fabricados, é possível adicionar um coletor de corrente na mistura do componente condutor de elétrons e do material ativo, por exemplo, fio, serragem de metal, fibras, grade, ou rede, a fim de transportar as correntes elevadas, e pressioná-los entre si em um bloco compacto do eletrodo no modo que o coletor de corrente seja conectado ao pólo do eletrodo. O pólo do eletrodo, eletricamente conectado a um fio periférico, é geralmente a caixa de eletrodos, produzida de alumínio ou outro material condutor. Alumínio, cobre, prata, titânio, ouro, platina, silício ou outros metais condutores, que são estáveis na faixa de voltagem aplicável, podem ser usados como o material coletor de corrente. Também é possível utilizar fibras de carbono e nanotubos. A mistura é pressionada entre si, pertinentemente com um impacto em uma chapa ou bloco até vários centímetros de espessura. A porosidade de um eletrodo preparado desta maneira varia de 25 até 80 %, tipicamente de 30 a 50%.
Um acumulador de lítio de múltiplos eletrodos com uma alta capacidade de armazenamento de energia pode ser produzido vantajosamente pela pressão das chapas individuais de eletrodos e separadores repetidamente sobre a parte superior entre si e conexão dos pólos do mesmo tipo de eletrodo, isto é, mediante a repetição da configuração de um bloco tridimensional de eletrodo positivo separado por um separador de lítio ou um bloco tridimensional do eletrodo negativo e mediante a conexão elétrica dos respectivos eletrodos entre si.
A produção da célula de acumulador mediante a pressão dos componentes individuais de pós é simples e barata. Estes métodos também garantem uma excelente resistência contra a agitação e vibrações, as quais os acumuladores podem estar expostos durante a operação.
O acumulador de lítio de acordo com a invenção é designado para o uso como um acumulador de célula em forma de botão de alta capacidade ou para um acumulador de alta voltagem utilizado na indústria de automóvel ou como um meio de armazenamento de energia.
Breve Descrição dos Desenhos
A Fig. 1 é uma vista esquemática transversal de uma modalidade de um acumulador de lítio; - a Fig. 2a é uma vista esquemática da mistura de pó; - a Fig. 2b é uma micrografia de microscópio eletrônico de varredura que mostra a morfologia ideal de uma mistura de pó do material ativo e do carbono condutivo de um eletrodo tridimensional; - a Fig. 3 é um gráfico com voltamogramas mostrando os potenciais característicos dos materiais ativos Li4Ti5Oi2 (LTS), LiMn2O4 (LMS), um LiMni;5Ni0>5O4 (LMNS) contra lítio; - a Fig. 4 é um gráfico que mostra as características do ciclo de descarga do acumulador Li / LTS (1,5 V), na bias constante de 3 V; a Fig. 5 é um gráfico que mostra as características de corrente do acumulador de Li / LTS (1,5 V) durante as medições de carregamento e descarregamento, descrito no exemplo 2; - a Fig. 6 é um gráfico que mostra a característica de voltagem de acumulador de Li / LTS (1,5 V) durante as medições de carregamento e descarregamento, descrito no exemplo 2; - a Fig. 7 é um gráfico que mostra a característica de corrente do acumulador de LTS / LNMS (3 V) durante as medições de carregamento e descarregamento, descrito no exemplo 3; - a Fig. 8 mostra uma fotografia das nano-partículas deste material ativo LiMn2O4 (LMS), utilizado no exemplo 4, adquirida por um microscópio eletrônico; - a Fig. 9 é um gráfico que mostra as características de corrente do acumulador de Li / LMS (4,3 V) durante as medições de carregamento e descarregamento, descrito no exemplo 4; - a Fig. 10 é uma vista esquemática transversal de outra modalidade de um acumulador de lítio; - a Fig. 11a mostra as características de descarga de pulso e carga lenta de um acumulador descrito no exemplo 5; - a Fig. 11b mostra um detalhe das características de descarga de pulso durante os primeiros 30 segundos e mudança para a carga lenta; - a Fig. 12 mostra as características de carga e descarga de um acumulador descrito no exemplo 5, em diferentes bias aplicadas; - a Fig. 13 é uma vista transversal esquemática de mais outra modalidade de um acumulador de lítio; - a Fig. 14 mostra o tempo relacionado com as características de carga e descarga de um acumulador descrito no exemplo 6; - a Fig. 15 mostra um ciclo galvanostático de um acumulador descrito no exemplo 6; - a Fig. 16 mostra uma descarga de curtocircuito de um acumulador descrito no exemplo 6; - a Fig. 17 é uma vista em perspectiva explodida esquemática de uma montagem de acumulador de lítio que consiste de múltiplos eletrodos.
Descrição das modalidades preferidas
Referência é feita agora com detalhes às modalidades da presente invenção, os exemplos das quais são ilustrados nos desenhos que acompanham e nos exemplos específicos destas modalidades em que os números de referência semelhantes se referem aos elementos semelhantes em todas as partes. Os seguintes exemplos ilustram, mas não limitam a presente invenção. Deve ficar entendido que onde um termo tridimensional (3D) é utilizado em todo o relatório descritivo em relação aos eletrodos, este termo refere-se à espessura do eletrodo maior do que 0,5 mm.
Exemplo 1.
A Fig. 1 mostra uma das possíveis modalidades de um acumulador de lítio, com base nos eletrodos tridimensionais, consistindo de um corpo oco 6 com uma parte superior aberta e uma parte inferior. A parte inferior se encheu completamente com o material de um primeiro (eletrodo positivo) 1, enquanto na parte superior um segundo eletrodo 2 como um eletrodo negativo está localizado. Um separador 5 é colocado acima do primeiro eletrodo 1 para separá-lo do segundo eletrodo 2. O primeiro eletrodo 1 está em contato elétrico com o corpo 6 que é o pólo positivo do acumulador. O segundo eletrodo 2 é eletricamente separado do corpo 6 por uma carga isolante 8 produzida de coríndon. Na parte superior, espaço interno do corpo 6 é hermeticamente lacrado por uma tampa eletricamente condutora 7 produzida de cobre, e uma cobertura de vedação 9 produzida de plástico. A tampa 7 está em contato elétrico com o segundo eletrodo 2 e representa o pólo negativo do acumulador. Todo o espaço interno do corpo do acumulador 6 é preenchido com um eletrólito e hermeticamente fechado.
A seguir, a composição dos componentes individuais do acumulador, incluindo os métodos de sua preparação, é descrita em detalhes.
O desenho esquemático na Fig. 2a mostra uma mistura de pós do material ativo 4, isto é, nano-cristais de óxido de lítio titânio Li4Ti5Oi2 (nano-LTS), e um componente condutor eletrônico 3. A morfologia da mistura é mostrada por uma fotografia SFM na Fig. 2b. O material ativo foi preparado mediante a secagem de uma suspensão de cristais de nano-LTS em um secador de pulverização. O pó foi homogeneamente misturado com um componente condutor 3, isto é, carbono altamente condutivo, fabricado pela Timcal e distribuído sob um nome de produto Super P Li, em uma relação de 65 % em peso de cristais de nano-LTS a 35 % em peso do carbono condutivo. A mistura totalmente inorgânica, livre de quaisquer aglutinantes orgânicos, foi prensada no corpo 6 para formar um tablete do primeiro eletrodo 1. A espessura do primeiro eletrodo 1 (eletrodo LTS) foi de 4 mm e sua porosidade total de 40 %. O tamanho médio das partículas de material ativo foi de 50 nm e a capacidade das partículas em absorver e extrair íons de lítio em uma camada fina durante o período completo de carregamento e descarregamento foi inferior a 1 minuto. O separador 5 foi produzido de pó de coríndon altamente poroso, livre de qualquer aglutinante orgânico, mediante a pressão do pó diretamente sobre o eletrodo LTS. O separador comprimido era de 2 mm de espessura e sua porosidade era de 85 %. Em outro método, o separador da mesma composição foi aplicado na forma de um bloco separadamente comprimido, colocado sobre o eletrodo.
Uma chapa de metal de lítio puro, foi usada como o segundo eletrodo 2, prensado com a tampa de cobre 7 no separador 5 dentro do espaço eletricamente separado do corpo 6 por uma carga isolante de coríndon 8 e uma cobertura de vedação de plástico 9. Após o embebimento do acumulador com o eletrólito 1M LiPF6 em EC-DMC (carbonato de etileno-carbonato de dimetila) durante a noite, o acumulador foi hermeticamente fechado e submetido a ciclagem várias de modo que os dendritos de lítio possam ser formados ampliando a superfície ativa do eletrodo negativo 2. Após atingir a capacidade total do acumulador durante um ciclo de carregamento lento (litiação do material LTS ativo), o acumulador foi descarregado em uma bias aplicada de 1,5 V acima da tensão formal do acumulador (3 V contra Li / Li+). O voltamograma da combinação acima descrita é mostrado na Fig. 3 juntamente com os potenciais elétricos formais de dois outros materiais ativos utilizados nos seguintes exemplos.
O ciclo característico de descarga é mostrado na Fig. 4. A capacidade reversível deste acumulador era quase 100 mAh / cm . Gastou-se 7 horas para atingir a capacidade total. As correntes de carregamento foram melhorando durante a ciclagem, devido ao aumento da concentração de lítio no eletrólito dentro do eletrodo LTS positivo comprimido e devido à criação de dendritos de Li sobre o eletrodo de lítio negativo 2. O ciclo de descarga foi regularmente diminuído, quando aproximadamente 80 % da capacidade teórica do acumulador foi alcançado.
O acumulador pode ser completamente carregado e descarregado durante várias horas. Tipicamente, é possível repetidamente carregar e descarregar a capacidade completa do acumulador durante 3 a 24 horas. Na maioria das vezes, 50 % da capacidade é reprodutível e repetidamente carregada e descarregada dentro de duas horas e a ciclagem deste tipo de acumulador de lítio excede a 100 ciclos de carga e descarga. O eletrodo de lítio permite a utilização de bias superiores durante o carregamento em relação a um eletrodo de grafita.
Exemplo 2
Um acumulador de lítio da Fig. 1 foi composto de dendritos de lítio comprimidos como um eletrodo negativo, e um eletrodo positivo com espessura de 2,5 mm preparado mediante a pressão da mistura de material ativo LTS com um componente condutor de elétrons - carbono condutivo, descrito no exemplo 1. O separador era produzido de fibras inorgânicas de ZrO2 com a porosidade de 70 %. Foi menor do que um milímetro de espessura. O acumulador foi então submetido a ciclagem cinco vezes para atingir a capacidade total do ciclo de carregamento. A capacidade teórica do acumulador foi de 12 mAh. Posteriormente, as características de corrente e voltagem do acumulador foram medidas durante os ciclos seguintes. A Fig. 5 mostra as características correntes durante a carga e descarga controladas com a bias aplicada de 1 V acima e abaixo do potencial formal do acumulador de Li/LTS, que é de 1,5 V. O processo reversível em ambos as direções acabou praticamente depois de vinte mil de segundo (5,5 horas). A Fig. 6 mostra o curso estável de voltagem de ambos os ciclos até aproximadamente 80 % da capacidade teórica durante a carga e descarga galvanostática com a corrente constante de 2 mA.
Exemplo 3
O eletrodo negativo de um acumulador de lítio na Fig. 1 foi produzido mediante a pressão de uma mistura de 30 % em peso do carbono condutivo com 70% em peso do material ativo de Li4Ti5Oi2 (LTS) tendo a morfologia original de esferas ocas. O tamanho médio das partículas de LTS foi de 50 nm. O eletrodo positivo foi uma mistura comprimida de material ativo de LiMni>5Nio,5C>4 (LNMS) consistindo de aglomerados, menores do que 5 micrômetros com o tamanho médio das partículas primárias em tomo de 100 nm, e 30 % em peso do carbono condutivo. A mistura foi comprimida juntamente com um fio de alumínio como um coletor de corrente. O material ativo de LNMS foi utilizado com excesso de 30 % em peso criando uma eletrodo positivo com 4 mm de espessura. Ambos os eletrodos foram divididos por um separador com espessura de 0,5 mm feito de coríndon comprimido com a porosidade de 80 %. O acumulador foi suprido com o eletrólito 1MLíPF6 + EC-DMC. O potencial formal do acumulador foi de 3,1 V e foi testado na faixa de voltagem de 2,0 a 3,5 V. O gráfico na Fig. 7 ilustra a característica de corrente de um ciclo potenciostático com a voltagem de carga e descarga de 3,5 V e 2 V, respectivamente.
Exemplo 4
Na preparação do acumulador de lítio na Fig. 1, uma mistura de 70 % em peso do material ativo de LiMn2O4 (LMS) com a distribuição de tamanho dos agregados sob 30 micrômetros, mostrada na fotografia SEM na Fig. 8, e 30 % em peso de carbono altamente condutivo foi comprimida em um tablete do primeiro eletrodo 1. O eletrodo obtida 1 era de mais de 1 mm de espessura, sua porosidade total foi de 35 % e a capacidade foi de 7 mAh. O tablete separador produzido de coríndon poroso foi de 1,5 mm de espessura, com porosidade de 75 %. Ele foi prensado diretamente no primeiro eletrodo de LiMn2O4 positivo (LMS). A esponja de dendritos de metal de lítio comprimida sobre a superfície de uma chapa de metal de lítio foi usada como o segundo eletrodo (negativo) 2. A Fig. 9 mostra as características de corrente de carga e descarga reversíveis de 40 % da capacidade do acumulador de Li / LMS. Levou menos do que 3 horas para reversivelmente carregar e descarregar 40 % da capacidade em potenciais de 4,45 V e 3,9 V respectivamente.
O gráfico com voltamogramas na Fig. 3 mostra as voltagens das células obtidas com os materiais mencionados. E evidente a partir do gráfico que é possível criar uma célula com a voltagem média de 1,55 V a partir da combinação de elétrodos produzidos do lítio e Li4Ti50i2 (LTS). A comparação de lítio com (LMS), é possível criar uma célula com a voltagem ao redor de 4,2 V, enquanto que se o óxido de lítio manganês dopado com níquel LiMn^Nio^CL (LNMS) for utilizado, a voltagem formal do acumulador criado é de 4,7 V. Se dois compostos, LTS e LNMS forem combinados, é possível criar uma célula com a voltagem de 3,02 V (4,62 1,60 = 3,02).
Exemplo 5
A Fig. 10 mostra uma outra modalidade possível de um acumulador de lítio. O corpo do acumulador feito de alumínio consiste de duas seções ocas semelhantes: um corpo superior 6a e um corpo inferior 6b. Os corpos 6a e 6b são unidos entre si para formar um espaço oco hermeticamente vedado. Um primeiro eletrodo, como um eletrodo positivo, consiste de dois eletrodos positivos similares la, lb cada um disposto ao longo da superfície interna dos corpos 6a, 6b, de modo que o primeiro eletrodo disposto em uma constelação “sanduíche” define uma cavidade central, na qual um separador consistindo de duas placas 5a, 5b é localizado. As placas 5a, 5b são moldadas para formar uma câmara interna entre no meio, que é preenchida com um material de um segundo eletrodo (negativo) 2. O segundo eletrodo 2 é eletricamente isolado dos corpos 6a, 6b por um separador de 5.
Duas vedações VITON produzidas pela DuPont, com cargas de isolamento 8a e 8b, são colocadas entre os corpos do acumulador 6a e 6b hermeticamente fechando o acumulador. O primeiro pólo 11 como um pólo positivo do acumulador está conectado à superfície externa dos corpos 6a, 6b, enquanto que o segundo (negativo) pólo 22 produzido de fio de cobre fornecido com isolamento de Teflon se projeta dentro da câmara do segundo eletrodo 2, onde está em contato elétrico com o lítio, e sua outra extremidade se estende para fora dos corpos 6a, 6b.
Nos detalhes que seguem a preparação, a composição e a característica do acumulador mostrado na Fig. 10 e seus componentes são descritos. O material ativo de LiCoojMnygC^ (LCMS) com a superfície específica de 10 m /g e a morfologia de esfera oca, foi misturado com o carbono altamente condutivo (Super P Li fabricado pela Timcal) na relação de 60 % em peso a 40 % em peso. A mistura foi prensada nos corpos (6a, 6b), formando dois eletrodos positivos. A força de pressão foi de 25 kN. Um eletrodo positivo continha 0,4 g da mistura e o outro 0,35 g. Os eletrodos foram utilizados em conjunto na montagem de “sanduíche” que possui a capacidade total de 40 mAh. Os eletrodos positivos nos corpos de alumínio foram de 3 mm de espessura cada uma com área superficial de 0,64 cm2, que dá o total de 1,28 cm na constelação de “sanduíche”. Dois separadores de alumina altamente porosos 5a, 5b foram perfilados para criar uma câmara elevada de 1 mm de altura para o ânodo metálico de lítio - o segundo eletrodo
2. Eles foram preparados mediante a pressão de um pó de alumina em 25 kN e um tratamento térmico subseqüente a 1050 °C durante 2 horas. A espessura de cada placa separadora foi de cerca de 0,8 mm e porosidade maior do que 60 %. As placas separadoras perfiladas foram colocadas nos eletrodos positivos. O espaço entre elas foi preenchido por uma mistura de dendritos de lítio com 5 % em peso de carbono condutivo Super Li P disperso sobre uma lâmina de metal de Li de 0,3 mm.
Os filamentos descobertos individuais do fio foram prensados na lâmina de lítio e serviram como um coletor de corrente dentro do eletrodo negativo de metal Li. A outra extremidade do fio foi o pólo negativo 22 do acumulador. O pólo positivo do acumulador 11 foi uma braçadeira de alumínio que se conecta a ambos os corpos 6a, 6b dos eletrodos positivos. O acumulador seco foi preenchido com o eletrólito sal de lítio LiPF6 0,5 M em solventes EC/PC/DMC (carbonato de etileno-carbonato de propilenocarbonato de dimetila) na relação de 0,5/0,5/1.
O LCMS opera na janela ao redor de 4,2 V contra o lítio. A carga e a descarga completas do material ocorrem em menos do que três minutos, quando medidas como uma camada de 5 micrômetros em um substrato de vidro condutor. A capacidade específica do material particular foi determinada como 90 mAh/g. O acumulador foi continuamente carregado em 4,45 V durante 7000 segundos para atingir 60 % da capacidade teórica. Depois o acumulador foi exposto a pulsos de descarga de dez segundos nos potenciais controlados de 2 V, 3 V e 3,6 V. Após os pulsos de descarga de 10 segundos o acumulador foi lentamente carregado em 4,3 V durante 3000 segundos e o procedimento foi repetido dez vezes (Fig. 11a). Detalhes da descarga controlada pela etapa de pulsos são mostrados na Fig. 11b. Durante os 30 segundos de 0,85 a 0,95 % da capacidade do acumulador foi descarregado.
O comportamento do acumulador, especialmente os sinais de um curto-circuito, foram ainda observados nos potenciais de descarga de 2V, 3 V e 3,6 V e de carga de 4,15 V, 4,3 V e 4,45 V (Fig. 12). O acumulador foi desmontado e analisado após 70 ciclos. O separador não mostrou nenhum sinal de penetração dos dendritos de lítio sob a superfície. A lâmina de lítio parcialmente convertida em uma esponja de agregados preta densa consistindo de dendritos de Li. Os dendritos se sustentaram mecanicamente bem juntos.
Exemplo 6
A Fig. 13 mostra outra possível modalidade de um acumulador de lítio de única célula. Semelhante ao acumulador na Fig. 10, o corpo do acumulador, feito de alumínio, consiste de duas seções ocas análogas: um corpo superior 6a e um corpo inferior 6b. Ao contrário da modalidade anterior, o espaço oco do corpo superior 6a é preenchido com um material de um primeiro eletrodo 1 como um eletrodo positivo e o espaço oco do corpo inferior 6b é preenchido com um material de um segundo eletrodo 2 como um eletrodo negativo. Os corpos 6a e 6b são fornecidos com seus pólos correspondentes, isto é, o corpo superior com o primeiro pólo 11 como um pólo positivo e o corpo inferior 6b com o segundo pólo 22 como um pólo negativo. O primeiro eletrodo 1 e o segundo eletrodo 2 são mutuamente separados por um separador de 5 e o corpo superior 6a a partir do corpo inferior 6b por uma carga isolante 8.
A preparação, composição e características do acumulador e seus componentes mostrados na Fig. 13 são evidentes a partir da descrição que se segue.
O material ativo LiCo0,iMn] 9O4 (LCMS) com o potencial formal de 4,2 V contra o lítio, superfície específica de 10 m /g e a morfologia de esfera oca foi misturado com o carbono altamente condutivo (Super P Li fabricado pela Timcal) na relação de 60 para 40 % em peso. A mistura foi prensada no corpo superior de alumínio 6a, formando o eletrodo positivo. A força de pressão foi de 15 kN. O eletrodo positivo continha 0,736 g da mistura com a capacidade total de 39 mAh. O eletrodo positivo foi de 3 mm de espessura e sua área superficial foi de 1,33 cm2. O eletrodo negativo foi criado de maneira semelhante mediante a pressão de 0,4 g de uma mistura contendo 60 % em peso do material de titanato de lítio ativo Li4Ti5Oi2 (LTS) em uma forma micronizada e 40 % em peso do carbono altamente condutivo (Super P Li) no corpo inferior de alumínio 6b. A força de pressão de 15 kN foi aplicada. O eletrodo foi de 2 mm de espessura e sua área superficial foi de 1,33 cm . A capacidade específica teórica do titanato de lítio é 175 mAh/g e seu potencial formal contra o lítio 1,6 V. A capacidade do titanato de lítio no eletrodo negativo foi proporcional à capacidade de LCMS no eletrodo positivo. Os eletrodos separados por um separador 5 produzido de uma camada de massa de pó de alumina com 95 % de porosidade e prensada diretamente na eletrodos formaram o acumulador seco. A chapa do separador foi de poucas centenas de micrômetros de espessura. Os corpos de alumínio também serviram como os pólos positivos e negativos do acumulador. Eles foram isolados um do outro com uma carga isolante 8 - vedação de Teflon. O acumulador foi preenchido com o eletrólito consistindo de sais de lítio 0,9 M (CF3SO2)2NLi+0,l M LíBF3 dissolvidos em y-Butyrolacton (GBL) + carbonato de propileno (volume 0,9/0,1). Em seguida, o acumulador foi hermeticamente fechado.
A capacidade do acumulador foi de 39 mAh e a sua voltagem formal de 2,5 V. O acumulador foi carregado em 2,9 V e descarregado em 1,9
V em série de 10 ciclos. Os intervalos de tempo da carga/descarga foram 7000 e 15000 segundo e a capacidade alterada no intervalo curto foi consistentemente ao redor de 40 %. Um gráfico da terceira série de ciclagem é mostrado na Fig. 14 com os valores correspondentes organizados na seguinte Tabela 1.
Ciclo Capacidade (mAh) Capacidade %
2.9 v/70006 - cl 15,7 40 %
2.9 v/70006 - c2 -15,4 - 40 %
2.9 v/7000s - c3 15,7 40 %
1.9v/7000s - c4 -16,0 - 41 %
2.9v/15000s - c5 22,5 58%
1.9v/15000s - c6 -20,4 - 53 %
2.9 v/7000s - c7 15,3 39%
1.9v/7000s - cb -14,7 - 38 %
2.9 v/7000s - c~ 15,1 39%
1.9 v/7000s - clO -14,5 - 37 %
A Fig. 15 ilustra um ciclo de galvânico na faixa de potencial de 1,5 a 3 V. A carga e descarga de corrente constante +/- 4 mA demonstraram 30 % de troca da capacidade do acumulador em 3 horas. Finalmente, ambos os pólos do acumulador foram interligadas e correntes de curto-circuito foram medidas. A descarga prosseguiu em pulsos de um minuto, com períodos de relaxamento 1, 2 e 5 minutos como divulgado na Figura 16. Os parâmetros de voltagem na Fig. 16 que indexa o início e o fim dos ciclos de descarga indicam uma descarga plana e estável com uma pequena queda de voltagem e relaxamento rápido do acumulador. Trinta por cento da capacidade teórica do acumulador foram descarregados em 6 minutos.
Exemplo 7
Um exemplo de um acumulador de múltiplos eletrodos de acordo com a invenção é mostrado na Fig. 17. O acumulador é ilustrado em vista explodida, isto é, antes que os componentes individuais fossem prensados entre si para formar a forma final do acumulador. O acumulador foi montado a partir de três conjuntos dispostos em uma configuração de pilha entre um corpo superior 6a e um corpo inferior 6b. Cada conjunto compreende os dois primeiros eletrodos 1 a, 1 b, os dois segundos eletrodos 2a,
2b, e dois separadores 5a, 5b. O material do primeiro eletrodo 1B é prensado em uma câmara interior de um corpo inferior 6b e o material do outro primeiro eletrodo la em uma estrutura 10a. O material do segundo eletrodo 2b é prensado em uma estrutura 20b e o material do outro segundo eletrodo 2a entre uma estrutura 20. Os eletrodos lb e 2b são divididos por um separador 5b e os eletrodos la e 2a por um separador 5a. A lâmina de coletor de corrente 221 é disposta entre os segundos eletrodos 2a e 2b para formar um contato para um fio de um pólo negativo 22 e uma lâmina de corrente de coletor 111 disposta entre o outro primeiro eletrodo la e o próximo primeiro eletrodo do conjunto sobreposto para formar um contato para um fio de um pólo positivo 11.0 segundo conjunto possui uma configuração semelhante a um primeiro conjunto com a exceção de que corpo 6b é substituído por uma estrutura da mesma forma como a estrutura 10a e que o terceiro conjunto com o corpo superior 6a é uma imagem refletida do primeiro conjunto acima descrito. Os três conjuntos dispostos entre os corpos 6a, 6b foram preenchidos com um eletrólito e prensados para se ajustar firmemente entre si e hermeticamente fechar o acumulador. A espessura de cada eletrodo individual em condições comprimidas foi determinada pela espessura da estrutura e tamanho das câmaras nos corpos, os quais foram todos de 3 mm. As lâminas e os separadores foram de 30 micrômetros de espessura cada. Considerando que a área superficial do foi de 5 cm , o volume dentro do acumulador foi de aproximadamente 18 cm3. É óbvio que o número de conjuntos empilhados um sobre o outro não é limitado e pode ser designado de acordo com a capacidade desejada do acumulador. Qualquer combinação de materiais de eletrodo descritos nos exemplos precedentes ou materiais descritos na descrição desta invenção, pode ser usada para o acumulador de acordo com este exemplo.
Aplicabilidade industrial
A construção tridimensional da célula de acumulador de lítio repetidamente carregável em combinação com o lítio metálico como um eletrodo negativo, de acordo com a invenção, é útil para a simplificação da fabricação de acumuladores de lítio, aumento da capacidade, diminuição das dimensões, peso e custo e melhora da segurança. Este tipo de células é adequado para substituir os acumuladores de chumbo-ácido de hoje com um 5 sistema de voltagem mais elevada, isto é, na indústria automóvel, para ferramentas manuais elétricas e aparelhos e dispositivos portáteis elétricos e eletrônicos, e também aumenta a capacidade das células de acumulador de lítio em forma de botão.

Claims (28)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Acumulador de lítio incluindo pelo menos dois eletrodos tridimensionais separados por um separador e encerrados juntamente com um eletrólito, compreendendo uma solução não aquosa de um sal de lítio em um solvente polar orgânico, em de um corpo acumulador, caracterizado pelo fato de que os dois eletrodos possuem uma espessura mínima de 0,5 mm cada, dos quais pelo menos um eletrodo compreende uma mistura homogênea comprimida de um componente condutor de elétrons e um material ativo, capaz de absorver e extrair lítio na presença de eletrólito, em que a porosidade dos eletrodos prensados é de 25 a 90 %, o material ativo possui morfologia de esferas ocas com uma espessura de parede de no máximo 10 micrômetros, ou morfologia dos agregados ou aglomerados de no máximo 30 micrômetros de tamanho, enquanto que o separador consiste de um material cerâmico eletricamente isolante altamente poroso com poros abertos e porosidade de 30 a 95 %.
  2. 2. Acumulador de lítio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente condutor de elétrons, o material ativo e o separador são materiais completamente inorgânicos livres de aglutinantes orgânicos.
  3. 3. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o componente condutor de elétrons é selecionado do grupo consistindo de carbono condutivo e suas modificações, metais condutivos e óxidos eletricamente condutivos.
  4. 4. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o material ativo selecionado do grupo consistindo de óxidos misturados ou fosfatos de lítio, manganês, cromo, vanádio, titânio, cobalto, alumínio, níquel, ferro, lantânio, nióbio, boro, cério, tântalo, estanho, magnésio, ítrio e zircônio.
  5. 5. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que as partículas de material ativo possuem, dentro do escopo de sua capacidade de uso, a capacidade de completamente absorver e extrair íons de lítio no intervalo de tempo de até 20 minutos.
  6. 6. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o material ativo consiste de nanopartículas de espinélios dopados e não dopados de óxido de lítio manganês ou óxido de lítio titânio de tamanho de até 250 nm.
  7. 7. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o eletrodo compreende de 40 a 85 % em peso do material ativo.
  8. 8. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o eletrodo compreende um coletor de corrente na forma de lâmina expandida, rede, grade, fio, fibras ou pó.
  9. 9. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o coletor de corrente é selecionado do grupo consistindo de alumínio, cobre, prata, titânio, silício, platina, carbono ou um material estável dentro da janela potencial da célula particular.
  10. 10. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o eletrodo consiste de uma mistura homogênea comprimida de material ativo, componente condutor de elétrons e coletor de corrente.
  11. 11. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o separador consiste de pó comprimido altamente poroso de um material cerâmico vantajosamente com base em AI2O3 ou ZrO2.
  12. 12. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o separador possui uma morfologia não direcional de produto pirolisado ou vidro não tecido ou fibras de cerâmica.
  13. 13. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 11 a 12, caracterizado pelo fato de que o separador é produzido através da compressão de um pó de um produto pirolisado ou fibras não tecido.
  14. 14. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 11 a 13, caracterizado pelo fato de que a espessura do separador é de 0,1 mm a 10 mm.
  15. 15. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 14, caracterizado pelo fato de que o segundo eletrodo consiste de lítio metálico.
  16. 16. Acumulador de lítio de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o lítio metálico está na forma de uma chapa de lítio ou uma lâmina.
  17. 17. Acumulador de lítio de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o lítio metálico está na forma de chapa de lítio comprimida ou uma lâmina e dendritos.
  18. 18. Acumulador de lítio de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o lítio metálico está na forma de dendritos de lítio.
  19. 19. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 e 18, caracterizado pelo fato de que a forma dendrítica do lítio é feita “in situ” a partir da lâmina ou chapa de lítio mediante a ciclagem do acumulador de lítio.
  20. 20. Acumulador de lítio de acordo com as reivindicações 18 e 19, caracterizado pelo fato de que o sal de lítio eletrólito é selecionado do grupo consistindo de LiPF6, LiPF4(CF3)2, LiPF4(CF4SO2)2, LiPF4(C2F5)2,
    LiPF4(C2F5SO2)2, LíN(CF3SO2)2, LíN(C2F5SO2)2, L1CF3SO3, LiC(CF3SO2)3, LíBF4, LiBF2(CF3)2, LiBF2(C2F5)2, LiBF2(CF3SO2)2, LiBF2(C2F5SO2)2 e L1CIO4.
  21. 21. Acumulador de lítio de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o eletrólito ainda contém agentes de modificação, melhorando as funções do acumulador em altas temperaturas e/ou removendo produtos de decomposição e/ou proteção do acumulador da sobrecarga e/ou substâncias que efetuam o tamanho dos dendritos de lítio metálico.
  22. 22. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 21, caracterizado pelo fato de que compreende um corpo oco (6) tendo uma parte superior aberta e uma parte inferior para formar um primeiro pólo do acumulador, um primeiro eletrodo (1) situado na parte inferior do corpo e estando em contato elétrico com uma superfície interna do corpo, um segundo eletrodo na parte superior separado da superfície interna do corpo por um inserto isolante (8), um separador (5) colocado entre o primeiro eletrodo e o segundo eletrodo, um tampa (7) para fechar a parte superior aberta e estando em contato elétrico com o segundo eletrodo (2) para formar um segundo pólo do acumulador; uma cobertura de vedação (9) para isolar a tampa do corpo (6).
  23. 23. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 21, caracterizado pelo fato de que compreende um corpo superior (6a) e um corpo inferior (6b) unidos entre si ambos definindo um espaço de acumulador interno e conectados ao primeiro pólo (11) do acumulador, um primeiro eletrodo (la, lb) prensado dentro do espaço interno dos corpos (6a, 6b) para formar uma cavidade central interna e estando em contato elétrico com os corpos (6a, 6b), um segundo eletrodo (2) localizado no interior da cavidade central, o segundo pólo do acumulador estando em contato elétrico com o segundo eletrodo (2) e se estendendo para fora do corpo do acumulador e separadores (5a, 5b) que dividem o primeiro eletrodo (la, lb) a partir do segundo eletrodo (2).
  24. 24. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 21, caracterizado pelo fato de que compreende um corpo superior (6) incluindo o primeiro pólo do acumulador (11) e um corpo inferior (6b) incluindo o segundo pólo do acumulador (22), ambos os corpos (6a, 6b) reunidos entre si definindo um volume espacial interno do acumulador, um primeiro eletrodo localizado (1) dentro do espaço interno do corpo superior (6a), um segundo eletrodo (2) localizado dentro do espaço interno do corpo inferior (6b), um separador (5) que divide o primeiro eletrodo (1) do segundo eletrodo (2) e uma vedação (8) disposta entre o corpo superior (6a) e o corpo inferior (6b) para o isolamento elétrico do primeiro pólo do acumulador (11) a partir do segundo pólo do acumulador (22).
  25. 25. Acumulador de lítio de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 21 caracterizado pelo fato de que inclui dois conjuntos marginais e pelo menos um conjunto interno de cada um de ditos conjuntos compreendendo os primeiros eletrodos, os segundos eletrodos, os separadores, os coletores de corrente e os pólos do acumulador, ainda compreende: um corpo superior marginal oco (6a) tendo uma superfície externa fechada e uma superfície interna aberta para definir uma estrutura marginal para receber um primeiro eletrodo, um corpo inferior marginal oco (6b) tendo uma superfície externa fechada e uma superfície interna aberta para definir uma estrutura marginal para receber um primeiro eletrodo, estruturas internas (10) para receber os primeiros eletrodos (la), estruturas interna (20a, 20b) para o recebimento dos segundos eletrodos (2a, 2b), separadores (5a, 5b) dispostos entre os primeiros eletrodos e segundos eletrodos adjacentes, coletores de corrente (111) para fornecer o contato elétrico com os primeiros eletrodos e conectado ao primeiro pólo do acumulador (11), coletores de corrente (221) para fornecer o contato elétrico com os segundos eletrodos e conectado ao segundo pólo do acumulador (22), pelo menos um conjunto interno da mesma configuração que os conjuntos marginais onde os corpos marginais são substituídos pelas estruturas internas.
  26. 26. Método para produzir acumulador de lítio como definido 5 nas reivindicações de 1 a 21, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma chapa de um primeiro eletrodo, separador e pelo menos uma chapa de um segundo eletrodo são empilhados mediante a pressão de um sobre o outro, o corpo do acumulador é preenchido com o eletrólito, fechado completamente e os coletores de corrente do mesmo tipo dos eletrodos são conectados.
    10
  27. 27. Método de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que as chapas individuais estão gradualmente prensadas uma após a outra por um impacto.
  28. 28. Método para produzir acumulador de lítio como definido nas reivindicações de 1 a 21, caracterizado pelo fato de que as chapas 15 comprimidas de pelo menos um eletrodo, um separador, e pelo menos um outro segundo eletrodo são altemativamente empilhados um em cima do outro, o corpo do acumulador é preenchido com o eletrólito, fechado completamente e os coletores de corrente do mesmo tipo dos eletrodos são conectados.
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