ES2950862T3 - Anodo que incluye múltiples colectores de corriente yuxtapuestos en paralelo y batería secundaria que comprende el mismo - Google Patents

Anodo que incluye múltiples colectores de corriente yuxtapuestos en paralelo y batería secundaria que comprende el mismo Download PDF

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Abstract

La presente invención se refiere a un ánodo que incluye múltiples colectores de corriente yuxtapuestos en paralelo, y una batería secundaria que los comprende, en donde el ánodo permite proporcionar una batería secundaria de alta capacidad mientras suprime los cambios de volumen debido a un material activo que contiene un componente de silicona empleado en el mismo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Ánodo que incluye múltiples colectores de corriente yuxtapuestos en paralelo y batería secundaria que comprende el mismo
Sector técnico
La presente invención se refiere a un electrodo negativo que incluye una pluralidad de colectores de corriente dispuestos en paralelo entre sí y a una batería secundaria que incluye el mismo.
Esta solicitud reivindica el beneficio de prioridad basado en la solicitud de patente coreana n.° 10-2019-0143778, presentada el 11 de noviembre de 2019.
Estado de la técnica
Con el aumento en el desarrollo de la tecnología y la demanda de dispositivos móviles, está creciendo rápidamente también la demanda de baterías secundarias. Entre las mismas, se usan ampliamente las baterías secundarias de litio como una fuente de energía para diversos productos electrónicos, así como diversos dispositivos móviles, debido a su alta densidad de energía, su alto voltaje de funcionamiento y sus características de almacenamiento y duración excelentes.
Además, las baterías secundarias atraen la atención como una fuente de energía de un vehículo eléctrico, un vehículo eléctrico híbrido, etc., proponiéndose como una solución para la contaminación del aire de los vehículos de gasolina y los vehículos diésel existentes que usan combustibles fósiles. A fin de ser aplicada como una fuente de energía de un vehículo eléctrico, se requiere una batería de alta potencia.
Esta batería secundaria se está desarrollando como un modelo capaz de conseguir alto voltaje y alta capacidad a petición de los consumidores. A fin de que se consiga alta capacidad, se requiere, dentro de un espacio limitado, un proceso de optimización de un material de electrodo positivo, un material de electrodo negativo, un separador y una solución de electrolito, que son los cuatro elementos principales de una batería secundaria.
En general, el modo más fácil para conseguir una alta capacidad es poner una gran cantidad de materiales activos de electrodo sobre un colector de corriente para fabricar por ello un electrodo de alta carga. Sin embargo, en tal método, si no se asegura un cierto nivel de fuerza adhesiva o conductividad del electrodo, se presenta una separación del electrodo durante los procesos de revestimiento, secado y laminación de dicho electrodo, dando como resultado unas características de duración útil inferiores y unas características de salida inferiores, dando como resultado un comportamiento y una estabilidad de la batería inferiores.
Por consiguiente, existe una necesidad elevada de desarrollar un electrodo capaz de mejorar el comportamiento global de la batería al impedir el deterioro de las características de salida, al tiempo que se tiene una alta capacidad teórica y una suficiente fuerza adhesiva del electrodo con una pequeña cantidad de aglutinantes y materiales conductores.
Los documentos US2017/294688 y EP 3093915 se refieren a electrodos.
Objeto de invención
Problema técnico
La presente invención se ideó considerando los problemas anteriores, y un objeto de la presente invención es proporcionar un electrodo negativo con una nueva estructura que incluye una pluralidad de colectores de corriente dispuestos en paralelo entre sí y una batería secundaria de alta capacidad que incluye el mismo.
Solución técnica
La invención está definida según el conjunto de reivindicaciones en tramitación. Según la reivindicación 1, la invención es un electrodo negativo para una batería secundaria, que incluye unos colectores de corriente primero a n-ésimo dispuestos en paralelo entre sí (n es un número entero entre 2 y 5, igual a 2, 3, 4 o 5); y una capa de mezcla formada en una o ambas superficies de cada colector de corriente. Específicamente, la capa de mezcla formada sobre al menos uno de los colectores de corriente incluye un material activo que contiene un componente de silicio, y la capa de mezcla formada sobre otro o más de los colectores de corriente incluye un material activo que contiene un componente de carbono. Además, uno o más extremos de los colectores de corriente primero a n-ésimo se acoplan para conectarse eléctricamente.
En un ejemplo, el material activo que contiene un componente de silicio contiene uno o más seleccionados del grupo que consiste en silicio (Si), óxido de silicio (SiOx, 0<x≤2) y una aleación de silicio y metal (M), y en el que el metal (M) contiene al menos uno de Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe, Cr y Ti.
En otro ejemplo, el colector de corriente j-ésimo (j es un número entero entre 1 y n) tiene la forma de una placa metálica en la que están formados una pluralidad de agujeros pasantes con dirección en grosor.
En un ejemplo, un electrodo negativo k-ésimo que incluye un colector de corriente k-ésimo (k es un número entero entre 1 y n-1) y una capa de mezcla k-ésima, formada en una o ambas superficies del colector de corriente k-ésimo; y un electrodo negativo (k+1)-ésimo que incluye un colector de corriente (k+1)-ésimo y una capa de mezcla (k+1)-ésima, formada en una o ambas superficies del colector de corriente (k+1)-ésimo, tienen una estructura que no contacta entre sí en una zona de parte revestida donde la capa de mezcla está formada sobre el colector de corriente.
En la capa de mezcla que incluye un material activo que contiene un componente de silicio, un contenido del material activo que contiene el componente de silicio está comprendido en un intervalo del 50 al 100 % en peso, basándose en el 100 % en peso de la capa de mezcla que incluye el material activo que contiene el componente de silicio, y es posible también fabricar la capa de mezcla como una capa de película delgada que consiste solamente en silicio.
En la capa de mezcla que incluye un material activo que contiene un componente de carbono, un contenido del material activo que contiene el componente de carbono está comprendido en un intervalo del 90 al 98 % en peso, basándose en el 100 % en peso de la capa de mezcla que incluye el material activo que contiene el componente de carbono.
En un ejemplo, el electrodo negativo para una batería secundaria incluye: unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla formada en una o ambas superficies del primer colector de corriente y que incluye un material activo que contiene un componente de silicio; y una segunda capa de mezcla formada en una o ambas superficies del segundo colector de corriente y que incluye un material activo que contiene un componente de carbono.
En un ejemplo específico, el primer colector de corriente tiene la forma de una placa metálica en la que están formados una pluralidad de agujeros pasantes con dirección en grosor.
Por ejemplo, el electrodo negativo para una batería secundaria incluye: unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla formada en una superficie del primer colector de corriente; y una segunda capa de mezcla formada en una superficie del segundo colector de corriente. En este caso, la primera capa de mezcla está formada en una superficie opuesta a la superficie del primer colector de corriente que mira al segundo colector de corriente, y la segunda capa de mezcla está formada en una superficie del segundo colector de corriente que mira al primer colector de corriente.
En otro ejemplo, el electrodo negativo para una batería secundaria incluye: unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla formada en una superficie del primer colector de corriente; y una segunda capa de mezcla formada en una superficie del segundo colector de corriente. En este caso, las capas de mezcla primera y segunda están formadas en superficies opuestas de los colectores de corriente primero y segundo, respectivamente.
En otro ejemplo más, el electrodo negativo para una batería secundaria incluye: unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla formada en ambas superficies del primer colector de corriente; y una segunda capa de mezcla formada en una superficie del segundo colector de corriente. En este caso, la segunda capa de mezcla está formada en una superficie del segundo colector de corriente que mira al primer colector de corriente.
Además, la presente invención proporciona una batería secundaria que incluye el electrodo negativo descrito anteriormente.
En un ejemplo, la batería secundaria incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador, interpuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo. En este caso, el electrodo negativo es como se ha descrito anteriormente.
Por ejemplo, la batería secundaria es una batería secundaria de litio de tipo bolsa.
Efectos ventajosos
El electrodo negativo para una batería secundaria según la presente invención puede proporcionar una batería secundaria de alta capacidad, al tiempo que se suprime el cambio de volumen causado por la adopción de un material activo que contiene un componente de silicio.
Descripción de las figuras
Las figuras 1 a 3 son vistas en corte transversal que muestran, cada una, la estructura de un electrodo negativo para una batería secundaria según una realización.
Las figuras 4 a 6 son vistas en corte transversal que muestran la estructura de un colector de corriente de cobre que se usa para un electrodo negativo para una batería secundaria según una realización, respectivamente.
La figura 7 es una vista en corte transversal que muestra esquemáticamente la estructura de una batería secundaria que usa un electrodo negativo según una realización.
Descripción detallada de la invención
En lo sucesivo, la presente invención se describirá con detalle haciendo referencia a las figuras. Los términos y las palabras que se usan en la presente memoria descriptiva y en las reivindicaciones no se deben interpretar como limitados a términos normales o de diccionario y el inventor puede definir apropiadamente el concepto de los términos a fin de describir mejor su invención. Los términos y las palabras se deben interpretar como significados y conceptos consistentes con la idea técnica de la presente invención.
Un electrodo negativo para una batería secundaria según la presente invención incluye unos colectores de corriente primero a n-ésimo dispuestos en paralelo entre sí (n es un número entero entre 2 y 5); y una capa de mezcla formada en una o ambas superficies de cada colector de corriente. La capa de mezcla formada sobre al menos uno de los colectores de corriente incluye un material activo que contiene un componente de silicio, y la capa de mezcla formada sobre otro o más de los colectores de corriente incluye un material activo que contiene un componente de carbono. Además, uno o más extremos de los colectores de corriente primero a n-ésimo se acoplan para conectarse eléctricamente.
El electrodo negativo para una batería secundaria según la presente invención tiene una estructura que incluye una pluralidad de colectores de corriente dispuestos en paralelo entre sí y una capa de mezcla formada sobre el colector de corriente. Además, la capa de mezcla formada sobre el colector de corriente incluye diferentes tipos de materiales activos. Específicamente, la capa de mezcla formada sobre al menos uno de los colectores de corriente incluye un material activo que contiene un componente de silicio, y la capa de mezcla formada sobre otro o más de los colectores de corriente incluye un material activo que contiene un componente de carbono.
En respuesta a la demanda de mayor capacidad para las baterías secundarias, se está investigando en una tecnología sobre el uso de un componente basado en silicio como un material activo de electrodo negativo. Sin embargo, cuando un componente basado en silicio y un componente basado en carbono se mezclan y se aplican como un material activo de electrodo negativo, el componente basado en silicio causa un gran cambio de volumen durante el proceso de carga y descarga. Este cambio de volumen tiene el problema de acelerar el deterioro del electrodo o el deterioro de la duración de la batería. Además, cuando un componente basado en silicio se aplica como un material activo, existe una limitación porque una gran cantidad de un aglutinante o un material conductor se debería mezclar para mejorar la duración del componente basado en silicio. Sin embargo, en la presente invención, se emplean dos o más colectores de corriente dispuestos en paralelo, estando formada una capa de mezcla, a la que se aplica un material activo que contiene un componente basado en silicio, sobre cualquier colector de corriente y estando formada una capa de mezcla, a la que se aplica un material activo que contiene un componente basado en carbono, sobre otro colector de corriente. Por esto, la capacidad de la batería se puede maximizar al reducir el contenido del aglutinante o del material conductor en la capa de mezcla a la que se aplica el material activo que contiene el componente basado en carbono.
En un ejemplo, el material activo que contiene un componente de silicio contiene uno o más seleccionados del grupo que consiste en silicio (Si), óxido de silicio (SiOx, 0<x≤2) y una aleación de silicio y metal (M), y en el que el metal (M) contiene al menos uno de Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe, Cr y Ti. Por ejemplo, el material activo que contiene un componente de silicio es al menos uno de silicio (Si) y óxido de silicio (SiOx, 0<x≤2).
Además, como el material activo que contiene un componente de carbono, se puede usar la totalidad de carbono cristalino de grado bajo y/o carbono cristalino de grado alto. Como el carbono cristalino de grado bajo, se puede usar al menos uno de carbono blando y carbono duro. Al menos uno de grafito natural, grafito Kish, carbono pirolítico, fibra de carbono basada en breas de mesofase, microperlas de mesocarbono, breas de mesofase y coques obtenidos de brea de alquitrán de petróleo o hulla se pueden usar como carbono cristalino de grado alto. Por ejemplo, el material activo que contiene el componente de carbono es un componente de grafito que se usa comúnmente.
Los ejemplos no limitativos del colector de corriente que se usa para el electrodo negativo incluyen cobre, oro, níquel o una lámina fabricada por una aleación de cobre, o una combinación de los mismos. Además, el colector de corriente se puede usar apilando sustratos hechos de los materiales anteriores. En una realización, el colector de corriente j-ésimo (j es un número entero entre 1 y n) tiene la forma de una placa metálica en la que están formados una pluralidad de agujeros pasantes con dirección en grosor. Al aplicar un colector de corriente en forma de una placa metálica con agujeros pasantes en la dirección en grosor, se forma una trayectoria de flujo, por la que puede moverse la solución de electrolito, particularmente iones de litio.
En otro ejemplo más, en el electrodo negativo para una batería secundaria según la presente invención, un electrodo negativo k-ésimo que incluye un colector de corriente k-ésimo (k es un número entero entre 1 y n-1) y una capa de mezcla k-ésima, formada en una o ambas superficies del colector de corriente k-ésimo; y un electrodo negativo (k+1)-ésimo que incluye un colector de corriente (k+1)-ésimo y una capa de mezcla (k+1)-ésima, formada en una o ambas superficies del colector de corriente (k+1)-ésimo, tienen una estructura que no contacta entre sí en una zona de parte revestida donde la capa de mezcla está formada sobre el colector de corriente. Los colectores de corriente aplicados al electrodo negativo para una batería secundaria según la presente invención están dispuestos en paralelo entre sí, uno o más extremos del colector de corriente se acoplan para conectarse eléctricamente y, al mismo tiempo, las partes revestidas, a las que se aplica la capa de mezcla, no están en contacto entre sí. Esto impide que suceda un cortocircuito dentro de la batería. Si es necesario, un separador independiente puede estar formado parcial o completamente entre los colectores de corriente. Sin embargo, la formación de un separador independiente entre los colectores de corriente puede complicar la estructura del electrodo y reducir el rendimiento del proceso durante la fabricación. Por lo tanto, al separar los colectores de corriente una distancia predeterminada, puede bloquearse el contacto en la parte revestida descrita anteriormente.
La presente invención incluye una estructura en la que una pluralidad de colectores de corriente están dispuestos en paralelo, y una capa de mezcla formada sobre cada colector de corriente puede incluir diferentes tipos de componentes de material activo.
Según una realización, en la capa de mezcla que incluye el material activo que contiene el componente de silicio, el contenido del material activo que contiene el componente de silicio está comprendido en el intervalo del 50 al 100 % en peso, basándose en el 100 % en peso de la capa de mezcla que contiene el material activo que contiene el componente de silicio. Específicamente, el contenido del material activo que contiene el componente de silicio puede estar comprendido preferiblemente en el intervalo del 75 al 85 % en peso.
Según otra realización, en la capa de mezcla que incluye el material activo que contiene el componente de carbono, el contenido del material activo que contiene el componente de carbono está comprendido en el intervalo del 90 al 98 % en peso, basándose en el 100 % en peso de la capa de mezcla que contiene el material activo que contiene el componente de carbono. Específicamente, el contenido del material activo que contiene el componente de carbono está comprendido en el intervalo del 93 al 98 % en peso.
Además del material activo, el electrodo negativo para la batería secundaria puede incluir un material conductor y un aglutinante que se usan comúnmente en la técnica. En la presente invención, en la capa de mezcla que contiene un material activo que contiene un componente de silicio, el contenido del material activo está limitado al 85 % en peso o menos. El material activo que contiene el componente de silicio causa un rápido cambio de volumen durante el proceso de carga y descarga, lo que acelera la degradación del electrodo o de la duración de la batería. A fin de impedir esto, se debería mezclar una cantidad relativamente grande del aglutinante y/o del componente de material conductor para aplicar a la capa de mezcla el material activo que contiene el componente de silicio.
En contraste a esto, en la capa de mezcla que incluye el material activo que contiene un componente de carbono, el contenido del material activo se puede aumentar al 90 % en peso o más. El material activo que contiene un componente de carbono se puede mezclar con una cantidad relativamente pequeña de un aglutinante y/o un componente de material conductor. Cuando se aumenta el contenido del aglutinante y del componente de material conductor, se disminuye relativamente el contenido del material activo, lo que causa una disminución en la capacidad de la batería.
En un ejemplo, el electrodo negativo para una batería secundaria incluye: unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla formada en una o ambas superficies del primer colector de corriente y que incluye un material activo que contiene un componente de silicio; y una segunda capa de mezcla formada en una o ambas superficies del segundo colector de corriente y que incluye un material activo que contiene un componente de carbono. En este caso, el primer colector de corriente puede tener la forma de una placa metálica en la que están formados una pluralidad de agujeros pasantes con dirección en grosor.
El electrodo negativo para una batería secundaria según la presente invención se puede modificar de diversas formas. Por ejemplo, el electrodo negativo para una batería secundaria incluye: unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla formada en una superficie del primer colector de corriente; y una segunda capa de mezcla formada en una superficie del segundo colector de corriente, en el que la primera capa de mezcla está formada en una superficie opuesta a la superficie del primer colector de corriente que mira al segundo colector de corriente, y en el que la segunda capa de mezcla está formada en una superficie del segundo colector de corriente que mira al primer colector de corriente. En este caso, las capas de mezcla primera y segunda están formadas en la superficie en la misma dirección de los colectores de corriente primero y segundo, respectivamente, y pueden estar formadas, por ejemplo, como se muestra en la figura 1.
En otro ejemplo más, el electrodo negativo para una batería secundaria incluye: unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla formada en una superficie del primer colector de corriente; y una segunda capa de mezcla formada en una superficie del segundo colector de corriente, en el que las capas de mezcla primera y segunda están formadas en superficies opuestas de los colectores de corriente primero y segundo, respectivamente. En este caso, las capas de mezcla primera y segunda están formadas para mirarse entre sí y pueden estar formadas, por ejemplo, como se muestra en la figura 2.
En otro ejemplo más, el electrodo negativo para una batería secundaria incluye: unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla formada en ambas superficies del primer colector de corriente; y una segunda capa de mezcla formada en una superficie del segundo colector de corriente, en el que la segunda capa de mezcla está formada en una superficie del segundo colector de corriente que mira al primer colector de corriente. En este caso, el primer colector de corriente tiene una estructura en la que una capa de mezcla está formada por ambos lados, y el segundo colector de corriente tiene una estructura en la que una capa de mezcla está formada en la dirección hacia el primer colector de corriente y pueden estar formadas, por ejemplo, como la estructura mostrada en la figura 3.
Además, la presente invención proporciona una batería secundaria que incluye el electrodo negativo descrito con anterioridad. Específicamente, la batería secundaria incluye un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador, interpuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo. La estructura del electrodo negativo es como se ha descrito anteriormente.
En una realización, la batería secundaria es una batería secundaria de tipo bolsa. Además, la batería secundaria en la presente invención es, por ejemplo, una batería secundaria de litio de tipo bolsa. La batería secundaria de litio puede incluir, por ejemplo, un conjunto de electrodos; un electrolito no acuoso que impregna el conjunto de electrodos; y una caja de batería que contiene el conjunto de electrodos y el electrolito no acuoso.
El electrodo positivo tiene una estructura en la que una capa de mezcla de electrodo positivo está apilada en uno o ambos lados de un colector de corriente de electrodo positivo. Cada uno de los materiales activos de electrodo positivo puede ser independientemente un óxido que contiene litio, y puede ser el mismo o diferente. Un óxido de metales de transición que contiene litio se puede usar como el óxido que contiene litio. En un ejemplo, la capa de mezcla de electrodo positivo incluye un material conductor y un polímero de aglutinante, además del material activo de electrodo positivo y, si es necesario, puede incluir además un aditivo de electrodo positivo que se usa comúnmente en la técnica.
El material activo de electrodo positivo puede ser un óxido que contiene litio, y puede ser el mismo o diferente. Un óxido de metales de transición que contiene litio se puede usar como el óxido que contiene litio.
Por ejemplo, el óxido de metales de transición que contiene litio puede ser uno cualquiera o una mezcla de dos o más seleccionados del grupo que consiste en LixCoO2(0,5<x<1,3), LixNiO2(0,5<x<1,3), Lix MnO2(0,5<x<1,3), LixMn2O4(0,5<x<1,3), Lix(NiaCobMnc)O2(0,5<x<1,3, 0<a<1, 0<b<1, 0<c<1, a+b+c=1), LixNi1-yCoyO2(0,5<x<1,3, 0<y<1), LixCo1-yMnyO2(0,5<x<1,3, 0≤y<1), LixNi1-yMnyO2(0,5<x<1,3, O≤y<1), Lix(NiaCobMnc)O4(0,5<x<1,3, 0<a<2, 0<b<2, 0<c<2, a+b+c=2), LixMn2-zNizO4(0,5<x<1,3, 0<z<2), Lix Mn2-zCozO4(0,5<x<1,3, 0<z<2), LixCoPO4(O,5<x<1,3) y LixFePO4(0,5<x<1,3), y el óxido de metales de transición que contiene litio se puede revestir con un metal o un óxido metálico, tal como aluminio (Al). Adicionalmente, además del óxido de metales de transición que contiene litio, se pueden usar uno o más de sulfuro, seleniuro y haluro.
El material activo de electrodo positivo puede estar incluido en el intervalo del 94 al 98,5 % en peso en la capa del material activo de electrodo positivo. Cuando el contenido del material activo de electrodo positivo satisface el intervalo anterior, se tiene una ventaja respecto a fabricar una batería de alta capacidad y proporcionar una conductividad suficiente del electrodo positivo o una adherencia entre los materiales de electrodo.
El colector de corriente que se usa para el electrodo positivo es un metal que tiene alta conductividad, y se puede usar cualquier metal al que puede fijarse fácilmente la suspensión del material activo de electrodo positivo y que no es reactivo en el intervalo de voltaje de la batería secundaria. Específicamente, los ejemplos no limitativos del colector de corriente para el electrodo positivo incluyen aluminio, níquel o una lámina fabricada por una combinación de los mismos.
La capa del material activo de electrodo positivo incluye además un material conductor. El material conductor se añade normalmente en una cantidad del 1 al 30 % en peso, basándose en el peso total de la mezcla que incluye el material activo de electrodo positivo. Tal material conductor no está particularmente limitado, siempre que tenga conductividad sin causar un cambio químico en la batería secundaria. Por ejemplo, se pueden usar como el material conductor uno o más seleccionados del grupo que consiste en grafito, tal como grafito natural o grafito artificial; negro de humo, tal como negro de humo, negro de acetileno, negro ketjen, negro de canal, negro de horno, negro de lámpara o negro térmico; fibras conductoras, tales como fibras de carbono o fibras metálicas; polvo metálico, tal como fluoruro de carbono, polvo de aluminio o níquel; filamentos cristalinos conductores, tales como óxido de cinc o titanato de potasio; óxido metálico conductor, tal como óxido de titanio; y derivados de polifenileno.
Como el componente aglutinante, se puede usar sin limitación un polímero de aglutinante que se usa comúnmente en la técnica. Por ejemplo, se pueden usar diversas clases de aglutinantes, tales como fluoruro de polivinilideno-cohexafluoropropileno (PVDF-co-HFP), fluoruro de polivinilideno (PVDF), poliacrilonitrilo, metacrilato de polimetilo, caucho de estireno-butadieno (SBR) y carboximetilcelulosa (CMC).
El separador puede estar fabricado de cualquier sustrato poroso que se usa en una batería secundaria de litio y, por ejemplo, se puede usar una membrana porosa basada en poliolefina o una tela no tejida, pero la presente invención no está particularmente limitada a la misma.
Los ejemplos de membrana porosa basada en poliolefina incluyen polietileno, tal como polietileno de alta densidad, polietileno de baja densidad lineal, polietileno de baja densidad, polietileno de peso molecular ultraalto, y una membrana en la que polímeros basados en poliolefina, tales como polipropileno, polibutileno y polipenteno, están formados, cada uno, solos o en una mezcla de los mismos.
Se pueden usar tereftalato de polietileno, tereftalato de polibutileno, poliéster, poliacetal, poliamida, policarbonato, poliimida, poliéteretercetona, poliétersulfona, óxido de polifenileno, sulfuro de polifenileno y naftaleno de polietileno, etc., individualmente o como un polímero por una mezcla de los mismos, para formar por ello la tela no tejida, además de tela no tejida basada en poliolefina. La estructura de la tela no tejida puede ser una tela no tejida unida por hilatura, compuesta por fibras largas, o una tela no tejida soplada en estado fundido.
El grosor del sustrato poroso no está particularmente limitado, pero puede ser de 5 a 50 μm, y el tamaño de poro y la porosidad presentes en el sustrato poroso no están tampoco particularmente limitados, pero pueden ser de 0,01 a 50 μm y del 10 al 95 %, respectivamente.
Mientras tanto, para mejorar la resistencia mecánica del separador compuesto por el sustrato poroso y para suprimir un cortocircuito entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, se puede incluir además una capa de revestimiento poroso, que incluye partículas inorgánicas y un polímero de aglutinante, en al menos una superficie del sustrato poroso.
La solución de electrolito puede contener un disolvente orgánico y una sal de electrolito, y la sal de electrolito es una sal de litio. Los que se usan convencionalmente en la solución de electrolito para baterías secundarias de litio se pueden usar como la sal de litio sin limitación. Por ejemplo, uno o más seleccionados del grupo que consiste en F- , Cl-, Br-, I-, NO3-, N(CN)2-, BF4-, ClÜ4-, PF6-, (CF3)2PF4-, (CF3)3PF3-, (CF3)4PF2-, (CF3)sPF-, (CF3)6P-, CF3SO3-, CF3CF2SO3-, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, CF3CF2(CF3)2CO- , (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, CF3(CF2)7SO3- , CF3CO2-, CH3CO2-, SCN- y (CF3CF2SO2)2N- se pueden incluir como el anión de la sal de litio.
Como el disolvente orgánico incluido en la solución de electrolito descrita anteriormente, los que se usan convencionalmente en soluciones de electrolito para baterías secundarias de litio se pueden usar sin limitación y, por ejemplo, éteres, ésteres, amidas, carbonatos lineales y carbonatos cíclicos se pueden usar solos o en combinación de dos o más. Entre los mismos, de manera representativa, pueden estar incluidos un carbonato cíclico, un carbonato lineal o un compuesto de carbonatos que es una mezcla de los mismos.
Los ejemplos específicos del compuesto de carbonatos cíclicos incluyen uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), 1,2-carbonato de butileno, 2,3-carbonato de butileno, 1,2-carbonato de pentileno, 2,3-carbonato de pentileno, carbonato de vinileno, carbonato de viniletileno, y su haluro, y una mezcla de los mismos. Estos haluros incluyen, por ejemplo, carbonato de fluoroetileno (FEC), pero no están limitados al mismo.
Además, los ejemplos específicos del compuesto de carbonatos lineales incluyen uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dipropilo, carbonato de etilmetilo (EMC), carbonato de metilpropilo y carbonato de etilpropilo, o se puede usar típicamente una mezcla de dos o más de los mismos, pero no están limitados a los mismos.
En particular, entre los disolventes orgánicos basados en carbonato, el carbonato de etileno y el carbonato de propileno, que son carbonatos cíclicos, son disolventes orgánicos de alta viscosidad y tienen constantes dieléctricas altas, de modo que las sales de litio en el electrolito pueden disociarse más fácilmente, y si el carbonato cíclico se mezcla con un carbonato lineal de baja viscosidad, de baja constante dieléctrica, tal como carbonato de dimetilo y carbonato de dietilo en una relación apropiada, se puede preparar una solución de electrolito que tiene una mayor conductividad eléctrica.
Además, como el éter del disolvente orgánico, se puede usar uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en éter de dimetilo, éter de dietilo, éter de dipropilo, éter de metiletilo, éter de metilpropilo y éter de etilpropilo, o una mezcla de dos o más de los mismos, pero no están limitados a los mismos.
Y los ásteres entre los disolventes orgánicos incluyen uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en acetato de metilo, acetato de etilo, acetato de propilo, propionato de metilo, propionato de etilo, propionato de propilo, Y-butirolactona, Y-valerolactona y Y-caprolactona, o una mezcla de dos o más de los mismos, pero la presente invención no está limitada a los mismos.
La inyección del electrolito no acuoso se puede realizar en una etapa apropiada en el proceso de fabricación del dispositivo electroquímico, dependiendo del proceso de fabricación y de las propiedades físicas requeridas del producto final. Es decir, se puede aplicar antes de montar el dispositivo electroquímico o en la etapa final para montar el dispositivo electroquímico.
Además, la presente invención proporciona un vehículo que incluye la batería secundaria descrita anteriormente. En un ejemplo específico, el vehículo es un vehículo híbrido o eláctrico.
En lo sucesivo, la presente invención se describirá con más detalle a travás de ejemplos y figuras. Sin embargo, las realizaciones descritas en la memoria descriptiva y las configuraciones descritas en las figuras son solamente las realizaciones más preferidas de la presente invención, y no representan todas las ideas tácnicas de la presente invención.
El electrodo negativo para una batería secundaria según la presente invención se puede modificar de diversas formas. Las figuras 1 a 3 son vistas en corte transversal que muestran esquemáticamente una estructura de un electrodo negativo para una batería secundaria según una realización, respectivamente.
Primera realización
Haciendo referencia a la figura 1, un electrodo negativo 100 para una batería secundaria según la presente invención incluye: unos colectores de corriente primero y segundo 110 y 120 dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla 111 formada en una superficie del primer colector de corriente 110; y una segunda capa de mezcla 121 formada en una superficie del segundo colector de corriente 120. La primera capa de mezcla 111 está formada en una superficie opuesta a una superficie del primer colector de corriente 110 que mira al segundo colector de corriente 120, y la segunda capa de mezcla 121 está formada en una superficie del segundo colector de corriente 120 que mira al primer colector de corriente 110. En este caso, las capas de mezcla primera y segunda 111 y 121 están formadas en la superficie en la misma dirección formada sobre los colectores de corriente primero y segundo 110 y 120, respectivamente. Por ejemplo, se forma un conjunto de electrodos con una estructura en la que un separador y un electrodo positivo están situados secuencialmente en una dirección en la que está formada la primera capa de mezcla 111 del primer colector de corriente 110. Además, un extremo de los colectores de corriente primero y segundo 110 y 120 tiene una estructura en la que está formada una unidad de unión de colectores de corriente 130 acoplada para conectarse eléctricamente.
A fin de fabricar la primera capa de mezcla 111, 80 partes en peso de Si y/o SiO como componentes de material activo, 0,21 partes en peso de SWCNT y 9,79 partes en peso de SuperC como material conductor, y 10 partes en peso de PAA-PVA ((Ácido poliacrílico)-(alcohol polivinílico)) como un componente aglutinante se añadieron a agua como un disolvente para preparar por ello una suspensión de material activo, que se revistió, se secó y se prensó entonces una vez sobre el primer colector de corriente 110. Como el primer colector de corriente 110, se usó un colector de corriente de cobre con una estructura en la que están formados una pluralidad de agujeros pasantes en la dirección en grosor, mostrada en la figura 4.
Además, para fabricar la segunda capa de mezcla 121, 96 partes en peso de grafito como un material activo, 1 parte en peso de SuperC como un material conductor, 1,5 partes en peso de CMC (Carboximetilcelulosa) y 1,5 partes en peso de SBR (Caucho de estireno-butadieno) como un componente aglutinante o espesante se añadieron a agua como un disolvente para preparar una suspensión de material activo, que se revistió, se secó y se prensó entonces una vez sobre el segundo colector de corriente 120. El segundo colector de corriente 120 se hizo de lámina de cobre.
Segunda realización
Haciendo referencia a la figura 2, un electrodo negativo 200 para una batería secundaria según la presente invención incluye: unos colectores de corriente primero y segundo 210 y 220 dispuestos en paralelo entre sí; una primera capa de mezcla 211 formada en una superficie del primer colector de corriente 210; y una segunda capa de mezcla 221 formada en una superficie del segundo colector de corriente 220. Las capas de mezcla primera y segunda 211 y 221 están formadas en las superficies de los colectores de corriente primero y segundo 210 y 220 que se miran entre sí, respectivamente. En este caso, las capas de mezcla primera y segunda 211 y 221 están formadas para mirarse entre sí. Por ejemplo, se forma un conjunto de electrodos con una estructura en la que un separador y un electrodo positivo están situados secuencialmente en un sentido opuesto a una superficie, en la que está formada la primera capa de mezcla 211 del material, basándose en el primer colector de corriente 210.
Además, un extremo de los colectores de corriente primero y segundo 210 y 220 tiene una estructura en la que está formada una unidad de unión de colectores de corriente 230 acoplada para conectarse eléctricamente.
La composición de las capas de mezcla primera y segunda 211 y 221 es la misma que en la primera realización descrita anteriormente. Un colector de corriente de cobre de tipo malla, ilustrado en la figura 5, se usó como el primer colector de corriente 210, y el segundo colector de corriente 220 se hizo de lámina de cobre.
Tercera realización
Haciendo referencia a la figura 3, un electrodo negativo 300 para una batería secundaria según la presente invención incluye: unos colectores de corriente primero y segundo 310 y 320 dispuestos en paralelo entre sí; unas primeras capas de mezcla 311 y 312 formadas en una superficie del primer colector de corriente 310; y una segunda capa de mezcla 321 formada en una superficie del segundo colector de corriente 320. La segunda capa de mezcla 321 tiene una estructura formada en una superficie del segundo colector de corriente 320 que mira al primer colector de corriente 310. En este caso, el primer colector de corriente 310 tiene una estructura en la que las capas de mezcla 311 y 312 están formadas por ambos lados, y el segundo colector de corriente 320 tiene una estructura en la que una capa de mezcla 321 está formada en la dirección hacia el primer colector de corriente 310. Además, un extremo de los colectores de corriente primero y segundo 310 y 320 tiene una estructura en la que está formada una unidad de unión de colectores de corriente 330 acoplada para conectarse eléctricamente.
La composición de las capas de mezcla primera y segunda 311, 312 y 321 es la misma que en la primera realización descrita anteriormente. Un colector de corriente de cobre que tiene una pluralidad de agujeros pasantes en la dirección en grosor, mostrado en la figura 6, se usó como el primer colector de corriente 310, y el segundo colector de corriente 320 se hizo de lámina de cobre.
Cuarta realización
La figura 7 es una vista en corte transversal que muestra esquemáticamente la estructura de una batería secundaria que usa un electrodo negativo según la presente invención. Haciendo referencia a la figura 7, una batería secundaria según una realización de la presente invención incluye un electrodo positivo 20, un electrodo negativo 100 y un separador 10, interpuesto entre el electrodo positivo 20 y el electrodo negativo 100. La estructura del electrodo negativo 100 es la misma que en la primera realización descrita anteriormente.
Descripción de los números de referencia
10: separador
20: electrodo positivo
21: capa de mezcla de electrodo positivo
100, 200, 300: electrodo negativo
110, 210, 310: primer colector de corriente
111, 211: primera capa de mezcla

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un electrodo negativo (100, 200, 300) para una batería secundaria, comprendiendo el electrodo negativo: unos colectores de corriente primero a n-ésimo dispuestos en paralelo entre sí, donde n es un número entero entre 2 y 5; y
una capa de mezcla formada en una o ambas superficies de cada colector de corriente,
en el que la capa de mezcla formada sobre al menos uno de los colectores de corriente incluye un material activo que contiene un componente de silicio,
en el que la capa de mezcla formada sobre otro o más de los colectores de corriente incluye un material activo que contiene un componente de carbono, y
en el que uno o más extremos de los colectores de corriente primero a n-ésimo se acoplan para conectarse eléctricamente,
en el que, en la capa de mezcla que comprende un material activo que contiene un componente de silicio, un contenido del material activo que contiene el componente de silicio está comprendido en un intervalo del 50 al 100 % en peso, basándose en el 100 % en peso de la capa de mezcla que incluye el material activo que contiene el componente de silicio, y
en el que, en la capa de mezcla que incluye un material activo que contiene un componente de carbono, un contenido del material activo que contiene el componente de carbono está comprendido en un intervalo del 90 al 98 % en peso, basándose en el 100 % en peso de la capa de mezcla que incluye el material activo que contiene el componente de carbono.
2. El electrodo negativo de la reivindicación 1, en el que el material activo que comprende un componente de silicio contiene uno o más seleccionados del grupo que consiste en silicio (Si), óxido de silicio (SiOx) y una aleación de silicio y metal (M), y en el que el metal (M) contiene al menos uno de Sn, Li, Zn, Mg, Cd, Ce, Ni, Fe, Cr y Ti; en el que 0<x≤2.
3. El electrodo negativo de la reivindicación 1, en el que un colector de corriente j-ésimo tiene la forma de una placa metálica en la que están formados una pluralidad de agujeros pasantes con dirección en grosor, y en el que j es un número entero entre 1 y n.
4. El electrodo negativo de la reivindicación 1, en el que un electrodo negativo k-ésimo que comprende un colector de corriente k-ésimo y una capa de mezcla k-ésima, formada en una o ambas superficies del colector de corriente késimo; y un electrodo negativo (k+1)-ésimo que comprende un colector de corriente (k+1)-ésimo y una capa de mezcla (k+1)-ésima, formada en una o ambas superficies del colector de corriente (k+1)-ésimo, tienen una estructura que no contacta entre sí en una zona de parte revestida donde la capa de mezcla está formada sobre el colector de corriente, y
en el que k es un número entero entre 1 y n-1.
5. El electrodo negativo de la reivindicación 1, que comprende además:
unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí;
una primera capa de mezcla (111, 211) formada en una o ambas superficies del primer colector de corriente (110, 210, 310) y que incluye un material activo que contiene un componente de silicio; y
una segunda capa de mezcla (211, 221) formada en una o ambas superficies del segundo colector de corriente y que incluye un material activo que contiene un componente de carbono.
6. El electrodo negativo de la reivindicación 5, en el que el primer colector de corriente (110, 210, 310) tiene la forma de una placa metálica en la que están formados una pluralidad de agujeros pasantes con dirección en grosor.
7. El electrodo negativo de la reivindicación 5, que comprende además:
unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí;
una primera capa de mezcla (111, 211) formada en una superficie del primer colector de corriente (110, 210, 310); y una segunda capa de mezcla (211, 221) formada en una superficie del segundo colector de corriente,
en el que la primera capa de mezcla (111, 211) está formada en una superficie opuesta a la superficie del primer colector de corriente (110, 210, 310) que mira al segundo colector de corriente, y
en el que la segunda capa de mezcla (211, 221) está formada en una superficie del segundo colector de corriente que mira al primer colector de corriente (110, 210, 310).
8. El electrodo negativo de la reivindicación 1, que comprende además:
unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí;
una primera capa de mezcla (111, 211) formada en una superficie del primer colector de corriente (110, 210, 310); y una segunda capa de mezcla (211, 221) formada en una superficie del segundo colector de corriente,
en el que las capas de mezcla primera y segunda (211, 221) están formadas en superficies opuestas de los colectores de corriente primero y segundo, respectivamente.
9. El electrodo negativo de la reivindicación 1, que comprende además:
unos colectores de corriente primero y segundo dispuestos en paralelo entre sí;
una primera capa de mezcla (111, 211) formada en ambas superficies del primer colector de corriente (110, 210, 310); y
una segunda capa de mezcla (211, 221) formada en una superficie del segundo colector de corriente,
en el que la segunda capa de mezcla (211, 221) está formada en una superficie del segundo colector de corriente que mira al primer colector de corriente (110, 210, 310).
10. Una batería secundaria que comprende un electrodo positivo (20), un electrodo negativo (100, 200, 300) y un separador (10), interpuesto entre el electrodo positivo (20) y el electrodo negativo, en la que el electrodo negativo es un electrodo negativo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
11. La batería secundaria de la reivindicación 10, en la que la batería secundaria es una batería secundaria de litio de tipo bolsa.
ES20887999T 2019-11-11 2020-11-04 Anodo que incluye múltiples colectores de corriente yuxtapuestos en paralelo y batería secundaria que comprende el mismo Active ES2950862T3 (es)

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