ES2968280T3 - Método de fabricación de una célula de batería con forma de bolsa que comprende una graduación con plantilla - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para fabricar una celda de batería de tipo bolsa que comprende un material activo de ánodo a base de silicio, que comprende: (a) una etapa de inyectar una solución electrolítica en una caja de batería de tipo bolsa en la que se aloja un conjunto de electrodos. ; (b) una etapa de formación primaria de carga/descarga de una celda de batería de tipo bolsa en la que se inyecta la solución electrolítica; (c) colocar la celda de batería de tipo bolsa en una plantilla para realizar la fijación y presurización; y (d) una etapa de nivelación de la plantilla para llevar a cabo la carga/descarga en un estado en el que se aplica presión a la plantilla. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de fabricación de una célula de batería con forma de bolsa que comprende una graduación con plantilla
[Sector de la técnica]
La presente solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud de patente coreana N.° 2017-0119815 presentada el 18 de septiembre de 2017 ante la Oficina de Propiedad Intelectual de Corea.
La presente invención se refiere a un método de fabricación de una célula de batería con forma de bolsa que incluye una graduación con plantilla y, más particularmente, a un método de fabricación de una célula de batería con forma de bolsa que incluye un proceso para fijar la célula de batería con forma de bolsa usando una plantilla y un proceso para realizar la graduación con plantilla en el estado en el que se aplica presión a la plantilla.
[Estado de la técnica]
A medida que ha aumentado la demanda de dispositivos móviles, también ha aumentado considerablemente la demanda de baterías secundarias como fuentes de energía para los dispositivos móviles. Las baterías secundarias de litio se pueden clasificar en baterías cilíndricas, una batería prismática y una batería con forma de bolsa basada en la forma de una caja de batería. Cada una de entre la batería cilíndrica y la batería prismática es una batería que está configurada para que tenga una estructura en la que se monta un conjunto de electrodos en una lata de metal. La batería con forma de bolsa es una batería que generalmente está configurada para que tenga una estructura en la que se monta un conjunto de electrodos en una caja de batería con forma de bolsa hecha de una chapa de laminado de aluminio. Entre estas baterías, la batería con forma de bolsa, que se puede apilar con alta integración, tiene una alta densidad de energía por unidad de peso, es económica y puede modificarse fácilmente, ha atraído una atención considerable en los últimos años.
Uno de los principales proyectos de investigación para una batería con forma de bolsa, cuya superficie externa es blanda, es aumentar la relación entre capacidad y volumen de la batería con forma de bolsa mejorando al mismo tiempo la seguridad de la batería con forma de bolsa. Una batería secundaria de litio, que está constituida por un conjunto de electrodos, puede explotar debido a la temperatura y la presión elevadas en la batería secundaria, que pueden producirse por un estado anormal de la batería secundaria, tal como un cortocircuito en la batería secundaria, la sobrecarga de la batería secundaria con una corriente o un voltaje superiores a los permitidos, la exposición de la batería secundaria a temperaturas elevadas o la deformación de la batería secundaria debido a una caída o a un impacto externo aplicado a la misma.
Generalmente, en el caso en el que se usa un material activo de electrodo negativo a base de silicio como material activo de electrodo negativo de una batería secundaria, el cambio en el volumen del material activo de electrodo negativo es grande y la cantidad de una solución electrolítica se reduce rápidamente durante la carga y descarga de la batería secundaria, por lo que se deterioran las características del ciclo de la batería secundaria, en comparación con el caso en el que se usa un material activo de electrodo negativo a base de grafito.
Además, cuando se realiza un proceso de formación para cargar y descargar una célula de batería con el fin de activar la célula de batería, la célula de batería se deforma mucho, puesto que el cambio en el volumen del material activo de electrodo negativo a base de silicio es grande, por lo que aumenta la tasa de defectos de la célula de batería.
En relación con esto, el Documento de patente 1 desvela un método de fabricación de una batería secundaria, en donde se realiza un proceso de carga y descarga para establecer el grado de capacidad de la batería y un proceso de carga de envío antes de un proceso de desgasificación para retirar el gas de la célula de batería. Sin embargo, este documento de patente no sugiere una tecnología detallada que sea capaz de aumentar la velocidad a la que se impregna un conjunto de electrodos con una solución electrolítica.
El Documento de patente 2 desvela un dispositivo de sujeción por presión utilizado para evitar la deformación de una célula de batería durante la carga y descarga de la célula de batería. Sin embargo, este documento de patente no desvela un método de reducción de la cantidad de una solución electrolítica que se descarga en un proceso de desgasificación de la célula de batería.
El Documento de patente 3 desvela un método de fabricación de una célula de batería que incluye un proceso de presión de la superficie exterior de una caja de batería con el fin de inducir presión de punta en un conjunto de electrodos antes de un proceso de carga y descarga para activar la célula de batería con el fin de minimizar un cambio en el espesor del conjunto de electrodos que puede producirse en el proceso de activación, reduciendo de este modo la resistencia en la célula de batería, y el Documento de patente 4 desvela una plantilla de carga y descarga para cargar y descargar una batería de polímero de litio en el estado en el que un electrodo de la batería de polímero de litio está en contacto estrecho con un miembro de conducción de corriente como resultado del soporte forzoso de un miembro de medición de voltaje.
Sin embargo, los Documentos de patente 3 y 4 no desvelan un método de aumento de la velocidad a la que el conjunto de electrodos se impregna con una solución electrolítica.
Por lo tanto, existe una necesidad urgente de tecnología que sea capaz de aumentar la velocidad a la que un conjunto de electrodos se impregna con una solución electrolítica en el momento de fabricar una batería secundaria con forma de bolsa, mejorando de este modo las características de vida útil de la batería, y que sea capaz de evitar la deformación de la caja de batería, reduciendo de este modo la tasa de defectos de la batería.
(Documento de patente 1) Publicación de patente coreana N.° 2017-0033601
(Documento de patente 2) Publicación de patente japonesa N.° 2016-515291
(Documento de patente 3) Publicación de patente coreana N.° 2016-0132572
(Documento de patente 4) Patente registrada coreana N.° 0987942
Puede encontrarse técnica anterior pertinente adicional en los documentos KR 20150015303 A, KR 2017 0021213 A y KR 20150082957 A, relativos a protocolos de activación de baterías con forma de bolsa.
[Objeto de la invención]
[Problema técnico]
La presente invención se ha realizado en vista de los problemas anteriores y otros problemas técnicos que aún deben resolverse, y un objeto de la presente invención es proporcionar un método de fabricación de una célula de batería con forma de bolsa que sea capaz de realizar una etapa de formación primaria en una célula de batería con forma de bolsa en la que se inyecta una solución electrolítica, colocar la célula de batería con forma de bolsa en una plantilla y realizar una etapa de graduación con plantilla para fabricar la célula de batería con forma de bolsa, por lo que es posible evitar que la célula de batería se deforme en un proceso de formación para cargar y descargar la célula de batería, aumentar la velocidad a la que un conjunto de electrodos se impregna con la solución electrolítica, aumentar la capacidad de la célula de batería con forma de bolsa y mejorar las características de vida útil de la célula de batería con forma de bolsa.
[Solución técnica]
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, los objetivos anteriores y otros pueden lograrse proporcionando un método de fabricación de una célula de batería con forma de bolsa, incluyendo el método (a) inyectar una solución electrolítica en una caja de batería con forma de bolsa, en la que se monta un conjunto de electrodos, (b) cargar y descargar la célula de batería con forma de bolsa en la que se inyecta la solución electrolítica (una etapa de formación primaria), (c) colocar la célula de batería con forma de bolsa en una plantilla configurada para fijar y prensar la célula de batería con forma de bolsa, y (d) cargar y descargar la célula de batería con forma de bolsa en el estado en el que se aplica presión a la plantilla (una etapa de graduación con plantilla), en donde el conjunto de electrodos está constituido por un electrodo negativo que comprende un material activo de electrodo negativo a base de silicio, de acuerdo con la reivindicación independiente 1.
Es decir, el método de fabricación de la célula de batería con forma de bolsa de acuerdo con la presente invención incluye un proceso de carga y descarga de una célula de batería con forma de bolsa a la que se le inyecta una solución electrolítica mientras se aplica presión a la célula de batería con forma de bolsa en el estado en el que la célula de batería con forma de bolsa se fija mediante una plantilla.
En general, en el momento de cargar y descargar la célula de batería con forma de bolsa, la caja de batería puede hincharse o distorsionarse debido a la expansión del conjunto de electrodos o la generación de gas en la célula de batería con forma de bolsa. En el caso en el que la célula de batería con forma de bolsa se carga y descarga en el estado en el que se coloca en la plantilla, como en la presente invención, es posible evitar la deformación de la célula de batería y, por lo tanto, evitar un aumento en la tasa de defectos debido al deterioro del aspecto externo de la célula de batería.
Además, en el caso de una batería de alta capacidad, una solución electrolítica se descarga de la batería durante un proceso de desgasificación, por lo que se reduce la cantidad restante de la solución electrolítica, lo que puede reducir la vida útil de la batería. En el caso en el que la célula de batería con forma de bolsa se carga en el estado en el que se coloca en la plantilla, como en la presente invención, la solución electrolítica se introduce en los poros formados en el electrodo expandido, por lo que la cantidad de la solución electrolítica que se impregna aumenta y, por lo tanto, es posible reducir la cantidad de solución electrolítica que se descarga durante un proceso de desgasificación. Por consiguiente, es posible resolver un problema en el que las características del ciclo de la célula de batería se deterioran debido a una cantidad restante insuficiente de la solución electrolítica.
En un ejemplo concreto, el conjunto de electrodos puede estar constituido por un electrodo negativo que incluye un material activo de electrodo negativo a base de silicio. Por ejemplo, el material activo de electrodo negativo a base de silicio puede ser al menos uno seleccionado del grupo que consiste en SiC, SiO, SiM y una combinación de los mismos, y M puede incluir uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en Ni, Co, B, Cr, Cu, Fe, Mn, Ti, Y, y una combinación de los mismos.
En general, puede usarse carbono, óxido de metal de transición de litio o un compuesto a base de silicio como material activo de electrodo negativo de una batería secundaria. De acuerdo con la invención, el compuesto a base de silicio se usa como el material activo de electrodo negativo, las partículas de silicio pueden adsorber electroquímicamente, almacenar y descargar átomos de litio, por lo que la estructura cristalina de las partículas de silicio se puede cambiar. A medida que las partículas de silicio adsorben electroquímicamente, almacenan y descargan los átomos de litio, la composición y la estructura cristalina de las partículas de silicio cambian a Si (estructura cristalina: Fd3m), LiSi (estructura cristalina: I41/a), Li<2>Si (estructura cristalina: C2/m), Li7Si2 (Pbam) o Li22Si5 (F23). A medida que cambia la estructura cristalina de las partículas de silicio, como se ha descrito anteriormente, el volumen de las partículas de silicio llega a ser aproximadamente 4 veces mayor que el volumen de las partículas de silicio antes de introducir el litio en las mismas. A medida que aumenta el número de poros formados entre las partículas de silicio expandidas, aumenta la cantidad de solución electrolítica que se impregna.
En el caso en el que se usa un compuesto a base de silicio que incluye silicio como material activo de electrodo negativo, como se ha descrito anteriormente, la cantidad de solución electrolítica que se impregna se puede aumentar. En el caso en el que se impide que la solución electrolítica se descargue fácilmente al exterior, por lo tanto, es posible mejorar las características de vida útil de la célula de batería.
La plantilla puede configurarse para que tenga una estructura capaz de recibir una pluralidad de células de batería con forma de bolsa. Específicamente, la plantilla puede configurarse para que tenga una estructura en la que se proporciona una pluralidad de miembros de soporte con el fin de fijar las células de batería con forma de bolsa en dirección vertical de manera que los terminales de electrodo de las células de batería con forma de bolsa sobresalgan hacia arriba.
En un ejemplo concreto, el método puede incluir además (e) descargar gas de la célula de batería que ha experimentado una graduación con plantilla (una etapa de desgasificación) después de la etapa (d). El proceso de desgasificación puede realizarse usando un método de realización de succión al vacío y aplicando presión con el fin de retirar el gas generado de la célula de batería en la etapa de graduación con plantilla. Puesto que tanto la solución electrolítica como el gas se descargan al exterior, sin embargo, el proceso de desgasificación debe realizarse cuidadosamente para una batería de alta capacidad que requiere una cantidad excesiva de solución electrolítica.
En el caso en el que la etapa de desgasificación se realiza después de la etapa de graduación con plantilla, el gas se descarga de la célula de batería después de aumentar la cantidad restante de la solución electrolítica en el material activo de electrodo negativo expandido. Por consiguiente, es posible reducir la cantidad de solución electrolítica que se descarga en el proceso de desgasificación.
La solución electrolítica puede inyectarse usando un método de inyección general o un método de inyección al vacío. En el método de inyección general, se inyecta una cantidad predeterminada de solución electrolítica en una bolsa usando una pipeta en el estado en el que una célula de batería está erguida verticalmente, y después se realiza un proceso de humectación en una atmósfera de vacío durante aproximadamente 3 a 5 minutos.
El método de inyección al vacío se realiza de la siguiente manera.
Se coloca una célula de batería en una cámara de inyección al vacío en el estado en el que las placas se disponen en superficies opuestas de la célula de batería, y después el interior de la cámara se mantiene en un estado de vacío durante 1 minuto en el estado en el que se inserta una boquilla de inyección de solución electrolítica en la célula de batería. Se abre una válvula de rotura de vacío con el fin de ajustar el grado de vacío en la cámara a un nivel deseado y después se abre una válvula de inyección de solución electrolítica para inyectar una solución electrolítica en la célula de batería. Después de la inyección de la solución electrolítica, la válvula de rotura de vacío se abre con el fin de romper el vacío, mientras que la superficie de la solución electrolítica se mantiene durante aproximadamente 1 a 5 minutos con el fin de mejorar la eficiencia de humectación, y después la célula de batería se retira de la cámara.
Por consiguiente, se prefiere usar el método de inyección al vacío con el fin de conseguir una eficacia uniforme en la impregnación del conjunto de electrodos con la solución electrolítica.
El método puede incluir además el envejecimiento de la célula de batería con forma de bolsa antes y después de la etapa de formación primaria. Este proceso de envejecimiento puede ser un proceso para mantener el estado de la célula de batería uniforme o cambiar lentamente el estado de la célula de batería con el fin de envejecer la célula de batería.
El proceso de envejecimiento puede incluir un proceso de envejecimiento a temperatura normal y un proceso de envejecimiento a temperatura elevada. El proceso de envejecimiento a temperatura normal puede realizarse a una temperatura de 18 °C a 27 °C y el proceso de envejecimiento a temperatura elevada puede realizarse a una temperatura de al menos 50 °C a 70 °C.
Específicamente, la solución electrolítica se inyecta antes de la etapa de formación primaria. Con el fin de impregnar suficientemente el conjunto de electrodos con la solución electrolítica, la célula de batería puede envejecerse a una temperatura normal durante aproximadamente 3 días. Después de la etapa de formación primaria, la célula de batería puede envejecerse a una temperatura normal durante aproximadamente 1 día para estabilizar la batería después que la batería se carga y se descarga.
De conformidad con otro aspecto de la presente invención, se proporciona una célula de batería con forma de bolsa fabricada usando el método de fabricación de la célula de batería con forma de bolsa.
Una batería secundaria de acuerdo con la presente invención puede ser una batería secundaria de litio configurada para que tenga una estructura en la que un conjunto de electrodos, en el que se interpone un separador entre un electrodo positivo y un electrodo negativo, se impregna con una solución electrolítica no acuosa que contiene sal de litio.
El electrodo positivo se fabrica, por ejemplo, aplicando una mezcla de electrodo positivo que incluye un material activo de electrodo positivo a un colector de corriente de electrodo positivo y secando la mezcla de electrodo positivo. La mezcla de electrodo positivo puede incluir además selectivamente un aglutinante, un agente conductor y una carga según sea necesario.
En general, el colector de corriente de electrodo positivo se fabrica generalmente para que tenga un espesor de 3 a 500 pm. El colector de corriente de electrodo positivo no se restringe particularmente, siempre que el colector de corriente de electrodo positivo presente una conductividad elevada mientras que el colector de corriente de electrodo positivo no induzca ningún cambio químico en una batería a la que se le aplica el colector de corriente de electrodo positivo. Por ejemplo, el colector de corriente de electrodo positivo puede estar hecho de acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio o carbono plástico. Como alternativa, el colector de corriente de electrodo positivo puede estar hecho de aluminio o acero inoxidable, cuya superficie se trata con carbono, níquel, titanio o plata. Además, el colector de corriente de electrodo positivo puede tener un patrón desigual a microescala formado sobre la superficie del mismo para aumentar la fuerza de adhesión del material activo de electrodo positivo, de la misma manera que el colector de corriente de electrodo negativo. El colector de corriente de electrodo positivo puede configurarse de diversas formas, tales como las de una película, una chapa, una lámina, una banda, un cuerpo poroso, un cuerpo de espuma y un cuerpo de tejido no tejido.
El material activo de electrodo positivo es un material que es capaz de inducir una reacción electroquímica. El material activo de electrodo positivo puede ser un óxido de metal de transición de litio que incluya dos o más metales de transición. Por ejemplo, el material activo de electrodo positivo puede ser, pero sin limitación, un compuesto estratificado, tal como un óxido de litio y cobalto (LiCoÜ<2>) o un óxido de litio y níquel (LiNiCh) sustituidos con uno o más metales de transición; un óxido de litio y manganeso sustituido con uno o más metales de transición; un óxido a base de litio y níquel representado por la fórmula química LiNii-yMyO<2>(donde M = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B, Cr, Zn o Ga, al menos uno de los cuales está incluido, y 0,01 < y < 0,7); un óxido compuesto de litio, níquel, cobalto y manganeso representado por la fórmula química Lh+zNibMncCo<1>-(b+c+d)MdO(<2>-e)Ae (donde -0,5 < z < 0,5, 0,1 < b < 0,8, 0,1 < c < 0,8, 0 < d < 0,2, 0 < e < 0,2, b c d < 1, M = Al, Mg, Cr, Ti, Si o Y, y A = F, P o Cl), tal como Ü1+zNh/3Co1/3Mn1/3O2 o Li1+zNi0,4Mn0,4Co0,2C2; o fosfato de metal de litio a base de olivino representado por la fórmula química Li1+xM1-yM'yPO4-zXz (donde M = un metal de transición, preferentemente Fe, Mn, Co o Ni, M' = Al, Mg o Ti, X = F, S o N, -0,5 < x < 0,5, 0 < y < 0,5 y 0 < z < 0,1).
El agente conductor se añade generalmente de manera que el agente conductor represente del 1 al 30 % en peso basándose en el peso total del compuesto que incluye el material activo de electrodo positivo. El agente conductor no se restringe particularmente, siempre que el agente conductor presente una conductividad elevada sin inducir ningún cambio químico en una batería a la que se le aplica el agente conductor. Por ejemplo, como agente conductor puede usarse grafito, tal como grafito natural o grafito artificial; negro de humo, tal como negro de humo, negro de acetileno, negro de Ketjen, negro de canal, negro de horno, negro de lámpara o negro de verano; fibra conductora, tal como fibra de carbono o fibra metálica; polvo metálico, tal como polvo de fluoruro de carbono, polvo de aluminio o polvo de níquel; filamento conductor, tal como un óxido de cinc o titanato de potasio; un óxido de metal conductor, tal como un óxido de titanio; o materiales conductores, tales como derivados de polifenileno.
El aglutinante es un componente que ayuda a la unión entre el material activo y el agente conductor y a la unión con el colector de corriente. El aglutinante generalmente se añade en una cantidad del 1 al 30 % en peso basándose en el peso total del compuesto que incluye el material activo de electrodo positivo. Como ejemplos del aglutinante, puede usarse fluoruro de polivinilideno, alcohol polivinílico, carboximetilcelulosa (CMC), almidón, hidroxipropilcelulosa, celulosa regenerada, polivinil pirrolidona, tetrafluoroetileno, polietileno, polipropileno, terpolímero de etileno-propilenodieno (EPDM), EPDM sulfonado, caucho de estireno butadieno, caucho fluorado y diversos copolímeros.
La carga es un componente opcional utilizado para inhibir la expansión del electrodo. No hay ningún límite particular para la carga, siempre que la carga esté hecha de un material fibroso y que la carga no provoque cambios químicos en una batería a la que se le aplica la carga. Como ejemplos de la carga, pueden usarse polímeros a base de olefina, tales como polietileno y polipropileno; y materiales fibrosos, tales como fibra de vidrio y fibra de carbono.
El electrodo negativo puede fabricarse, por ejemplo, aplicando una mezcla de electrodo negativo que incluye un material activo de electrodo negativo a un colector de corriente de electrodo negativo y secando la mezcla de electrodo negativo. La mezcla de electrodo negativo puede incluir los componentes descritos anteriormente, tales como un agente conductor, un aglutinante y una carga, según sea necesario.
En general, el colector de corriente de electrodo negativo se fabrica para que tenga un espesor de 3 a 500 pm. El colector de corriente de electrodo negativo no se restringe particularmente, siempre que el colector de corriente de electrodo negativo presente una conductividad elevada mientras que el colector de corriente de electrodo negativo no induzca ningún cambio químico en una batería a la que se le aplica el colector de corriente de electrodo negativo. Por ejemplo, el colector de corriente de electrodo negativo puede estar hecho de cobre, acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio o carbono plástico. Como alternativa, el colector de corriente de electrodo negativo puede estar hecho de cobre o acero inoxidable, cuya superficie se trata con carbono, níquel, titanio o plata, o una aleación de aluminio y cadmio. Además, el colector de corriente de electrodo negativo puede tener un patrón desigual a microescala formado sobre la superficie del mismo para aumentar la fuerza de adhesión del material activo de electrodo negativo, de la misma manera que el colector de corriente de electrodo positivo. El colector de corriente de electrodo negativo puede configurarse de diversas formas, tales como las de una película, una chapa, una lámina, una banda, un cuerpo poroso, un cuerpo de espuma y un cuerpo de tejido no tejido.
El material activo de electrodo negativo incluye el compuesto a base de silicio descrito anteriormente. Como el material activo de electrodo negativo, por ejemplo, puede usarse carbono, tal como un carbono duro o un carbono a base de grafito; un óxido compuesto de metal, tal como LixFe2Ü3 (0 < x < 1), LixWO<2>(0 < x < 1) o SnxMei-xMe'yOz (Me: Mn, Fe, Pb, Ge; Me': Al, B, P, Si, Elementos del grupo 1, 2 y 3 de la tabla periódica, halógeno; 0<x < 1; 1 < y < 3; 1 < z < 8); metal de litio; aleación de litio; aleación a base de silicio; aleación a base de estaño; un óxido metálico, tal como SnO, SnO<2>, PbO, PbO<2>, Pb2O3, Pb3O4, Sb2O3, Sb2O4, Sb<2>Os, GeO, GeO<2>, Bi2O3, Bi2O4 o BbOs; un polímero conductor, tal como poliacetileno; o un material a base de Li-Co-Ni.
El aglutinante, el agente conductor y otros componentes añadidos según sea necesario son idénticos a los descritos en relación con el electrodo positivo.
Dependiendo de las circunstancias, puede añadirse selectivamente una carga como componente utilizado para inhibir la expansión del electrodo negativo. No existe ningún límite particular para la carga siempre que la carga esté hecha de un material fibroso y que la carga no provoque cambios químicos en una batería a la que se le aplica la carga. Como ejemplos de la carga, pueden usarse polímeros de olefina, tales como polietileno y polipropileno; y materiales fibrosos, tales como fibra de vidrio y fibra de carbono.
Además, pueden incluirse además selectivamente otros componentes, tales como un agente controlador de la viscosidad y un promotor de la adhesión, ya sea solos o en forma de una combinación de dos o más componentes.
El agente controlador de la viscosidad es un componente para controlar la viscosidad de la mezcla de electrodos para facilitar la mezcla de la mezcla de electrodos y la aplicación como recubrimiento de los mismos sobre el colector de corriente. El agente controlador de la viscosidad puede añadirse en una cantidad de hasta el 30 % en peso basándose en el peso total de la mezcla de electrodo negativo. Los ejemplos del agente controlador de la viscosidad incluyen, sin limitación, carboximetilcelulosa y fluoruro de polivinilideno. Sin embargo, la presente invención no se limita a los mismos. Dependiendo de las circunstancias, el disolvente descrito anteriormente también puede actuar como agente controlador de la viscosidad.
El promotor de la adhesión es un componente auxiliar que se añade para mejorar la adhesión entre el material activo de electrodo y el colector de corriente de electrodo. El promotor de la adhesión puede añadirse en una cantidad del 10 % en peso o menos basándose en la cantidad del aglutinante. Los ejemplos del promotor de la adhesión incluyen, sin limitación, ácido oxálico, ácido adípico, ácido fórmico, derivados del ácido acrílico y derivados del ácido itacónico.
El separador se interpone entre el electrodo positivo y el electrodo negativo. Como separador, por ejemplo, se usa una película delgada aislante que presenta una permeabilidad elevada a los iones y resistencia mecánica. El separador tiene generalmente un diámetro de poro de 0,01 a 10 pm y un espesor de 5 a 300 pm. Como material para el separador, por ejemplo, se usa una chapa o un tejido no tejido hechos de polímero de olefina, tal como polipropileno, que presenta resistencia química e hidrofobia, fibra de vidrio o polietileno. En el caso en el que un electrolito sólido, tal como un polímero, se usa como electrolito, el electrolito sólido también puede actuar como separador.
La solución electrolítica no acuosa que contiene sal de litio se compone de una solución electrolítica y sal de litio. Como solución electrolítica puede usarse un disolvente orgánico no acuoso, un electrolito sólido orgánico o un electrolito sólido inorgánico.
Como ejemplos del disolvente orgánico no acuoso, pueden mencionarse disolventes orgánicos apróticos, tales como N-metil-2-pirrolidinona, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de butileno, carbonato de dimetilo, carbonato de dietilo, gamma-butirolactona, 1,2-dimetoxietano, tetrahidroxi Franc, 2-metil-tetrahidrofurano, dimetilsulfóxido, 1,3-dioxolano, formamida, dimetilformamida, dioxolano, acetonitrilo, nitrometano, formiato de metilo, acetato de metilo, triéster del ácido fosfórico, trimetoximetano, derivados de dioxolano, sulfolano, metil sulfolano, 1,3-dimetil-2-imidazolidinona, derivados de carbonato de propileno, derivados de tetrahidrofurano, éter, propionato de metilo y propionato de etilo.
Como ejemplos del electrolito sólido orgánico, pueden mencionarse derivados de polietileno, derivados de óxido de polietileno, derivados de óxido de polipropileno, polímeros de éster de ácido fosfórico, lisina de poli agitación, sulfuro de poliéster, alcoholes polivinílicos, fluoruro de polivinilideno y polímeros que contienen grupos de disociación iónica.
Como ejemplos del electrolito sólido inorgánico, pueden mencionarse nitruros, haluros y sulfatos de litio (Li), tales como Li3N, LiI, Li5NI2, U<3>N-UI-UOH, LiSiO4, LiSiO4-LiI-LiOH, Li2SiS3, U<4>SO<4>, U<4>SO<4>-UI-UOH y Li3PO4-Li2S-SiS2.
La sal de litio es un material que es fácilmente soluble en el electrolito no acuoso mencionado anteriormente y puede incluir, por ejemplo, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiBF4, LiB<10>Cl<10>, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCU, CH3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, litio cloroborano, litio de ácido carboxílico alifático inferior, tetrafenilborato de litio e imida.
Además, con el fin de mejorar las características de carga y descarga y el retardo de la llama, puede añadirse a la solución electrolítica no acuosa, por ejemplo, piridina, trietilfosfito, trietanolamina, éter cíclico, etilendiamina, n-glima, triamida hexafosfórica, derivados de nitrobenceno, azufre, colorantes de quinona imina, oxazolidinona N-sustituida, imidazolidina N,N-sustituida, etilenglicoldialquiléter, sales de amonio, pirrol, 2-metoxietanol, tricloruro de aluminio o similares. Dependiendo de las circunstancias, con el fin de transmitir incombustibilidad a la misma, la solución electrolítica no acuosa puede incluir además disolventes que contengan halógenos, tales como tetracloruro de carbono y trifluoruro de etileno. Además, con el fin de mejorar las características de retención de temperatura elevada de la misma, la solución electrolítica no acuosa puede incluir además gas de dióxido de carbono. Por otra parte, pueden incluirse además carbonato de fluoroetileno (FEC) y propensulfona (PRS).
En un ejemplo preferido, puede añadirse sal de litio, tal como LiPF6, LiClO4, LiBF4 o LiN(SO2CF3)2, a una mezcla de disolventes de carbonato cíclico, tal como EC o PC, que es un disolvente de dieléctrico elevado, y carbonato lineal, tal como DEC, DMC o EMC, que es un disolvente de baja viscosidad, con el fin de fabricar un electrolito no acuoso que contiene sal de litio.
La célula de batería con forma de bolsa se fabrica realizando un proceso de graduación con plantilla en el estado en el que la célula de batería con forma de bolsa está fijada por la plantilla. En comparación con una célula de batería con forma de bolsa que no está sujeta al proceso anterior, es posible fabricar una célula de batería que tiene una mayor capacidad. Por ejemplo, la célula de batería con forma de bolsa puede tener una capacidad de 3.400 mAh a 3.500 mAh. En el caso en el que la célula de batería con forma de bolsa se fabrica para que tenga una capacidad de diseño de 3.426 mAh, es posible fabricar una célula de batería con forma de bolsa que tenga el intervalo de capacidad descrito anteriormente.
Además, la cantidad restante de solución electrolítica en la célula de batería con forma de bolsa puede variar de 2,5 g/Ah a 3,0 g/Ah. En el caso en el que no se usa la plantilla, la cantidad restante de solución electrolítica en la célula de batería con forma de bolsa es de 1,6 g/Ah a 1,7 g/Ah. Por consiguiente, puede observarse que, en el caso en el que se usa la plantilla, como en la presente invención, es posible proporcionar una batería secundaria impregnada con una cantidad mayor de solución electrolítica y que tiene, por lo tanto, características de vida útil mejoradas.
[Descripción de las figuras]
La FIG. 1 es una vista en perspectiva que muestra una plantilla para fijar una célula de batería con forma de bolsa. La FIG. 2 es una vista frontal que muestra el estado en el que las células de batería con forma de bolsa están fijadas mediante la plantilla de la FIG. 1.
La FIG. 3 es una fotografía que muestra la deformación de células de batería con forma de bolsa fabricadas de acuerdo con el Ejemplo 1 y el Ejemplo Comparativo 1.
[Descripción detallada de la invención]
A continuación, las realizaciones preferidas de la presente invención se describirán en detalle con referencia a los dibujos adjuntos, de manera que las realizaciones preferidas de la presente invención puedan ser implementadas fácilmente por un experto habitual en la materia a la que pertenece la presente invención. Al describir en detalle el principio de funcionamiento de las realizaciones preferidas de la presente invención, sin embargo, se omitirá una descripción detallada de las funciones y configuraciones conocidas incorporadas en el presente documento cuando las mismas puedan enturbiar la materia objeto de la presente invención.
Siempre que sea posible, se usarán los mismos números de referencia en todos los dibujos para referirse a piezas que realizan funciones u operaciones similares. Entretanto, en el caso en el que una pieza esté "conectada" a otra pieza en la siguiente descripción de la presente invención, no solo una pieza puede estar conectada directamente a la otra pieza, sino también, una pieza puede estar conectada indirectamente a la otra pieza a través de una pieza adicional. Además, que un determinado elemento esté "incluido" significa que no se excluyen otros elementos, sino que pueden incluirse a menos que se mencione otra cosa.
A continuación, se hará referencia en detalle a las realizaciones preferidas de la presente invención, ejemplos de las cuales se ilustran en los dibujos adjuntos.
La FIG. 1 es una vista en perspectiva que muestra esquemáticamente una plantilla para fijar una célula de batería con forma de bolsa de acuerdo con la presente invención.
Con referencia a la FIG. 1, la plantilla, indicada por el número de referencia 100, incluye una base 111 de tipo plano, en cuya superficie superior se ubica una célula de batería con forma de bolsa, porciones 112, 113, 114 y 115 de soporte fijadas a la base 111 para extenderse perpendicularmente desde la base 111 para fijar una célula de batería con forma de bolsa, y porciones 121 de recepción de células de batería con forma de bolsa.
La plantilla 100 se configura para que tenga una estructura que incluya cuatro porciones 112, 113, 114 y 115 de soporte. La porción 112 de soporte y la porción 113 de soporte forman un par, y la porción 114 de soporte y la porción 115 de soporte forman otro par. Cada una de las porciones 112 y 113 de soporte y las porciones 114 y 115 de soporte se mueven entre sí para prensar una célula de batería ubicada en una correspondiente de las porciones 121 de recepción de células de batería. Con el fin de retirar una célula de batería que ha experimentado por un proceso de prensado y un proceso de formación, cada una de las porciones 112 y 113 de soporte y las porciones 114 y 115 de soporte se alejan entre sí.
En la FIG. 1, se ilustra que la plantilla 100 incluye cuatro porciones de soporte. Sin embargo, el número de porciones de soporte de una plantilla utilizada en un método de fabricación de acuerdo con la presente invención no se restringe particularmente. Una plantilla configurada para que tenga una estructura en la que se proporcionan dos o más porciones de soporte para prensar una célula de batería ubicada entre ellas puede caer dentro del alcance de la presente invención.
La FIG. 2 es una vista frontal que muestra esquemáticamente el estado en el que las células de batería con forma de bolsa están fijadas mediante la plantilla de la FIG. 1.
Con referencia a la FIG. 2, una célula de batería 131 con forma de bolsa está fijada entre la porción 112 de soporte y la porción 113 de soporte, y otra célula de batería 132 con forma de bolsa está fijada entre la porción 114 de soporte y la porción 115 de soporte.
La altura de cada una de las porciones 112, 113, 114 y 115 de soporte es mayor que la altura de una correspondiente de entre las células de batería 131 y 132 con forma de bolsa. Como se muestra en la figura, las porciones 112, 113, 114 y 115 de soporte están configuradas para prensar dos células de batería. Como alternativa, la plantilla puede configurarse para que tenga una estructura que incluya una pluralidad de porciones de soporte y una pluralidad de porciones de recepción de células de batería para prensar una célula de batería o prensar simultáneamente dos o más células de batería.
Cada una de las células de batería 131 y 132 está fijada en una correspondiente de entre las porciones 121 de recepción de células de batería en el estado en el que están erguidas en dirección vertical de manera que los terminales de electrodo de las mismas sobresalgan hacia arriba. Como alternativa, los terminales de electrodo pueden sobresalir lateralmente de la célula de batería, siempre que la célula de batería esté erguida en dirección vertical.
En el caso en el que la magnitud de la presión que se aplica a las células de batería se establece en el estado en el que las células de batería están ubicadas en la plantilla 100, las partes de soporte se mueven una hacia la otra para prensar las células de batería. En este estado, las células de la batería se cargan y descargan.
A continuación en el presente documento, la presente invención se describirá con referencia a los siguientes ejemplos. Estos ejemplos se proporcionan solamente como ilustración de la presente invención y no deben interpretarse como limitantes del alcance de la presente invención.
<Ejemplo 1>
Un conjunto de electrodos, configurado para que tenga una estructura en la que un electrodo positivo que incluye óxido de litio y cobalto, como material activo de electrodo positivo, y un electrodo negativo que incluye óxido de silicio, como material activo de electrodo negativo, se apilaron en el estado en el que un separador estaba interpuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, se colocó en una caja de batería con forma de bolsa y después se inyectaron 11 g de una solución electrolítica en la caja de batería en estado de vacío con el fin de fabricar una célula de batería con forma de bolsa.
La célula de batería con forma de bolsa se envejeció a una temperatura normal durante 3 días, y después la célula de batería se fijó mediante una plantilla que incluía una porción de recepción de células de batería con el fin de realizar un proceso de formación primario. La célula de batería se descargó a una velocidad de descarga de 0,1 °C para que tuviera un estado de carga (SOC, por sus siglas en inglés) del 17 % mientras que la célula de batería se prensaba a una presión de 0,5 kgf/cm2, y después se cargó a una velocidad de carga de 0,2 °C para que tuviera un SOC del 65 % mientras la célula de batería se prensaba a una presión de 3,4 kgf/cm2.
Posteriormente, la célula de batería se envejeció a una temperatura normal durante 1 día y después la célula de batería se fijó mediante la plantilla con el fin de realizar un proceso de graduación con plantilla. La célula de batería se cargó totalmente a una velocidad de carga de 0,2 °C para que tuviera un SOC del 55 % mientras que la célula de batería se prensaba a una presión de 0,5 kgf/cm2, y después se descargó totalmente a una velocidad de descarga de 0,2 °C para que tuviera un SOC del 55 % mientras la célula de batería se prensaba a una presión de 0,5 kgf/cm2. Se repitieron el proceso de carga total y el proceso de descarga total.
La célula de batería se retiró de la plantilla y después se midió la capacidad de la célula de batería y la cantidad restante de solución electrolítica. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
<Ejemplo 2>
Se fabricó una célula de batería de la misma manera que en el Ejemplo 1 excepto por que, en el proceso de graduación con plantilla, la célula de batería se prensó a una presión de 2 kgf/cm2 en el estado en el que la célula de batería estaba fijada por la plantilla.
La célula de batería fabricada se retiró de la plantilla y después se midió la capacidad de la célula de batería y la cantidad restante de solución electrolítica. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
<Ejemplo comparativo 1>
Se fabricó una célula de batería de la misma manera que en el Ejemplo 1 excepto por que no se realizó ningún proceso de graduación con plantilla.
La célula de batería fabricada se retiró de la plantilla y después se midió la capacidad de la célula de batería y la cantidad restante de solución electrolítica. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
<Ejemplo comparativo 2>
Se fabricó una célula de batería de la misma manera que en el Ejemplo 1 excepto por que no se realizó ningún proceso de graduación con plantilla y la solución electrolítica se inyectó usando un método de inyección general.
La célula de batería fabricada se retiró de la plantilla y después se midió la capacidad de la célula de batería y la cantidad restante de solución electrolítica. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
T l 1
Con referencia a la Tabla 1 anterior, las capacidades de las células de batería fabricadas de acuerdo con los Ejemplos 1 y 2 medidas después de realizar el proceso de graduación con plantilla fueron de 3.438,2 ± 6,3 mAh y 3.410,0 ± 5,3 mAh, respectivamente. Las capacidades de las células de batería fabricadas de acuerdo con los Ejemplos 1 y 2 fueron al menos aproximadamente 100 mAh mayores que las capacidades de las células de batería fabricadas de acuerdo con los Ejemplos comparativos 1 y 2.
Además, al comparar la cantidad restante de la solución electrolítica, la cantidad restante de la solución electrolítica en cada una de las células de batería fabricadas de acuerdo con los Ejemplos 1 y 2 fue de 10 g o más, mientras que la cantidad restante de la solución electrolítica en cada una de las células de batería fabricadas de acuerdo con los Ejemplos Comparativos 1 y 2 fue de aproximadamente 5 g. Es decir, la cantidad restante de la solución electrolítica en cada una de las células de batería fabricadas de acuerdo con los Ejemplos 1 y 2 aumentó aproximadamente un 100 % con respecto a la cantidad restante de la solución electrolítica en cada una de las células de batería fabricadas de acuerdo con los Ejemplos comparativos 1 y 2.
Entretanto, la FIG. 3 es una fotografía que muestra las células de batería con forma de bolsa fabricadas de acuerdo con el Ejemplo 1 y el Ejemplo Comparativo 1. La célula de batería fabricada de acuerdo con el Ejemplo 1 estaba ligeramente deformada, mientras que la porción media de la célula de batería fabricada de acuerdo con el Ejemplo Comparativo 1 era cóncava.
En el caso en el que la célula de batería se carga y descarga usando la plantilla de acuerdo con el método de fabricación de la presente invención, por lo tanto, la célula de batería está poco deformada, la capacidad de la célula de batería aumenta y la cantidad de solución electrolítica que queda en la célula de batería aumenta. Por consiguiente, es posible proporcionar una célula de batería que tenga características de vida útil mejoradas.
Los expertos en la materia a la que pertenece la presente invención apreciarán que son posibles diversas aplicaciones y modificaciones basándose en la descripción anterior, sin apartarse del alcance de la presente invención, de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.
100: Plantilla
111: Base de la plantilla
112, 113, 114, 115: Porciones de soporte de la plantilla
121: Porciones de recepción de células de batería de la plantilla
131, 132: Células de batería con forma de bolsa
[Aplicabilidad industrial]
Como se desprende de la descripción anterior, en un método de fabricación de una célula de batería con forma de bolsa de acuerdo con la presente invención, una célula de batería con forma de bolsa se somete a una etapa de formación primaria para cargar y descargar principalmente la célula de batería con forma de bolsa en el estado en el que una solución electrolítica se inyecta en la célula de batería con forma de bolsa, y después se realiza una graduación con plantilla con el fin de cargar y descargar secundariamente la célula de batería con forma de bolsa en el estado en el que la célula de batería con forma de bolsa está fijada mediante una plantilla. En ese momento, la plantilla prensa la célula de batería. Por consiguiente, es posible evitar que la célula de batería se deforme debido a la expansión de un conjunto de electrodos durante la carga y descarga de la célula de batería.
Además, puesto que la célula de batería se carga en el estado en el que está fijada mediante la plantilla, aumenta la cantidad de la solución electrolítica que se introduce en los poros formados en un electrodo negativo expandido. Como resultado, se reduce la cantidad de la solución electrolítica que se descarga en un proceso de desgasificación, por lo que es posible mejorar las características de vida útil de la célula de batería.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Un método de fabricación de una célula de batería con forma de bolsa, comprendiendo el método:
(a) inyectar una solución electrolítica en una caja de batería con forma de bolsa, en la que se monta un conjunto de electrodos;
(b) cargar y descargar la célula de batería con forma de bolsa en la que se inyecta la solución electrolítica (una etapa de formación primaria);
(c) colocar la célula de batería con forma de bolsa en una plantilla configurada para fijar y prensar la célula de batería con forma de bolsa; y
(d) cargar y descargar la célula de batería con forma de bolsa en un estado en el que se aplica presión a la plantilla (una etapa de graduación con plantilla),
en donde el conjunto de electrodos está constituido por un electrodo negativo que comprende un material activo de electrodo negativo a base de silicio.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde
el material activo de electrodo negativo a base de silicio es al menos uno seleccionado de un grupo que consiste en SiC, SiO, SiM y una combinación de los mismos, y
el M comprende cualquiera seleccionado de un grupo que consiste en Ni, Co, B, Cr, Cu, Fe, Mn, Ti, Y, y una combinación de los mismos.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la plantilla se configura para que tenga una estructura capaz de recibir una pluralidad de células de batería con forma de bolsa.
4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además (e) descargar gas de la célula de batería que ha experimentado una graduación con plantilla (una etapa de desgasificación) después de la etapa (d).
5. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la solución electrolítica se inyecta usando un método de inyección al vacío.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además envejecer la célula de batería con forma de bolsa antes y después de la etapa de formación primaria.
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