ES2973987T3 - Batería secundaria flexible - Google Patents

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ES2973987T3 ES18853062T ES18853062T ES2973987T3 ES 2973987 T3 ES2973987 T3 ES 2973987T3 ES 18853062 T ES18853062 T ES 18853062T ES 18853062 T ES18853062 T ES 18853062T ES 2973987 T3 ES2973987 T3 ES 2973987T3
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Yong-Hee Lee
Dong-Hyeon Kang
In-Sung Uhm
Sung-Joong Kang
Min-Chul Jang
Byoung-Kuk Son
Dong-Chan Lee
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LG Energy Solution Ltd
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Abstract

La presente invención proporciona un electrodo de metal litio y una batería secundaria de litio que comprende el electrodo de metal litio; y una batería secundaria flexible, comprendiendo el electrodo de metal litio: un colector de corriente que tiene una superficie superior con una estructura cóncavo-convexa; una capa de metal litio colocada fuera de una porción que excluye la superficie superior con la estructura cóncavo-convexa del colector de corriente; una capa de protección de electrones no conductora situada fuera de la capa de metal litio; y una capa de separación de iones de litio colocada en la superficie superior con la estructura cóncavo-convexa del colector de corriente, o en la superficie superior con la estructura cóncavo-convexa del colector de corriente, en el lado superior de la capa de metal litio, y en el lado superior de la capa de protección no conductora de electrones, en donde la capa de protección no conductora de electrones incluye una capa no porosa y una capa porosa de polímero colocada fuera de la capa no porosa. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Batería secundaria flexible
Campo técnico
La presente divulgación se refiere a una batería secundaria flexible.
La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente coreana n.° 10-2017-0114598 presentada el 7 de septiembre de 2017 y de la solicitud de patente coreana n.° 10-2017-0114599 presentada el 7 de septiembre de 2017 en la República de Corea.
Antecedentes de la técnica
A medida que han aumentado el desarrollo tecnológico y la necesidad de instrumentos móviles, ha aumentado la demanda de baterías secundarias investigables que puedan reducirse de tamaño y dotarse de alta capacidad. Además, entre tales baterías secundarias, se han comercializado y usado ampliamente baterías secundarias de litio que tienen alta densidad de energía y tensión.
Una batería secundaria de litio tiene una estructura en la que se apila o enrolla un conjunto de electrodos que incluye un cátodo, un ánodo y un separador interpuesto entre el cátodo y el ánodo, y se forma introduciendo el conjunto de electrodos en una carcasa de batería e inyectando un electrolito acuoso al mismo. La batería secundaria de litio genera energía eléctrica por oxidación/reducción tras la intercalación/desintercalación de iones de litio al interior/desde el cátodo y el ánodo.
En general, cuando se usa metal de litio como material activo para un electrodo, resulta ventajoso que pueda conseguirse una alta capacidad. Sin embargo, mientras una batería repite ciclos de carga/descarga, el metal de litio se disuelve o deposita por su ionización y crece en forma de litio dendrítico. Esto provoca un cortocircuito en la batería y litio muerto. Por tanto, existen problemas porque la batería tiene poca estabilidad y una vida corta.
Por tanto, se han realizado diversos intentos para inhibir el crecimiento de litio dendrítico. Sin embargo, los problemas mencionados anteriormente no se han resuelto por completo a día de hoy.
El documento JP 2015518644 se refiere a una batería secundaria de tipo lámina, a un método de preparación de la misma, a una batería secundaria que incluye la misma y a una batería secundaria de tipo cable, en la que la batería secundaria incluye una celda galvánica, una capa de material activo de electrodo formada sobre la celda galvánica, una capa multiporosa orgánica e inorgánica que incluye una partícula inorgánica y un polímero aglutinante, y una primera capa de soporte porosa formada sobre la capa multiporosa orgánica e inorgánica. El documento WO 2016/160958 divulga una estructura de batería con un cátodo, un electrolito y un ánodo de metal de litio recubierta con un recubrimiento de material compuesto que incluye una mezcla de un polímero y una fibra de refuerzo. El documento US 2013/0149605 divulga una batería secundaria de litio que tiene una alta capacidad de cargadescarga, puede cargarse y descargarse a alta velocidad y tiene poco deterioro de las características de la batería debido a la carga y descarga.
Divulgación
Problema técnico
La presente divulgación está diseñada para resolver los problemas de la técnica relacionada y, por tanto, la presente divulgación está dirigida a proporcionar un electrodo de litio tridimensional que inhibe el crecimiento no uniforme de litio dendrítico para mejorar la seguridad de una batería y proporcionar una batería con excelentes características de vida útil y características de régimen.
La presente divulgación también está diseñada para proporcionar una batería secundaria de litio y una batería flexible que incluye el electrodo de litio.
Solución técnica
En un aspecto de la presente divulgación, se proporciona una batería secundaria flexible tal como se define en la reivindicación 1.
Efectos ventajosos
El electrodo de litio según la presente divulgación está dotado de un colector de corriente con patrones con una estructura con irregularidades de superficie y, por tanto, muestra flexibilidad y evita el colapso de la estructura de electrodo provocado por el hinchamiento volumétrico del metal de litio. Además, el electrodo de litio está dotado de una capa protectora de aislamiento electrónico que incluye una capa no porosa y una capa porosa de polímero y, por tanto, inhibe el crecimiento no uniforme de litio dendrítico, mejora la seguridad y proporciona excelentes características de vida útil y características de régimen.
Descripción de los dibujos
La figura 1a a la figura 1e son vistas esquemáticas que ilustran diversas realizaciones del electrodo de litio según la presente divulgación, que no son según la invención y están presentes únicamente con propósitos ilustrativos. La figura 2 es una vista esquemática que ilustra la estructura de la capa protectora de aislamiento electrónico usada en el electrodo de litio según una realización de la presente divulgación, que no es según la invención y está presente sólo con propósitos ilustrativos.
La figura 3a ilustra una dirección de crecimiento de litio dendrítico cuando la capa protectora de aislamiento electrónico del electrodo de litio incluye una capa porosa de polímero según la presente divulgación.
La figura 3b ilustra una dirección de crecimiento de litio dendrítico cuando no hay ninguna capa porosa de polímero presente en la capa protectora de aislamiento electrónico.
La figura 4 es una vista esquemática que ilustra la estructura de la batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
La figura 5 es una vista en sección que ilustra la batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
La figura 6 ilustra la definición del término “paso” usado en la presente divulgación.
La figura 7 ilustra un paso controlable en el soporte de aislamiento electrónico de tipo alambre proporcionado en la batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación.
La figura 8 ilustra un grosor controlable del soporte de aislamiento electrónico de tipo alambre tal como se muestra en la figura 7.
La figura 9a a la figura 9c son vistas en sección que ilustran la batería secundaria flexible que incluye dos o más electrodos internos según otra realización de la presente divulgación.
La figura 10 es una vista esquemática que ilustra tres electrodos internos de tipo alambre retorcidos en espiral mientras se cruzan entre sí en la batería secundaria flexible según todavía otra realización de la presente divulgación.
Mejor modo
A continuación en el presente documento, se describirán con detalle realizaciones preferidas de la presente divulgación con referencia a los dibujos adjuntos. Debe entenderse que los términos usados en la memoria descriptiva y las reivindicaciones adjuntas no deben interpretarse como limitados a significados generales y de diccionario, sino interpretarse basándose en los significados y conceptos correspondientes a aspectos técnicos de la presente divulgación basándose en el principio de que se permite que el inventor defina los términos apropiadamente para obtener la mejor explicación.
Además, la descripción propuesta en el presente documento es sólo un ejemplo preferible con propósitos ilustrativos únicamente, y no pretende limitar el alcance de la divulgación, por lo que debe entenderse que podrían realizarse otros equivalentes y modificaciones a la misma sin apartarse del alcance de la divulgación.
La figura 1a a la figura 1e son vistas esquemáticas que ilustran diversas realizaciones del electrodo de litio según la presente divulgación.
Haciendo referencia a la figura 1a a la figura 1e, el electrodo 100, 200, 300, 400, 500 de litio según una realización de la presente divulgación incluye: un colector 110, 210, 310, 410, 510 de corriente que tiene una estructura con irregularidades de superficie dotada de una superficie superior; una capa 120, 220, 320, 420, 520 de metal de litio dispuesta en el exterior de la porción excepto la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie en el colector de corriente; una capa 130, 230, 330, 430, 530 protectora de aislamiento electrónico dispuesta en el exterior de la capa de metal de litio; y una capa 140, 240, 340, 440, 540 de aislamiento iónico de litio dispuesta en la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente, en el lado superior de la capa de metal de litio y en el lado superior de la capa protectora de aislamiento electrónico. La capa de aislamiento iónico de litio puede formarse simplemente en la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente. Además, tal como se muestra en la figura 2, la capa de aislamiento electrónico incluye una capa 31 no porosa capaz de transportar iones de litio pero que inhibe el crecimiento de litio dendrítico en virtud de la ausencia de poros, y una capa 32 porosa de polímero capaz de ajustar la dirección de crecimiento de litio dendrítico hacia el interior incluso si se hace crecer litio dendrítico.
Tal como se usa en el presente documento, el término “exterior” se refiere a la región externa de la porción correspondiente y cubre la porción que está en contacto con la superficie de la porción correspondiente y la porción separada de la superficie de la porción correspondiente. En este último caso, puede interponerse otra capa entre la capa correspondiente y la porción separada de la misma.
Tal como se usa en el presente documento, el término “lado superior” significa la porción dispuesta en la posición más superior en la dirección de altura de la porción correspondiente.
Tal como se usa en el presente documento, el término “capa no porosa” significa una capa libre de poros, y se definirá con más detalle mediante el método que se describe a continuación en el presente documento.
Según la presente divulgación, el colector de corriente usado para el electrodo de litio tiene una estructura con irregularidades de superficie dotada de una superficie superior. La estructura con irregularidades de superficie está dotada de protuberancias formadas hacia arriba desde el colector de corriente, y ranuras formadas en el lateral de las protuberancias. Además, las secciones verticales de las protuberancias tienen al menos una conformación seleccionada de conformaciones tetragonal, trapezoidal, de cruz y poligonal, y las conformaciones verticales de las ranuras tienen al menos una conformación seleccionada de conformaciones semicircular, en forma de sector, triangular, tetragonal, poligonal y en forma de mancuerna.
Por tanto, el colector de corriente con patrones con diversas conformaciones de estructuras con irregularidades de superficie puede proporcionar electrodos tridimensionales formando una capa de electrodo y las otras capas funcionales sobre la misma en las direcciones hacia el exterior y el lado superior. Es posible controlar la dirección de crecimiento de litio dendrítico a través de los patrones. Puesto que se forma un espacio en el hueco entre las estructuras con irregularidades de superficie que forman los patrones, es posible aliviar el hinchamiento volumétrico de la capa de electrodo que se produce en los procesos de carga/descarga y, por tanto, evitar el colapso estructural del electrodo. También es posible conferir flexibilidad durante la fabricación de una batería en virtud del uso del colector de corriente con patrones.
La estructura con irregularidades de superficie puede formarse mediante los procesos de formación de patrones convencionales conocidos. Por ejemplo, el colector de corriente se recubre con una película con patrones, el colector de corriente recubierto se sumerge en una disolución de grabado adecuada para que el material que forma el colector de corriente lleve a cabo el grabado, y luego se retira la película con patrones para formar un patrón en el colector de corriente. Además de esto, pueden usarse diversos métodos de formación de patrones.
La estructura con irregularidades de superficie tiene una anchura promedio de aproximadamente 5-5.000 |im y una altura promedio de aproximadamente 1-5.000 |im para formar un micropatrón, pero no se limita a los mismos.
El colector de corriente puede estar compuesto por acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbón cocido, cobre; acero inoxidable tratado en superficie con carbono, níquel, titanio, plata, oro o platino; aleación de aluminio-cadmio; un polímero no conductor tratado en superficie con un material conductor; un polímero no conductor tratado en superficie con un metal; o un polímero conductor. Cuando se usa metal de litio como electrodo negativo, se prefiere usar un colector de corriente compuesto por cobre.
Según la presente divulgación, la capa 120, 220, 320, 420, 520 de metal de litio se forma en el colector de corriente. En este caso, la capa de metal de litio puede formarse mediante deposición en fase de vapor, electrochapado o laminación de un material activo a base de litio capaz de lograr una alta capacidad en la porción excepto la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie. La deposición en fase de vapor, el electrochapado y la laminación pueden formarse mediante diversos métodos conocidos por los expertos habituales en la técnica.
La capa de metal de litio puede tener un grosor de 1-2000 |im. A medida que aumenta el grosor, aumenta la capacidad reversible de un electrodo negativo.
El material activo a base de litio que puede usarse en el presente documento incluye litio, óxido de litio, aleación de litio y óxido de aleación de litio, particularmente litio.
Según la presente divulgación, la capa protectora de aislamiento electrónico se forma sobre la superficie de la capa de metal de litio. Haciendo referencia a la figura 2, la capa protectora de aislamiento electrónico tiene una estructura de doble capa que incluye una capa 31 no porosa que transporta iones de litio y no tiene poros, y una capa 32 porosa de polímero.
Tanto la capa 31 no porosa como la capa 32 porosa de polímero incluyen un material que no puede conducir electrones y, por tanto, tiene propiedades de aislamiento electrónico.
Según la presente divulgación, la capa 31 no porosa y la capa 32 porosa de polímero que tienen propiedades de aislamiento electrónico pueden impedir la reacción de iones de Li intercalados/desintercalados en/desde la capa de metal de litio con electrones y la deposición de Li, es decir, el crecimiento de litio dendrítico.
Según la presente divulgación, la capa 31 no porosa es una capa capaz de transportar iones de litio sin conducir electrones.
Tal como se usa en el presente documento, el término “capa no porosa” significa una capa que tiene un valor de densidad real de 1,8-2,1 g/cm3 cuando la densidad real se determina mediante el método que se describe a continuación en el presente documento.
La densidad real puede determinarse de la siguiente manera.
Según el método definido en la norma JIS R7212, la densidad real se determina usando butanol. El método se describirá brevemente a continuación en el presente documento.
Se mide con precisión la masa (m1) de un picnómetro con tubo lateral unido que tiene un volumen interno de aproximadamente 40 ml. A continuación, se introduce una muestra en el fondo del picnómetro de manera uniforme hasta un grosor de aproximadamente 10 mm y luego se mide con precisión la masa (m2). Luego, se añade suavemente 1-butanol hasta una profundidad de aproximadamente 20 mm desde el fondo. Después de eso, se aplica una ligera vibración al picnómetro y se comprueba la desaparición de grandes burbujas de aire. Luego, el picnómetro se introduce en un desecador y se evacua gradualmente hasta 2,0-2,7 kPa. El picnómetro se mantiene a la misma presión durante 20 minutos y se retira del desecador después de que se detiene la generación de burbujas de aire, y luego se le añade de nuevo al mismo 1-butanol. Después de eso, el picnómetro se cierra con un tapón y se sumerge en un tanque de agua termostático (controlado a una temperatura de 30 0,03 °C) durante 15 minutos o más, y luego la superficie líquida del 1-butanol se ajusta a la línea de marca. Luego, se retira el picnómetro y se limpia bien la parte externa del mismo. Después de eso, el picnómetro se enfría hasta temperatura ambiente y se mide con precisión el peso (m4). Luego, se llena el mismo picnómetro con 1-butanol solo y se sumerge en un tanque de agua termostático de la misma manera que se describió anteriormente. Después de ajustarse a la línea de marca, se mide el peso (m3) del picnómetro. Además, se recibe agua destilada, de la que se eliminan los gases disueltos llevándola a ebullición justo antes de su uso, en un picnómetro, y el picnómetro se sumerge en un tanque de agua termostático de la misma manera que se describió anteriormente. Después de ajustarse a la línea de marca, se mide el peso (m5) del picnómetro de la misma manera que se describió anteriormente. La densidad verdadera (p Bt) se calcula mediante la siguiente fórmula matemática 1:
[Fórmula matemática 1]
donde d es el peso específico (0,9946) del agua a 30 °C.
En particular, la capa no porosa puede incluir un electrolito sólido inorgánico y un polímero de hinchamiento con electrolito.
Según la presente divulgación, la capa 31 no porosa puede formarse en el exterior de la capa de metal de litio mediante procesos de recubrimiento de película delgada, tales como deposición en fase de vapor, recubrimiento, laminación, o similar.
Según la presente divulgación, la capa no porosa está libre de poros. Más particularmente, la capa no porosa tiene un valor de densidad real de 1,8-2,1 g/cm3 y puede formarse mediante el proceso CIP tal como se describe más adelante en el presente documento.
La capa no porosa puede tener un grosor de 1 a 500 nm. Por tanto, puesto que la capa no porosa es una capa de recubrimiento de película delgada que tiene un grosor pequeño, es posible transportar iones de litio incluso en ausencia de poros.
Además, la capa no porosa puede tener un módulo de 0,1-1 GPa, preferiblemente 0,8-1 GPa. En este caso, la capa no porosa garantiza una resistencia mecánica predeterminada y, por tanto, puede inhibir físicamente el crecimiento de litio dendrítico.
Además, puesto que la capa no porosa tiene propiedades de aislamiento electrónico, no conduce electrones (e-). Por tanto, es posible inhibir el crecimiento de litio dendrítico de manera más eficiente en la superficie de la capa correspondiente. Cuando la capa no porosa de material compuesto orgánico/inorgánica tiene electroconductividad, el Li+ se reduce cuando se encuentra con un electrón (e-). En este caso, una gran cantidad de Li+ participa en la reacción irreversible con el fin de estabilizar la interfase reducida. Cuando se hace crecer litio dendrítico, se produce una formación de dendritas no uniforme debido a la localización de los electrones (e-) para provocar la generación de una gran cantidad de Li muerto. Este fenómeno provoca la degradación de las características de vida útil de una batería.
En la capa no porosa, el electrolito sólido inorgánico y el polímero de hinchamiento con electrolito pueden usarse en una razón de 70:30 a 98:2, de 75:25 a 95:5 o de 80:20 a 90:10. Dentro del intervalo definido anteriormente, la capa no porosa muestra un efecto excelente de transporte de iones de litio mientras no conduce electrones.
El electrolito sólido inorgánico funciona como medio a través del cual se transportan iones de litio, y puede incluir un electrolito a base de óxido, a base de fosfato, a base de nitruro o a base de sulfuro, o una combinación de dos o más de los mismos. Por ejemplo, el electrolito sólido inorgánico a base de óxido puede ser uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en titanatos de litio y lantano (LLTO), óxidos de litio, lantano y zirconio (LLZO), superconductores iónicos de litio (LISICON) y una combinación de los mismos. El electrolito sólido inorgánico a base de fosfato puede ser uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en fosfatos de litio-aluminio-titanio (LATP), fosfatos de litio-aluminio-germanio (LAGP) y una combinación de los mismos. El electrolito sólido inorgánico a base de nitruro puede ser oxinitruro de fósforo y litio (LiPON), y el electrolito sólido inorgánico a base de sulfuro puede incluir uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en Li1üGeP2Si2, Li2S-P2S5, Li2S-P2S5-LiI, LÍ2S-P2S<s>-LÍ2O, U2S-P2S5-U2O-UI, Li2S-SiS2, Li2S-SiS2-LiI, Li2S-SiS2-LiBr, Li2S-SiS2-LiCl, Li2S-SiS2-B2S3-LiI, Li2S-SiS2-P2S5-LiI, U2S-B2S3, Li2S-P2S5-ZmSn (en el que cada uno de m y n es un número positivo, y Z es uno cualquiera de Ge, Zn y Ga), Li2S-GeS2, Li2S-SiS2-Li3PO4, Li2S-SiS2-LixMOy (en el que cada uno de x e y es un número positivo, y M es uno cualquiera de P, Si, Ge, B, Al, Ga e In) y una combinación de los mismos.
El polímero de hinchamiento con electrolito experimenta un fenómeno de hinchamiento por el cual su volumen aumenta después de absorber un electrolito. Por tanto, es posible transportar iones de litio, inhibir de manera eficiente la formación de litio dendrítico generado en la interfase con la capa de metal de litio y, por tanto, minimizar las reacciones secundarias en la superficie del metal de litio.
Tal polímero de hinchamiento con electrolito puede incluir un polímero capaz de transportar iones de litio después de hincharse con un electrolito mientras que no conduce electrones, y los ejemplos particulares del polímero incluyen un polímero a base de poliolefina, a base de poliéster, a base de poliacrilo, a base de poliamida, a base de poliuretano, a base de celulosa, a base de hidrocarburos o a base de poliol, o una combinación de dos o más de los mismos. En particular, los ejemplos del polímero hinchado con un electrolito incluyen, pero no se limitan a: poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno), poli(fluoruro de vinilideno-co-tricloroetileno), poli(metacrilato de metilo), poli(acrilato de butilo), poliacrilonitrilo, polivinilpirrolidona, poli(acetato de vinilo), polietileno-co-acetato de vinilo, poli(óxido de etileno), poliarilato, acetato de celulosa, acetato-butirato de celulosa, acetato-propionato de celulosa, cianoetilpululano, cianoetil-poli(alcohol vinílico), cianoetil-celulosa, cianoetil-sacarosa, pululano, carboximetil-celulosa, o similar.
Además, la capa no porosa puede incluir además un material inorgánico no dieléctrico para garantizar la rigidez mecánica y la conductividad iónica de la capa protectora.
El material inorgánico no dieléctrico puede incluir AhO3, SnO2, Cu3N2, CeO2, MgO, NiO, CaO, ZnO, ZrO2, Y2O3, TiO2, SiC, Li3N, o una combinación de dos o más de los mismos.
Mientras tanto, la capa porosa de polímero sirve como portador de electrolito para suministrar una cantidad suficiente de electrolito a la superficie del electrodo. La capa porosa de polímero puede formarse apilando una película de polímero capaz de hincharse con un electrolito y que tiene una estructura porosa en el exterior de la capa no porosa, de manera simultánea a la capa no porosa o secuencialmente.
La capa porosa de polímero puede tener un grosor de 1-1.000 |im. Dicho de otro modo, la capa porosa de polímero puede formarse con un grosor mayor en comparación con la capa no porosa y tiene flexibilidad. Por tanto, incluso cuando se produce una contracción en la dirección de altura bajo la aplicación de presión dentro del intervalo de grosor definido anteriormente, es posible minimizar el efecto de contracción.
El polímero contenido en la capa porosa de polímero no está particularmente limitado, siempre que pueda hincharse con un electrolito y pueda proporcionar una estructura porosa mediante la separación de fases del polímero. Los ejemplos típicos del polímero incluyen poliuretano que tiene una estructura de tipo esponja.
Puesto que la capa porosa de polímero incluye un polímero que puede hincharse con un electrolito y tiene una estructura porosa, es posible inhibir el suministro no uniforme de iones de litio mientras se proporciona una cantidad suficiente de electrolito a la superficie de la capa de metal de litio en virtud de su fenómeno de hinchamiento. Además, cuando no se generan grietas internas en la capa no porosa, o el litio dendrítico que pasa a través de la capa no porosa crece debido a un módulo y una concentración de esfuerzos insuficientes, la capa porosa de polímero puede inducir la dirección de crecimiento de litio dendrítico a través de la estructura porosa hacia la parte interior de la superficie de la capa porosa de polímero, no hacia el contraelectrodo.
Por ejemplo, haciendo referencia a la figura 3a y la figura 3b, cuando la capa 230 protectora de aislamiento electrónico formada sobre la capa 220 de metal de litio incluye tanto la capa 31 no porosa como la capa 32 porosa de polímero (figura 3a), es posible impedir que crezca litio dendrítico a partir de que la capa 220 de metal de litio a través de la capa 31 no porosa esté en contacto con el contraelectrodo 260 a través del separador 250, induciendo el crecimiento de litio dendrítico hacia la parte interna de la capa 32 porosa de polímero a lo largo de su superficie. En particular, puesto que la capa 32 porosa de polímero tiene una estructura asimétrica en la que tiene un tamaño de poro relativamente grande en la interfase con la capa 31 no porosa y el tamaño de poro disminuye hacia la parte superior o viceversa, es posible inducir el crecimiento de litio dendrítico hacia la parte interior de la capa 32 porosa de polímero. Por tanto, es posible retrasar un cortocircuito en la batería y detectar un cambio en la batería antes de que se genere un cortocircuito como resultado de una rápida degradación del rendimiento de la batería. Un cambio de este tipo en la batería puede monitorizarse fácilmente mediante la resistencia interna de la batería. Por tanto, es posible mejorar la seguridad contra explosiones durante el uso de la batería.
Por el contrario, cuando la capa porosa de polímero no está presente en la capa protectora de aislamiento electrónico (figura 3b), el litio dendrítico pasa rápidamente a través de la capa 31 no porosa desde la capa 220 de metal de litio y crece rápidamente de forma “autónoma”. Luego, el litio dendrítico pasa a través del separador 250 y está en contacto con el contraelectrodo 260 para provocar un cortocircuito eléctrico. Además, el crecimiento de litio muerto aumenta en la interfase entre la capa de metal de litio y la capa 31 no porosa, dando como resultado una rápida degradación de la batería.
Preferiblemente, la capa protectora de aislamiento electrónico puede tener un grosor total de 1-1.000 |im.
Según la presente divulgación, la capa 140, 240, 340, 440, 550 de aislamiento iónico de litio puede disponerse en la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente, en el lado superior de la capa de metal de litio y en el lado superior de la capa protectora de aislamiento electrónico, o simplemente en la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente.
La capa de aislamiento iónico de litio puede incluir un polímero que tiene propiedades de aislamiento electrónico y no puede transportar iones de litio. Por ejemplo, el polímero de aislamiento iónico de litio puede incluir un polímero a base de poliolefina, a base de poliéster, a base de poliamida o a base de poliuretano, o una combinación de dos o más de los mismos. El polímero de aislamiento iónico de litio puede formarse usando tales polímeros con una conformación en forma de película mediante recubrimiento, deposición en fase de vapor, o similar.
Puesto que la capa de aislamiento iónico de litio tiene propiedades de aislamiento electrónico, de modo que los electrones no pueden llegar a la capa de aislamiento iónico de litio, es posible inhibir las reacciones de los iones de litio e impedir que el litio dendrítico crezca hacia arriba.
Dicho de otro modo, la capa de aislamiento iónico de litio según la presente divulgación sirve para impedir no sólo el transporte de electrones sino también el transporte de iones de litio.
La capa de aislamiento iónico de litio puede disponerse en la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente, en el lado superior de la capa de metal de litio y en el lado superior de la capa protectora de aislamiento electrónico, o simplemente en la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente. Por tanto, es posible inhibir de manera efectiva el crecimiento vertical de litio dendrítico desde la sección del colector de corriente. Dicho de otro modo, según una realización de la presente divulgación, es posible inhibir el crecimiento vertical de litio dendrítico en virtud de la capa de aislamiento iónico de litio. Además, incluso cuando se hace crecer litio dendrítico, es posible inducir el crecimiento de litio dendrítico hacia una dirección entre la capa de metal de litio y la capa no porosa, o hacia una dirección sustancialmente paralela a la capa porosa de polímero dentro de la capa porosa de polímero, en virtud de la capa protectora de aislamiento electrónico mencionada anteriormente. Como resultado, es posible retrasar un cortocircuito en la batería y mejorar las características de vida útil de la batería.
En particular, la capa de aislamiento iónico de litio puede disponerse 1) en la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente que no está recubierta con una cualquiera de la capa de metal de litio y la capa de aislamiento electrónico pero está expuesta al exterior, 2) en el lado superior de la capa de metal de litio no recubierta con la capa de aislamiento electrónico y dispuesta en la misma dirección que la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente, y 3) en el lado superior de la capa protectora de aislamiento electrónico dispuesta en la misma dirección que la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente.
Además, el grosor de la capa de aislamiento iónico de litio no está particularmente limitado, siempre que pueda controlar la difusión de iones de litio. Por ejemplo, la capa de aislamiento iónico de litio puede tener un grosor mayor en comparación con la capa no porosa de material compuesto orgánico/inorgánico.
El electrodo de metal de litio según la presente divulgación puede obtenerse mediante el siguiente método, pero no se limita al mismo.
En primer lugar, se prepara un colector de corriente que tiene una estructura con irregularidades de superficie dotada de una superficie superior. La estructura con irregularidades de superficie puede formarse usando un proceso de formación de patrones convencional.
A continuación, se forma una capa de metal de litio sobre la superficie externa del colector de corriente excepto la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente. La capa de metal de litio puede formarse mediante deposición en fase de vapor, revestimiento o laminación de un material activo de litio. Luego, la suspensión para formar una capa no porosa se recubre y se seca en el exterior de la capa de metal de litio para formar un precursor de la capa no porosa. La suspensión para formar una capa no porosa se prepara introduciendo el electrolito sólido inorgánico y el polímero de hinchamiento con electrolito descritos anteriormente, seguido de agitación, y se recubre y se seca según un método convencional.
Después de eso, la suspensión para formar una capa porosa de polímero se recubre y se seca en el exterior del precursor de la capa no porosa. La suspensión para formar una capa porosa de polímero se prepara introduciendo el polímero mencionado anteriormente en un disolvente. El polímero puede hincharse con un electrolito y tiene una estructura porosa.
Luego, se recubre y se seca una suspensión para formar una capa de aislamiento iónico de litio sobre la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente, en el lado superior de la capa de metal de litio y en el lado superior de la capa protectora de aislamiento electrónico, o en la superficie superior de la estructura con irregularidades de superficie del colector de corriente. El recubrimiento y el secado pueden llevarse a cabo usando los procesos convencionales. La suspensión para formar una capa de aislamiento iónico de litio puede prepararse usando un polímero que tiene propiedades de aislamiento electrónico y no es capaz de transportar iones de litio, y ejemplos particulares del polímero incluyen polímeros a base de poliolefina, poliéster, poliamida y poliuretano.
Finalmente, el precursor de electrodo de metal de litio en el que se introduce la capa de aislamiento iónico de litio se somete a prensado isostático en frío (CIP) para formar una capa no porosa.
Tal como se usa en el presente documento, “prensado isostático en frío” se refiere a un proceso de sellar el precursor de electrodo de metal de litio en un recipiente sellado compuesto por caucho y aplicar presión isostática al recipiente que tiene el precursor de electrodo de metal de litio mediante el uso de una bomba de vacío capaz de aplicar presión de manera uniforme.
La presión isostática puede oscilar desde la presión ambiental hasta 300 MPa.
De esta manera, es posible formar una capa no porosa que tenga una densidad real de 1,8-2,1 g/cm3.
El electrodo de litio descrito anteriormente según la presente divulgación incluye un colector de corriente con patrones con una estructura con irregularidades de superficie, una capa de metal de litio, una capa de aislamiento electrónico que incluye una capa no porosa y una capa porosa de polímero, y una capa de aislamiento iónico de litio. Por tanto, es posible inhibir el crecimiento de litio dendrítico. Incluso cuando se hace crecer litio dendrítico, es posible controlar la dirección de crecimiento e inhibir el crecimiento no uniforme y, por tanto, mejorar la seguridad y proporcionar características de vida útil y características de régimen mejoradas. Además, puesto que el electrodo de litio según la presente divulgación usa un colector de corriente con patrones, tiene una estructura tridimensional y está dotado de flexibilidad. Además, en el electrodo de litio, los huecos en el patrón muestran un efecto de amortiguación durante el hinchamiento volumétrico del electrodo de litio. Por tanto, es posible impedir un colapso de la estructura de electrodo.
En otro aspecto, se proporciona una batería secundaria de litio que incluye el electrodo de litio descrito anteriormente. En particular, la batería secundaria de litio puede obtenerse inyectando un electrolito que contiene sal de litio a un conjunto de electrodos que incluye un cátodo, un ánodo y un separador interpuesto entre el cátodo y el ánodo, en la que el ánodo puede ser el electrodo de litio según la presente divulgación.
En el presente documento, la batería secundaria de litio puede tener una conformación cilíndrica, prismática, en forma de bolsa, flexible o en forma de botón.
Además, puesto que el electrodo de litio según la presente descripción está dotado de una capa protectora de aislamiento electrónico, el separador puede eliminarse al formar el conjunto de electrodos.
En todavía otro aspecto de la presente divulgación, se proporciona una batería secundaria flexible que incluye el electrodo de litio. En particular, el electrodo de litio puede usarse como electrodo interno para una batería secundaria de tipo cable. Puede hacerse referencia a la siguiente descripción de la batería secundaria flexible para los elementos constitutivos distintos del electrodo de litio.
Para el cátodo puede usarse cualquier material usado convencionalmente para un cátodo de una batería secundaria de litio. En particular, los ejemplos del material activo de cátodo pueden incluir cualquier tipo de partículas de material activo seleccionadas del grupo que consiste en LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 y LiNh-x-y-zCoxM1yM2zO<2>(en el que cada uno de M1 y M2 representa independientemente uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg y Mo, cada uno de x, y y z representa independientemente una proporción atómica de un elemento que forma los óxidos, y 0 < x < 0,5, 0 < y < 0,5, 0 < z < 0,5, 0 < x y z < 1), o una mezcla de dos o más de los mismos. Además, puede usarse como colector de corriente de cátodo una lámina preparada usando aluminio, níquel o una combinación de los mismos. Además, pueden incorporarse el material conductor y el aglutinante descritos anteriormente con referencia al electrodo de litio.
El cátodo puede obtenerse dispersando un material activo, aglutinante, material conductor o similar, en un disolvente, tal como N-metilpirrolidona, acetona o agua para formar una suspensión, recubriendo la suspensión sobre un colector de corriente y eliminando el disolvente a través de secado. En el presente documento, puede usarse cualquier proceso de recubrimiento usado convencionalmente en la técnica, tal como un proceso de recubrimiento por boquilla ranurada, un proceso de recubrimiento por barra de Mayer, un proceso de recubrimiento por huecograbado, un proceso de recubrimiento por inmersión o un proceso de recubrimiento por pulverización. El separador puede ser una película de polímero porosa usada convencionalmente como separador para una batería secundaria de litio. Por ejemplo, puede usarse sola una película de polímero porosa obtenida usando un polímero a base de poliolefina tal como homopolímero de etileno, homopolímero de propileno, copolímero de etileno/butano, copolímero de etileno/hexano o copolímero de etileno/metacrilato, o puede usarse una pila de tales polímeros. Además, puede usarse una película delgada aislante que tenga alta permeabilidad iónica y resistencia mecánica. El separador puede incluir un separador reforzado de seguridad (SRS) dotado de una capa de recubrimiento poroso orgánico/inorgánico que incluye partículas inorgánicas interconectadas y fijadas por medio de un polímero aglutinante y recubiertas sobre la superficie de un sustrato separador, tal como una película de polímero poroso hasta un pequeño grosor.
Además de los ejemplos anteriores, puede usarse una tela no tejida porosa convencional, tal como una tela no tejida compuesta por fibras de vidrio que tienen un alto punto de fusión o fibras de poli(tereftalato de etileno).
El electrolito incluye una sal de litio y un disolvente orgánico para disolver la sal de litio.
Cualquier sal de litio usada convencionalmente como electrolito para una batería secundaria puede usarse sin limitación particular. Por ejemplo, el anión de la sal de litio puede ser uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en F-, Cl-, Br-, I-, NO3-, N(CN)2-, BF4-, CO4-, PF3-, (CFa)2PF4-, (CFâ PFa-, (CF<3>^PF2-, (CF<3>)aPF-, (CF<3>)<3>P-, CFaSOa-, CF3CF2SO3-, (CF<3>SO<2>)<2>N-, (FSO2)2N-, CF<3>CF<2>(CF<3>)<2>CO-, (CF<3>SO<2>)<2>CH-, (SFa^C-, (CF<3>SO<2>)<3>C-, CF<3>(CF<2>)<7>SO<3>-, CF3CO2-, CH3CO2-, SCN- y (CF<3>CF<2>SO<2>)<2>N-.
El disolvente orgánico contenido en el electrolito puede ser un disolvente convencional sin limitación particular. Los ejemplos típicos del disolvente orgánico pueden ser al menos uno seleccionado del grupo que consiste en carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de dietilo, carbonato de dimetilo, carbonato de etilmetilo, carbonato de metilpropilo, carbonato de dipropilo, dimetilsulfóxido, acetonitrilo, dimetoxietano, dietoxietano, carbonato de vinileno, sulforano, gamma-butirolactona, sulfito de propileno y tetrahidrofurano.
En particular, entre los disolventes orgánicos a base de carbonato, se prefieren el carbonato de etileno y el carbonato de propileno, que son carbonatos cíclicos, ya que son disolventes orgánicos de alta viscosidad y tienen una alta constante dieléctrica y, por tanto, disocian bien la sal de litio en el electrolito. Cuando se usan tales carbonatos cíclicos en combinación con carbonatos lineales de baja viscosidad y baja constante dieléctrica, tales como carbonato de dimetilo y carbonato de dietilo, en una razón adecuada, es posible preparar un electrolito que tenga una alta electroconductividad más preferiblemente.
Opcionalmente, el electrolito usado según la presente divulgación puede incluir además aditivos, tales como un agente de prevención de sobrecarga, contenidos en los electrolitos convencionales.
La batería secundaria de litio según la presente divulgación puede obtenerse interponiendo un separador entre un electrodo positivo y un electrodo negativo para formar un conjunto de electrodos, introduciendo el conjunto de electrodos en una carcasa de batería, tal como una carcasa en forma de bolsa, cilíndrica o prismática, e inyectando un electrolito a la misma. En una variante, después de apilar los conjuntos de electrodos, pueden sumergirse los conjuntos de electrodos apilados en un electrolito, y puede introducirse la estructura resultante y sellarse en una carcasa de batería para terminar una batería secundaria de litio.
Según otra realización de la presente divulgación, la batería secundaria de litio puede ser una batería secundaria de litio apilada, enrollada, apilada y plegada o de tipo cable.
La batería secundaria de litio según la presente divulgación puede aplicarse no sólo a una celda de batería usada como fuente de alimentación para dispositivos compactos sino también a un módulo de batería de tamaño mediano a grande que incluye una pluralidad de celdas de batería como celda unitaria. Los ejemplos preferidos de tales dispositivos de tamaño mediano a grande incluyen vehículos eléctricos, vehículos híbridos eléctricos, vehículos híbridos eléctricos enchufables, sistemas de almacenamiento de energía, o similares. En particular, la batería secundaria de litio según la presente divulgación puede ser útil para vehículos híbridos eléctricos, baterías de almacenamiento de energía nuevas y renovables, o similares, que requieren un alto rendimiento.
En aún otro aspecto de la presente divulgación, se proporciona una batería secundaria flexible.
La figura 4 es una vista esquemática que ilustra la batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación, y la figura 5 es una vista en sección de la figura 4.
Haciendo referencia a la figura 4 y la figura 5, la batería 600 secundaria flexible según una realización de la presente divulgación incluye: un electrodo interno dotado de un colector 610 de corriente interno y una capa 620 de electrodo interno que contiene litio que rodea el exterior del colector 610 de corriente interno; una capa 630 protectora de aislamiento electrónico que rodea el exterior del electrodo interno; un soporte 640 de aislamiento electrónico que rodea el exterior de la capa protectora de aislamiento electrónico; una capa 650 de separador que rodea el exterior del soporte de aislamiento electrónico; y un electrodo externo dotado de una capa 660 de electrodo externo que rodea el exterior de la capa de separador y un colector 670 de corriente externo que rodea el exterior de la capa de electrodo externo. La batería 600 secundaria flexible según una realización de la presente divulgación puede incluir además un recubrimiento 680 protector en el exterior del colector 670 de corriente externo.
La batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación tiene una conformación predeterminada de sección horizontal y puede tener una estructura lineal alargada en la dirección longitudinal a la dirección horizontal. Además, la batería secundaria flexible puede tener flexibilidad y deformarse libremente.
Tal como se usa en el presente documento, el término “conformación predeterminada” se refiere a una conformación no limitada a una conformación particular. Puede usarse cualquier conformación siempre que no afecte de manera adversa a la presente divulgación.
Tal como se usa en el presente documento, el término “espiral” o “helicoidal” se refiere a una conformación retorcida y enrollada en un intervalo predeterminado y cubre generalmente una conformación similar a la conformación de un resorte general.
Tal como se usa en el presente documento, el término “exterior” significa la región externa de la porción correspondiente y cubre tanto la porción que está en contacto con la superficie de la porción correspondiente como la porción separada de la porción correspondiente. En este último caso, puede interponerse otra capa entre la porción correspondiente y la porción separada de la misma.
Según la presente divulgación, el electrodo interno puede ser un ánodo que incluye un colector 610 de corriente interno y una capa 620 de electrodo interno que contiene litio que rodea el exterior del mismo.
El colector de corriente interno puede ser un colector de corriente de tipo alambre lineal o un colector de corriente de estructura abierta que tiene un espacio interior.
El término “estructura abierta” se refiere a una estructura que tiene la estructura abierta como superficie límite y permite la libre transferencia de masa desde el interior al exterior a través de la superficie límite. Como resultado, puede facilitarse la inyección de un electrolito a través del colector de corriente interno.
El colector de corriente de estructura abierta puede ser un colector de corriente de tipo alambre enrollado en espiral, un colector de corriente de tipo lámina enrollado en espiral o dos o más colectores de corriente de tipo alambre enrollados en espiral de manera que puedan cruzarse entre sí.
El colector de corriente interno de estructura abierta puede estar compuesto por acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbón cocido, cobre; acero inoxidable tratado en superficie con carbono, níquel, titanio o plata; aleación de aluminio y cadmio; un polímero no conductor tratado en superficie con un material conductor; o un polímero conductor, prefiriéndose el cobre.
El colector de corriente funciona para recolectar los electrones generados por la reacción electroquímica de un material activo de electrodo o para suministrar los electrones necesarios para la reacción electroquímica. En general, un colector de corriente de este tipo usa un metal, tal como cobre o aluminio. En particular, cuando se usa un conductor polimérico que incluye un polímero no conductor tratado en superficie con un material conductor o un polímero conductor, es posible proporcionar una flexibilidad relativamente mayor en comparación con el colector de corriente que usa un metal, tal como cobre o aluminio. Además, puede usarse un colector de corriente de polímero en lugar de un colector de corriente de metal para lograr que se aligere el peso de una batería.
El material conductor puede ser uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en poliacetileno, polianilina, polipirrol, politiofeno, poli(nitruro de azufre), óxido de indio y estaño (ITO), plata, paladio y níquel, y el polímero conductor puede incluir poliacetileno, polianilina, polipirrol, politiofeno, poli(nitruro de azufre), o similar. Sin embargo, no existe ninguna limitación particular en el tipo de polímero no conductor usado para el colector de corriente.
En el espacio formado en el interior del colector de corriente de estructura abierta, puede proporcionarse una porción de núcleo de colector de corriente de electrodo interno.
La porción de núcleo de colector de corriente de electrodo interno puede estar compuesta por nanotubos de carbono, acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, carbono cocido, cobre; acero inoxidable tratado en superficie con carbono, níquel, titanio o plata; aleación de aluminio y cadmio; un polímero no conductor tratado en superficie con un material conductor; o un polímero conductor.
Además, en el espacio formado en el interior del colector de corriente de estructura abierta, puede proporcionarse una porción de núcleo de suministro de iones de litio que contiene un electrolito.
Puesto que el colector de corriente interno según la presente divulgación tiene una estructura abierta, el electrolito de la porción de núcleo de suministro de iones de litio puede pasar a través del colector de corriente interno y llegar a la capa de material activo de electrodo interno y a la capa de material activo de electrodo externo. Por tanto, no hay necesidad de aumentar excesivamente el grosor de una capa de electrolito. Más bien, la capa de electrolito no es un elemento constitutivo esencial y, por tanto, sólo puede usarse selectivamente un separador. Dicho de otro modo, la batería secundaria flexible según una realización de la presente divulgación puede estar dotada de una porción de núcleo de suministro de iones de litio que contiene un electrolito y, por tanto, facilita la infiltración del electrolito en el material activo de electrodo. De este modo, es posible facilitar el suministro y el intercambio de iones de litio en un electrodo y, de este modo, proporcionar una batería con características de capacidad y características de ciclo excelentes.
La porción central de suministro de iones de litio incluye un electrolito. Aunque no existe una limitación particular en el electrolito, se prefiere usar un electrolito no acuoso que use carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de butileno (BC), carbonato de vinileno (VC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de etil-metilo (EMC), formiato de metilo (MF), y-butriolactona (y-BL), sulfolano, acetato de metilo (MA) o propionato de metilo (MP); un electrolito de polímero de gel que usa PEO, PVdF, PVdF-HFP, PMMA, PAN o PVAC; un electrolito sólido que usa PEO, poli(óxido de propileno) (PPO), polietilenimina (PEI), poli(sulfuro de etileno) (PES) o poli(acetato de vinilo) (PVAC); o similar. Además, el electrolito puede incluir adicionalmente una sal de litio, tal como LiCl, LiBr, Lil, LiClO4, LiBF4, LiB^Cl™, LiPFa, UCF3SO3, UCF3CO2, LiAsFa, LiSbFa, LiAlCU, CH3SO3U, (CF3SO2)2NLi, cloroborato de litio, carboxilato alifático inferior de litio o tetrafenilborato de litio. Además, la porción de núcleo de suministro de iones de litio puede incluir un electrolito solo. En el caso de un electrolito líquido, puede usarse un portador poroso.
Además, en el espacio formado en el interior del colector de corriente de estructura abierta, puede formarse una porción de núcleo de agente de carga.
La porción de núcleo de agente de carga puede incluir materiales para mejorar diversas propiedades de la batería secundaria flexible, distintos de los materiales descritos anteriormente que forman la porción de núcleo de colector de corriente de electrodo interno y la porción de núcleo de suministro de iones de litio. En particular, la porción de núcleo de agente de carga puede incluir resinas poliméricas, caucho, materiales inorgánicos, o similares, en diversas conformaciones, tales como alambre, fibra, polvo, malla, espuma, o similar.
Según la presente divulgación, la capa 620 de electrodo interno que contiene litio rodea el exterior del colector de corriente interno y puede formarse recubriendo un material activo a base de litio para lograr una alta capacidad. Puede usarse cualquier proceso de recubrimiento convencional y los ejemplos particulares del mismo incluyen procesos de electrochapado o laminación.
La capa de electrodo interno que contiene litio puede tener un grosor de 1 a 500 |im.
Los ejemplos particulares del material activo a base de litio pueden incluir litio, óxidos de litio, aleaciones de litio y óxidos de aleaciones de litio, particularmente litio.
Según la presente divulgación, la capa 630 protectora de aislamiento electrónico puede formarse para rodear el exterior de la capa 620 de electrodo interno que contiene litio. Haciendo referencia a la figura 2, la capa 630 protectora de aislamiento electrónico tiene una estructura de doble capa que incluye una capa 31 no porosa y una capa 32 porosa de polímero, tal como se describió anteriormente en el presente documento con referencia al electrodo de metal de litio.
Según la presente divulgación, el soporte 640 de aislamiento electrónico puede proporcionarse en una conformación en forma de alambre, es decir, en forma de resorte, enrollada en espiral en el exterior de la capa 630 protectora de aislamiento electrónico, tal como se muestra en la figura 4 . El soporte de aislamiento electrónico funciona como una armazón flexible de una batería dispuesta entre el electrodo interno y el electrodo externo.
Además, el soporte 640 de aislamiento electrónico puede proporcionarse en una conformación en forma de malla de conformación hueca.
El soporte 640 de aislamiento electrónico puede estar compuesto por un polímero o un metal recubierto con polímero.
El polímero puede ser un polímero a base de poliolefina, poliéster, poliacrilo, poliamida o poliuretano, y el metal puede ser un metal que forma el colector de corriente interno o el colector de corriente externo, en el que la superficie metálica está recubierta con un polímero no conductor.
En particular, cuando el soporte 640 de aislamiento electrónico es un soporte de tipo alambre, el paso (es decir, el intervalo de enrollado) puede ser constante o puede disminuir o aumentar gradualmente.
Tal como se muestra en la figura 6, el término “paso” significa el intervalo entre una espira y otra espira en una conformación general de resorte helicoidal, y se refiere al intervalo de enrollamiento en un soporte de tipo alambre enrollado.
Tal como se muestra en la figura 7, es posible garantizar un canal a través del cual se mueve suavemente el electrolito controlando el intervalo de paso D dentro de un intervalo de 1 |im-1 cm en el soporte 640 de aislamiento electrónico de tipo alambre. También es posible aliviar el hinchamiento volumétrico de la capa de electrodo interno que contiene litio a través del espacio entre los pasos, incluso cuando se hace crecer litio dendrítico en la capa de electrodo interno que contiene litio. En virtud de la propiedad de aislamiento electrónico, es posible minimizar la deposición de litio sobre la superficie del soporte y así inhibir la generación de un cortocircuito provocado por el litio dendrítico.
La figura 8 ilustra que puede controlarse el grosor del soporte de aislamiento electrónico de tipo alambre tal como se muestra en la figura 7. El grosor del soporte de tipo alambre se controla dentro de un intervalo de 100 |im-3 mm. Por tanto, es posible controlar el tamaño del espacio entre los pasos y así retrasar la degradación de la vida útil de una batería provocada por el crecimiento de litio dendrítico.
Según una realización de la presente divulgación, la capa 650 de separador puede ser una capa de electrolito o un separador. La capa de separador puede formarse mediante recubrimiento por extrusión en cuanto a las características de una batería secundaria lineal flexible. Cuando se usa un separador como capa de separador, la capa de separador puede formarse enrollando el separador alrededor del soporte de aislamiento electrónico.
La capa de electrolito funciona como canal iónico y puede estar compuesta por un electrolito de polímero de gel que usa PEO, PVdF, PVdF-HFP, PMMA, PAN o P<v>AC; o un electrolito sólido que usa PEO, poli(óxido de propileno) (PPO), polietilenimina (PEI), poli(sulfuro de etileno) (PES) o poli(acetato de vinilo) (PVAC).
La capa de electrolito puede incluir además una sal de litio para mejorar la conductividad iónica y la velocidad de reacción. La sal de litio puede seleccionarse de LiCl, LiBr, Lil, LiClO4, LiBF4, LiB10Cl-i0, LiPF6, LÍCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCU, CH3SO3LÍ, (CF3SO2)2NL¡, cloroborato de litio, carboxilato alifático inferior de litio, tetrafenilborato de litio y una combinación de los mismos.
Aunque no existe una limitación particular, el separador puede ser un sustrato de polímero poroso compuesto por un polímero de poliolefina seleccionado del grupo que consiste en un homopolímero de etileno, homopolímero de propileno, copolímero de etileno-buteno, copolímero de etileno-hexeno y copolímero de etileno-metacrilato; un sustrato de polímero poroso compuesto por un polímero seleccionado del grupo que consiste en poliéster, poliacetal, poliamida, policarbonato, poliimida, polieteretercetona, polietersulfona, poli(óxido de fenileno), poli(sulfuro de fenileno) y poli(naftalato de etileno); un sustrato poroso formado por una mezcla de partículas inorgánicas y un polímero aglutinante; o un separador dotado de una capa de recubrimiento porosa formada por una mezcla de partículas inorgánicas y un polímero aglutinante sobre al menos una superficie del sustrato de polímero poroso. Según una realización de la presente divulgación, el electrodo externo puede ser un cátodo que incluye una capa 660 de electrodo externo y un colector 670 de corriente externo que rodea el exterior del mismo.
La capa 660 de electrodo externo puede formarse recubriendo y secando una suspensión que contiene un material activo, un material conductor y un aglutinante. El recubrimiento puede llevarse a cabo mediante recubrimiento por inmersión o usando una recubridora de tipo coma o una recubridora de boquilla ranurada.
El material activo puede ser uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiCoPO4, LiFePO4, LiNiMnCoO2 y LiNh-x-y-zCoxM1yM2zO<2>(en la que cada uno de M1 y M2 representa independientemente uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en Al, Ni, Co, Fe, Mn, V, Cr, Ti, W, Ta, Mg y Mo, cada uno de x, y y z representa independientemente una proporción atómica de un elemento que forma los óxidos, y 0 < x < 0,5, 0 < y < 0,5, 0 < z < 0,5, 0 < x y+ z < 1).
El material conductor que puede usarse en el presente documento incluye negro de carbono, negro de acetileno, negro de Ketjen, fibras de carbono, o similar.
El aglutinante que puede usarse en el presente documento incluye poli(fluoruro de vinilideno-cohexafluoropropileno), poli(fluoruro de vinilideno), poliacrilonitrilo, poli(metacrilato de metilo), poli(alcohol vinílico), carboximetil-celulosa (CMC), almidón, hidroxipropil-celulosa, celulosa regenerada, polivinilpirrolidona, tetrafluoroetileno, polietileno, polipropileno, poliacrilato, caucho de estireno-butileno (SBR), o similar.
El colector 670 de corriente externo puede ser un colector de corriente de tipo tubo, de tipo alambre enrollado, de tipo lámina enrollada o de tipo malla, y puede estar compuesto por acero inoxidable, aluminio, níquel, titanio, cobre o carbón cocido; acero inoxidable tratado en superficie con carbono, níquel, titanio o plata; aleación de aluminio y cadmio; un polímero no conductor tratado en superficie con un material conductor; un polímero conductor; pasta de metal que incluye polvo de metal que es Ni, Al, Au, Pd/Ag, Cr, Ta, Cu, Ba o ITO; o pasta de carbono que contiene polvo de carbono que es grafito, negro de carbono o un nanotubo de carbono.
Además, pueden incorporarse sucesivamente al menos una capa de separador y un electrodo interno adicionales entre la capa de separador y el electrodo externo.
La batería secundaria flexible según la presente divulgación puede estar dotada además de un recubrimiento 680 protector. El recubrimiento protector es un cuerpo aislante y se forma en la superficie exterior del electrodo externo para proteger el electrodo frente a la humedad del aire y los impactos externos. El recubrimiento protector puede incluir una resina polimérica convencional que incluye una capa impermeable. Por ejemplo, la resina polimérica puede incluir PET, PVC, HDPE o resina epoxídica, y la capa impermeable puede incluir aluminio o un polímero liquidocristalino que tenga una propiedad impermeable excelente.
Además, la batería secundaria flexible según la presente divulgación puede incluir dos o más electrodos internos. Por tanto, tal como se muestra en la figura 9a a la figura 9c, la batería 700, 800, 900 secundaria flexible según otra realización de la presente divulgación incluye: dos o más electrodos internos dotados, cada uno, de un colector 710, 810, 910 de corriente interno y una capa 720, 820, 920 de electrodo interno que contiene litio que rodea el exterior del colector de corriente interno; una capa 730, 830, 930 protectora de aislamiento electrónico que rodea el exterior de los dos o más electrodos internos; un soporte 740, 840, 940 de aislamiento electrónico que rodea el exterior de la capa protectora de aislamiento electrónico; una capa 750, 850, 950 de separador que rodea el exterior del soporte de aislamiento electrónico; y un electrodo externo dotado de una capa 760, 860, 960 de electrodo externo que rodea el exterior de la capa de separador y un colector de 770, 870, 970 corriente externo que rodea el exterior de la capa de electrodo externo. La batería 700, 800, 900 secundaria flexible puede incluir además un recubrimiento 780, 880, 980 protector.
Cada capa 730, 830, 930 protectora de aislamiento electrónico puede incluir una capa no porosa de material compuesto orgánico/inorgánico y una capa porosa de polímero que rodea su superficie exterior. La descripción particular de la capa protectora de aislamiento electrónico es la misma que se describió anteriormente.
Los dos o más electrodos internos pueden disponerse en paralelo entre sí (figura 9a a figura 9c), o pueden disponerse en forma retorcida en espiral mientras se cruzan entre sí (figura 10).
Puesto que la batería 700, 800, 900 secundaria flexible está dotada de un electrodo interno que tiene una pluralidad de electrodos, es posible controlar la cantidad de carga de una capa de electrodo y la capacidad de la batería ajustando el número de electrodos internos. Además, puesto que la batería secundaria flexible está dotada de una pluralidad de electrodos, es posible impedir la desconexión.
La batería secundaria flexible tal como se describió anteriormente usa una capa de electrodo que contiene litio como electrodo interno para lograr una alta capacidad, y está dotada de una capa protectora de aislamiento electrónico y un soporte de aislamiento electrónico en el exterior de la capa de electrodo que contiene litio para inhibir el crecimiento no uniforme de litio dendrítico y para garantizar un canal a través del cual se mueve suavemente un electrolito. Por tanto, la batería secundaria flexible tiene seguridad mejorada y características de vida útil excelentes.
La batería flexible según la presente divulgación puede usarse no sólo para una celda de batería usada como fuente de alimentación para un dispositivo compacto sino también como una celda unitaria de un módulo de batería de tamaño mediano a grande que incluye una pluralidad de celdas de batería. En particular, la batería secundaria de litio flexible según la presente divulgación puede usarse ventajosamente como fuente de alimentación en diversos entornos portátiles.

Claims (2)

REIVINDICACIONES
1. Batería secundaria flexible, que comprende:
un electrodo interno dotado de un colector de corriente interno y una capa de electrodo interno que contiene litio que rodea el exterior del colector de corriente interno;
una capa protectora de aislamiento electrónico que rodea el exterior del electrodo interno y está dotada de una capa no porosa que comprende un electrolito sólido inorgánico y un polímero de hinchamiento con electrolito y una capa porosa de polímero que rodea la superficie externa de la capa no porosa;
un soporte de aislamiento electrónico que rodea el exterior de la capa protectora de aislamiento electrónico; una capa de separador que rodea el exterior del soporte de aislamiento electrónico; y
un electrodo externo dotado de una capa de electrodo externo que rodea el exterior de la capa de separador y un colector de corriente externo que rodea el exterior de la capa de electrodo externo, en la que el soporte de aislamiento electrónico es un soporte de tipo alambre enrollado que rodea el exterior de la capa protectora de aislamiento electrónico, el soporte de tipo alambre enrollado tiene un grosor de 100 |im a 3 mm, y el soporte de tipo alambre enrollado tiene un paso, preferiblemente intervalo de enrollado de 1 |im a 1 cm.
2. Batería secundaria flexible según la reivindicación 1, en la que el electrolito sólido inorgánico comprende un electrolito a base de óxido, a base de fosfato, a base de nitruro o a base de sulfuro, o una combinación de dos o más de los mismos.
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Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102810362B1 (ko) * 2019-04-18 2025-05-19 주식회사 엘지에너지솔루션 전고체 전지용 전해질막 및 이를 포함하는 전고체 전지
KR102827262B1 (ko) * 2019-04-19 2025-06-27 주식회사 엘지에너지솔루션 전고체 전지용 전해질막 및 이를 포함하는 전고체 전지
CN112216818B (zh) * 2019-07-11 2022-02-08 比亚迪股份有限公司 一种锂离子电池负极及其制备方法、锂离子电池和电池模组
KR102384659B1 (ko) 2019-09-19 2022-04-11 한국전자기술연구원 유연 전극, 그를 이용한 리튬이차전지 및 그의 제조 방법
EP4055646A1 (en) * 2019-11-07 2022-09-14 Sion Power Corporation Electrode cutting instrument
CN111029588B (zh) * 2019-12-11 2022-04-12 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种设置有微保险的集流体及含有该集流体的锂离子电池极片
CN111129505B (zh) * 2020-01-21 2022-03-11 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种使用轻量化的集流体的锂电池
TWI741559B (zh) * 2020-04-13 2021-10-01 輝能科技股份有限公司 複合式隔離層
CN111564635B (zh) * 2020-04-22 2021-10-22 北京科技大学 一种柔性可拉伸锌聚合物电池及其制备方法
CN113611872A (zh) * 2020-11-14 2021-11-05 宁德时代新能源科技股份有限公司 电极极片、含有该电极极片的二次电池、电池模块、电池包及用电装置
EP4089781A4 (en) * 2021-03-31 2023-05-31 Ningde Amperex Technology Ltd. ELECTROCHEMICAL DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE
EP4539209A3 (en) 2021-09-27 2025-07-30 QuantumScape Battery, Inc. Electrochemical stack and method of assembly thereof
CN114204102B (zh) * 2021-10-29 2023-11-14 同济大学 防水、隔空气、抑制枝晶全固态锂金属保护膜及其构筑策略
US12567656B1 (en) 2022-02-11 2026-03-03 Greatbatch Ltd. Method for making a miniature electrochemical cell having lithium swaged onto the innter surface of a casing
US20230268518A1 (en) * 2022-02-24 2023-08-24 Nissan North America, Inc. High surface area electrode for solid-state battery
NL2031071B1 (en) * 2022-02-24 2023-09-06 Lionvolt B V Pre-loaded protected anode, battery and manufacturing method
CN117276559B (zh) * 2022-06-14 2025-01-17 广东小天才科技有限公司 模板及制作方法和应用、中间结构和锂二次电池电极
CN117154021B (zh) * 2023-09-25 2025-09-05 中国长江三峡集团有限公司 一种三维锂金属负极及其制备方法、锂离子电池
KR102928152B1 (ko) 2023-11-16 2026-02-20 연세대학교 산학협력단 코팅층이 형성된 집전체, 이를 포함하는 무음극 리튬 전지 및 상기 집전체의 제조방법
KR20250167981A (ko) * 2024-05-23 2025-12-02 삼성에스디아이 주식회사 전고체 이차 전지
CN118738531B (zh) * 2024-07-02 2025-04-11 辽宁开放大学(辽宁装备制造职业技术学院) 固态电池簇和电池模组

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100366345B1 (ko) 2001-01-03 2002-12-31 삼성에스디아이 주식회사 리튬-황 전지용 음극 극판
KR100582557B1 (ko) 2004-11-25 2006-05-22 한국전자통신연구원 표면 패터닝된 음극 집전체로 이루어지는 리튬금속 고분자이차전지용 음극 및 그 제조 방법
KR100635759B1 (ko) 2005-01-28 2006-10-17 삼성에스디아이 주식회사 파우치형 리튬 이차 전지
JP5515308B2 (ja) 2009-02-03 2014-06-11 ソニー株式会社 薄膜固体リチウムイオン二次電池及びその製造方法
JP5458172B2 (ja) * 2010-02-01 2014-04-02 エルジー・ケム・リミテッド ケーブル型二次電池
KR101279409B1 (ko) * 2010-02-01 2013-06-27 주식회사 엘지화학 케이블형 이차전지
KR101351899B1 (ko) * 2010-10-21 2014-01-20 주식회사 엘지화학 케이블형 이차전지 및 그의 제조방법
KR101156225B1 (ko) 2010-11-17 2012-06-18 고려대학교 산학협력단 리튬이 전착된 실리콘 리튬 이차전지용 음극 및 이의 제조방법
US20140102523A1 (en) * 2011-04-07 2014-04-17 Newsouth Innovations Pty Limited Hybrid solar cell contact
KR20120122674A (ko) 2011-04-29 2012-11-07 삼성전자주식회사 리튬 이차 전지용 음극, 그 제조방법 및 이를 채용한 리튬 이차 전지
CN103875115B (zh) * 2011-10-13 2016-04-13 株式会社Lg化学 线缆型二次电池
EP2768057B1 (en) 2011-10-13 2016-08-31 LG Chem, Ltd. Cable-type secondary battery
JP6059941B2 (ja) * 2011-12-07 2017-01-11 株式会社半導体エネルギー研究所 リチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池
KR20130136150A (ko) * 2012-06-04 2013-12-12 현대자동차주식회사 리튬금속배터리용 고체 고이온전도체 및 이를 이용한 리튬금속배터리
KR101654680B1 (ko) 2012-12-12 2016-09-06 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극 및 그를 포함하는 케이블형 이차전지
US12261284B2 (en) * 2013-03-15 2025-03-25 Sion Power Corporation Protective structures for electrodes
CN105190969B (zh) 2013-03-15 2019-01-18 赛昂能源有限公司 用于电极的保护结构
WO2014182064A1 (ko) 2013-05-07 2014-11-13 주식회사 엘지화학 이차전지용 전극, 그의 제조방법, 그를 포함하는 이차전지 및 케이블형 이차전지
JP5938524B2 (ja) * 2013-05-07 2016-06-22 エルジー・ケム・リミテッド 二次電池用電極、その製造方法、それを含む二次電池、及びケーブル型二次電池
CN204375843U (zh) * 2013-05-07 2015-06-03 株式会社Lg化学 二次电池用电极、以及包含其的二次电池和线缆型二次电池
CN105794018B (zh) * 2013-09-02 2020-07-17 日本戈尔有限公司 保护膜、使用该保护膜的间隔物以及充电电池
US9711800B2 (en) 2013-11-27 2017-07-18 Lg Chem, Ltd. Cable-type secondary battery
EP3157079B1 (en) 2014-06-13 2018-10-17 LG Chem, Ltd. Lithium electrode and lithium battery including same
TWI563716B (en) 2014-07-16 2016-12-21 Prologium Technology Co Ltd Anode electrode
TWI528619B (zh) * 2014-07-16 2016-04-01 輝能科技股份有限公司 金屬鋰極板
KR101771320B1 (ko) 2014-10-29 2017-08-24 주식회사 엘지화학 리튬 전극 및 이를 포함하는 리튬 전지
KR101752373B1 (ko) * 2014-10-31 2017-06-29 주식회사 엘지화학 전극 복합체, 그를 포함하는 이차전지 및 케이블형 전지 이차전지
WO2016068683A1 (ko) * 2014-10-31 2016-05-06 주식회사 엘지화학 다층형 케이블형 이차전지
EP3278383A4 (en) * 2015-03-30 2018-09-05 Solidenergy Systems Composite coating systems and methods for lithium metal anodes in battery applications
KR102307909B1 (ko) 2015-05-08 2021-10-01 삼성에스디아이 주식회사 리튬 전지
KR101990609B1 (ko) 2015-09-24 2019-06-18 주식회사 엘지화학 리튬 전극 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
KR20170094016A (ko) 2016-02-05 2017-08-17 한양대학교 산학협력단 황화주석을 이용한 리튬 이온 배터리용 애노드 제조방법 및 리튬 이온 배터리
KR20170114599A (ko) 2016-04-05 2017-10-16 주식회사 만도 스마트 크루즈 컨트롤 시스템 및 그 제어 방법
KR20170114598A (ko) 2016-04-05 2017-10-16 인하대학교 산학협력단 적응적 색상 순서에 따른 색상 성분 간 예측을 이용한 동영상 부호화 및 복호화 방법 및 장치
ES2776806T3 (es) * 2016-10-12 2020-08-03 Prologium Tech Co Ltd Electrodo de metal de litio y su batería de metal de litio relacionada

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