ES3004581T3

ES3004581T3 - Cathode and electrochemical device

Info

Publication number: ES3004581T3
Application number: ES20843081T
Authority: ES
Inventors: Feilong Guo; Juan Jin; Xinbing Chen; Hongming Yu
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2025-03-12
Anticipated expiration: 2040-05-22
Also published as: EP3844830B1; DK3844830T3; WO2021012768A1; JP2022515014A; US20210313563A1; JP7261881B2; EP3844830A4; PL3844830T3; EP3844830A1; CN110429252B; CN110429252A; FI3844830T3; HUE070067T2; US12142753B2

Abstract

Un cátodo y un dispositivo electroquímico. El cátodo comprende: un colector de corriente catódico; y una capa de material activo catódico dispuesta sobre la superficie del colector de corriente catódico. La capa de material activo catódico comprende una primera partícula y una segunda partícula. La primera partícula comprende una partícula secundaria compuesta por una tercera partícula, siendo esta última una partícula primaria. La primera partícula tiene un tamaño promedio de partícula de 5 μm a 20 μm, la tercera partícula tiene un tamaño promedio de partícula de 200 nm a 700 nm, la segunda partícula comprende una cuarta partícula y/o una partícula secundaria compuesta por esta última, siendo esta última una partícula primaria. La segunda partícula tiene un tamaño promedio de partícula de 3 μm a 5 μm, la cuarta partícula tiene un tamaño promedio de partícula de 800 nm a 5 μm. La primera partícula se encuentra en una región cercana al colector de corriente catódico y la segunda en una región alejada de este. El cátodo puede mejorar significativamente el rendimiento de velocidad, el rendimiento del ciclo y el rendimiento de seguridad del dispositivo electroquímico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Cátodo y dispositivo electroquímico

ANTECEDENTES

Campo de la técnica

La presente solicitud se refiere al campo del almacenamiento de energía y, en particular, a un cátodo y a un dispositivo electroquímico.

Descripción de la técnica relacionada

Con el desarrollo del mercado de herramientas eléctricas, los requisitos para los dispositivos electroquímicos (por ejemplo, baterías de iones de litio) adecuados para el mercado de herramientas eléctricas son cada vez más altos, especialmente para las baterías de iones de litio, que deben tener un bajo costo, alta densidad de energía, ciclo de vida prolongado, alta densidad de potencia y otras propiedades.

COMPENDIO

En la actualidad, las baterías de iones de litio utilizadas en dispositivos electrónicos móviles hacen uso principalmente de óxido de litio y cobalto como material del cátodo. Sin embargo, el cobalto es un elemento altamente tóxico, costoso y con recursos limitados, por lo que el desarrollo de materiales del cátodo con bajo contenido de cobalto es una tendencia inevitable. Los materiales del cátodo con alto contenido de níquel han recibido una gran atención debido a su menor contenido de cobalto, especialmente dada su capacidad real mayor que el óxido de litio y cobalto. Sin embargo, los materiales del cátodo con alto contenido de níquel tienen una alta densidad aparente y las partículas se rompen fácilmente y producen gas con una alta densidad de compactación, lo que limita su aplicación en baterías de alta densidad de energía.

Las mejoras en los materiales del cátodo que contienen níquel en la técnica anterior se dirigen principalmente al rendimiento del ciclo a baja velocidad (<4 C). Además, se ha prestado más atención a los problemas de seguridad de los materiales del cátodo que contienen níquel. Por ejemplo, la densidad de compactación y la densidad de energía volumétrica del material del cátodo se mejoran realizando un tratamiento de revestimiento graduado o con gradiente en el precursor, o dopando y recubriendo directamente el material secundario del material del cátodo, lo que mejora así la velocidad y el rendimiento del ciclo de la batería de iones de litio preparada a partir del mismo. Sin embargo, el material del cátodo modificado mediante el procedimiento anterior no es adecuado para una batería de iones de litio de alta potencia (por ejemplo, una carga y descarga de 4 C o superior).

Para superar los inconvenientes anteriores, la presente solicitud proporciona una batería de iones de litio que puede lograr una alta densidad de compactación y una producción de gas reducida del cátodo, logrando así un rendimiento de alta velocidad y ciclo largo.

Según un primer aspecto de la presente solicitud, la presente solicitud proporciona un cátodo que incluye: un colector de corriente de cátodo; y una capa de material activo del cátodo dispuesta sobre una superficie del colector de corriente de cátodo, donde la capa de material activo del cátodo incluye una primera partícula y una segunda partícula, incluyendo la primera partícula una partícula secundaria compuesta por una tercera partícula, tal que la tercera partícula es una partícula primaria, la primera partícula tiene un tamaño de partícula promedio de 5 pm a 20 pm, la tercera partícula tiene un tamaño de partícula promedio de 200 nm a 700 nm, la segunda partícula incluye una cuarta partícula y/o una partícula secundaria compuesta por la cuarta partícula, la cuarta partícula es una partícula primaria, la segunda partícula tiene un tamaño de partícula promedio de 3 pm a 5 pm, la cuarta partícula tiene un tamaño de partícula promedio de 800 nm a 5 pm, estando la primera partícula contenida en una región cercana al colector de corriente de cátodo y estando la segunda partícula contenida en una región alejada del colector de corriente de cátodo.

En algunas realizaciones, la capa de material activo del cátodo incluye una primera capa y una segunda capa, donde la primera capa incluye la primera partícula y la segunda capa incluye la segunda partícula.

En algunas realizaciones, en la dirección del espesor de la capa de material activo del cátodo, la cantidad de la segunda partícula disminuye desde la región alejada del colector de corriente de cátodo a la región cercana al colector de corriente de cátodo, y la cantidad de la primera partícula aumenta desde la región alejada del colector de corriente de cátodo a la región cercana al colector de corriente de cátodo.

En algunas realizaciones, la primera partícula incluye una partícula secundaria compuesta por 150 a 2.000 terceras partículas, y la segunda partícula incluye una partícula secundaria compuesta por 2 a 100 cuartas partículas.

En algunas realizaciones, la relación de espesor de la segunda capa con respecto a la primera capa es de aproximadamente 1:10 a aproximadamente 1:1.

En algunas realizaciones, la capa de material activo del cátodo incluye además un agente conductor, donde el contenido del agente conductor en la región cercana al colector de corriente de cátodo es menor que el contenido del agente conductor en la región alejada del colector de corriente de cátodo.

En algunas realizaciones, la primera partícula tiene un área superficial específica de aproximadamente 0,10 m2/g a aproximadamente 1,50 m2/g, y la segunda partícula tiene un área superficial específica de aproximadamente 0,30 m2/g a aproximadamente 2,50 m2/g, y la relación del área superficial específica de la segunda partícula con respecto a la primera partícula es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 5:1.

En algunas realizaciones, la relación de intensidad máxima del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X de la segunda partícula con respecto a la primera partícula es de aproximadamente 1,03 a aproximadamente 1,6, y la diferencia de anchura a mitad de pico del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X de la primera partícula y la segunda partícula es de aproximadamente 0,002° a aproximadamente 0,008°.

En algunas realizaciones, la relación entre el tamaño de partícula promedio de la primera partícula y el tamaño de partícula promedio de la segunda partícula es de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 10:1.

En algunas realizaciones, la primera partícula es un primer óxido de metal de transición que contiene litio que tiene la fórmula química LiaNixCoyM1zN1pO2 donde 0,95<a<1,05, 0,5<x<1, 0<y<0,4, 0<z<0,4, 0 < p < 0,05, y x y z p = 1, M1 es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mn y Al, y N1 es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mg, Ti, Zr, Nb, Y, Cr, V, Ge, Mo y Sr; la segunda partícula es un segundo óxido de metal de transición que contiene litio que tiene una fórmula química LinNiaCobM2cN2dO2, donde 0,95<n<1,05, 0,3<a<1, 0<b<0,4, 0<c<0,4, 0<d<0,02 y a+b+c+d=1, M2 es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mn y Al, y N2 es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mg, Ti, Zr, Nb, Y, Cr, V, Ge, Mo y Sr.

En algunas realizaciones, el contenido de níquel del primer óxido de metal de transición que contiene litio es mayor que el contenido de níquel del segundo óxido de metal de transición que contiene litio.

En algunas realizaciones, en el borde de la capa de material activo del cátodo, la segunda capa se extiende más allá de la primera capa.

Según un segundo aspecto de la presente solicitud, la presente solicitud proporciona un dispositivo electroquímico que incluye un ánodo; un separador; un electrolito; y cualquiera de los cátodos anteriores.

Los aspectos y ventajas adicionales de las realizaciones de la presente solicitud se describirán o mostrarán en la descripción que se muestra a continuación o se interpretarán mediante la implementación de las realizaciones de la presente solicitud.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

A continuación, se ilustrarán brevemente los dibujos adjuntos. Se ilustrarán brevemente los dibujos necesarios para describir las realizaciones de la presente solicitud para facilitar la descripción de las realizaciones de la presente solicitud. Obviamente, los dibujos adjuntos que se describen a continuación solo muestran algunas realizaciones de la presente solicitud. Para los expertos en la materia, los dibujos de otras realizaciones aún se pueden obtener a partir de las estructuras ilustradas en los dibujos sin necesidad de esfuerzos creativos.

La Fig. 1A y la Fig. 1B son fotografías de microscopio electrónico de barrido (MEB) de una primera partícula y una segunda partícula de la Realización 1, respectivamente.

La Fig. 2A es una imagen de MEB que muestra una sección transversal de un cátodo de una batería de iones de litio en el Ejemplo comparativo 2 después de circular 500 veces a una velocidad de 8 C, y la Fig. 2B es una imagen de MEB que muestra una sección transversal de un cátodo de una batería de iones de litio en el Ejemplo comparativo 1 después de circular 500 veces a una velocidad de 8 C.

La Fig. 3A es una imagen de MEB que muestra una sección transversal del cátodo en el Ejemplo comparativo 2 antes de la circulación, y la Fig. 3B es una imagen de MEB que muestra una sección transversal del cátodo en el Ejemplo comparativo 2 después de circular 500 veces a una velocidad de 8 C, la Fig. 3C es una imagen de MEB que muestra una sección transversal del cátodo en la Realización 1 antes de la circulación, y la Fig. 3D es una imagen de MEB que muestra una sección transversal del cátodo en la Realización 1 después de circular 500 veces a una velocidad de 8 C.

La Fig. 4 es un gráfico que muestra la relación entre la relación de expansión y el número de ciclos de las baterías de iones de litio en el Ejemplo comparativo 2 y la Realización 1 a una velocidad de 8 C.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

A continuación, se describirá en detalle la presente solicitud. Se entenderá que los términos utilizados en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas no se explicarán limitándose a los significados asignados por el sentido común y por los diccionarios, sino que lo harán según los significados y conceptos correspondientes a los aspectos técnicos de la presente solicitud sobre la base del principio de que el autor de la invención puede definir correctamente los términos para ofrecer una explicación óptima. Por lo tanto, la solución de implementación en la memoria descriptiva y la descripción en los dibujos son solo ejemplos específicos utilizados con fines de descripción y no con la intención de ilustrar todos los aspectos técnicos de la presente solicitud, y se entenderá que, cuando se presente la presente solicitud, se pueden comprender los diversos equivalentes y variantes alternativos de la misma.

Tal como se emplean en la presente solicitud, los términos “aproximadamente”, “sustancialmente”, “esencialmente” y “alrededor de” se utilizan para describir y explicar una pequeña variación. Cuando se utilizan en combinación con un suceso o circunstancia, dichos términos pueden referirse a un ejemplo donde el suceso o circunstancia ocurre con precisión, o a un ejemplo donde el suceso o circunstancia ocurre de forma aproximada. Por ejemplo, cuando se utiliza en combinación con un valor, el término puede referirse a un intervalo de variación inferior o igual al ± 10 % del valor, por ejemplo, inferior o igual al ± 5 %, inferior o igual al ± 4 %, inferior o igual al ± 3 % inferior o igual al ± 2 %, inferior o igual al ± 1 %, inferior o igual al ± 0,5 % inferior o igual al ± 0,1 % o inferior o igual al ± 0.05 %. Por ejemplo, si la diferencia entre dos valores numéricos es inferior o igual al ± 10 % del promedio de los valores (p. ej., inferior o igual al ± 5 % inferior o igual al ± 4 %, inferior o igual al ± 3 %, inferior o igual al ± 2 %, inferior o igual al ± 1 %, inferior o igual al ± 0,5 %, inferior o igual al ± 0,1 %, o inferior o igual al ± 0,05 %), los dos valores pueden considerarse “sustancialmente” iguales.

Además, a veces, en la presente solicitud una cantidad, una proporción y/u otros valores pueden presentarse en un formato de intervalo. Debe apreciarse que dichos formatos de intervalo se emplean por conveniencia y concisión, y deben entenderse de manera flexible en el sentido de que incluyen no solo los valores especificados explícitamente en las restricciones de intervalo, sino también todos los valores individuales o subintervalos dentro de los intervalos, por ejemplo, al especificar explícitamente cada valor y cada subintervalo.

1. Cátodo

La presente solicitud proporciona un cátodo. que incluye: un colector de corriente de cátodo; y una capa de material activo del cátodo dispuesta sobre una superficie del colector de corriente de cátodo, donde la capa de material activo del cátodo incluye una primera partícula y una segunda partícula, la primera partícula incluye una partícula secundaria compuesta por una tercera partícula, la tercera partícula es una partícula primaria, la primera partícula tiene un tamaño de partícula promedio (el tamaño de partícula promedio en la presente solicitud es Dv50, lo que significa un tamaño de partícula con el que la frecuencia acumulada en volumen desde el lado del tamaño de partícula más pequeño alcanza el 50 % en la distribución del tamaño de partícula basada en el volumen) de 5 |jm a 20 |jm, la tercera partícula tiene un tamaño de partícula promedio de 200 nm a 700 nm, la segunda partícula incluye una cuarta partícula y/o una partícula secundaria compuesta por la cuarta partícula, la cuarta partícula es una partícula primaria, la segunda partícula tiene un tamaño de partícula promedio de 3 jm a 5 jm , la cuarta partícula tiene un tamaño de partícula promedio de 800 nm a 5 jm , la primera partícula está contenida en una región cercana al colector de corriente de cátodo y la segunda partícula está contenida en una región alejada del colector de corriente de cátodo.

En algunas realizaciones, la tercera partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 300 nm a aproximadamente 600 nm. En algunas realizaciones, la tercera partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 400 nm a aproximadamente 500 nm. En algunas realizaciones, la tercera partícula tiene un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 300 nm, aproximadamente 400 nm, aproximadamente 500 nm y aproximadamente 600 nm.

En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 1 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 1,2 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 1,4 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 1,6 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 1,8 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 2 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 2,2 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 2,4 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 2,6 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 2,8 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 3 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 3,2 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 3,4 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 3,6 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 3,8 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 4 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 4,2 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 4,4 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 4,6 jm a aproximadamente 5 jm . En algunas realizaciones, la cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 900 nm, aproximadamente 1 jm , aproximadamente 1,5 jm , aproximadamente 2 jm , aproximadamente 3 jm y aproximadamente 4 jm . Una cuarta partícula excesivamente grande puede provocar el deterioro del rendimiento cinético del material del cátodo, y una cuarta partícula excesivamente pequeña puede provocar el deterioro de la estabilidad estructural del material del cátodo.

En algunas realizaciones, en la dirección del espesor de la capa de material activo del cátodo, la cantidad de la segunda partícula disminuye desde la región alejada del colector de corriente de cátodo hasta la región cercana al colector de corriente de cátodo. En algunas realizaciones, la cantidad de la segunda partícula se reduce en una curva lineal a lo largo de la dirección descrita anteriormente. En algunas realizaciones, la cantidad de la segunda partícula disminuye en una curva no lineal a lo largo de la dirección descrita anteriormente. En algunas realizaciones, la segunda partícula disminuye en un perfil parabólico, en una curva de caída libre con respecto a una curva de surco esférico o en una curva escalonada a lo largo de la dirección descrita anteriormente. En algunas realizaciones, la segunda partícula disminuye en una curva ondulada a lo largo de la dirección descrita anteriormente. En algunas realizaciones, en la dirección del espesor de la capa del material activo del cátodo, la cantidad de la primera partícula aumenta desde la región alejada del colector de corriente de cátodo a la región cercana al colector de corriente de cátodo. En algunas realizaciones, la cantidad de la primera partícula aumenta en una curva lineal a lo largo de la dirección descrita anteriormente. En algunas realizaciones, la cantidad de la primera partícula aumenta en una curva no lineal a lo largo de la dirección descrita anteriormente. En algunas realizaciones, la primera partícula aumenta en un perfil parabólico, en una curva de caída libre con respecto a una curva de surco esférico o en una curva escalonada a lo largo de la dirección descrita anteriormente. En algunas realizaciones, la primera partícula aumenta en una curva ondulada a lo largo de la dirección descrita anteriormente.

La Fig. 1A y la Fig. 1B son fotografías de microscopia electrónica de barrido (MEB) de la primera partícula y la segunda partícula de la Realización 1, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 1A, la primera partícula puede ser una partícula secundaria esférica o elipsoidal formada uniendo estrechamente las terceras partículas. Como se muestra en la Fig. 1B, la segunda partícula puede ser una partícula secundaria de forma irregular apilada por las cuartas partículas.

En algunas realizaciones, la primera partícula puede incluir de aproximadamente 150 a aproximadamente 2.000 terceras partículas. En algunas realizaciones, la primera partícula puede incluir de aproximadamente 600 a aproximadamente 1.000 terceras partículas. En algunas realizaciones, la primera partícula puede incluir de aproximadamente 700 a aproximadamente 800 terceras partículas. En algunas realizaciones, la primera partícula puede incluir aproximadamente 200, aproximadamente 500, aproximadamente 800, aproximadamente 1.000, aproximadamente 1.500 terceras partículas. La tercera partícula tiene un tamaño de partícula promedio de 200 nm a 700 nm.

En algunas realizaciones, la segunda partícula incluye la partícula secundaria compuesta por 2 a 100 cuartas partículas. En algunas realizaciones, la segunda partícula puede incluir de aproximadamente 20 a aproximadamente 90 cuartas partículas. En algunas realizaciones, la segunda partícula puede incluir de aproximadamente 30 a aproximadamente 70 cuartas partículas. En algunas realizaciones, la segunda partícula puede incluir de aproximadamente 40 a aproximadamente 60 cuartas partículas. En algunas realizaciones, la segunda partícula puede incluir aproximadamente 10, aproximadamente 20, aproximadamente 30, aproximadamente 40, aproximadamente 50, aproximadamente 80 cuartas partículas. La cuarta partícula puede tener un tamaño de partícula promedio de aproximadamente 800 nm a aproximadamente 5 pm.

En la presente solicitud se ha descubierto que la segunda partícula es menos susceptible a la rotura durante el ciclo (como se muestra en la Fig. 2B) en comparación con la primera partícula que es propensa a la rotura de partículas durante el ciclo (como se muestra en la Fig. 2A). Esto se debe principalmente a que la superficie de la segunda partícula es más lisa que la de la primera partícula y tiene mayor facilidad de deslizamiento, lo que mejora el deslizamiento entre las partículas y reduce la fricción interna. Además, la estructura cristalina interna de la segunda partícula es menos defectuosa y la tensión causada por el cambio de red se libera más fácilmente durante el ciclo, lo que a su vez reduce la rotura de las partículas. Por lo tanto, al utilizar la segunda partícula y la primera partícula, la segunda partícula puede llenar el espacio de la primera partícula en la interfaz, aumentando así la densidad aparente del polvo y reduciendo la presión de laminación al tiempo que se garantiza la misma densidad de compactación, de modo que la rotura de partículas se reduce durante el prensado en frío. La capa de material activo del cátodo se proporciona de manera que las segundas partículas estén ubicadas en una región alejada del colector de corriente de cátodo y las primeras partículas estén ubicadas en una región cercana al colector de corriente de cátodo. De este modo, se puede lograr la estabilidad de la segunda partícula durante el proceso cíclico en combinación con el alto rendimiento cinético de la primera partícula, con lo que el problema de rotura de partículas se puede mejorar significativamente durante el prensado en frío y el ciclo del cátodo sin la pérdida de otras propiedades (por ejemplo, densidad de energía/resistencia en corriente continua (Rcc)/velocidad, etc.), de modo que la producción de gas pueda retrasarse durante el ciclo y sea posible mejorar el rendimiento de los ciclos a gran velocidad.

En algunas realizaciones, la capa de material activo del cátodo incluye una primera capa y una segunda capa, donde la primera capa incluye la primera partícula y la segunda capa incluye la segunda partícula. En algunas realizaciones, la relación de espesor de la segunda capa con respecto a la primera capa es de 1:10 a 1:1.

En algunas realizaciones, en el borde de la capa de material activo del cátodo, la segunda capa se extiende más allá de la primera capa. La disposición anterior puede garantizar que la segunda partícula forme una protección completa para la primera partícula, lo que resulta beneficioso para superar el problema de producción de gas durante el ciclo de los materiales del cátodo.

En algunas realizaciones, la relación de intensidad máxima del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X de la segunda partícula con respecto a la primera partícula puede ser de aproximadamente 1,1 a aproximadamente 1,5 o de aproximadamente 1,2 a aproximadamente 1,3. En algunas realizaciones, la diferencia de anchura a mitad de pico del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X de la primera partícula y la segunda partícula puede ser de aproximadamente 0,003° a aproximadamente 0,007°, de aproximadamente 0,004° a aproximadamente 0,006°.

A partir del estudio de la presente solicitud, se ha descubierto que la segunda partícula tiene una cristalinidad significativamente mayor que la primera partícula y, por lo tanto, la intensidad máxima del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X de la segunda partícula es mayor que la de la primera partícula, y la anchura a mitad de pico de la segunda partícula es más estrecha que la de la primera partícula. La diferencia en la relación de intensidad de pico y la diferencia de anchura a mitad de pico del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X depende principalmente de la diferencia en la relación de mezcla de la segunda partícula y la primera partícula. Cuanto mayor sea la proporción de la segunda partícula, mayor será la relación de intensidad máxima del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X y mayor la diferencia de anchura a mitad de pico. Las relaciones de intensidad de pico y las anchuras a mitad de pico excesivamente grandes y excesivamente pequeñas reflejan una proporción demasiado alta o demasiado baja de la segunda partícula. La segunda partícula tiene una gran área superficial específica (BET), una alta resistencia a la corriente continua (Rcc) y un rendimiento cinético deficiente, de modo que una relación de mezcla demasiado grande de la segunda partícula reduciría la densidad de compactación del material del cátodo, afectaría seriamente al rendimiento dinámico del material y deterioraría el rendimiento de velocidad, el rendimiento a baja temperatura y el rendimiento a alta temperatura de los materiales, y una relación de mezcla demasiado pequeña de la segunda partícula no lograría el efecto de aumentar la densidad de compactación del material y mantener la estabilidad estructural. Por lo tanto, en algunas realizaciones de la presente solicitud, controlando la relación de intensidad máxima del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X de la segunda partícula con respecto a la primera partícula y la diferencia de anchura a mitad de pico del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X de la primera partícula y la segunda partícula dentro del intervalo anterior, o controlando la proporción de la segunda partícula y la primera partícula, se puede lograr el efecto deseado de la presente solicitud.

En algunas realizaciones, la primera partícula es un óxido de metal de transición que contiene litio que tiene una fórmula química Li<a>Ni<x>Co<y>M1<z>N1p<o>, donde 0,95<a<1,05, 0,5<x<1, 0<y<0,4, 0<z<0,4, 0 < p < 0,05, y x y z p = 1, M1 es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mn y Al, y N1 es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mg, Ti, Zr, Nb, Y, Cr, V, Ge, Mo y Sr; la segunda partícula es un segundo óxido de metal de transición que contiene litio que tiene una fórmula química Li<n>Ni<a>CoM2<c>N2<d>O<2,>donde 0,95<n<1,05, 0,3<a<1, 0<b<0,4, 0<c<0,4, 0<d<0,02 y a+b+c+d=1, M2 es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mn y Al, y N2 es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mg, Ti, Zr, Nb, Y, Cr, V, Ge, Mo y Sr.

En algunas realizaciones, la segunda partícula tiene un porcentaje molar de Ni de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 80 %; y la primera partícula tiene un porcentaje molar de Ni de aproximadamente el 50 % a aproximadamente el 90 %; y la relación entre el porcentaje molar de Ni en la segunda partícula y el porcentaje molar de Ni en la primera partícula es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:3. En algunas realizaciones, el contenido de níquel del primer óxido de metal de transición que contiene litio es mayor que el contenido de níquel del segundo óxido de metal de transición que contiene litio.

A partir del estudio de la presente solicitud, se ha descubierto que cuanto menor es el contenido de níquel, mejor es la estabilidad térmica y el rendimiento cíclico del material del cátodo (como se muestra en las Realizaciones 1-3). Por lo tanto, en algunas realizaciones de la presente solicitud, el contenido de níquel en la segunda partícula en la región alejada del colector de corriente de cátodo de la capa de material activo del cátodo se establece para que sea menor que el contenido de níquel en la primera partícula en la región cercana al colector de corriente de cátodo, de modo que la estabilidad estructural del cátodo se puede mejorar aún más, lo que resulta ventajoso para el rendimiento de ciclo largo de la batería de iones de litio a una velocidad elevada.

En algunas realizaciones, la capa de material activo del cátodo incluye además un agente conductor. En algunas realizaciones, el agente conductor incluye al menos uno seleccionado del grupo que consiste en negro de carbono, nanotubos de carbono, grafeno y derivados de los mismos. En algunas realizaciones, el contenido del agente conductor en la región cercana al colector de corriente de cátodo es menor que el contenido en la región alejada del colector de corriente de cátodo. En algunas realizaciones, el contenido del agente conductor en la segunda capa es mayor que el contenido del agente conductor en la primera capa. En algunas realizaciones, el contenido del agente conductor en la segunda capa es de aproximadamente el 2 % a aproximadamente el 10 % según el peso total de la segunda capa, el contenido del agente conductor en la primera capa es de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 5 % según el peso total de la primera capa, y la relación entre el contenido del agente conductor en la segunda capa y el contenido del agente conductor en la primera capa es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 10:1.

El contenido del agente conductor en la capa de material activo en la región alejada del colector de corriente de cátodo se establece para que sea mayor que el contenido del agente conductor en la capa de material activo en la región cercana al colector de corriente de cátodo, es decir, la cantidad del agente conductor aumenta según las características de la segunda partícula, el rendimiento cinético de la segunda partícula puede mejorarse, de modo que el cátodo sea más adecuado para descargas a gran velocidad (>4C).

En algunas realizaciones, la capa de material activo del cátodo incluye además un ligante. En algunas realizaciones, el ligante incluye al menos uno seleccionado del grupo que consiste en polifluoruro de vinilideno, copolímero de fluoruro de vinilideno-hexafluoropropileno, poliamida, poliacrilonitrilo, poliacrilato, poliácido acrílico, poliacrilato, carboximetilcelulosa sódica, polivinilpirrolidona, poliéter vinílico, polimetilmetacrilato, politetrafluoroetileno, polihexafluoropropileno, caucho de butadieno-estireno y resina epoxídica.

En algunas realizaciones, la segunda partícula tiene un tamaño de partícula promedio Dv50 que es menor que el Dv50 de la primera partícula, y la segunda partícula tiene un área superficial específica que es mayor que el área superficial específica de la primera partícula. En algunas realizaciones, la relación entre el tamaño de partícula promedio de la primera partícula y el tamaño de partícula promedio de la segunda partícula es de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 10:1. En algunas realizaciones, la segunda partícula tiene un área superficial específica de aproximadamente 0,30 m2/g a aproximadamente 2,50 m2/g, y la primera partícula tiene un área superficial específica de aproximadamente 0,1 m2/g a aproximadamente 1,50 m2/g, y la relación entre el área superficial específica de la segunda partícula y el área superficial específica de la primera partícula secundaria es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 5:1.

La presente solicitud reconoce que cuanto menor es el tamaño promedio de partícula (Dv50) del material, mayor es el área superficial específica (BET) y mejor es el rendimiento cinético. Por lo tanto, el Dv50 de las segundas partículas en la región alejada del colector de corriente de cátodo de la capa de material activo del cátodo se establece para que sea menor que el Dv50 de las primeras partículas en la región cercana al colector de corriente de cátodo, y el área superficial específica de la segunda partícula en la región alejada del colector de corriente de cátodo es mayor que el área superficial específica de la primera partícula en la región cercana al colector de corriente de cátodo, de modo que el rendimiento cinético de toda la capa de material activo del cátodo puede mejorarse notablemente y se puede lograr el rendimiento de descarga cíclica prolongada del cátodo a una velocidad elevada (>4C).

II. Dispositivo electroquímico

La presente solicitud proporciona además un dispositivo electroquímico que incluye un cátodo de la presente solicitud. En algunas realizaciones, el dispositivo electroquímico es una batería de iones de litio. La batería de iones de litio incluye un cátodo de la presente solicitud, un ánodo, un separador y un electrolito, donde el ánodo incluye una capa de material activo del ánodo y un colector de corriente de ánodo.

El colector de corriente de cátodo del cátodo en algunas realizaciones de la presente solicitud puede ser una lámina de aluminio o una lámina de níquel, y el colector de corriente de ánodo del ánodo puede ser una lámina de cobre o una lámina de níquel. No obstante, se pueden usar otros colectores de corriente de cátodo y colectores de corriente de ánodo utilizados comúnmente en la técnica.

El agente conductor y el ligante de la capa de material activo del ánodo son similares al agente conductor y al ligante de la capa de material activo del cátodo descritos anteriormente, y no se describirán a continuación. La capa de material activo del ánodo contiene un material activo del ánodo, que incluye, pero no se limita a, un material seleccionado del grupo que consiste en un material de carbono, un compuesto metálico, un óxido, un sulfuro, un nitruro de litio tal como LiN3, un metal de litio, un elemento metálico y un elemento semimetálico que forman una aleación junto con el litio, un material polimérico y una combinación de los mismos.

En los materiales activos del ánodo anteriores, los ejemplos de materiales de carbono pueden incluir carbono poco grafitizado, carbono fácilmente grafitizable, grafito artificial, grafito natural, microperlas de mesocarbono, carbono blando, carbono duro, carbono pirolítico, coque, carbono vítreo, un cuerpo sinterizado de compuesto polimérico orgánico, fibras de carbono y carbón activado. El coque puede incluir coque de brea, coque de aguja y coque de petróleo. El cuerpo sinterizado de compuesto polimérico orgánico se refiere a un material obtenido calcinando un material polimérico tal como plástico fenólico o resina de furano a una temperatura apropiada para carbonizar el material polimérico, y algunos de estos materiales se clasifican en carbono poco grafitizado o carbono fácilmente grafitizado. Los ejemplos del material polimérico pueden incluir poliacetileno y polipirrol.

Además, en el material activo del ánodo, se selecciona un material cuyas tensiones de carga y descarga estén cerca de las del metal de litio. Esto se debe a que si las tensiones de carga y descarga del material activo del ánodo son más bajas, la batería puede tener más fácilmente una mayor densidad de energía. Los materiales activos del ánodo se pueden seleccionar entre materiales de carbono porque sus estructuras cristalinas solo cambian ligeramente durante la carga y la descarga, por lo que se pueden obtener buenas características de ciclo y grandes capacidades de carga y descarga. En particular, se puede seleccionar grafito porque puede proporcionar un gran equivalente electroquímico y una alta densidad de energía.

Además, el material activo del ánodo puede incluir metales de litio elementales, elementos metálicos y elementos semimetálicos capaces de formar aleaciones junto con el litio (Li), aleaciones y compuestos de los mismos, etc. En particular, el material del ánodo y el material de carbono se utilizan juntos porque, en este caso, se puede obtener un buen rendimiento del ciclo y una alta densidad de energía. Además de las aleaciones que incluyen dos o más elementos metálicos, las aleaciones utilizadas aquí también incluyen aleaciones que incluyen uno o más elementos metálicos y uno o más elementos semimetálicos. La aleación puede estar en una solución sólida, un cristal eutéctico (mezcla eutéctica), un compuesto intermetálico y una mezcla de los mismos.

Los ejemplos de elementos metálicos y semimetálicos pueden incluir estaño (Sn), plomo (Pb), aluminio (Al), indio (In), silicio (Si), zinc (Zn), antimonio (Sb), bismuto (Bi), cadmio (Cd), magnesio (Mg), boro (B), galio (Ga), germanio (Ge), arsénico (As), plata (Ag), circonio (Zr), itrio (Y) y hafnio (Hf). Los ejemplos de las aleaciones y compuestos anteriores pueden incluir un material que tiene una fórmula química: Ma<s>Mb<t>Liy un material que tiene una fórmula química: MaMc<q>Md<r>. En estas fórmulas químicas, Ma indica al menos uno de un elemento metálico y un elemento semimetálico capaz de formar una aleación con litio; Mb indica al menos uno del elemento metálico y el elemento semimetálico distinto de litio y Ma; Mc indica al menos uno de los elementos no metálicos; Md representa al menos uno de los elementos metálicos y semimetálicos distintos de Ma; y s, t, u, p, q y r cumplen s > 0, t > 0, u > 0, p > 0, q > 0 y r > o.

Además, en la capa de material activo del ánodo se puede utilizar un compuesto inorgánico que no incluye litio (Li) como MnO2, V<2>O<5>, V<6>O<13>, NiS y MoS.

En algunas realizaciones, el separador de la presente solicitud incluye, pero no se limita a, al menos uno seleccionado entre polietileno, polipropileno, tereftalato de polietileno, poliimida y fibra de aramida. Por ejemplo, el polietileno incluye al menos un componente seleccionado del grupo que consiste en polietileno de alta densidad, polietileno de baja densidad y polietileno de peso molecular ultraalto. En particular, el polietileno y el polipropileno, que tienen un buen efecto en la prevención de cortocircuitos, pueden mejorar la estabilidad de la batería de iones de litio mediante el efecto de apagado.

La superficie del separador puede incluir además una capa porosa. La capa porosa está dispuesta sobre al menos una superficie del separador. La capa porosa incluye partículas inorgánicas y un ligante. Las partículas inorgánicas son cualquiera o una combinación de más de una seleccionada entre alúmina (AhO<3>), óxido de silicio (SO<2>), óxido de magnesio (MgO), óxido de titanio (TiO<s>), óxido de hafnio (HfO<2>), óxido de estaño (SnO<2>), óxido de cerio (CeO<2>), óxido de níquel (NiO), óxido de zinc (ZnO), óxido de calcio (CaO), óxido de circonio (ZrÜ<2>), óxido de itrio (Y<2>O<3>), carburo de silicio (SiC), boehmita, hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, hidróxido de calcio y sulfato de bario El ligante es cualquiera o una combinación de más de uno seleccionado de polifluoruro de vinilideno, copolímero de fluoruro de vinilideno-hexafluoropropileno, poliamida, poliacrilonitrilo, éster de poliacrilato, poliácido acrílico, sal de poliacrilato, carboximetilcelulosa sódica, polivinilpirrolidona, poliéter vinílico, polimetilmetacrilato, politetrafluoroetileno y polihexafluoropropileno.

La capa porosa puede mejorar la resistencia al calor, la resistencia a la oxidación y la humectabilidad de la solución electrolítica del separador, y mejorar las propiedades de unión entre el separador y el cátodo o ánodo.

La batería de iones de litio incluye además un electrolito que puede ser uno o más de un electrolito de gel, un electrolito sólido y una solución electrolítica, donde la solución electrolítica contiene una sal de litio y un disolvente no acuoso.

En algunas realizaciones de la presente solicitud, la sal de litio se selecciona entre uno o más de LiPF<6>, LiBF<4>, LiAsF<6>, LiClO<4>, LiB(C<a>H<5>)<4>, UCH<3>SO<3>, UCF<3>SO<3>, LiN(SO<s>CF<3>)<s>, LiC(SO<s>CF<3>)<3>, LiSiF<a>, LiBOB y difluoroborato de litio. Por ejemplo, la sal de litio puede ser LiPF<a>, ya que puede proporcionar una alta conductividad iónica y mejorar el rendimiento del ciclo.

El disolvente no acuoso puede ser un compuesto de carbonato, un compuesto de carboxilato, un compuesto de éter, otro disolvente orgánico o una combinación de los mismos.

El compuesto de carbonato puede ser un compuesto de carbonato en cadena, un compuesto de carbonato cíclico, un compuesto de fluorocarbonato o una combinación de los mismos.

El compuesto de carbonato de cadena puede ser carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dipropilo (DPC), carbonato de metilpropilo (MPC), carbonato de etilpropilo (EPC), carbonato de metiletilo (MEC) y una combinación de los mismos. Algunos ejemplos del compuesto de carbonato cíclico son carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de butileno (BC), carbonato de viniletileno (VEC) y una combinación de los mismos. El compuesto de fluorocarbonato puede ser carbonato de fluoroetileno (FEC), carbonato de 1,2-difluoroetileno, carbonato de 1,1 -difluoroetileno, carbonato de 1,1,2-trifluoroetileno, carbonato de 1,1,2,2-tetrafluoroetileno, carbonato de 1-fluoro-2-metiletileno, carbonato de 1-fluoro-1-metiletileno, carbonato de 1,2-difluoro-1-metiletileno, carbonato de 1,1,2-trifluoro-2-metiletileno, carbonato de trifluorometiletileno y una combinación de los mismos.

Algunos ejemplos del compuesto de carboxilato son formiato de metilo, acetato de metilo, acetato de etilo, acetato de n-propilo, acetato de t-butilo, propionato de metilo, propionato de etilo, propionato de propilo, Y-butirolactona, decalactona, valerolactona, mevalonolactona, caprolactona y una combinación de los mismos.

Algunos ejemplos del compuesto de éter son éter dibutílico, éter dimetílico de tetraetilenglicol, éter dimetílico de dietilenglicol, 1,2-dimetoxietano, 1,2-dietoxietano, etoximetoxietano, 2-metiltetrahidrofurano, tetrahidrofurano y una combinación de los mismos.

Algunos ejemplos de otros disolventes orgánicos son sulfóxido de dimetilo, 1,2-dioxolano, sulfolano, metilsulfolano, 1,3-dimetil-2-imidazolidona, N-metil-2-pirrolidona, formamida, dimetilformamida, acetonitrilo, fosfato de trimetilo, fosfato de trietilo, fosfato de trioctilo, éster de fosfato y una combinación de los mismos.

Aunque anteriormente se utilizó una batería de iones de litio como ejemplo para la descripción, después de leer la presente solicitud, un experto en la materia puede idear la aplicación del cátodo según las realizaciones de la presente solicitud a cualquier otro dispositivo electroquímico adecuado. Dichos dispositivos electroquímicos pueden incluir cualquier dispositivo para una reacción electroquímica, lo que incluye, pero no se limita a, todos los tipos de baterías primarias, baterías secundarias, pilas de combustible, celdas solares o condensadores. En particular, el dispositivo electroquímico es una batería secundaria de litio, que incluye una batería secundaria de metal de litio, una batería secundaria de iones de litio, una batería secundaria de polímero de litio o una batería secundaria de polímero de iones de litio.

III. Dispositivo electrónico

La presente solicitud proporciona además un dispositivo electrónico que puede ser cualquier dispositivo que utilice el dispositivo electroquímico según la presente solicitud.

En algunas realizaciones de la presente solicitud, el dispositivo electrónico incluye, pero no se limita a: un ordenador tipo notebook, un ordenador de entradas con lápiz, un ordenador móvil, un lector de libros electrónicos, un teléfono portátil, una máquina de fax portátil, una fotocopiadora portátil, una impresora portátil, unos auriculares estereofónicos de montaje frontal, un grabador de vídeo, una TV de cristal líquido, una limpiadora portátil, un reproductor de CD portátil, un reproductor de minidiscos, un transceptor, una agenda electrónica, una calculadora, una tarjeta de memoria, un grabador portátil, una radio, una fuente de alimentación de emergencia, un motor, un vehículo, una motocicleta, una bicicleta con motor, una bicicleta, un aparato de iluminación, un juguete, una consola para juegos, un reloj, una herramienta eléctrica, un flash, una cámara, una batería grande para uso doméstico o un condensador de iones de litio.

A continuación, se describirán los beneficios y ventajas de la batería de iones de litio de la presente solicitud tomando una batería de iones de litio como ejemplo en combinación con un procedimiento de preparación y una prueba específicos para la batería de iones de litio preparada. No obstante, los expertos en la materia comprenderán que los procedimientos de preparación descritos en la presente solicitud son meramente ejemplares, y que cualquier otro procedimiento de preparación adecuado también entra dentro del alcance de protección de la presente solicitud.

IV. Ejemplos

1. Ejemplos 1-29 y Ejemplos comparativos 1-2

Ejemplo 1

El Ejemplo 1 describe un cátodo que incluye una primera capa que tiene un espesor de aproximadamente 30 pm dispuesta en una superficie de un colector de corriente y una segunda capa que tiene un espesor de aproximadamente 7,5 pm dispuesta en la superficie exterior de la primera capa; donde la primera capa incluye una primera partícula LiNi<o,8>Co<o,o9>Mn<o,o9>Zr<o ,o i>Mg<o,oi>O2, un agente conductor de negro de carbono y un ligante de polifluoruro de vinilideno, cuyos contenidos son respectivamente de aproximadamente el 97,7 %, aproximadamente el 1,3 % y aproximadamente el 1,o % basándose en el peso total de la primera capa, la segunda capa incluye una segunda partícula LiNi<o,8>Co<o,o9>Mn<o,o9>Zr<o ,o i>Mg<o,oi>O2, un agente conductor de negro de carbono y un ligante de polifluoruro de vinilideno, cuyos contenidos son respectivamente de aproximadamente el 96 %, aproximadamente el 2,3 % y aproximadamente el 1,7 % basándose en el peso total de la segunda capa; donde la primera partícula tiene un Dv5o de aproximadamente 8,1 pm y un área superficial específica de aproximadamente o,632 m2/g, y una segunda partícula tiene un Dv5o de aproximadamente 3,6 pm y un área superficial específica de aproximadamente 1,o2o m2/g; donde la segunda capa se extiende más allá de la primera capa en el borde de la capa del material activo del cátodo.

A continuación, se describe un procedimiento para preparar una batería de iones de litio:

Preparación del cátodo

(1) Preparación de la suspensión de la primera capa: se pesaron la primera partícula, el agente conductor y el ligante que cumplían la relación de masa mencionada anteriormente y también los requisitos de Dv5o y área superficial específica mencionados anteriormente; y la primera partícula pesada, el agente conductor y el ligante se agitaron con detenimiento y se mezclaron uniformemente en un sistema disolvente de N-metilpirrolidona;

(2) Preparación de la suspensión de la segunda capa: se pesaron la segunda partícula, el agente conductor y el ligante que cumplían la relación de masa mencionada anteriormente y también los requisitos de Dv5o y área superficial específica mencionados anteriormente; y las segundas partículas pesadas, el agente conductor y el ligante se agitaron con detenimiento y se mezclaron uniformemente en el sistema disolvente de N-metilpirrolidona;

(3) Preparación del cátodo: la suspensión de la primera capa obtenida se recubrió sobre una superficie con una lámina de Al y se secó para obtener una primera capa, donde el espesor de la primera capa se controló para que fuera de aproximadamente 30 |jm; la suspensión de la segunda capa se recubrió sobre la primera capa y se secó para obtener una segunda capa, donde el espesor de la segunda capa se controló para que fuera de aproximadamente 7,5 jm , donde la segunda capa se controló para que se extendiera más allá de la primera capa en el borde del cátodo; y luego la lámina de Al obtenida anteriormente se sometió a prensado en frío, corte y cortado en tiras para obtener el cátodo.

Preparación del ánodo

Se utilizó una lámina de cobre como colector de corriente de ánodo, y se recubrió uniformemente una capa de suspensión de grafito sobre la superficie de la lámina de cobre. La suspensión era una combinación de aproximadamente el 97,7 % en peso de grafito artificial, aproximadamente el 1,3 % en peso de carboximetilcelulosa (CMC) sódica y aproximadamente el 1,0 % en peso de caucho de estireno-butadieno (SBR), que se secó a 85 °C, y luego se sometió a prensado en frío, corte y cortado en tiras, y se secó al vacío a 85 °C durante 4 horas para preparar el ánodo.

Preparación del electrolito

Se utilizó una solución preparada a partir de una sal de litio LiPF6 y un disolvente orgánico no acuoso (carbonato de etileno (EC):carbonato de dietilo (DEC):carbonato de polipropileno (PC):propionato de propilo (PP):carbonato de vinileno (VC) = 20:30:20:28:2, relación en peso) en una relación en peso de 8:92 como electrolito de la batería de iones de litio.

Separador

Como separador se utilizó una película de polímero poroso de polietileno (PE) de 12 jm .

Preparación de la batería de iones de litio

El cátodo, el separador y el ánodo se apilaron en orden, de modo que el separador estaba entre el cátodo y el ánodo para desempeñar la función de separación, y se obtuvo un conjunto de electrodos enrollados mediante bobinado. Tras someter el conjunto de electrodos a sellado en la parte superior, pulverización por códigos, secado al vacío, inyección de electrolitos y reposo a alta temperatura, se realizó una prueba de formación y capacidad para obtener la batería de iones de litio.

Ejemplo 2

El Ejemplo 2 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 1 solo en que la primera partícula en la primera capa tiene un Dv50 de aproximadamente 11,1 jm y un área superficial específica de aproximadamente 0,411 m2/g.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 2 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 1, con la salvedad de que la primera partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (1) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 3

El Ejemplo 3 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 1 solo en que la primera partícula en la primera capa tiene un Dv50 de aproximadamente 16,3 jm y un área superficial específica de aproximadamente 0,398 m2/g.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 3 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 1, con la salvedad de que la primera partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (1) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 4

El Ejemplo 4 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 1 solo en que la primera partícula en la primera capa tiene un Dv50 de aproximadamente 26,5 jm y un área superficial específica de aproximadamente 0,345 m2/g.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 4 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 1, con la salvedad de que la primera partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (1) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 5

El Ejemplo 5 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 1 solo en que la primera partícula en la primera capa tiene un Dv50 de aproximadamente 37,2 jm y un área superficial específica de aproximadamente 0,279 m2/g.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 5 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 1, con la salvedad de que la primera partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (1) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 6

El Ejemplo 6 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 1 solo en que la primera partícula en la primera capa tiene un Dv50 de aproximadamente 49,6 pm y un área superficial específica de aproximadamente 0,248 m2/g. El procedimiento de preparación del Ejemplo 6 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 1, con la salvedad de que la primera partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (1) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 7

El Ejemplo 7 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que la segunda partícula en la segunda capa tiene un Dv50 de aproximadamente 0,8 pm y un área superficial específica de aproximadamente 2,147 m2/g. El procedimiento de preparación del Ejemplo 7 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que la segunda partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (2) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 8

El Ejemplo 8 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que la segunda partícula en la segunda capa tiene un Dv50 de aproximadamente 1,2 pm y un área superficial específica de aproximadamente 1,840 m2/g. El procedimiento de preparación del Ejemplo 8 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 1, con la salvedad de que la segunda partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (2) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 9

El Ejemplo 9 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que la segunda partícula en la segunda capa tiene un Dv50 de aproximadamente 4,2 pm y un área superficial específica de aproximadamente 0,832 m2/g. El procedimiento de preparación del Ejemplo 9 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 1, con la salvedad de que la segunda partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (2) de preparación de la suspensión de la segunda capa en la preparación del cátodo.

Ejemplo 10

El Ejemplo 10 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que la segunda partícula en la segunda capa tiene un Dv50 de aproximadamente 6,9 pm y un área superficial específica de aproximadamente 0,644 m2/g. El procedimiento de preparación del Ejemplo 10 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 1, con la salvedad de que la segunda partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (2) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 11

El Ejemplo 11 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que la segunda partícula en la segunda capa tiene un Dv50 de aproximadamente 9,8 pm y un área superficial específica de aproximadamente 0,487 m2/g. El procedimiento de preparación del Ejemplo 11 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 3, con la salvedad de que la segunda partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (2) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 12

El Ejemplo 12 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que la segunda partícula en la segunda capa tiene un Dv50 de aproximadamente 11,0 pm y un área superficial específica de aproximadamente 0,419 m2/g. El procedimiento de preparación del Ejemplo 12 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 3, con la salvedad de que la segunda partícula que cumplía dichos requisitos de Dv50 y de área superficial específica se pesó en la etapa (2) de la preparación del cátodo.

Ejemplo 13

El Ejemplo 13 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que los espesores de la primera capa y la segunda capa son ambos de aproximadamente 18,75 |jm, es decir, la relación entre el espesor de la segunda capa y el espesor de la primera capa es 1:1.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 13 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que los requisitos de espesor mencionados anteriormente para la primera capa y la segunda capa se lograron controlando la etapa de recubrimiento en la etapa (3) en la preparación del cátodo.

Ejemplo 14

El Ejemplo 14 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el espesor de la primera capa es de aproximadamente 25,0 jm y el espesor de la segunda capa es de aproximadamente 12,50 jm , es decir, la relación entre el espesor de la segunda capa y el espesor de la primera capa es 1:2.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 14 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que los requisitos de espesor mencionados anteriormente para la primera capa y la segunda capa se lograron controlando la etapa de recubrimiento en la etapa (3) en la preparación del cátodo.

Ejemplo 15

El Ejemplo 15 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el espesor de la primera capa es de aproximadamente 32,16 jm y el espesor de la segunda capa es de aproximadamente 5,36 jm , es decir, la relación entre el espesor de la segunda capa y el espesor de la primera capa es aproximadamente 1:6.

El procedimiento de preparación del cátodo es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 3, con la salvedad de que los requisitos de espesor mencionados anteriormente para la primera capa y la segunda capa se lograron controlando la etapa de recubrimiento en la etapa (3) en la preparación del cátodo.

Ejemplo 16

El Ejemplo 16 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el espesor de la primera capa es de aproximadamente 33,28 jm y el espesor de la segunda capa es de aproximadamente 4,16 jm , es decir, la relación entre el espesor de la segunda capa y el espesor de la primera capa es aproximadamente 1:8.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 16 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que los requisitos de espesor mencionados anteriormente para la primera capa y la segunda capa se lograron controlando la etapa de recubrimiento en la etapa (3) en la preparación del cátodo.

Ejemplo 17

El Ejemplo 17 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el espesor de la primera capa es de aproximadamente 34,00 jm y el espesor de la segunda capa es de aproximadamente 3,40 jm , es decir, la relación entre el espesor de la segunda capa y el espesor de la primera capa es aproximadamente 1:10.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 17 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que los requisitos de espesor mencionados anteriormente para la primera capa y la segunda capa se lograron controlando la etapa de recubrimiento en la etapa (3) en la preparación del cátodo.

Ejemplo 18

El Ejemplo 18 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el material activo de la segunda capa incluye las segundas partículas LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2que tienen un Dv50 de aproximadamente 6,9 jm y un área superficial específica de aproximadamente 0,486 m2/g.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 18 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que la segunda partícula que cumplía los requisitos anteriores se pesó en la etapa (2) en la preparación del cátodo.

Ejemplo 19

El Ejemplo 19 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el material activo de la segunda capa incluye las segundas partículas LiNi0,5Co0,2Mn0,3O2 que tienen un Dv50 de aproximadamente 6,9 jm y un área superficial específica de aproximadamente 0,486 m2/g.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 19 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que la segunda partícula que cumplía los requisitos anteriores se pesó en la etapa (2) en la preparación del cátodo.

Ejemplo 20

El Ejemplo 20 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el material activo de la primera capa incluye LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 20 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que la primera partícula que cumplía los requisitos anteriores se pesó en la etapa (1) en la preparación del cátodo.

Ejemplo 21

El Ejemplo 21 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el material activo de la primera capa incluye LiNi0,5Co0,2Mn0,3O2.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 21 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que la primera partícula que cumplía los requisitos anteriores se pesó en la etapa (1) en la preparación del cátodo.

Ejemplo 22

El Ejemplo 22 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el contenido del agente conductor en la primera capa se ajusta a aproximadamente el 1,0 %, y el contenido de la primera partícula se ajusta en consecuencia a aproximadamente el 98,0 %, el contenido del agente conductor en la segunda capa se ajusta a aproximadamente el 2,1 % y el contenido de la segunda partícula se ajusta en consecuencia a aproximadamente el 96,2 %.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 22 es sustancialmente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que el contenido del material activo (es decir, la primera o la segunda partícula) y el agente conductor pesados en las etapas (1) y (2) de la preparación del cátodo se ajustaron para cumplir los requisitos de proporciones anteriores.

Ejemplo 23

El Ejemplo 23 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 1 solo en que el contenido del agente conductor en la segunda capa se ajusta a aproximadamente el 2,1 %, y el contenido de la segunda partícula se ajusta en consecuencia a aproximadamente el 96,2 %.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 23 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que el contenido de la segunda partícula y el agente conductor pesados en la etapa (2) en la preparación del cátodo se ajustaron para cumplir los requisitos de proporciones anteriores.

Ejemplo 24

El Ejemplo 24 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el contenido del agente conductor en la primera capa se ajusta a aproximadamente el 2,4 %, y el contenido de la primera partícula se ajusta en consecuencia a aproximadamente el 96,6 %, el contenido del agente conductor en la segunda capa se ajusta a aproximadamente el 4,7 % y el contenido de la segunda partícula se ajusta en consecuencia a aproximadamente el 93,6 %.

El procedimiento de preparación del cátodo es sustancialmente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que el contenido del material activo (es decir, la primera o la segunda partícula) y el agente conductor pesados en las etapas (1) y (2) de la preparación del cátodo se ajustaron para cumplir los requisitos de proporciones anteriores.

Ejemplo 25

El Ejemplo 25 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el contenido del agente conductor en la primera capa se ajusta a aproximadamente el 3,7 %, y el contenido de la primera partícula se ajusta en consecuencia a aproximadamente el 95,3 %, el contenido del agente conductor en la segunda capa se ajusta a aproximadamente el 6,3 % y el contenido de la segunda partícula se ajusta en consecuencia a aproximadamente el 92,0 %.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 25 es sustancialmente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que el contenido del material activo (es decir, la primera o la segunda partícula) y el agente conductor pesados en las etapas (1) y (2) de la preparación del cátodo se ajustaron para cumplir los requisitos de proporciones anteriores.

Ejemplo 26

El Ejemplo 26 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que el contenido del agente conductor en la primera capa se ajusta a aproximadamente el 4,9 %, y el contenido de la primera partícula se ajusta en consecuencia a aproximadamente el 94,1 %, el contenido del agente conductor en la segunda capa se ajusta a aproximadamente el 9,8 % y el contenido de la segunda partícula se ajusta en consecuencia a aproximadamente el 88,5 %.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 26 es sustancialmente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que el contenido del material activo (es decir, la primera o la segunda partícula) y el agente conductor pesados en las etapas (1) y (2) de la preparación del cátodo se ajustaron para cumplir los requisitos de proporciones anteriores.

Ejemplo 27

El Ejemplo 27 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que la capa de material activo del cátodo tiene una estructura de 4 capas, y en la superficie del colector de corriente del cátodo se dispusieron en orden una primera capa de recubrimiento en suspensión, una segunda capa de recubrimiento en suspensión, una primera capa de recubrimiento en suspensión y una segunda capa de recubrimiento en suspensión.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 27 es sustancialmente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que la suspensión de la primera capa y la suspensión de la segunda capa se recubrieron alternativamente en la etapa (3) en la preparación del cátodo para obtener la capa de material activo del cátodo anterior que tiene una estructura de 4 capas.

Ejemplo 28

El Ejemplo 28 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que la capa de material activo del cátodo tiene una estructura de 6 capas, y en la superficie del colector de corriente del cátodo se dispusieron en orden una primera capa de recubrimiento en suspensión, una segunda capa de recubrimiento en suspensión, una primera capa de recubrimiento en suspensión, una segunda capa de recubrimiento en suspensión, una primera capa de recubrimiento en suspensión y una segunda capa de recubrimiento en suspensión.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 28 es sustancialmente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que la suspensión de la primera capa y la suspensión de la segunda capa se recubrieron alternativamente en la etapa (3) en la preparación del cátodo para obtener la capa de material activo del cátodo anterior que tiene una estructura de 6 capas.

Ejemplo 29

El Ejemplo 29 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 2 solo en que la primera capa se forma recubriendo una suspensión de una mezcla de la primera partícula y la segunda partícula, donde la relación de masa de la primera partícula con respecto a la segunda partícula es 9:1.

El procedimiento de preparación del Ejemplo 29 es básicamente el mismo que el procedimiento de preparación del Ejemplo 2, con la salvedad de que el material activo pesado en la etapa (1) en la preparación del cátodo era la primera partícula y la segunda partícula cumplía la relación de masa de 9:1 para preparar la primera capa de suspensión.Ejemplo comparativo 1

El Ejemplo comparativo 1 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 1 solo en que el cátodo del Ejemplo comparativo 1 solo tiene la segunda capa en el Ejemplo 1, y el espesor de la segunda capa es de aproximadamente 37.5 |jm, la segunda partícula contenida en ella tiene un Dv50 de aproximadamente 2,3 |jm y un área superficial específica de aproximadamente 1,040 m2/g, es decir, la capa de material activo del cátodo del Ejemplo comparativo 1 solo tiene la segunda partícula.

El procedimiento de preparación del Ejemplo comparativo 1 es sustancialmente el mismo que en el Ejemplo 1, con la salvedad de que el Ejemplo comparativo 1 no tenía las etapas asociadas con la primera partícula del Ejemplo 1.Ejemplo comparativo 2

El Ejemplo comparativo 2 describe un cátodo que difiere del cátodo del Ejemplo 1 solo en que el cátodo del Ejemplo comparativo 2 solo tiene la primera capa en el Ejemplo 1, y el espesor de la primera capa es de aproximadamente 37.5 jm , es decir, la capa de material activo del cátodo del Ejemplo comparativo 2 solo tiene la primera partícula. El procedimiento de preparación del Ejemplo comparativo 2 es sustancialmente el mismo que en el Ejemplo 1, con la salvedad de que el Ejemplo comparativo 2 no tenía las etapas asociadas con la primera partícula del Ejemplo 1. Las siguientes pruebas se llevan a cabo, respectivamente, en los cátodos de los Ejemplos 1-29 y los Ejemplos comparativos 1-2 anteriores y en la batería de iones de litio obtenida como se describió anteriormente.

Medición del tamaño de partículas

La presente solicitud utiliza un medidor de tamaño de partículas Malvern para medir el tamaño de partículas del material: se dispersó el material en un dispersante (etanol) y, después de 30 minutos de sonicación, se añadió la muestra al medidor de tamaño de partículas Malvern para iniciar el ensayo. Dv50 significa un tamaño de partícula con el que la frecuencia acumulada en volumen desde el lado del diámetro más pequeño alcanza el 50 % en la distribución del tamaño de partícula basada en el volumen, es decir, el tamaño de partícula promedio. La presente solicitud mide el área superficial específica del material mediante el procedimiento de ensayo BET (Brunauer-Emmett-Teller, BET). Primero, se utilizó un analizador de superficie Tri Star 11, se cargaron de aproximadamente 3 g a aproximadamente 6 g de muestra en un tubo de muestra, luego se colocó la muestra en una estación de desgasificación, se calentó y se aspiró, después se detuvieron el calentamiento y la aspiración para reducir la temperatura de la muestra a temperatura ambiente, se retiró la muestra para medir el peso de la muestra y el tubo de muestra, y a continuación se cargó en una estación de análisis para su análisis, procesamiento de datos y cálculo.

Ensayo de rendimiento de la batería de iones de litio

Ensayos MEB

Se utiliza un microscopio electrónico de barrido (MEB) para obtener una estructura morfológica de una muestra mediante el efecto mutuo de un haz de electrones y la muestra y con el uso de una señal electrónica secundaria para la obtención de imágenes. Un MEB empleado en la presente solicitud fue el JSM-6360LV SEM de JEOL Company y un espectrómetro de energía de rayos X correspondiente, que se utilizaron para analizar la estructura morfológica y la distribución de elementos de la muestra.

La imagen MEB de una sección transversal de una pieza polar se refiere al pretratamiento de la sección transversal de la pieza polar antes del ensayo MEB. El procedimiento de pretratamiento en la presente solicitud es la pulidora de sección transversal (CP), que utiliza corte por haz de iones para cortar el perfil de la muestra. A diferencia del pulido general de perfiles de muestras, el corte con haz de iones evita los efectos de las tensiones causadas por el proceso de pulido. Al activarla, la pieza polar debe estar lo más plana posible y paralela al banco de pruebas.

Ensayo de rendimiento de ciclo

Se tomaron cinco baterías de iones de litio preparadas según cada uno de los ejemplos comparativos y Ejemplos, respectivamente, y se cargaron y descargaron repetidamente mediante las siguientes etapas, se calcularon las tasas de retención de la capacidad de descarga de las baterías de iones de litio y se obtuvo un valor promedio.

Se dejó reposar la batería de iones de litio que se sometería a ensayo a una temperatura de ensayo de aproximadamente 45 °C durante unas 2 horas. Se cargó la batería de iones de litio a una corriente constante de aproximadamente 2 C a aproximadamente 4,2 V, después se cargó a un voltaje constante de aproximadamente 4,2 V a aproximadamente 0,02 C y se dejó reposar durante unos 15 minutos; después se descargó la batería de iones de litio a una corriente constante de aproximadamente 8 C a aproximadamente 2,8 V, y se dejó reposar durante unos 30 minutos. El procedimiento anterior se repitió 500 veces para registrar la capacidad de descarga en ese tiempo. La velocidad de retención de capacidad de la batería de iones de litio en el ciclo 500 se calculó mediante la siguiente fórmula:

Tasa de retención de la capacidad en el ciclo 500 = (capacidad de descarga en el ciclo 500 / capacidad de descarga en el primer ciclo) x 100 %.

Ensayo de velocidad de expansión cíclica de la batería de iones de litio

Se sometió a ensayo el espesor de la batería de iones de litio después de 500 ciclos utilizando un dispositivo de medición de espesor y se registró la variación del espesor después de 500 ciclos. La relación de expansión de la batería de iones de litio después de 500 ciclos se calculó mediante la siguiente fórmula:

Ratio de expansión después de 500 ciclos = (espesor de la batería de iones de litio después de 500 ciclos / espesor de la batería de iones de litio antes del primer ciclo -1) x 100 %.

La tabla 1 siguiente muestra en detalle la relación de expansión y la relación de retención de capacidad de las baterías de iones de litio de los Ejemplos 1-29 y los Ejemplos comparativos 1-2 después de 500 ciclos a una velocidad de aproximadamente 8 C.

Tabla 1

Nota: En el Ejemplo comparativo 1: la velocidad de expansión medida fue relativamente baja debido a la incapacidad de cargar y descargar de manera efectiva; y debido a las características de la segunda partícula, la velocidad de retención de capacidad se redujo al 3 % en el primer ciclo de descarga y se redujo al 0 % después de varios ciclos.

Del análisis de los Ejemplos 1-29, el Ejemplo comparativo 1 y el Ejemplo comparativo 2 se puede observar que la relación de expansión cíclica y la relación de retención de la capacidad de ciclo de las baterías de iones de litio de los Ejemplos 1-29 (cuyos cátodos tienen la primera partícula y la segunda partícula, donde la primera partícula está contenida en una región cercana al colector de corriente de cátodo y la segunda partícula está contenida en la región alejada del colector de corriente de cátodo) son superiores a la relación de expansión cíclica y a la relación de retención de la capacidad de ciclo de la batería de iones de litio en el Ejemplo comparativo 1 (cuyo cátodo solo tiene la segunda partícula) y significativamente superiores a la relación de expansión cíclica y la relación de retención de la capacidad de ciclo de la batería de iones de litio en el Ejemplo comparativo 2 (cuyo cátodo solo tiene la primera partícula). Haciendo referencia además a las Fig. 3A y 3B, las relaciones de expansión de la placa catódica en el Ejemplo 1 antes del ciclo y después del ciclo 500 a aproximadamente la velocidad de 8 C son significativamente inferiores a las del cátodo en el Ejemplo comparativo 2. Haciendo referencia además a la Fig. 4, aproximadamente a la velocidad de 8 C, el cátodo del Ejemplo 1 tiene una velocidad de expansión con los ciclos más baja que el cátodo del Ejemplo comparativo 2, y esta tendencia se hace más pronunciada a medida que aumenta el número de ciclos. Esto se debe principalmente a que la segunda partícula no es fácil de romper durante el ciclo, y la primera partícula tiene una polarización pequeña y un buen rendimiento de velocidad. Al proporcionar la segunda partícula en la región alejada del colector de corriente de cátodo y al proporcionar la primera partícula en la región cercana al colector de corriente de cátodo, se pueden combinar las ventajas de ambas, se aumenta la densidad aparente del material del cátodo, se reduce la rotura de partículas en la sobrecarga del prensado en frío y se reduce la producción de gas durante un ciclo largo a gran velocidad, logrando así el efecto de un ciclo largo a una velocidad elevada.

Los Ejemplos 1-6 ajustan el tamaño del Dv50 de la primera partícula, respectivamente. Del análisis se puede ver que la velocidad de expansión del ciclo y la velocidad de retención de la capacidad de ciclo de la batería de iones de litio primero mejoran y luego disminuyen a medida que aumenta el Dv50 de la primera partícula. Esto se debe principalmente a que a medida que aumenta el Dv50 de la primera partícula, el área superficial específica disminuye en consecuencia y el rendimiento cinético se deteriora; sin embargo, cuando el Dv50 es demasiado pequeño, la reacción secundaria aumenta. Según el estudio de la presente solicitud, cuando la primera partícula tiene un Dv50 de entre aproximadamente 5 pm y aproximadamente 20 pm, las baterías de iones de litio pueden lograr un rendimiento integral óptimo entre el rendimiento cinético y las reacciones secundarias.

El Ejemplo 2 y los Ejemplos 13-17 ajustan la relación de espesor de la segunda capa con respecto a la primera capa, respectivamente. Del análisis se puede observar que la relación de expansión del ciclo y la velocidad de retención de la capacidad de ciclo de la batería de iones de litio mejoran gradualmente a medida que disminuye la relación de espesor de la segunda capa con respecto a la primera capa. Esto se debe principalmente a que la relación de mezcla de la segunda partícula con respecto a la primera partícula se puede controlar ajustando la relación de espesor de la primera capa con respecto a la segunda capa. Cuando la relación de mezcla de la segunda partícula con respecto a la primera partícula es adecuada, la segunda partícula se puede utilizar para aumentar la densidad de compactación del material y mantener la estabilidad estructural del material, y las excelentes propiedades dinámicas de la primera partícula se pueden utilizar para mejorar el ciclo de vida y la velocidad de expansión del ciclo de la batería de iones de litio a una velocidad elevada.

El Ejemplo 2 y los Ejemplos 18-19 ajustan el porcentaje molar de Ni en la segunda capa, respectivamente. Del análisis se puede observar que la relación de expansión del ciclo y la velocidad de retención de la capacidad de ciclo de la batería de iones de litio mejoran gradualmente a medida que disminuye el contenido de Ni. Esto se debe principalmente a que al disminuir el contenido de Ni mejoran la estabilidad térmica y el rendimiento del ciclo. El Ejemplo 2 y los Ejemplos 20 21 ajustan respectivamente el porcentaje molar de Ni en la primera capa, de lo cual se puede obtener una conclusión similar. Por lo tanto, en algunos Ejemplos, el contenido de níquel de la segunda capa (es decir, la capa más externa) del cátodo se establece para que sea menor que el contenido de níquel de la primera capa (es decir, la capa interna) para mejorar aún más la estabilidad estructural de la capa más externa y mejorar el ciclo de vida de la batería de iones de litio a una velocidad elevada. En algunos Ejemplos de la presente solicitud, el porcentaje molar de Ni en el material del cátodo activo de la capa más externa es de aproximadamente el 30 % a aproximadamente el 80 %. En algunos Ejemplos de la presente solicitud, el porcentaje molar de Ni en el óxido de metal de transición que contiene litio de la capa interna es de aproximadamente el 50 % a aproximadamente el 90 %. En algunos Ejemplos de la presente solicitud, la relación entre el peso de Ni en el material activo del cátodo de la capa más externa y el peso de Ni en el óxido de metal de transición que contiene litio de la capa interna es de aproximadamente 1:1 a aproximadamente 1:10.

El Ejemplo 2 y los Ejemplos 22-25 ajustan el contenido del agente conductor en la primera capa y la segunda capa, respectivamente. Del análisis se puede observar que la relación de expansión del ciclo y la relación de retención de la capacidad de ciclo de la batería de iones de litio mejoran gradualmente a medida que aumenta el contenido del agente conductor. Esto se debe principalmente a que a medida que aumenta el contenido del agente conductor, el rendimiento cinético es mejor y la descarga a gran velocidad es más favorable, con lo que mejora el ciclo de vida de la batería de iones de litio a una velocidad considerable. Sin embargo, a medida que el contenido del agente conductor aumenta aún más, el material activo se reduce y, por lo tanto, la densidad de energía disminuye y, con ello, se requiere una consideración extensa. Se contempla además que la segunda partícula tenga una gran polarización y un rendimiento cinético deficiente y, por lo tanto, en algunos Ejemplos, el cátodo está diseñado de manera que el contenido del agente conductor en la región cercana al colector de corriente de cátodo sea menor que el contenido del agente conductor en la región alejada del colector de corriente de cátodo para mejorar el rendimiento cinético de la segunda partícula, con lo que el cátodo es más adecuado para descarga a gran velocidad (> 4 C).

El Ejemplo 2 y los Ejemplos 27-28 son disposiciones de diferentes capas, donde la capa de material activo del cátodo del Ejemplo 2 es una estructura de dos capas revestida con una primera capa de suspensión (que contiene la primera partícula) y una segunda capa de suspensión (que contiene la segunda partícula). El Ejemplo 27 es una estructura de 4 capas donde se recubren alternativamente una primera capa de suspensión y una segunda capa de suspensión, y el Ejemplo 28 es una estructura de 6 capas donde se recubren alternativamente una primera capa de suspensión y una segunda capa de suspensión. Del análisis se puede ver que la capa de material activo de cátodo alterno multicapa formada por la primera partícula y la segunda partícula puede mejorar la relación de expansión del ciclo y la velocidad de retención de la capacidad de ciclo de la batería de iones de litio. Esto se debe principalmente a que la interfaz de la primera partícula/segunda partícula aumenta a medida que aumenta el número de capas alternas de la primera partícula/segunda partícula, y en la interfaz, las partículas pequeñas pueden llenar los espacios alrededor de las partículas grandes, aumentando así la densidad aparente del polvo y reduciendo cualquier presión de rodamiento a la vez que se asegura la misma densidad de compactación, de manera que la rotura de partículas se reduce durante el prensado en frío.

Los Ejemplos 2 y 29 ajustan respectivamente la composición de la primera capa, donde la primera capa del Ejemplo 2 es una estructura de una sola capa formada por la primera partícula, y la primera capa del Ejemplo 29 es una estructura de una sola capa formada por la suspensión de la mezcla de la primera partícula y la segunda partícula. Del análisis se puede ver que el ajuste del primer recubrimiento a la mezcla de primera partícula/segunda partícula puede mejorar significativamente la velocidad de expansión del ciclo y la velocidad de retención de la capacidad de ciclo de la batería de iones de litio. Esto sucede principalmente porque en la mezcla de primera partícula/segunda partícula, la interfaz entre la primera partícula/segunda partícula aumenta, y en la interfaz, las partículas pequeñas pueden llenar los espacios en torno a las partículas grandes, aumentando así la densidad aparente del polvo y reduciendo cualquier presión de rodamiento a la vez que se asegura la misma densidad de compactación, de manera que la rotura de partículas se reduce durante el prensado en frío. Además, en el Ejemplo 29, la relación en peso de mezcla de la primera partícula con respecto a la segunda partícula es de 9:1, si bien en la presente solicitud no se limita a la misma, y las mezclas que tienen otras relaciones conducen a conclusiones similares.

Anteriormente se han descrito los Ejemplos enumerados en la presente solicitud. En resumen, la presente solicitud proporciona un procedimiento simple y adecuado para la producción industrial de preparación de un cátodo y un dispositivo electroquímico con un rendimiento de alta velocidad.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un cátodo, caracterizado por que, el cátodo comprende:

un colector de corriente de cátodo; y

una capa de material activo del cátodo dispuesta sobre una superficie del colector de corriente de cátodo, donde la capa de material activo del cátodo comprende una primera partícula y una segunda partícula, comprendiendo la primera partícula una primera partícula secundaria compuesta por una tercera partícula, siendo la tercera partícula una primera partícula primaria, teniendo la primera partícula un tamaño de partícula promedio de 5 |jm a 20 |jm, teniendo la tercera partícula un tamaño de partícula promedio de 200 nm a 700 nm, comprendiendo la segunda partícula una cuarta partícula y/o una segunda partícula secundaria compuesta por la cuarta partícula, siendo la cuarta partícula una segunda partícula primaria, teniendo la segunda partícula un tamaño de partícula promedio de 3 jm a 5 jm , teniendo la cuarta partícula un tamaño de partícula promedio de 800 nm a 5 jm ,

tal que los tamaños promedio de partícula se miden con un medidor de tamaño de partículas Malvern después de 30 minutos de sonicación de un material disperso que se va a analizar y corresponden a un tamaño de partícula con el que la frecuencia acumulada en volumen desde el lado del diámetro más pequeño alcanza el 50 % en la distribución del tamaño de partícula basada en el volumen,

donde una región que contiene la primera partícula está más cerca del colector de corriente de cátodo que la región que contiene la segunda partícula.

2. El cátodo según la reivindicación 1, donde la capa de material activo del cátodo comprende una primera capa y una segunda capa, comprendiendo la primera capa la primera partícula y comprendiendo la segunda capa la segunda partícula.

3. El cátodo según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde en la dirección del espesor de la capa de material activo del cátodo, la concentración de la segunda partícula disminuye con la disminución de la distancia desde el colector de corriente de cátodo, y la concentración de la primera partícula aumenta con la disminución de la distancia desde el colector de corriente de cátodo.

4. El cátodo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la primera partícula comprende una primera partícula secundaria compuesta por 150 a 2.000 terceras partículas, y la segunda partícula comprende una segunda partícula secundaria compuesta por 2 a 100 cuartas partículas.

5. El cátodo según la reivindicación 2, donde la relación de espesor de la segunda capa con respecto a la primera capa es de 1:10 a 1:1.

6. El cátodo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde la capa de material activo del cátodo comprende además un agente conductor, y la concentración del agente conductor disminuye con la disminución de la distancia desde el colector de corriente de cátodo.

7. El cátodo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde la primera partícula tiene un área superficial específica de 0,10 m<2>/g a 1,50 m<2>/g, y la segunda partícula tiene un área superficial específica de 0,30 m<2>/g a 2,50 m<2>/g, donde la relación entre el área superficial específica de la segunda partícula y el área superficial específica de la primera partícula es de 1:1 a 5:1, tal que el área superficial específica se mide mediante el procedimiento de prueba de Brunauer-Emmett-Teller.

8. El cátodo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde la relación de intensidad máxima del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X de la segunda partícula con respecto a la primera partícula es de 1,03 a 1,6, y la diferencia de anchura a mitad de pico del pico de difracción (003) de la difracción de rayos X de la primera partícula y la segunda partícula es de 0,002° a 0,008°.

9. El cátodo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde la relación entre un tamaño de partícula promedio de la primera partícula y un tamaño de partícula promedio de la segunda partícula es de 2:1 a 10:1.

10. El cátodo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde,

la primera partícula es un primer óxido de metal de transición que contiene litio que tiene la fórmula química Li<a>Ni<x>Co<y>M1<z>N1O<2>,donde 0,95<a<1,05, 0,5<x<1, 0<y<0,4, 0<z<0,4, 0 < p < 0,05 y x z p = 1, siendo M1 al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mn y Al, y siendo N1 al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mg, Ti, Zr, Nb, Y, Cr, V, Ge, Mo y Sr;

la segunda partícula es un segundo óxido de metal de transición que contiene litio que tiene una fórmula química Li<n>Ni<a>CoM2<c>N2<d>O<2,>donde 0,95<n<1,05, 0,3<a<1,0<b<0,4, 0<c<0,4, 0<d<0,02 y a+b+c+d=1, siendo M2 al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mn y Al, y siendo N2 al menos uno seleccionado del grupo que consiste en Mg, Ti, Zr, Nb, Y, Cr, V, Ge, Mo y Sr.

11. El cátodo según la reivindicación 10, donde un contenido de níquel del primer óxido de metal de transición que contiene litio es mayor que un contenido de níquel del segundo óxido de metal de transición que contiene litio.

12. El cátodo según la reivindicación 2, donde en un borde de la capa del material activo del cátodo, la segunda capa se extiende más allá de la primera capa.

13. Un dispositivo electroquímico, que comprende:

un ánodo;

un separador;

un electrolito; y

el cátodo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.