ES3012979T3 - Lithium metal secondary battery and battery module including the same - Google Patents

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ES3012979T3 ES19751730T ES19751730T ES3012979T3 ES 3012979 T3 ES3012979 T3 ES 3012979T3 ES 19751730 T ES19751730 T ES 19751730T ES 19751730 T ES19751730 T ES 19751730T ES 3012979 T3 ES3012979 T3 ES 3012979T3
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Hyun-Woong Yun
Jeong-In Yu
Jong-Keon Yoon
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Abstract

Se describen una batería secundaria de metal de litio y un módulo de batería que la incluye, comprendiendo la batería secundaria de metal de litio: un conjunto de electrodos que incluye un ánodo, un cátodo y un separador interpuesto entre el ánodo y el cátodo; un electrolito no acuoso para impregnar el conjunto de electrodos en su interior; y una caja de batería en la que están incrustados el conjunto de electrodos y el electrolito no acuoso, en donde el ánodo incluye un colector de corriente de ánodo y una capa de metal de litio, que se forma en al menos una superficie del colector de corriente de ánodo, y las condiciones de carga/descarga de la batería secundaria de metal de litio permiten la carga en un estado presurizado y permiten la descarga en un estado no presurizado o en un estado presurizado, y la presión aplicada durante la descarga se controla para que sea menor que la presión aplicada durante la carga cuando la descarga se realiza en el estado presurizado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Batería secundaria de metal de litio y módulo de batería que incluye la misma
Campo técnico
La presente divulgación se refiere a un método para someter la batería secundaria de metal de litio a una condición de carga/descarga controlada y a un módulo de batería sometido a la misma. Más particularmente, la presente divulgación se refiere a una batería secundaria de metal de litio que tiene características de ciclo mejoradas y a un módulo de batería sometido a la misma.
La presente solicitud reivindica prioridad sobre la solicitud de patente coreana n.° 10-2018-0015293 presentada el 7 de febrero de 2018 en la República de Corea.
Antecedentes de la técnica
Como las industrias eléctrica, electrónica, de comunicación e informática se han desarrollado rápidamente, las baterías de alta capacidad se han estado demandando cada vez más. Para satisfacer tal demanda, se ha prestado mucha atención a una batería secundaria de metal de litio que usa metal de litio o aleación de litio como electrodo negativo que tiene alta densidad de energía.
Una batería secundaria de metal de litio se refiere a una batería secundaria que usa metal de litio o una aleación de litio como electrodo negativo. El metal de litio tiene una densidad baja de 0,54 g/cm3 y un potencial de reducción convencional significativamente bajo de -3,045 V (SHE: basándose en el electrodo de hidrógeno convencional), y, por tanto, ha sido más destacada como material de electrodo para una batería de alta densidad de energía.
Una batería secundaria de metal de litio de este tipo no se ha comercializado debido a sus malas características de ciclo. Esto se debe a que la electrodeposición dendrítica de litio se produce durante la carga para provocar un aumento en el área superficial de un electrodo y reacciones secundarias con un electrolito.
Por tanto, existe la necesidad de un método para evitar físicamente la electrodeposición dendrítica de litio.
Además, el documento WO 2017/077055 A1 se refiere a un material compuesto en capas y un electrodo que tiene una superficie lisa.
Divulgación
Problema técnico
La presente divulgación se refiere a proporcionar una batería secundaria de metal de litio que puede proporcionar características de ciclo mejoradas aplicando una presión predeterminada durante la carga para evitar la electrodeposición dendrítica de litio físicamente, y un módulo de batería sometido a la misma.
Solución técnica
En un aspecto de la presente divulgación, se proporciona un método para someter una batería secundaria de metal de litio a una condición de carga/descarga controlada según una cualquiera de las siguientes realizaciones.
Según la primera realización, se proporciona un método tal como se define en la reivindicación 1.
Según la primera realización, la presión aplicada durante la carga es de 276-689 kPa (40-100 psi).
Las reivindicaciones dependientes definen realizaciones preferidas.
En otro aspecto de la presente divulgación, se proporciona un módulo de batería sometido al método según una cualquiera de las siguientes realizaciones.
Efectos ventajosos
Según la presente divulgación, la batería secundaria de metal de litio se carga bajo un estado presurizado y se descarga bajo un estado no presurizado o estado presurizado. Por tanto, es posible prevenir físicamente la electrodeposición dendrítica del litio que se produce durante la carga y, por tanto, mejorar las características de ciclo de la batería.
Además, la presión se aplica simplemente durante la carga y la presión puede no aplicarse o puede aplicarse un nivel predeterminado de presión durante la descarga. Por tanto, es posible proporcionar una eficiencia más alta en comparación con la carga/descarga bajo aplicación de presión.
Descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos ilustran una realización preferida de la presente divulgación y, junto con la divulgación anterior, sirven para proporcionar una comprensión adicional de las características técnicas de la presente divulgación y, por tanto, la presente divulgación no se considera limitada al dibujo.
La figura 1 es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) que ilustra la vista en sección del electrodo negativo después de repetir ciclos en la batería secundaria de metal de litio según el ejemplo comparativo 1.
La figura 2 es una imagen SEM que ilustra la vista en sección del electrodo negativo después de repetir ciclos en la batería secundaria de metal de litio según el ejemplo 5.
Modo mejor
A continuación en el presente documento, las realizaciones preferidas de la presente divulgación se describirán en detalle con referencia a los dibujos adjuntos. Antes de la descripción, 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 interpretados 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 términos de manera apropiada para la mejor explicación.
Por tanto, la descripción propuesta en el presente documento es sólo un ejemplo preferible con el propósito de ilustraciones solamente, y no se pretende que limite el alcance de la divulgación, por lo que debe entenderse que se podrían realizar otros equivalentes y modificaciones en la misma sin apartarse del alcance de la divulgación.
La batería secundaria de metal de litio sometida a un método según una realización de la presente divulgación incluye: un conjunto de electrodos que incluye un electrodo negativo, un electrodo positivo y un separador interpuesto entre el electrodo negativo y el electrodo positivo; un electrolito no acuoso con el que se impregna el conjunto de electrodos; y una carcasa de batería en la que se reciben el conjunto de electrodos y el electrolito no acuoso, en el que el electrodo negativo incluye un colector de corriente de electrodo negativo y una capa de metal de litio formada sobre al menos una superficie del colector de corriente de electrodo negativo, la condición de carga/descarga de la batería secundaria de metal de litio incluye cargar la batería secundaria de metal de litio bajo un estado presurizado y descargar la batería secundaria de metal de litio bajo un estado no presurizado o presurizado, y cuando la batería secundaria de litio se descarga bajo un estado presurizado, la presión aplicada durante la descarga se controla para que sea menor que la presión aplicada durante la carga. En la batería secundaria de metal de litio convencional, se forma una electrodeposición dendrítica de litio sobre la superficie del electrodo negativo durante la carga. Como resultado, hay problemas en cuanto a que la capacidad de carga disminuye debido a un aumento en la distancia entre el electrodo negativo y el electrodo positivo, o la deformación se produce repetidamente debido a la carga/descarga para provocar el deterioro de los elementos internos y la degradación de la vida útil del ciclo.
Para mejorar los problemas mencionados anteriormente, la batería secundaria de metal de litio según la presente divulgación se somete a una condición de carga/descarga controlada de modo que se carga bajo presurización usando un dispositivo de presurización para inhibir el hinchamiento de su aspecto, y se descarga sin presurización (bajo un estado no presurizado) o bajo un estado presurizado con una presión menor que la presión aplicada durante la carga.
Según la presente divulgación, es posible evitar físicamente la electrodeposición dendrítica de litio, que puede generarse durante la carga de una batería secundaria de metal de litio, llevando a cabo la carga bajo un estado presurizado. También es posible inhibir reacciones secundarias con un electrolito provocadas por un aumento en el área superficial de un electrodo debido a la electrodeposición dendrítica de litio y, por tanto, mejorar las características de ciclo de la batería.
Además, la batería secundaria de metal de litio según la presente divulgación no está sometida a aplicación de presión en todo momento, sino que está sometida a aplicación de presión simplemente durante la carga de la batería y no está sometida a aplicación de presión durante la descarga de la batería. De lo contrario, la batería secundaria de metal de litio se somete a aplicación de presión durante la carga de la batería y también se somete a aplicación de un intervalo predeterminado de presión durante la descarga de la batería. Por tanto, no se usa presión no deseada durante la descarga para proporcionar conveniencia de uso. De lo contrario, la condición de carga/descarga se controla para aplicar una presión más baja durante la descarga en comparación con la presión aplicada durante la carga. Como resultado, cuando ambos electrodos están espaciados uno de otro indeseablemente debido a un fenómeno de hinchamiento después de la terminación de ciclos de carga, es posible comprimirlos para reforzar el contacto entre ambos electrodos y, por tanto, mejorar el rendimiento de la batería.
Tal como se usa en el presente documento, “presurizar una batería secundaria de metal de litio” o “se aplica presión a una batería secundaria de metal de litio” significa que se aplica presión en la dirección del grosor de la batería secundaria de metal de litio o a la superficie de gran área de la misma.
Según la primera realización de la presente divulgación, la presión aplicada durante la carga de la batería secundaria de metal de litio es de 276-689 kPa (40-100 psi). Cuando la presión aplicada durante la carga está dentro del intervalo definido anteriormente, es posible evitar eficazmente la electrodeposición dendrítica de litio que se produce durante la carga, y evitar la fuga de un electrolito no acuoso, un aumento en la resistencia de la celda y la compresión de un separador, provocados por una presurización excesiva, garantizando así la seguridad de la celda. Cuando la batería secundaria de metal de litio se descarga bajo un estado presurizado, la presión aplicada durante la descarga puede ser de 6,89-68,9 kPa (1-10 psi) o de 34,5-68,9 kPa (5-10 psi). Cuando la presión aplicada durante la descarga está dentro del intervalo definido anteriormente, es posible minimizar un espacio entre ambos electrodos y, por tanto, reducir la resistencia de la celda.
Mientras tanto, la presurización de la batería secundaria de metal de litio puede llevarse a cabo a través de un cargador provisto de un dispositivo de presurización (dispositivo de aplicación de presión). En el presente documento, el cargador provisto de un dispositivo de presurización puede incluir un dispositivo de presurización formado integralmente con un cargador, o un cargador convencional al que está conectado un dispositivo de presurización.
Según la presente divulgación, el cargador provisto de un dispositivo de presurización puede incluir: un elemento de almacenamiento en el que se recibe una celda de batería secundaria; un elemento de presurización orientado hacia el elemento de almacenamiento con la celda de batería secundaria interpuesta entre los mismos, y separado del elemento de almacenamiento con una distancia variable; unos medios de presurización configurados para presurizar la celda de batería secundaria recibida en el elemento de almacenamiento, en la dirección del grosor de la celda de batería secundaria empujando o tirando del elemento de presurización hacia o desde el elemento de almacenamiento; unos medios de medición configurados para medir la presión aplicada al elemento de presurización y/o la distancia entre el elemento de almacenamiento y el elemento de presurización en un intervalo de tiempo predeterminado; una unidad de control configurada para recibir los valores de la presión aplicada al elemento de presurización y la distancia entre el elemento de almacenamiento y el elemento de presurización en un intervalo de tiempo predeterminado, y para mantener la distancia constantemente o para cambiar la distancia con el fin de mantener la presión constante; y una unidad de carga configurada para cargar la celda de batería secundaria recibida en el elemento de almacenamiento. En el presente documento, el elemento de almacenamiento, el elemento de presurización, los medios de presurización, los medios de medición y la unidad de control forman el dispositivo de presurización, en donde la unidad de carga puede formarse integralmente con el dispositivo de presurización o un cargador convencional puede estar conectado al dispositivo de presurización.
Los modos de presurización de la batería secundaria de metal de litio durante la carga/descarga de la misma pueden clasificarse en un modo de presurización a presión constante, un modo de presurización a distancia constante y un modo de presurización combinado a presión constante/distancia constante, dependiendo del modo de control de presión en el cargador provisto de los medios de presurización.
En otras palabras, en el modo de presurización a presión constante, la presión aplicada al elemento de presurización se mantiene constantemente. En el modo de presurización a distancia constante, la distancia entre el elemento de almacenamiento y el elemento de presurización se mantiene constantemente. En el modo de presurización combinado a presión constante/distancia constante, la presión y la distancia se controlan simultáneamente o secuencialmente.
Por ejemplo, en el modo de presurización a distancia constante, la distancia entre el elemento de almacenamiento y el elemento de presurización se mantiene constantemente. Por tanto, a medida que la batería secundaria de metal de litio se hincha durante la carga, puede aplicarse una presión más alta a la batería secundaria de metal de litio. En el modo de presurización a presión constante, la presión fijada por los medios de presurización se aplica a la batería secundaria de metal de litio y, por tanto, la distancia entre el elemento de almacenamiento y el elemento de presurización puede cambiarse durante la presurización. Cuando se usa el modo de presurización a presión constante, el intervalo de tensión óptimo puede ser ligeramente mayor en comparación con el modo de presurización a distancia constante.
Según una realización de la presente divulgación, cuando la batería secundaria de metal de litio se descarga bajo un estado no presurizado, la batería secundaria de metal de litio puede retirarse del cargador después de completar la carga bajo un estado presurizado con el cargador provisto de medios de presurización, o la presión del cargador puede controlarse a 0 psi.
Según otra realización de la presente divulgación, cuando la batería secundaria de metal de litio se descarga bajo un estado presurizado, la presión aplicada a la batería secundaria de metal de litio puede controlarse para que sea menor que la presión aplicada durante la carga, después de completar la carga bajo un estado presurizado con el cargador provisto de medios de presurización.
La densidad de corriente durante la carga puede ser de 0,01-4 mA/cm2, o de 0,05-3,5 mA/cm2 Cuando la densidad de corriente durante la carga está dentro del intervalo definido anteriormente, la deslocalización de la corriente se reduce y se forma uniformemente electrodeposición de litio para evitar el deterioro de la batería.
Además, la temperatura durante la carga es de 25-45 °C. Cuando la temperatura durante la carga está dentro del intervalo definido anteriormente, se satisface la energía de activación para la energía química para reducir la resistencia y, por tanto, para mejorar el mantenimiento de la capacidad.
Según una realización de la presente divulgación, la batería secundaria de metal de litio puede cargarse a una temperatura de 25-45 °C a una presión de 276-689 kPa (40-100 psi) con una densidad de corriente de carga de 0,05-3,5 mA/cm2, y puede descargarse bajo un estado no presurizado o a una presión de 6,89-68,9 kPa (1-10 psi). Además, el electrodo negativo incluye un colector de corriente de electrodo negativo y una capa de metal de litio formada en el colector de corriente de electrodo negativo. La capa de metal de litio es un metal similar a una hoja y puede tener una anchura controlable dependiendo de la forma del electrodo para facilitar la fabricación de un electrodo. La capa de metal de litio puede tener un grosor de 0-300 |im. En el presente documento, “capa de metal de litio que tiene un grosor de 0 |im” significa que no se forma ninguna capa de metal de litio en el colector de corriente de electrodo negativo justo después del ensamblaje de la batería secundaria de metal de litio. Incluso cuando no se forma ninguna capa de metal de litio en el colector de corriente de electrodo negativo, los iones de litio se transportan desde el electrodo positivo, durante la carga, para producir una capa de metal de litio sobre la superficie del colector de corriente de electrodo negativo. Por tanto, es posible hacer funcionar la batería secundaria de metal de litio.
Además, los ejemplos no limitativos del colector de corriente de electrodo negativo incluyen láminas fabricadas de cobre, oro, níquel, aleación de cobre o una combinación de los mismos.
Mientras tanto, el electrodo positivo puede incluir un colector de corriente de electrodo positivo y una capa de material activo de electrodo positivo recubierta sobre cualquier superficie o sobre ambas superficies del mismo. En el presente documento, los ejemplos no limitativos del colector de corriente de electrodo positivo incluyen una lámina fabricada de aluminio, níquel o una combinación de los mismos. El material activo de electrodo positivo contenido en la capa de material activo de electrodo positivo puede ser uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en LiCoÜ<2>, LiNiÜ<2>, LiMn2Ü4, LiCoPÜ4, LiFePÜ4, LiNi1/3Mn1/3Co1/3Ü2, LiNh<-x-y-z>Co<x>M1<y>M2<z>O2 (en donde 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 la razón atómica de un óxido formador de elementos, y 0 < x < 0,5, 0 < y < 0,5, 0 < z < 0,5, y 0 < x y z < 1), y combinaciones de los mismos.
Además, la capa de material activo de electrodo positivo puede incluir además un material conductor para mejorar la conductividad eléctrica. En el presente documento, el material conductor no está particularmente limitado, siempre que sea un material eléctricamente conductor que no provoque ningún cambio químico en la batería secundaria de metal de litio. En general, puede usarse negro de humo, grafito, fibras de carbono, nanotubos de carbono, polvo metálico, óxido metálico conductor o un material conductor orgánico. Los productos disponibles comercialmente de tales materiales conductores incluyen negro de acetileno (disponible de Chevron Chemical Company o Gulf Oil Company), serie EC de negro de ketjen (disponible de Armak Company), Vulcan XC-72 (disponible de Cabot Company) y Super P (disponible de MMM Company). Por ejemplo, puede usarse negro de acetileno, negro de humo o grafito.
Además, pueden usarse diversos tipos de aglutinantes que sirven para retener el material activo de electrodo positivo en el colector de corriente de electrodo positivo y para interconectar partículas de material activo. Los ejemplos particulares de tales aglutinantes incluyen fluoruro de polivinilideno-co-hexafluoroprenilo (PVDF-co-HFP), poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF), poli(metacrilato de metilo), caucho de estireno butadieno (SBR), carboximetilcelulosa (CMC), o similares.
Además, el separador puede incluir un sustrato polimérico poroso. El sustrato polimérico poroso puede ser cualquier sustrato polimérico poroso usado convencionalmente para una batería secundaria de litio, y los ejemplos particulares del mismo incluyen una membrana porosa a base de poliolefina o banda no tejida, pero no se limitan a los mismos. En el presente documento, los ejemplos particulares de la membrana porosa a base de poliolefina pueden incluir las formadas de polímeros que incluyen polietileno, tal como polietileno de alta densidad, polietileno lineal de baja densidad, polietileno de baja densidad y polietileno de peso molecular ultra alto, polipropileno, polibutileno y polipenteno, solos o en combinación.
Además de la banda no tejida a base de poliolefina, los ejemplos particulares de la banda no tejida pueden incluir los formados de polímeros que incluyen poli(tereftalato de etileno), poli(tereftalato de butileno), poliéster, poliacetal, poliamida, policarbonato, poliimida, poliéter éter cetona, poliéter sulfona, poli(óxido de fenileno), poliéter sulfona, poli(óxido de fenileno), poli(sulfuro de fenileno), polietilen-naftaleno, o similares, solos o en combinación. La estructura de la banda no tejida puede ser una banda no tejida unida por hilado que incluye fibras largas o una banda no tejida soplada en estado fundido.
El grosor del sustrato polimérico poroso no está particularmente limitado, pero puede ser de 1-100 |im o de 5-50 |im. Además, el tamaño de los poros y la porosidad presentes en el sustrato polimérico poroso no están particularmente limitados. Sin embargo, el tamaño de poro y la porosidad pueden ser de 0,001-50 |im y el 10-95 %, respectivamente. Además, la sal de electrolito contenida en el electrolito no acuoso que puede usarse en la presente divulgación es una sal de litio. Cualquier sal de litio usada convencionalmente para un electrolito para una batería secundaria de litio 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-, NO<3 '>, N(CN)<2->, BF<4 '>, CO<4 '>, PF<a->, (CF<3>)<2>PF<4 '>, (CF<3>)<3>PF<3->, (CF<3>)<4>PF<2->, (CF<3>)<5>PF-, (CF<3>)<a>P-, CF<3>SO<3 '>, CF<3>CF<2>SO<3 '>, (CF<3>SO<2>)<2>N (FSO<2>)<2>N CF<3>CF<2>(CF<3>)<2>CO<'>, (CF<3>SO<2>)<2>CH-(SF<5>^C<">, (cF<3>SO<2>)<3>C<‘>, CF<3>(CF<2>)<7>SO<3 '>, CF<3>CO<2 '>, CH<3>CO<2 '>, SCN-, (CF<3>CF<2>SO<2>)<2>N<‘>; y combinaciones de los mismos. Los ejemplos particulares del disolvente orgánico que puede estar contenido en el electrolito no acuoso pueden incluir los usados convencionalmente para un electrolito para una batería secundaria de litio sin limitación particular. Por ejemplo, es posible usar éteres, ésteres, amidas, carbonatos lineales o carbonatos cíclicos, solos o en combinación.
Los ejemplos típicos del disolvente orgánico pueden incluir compuestos de carbonato, tales como carbonatos cíclicos, carbonatos lineales o mezclas de los mismos.
Los ejemplos particulares de los compuestos de carbonato cíclico incluyen uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC), carbonato de 1,2-butileno, carbonato de 2,3-butileno, carbonato de 1,2-pentileno, carbonato de 2,3-pentileno, carbonato de vinileno, haluros de los mismos y combinaciones de los mismos. Los ejemplos particulares de tales haluros incluyen carbonato de fluoroetileno (FEC), pero no se limitan al mismo.
Además, los ejemplos particulares de los compuestos de carbonato lineal incluyen uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dipropilo, carbonato de etilo y metilo (EMC), carbonato de metilo y propilo, carbonato de etilo y propilo y combinaciones de los mismos, pero no se limitan a los mismos.
Particularmente, el carbonato de etileno y el carbonato de propileno, que son carbonatos cíclicos entre los disolventes orgánicos de carbonato, tienen una constante dieléctrica alta y disocian adecuadamente la sal de litio en un electrolito. Además, es posible preparar un electrolito que tenga alta conductividad eléctrica, 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 relación adecuada.
Además, entre los disolventes orgánicos, los ejemplos particulares de los éteres pueden incluir uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en dimetil éter, dietil éter, dipropil éter, metil etil éter, metil propil éter, etil propil éter y combinaciones de los mismos, pero no se limitan a los mismos.
Entre los disolventes orgánicos, los ejemplos particulares de los ésteres incluyen uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en acetato de metilo, acetato de etilo, acetato de propilo, propionato de metilo, propionato de etilo, y-butirolactona, y-valerolactona, y-caprolactona, a-valerolactona, g-caprolactona y combinaciones de los mismos, pero no se limitan a los mismos.
La inyección del electrolito no acuoso puede llevarse a cabo en una etapa adecuada durante el procedimiento para fabricar una batería secundaria de litio dependiendo del procedimiento de fabricación de un producto final y las propiedades requeridas para un producto final. En otras palabras, la inyección del electrolito no acuoso puede llevarse a cabo antes del ensamblaje de una batería secundaria de litio o en la etapa final del ensamblaje de una batería secundaria de litio.
La batería secundaria de litio puede someterse a una etapa de laminación o apilamiento de un separador con electrodos y una etapa de plegado, además de la etapa de bobinado convencional. Además, la carcasa de batería puede tener una forma cilíndrica, prismática, en forma de bolsa o en forma de botón. La batería secundaria de metal de litio puede ser una batería secundaria de metal de litio de tipo cilíndrico, una batería secundaria de metal de litio de tipo prismático, una batería secundaria de metal de litio de tipo bolsa o una batería secundaria de metal de litio de tipo botón, particularmente una batería secundaria de metal de litio de tipo bolsa.
Mientras tanto, el módulo de batería incluye una pluralidad de celdas unitarias y una carcasa de módulo en la que se reciben las celdas unitarias, en donde la celda unitaria es la batería secundaria de metal de litio definida anteriormente.
El módulo de batería puede incluir dos o más celdas unitarias de tipo bolsa y una carcasa de módulo en la que se reciben las celdas unitarias de tipo bolsa, en donde la carcasa de módulo puede incluir un material de caucho.
La batería secundaria de metal de litio de tipo bolsa según la presente divulgación experimenta un aumento en el volumen durante la carga y una disminución en el volumen durante la descarga. La presurización durante la carga puede evitar un aumento significativo del volumen según la presente divulgación. Sin embargo, tal aumento de volumen no puede evitarse perfectamente. Además, es inevitable una disminución del volumen durante la descarga. La carcasa de módulo puede incluir un material de caucho para aliviar un aumento/disminución en el volumen durante la carga/descarga de las celdas unitarias.
En el presente documento, la carcasa de módulo puede incluir totalmente un material de caucho, o sólo una parte que está en contacto con la superficie de gran área de la celda unitaria puede incluir un material de caucho.
Mientras tanto, en todavía otro aspecto, se proporciona un bloque de baterías que incluye el módulo de batería y un dispositivo que incluye el bloque de baterías como fuente de alimentación.
En el presente documento, los ejemplos particulares del dispositivo pueden incluir, pero no se limitan a: herramientas motorizadas accionadas por un motor eléctrico; coches eléctricos, incluyendo vehículos eléctricos (EV), vehículos eléctricos híbridos (HEV), vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) o similares; carros eléctricos, incluyendo bicicletas eléctricas (E-bike) y scooters eléctricas (E-scooter); carros de golf eléctricos; sistemas de almacenamiento de energía eléctrica; o similares.
Los ejemplos se describirán más completamente a continuación de manera que la presente divulgación pueda entenderse con facilidad. Sin embargo, los siguientes ejemplos pueden realizarse de muchas formas diferentes y no deben interpretarse como limitados a las realizaciones a modo de ejemplo expuestas en los mismos. Más bien, estas realizaciones a modo de ejemplo se proporcionan de modo que la presente divulgación sea minuciosa y completa, y transmita completamente el alcance de la presente divulgación a los expertos en la técnica.
1. Fabricación de batería secundaria de metal de litio
(1) Fabricación de electrodo positivo
En primer lugar, se añadieron 95 partes en peso de LiNh/<3>Mn<1>/<3>Co-i/<3>O<2>como material activo de electrodo positivo, 2,5 partes en peso de Super P como material conductor, y 2,5 partes en peso de poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF) como aglutinante a N-metil-2-pirrolidona (NMP) como disolvente para preparar una suspensión de material activo de electrodo positivo. A continuación, la suspensión de material activo de electrodo positivo se recubrió sobre una superficie de un colector de corriente de aluminio hasta un grosor de 65 |im, seguido de secado, prensado y punzonado para dar un tamaño predeterminado, proporcionando de ese modo un electrodo positivo.
(2) Fabricación de electrodo negativo
Se unió una lámina de metal de litio que tenía un grosor de 20 |im a una superficie de un colector de corriente de cobre que tenía un grosor de 10 |im para obtener un electrodo negativo.
(3) Fabricación de batería secundaria de metal de litio
Se interpuso un separador (sustrato polímero poroso a base de polietileno que tiene capas de recubrimiento porosas que contienen una mezcla de alúmina con aglutinante de PVDF sobre ambas superficies del mismo) entre el electrodo positivo y el electrodo negativo para formar un conjunto de electrodos. A continuación, se insertó el conjunto de electrodos en una carcasa de batería de tipo bolsa. Luego, se inyectó en la carcasa de batería un electrolito que incluía el 1 % en peso de carbonato de vinileno (VC) como aditivo y LiPF 1 M6 disuelto en un disolvente que contenía carbonato de fluoroetileno (FEC) mezclado con carbonato de etilo y metilo (EMC) a una razón en volumen de 30:70. Después de eso, se selló completamente la carcasa de batería para obtener una batería secundaria de metal de litio.
2. Determinación del mantenimiento de la capacidad de la batería secundaria de metal de litio
Se cargó la batería secundaria de metal de litio hasta 4,25 V bajo una condición de corriente constante/tensión constante (CC/CV) y se descargó (temperatura de descarga 25 °C) hasta 3 V bajo una condición de corriente constante (CC) con una densidad de corriente de 2 mA/cm2, mientras se varía la condición de presurización durante la carga/descarga tal como se muestra en la siguiente tabla 1. Los ciclos de carga/descarga mencionados anteriormente se repitieron 50 veces. El mantenimiento de la capacidad después de 50 ciclos se muestra en la tabla 1.
En el presente documento, la batería secundaria de metal de litio se cargó/descargó usando un cargador al que está conectado un dispositivo de presurización a presión constante.
Particularmente, se preparó un dispositivo de presurización. El dispositivo de presurización incluye: un elemento de almacenamiento en el que se recibe una celda de batería secundaria; un elemento de presurización orientado hacia el elemento de almacenamiento con la celda secundaria interpuesta entre los mismos, y separado del elemento de almacenamiento con una distancia variable; unos medios de presurización configurados para presurizar la celda de batería secundaria recibida en el elemento de almacenamiento, en la dirección del grosor de la celda de batería secundaria empujando o tirando del elemento de presurización hacia o desde el elemento de almacenamiento; unos medios de medición configurados para medir la presión aplicada al elemento de presurización y/o la distancia entre el elemento de almacenamiento y el elemento de presurización en un intervalo de tiempo predeterminado; y una unidad de control configurada para recibir los valores de la presión aplicada al elemento de presurización y la distancia entre el elemento de almacenamiento y el elemento de presurización en un intervalo de tiempo predeterminado, y para mantener la distancia constantemente o para cambiar la distancia con el fin de mantener la presión constante. Se montó la batería secundaria de metal de litio en el dispositivo de presurización. Luego, se conectó la batería secundaria de metal de litio a un cargador (PNE Solution Co., PESC05), y se llevó a cabo la carga/descarga en las condiciones tal como se muestran en la tabla 1. En el presente documento, la presión aplicada a la batería secundaria de litio durante la carga/descarga se controló a través del dispositivo de presurización. En la tabla 1, la condición de presurización durante la carga significa la presión (fuerza de presurización) aplicada a la batería secundaria de metal de litio durante la carga, y la condición de presurización durante la descarga significa la presión (fuerza de presurización) aplicada a la batería secundaria de metal de litio durante la descarga.
[Tabla 1]
Tal como se muestra en la tabla 1, los ejemplos comparativos 1-4, en los que no se aplica presurización durante la carga de la batería secundaria de metal de litio, proporcionan un mantenimiento de la capacidad de 0 después de 50 ciclos, mientras que los ejemplos, en los que se aplica presurización durante la carga, muestran un mantenimiento de la capacidad de al menos el 15 %.
Particularmente, los ejemplos 9-23, en los que la presurización se aplica durante la carga con una presión de 276 kPa (40 psi) y 689 kPa (100 psi), muestran un alto mantenimiento de la capacidad de al menos el 64 %.
Además, después de comparar el ejemplo 10, el ejemplo 18 y el ejemplo 19, en los que la carga/descarga se lleva a cabo en las mismas condiciones de presurización, temperatura y densidad de corriente durante la carga, y las diferentes condiciones de presurización de 0 kPa (0 psi), de 34,5 kPa (5 psi) y de 68,9 kPa (10 psi) durante la descarga, puede observarse que muestran un mantenimiento de la capacidad equivalente del 75-79 %. Esto sugiere que cuando la batería secundaria de metal de litio según la presente divulgación satisface la condición de presurización durante la carga, es posible proporcionar características de ciclo mejoradas evitando la electrodeposición dendrítica de litio físicamente, incluso aunque la descarga se lleve a cabo sin presurización (bajo un estado no presurizado) o bajo la aplicación de una presión inferior a la presión aplicada durante la carga.
Además, en la misma condición de presurización durante la carga, se proporciona un mayor mantenimiento de la capacidad a una temperatura más alta. Con referencia a los ejemplos 13-17, puede observarse que el mantenimiento de la capacidad se mejora adicionalmente cuando la densidad de corriente durante la carga es relativamente baja dentro de un intervalo de 0,05-2 mA/cm2, bajo las mismas condiciones de presurización y temperatura durante la carga. En otras palabras, cuando la temperatura es más alta, se satisface la energía de activación para la reacción química y se acelera la reacción química para reducir la resistencia y para proporcionar un mantenimiento de la capacidad ligeramente aumentado. A medida que disminuye la densidad de corriente, se reduce la deslocalización de la corriente eléctrica y se forma uniformemente la electrodeposición de litio para evitar el deterioro de la batería.
La figura 1 es una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) que ilustra la vista en sección del electrodo negativo después de repetir 10 ciclos en la batería secundaria de metal de litio según el ejemplo comparativo 1. La figura 2 es una imagen de SEM que ilustra la vista en sección del electrodo negativo después de repetir 10 ciclos en la batería secundaria de metal de litio según el ejemplo 5.
Con referencia a la figura 1, en el caso del ejemplo comparativo 1, el metal de litio crece como dendrita para formar poros. Además, se observan láminas de cobre que tienen un grosor de 13 |im, metal de litio que tiene un grosor de 13,8 |im y dendrita que tiene un grosor de 236 |im, cuando se observan desde la parte inferior. Por el contrario, en la figura 2 que ilustra el electrodo negativo según el ejemplo 5, puede observarse que la capa dendrítica tiene un grosor más pequeño, no se forman poros, y la capa de metal de litio tiene un grosor más grande. Por tanto, puede observarse que la batería secundaria de metal de litio según la presente divulgación puede evitar la electrodeposición dendrítica de litio físicamente llevando a cabo la carga bajo una condición presurizada y descarga bajo un estado no presurizado o estado presurizado.
Debe entenderse que la descripción detallada se proporciona únicamente a modo de ilustración y pueden realizarse diversos cambios y modificaciones sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las siguientes reivindicaciones. Por tanto, no se pretende que las realizaciones divulgadas en el presente documento limiten el alcance de la presente divulgación, sino que son sólo para propósitos ilustrativos, y el alcance de la presente divulgación no se limita a las mismas. También debe entenderse que el alcance de la presente divulgación está definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Método para someter una batería secundaria de metal de litio a una condición de carga/descarga controlada, comprendiendo la batería secundaria de metal de litio:
    un conjunto de electrodos que comprende un electrodo negativo, un electrodo positivo y un separador interpuesto entre el electrodo negativo y el electrodo positivo;
    un electrolito no acuoso con el que se impregna el conjunto de electrodos; y
    una carcasa de batería en la que se reciben el conjunto de electrodos y el electrolito no acuoso, en donde el electrodo negativo comprende un colector de corriente de electrodo negativo y una capa de metal de litio formada sobre al menos una superficie del colector de corriente de electrodo negativo, la condición de carga/descarga de la batería secundaria de metal de litio comprende cargar la batería secundaria de metal de litio bajo un estado presurizado y descargar la batería secundaria de metal de litio bajo un estado no presurizado o presurizado, y
    cuando la batería secundaria de litio se descarga bajo un estado presurizado, la presión aplicada durante la descarga se controla para que sea menor que la presión aplicada durante la carga,
    en donde la presión aplicada durante la carga es de 276-689 kPa (40-100 psi).
  2. 2. Método según la reivindicación 1, en donde la presión aplicada durante la descarga es de 6,89-68,9 kPa (1 10 psi), cuando la batería secundaria de metal de litio se descarga bajo un estado presurizado.
  3. 3. Método según la reivindicación 1, en donde la densidad de corriente durante la carga es de 0,01-4 mA/cm2.
  4. 4. Método según la reivindicación 1, en donde la densidad de corriente durante la carga es de 0,05 3,5 mA/cm2.
  5. 5. Método según la reivindicación 1, en donde la temperatura durante la carga es de 25-45 °C.
  6. 6. Método según la reivindicación 1, que se carga a una temperatura de 25-45 °C a una presión de 276 689 kPa (40-100 psi) con una densidad de corriente de carga de 0,05-3,5 mA/cm2, y se descarga bajo un estado no presurizado o bajo una presión de 6,89-68,9 kPa (1-10 psi).
  7. 7. Método según la reivindicación 1, que es una batería secundaria de metal de litio de tipo bolsa.
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