ES2652238T3 - Conjunto de electrodo, procedimiento para fabricación del mismo, y procedimiento de carga y descarga de batería - Google Patents

Conjunto de electrodo, procedimiento para fabricación del mismo, y procedimiento de carga y descarga de batería Download PDF

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Abstract

Un conjunto de electrodo (100) que comprende: un colector de corriente (10); y una primera capa de material activo eléctrico (20) apilada sobre el colector de corriente; y: una primera capa de red conductora porosa (30) apilada como una capa superior expuesta sobre una superficie principal de la primera capa de material activo eléctrico opuesta a una superficie principal de la primera capa de material activo eléctrico que entra en contacto con el colector de corriente y parcialmente oprimida dentro de la primera capa de material activo eléctrico, caracterizado porque la primera capa de red conductora porosa incluye una estructura similar al fieltro constituida por una pluralidad de fibras largas metálicas segmentadas, y la pluralidad de fibras largas metálicas tienen grosores de 1 μm a 10 μm, donde la estructura similar al fieltro incluye una capa de red conductora porosa de alta densidad (30A) formada sobre una superficie de la capa de material activo eléctrico y una capa de red conductora porosa de baja densidad (30B) oprimida dentro de la primera capa de material activo eléctrico.

Description

DESCRIPCION
Conjunto de electrodo, procedimiento para fabricacion del mismo, y procedimiento de carga y descarga de baterfa 5 ANTECEDENTES DE LA INVENCION CAMPO TECNICO
La presente invencion se refiere a una tecnologfa relacionada con las baterfas, y mas especfficamente, a un 10 conjunto de electrodo, un procedimiento de fabricacion del mismo, y procedimientos de carga y descarga de una baterfa.
ANTECEDENTES DE LA TECNICA
15 Junto con el reciente crecimiento de las industrias relacionadas con los dispositivos electronicos portatiles basado en desarrollos en tecnologfas de fabricacion de semiconductores y tecnologfas de comunicacion y en las crecientes demandas para desarrollar energfas alternativas basadas en demandas de conservacion del medio ambiente y el agotamiento de recursos, se estan investigando activamente las tecnologfas relacionadas con las baterfas. Las baterfas incluyen una baterfa primaria que puede utilizarse una vez para una vida util particular y una baterfa 20 secundaria que puede recargarse y utilizarse repetidamente. Como material de partida de una baterfa, el litio es el metal mas ligero con el potencial estandar de reduccion mas bajo de entre todos los metales de la naturaleza. Por lo tanto, cuando una baterfa se fabrica utilizando litio, la baterfa no solo puede presentar elevada densidad de energfa, sino tambien presentar un voltaje elevado. Por lo tanto, se esta centrando la atencion en investigaciones sobre baterfas primarias y baterfas secundarias que utilizan el litio.
25
Una baterfa primaria se utiliza principalmente como fuente de alimentacion principal o fuente de alimentacion de reserva de un dispositivo electronico portatil, mientras que la aplicacion de una baterfa secundaria se esta expandiendo de una baterfa para un dispositivo pequeno, tal como un telefono movil, un ordenador portatil, y un dispositivo de visualizacion movil, a una baterfa de mediano tamano o una baterfa de gran tamano para un vehfculo 30 a motor electronico y un vehfculo a motor hfbrido.
Se demanda que tales baterfas ofrezcan pesos ligeros, volumenes pequenos, elevadas densidades de energfa, excelente eficiencia de velocidad de carga/descarga, extraordinarias caracterfsticas de funcionamiento cfclico, elevada estabilidad y elevada viabilidad economica.
35
El documento US 2010/330424 describe un electrodo negativo para baterfas secundarias de litio. El documento KR 2004 0079117 describe un electrodo para una baterfa de litio, que tiene una capa conductora porosa que comprende carbono cristalino, carbono monocristalino y metal. El documento JP 2006 286427describe placas de electrodo de baterfa secundaria de electrolito no acuoso representadas por baterfas secundarias de iones de litio.
40
El documento JP 2007 048717 describe una baterfa con un material de electrodo positivo que contiene un material de carbono.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
45
PROBLEMA TECNICO
La presente invencion proporciona un conjunto de electrodo para una baterfa que tiene no solo una elevada densidad de energfa, sino tambien excelente eficiencia de carga/descarga, velocidad de carga/descarga, y 50 caracterfsticas de ciclo.
La presente invencion tambien proporciona un procedimiento para fabricar facilmente un conjunto de electrodo que tiene las ventajas expuestas anteriormente.
55 La presente invencion tambien proporciona un procedimiento de carga o descarga de una baterfa utilizando el conjunto de electrodo que tiene las ventajas expuestas anteriormente.
SOLUCION TECNICA
60 De acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se proporciona un conjunto de electrodo de acuerdo con la
reivindicacion 1.
En una realizacion, el colector de corriente puede incluir una hoja metalica, una malla metalica, o una combinacion de las mismas.
El conjunto de electrodo puede incluir ademas una capa de red conductora porosa de base apilada entre el colector de corriente y la primera capa de material activo electrico y al menos oprimida parcialmente dentro de la primera capa de material activo electrico. Asimismo, el conjunto de electrodo puede incluir ademas una segunda capa de material activo electrico apilada sobre una superficie principal de la primera capa de red conductora porosa opuesta 10 a una superficie principal de la primera capa de red conductora porosa que entra en contacto con la primera capa de material activo electrico. En este caso, el conjunto de electrodo puede incluir ademas una segunda capa de red conductora porosa apilada sobre una superficie principal de la segunda capa de material activo electrico opuesta a una superficie principal de la segunda capa de material activo electrico que entra en contacto con la primera capa de red conductora porosa.
15
En una realizacion, la segunda capa de red conductora porosa puede incluir una espuma metalica, fibras de carbono, una capa de fibras largas metalicas, y una combinacion de las mismas. Asimismo, la capa de fibras largas metalicas puede tener una estructura similar al fieltro.
20 En una realizacion, el grosor de la primera capa de red conductora porosa puede ser de aproximadamente 0,5 ym a aproximadamente 100 ym. Asimismo, la capa de fibras largas metalicas puede incluir una pluralidad de fibras largas metalicas segmentadas, y la pluralidad de fibras largas metalicas pueden tener una longitud media de aproximadamente 10 ym a aproximadamente 100 mm.
25 De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, se proporciona un procedimiento de fabricacion de un conjunto de electrodo, de acuerdo con la reivindicacion 8.
En una realizacion, el procedimiento puede incluir ademas proporcionar una capa de red conductora porosa de base sobre el colector de corriente antes de que se proporcione la primera capa de lechada. Asimismo, el procedimiento 30 puede incluir ademas aplicar una segunda capa de lechada que contiene un material activo electrico sobre la primera capa de red conductora porosa antes de que se seque la primera capa de lechada; y secar la segunda capa de lechada al mismo tiempo que se seca la primera capa de lechada, donde, en la presion de la primera capa de red conductora porosa, al menos otra porcion de la primera capa de fibras largas metalicas puede ser oprimida dentro de la segunda capa de lechada.
35
En otra realizacion, el procedimiento puede incluir ademas proporcionar una segunda capa de red conductora porosa sobre la segunda capa de lechada antes del secado de la segunda capa de lechada al mismo tiempo que se seca la primera capa de lechada. En este caso, al menos una porcion de la segunda capa de red conductora porosa puede ser oprimida dentro de la segunda capa de lechada.
40
El procedimiento de la reivindicacion puede incluir ademas, despues de la presion de la primera capa de red conductora porosa para oprimir al menos una porcion de la primera capa de red conductora porosa dentro de la primera capa de lechada, proporcionar la segunda capa de lechada sobre la primera capa de red conductora porosa. Asimismo, el procedimiento puede incluir ademas proporcionar la segunda capa de red conductora porosa sobre la 45 segunda capa de lechada, secar la segunda capa de lechada, y presionar la segunda capa de red conductora porosa para oprimir al menos una porcion de la segunda capa de red conductora porosa dentro de la segunda capa de lechada.
En una realizacion, la primera capa de red conductora porosa puede proporcionarse cuando se aplica un campo 50 electrico o un campo magnetico a la primera capa de lechada. En este caso, puede utilizarse un iman electrico o un iman permanente para aplicar el campo magnetico. Alternativamente, las fibras que constituyen una capa de red conductora porosa pueden cargarse. En este caso, se aplica un campo electrico.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, se proporciona un procedimiento de carga o descarga de una 55 baterfa, incluyendo el procedimiento cargar una porcion de la capacidad nominal de la baterfa a una primera tasa C de carga; y cargar una porcion restante de la baterfa a una segunda tasa C de carga inferior a la primera tasa C de carga; o descargar una porcion de la capacidad nominal de la baterfa a una primera tasa C de carga; y descargar una porcion restante de la baterfa a una segunda tasa C de descarga inferior a la primera tasa C de descarga.
60 El procedimiento de carga o el procedimiento de descarga puede realizarse conjuntamente con una rejilla inteligente.
La baterfa incluye el conjunto de electrodo de la reivindicacion 1. EFECTOS VENTAJOSOS
5 De acuerdo con una realizacion de la presente invencion, como una capa de material activo electrico esta dispuesta entre un colector de corriente y una capa de red conductora, pueden mejorarse las velocidades y la eficiencia para cargar/descargar la capa de material activo electrico. Asimismo, como la capa de red conductora porosa puede modificarse facilmente, puede reducirse la fatiga en una baterfa debida al cambio de volumen de la capa de material activo electrico durante el funcionamiento de la baterfa, y de este modo puede proporcionarse un conjunto de 10 electrodo capaz de reducir o eliminar la irreversibilidad debida a los ciclos de carga/descarga.
Asimismo, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, un conjunto de electrodo que tiene las ventajas expuestas anteriormente puede fabricarse simplemente por medio de una operacion de apilamiento, tal como laminacion o recubrimiento, y una operacion de presion, y de este modo puede proporcionarse un procedimiento de 15 fabricacion de un conjunto de electrodo con productividad mejorada y equipo simplificado.
Asimismo, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, cargando la capacidad restante por medio de una pluralidad de fases mientas que se reduce la tasa C de carga o descargando la capacidad restante por medio de una pluralidad de fases mientras que se reduce la tasa C de descarga, una baterfa puede cargarse muy cerca de su 20 capacidad nominal o descargarse en un tiempo de carga/descarga reducido. El procedimiento de carga puede lograrse por medio de software, hardware, o una combinacion de los mismos y puede incorporarse mediante el sistema de gestion de baterfa expuesto anteriormente.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
25
La FIG. 1 es una vista en corte de un conjunto de electrodo (100) de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
La FIG. 2A es un grafico que muestra caracterfsticas de carga de un conjunto de electrodo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion tal como se muestra en la FIG. 1 y un conjunto de electrodo que incluye el 30 colector de corriente y la capa de material activo electrico sin la capa de red conductora porosa 3D (30) de acuerdo con una realizacion comparativa, y la FIG. 2B es un grafico que muestra caracterfsticas de descarga del conjunto de electrodo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion y el conjunto de electrodo de acuerdo con la realizacion comparativa.
Las FIGS. 3A a 3D son vistas en corte que muestran un procedimiento de fabricacion de un conjunto de electrodo de 35 acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
La FIG. 4A es un diagrama en corte que muestra un conjunto de electrodo de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, y la FIG. 4B es un diagrama en corte que muestra un procedimiento de fabricacion del conjunto de electrodo.
La FIG. 5 es un diagrama en corte que muestra un conjunto de electrodo de acuerdo con otra realizacion de la 40 presente invencion.
La FIG. 6 es una vista en perspectiva en despiece ordenado de una baterfa que emplea una estructura de electrodo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
La FIG. 7 es un grafico que muestra un procedimiento de carga que incluye una pluralidad de fases de carga de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
45
MEJOR MODO DE LLEVAR A CABO LA INVENCION
A continuacion se describira la presente invencion con mayor detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestran realizaciones ejemplares de la invencion.
50
Sin embargo, la invencion puede incorporarse de muchas formas diferentes y no debe ser interpretada como limitada a las realizaciones expuestas en el presente documento; mas bien, estas realizaciones se proporcionan de manera que esta descripcion sera exhaustiva y completa, y transmitira completamente el concepto de la invencion a los expertos en la tecnica. Mientras tanto, la terminologfa utilizada en este documento tiene el objetivo de describir 55 realizaciones particulares y no se pretende ser limitante de las realizaciones ejemplares.
Ademas, el grosor o los tamanos de las capas de los dibujos estan exagerados por comodidad de explicacion y claridad, y los mismos numeros de referencia indican los mismos elementos en los dibujos. Tal como se utiliza en este documento, el termino "y/o" incluye cualquier y todas las combinaciones de uno o mas de los elementos 60 enumerados asociados.
La terminologfa utilizada en el presente documento es con el fin de describir realizaciones particulares solamente y no pretende ser limitante de las realizaciones ejemplares. Tal como se utilizan en este documento, se pretende que las formas en singular “un”, “una”, “el” y “la” incluyan tambien las formas plurales, a menos que el contexto indique 5 claramente lo contrario. Se entendera ademas que los terminos "comprende” y/o “comprendiendo" utilizados en este documento especifican la presencia de caracterfsticas, numeros enteros, etapas, operaciones, elementos, y/o componentes indicados, y/o grupos de los mismos, pero no excluyen la presencia o adicion de una o mas caracterfsticas, numeros enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes, y/o grupos de los mismos.
10 Se entendera que, aunque los terminos primero, segundo, tercero, etc., pueden utilizarse en este documento para describir diversos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones, estos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones no deberfan estar limitados por estos terminos. Estos terminos se utilizan solamente para distinguir un elemento, componente, region, capa o seccion de otra region, capa o seccion. Asf, un primer elemento, componente, region, capa o seccion analizado mas adelante podrfa llamarse un segundo elemento, 15 componente, region, capa o seccion sin apartarse de las ensenanzas de la presente invencion.
El termino capa de red conductora porosa se refiere a una estructura que incluye una red conductora constituida por vfas de conduccion unidimensionales y porosidades definidas por espacios entre las vfas de conduccion. La capa de red conductora porosa es plastica y electroconductora, y la presente invencion se refiere a caracterfsticas y ventajas 20 de la misma.
Asimismo, el termino "fibra larga metalica" se refiere a una fibra metalica que se fabrica fibrizando un metal, tal como un acero inoxidable, aluminio, nfquel, titanio, cobre, o una aleacion de los mismos, tiene un diametro de varios pm a docenas de pm, y tiene una longitud de docenas de pm y una longitud superior a docenas de pm. La fibra larga 25 metalica no solo tiene las ventajas de resistencia termica, plasticidad y electroconductividad de un metal sino que tambien tiene ventajas unicas de ser capaz de tejedurfa y tratamiento de fieltro debido a una fibra. La presente invencion se refiere a caracterfsticas y ventajas de la aplicacion de tal fibra larga metalica a un conjunto de electrodo de una baterfa.
30 Las fibras largas metalicas pueden fabricarse manteniendo un metal o una aleacion como un metal fundido en un contenedor adecuado y hacer salir a chorros el metal fundido a la atmosfera por agujeros de descarga del contenedor utilizando un gas comprimido o un dispositivo de presion, tal como un piston, para una rapida solidificacion. Alternativamente, las fibras largas metalicas pueden fabricarse utilizando el procedimiento de estirado de haz conocido en la tecnica. Controlando el numero de agujeros de descarga, el tamano de los agujeros de 35 descarga, y/o la inyeccion de metal fundido descargado, puede controlarse el grosor, la uniformidad, el tejido fibroso (por ejemplo, fieltro), y la relacion de aspecto de la fibra larga metalica. La fibra larga metalica que constituye una baterfa de acuerdo con la presente invencion puede incluir no solo fibras largas metalicas fabricadas utilizando el procedimiento de fabricacion expuesto anteriormente, pero tambien fibras largas metalicas fabricadas utilizando cualquier otro procedimiento de fabricacion conocido en la tecnica, y la presente invencion no esta limitada al mismo. 40
El termino "capa de aislamiento" incluye una capa de aislamiento utilizada comunmente en una baterfa de electrolito lfquido que utiliza un electrolito lfquido que tiene baja afinidad por la capa de aislamiento. Asimismo, la "capa de aislamiento" incluye un electrolito de polfmero solido intrfnseco y/o un electrolito de polfmero solido en gel, que es un electrolito o son electrolitos ligados fuertemente a una capa de aislamiento, de modo que el electrolito y la capa de 45 aislamiento se reconocen como un mismo elemento. Por lo tanto, la capa de aislamiento deberfa definirse basandose en las definiciones ofrecidas mas adelante.
La FIG. 1 es una vista en corte de un conjunto de electrodo (100) de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
50
Haciendo referencia a la FIG. 1, el conjunto de electrodo (100) puede incluir un colector de corriente (10), una capa de material activo electrico (20) sobre el colector de corriente (10), y una capa de red conductora porosa tridimensional (3D) 30 apilada sobre una superficie principal opuesta a la superficie principal de la capa de material activo electrico (20) que entra en contacto con el colector de corriente (10). El colector de corriente (10) puede ser 55 una hoja metalica o una malla metalica que tenga una estructura bidimensional (2D). Preferentemente, el colector de corriente (10) puede ser una hoja metalica que tenga un area enfrentada continua con respecto a la capa de red conductora porosa 3D (30). El colector de corriente (10) puede contener aluminio o cobre basandose en la polaridad del conjunto de electrodo (100). Sin embargo, es simplemente un ejemplo, y el colector de corriente (10) puede incluir otros metales conocidos en la tecnica o una aleacion de los mismos.
60
La capa de material activo electrico (20) sobre el colector de corriente (10) puede incluir partfculas de material activo electrico y un material aglutinante. Las partfculas de material activo electrico pueden ser partfculas que tengan un tamano medio de aproximadamente 0,1 pm a aproximadamente 100 pm. Segun exija la ocasion, la distribucion de tamano de las partfculas del material activo electrico puede controlarse mediante un proceso de filtro.
5
El material activo electrico puede seleccionarse adecuadamente basandose en la polaridad del conjunto de electrodo (100) y si una baterfa es una baterfa primaria o una baterfa secundaria. Por ejemplo, un material activo electrico para un catodo puede seleccionarse de entre oxidos de sistema binario (o superiores), fosfatos, sulfuros, y fluoruros que contengan litio, nfquel, cobalto, cromo, magnesio, estroncio, vanadio, lantano, cerio, hierro, cadmio, 10 plomo, titanio, molibdeno, o manganeso, o una combinacion de los mismos. Sin embargo, esos son simplemente ejemplos, y el material activo electrico para un catodo puede estar formado de otros compuestos calcogenuros. Preferentemente, el material activo electrico para un catodo puede ser un compuesto de sistema ternario que contenga al menos dos de entre metales adecuados para una baterfa secundaria de litio, tal como cobalto, cobre, nfquel, manganeso, titanio y molibdeno, y al menos un atomo no metalico seleccionado de un grupo constituido por 15 O, F, S, P y combinaciones de los mismos, por ejemplo Li[Ni, Mn, Co]O2.
Un material activo electrico para un anodo puede ser un material de carbono, por ejemplo, un carbono poco cristalino o un carbono muy cristalino. El carbono poco cristalino puede ser carbono blando o carbono duro, por ejemplo. El carbono muy cristalino puede ser grafito natural, grafito Kish, carbono pirolftico, fibra de carbono basada 20 en brea de mesofase, microesferas de mesocarbono, breas de mesofase, o carbono plastico de alta temperatura, tal como coques derivados de petroleo o de brea de alquitran de hulla, por ejemplo. Sin embargo, los materiales anteriormente senalados son simplemente ejemplos, y pueden aplicarse otros materiales basados en carbono, tales como materiales basados en diamante o materiales basados en carburo.
25 En otra realizacion, pueden utilizarse polvos de litio en lugar de los materiales basados en carbono senalados anteriormente. Alternativamente, un material activo electrico para un anodo puede incluir un material basado en carbono y un material activo no basado en carbono adecuado para una baterfa de NaS, es decir, sodio o al menos uno de entre otros oxidos, carburos, nitruros, fosfuros, seleniuros y telururos. Alternativamente, para aumentar la capacidad de un anodo, puede utilizarse un material no basado en carbono con elevada oclusion de iones de litio y 30 capacidad de descarga, por ejemplo, un material monoatomico, tal como silicio, germanio, estano, plomo, antimonio, bismuto, cinc, aluminio, hierro, o cadmio, un compuesto intermetalico de los mismos, o un oxido de los mismos.
En la otra realizacion, puede utilizarse un material activo electrico que contiene un metal de intercalacion de Li altamente eficiente con elevada capacidad con elevada variacion de volumen, tal como silicio (Si), bismuto (Bi), 35 estano (Sn), aluminio (Al) o una aleacion de los mismos, o un compuesto intermetalico de los mismos.
En una realizacion, puede anadirse un aglutinante a la capa de material activo electrico (20) para ligar los materiales activos electricos en estado de partfculas. Por ejemplo, el aglutinante puede ser un material basado en polfmero que incluye copolfmero de fluoruro de vinilideno-hexafluoropropileno (PVdf-co-HFP), fluoruro de polivinilideno (PVdf), 40 poliacrilonitrilo, polimetilmetacrilato, politetrafluoroetileno (PTFE), caucho de estireno-butadieno (SBR), poliimida, un polfmero basado en poliuretano, un polfmero basado en poliester, y copolfmero de etileno-propileno-dieno (EPDM). Segun exija la ocasion, el aglutinante puede incluir otro material basado en polfmero conductor, una brea de petroleo, y alquitran de hulla. Sin embargo, la presente invencion no esta limitada al mismo, y puede utilizarse cualquier material como aglutinante siempre que el material no se disuelva en un electrodo y ofrezca una fuerza de 45 union predeterminada y estabilidad bajo un entorno electromecanico.
El aglutinante puede anadirse en una proporcion de peso de aproximadamente el 0,5 % a aproximadamente el 5 % con respecto al peso de la mezcla total del material activo electrico y el aglutinante. Puesto que se utiliza un disolvente organico o agua como medio de dispersion para el aglutinante, el medio de dispersion tarda un tiempo en 50 secarse, y el medio de dispersion puede permanecer en el material activo electrico despues del secado y puede deteriorar las caracterfsticas de funcionamiento cfclico de una baterfa. Asimismo, puesto que el aglutinante es un no conductor, es preferible limitar la utilizacion del aglutinante. En el conjunto de electrodo (100) de acuerdo con la presente realizacion, el material activo electrico en el estado de partfculas esta ligado fuertemente entre el colector de corriente (10) y la capa de red conductora porosa 3D (30), y de este modo puede minimizarse la utilizacion del 55 aglutinante.
En una realizacion, particularmente en caso de un material activo electrico para un catodo, ademas puede anadirse externamente un conductor dentro de la capa de material activo electrico (20), junto con el material activo electrico y el aglutinante. El conductor puede mezclarse uniformemente con el material activo electrico y proporcionarse en el 60 colector de corriente (10). El conductor puede anadirse en una proporcion de peso de aproximadamente el 1 % a
aproximadamente el 15 % con respecto al peso de la mezcla total del material activo electrico, el aglutinante y el conductor. El conductor puede ser una nanoestructura con una gran area superficial especffica y baja resistencia, por ejemplo, un carbono fino, tal como negro de humo, negro de acetileno, negro de Ketjen, o partfculas de grafito ultrafinas, pasta de partfculas de nanometal, pasta de oxido de indio y estano (ITO), o nanotubos de carbono.
5
La capa de red conductora porosa 3D (30) es una capa de red conductora formada de una espuma metalica, una capa de fibras largas metalicas, una capa de fibras de carbono, o una combinacion de las mismas. La capa de red conductora porosa 3D (30) es una capa de fibras largas metalicas, tal como una capa de fibras conductoras o una capa de fibras de carbono. La capa de red conductora porosa 3D (30) es una capa de fibras largas metalicas. Una 10 porcion de la capa de red conductora porosa 3D entera (30) dispuesta sobre la capa de material activo electrico (20) es oprimida dentro de la capa de material activo electrico (20) mediante una operacion de presion descrita mas adelante. Cuando una porcion de la capa de red conductora porosa 3D (30) es oprimida dentro de la capa de material activo electrico (20), se forma una capa de red conductora porosa de alta densidad (30A) sobre una superficie de la capa de material activo electrico (20), y la porcion oprimida de la capa de red conductora porosa 3D 15 (30) puede mezclarse con un material activo electrico, un aglutinante, y otros materiales anadidos externamente en la capa de material activo electrico (20) y puede proporcionar una capa de red conductora porosa de baja densidad (30B). Tal como se describe anteriormente, a medida que al menos una porcion de la capa de red conductora porosa 3D (30) es oprimida dentro de la capa de material activo electrico (20), puede asegurarse una adherencia mecanica entre la capa de red conductora porosa 3D (30) y la capa de material activo electrico (20).
20
La capa de red conductora porosa 3D (30) esta formada de una capa de fibras largas metalicas, y la capa de fibras largas metalicas tiene una estructura similar al fieltro constituida por una pluralidad de fibras largas metalicas. Las fibras largas metalicas pueden incluir uno de entre un acero inoxidable, aluminio, nfquel, titanio y cobre, o una aleacion de los mismos. La estructura similar al fieltro puede formar una estructura fibrosa porosa 3D formada 25 cuando una pluralidad de fibras largas metalicas se doblan, se enredan unas con otras, o se enlazan por puentes unas con otras debido a las propiedades fibrosas de las fibras largas metalicas. Por lo tanto, la espuma metalica se forma qufmicamente o fntegramente para no separar las estructuras lineales 1D que proporcionan vfas de conduccion de unas a otras. La espuma metalica puede distinguirse de una capa de fibras largas metalicas en la cual las fibras largas metalicas estan enredadas o enlazadas por puentes unas con otras.
30
Las fibras largas metalicas pueden ser segmentadas, y la longitud media de las fibras largas metalicas segmentadas puede ser de aproximadamente 10 ym a aproximadamente 100 mm. Asimismo, las fibras largas metalicas tienen grosores de aproximadamente 1 ym a aproximadamente 10 ym. Cuando los grosores de las fibras largas metalicas son inferiores o iguales a 1 ym, es diffcil formar una estructura utilizando fibras largas metalicas y disponer 35 artificialmente las fibras largas metalicas, y de este modo es diffcil asegurar la posibilidad de mecanizado. Por otra parte, si los grosores de las fibras largas metalicas son iguales o superiores a 100 ym, puede ser diffcil oprimir las fibras largas metalicas dentro de una capa de material activo electrico. Como resultado, puede deteriorarse el efecto de division de voltaje tal como se describe mas adelante. Asimismo, a medida que aumenta la robustez de las fibras largas metalicas, la posibilidad de mecanizado de un conjunto de electrodo puede deteriorarse durante una 40 operacion para empaquetar una baterfa.
El grosor de la capa de material activo electrico (20) puede depender del tamano de las partfculas de un material activo electrico y puede tener un grosor de aproximadamente 20 ym a aproximadamente 400 ym para tener una capacidad adecuada. Asimismo, el grosor de la capa de red conductora porosa 3D (30) es de aproximadamente 0,5 45 ym a aproximadamente 100 ym y puede ser de aproximadamente 10 ym a aproximadamente 40 ym. Puesto que el grosor de la capa de red conductora porosa 3D (30) puede convertirse en un factor que aumenta el volumen de una baterfa, el grosor de la capa de red conductora porosa 3D (30) puede estar limitado dentro del intervalo tal como se describe anteriormente en cuanto a densidad de energfa.
50 La FIG. 2A es un grafico que muestra caracterfsticas de carga de un conjunto de electrodo (100 de la FIG. 1) de acuerdo con una realizacion de la presente invencion tal como se muestra en la FIG. 1 y un conjunto de electrodo que incluye el colector de corriente (10) y la capa de material activo electrico (20) sin la capa de red conductora porosa 3D (30) de acuerdo con una realizacion comparativa, y la FIG. 2B es un grafico que muestra caracterfsticas de descarga del conjunto de electrodo (100 de la FIG. 1) de acuerdo con una realizacion de la presente invencion y 55 el conjunto de electrodo de acuerdo con la realizacion comparativa. En estos graficos, una curva R1 indica valores medidos con respecto al conjunto de electrodo (100) de la FIG. 1, mientras que una curva R2 indica valores medidos con respecto al conjunto de electrodo de acuerdo con la realizacion comparativa.
En los conjuntos de electrodo expuestos anteriormente para evaluacion, se utiliza fosfato de iones de litio como 60 material activo electrico para un catodo, donde se forma una lechada dispersando el fosfato de iones de litio en un
disolvente de N-metil-pirrolidona (PMP). A continuacion, se fabrica un conjunto de catodo recubriendo una hoja de aluminio con la lechada. Las capas de material activo electrico aplicadas a ambas muestras tienen el mismo grosor de aproximadamente 40 ym, y se forma una capa de red conductora porosa que utiliza una capa de fibras largas metalicas de acuerdo con una realizacion de la presente invencion que tendra un grosor de aproximadamente 10 5 ym. Una baterfa que emplea la muestra es una semibaterfa que utiliza un metal basado en litio como anodo.
Haciendo referencia a la FIG. 2A, la capacidad de una baterfa que emplea el conjunto de electrodo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion (la curva R1) disminuye lentamente a medida que aumenta la velocidad de carga, donde el 40 % o mas de la capacidad nominal se mantiene a una velocidad de carga de tasa C de 40. Sin 10 embargo, una baterfa que emplea el conjunto de electrodo de acuerdo con la realizacion comparativa (la curva R2) presenta una disminucion rapida de la capacidad a medida que aumenta la velocidad de carga y apenas se carga a la velocidad de carga de tasa C de 40.
Haciendo referencia a la FIG. 2B, similar a la FIG. 2A, la capacidad de la baterfa que emplea el conjunto de 15 electrodo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion (la curva R1) disminuye lentamente a medida que aumenta la velocidad de descarga. Sin embargo, la baterfa que emplea el conjunto de electrodo de acuerdo con la realizacion comparativa (la curva R2) presenta una disminucion rapida de la capacidad a medida que aumenta la velocidad de descarga y apenas se descarga a la velocidad de carga de tasa C de 50.
20 Generalmente, una baterfa utilizada por una herramienta de accionamiento electrico requiere una caracterfstica de salida de aproximadamente tasa C de 10, y un vehfculo electrico hfbrido (HEV) requiere una caracterfstica de salida de aproximadamente tasa C de 40 basandose en su rendimiento. De acuerdo con una realizacion de la presente invencion, puede obtenerse una caracterfstica de salida elevada para un dispositivo electronico o un dispositivo de potencia que requiera elevada potencia de salida en respuesta a tal necesidad. Asimismo, haciendo referencia al 25 caso que corresponde a tasa C de 40 en la FIG. 2A, una baterfa de alta capacidad puede cargarse al 40 % o mas en minutos, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. Generalmente, cuando se reduce el grosor de un material activo electrico, se reduce la resistencia de un electrodo o la resistencia de los iones de litio, y de este modo puede mejorarse el rendimiento de tasa. Sin embargo, en este caso, se reduce una cantidad del material activo electrico, y de este modo tambien se reduce la capacidad de una baterfa. Sin embargo, de acuerdo con una 30 realizacion de la presente invencion, el rendimiento de tasa puede mejorarse sin reducir el grosor de un material activo electrico. La razon de ello puede ser que la capa de red conductora porosa como electrodo intermedio esta dispuesta entre el colector de corriente (10) y la capa de material activo electrico, proporcionando asf un efecto de division de voltaje dentro de una estructura de electrodo. Asimismo, el efecto puede obtenerse basandose en la reduccion efectiva de la resistencia dentro del conjunto de electrodo debido a la capa de red conductora porosa.
35
Cuando la capa de red conductora porosa (30) es una capa de fibras largas metalicas que tiene una estructura similar al fieltro, algunos de los hilos que constituyen la capa de fibras largas metalicas pueden penetrar en la capa de material activo electrico (20). Como resultado, no solo puede reducirse la resistencia dentro del conjunto de electrodo (100), sino que tambien puede formarse localmente un campo electrico intenso dentro de la capa de 40 material activo electrico (20). Tal campo electrico intenso contribuye a mejoras en las velocidades y la eficiencia para cargar/descargar el conjunto de electrodo.
Las FIGS. 3A a 3D son vistas en corte que muestran un procedimiento de fabricacion de un conjunto de electrodo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
45
Haciendo referencia la FIG. 3A, se prepara el colector de corriente (10). El colector de corriente (10) puede ser una hoja metalica o una malla metalica tal como se describe anteriormente. Haciendo referencia a la FIG. 3B, sobre el colector de corriente (10) se aplica una capa de lechada (20L) que incluye un material activo electrico y un aglutinante y que incluye selectivamente un conductor y un disolvente adecuado.
50
A continuacion, haciendo referencia a la FIG. 3C, se forma una capa de red conductora porosa (30L) sobre la capa de lechada (20L). La capa de red conductora porosa (30L) puede tener una estructura que incluye una hoja metalica, fibras de carbono, una capa de fibras largas metalicas, o una combinacion de fibras de carbono y fibras largas metalicas. La capa de fibras largas metalicas puede tener una estructura similar al fieltro que esta constituida por 55 una pluralidad de fibras largas metalicas. En una realizacion, la hoja metalica o la capa de fibras largas metalicas se proporciona en la forma de ser enrollada alrededor de un rodillo giratorio, y la hoja metalica o la capa de fibras largas metalicas puede laminarse sobre la capa de lechada (20L) desenrollando el rodillo giratorio antes de que se seque la capa de lechada (20L).
60 De acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, la capa de red conductora porosa (30L) puede
proporcionarse disponiendo irregularmente una pluralidad de fibras largas metalicas sobre la capa de lechada (20L). Por ejemplo, las fibras largas metalicas o las fibras de carbono pueden aplicarse irregularmente sobre la capa de lechada (20L) utilizando un dispositivo rociador, tal como un pulverizador de aire o una pistola tipo corona, en humedo o en seco. En este punto, puede aplicarse un campo magnetico a la capa de lechada (20L) utilizando un 5 iman electrico o un iman permanente o puede aplicarse un campo electrico a la capa de lechada (20 L) despues de que las fibras se carguen, ayudando asf a que las fibras sean oprimidas dentro, o depositadas en la capa de lechada (20L).
A continuacion, se seca la estructura que incluye la capa de red conductora porosa (30L). Una operacion de secado 10 puede ser secado por aire caliente, secado natural, o secado al vacfo.
Haciendo referencia a la FIG. 3D, despues de secarse la capa de lechada (20L), la estructura puede ser presionada utilizando un dispositivo de presion, tal como una prensa de rodillo, oprimiendo asf al menos una porcion de la capa de red conductora porosa (30) dentro de la capa de material activo electrico (20). Cuando solo se oprime una 15 porcion de la capa de red conductora porosa (30) dentro de la capa de material activo electrico (20), una porcion de la capa de red conductora porosa (30) que permanece sobre una superficie de la capa de material activo electrico (20) se convierte en una capa de red conductora porosa de alta densidad (30A). Por otra parte, la porcion de la capa de red conductora porosa (30) oprimida dentro de la capa de material activo electrico (20) se mezcla con un material activo electrico, puede proporcionarse un aglutinante, y otros materiales anadidos externamente dentro de la capa 20 de material activo electrico (20), y de este modo una capa de red conductora porosa de baja densidad (30B), dentro de la capa de material activo electrico (20).
En este caso, comparada con la densidad de la capa de red conductora porosa (30) antes de la operacion de presion, la densidad de la capa de red conductora porosa (30A) sobre la capa de material activo electrico (20) se 25 vuelve mas alta que la densidad de la capa de red conductora porosa (30) durante la laminacion debido a la operacion de presion, mientras que la densidad de la capa de red conductora porosa (30B) oprimida dentro de la capa de material activo electrico (20) puede disminuir. Tal como se describe anteriormente, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion, la densidad de la porcion de la capa de red conductora porosa (30A) sobre una superficie de la capa de material activo electrico (20) se vuelve diferente de la densidad de la porcion cercana de la 30 capa de red conductora porosa (30B) dentro de la capa de material activo electrico (20).
La FIG. 4A es un diagrama en corte que muestra un conjunto de electrodo (200) de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, y la FIG. 4B es un diagrama en corte que muestra un procedimiento de fabricacion del conjunto de electrodo (200):
35
Haciendo referencia a la FIG. 4A, el conjunto de electrodo (200) es identico al conjunto de electrodo (100) mostrado en la FIG. 1A excepto que el conjunto de electrodo (200) comprende ademas una capa de red conductora porosa de base (40) apilada entre el colector de corriente (10) y la capa de material activo electrico (20) y parcialmente oprimida dentro de la capa de material activo electrico (20).
40
La capa de red conductora porosa de base (40) puede estar formada de una hoja metalica, fibras de carbono, una capa de fibras largas metalicas, o una combinacion de las mismas. Preferentemente, la capa de red conductora porosa de base (40) puede estar formada de una capa de fibras largas metalicas o fibras de carbono. Mas preferentemente, la capa de red conductora porosa de base (40) puede estar formada de una capa de fibras largas 45 metalicas. La capa de fibras largas metalicas puede tener una estructura similar al fieltro. Una porcion de la capa de red conductora porosa de base entera (40) puede ser oprimida dentro de la capa de material activo electrico (20) mediante una operacion de presion tal como se describe anteriormente.
Cuando solo una porcion de la capa de red conductora porosa de base (40) es oprimida dentro de la capa de 50 material activo electrico (20), se forma una capa de red conductora porosa de alta densidad (40A) entre el colecto de corriente (10) y la capa de material activo electrico (20), y la porcion oprimida de la capa de red conductora porosa de base (40) puede mezclarse con un material activo electrico, un aglutinante, y otros materiales anadidos externamente en la capa de material activo electrico (20) y puede proporcionar una capa de red conductora porosa de baja densidad (40B). Debido a la porcion oprimida de la capa de red conductora porosa de base, puede 55 asegurarse una adherencia mecanica entre la capa de red conductora porosa de base (40) y la capa de material activo electrico (20) y puede reducirse la resistencia dentro de la capa de material activo electrico (20).
Las fibras largas metalicas pueden contener uno de entre un acero inoxidable, aluminio, nfquel, titanio y cobre, o una aleacion de los mismos. La estructura similar al fieltro tal como se describe anteriormente es una estructura fibrosa 60 porosa formada cuando una pluralidad de fibras largas metalicas se doblan, se enredan unas con otras, o se
enlazan por puentes unas con otras debido a las propiedades fibrosas de las fibras largas metalicas.
De manera similar a la capa de red conductora porosa (30) tal como se describe anteriormente, las fibras largas metalicas que constituyen la capa de red conductora porosa de base (40) pueden ser segmentadas, y la longitud 5 media de las fibras largas metalicas segmentadas puede ser de aproximadamente 10 ym a aproximadamente 100 mm. Las fibras largas metalicas tienen grosores de aproximadamente 1 ym a aproximadamente 10 ym. Cuando los grosores de las fibras largas metalicas son inferiores o iguales a 1 ym, las fibras largas metalicas tienen robustez insuficiente y pueden romperse facilmente a medida que se enredan durante un proceso de enlace por puentes, y de este modo puede resultar diffcil formar una red conductora. Por otra parte, cuando los grosores de las fibras largas 10 metalicas son iguales o superiores a 10 ym, las fibras largas metalicas pueden ser demasiado gruesas para ser oprimidas dentro de la capa de material activo electrico (20), y de este modo puede aumentarse el grosor de un electrodo. Como resultado, puede aumentarse una distancia entre un anodo y un catodo. En este caso, puede aumentarse la resistencia interna contra el movimiento de los iones de litio.
15 Haciendo referencia a la FIG. 4B, para proporcionar el conjunto de electrodo (200), puede formarse una capa de red conductora porosa de base (40L) sobre el colector de corriente (10) antes de que se aplique la capa de lechada (20L) que contiene un material activo electrico sobre el colector de corriente (10). A continuacion, tal como se describe anteriormente con referencia a las FIGS. 3B y 3C, puede aplicarse la capa de lechada (20L) que contiene el material activo electrico sobre la capa de red conductora porosa de base (40L), y la capa de red conductora porosa 20 (30L) puede apilarse sobre la capa de lechada (20L) que contiene el material activo electrico.
A continuacion, se seca la estructura que incluye la capa de red conductora porosa (30L), y, tal como se muestra en la FIG. 3D, la estructura es presionada utilizando un dispositivo de presion, tal como una prensa de rodillo, y de este modo puede fabricarse el conjunto de electrodo (200) que incluye la capa de material activo electrico (20 de la FIG. 25 4A) que tiene oprimida dentro de la misma una porcion de la capa de red conductora porosa (30) y una porcion de la capa de red conductora porosa de base (40).
La FIG. 5 es un diagrama en corte que muestra un conjunto de electrodo (300) de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion.
30
Haciendo referencia a la FIG. 5, el conjunto de electrodo (300) es similar al conjunto de electrodo (200) mostrado en la FIG. 4A excepto que el conjunto de electrodo (300) tiene una pluralidad de estructuras apiladas que incluyen ademas una segunda capa de material activo electrico (50) y una segunda capa de red conductora porosa (60). La segunda capa de material activo electrico (50) esta apilada sobre una superficie principal de una primera capa de 35 red conductora porosa (30) opuesta a la superficie principal de la primera capa de red conductora porosa (30) que entra en contacto con una primera capa de material activo electrico (20).
En una realizacion, la capa de red conductora porosa de base (40) y/o la segunda capa de red conductora porosa (60) pueden omitirse. En este caso, puede obtenerse una estructura de conjunto de electrodo en la que la capa de 40 red conductora porosa (30) esta enterrada completamente en las capas de material activo electrico (20) y (50). La capa de red conductora porosa enterrada (30) puede funcionar como una capa de electrodo intermedia.
En cuanto a un procedimiento de fabricacion, las capas de material activo electrico (20) y (50) pueden proporcionarse en forma de una lechada tal como se describe anteriormente, y las capas de red conductora porosa 45 (30) y (60) pueden apilarse antes de que se seque la lechada. A continuacion, mediante una operacion de presion, porciones de las capas de red conductora porosa (30) y (60) pueden ser oprimidas dentro de las capas de material activo electrico (20) y (50). Como resultado, en el conjunto de electrodo (300) pueden proporcionarse capas de red conductora porosa de alta densidad (30A), (40A) y (60A) y capas de red conductora porosa de baja densidad (30B), (40B) y (60B).
50
En otra realizacion, las operaciones para secar las lechadas pueden realizarse secuencialmente en el orden de apilamiento de la estructura apilada. Por ejemplo, al menos una porcion de la primera capa de red conductora porosa (30) puede oprimirse dentro de la primera capa de material activo electrico (20) apilando sucesivamente una capa de lechada para formar la primera capa de material activo electrico (20) y la primera capa de red conductora 55 porosa (30), secando las mismas, y presionando las mismas. A continuacion, la segunda capa de red conductora porosa (60) puede oprimirse dentro de la segunda capa de material activo electrico (50) apilando sucesivamente una capa de lechada para formar la segunda capa de material activo electrico (50) y la segunda capa de red conductora porosa (60) sobre la primera capa de red conductora porosa (30) y secando las mismas. En este punto, la primera capa de red conductora porosa (30) tambien se oprime dentro de la segunda capa de material activo electrico (50).
De acuerdo con las realizaciones expuestas anteriormente, aunque la capacidad de carga/descarga se aumenta aumentando el grosor de las capas de material activo electrico apilando la pluralidad de capas de material activo electrico (20) y (50), puede obtenerse un efecto de division de grosor de las capas de material activo electrico en conjunto debido a que las capas de red conductora porosa (30) y (60) funcionan como un electrodo intermedio. La 5 resistencia dentro del conjunto de electrodo (300) puede reducirse y, de este modo, pueden mejorarse las velocidades de carga/descarga y la eficiencia. El grosor del conjunto de electrodo en conjunto excluyendo el colector de corriente (10) puede ser de aproximadamente 300 ym a aproximadamente 600 ym.
La FIG. 6 es una vista en perspectiva en despiece ordenado de una baterfa (1000) que emplea una estructura de 10 electrodo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
Haciendo referencia a la FIG. 6, la baterfa (1000) puede ser una baterfa cilfndrica comun. Para aumentar un area de reaccion de la baterfa, el catodo y el anodo (l00A) y (100B) que utilizan estructuras de electrodo tal como se describen anteriormente pueden estar apilados alternamente como una estructura de rollo empaquetada dentro de 15 una carcasa (800). Las pestanas (150A) y (150B) pueden combinarse respectivamente con primeras porciones de extremo de estructuras de electrodo (100A) y (100B). La pluralidad de pestanas (150A) y (150B) pueden estar dispuestas repetidamente a un intervalo constante para minimizar la resistencia.
Cada una de las estructuras de electrodo (100A) y (100B) incluye colectores de corriente (10a) y (10b) que 20 corresponden a las polaridades adecuadas tal como se describe anteriormente y capas de electrodo activo (15a) y (15b) que incluyen capas de material activo electrico que tienen las polaridades correspondientes y capas de red conductora porosa. Las capas de electrodo activo (15a) y (15b) pueden estar apiladas sobre dos superficies principales opuestas del colector de corriente (10), respectivamente. Para el aislamiento entre el catodo y el anodo
(IOOA) y (100B), puede estar dispuesto un separador (500) entre el catodo y el anodo (100A) y (100B).
25
El separador (500) puede ser una pelfcula porosa fina basada en polfmero, una tela, un fieltro, una ceramica, una pelfcula de electrolito de polfmero solido intrfnseco, una pelfcula de electrolito de polfmero solido en gel, o una combinacion de los mismos, por ejemplo. La pelfcula de electrolito de polfmero solido intrfnseco puede incluir un material de polfmero lineal o un material de polfmero enlazado por puentes. La pelfcula de electrolito de polfmero 30 solido en gel puede ser un polfmero que contiene un plastificante que incluye una sal, un polfmero que contiene relleno, un polfmero puro, o una combinacion de los mismos. Por ejemplo, la capa de electrolito solido puede incluir una matriz de polfmero formada de polietileno, polipropileno, poliimida, polisulfona, poliuretano, cloruro de polivinilo, poliestireno, oxido de polietileno, oxido de polipropileno, polibutadieno, celulosa, carboximetilcelulosa, nailon, poliacrilonitrilo, fluoruro de polivinilideno, politetrafluoroetileno, copolfmero de fluoruro de vinilideno y 35 hexafluoropropileno, copolfmero de fluoruro de vinilideno y trifluoroetileno, copolfmero de fluoruro de vinilideno y tetrafluoroetileno, polimetacrilato, polietilacrilato, polimetilmetacrilato, polietilmetacrilato, polibutilacrilato, polibutilmetacrilato, acetato de polivinilo, alcohol de polivinilo, o una combinacion de los mismos, un aglutinante, y un lfquido electrolito. Los materiales senalados anteriormente con respecto al separador (500) son simplemente ejemplos, y un material para formar el separador (500) puede ser un material que sea facilmente deformable, tenga 40 excelente robustez mecanica, no se desgarre o rompa debido a deformacion de las estructuras de electrodo (100A) y (100B), y presente aislamiento de electrones arbitraria y apropiada y excelente conduccion de iones.
El separador (500) puede ser una capa individual o una capa multiple, donde la capa multiple puede ser una estructura apilada de capas individuales iguales o una estructura apilada de capas individuales formadas de 45 materiales diferentes. Por ejemplo, la estructura apilada puede tener una estructura que incluye una capa de recubrimiento ceramico sobre una superficie de una pelfcula de electrolito de polfmero, tal como poliolefina. El grosor del separador (500) es de aproximadamente 10 ym a aproximadamente 300 ym considerando la durabilidad, la funcion de apagado, y la seguridad de una baterfa, puede ser p refe rente me nte de aproximadamente 10 ym a aproximadamente 40 ym, y puede ser mas preferentemente de aproximadamente 10 ym a aproximadamente 25 ym. 50
La baterfa (1000) esta conectada electricamente a terminales de electrodo externos (600) y (700) por medio de las pestanas (150A) y (150B) combinadas respectivamente con las estructuras de electrodo (100A) y (100B). Dentro de la carcasa (800), un electrolito acuoso adecuado que contiene una sal, tal como hidroxido de potasio (KOH), bromuro de potasio (KBr), cloruro de potasio (KCl), cloruro de cinc (ZnCh), o acido sulfurico (H2SO4) o un electrolito 55 no acuoso que contiene una sal de litio (por ejemplo, LiClO4 or LiPF6), tal como carbonato de etileno, carbonato de propileno, carbonato de dimetilo, o carbonato de dietilo, es absorbido por las estructuras de electrodo (100A) y
(IOOB) y/o el separador (500), completando asf la baterfa (1000). Aunque no se muestra, ademas puede adherirse un sistema de gestion de baterfa adecuado para controlar la estabilidad y/o las caracterfsticas de suministro de energfa durante la utilizacion de la baterfa (1000).
El conjunto de electrodo expuesto anteriormente puede ser no solo una baterfa cilfndrica tal como se describe anteriormente, sino que tambien puede tener cualquiera de diversos volumenes para controlar la capacidad de una baterfa. Asimismo, de acuerdo con una realizacion de la presente invencion, basandose en la facilidad de formacion de una red conductora porosa, una baterfa que tiene diversas formas aparte de la forma cilfndrica tal como se 5 describe anteriormente puede proporcionarse por medio de una deformacion tridimensional de un conjunto de electrodo, tal como apilamiento, flexion o enrollamiento.
Asimismo, una baterfa de acuerdo con una realizacion de la presente invencion puede aplicarse como una baterfa de pequeno tamano para ser adherida a una prenda de vestir o una bolsa o integrarse con una tela de una prenda 10 de vestir o una bolsa. Alternativamente, una baterfa de acuerdo con una realizacion de la presente invencion puede presentar una elevada capacidad y/o una elevada potencia de salida y puede aplicarse como una baterfa de mediano tamano o gran tamano para una fuente de energfa de un automovil o almacenamiento de energfa.
La FIG. 7 es un grafico que muestra un procedimiento de carga que incluye una pluralidad de fases de carga de 15 acuerdo con una realizacion de la presente invencion.
Haciendo referencia a la FIG. 7, una baterfa puede cargarse en 4 fases, por ejemplo. La baterfa utilizada en este documento es una semibaterfa que incluye una estructura de conjunto de electrodo de acuerdo con una realizacion de la presente invencion tal como se muestra en la FIG. 1.
20
En una primera fase P1, la baterfa se carga a tasa C de 60, donde el 35 % de la capacidad nominal de la baterfa se carga en 1 minuto. A continuacion, en la siguiente fase P2, cuando la baterfa se carga durante 1 minuto 30 segundos a tasa C de 20, se carga el 65 % de la capacidad nominal de la baterfa. En la siguiente fase P3, cuando la baterfa se carga durante 3 minutos a tasa C de 5, se carga el 85 % de la capacidad nominal de la baterfa. En la fase 25 final P4, la baterfa se carga durante 7 minutos a tasa C de 1, y se carga el 97 % (cerca del 100 %) de la capacidad nominal de la baterfa.
De acuerdo con la presente realizacion, el 97 % de la capacidad nominal de la baterfa puede cargarse en 12 minutos y 30 segundos en total, y de este modo puede reducirse el tiempo de carga total. Aunque la carga se realiza en 4 30 fases en la realizacion expuesta anteriormente, es simplemente un ejemplo, y la presente invencion no se limita a la misma. Por ejemplo, la carga puede realizarse en 2 fases, 3 fases, o 5 o mas fases mientras que se reducen gradualmente las tasas C. Asimismo, las tasas C en las fases de carga de alta velocidad pueden ser valores arbitrarios menores o iguales que tasa C de 100, mientras que la tasa C en la fase de carga lenta final puede ser un valor arbitrario igual o mayor que tasa C de 0,1.
35
Tal como se describe anteriormente, cargando la capacidad restante de una baterfa por medio de una pluralidad de fases mientras que se reduce la tasa C, la baterfa puede cargarse a un nivel cercano a la capacidad nominal de la baterfa en un tiempo de carga reducido. El procedimiento de carga puede lograrse por medio de software, hardware, o una combinacion de los mismos y puede incorporarse mediante el sistema de gestion de baterfa expuesto 40 anteriormente.
Aunque la realizacion expuesta anteriormente se ofrece en relacion con un procedimiento de carga, la misma realizacion puede aplicarse a un procedimiento de descarga. En otras palabras, una baterfa puede descargarse en una pluralidad de fases. Por ejemplo, la baterfa puede descargarse a una tasa C elevada en la fase de descarga 45 inicial, y luego la baterfa puede descargarse mientras que se reduce gradualmente la tasa C. Descargando una baterfa tal como se describe anteriormente, puede obtenerse una gran energfa de la baterfa en un corto periodo de tiempo.
Las caracterfsticas de carga/descarga expuestas anteriormente pueden incorporar un sistema de gestion de energfa 50 eficiente conjuntamente con un sistema de rejilla inteligente. Por ejemplo, la energfa puede almacenarse y descargarse desde una sola baterfa independientemente de las caracterfsticas de carga de diversas fuentes de energfa, tales como energfa nuclear, energfa solar, y energfa hidroelectrica, y diversos consumidores de energfa, tales como instalaciones y hogares.
55 De acuerdo con una realizacion de la presente invencion, puesto que una capa de material activo electrico esta dispuesta entre un colector de corriente y una capa de red conductora, pueden mejorarse las velocidades y la eficiencia para cargar/descargar la capa de material activo electrico. Asimismo, puesto que la capa de red conductora porosa puede deformarse facilmente, puede reducirse la fatiga en una baterfa debida al cambio de volumen de la capa de material activo electrico durante el funcionamiento de la baterfa, y de este modo puede 60 proporcionarse un conjunto de electrodo capaz de reducir o eliminar la irreversibilidad debida a los ciclos de
carga/descarga.
Asimismo, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, un conjunto de electrodo que tiene las ventajas expuestas anteriormente puede fabricarse simplemente por medio de una operacion de apilamiento, tal como 5 laminacion o recubrimiento, y una operacion de presion, y de este modo puede proporcionarse un procedimiento de fabricacion de un conjunto de electrodo con productividad mejorada utilizando equipo simplificado.
Asimismo, de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion, cargando la capacidad restante por medio de una pluralidad de fases mientras que se reduce la tasa C de carga o descargando la capacidad restante por medio 10 de una pluralidad de fases mientras que se reduce la tasa C de descarga, una baterfa puede cargarse muy cerca de su capacidad nominal o descargarse en un tiempo de carga/descarga reducido. El procedimiento de carga puede lograrse por medio de software, hardware, o una combinacion de los mismos y puede incorporarse mediante el sistema de gestion de baterfa expuesto anteriormente.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un conjunto de electrodo (100) que comprende:
    5 un colector de corriente (10); y
    una primera capa de material activo electrico (20) apilada sobre el colector de corriente; y:
    una primera capa de red conductora porosa (30) apilada como una capa superior expuesta sobre una superficie principal de la primera capa de material activo electrico opuesta a una superficie principal de la primera capa de material activo electrico que entra en contacto con el colector de corriente y parcialmente oprimida dentro de la 10 primera capa de material activo electrico, caracterizado porque la primera capa de red conductora porosa incluye una estructura similar al fieltro constituida por una pluralidad de fibras largas metalicas segmentadas, y la pluralidad de fibras largas metalicas tienen grosores de 1 pm a 10 pm, donde la estructura similar al fieltro incluye una capa de red conductora porosa de alta densidad (30A) formada sobre una superficie de la capa de material activo electrico y una capa de red conductora porosa de baja densidad (30B) oprimida dentro de la primera capa de material activo 15 electrico.
  2. 2. El conjunto de electrodo de acuerdo con la reivindicacion 1, donde el colector de corriente (10)
    comprende una hoja metalica, una malla metalica, o una combinacion de las mismas.
    20 3. El conjunto de electrodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la
    pluralidad de fibras largas metalicas tienen una longitud media de 10 pm a 100 mm.
  3. 4. El conjunto de electrodo (200) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas una capa de red conductora porosa de base (40) apilada entre el colector de corriente (10) y la
    25 primera capa de material activo electrico (20), y al menos oprimida parcialmente dentro de la primera capa de material activo electrico.
  4. 5. El conjunto de electrodo (300) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas una segunda capa de material activo electrico (50) apilada sobre una superficie principal de la
    30 primera capa de red conductora porosa (30) opuesta a una superficie principal de la primera capa de red conductora porosa (30) en contacto con la primera capa de material activo electrico (20).
  5. 6. El conjunto de electrodo de acuerdo con la reivindicacion 5, que comprende ademas una segunda capa de red conductora porosa (60) apilada sobre una superficie principal de la segunda capa de material activo
    35 electrico (50) opuesta a una superficie principal de la segunda capa de material activo electrico (50) en contacto con la primera capa de red conductora porosa (30), y donde la segunda capa de red conductora porosa comprende opcionalmente una espuma metalica, fibras de carbono, una capa de fibras largas metalicas, y una combinacion de las mismas, y donde la capa de fibras largas metalicas tiene opcionalmente una estructura similar al fieltro.
    40 7. El conjunto de electrodo de acuerdo con la reivindicacion 1, donde el grosor de la primera capa de red
    conductora porosa (30) es de aproximadamente 0,5 pm a aproximadamente 100 pm.
  6. 8. Un procedimiento de fabricacion de un conjunto de electrodo, comprendiendo el procedimiento:
    45 proporcionar un colector de corriente (10);
    proporcionar una primera capa de lechada (20L) que contiene un material activo electrico sobre el colector de corriente;
    proporcionar una primera capa de red conductora porosa (30L) sobre la primera capa de lechada (20L); secar la primera capa de lechada (20L) que tiene provista sobre la misma la primera capa de red conductora porosa 50 (30L); y:
    presionar la primera capa de red conductora porosa (30L) para oprimir al menos una porcion de la primera capa de
    red conductora porosa (30L) dentro de la primera capa de lechada (20L) caracterizado porque la primera capa de
    red conductora porosa (30L) dispuesta sobre la superficie superior de la primera capa de lechada (20L) incluye una estructura similar al fieltro constituida por una pluralidad de fibras largas metalicas segmentadas, y la pluralidad de 55 fibras largas metalicas tienen grosores de 1 pm a 10 pm, donde la estructura similar al fieltro incluye una capa de red conductora porosa de alta densidad (30A) formada sobre una superficie de la primera capa de lechada, y una capa de red conductora porosa de baja densidad (30B) oprimida dentro de la primera capa de lechada.
  7. 9. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 8, que comprende ademas proporcionar una capa 60 de red conductora porosa de base (40, 40L) sobre el colector de corriente (10) antes de que se proporcione la
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    primera capa de lechada (20L).
  8. 10. El procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 8-9, que comprende ademas:
    aplicar una segunda capa de lechada (50) que contiene un material activo electrico sobre la primera capa de red
    conductora porosa (30L) antes de que se seque la primera capa de lechada; y
    secar la segunda capa de lechada al mismo tiempo que se seca la primera capa de lechada,
    donde, en la presion de la primera capa de red conductora porosa (30L), al menos otra porcion de la primera capa de red conductora porosa es oprimida dentro de la segunda capa de lechada, y opcionalmente el procedimiento comprende ademas proporcionar una segunda capa de red conductora porosa (60) sobre la segunda capa de lechada (50) antes del secado de la segunda capa de lechada al mismo tiempo que se seca la primera capa de lechada,
    donde al menos una porcion de la segunda capa de red conductora porosa (60) es oprimida dentro de la segunda capa de lechada (50).
  9. 11. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 10, que comprende ademas:
    despues de la presion de la primera capa de red conductora porosa (30L) para oprimir al menos una porcion de la primera capa de red conductora porosa (30L) dentro de la primera capa de lechada (20L), proporcionar la segunda capa de lechada (50) sobre la primera capa de red conductora porosa (30L);
    proporcionar la segunda capa de red conductora porosa (60) sobre la segunda capa de lechada (50); secar la segunda capa de lechada (50); y
    presionar la segunda capa de red conductora porosa (60) para oprimir al menos una porcion de la segunda capa de red conductora porosa (60) dentro de la segunda capa de lechada (50).
  10. 12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 8, donde el colector de corriente (10) comprende una hoja metalica, una malla metalica, o una combinacion de las mismas.
  11. 13. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 8, donde
    la pluralidad de fibras largas metalicas tienen longitudes de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 100 mm.
  12. 14. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 8, donde la primera capa de red conductora porosa (30L) se proporciona cuando se aplica un campo electrico o un campo magnetico a la primera capa de lechada (20L).
  13. 15. Un procedimiento de carga o descarga de una baterfa, comprendiendo el procedimiento:
    cargar una porcion de la capacidad nominal de la baterfa a una primera tasa C de carga; y
    cargar una porcion restante de la baterfa a una segunda tasa C de carga inferior a la primera tasa C de carga; o
    descargar una porcion de la capacidad nominal de la baterfa a una primera tasa C de descarga; y
    descargar una porcion restante de la baterfa a una segunda tasa C de descarga inferior a la primera tasa C de
    descarga,
    donde la baterfa comprende el conjunto de electrodo de acuerdo con la reivindicacion 1.
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