ES2885999T3 - Método para producir nanotubos de carbono cargados de azufre y cátodos para baterías de ion litio - Google Patents

Método para producir nanotubos de carbono cargados de azufre y cátodos para baterías de ion litio Download PDF

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Abstract

Método para producir nanotubos de carbono cargados de azufre, que comprende: disolver partículas de azufre sublimado en un disolvente inicial para crear una disolución; añadir nanotubos de carbono a la disolución, presentando cada nanotubo de carbono una pared exterior, en el que el azufre sublimado es de aproximadamente 50 a 98 por ciento de la mezcla de azufre-nanotubo combinada final en peso; añadir un disolvente prótico polar a la disolución mediante gotas a una velocidad controlada para crear partículas de azufre; y retirar el disolvente inicial de la disolución por evaporación, en el que por lo menos una primera porción de las partículas de azufre llena la pluralidad de nanotubos de carbono por acción nanocapilar; y por lo menos una segunda porción de las partículas de azufre presenta un enlace pi con las paredes exteriores de los nanotubos de carbono.

Description

DESCRIPCIÓN
Método para producir nanotubos de carbono cargados de azufre y cátodos para baterías de ion litio
Campo técnico
La presente divulgación se refiere en general a baterías de ion litio, y más específicamente a nanotubos de carbono cargados de azufre y cátodos para su utilización en celdas de litio-azufre.
Antecedentes
Se ha demostrado que las baterías de ion litio ofrecen una mayor densidad de energía y potencia, un intervalo más amplio de temperaturas de funcionamiento y un ciclo y una vida útil excelentes cuando se comparan con otras composiciones químicas de batería. La demanda continua de diversos dispositivos electrónicos portátiles, tales como herramientas eléctricas manuales y motorizadas, así como aplicaciones de alta potencia de transporte basado en electricidad, continúa dirigiendo la investigación para centrarse en materiales de menor coste sin comprometer la fiabilidad y la vida útil de las baterías de ion litio.
El documento US2012264017 describe métodos de obtención de un elemento de cátodo para una celda electroquímica. El método incluye limpiar una superficie exterior de los nanotubos de carbono e incorporar los nanotubos de carbono en un elemento de cátodo. El documento US2013164626 describe un material compuesto de azufre-nanotubos de carbono que comprende una hoja de nanotubos de carbono y azufre nucleado sobre los nanotubos de carbono, y métodos para sintetizar los mismos. El documento US2013171355 describe un método para obtener un material compuesto de azufre-grafeno. El documento US2013130116 describe un electrodo de metal-azufre para una batería de litio-azufre y un método para preparar la misma. MA XIN ZHOU et al “Multiwalled carbon nanotubes-sulfur composites with enhanced electrochemical performance for lithium/sulfur batteries” APPLIED SURFACE SCIENCE, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, (20140418), vol. 307, doi: 10.1016/J.APSUSC.2014.04.036, ISSN 0169-4332, páginas 346 - 350, XP029026203 [X] 7-10 * “Experimental”, “3.1 Caracterización de los productos”; figuras 1, 4 * describen cómo se sintetizaron materiales compuestos de nanotubos de carbono y azufre de múltiples paredes (MWCNT-S) mediante la activación química de los MWCNT y la capilaridad entre el azufre y los MWCNT.
La información incluida en esta sección de Antecedentes de la memoria descriptiva, incluyendo cualquier referencia citada en la presente memoria y cualquier descripción o discusión de la misma, se incluye sólo con fines de referencia técnica y no debe considerarse el contenido por el que debe estar vinculado el alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones.
Sumario
Según una forma de realización, se describe un método para obtener nanotubos de carbono cargados de azufre según la reivindicación 1. El método comprende disolver azufre sublimado en un disolvente para crear una disolución. El método comprende además añadir nanotubos de carbono a la disolución. El azufre sublimado es aproximadamente del 50 al 98 por ciento de la mezcla combinada final de azufre-nanotubos en peso. El método comprende además añadir un disolvente prótico polar a la disolución. El método comprende además retirar el disolvente de la disolución por evaporación. Por lo menos una primera porción de las partículas de azufre llena la pluralidad de nanotubos de carbono por acción nanocapilar, y por lo menos una segunda porción de las partículas de azufre presenta un enlace pi (“pi-bonded”) con las paredes exteriores de los nanotubos de carbono.
Según otra forma de realización, se da a conocer un nanotubo de carbono cargado de azufre según la reivindicación 6. El nanotubo de carbono cargado de azufre comprende un nanotubo de carbono que presenta una pared exterior, una primera pluralidad de partículas de azufre contenidas dentro del nanotubo de carbono, y una segunda pluralidad de partículas de azufre unidas a la pared exterior del nanotubo de carbono.
Según todavía otra forma de realización, se describe un cátodo para su utilización en una batería de litio-azufre según la reivindicación 9. El cátodo incluye un electrodo y una película de nanotubos de carbono cargados de azufre según las reivindicaciones 6 a 8. La pluralidad de nanotubos de carbono cargados de azufre forma la película de nanotubos de carbono cargados de azufre unidos al electrodo mediante un agente de unión.
Este Sumario se proporciona para introducir una selección de conceptos de forma simplificada que se describen adicionalmente a continuación en la Descripción detallada. Este Sumario no pretende identificar características clave o características esenciales del contenido reivindicado, ni pretende que se utilice para limitar el alcance del contenido reivindicado. Una presentación más extensa de características, detalles, utilidades y ventajas de la presente invención tal como se define en las reivindicaciones se proporciona en la siguiente descripción escrita de diversas formas de realización e implementaciones y se ilustra en los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de flujo que representa las etapas operativas para producir nanotubos de carbono cargados de azufre.
La figura 2 es un diagrama de flujo que representa las etapas operativas para producir un cátodo de nanotubos de carbono cargados de azufre para su utilización en una batería de ion litio.
La figura 3 es una vista ampliada de nanotubos de carbono cargados de azufre en un cátodo según la forma de realización de la figura 2.
La figura 4 es una vista ampliada de un nanotubo de carbono cargado de azufre según la forma de realización de la figura 3.
La figura 5 es un diagrama esquemático de una media celda que incorpora un cátodo de nanotubos de carbono cargados de azufre.
La figura 6 es un diagrama de flujo de un procedimiento para fabricar una media celda que incorpora un cátodo de nanotubos de carbono cargados de azufre.
La figura 7 es un diagrama esquemático de una celda de batería que incorpora un cátodo de nanotubos de carbono cargados de azufre y un ánodo de nanocristales de germanio intercalados con litio de alta capacidad de energía.
La figura 8 es un diagrama de flujo de un procedimiento para fabricar una celda de batería que incorpora un cátodo de nanotubos de carbono cargados de azufre y un ánodo de nanocristales de germanio intercalados con litio de alta capacidad de energía.
Descripción detallada
Las baterías de ion litio de alta potencia y densidad de energía son deseables para dispositivos electrónicos portátiles, vehículos eléctricos y almacenamiento de potencia máxima para aumentar la vida útil, el alcance y la capacidad. Se buscan mejoras en los cátodos y ánodos de ion litio para aumentar la capacidad de almacenamiento y el número de ciclos de recarga antes de la avería estructural.
Cátodo de nanotubos de carbono cargados de azufre
La celda de litio-azufre (Li-S) se ha convertido en una opción atractiva para la arquitectura de cátodos debido a la alta densidad de energía específica teórica de aproximadamente 2600 Wh/kg (1672 mAh/g), suponiendo una reacción completa para el Li2S. Adicionalmente, el avance de la ciclabilidad del almacenamiento de energía de litio-azufre (Li-S) (es decir, el número de veces que puede recargarse una batería antes de caer por debajo del 80% de su capacidad inicial) presenta el potencial de mejorar sustancialmente la tecnología de baterías debido a una alta densidad de energía teórica (1672 mA h-g'1) de la arquitectura de Li-S para su utilización en baterías de ion litio. Además de la alta capacidad, la utilización de azufre como material de cátodo presenta las ventajas de una alta abundancia natural y un bajo coste, además de ser ecológico. En las arquitecturas de Li-S tradicionales, la baja ciclabilidad impide que la tecnología sea un producto comercialmente viable. Los avances recientes en tecnologías de materiales y aplicaciones con respecto a vehículos eléctricos han despertado un nuevo interés en los sistemas de Li-S.
Los sistemas tradicionales de baterías de Li-S presentan varios inconvenientes. En primer lugar, el azufre elemental presenta poca conductividad eléctrica (5.0 e_14 S*cm_1). En segundo lugar, los polisulfuros (Li2Sn) pueden ramificarse en la disolución de electrolito entre el ánodo y el cátodo durante los ciclos. Si los polisulfuros atraviesan el separador entre el ánodo y el cátodo y reaccionan con el electrodo negativo de litio, la cantidad de azufre activo en el cátodo se reduce y posteriormente disminuye la eficacia de realización de ciclos con cada ciclo. En última instancia, la reducción de azufre puede provocar un cortocircuito de la batería. La reducción continua de los polisulfuros Li2Sn por los ánodos de Li impiden que la reacción redox vuelva a azufre elemental en el lado del cátodo con la carga. Este proceso cíclico se conoce como el fenómeno “ lanzadera” de los sistemas de azufre de Li-S y conduce a una capacidad limitada mucho menor que el valor teórico de los electrodos de azufre. En tercer lugar, la producción de cátodos de Li-S puede dar como resultado subproductos inutilizables que aumentan los residuos.
Las formas de realización descritas en la presente memoria proporcionan métodos para crear nanotubos de carbono cargados de azufre, que pueden utilizarse en cátodos de baterías de Li-S. Tal como se describe con detalle adicional a continuación, la encapsulación de azufre sublimado en nanotubos de carbono puede compensar la poca conductividad eléctrica del azufre sin sacrificar la capacidad aumentada de los cátodos de azufre. Adicionalmente, los nanotubos de carbono permiten que se formen polisulfuros, proporcionando una trayectoria de difusión para iones litio, al tiempo que se reduce la capacidad de los polisulfuros para ramificarse en la disolución de electrolito hacia el ánodo y el cortocircuito de la batería. Las formas de realización descritas en la presente memoria permiten, entre otras cosas, métodos de bajo coste, alto rendimiento y escalables para producir cátodos de nanotubos de carbono cargados de azufre para su utilización en baterías de Li-S.
Haciendo referencia a continuación a las figuras, la figura 1 es un método, designado en general con 100, que representa las etapas operativas para producir nanotubos de carbono cargados de azufre. En la operación 102, se disuelve azufre en un disolvente. En diversas formas de realización, el azufre puede ser azufre elemental sublimado. El disolvente puede ser cualquier disolvente adecuado. En una forma de realización, el disolvente es disulfuro de carbono (CS2). En diversas formas de realización, la cantidad de azufre puede determinarse basándose en la cantidad de disolvente y la cantidad de nanotubos de carbono cargados de azufre deseados. Por ejemplo, el azufre puede ser aproximadamente el 50% en peso-98% en peso de la mezcla combinada de azufrenanotubos. En determinadas formas de realización, puede añadirse un gramo de azufre sublimado por cada cinco ml de CS2. Los expertos en la materia apreciarán que son posibles diferentes combinaciones siempre que el azufre se disuelva completamente en el disolvente. El azufre y el disolvente pueden agitarse, sonicarse y/o calentarse para aumentar la solubilidad del azufre en el disolvente y/o garantizar una dispersión uniforme del azufre en la disolución. En determinadas formas de realización, la disolución puede calentarse hasta 32°-33°C mientras se agita.
En la operación 104, se añaden nanotubos de carbono a la disolución de azufre. La cantidad de nanotubos de carbono puede depender de la composición final deseada de los nanotubos de carbono cargados de azufre. En diversas formas de realización, la cantidad de nanotubos puede ser aproximadamente del 2% en peso-50% en peso de la mezcla combinada de nanotubos de azufre. En diversas formas de realización, los nanotubos de carbono pueden ser cualquiera de nanotubos de pared única, pared soluble y/o múltiples paredes. En algunas formas de realización, los nanotubos presentan menos de 10 nm de diámetro. En algunas formas de realización, los nanotubos presentan menos de 5 pm de longitud. En otras formas de realización, los nanotubos presentan menos de 3 pm de longitud. En diversas formas de realización, la reducción de la longitud de los nanotubos puede reducir el agrupamiento de los nanotubos y proporcionar recubrimientos más uniformes cuando se aplican a un material de electrodo. El tipo de nanotubo de carbono puede seleccionarse basándose en las propiedades eléctricas deseadas del cátodo resultante. La mezcla que contiene azufre, disolvente y nanotubos puede sonicarse y/o agitar para dispersar uniformemente los nanotubos de carbono en la mezcla. Al disolver primero el azufre en el solvente, los nanotubos de carbono se llenan con azufre por acción nanocapilar. La acción capilar es la capacidad de un líquido para llenar un espacio estrecho sin (o en contravención de) las fuerzas externas que actúan sobre el líquido (por ejemplo, la gravedad). En los tubos de diámetro pequeño, tales como nanotubos de carbono, la acción capilar resulta de fuerzas intermoleculares dentro del líquido (por ejemplo, la tensión superficial) y fuerzas adhesivas entre el líquido y el nanotubo.
En la operación 106, se añade un disolvente prótico polar mientras se calienta la mezcla de azufres-nanotubos. En diversas formas de realización, el disolvente prótico polar puede ser metanol, alcohol isopropílico, etanol y agua destilada. En determinadas formas de realización, el disolvente prótico polar puede añadirse a una velocidad controlada (por ejemplo, gotas a una velocidad de 1 ml/min). La mezcla de azufre-nanotubos puede agitarse y/o calentarse mientras se añade el disolvente prótico polar. Por ejemplo, la mezcla puede calentarse hasta una temperatura de 33°-35°C. Variando la velocidad a la que se añade el disolvente prótico polar a la disolución, puede controlarse el tamaño de las partículas de azufre. Además, el disolvente prótico polar puede facilitar un enlace pi entre las partículas de azufre y los nanotubos de carbono, permitiendo que el azufre se una al exterior de los nanotubos además de llenar los nanotubos mediante la acción nanocapilar descrita anteriormente. Mediante la unión del azufre al exterior de los nanotubos de carbono, puede aumentarse la ciclabilidad y la capacidad de una batería de Li-S resultante.
En la operación 108, se retira el disolvente (es decir, el disolvente descrito anteriormente con respecto a la operación 102) para aislar el producto de azufre-nanotubos de carbono. El disolvente puede retirarse mediante cualquier medio que no dañe el producto de azufre-nanotubos de carbono. En determinadas formas de realización, la mezcla de azufre-nanotubos de carbono puede calentarse (por ejemplo, hasta 35°C) para evaporar una porción del disolvente hasta que quede una mezcla húmeda. La mezcla húmeda restante puede extenderse sobre una bandeja para que se seque al aire y permitir que se evapore cualquier solvente restante. Un procedimiento de secado en dos etapas, tal como se describe en la presente memoria, puede ayudar al producto de azufrenanotubos de carbono resultante a mantener una forma particulada, lo que puede facilitar las etapas posteriores del procesamiento. En determinadas formas de realización, el producto de azufre-nanotubos de carbono resultante puede triturarse para dar partículas finas para facilitar las etapas de procesamiento posteriores. En diversas formas de realización, el disolvente evaporado puede capturarse y reutilizarse en procedimientos futuros, reduciendo de ese modo los subproductos inutilizables producidos en la fabricación de nanotubos cargados de azufre. La forma de realización de la figura 1 produce nanotubos cargados de azufre particulados con azufre que llena los nanotubos de carbono y se une al exterior de los nanotubos. La estructura de los nanotubos de carbono cargados de azufre resultantes se describe en detalle adicional a continuación con respecto a las figuras 3 y 4.
La figura 2 es un método, designado en general con 200, que representa las etapas operativas para producir un cátodo de nanotubos de carbono cargados de azufre para su utilización en una batería de ion litio. La forma de realización de la figura 2 proporciona un procedimiento mediante el cual pueden producirse cátodos de Li-S utilizando nanotubos de carbono cargados de azufre, tales como los descritos anteriormente con respecto a la figura 1.
En la operación 202, se prepara una suspensión con nanotubos de carbono cargados de azufre. La suspensión puede incluir, por ejemplo, un agente de unión, tal como poli(metacrilato de metilo-acrilonitrilo), un aditivo de carbono conductor y un disolvente, tal como N-metilpirrolidinona. El agente de unión puede adherir los nanotubos de carbono cargados de azufre entre sí. El aditivo de carbono conductor puede aumentar la conductividad del cátodo resultante. El disolvente puede utilizarse para lograr una viscosidad deseable de la suspensión para facilitar la fabricación del producto y garantizar un recubrimiento uniforme de los nanotubos de carbono cargados de azufre en el cátodo.
En la operación 204, se recubre un electrodo de aluminio con la suspensión. En diversas formas de realización, el electrodo de aluminio puede ser una hoja de lámina de aluminio. El recubrimiento de suspensión puede presentar un grosor de aproximadamente 20-50 pm. El agente de unión descrito anteriormente con respecto a la operación 202 también puede actuar para unir la suspensión al electrodo de aluminio. El electrodo recubierto puede comprimirse opcionalmente utilizando una prensa de rodillo para lograr el grosor deseado del recubrimiento de suspensión. Los expertos en la materia apreciarán que variando el grosor de la suspensión y, por tanto, la capa de nanotubos de carbono cargados de azufre, pueden ajustarse las propiedades del cátodo resultante. Por ejemplo, aumentar el grosor de los nanotubos de carbono cargados de azufre puede aumentar la cantidad de litio que puede penetrar en el cátodo. En la operación 206, el disolvente (es decir, el disolvente añadido en la operación 202) se evapora del cátodo. El solvente puede evaporarse utilizando cualquier mecanismo apropiado. En una forma de realización, el electrodo de aluminio con recubrimiento de suspensión se coloca en un horno y se calienta hasta una temperatura de aproximadamente 60°C durante una cantidad de tiempo suficiente para evaporar sustancialmente todo el disolvente de la suspensión. En la operación 208, los cátodos pueden cortarse a la forma del electrodo de aluminio recubierto con nanotubos de carbono cargados de azufre. Por ejemplo, los cátodos pueden cortarse para darles forma para utilizarlos en celdas de tipo botón (monedas), celdas de bolsa, etc.
Los cátodos producidos según el método de la figura 2 pueden utilizarse en una batería de Li-S que presenta un ánodo de silicio y/o germanio y un electrolito para facilitar el transporte de litio. El electrolito puede incluir nitrato de litio (LiNO3, W-Dietil-W-metil-W-(2-metoxietil)amonio-bis(trifluorometanosulfonil)imida (DEMMOX), dimetil éter (DME) y 1,3-dioxolano (DOL). Por ejemplo, el electrolito puede incluir 0.25E-3 mol g-1 de UNO3 (LiNO3 = 68.95 g mol'1), 0.25E'3 mol g-1 de DEMMOX (DEMMOX = 466.4 g mol'1) y una mezcla 1:1 (en peso) de DME y DOL.
La figura 3 es un cátodo de nanotubos de carbono cargados de azufre, designados en general con 300, según la forma de realización de la figura 2. El cátodo 300 puede incluir una pluralidad de nanotubos de carbono cargados de azufre 302. En diversas formas de realización, los nanotubos de carbono cargados de azufre pueden recubrir un material de electrodo, tal como aluminio en una capa sustancialmente uniforme de entre aproximadamente 20­ 50 pm. Los nanotubos de carbono cargados de azufre proporcionan un cátodo con la densidad de energía de una batería de Li-S, mientras que contienen las partículas de azufre e impiden que los polisulfuros cubran el espacio entre el cátodo y el ánodo y cortocircuiten la batería.
La figura 4 representa el nanotubo de carbono cargado de azufre 302. El nanotubo de carbono cargado de azufre 302 incluye un nanotubo de carbono 402 y una pluralidad de partículas 404 de azufre unidas al exterior del nanotubo de carbono 402. En diversas formas de realización, el nanotubo de carbono 402 también puede estar lleno con partículas 404 de azufre. Tal como se expone anteriormente con respecto a la figura 1, el tamaño de las partículas de azufre puede controlarse basándose en la velocidad a la que se añade el disolvente prótico polar a la mezcla de azufre-nanotubo de carbono. En la forma de realización representada, las partículas de azufre presentan un diámetro de aproximadamente 30-35 nm, y el nanotubo de carbono 402 cargado con partículas de azufre internas presenta un diámetro de aproximadamente 45-50 nm. Los expertos en la materia apreciarán que son posibles otros tamaños de partículas 404 de azufre y nanotubos de carbono 402. En diversas formas de realización, el nanotubo de carbono 402 puede ser poroso (por ejemplo, el azufre en los nanotubos de carbono estira los enlaces de carbono creando “orificios” en los nanotubos de carbono), permitiendo la difusión del ion Li durante los ciclos de carga/descarga.
Haciendo referencia a continuación a las figuras 5 y 6, la figura 5 es una vista esquemática de un cátodo de media celda, designado en general con 500, para su utilización en una celda de tipo moneda. La figura 6 es un método, designado en general con 600 para ensamblar un cátodo de media celda según el ejemplo de la figura 5. El cátodo de media celda puede incluir una base de celda 502, un cátodo 504 de nanotubos de carbono cargados de azufre, uno o más separadores 506a/b, lámina 508 de litio, uno o más espaciadores 510a/b, un dispositivo de desplazamiento 512 y una cubierta de celda 514.
En la etapa 602, se proporciona un electrolito 516a a la base de celda 502. El electrolito puede ser, por ejemplo, 0.25E-3 mol g-1 de LiNOa (LiNOa = 68.95 g mol’1), 0.25E’3 mol g-1 de DEMMOX (DEMMOX = 466.4 g mol’1), y una mezcla 1:1 (en peso) de DME y DOL. En un ejemplo, se proporcionan 25 pL del electrolito 516a al centro de la base de celda 502. En la etapa 604, el cátodo 504 de nanotubos de carbono cargados de azufre se coloca en el electrolito 516a. El cátodo puede colocarse con el contacto de aluminio del cátodo 504 hacia la base de celda 502 y el lado recubierto con nanotubos de carbono cargados de azufre alejado de la base de celda 502. En la etapa 606, se proporciona electrolito 516b adicional encima del lado de nanotubos de carbono cargados de azufre del cátodo 504. En un ejemplo, se proporcionan 25 pl de electrolito 516b encima del cátodo 504.
En la etapa 608, se coloca un primer separador 506a encima de la disolución de electrolito y el cátodo 504. El primer separador 506a puede presentar un diámetro acorde con el diámetro del cátodo 504. El primer separador 506a puede ser un separador de polipropileno de 19 mm. En la etapa 610, se proporciona electrolito 516c adicional encima del primer separador 506a. En un ejemplo, se proporcionan 25 pl de electrolito 516c encima del primer separador 506a. En la etapa 612, se coloca un segundo separador 506b encima de la disolución de electrolito 516c y el primer separador 506a. El segundo separador 506b puede presentar un diámetro acorde con el diámetro del primer separador 506a. El segundo separador 506b puede ser un separador de polipropileno de 19 mm. En la etapa 614, se proporciona electrolito 516d adicional encima del segundo separador 506b. En un ejemplo, se proporcionan 25 pl de electrolito 516d encima del segundo separador 506b.
En la etapa 616, un disco de lámina 508 de litio, que es por lo menos tan grande como el diámetro del cátodo, se centra y se coloca sobre el electrolito 516d en el segundo separador 506b. El disco de lámina 508 de litio puede cubrir completamente el cátodo 504. En la etapa 618, el uno o más espaciadores 510a/b se colocan encima de la lámina 508 de litio. Los espaciadores 510a/b pueden ser espaciadores de acero inoxidable. Pueden colocarse dos espaciadores 510a/b sobre la lámina 508 de litio. En la etapa 620, el dispositivo de desplazamiento 512 se coloca encima de los espaciadores 510a/b. El dispositivo de desplazamiento 512 puede ser una arandela de resorte. Alternativamente, el dispositivo de desplazamiento 512 puede ser cualquier otro tipo de dispositivo de desplazamiento que no interfiera con las propiedades eléctricas del cátodo de media celda 500. En la etapa 622, la cubierta de celda 514 se coloca sobre la base de celda 502 para encerrar el contenido del cátodo de media celda 500. Encerrar el cátodo de media celda 500 puede provocar la fuga del electrolito cátodo de media celda 500. Puede retirarse cualquier cantidad de electrolito del exterior del cátodo de media celda 500. En la etapa 624, la cubierta de celda 514 y la base de celda 502 se sellan entre sí para crear un cátodo de media celda 500 completo. El cátodo de media celda 500 puede utilizarse para obtener una celda de tipo moneda completa tal como se describe en detalle adicional a continuación con respecto a las figuras 7 y 8.
Ejemplo 1: Batería de celda de tipo moneda completa con ánodo de Li-SiGeNC y cátodo de S-nanotubos de C
La figura 7 es una vista esquemática de una celda de tipo moneda completa, designada en general con 1500. La figura 8 es un método, designado en general con 1600, para ensamblar una celda de tipo moneda completa según el ejemplo de la figura 7. La celda de tipo moneda completa puede incluir una base de celda 1502, un cátodo de media celda 1504, uno o más separadores 1506a/b, un ánodo 1508 de media celda, uno o más espaciadores 1510a/b, un dispositivo de desplazamiento 1512 y una cubierta de celda 1514.
En la etapa 1602, se proporciona un electrolito 1516a en la base de celda 1502. El electrolito 1516a puede ser, por ejemplo, 0.25E-3 mol g-1 de LiNOa (LiNOa = 68.95 g mol-1), 0.25E-3 mol g-1 de DEMMOX (DEMMOX = 466.4 gm ol-1), y una mezcla 1:1 (en peso) de DME y DOL. En un ejemplo, se proporcionan 25 pl del electrolito 1516a al centro de la base de celda 1502. En la etapa 1604, el cátodo de media celda 1504 se coloca en el electrolito 1516a. El cátodo de media celda 1504 incluye un cátodo de nanotubos de carbono cargados de azufre tal como se describió anteriormente con respecto a las figuras 1-6. El cátodo 1504 se coloca con el contacto de aluminio del cátodo 1504 hacia la base de celda 1502 y el lado recubierto con nanotubos de carbono cargados de azufre alejado de la base de celda 1502. En la etapa 1606, se proporciona electrolito 1516b adicional encima del cátodo de media celda 1504. En un ejemplo, se proporciona 25 pl del electrolito 1516b encima del cátodo de media celda 1504.
En la etapa 1608, un primer separador 1506a se coloca encima de la disolución de electrolito y el cátodo 1504. El primer separador 1506a puede presentar un diámetro acorde con el diámetro del cátodo 1504. El primer separador 1506a puede ser un separador de polipropileno de 19 mm. En la etapa 1610, se proporciona electrolito 1516c adicional encima del primer separador 1506a. En un ejemplo, se proporcionan 25 pl del electrolito 1516c encima del primer separador 1506a. En la etapa 1612, se coloca un segundo separador 1506b encima de la disolución de electrolito 1516c y el primer separador 1506a. El segundo separador 1506b puede presentar un diámetro acorde con el diámetro del primer separador 1506a. El segundo separador 1506b puede ser un separador de polipropileno de 19 mm. En la etapa 1614, se proporciona electrolito 1516d adicional encima del segundo separador 1506b. En un ejemplo, se proporcionan 25 pl del electrolito 1516d encima del segundo separador 1506b.
En la etapa 1616, un ánodo 1508 de media celda, que es por lo menos tan grande como el diámetro del cátodo, se centra y se coloca sobre el electrolito 1516d en el segundo separador 1506b. El ánodo 1508 de media celda puede cubrir completamente el cátodo 1504. El ánodo 1508 de media celda puede producirse tal como se describió anteriormente con respecto a las figuras 12 y 13. En la etapa 1618, el uno o más espaciadores 1510a/b se colocan encima del ánodo 1508 de media celda. Los espaciadores 1510a/b pueden ser espaciadores de acero inoxidable.
Pueden colocarse dos espaciadores 1510a/b sobre el ánodo 1508 de media celda. En la etapa 1620, el dispositivo de desplazamiento 1512 se coloca encima de los espaciadores 1510a/b. El dispositivo de desplazamiento 1512 puede ser una arandela de resorte. Alternativamente, el dispositivo de desplazamiento 1512 puede ser cualquier otro tipo de dispositivo de desplazamiento que no interfiera con las propiedades eléctricas de la celda 1500 de tipo moneda completa. En la etapa 1622, la cubierta de celda 1514 se coloca sobre la base de celda 1502 para encerrar el contenido de la celda 1500 de tipo moneda completa. Encerrar la celda 1500 de tipo moneda completa puede provocar la fuga del electrolito de la celda 1500 de tipo moneda completa. Puede retirarse cualquier cantidad de electrolito del exterior de la celda 1500 de tipo moneda completa. En la etapa 1624, la cubierta de celda 1514 y la base de celda 1502 se sellan entre sí para crear una celda 1500 de tipo moneda completa.
Las formas de realización particulares dadas a conocer anteriormente son únicamente ilustrativas y pueden modificarse y ponerse en práctica de maneras diferentes pero equivalentes, evidentes a partir de las enseñanzas de la presente memoria. Además, no se pretenden limitaciones a los detalles de construcción o el diseño mostrados en la presente memoria, aparte de lo que se describe en las reivindicaciones a continuación. Por tanto, es evidente que las formas de realización ilustrativas particulares dadas a conocer anteriormente pueden alterarse, combinarse o modificarse y todas estas variaciones se consideran dentro del alcance de la presente invención. La invención dada a conocer de manera ilustrativa en la presente memoria puede ponerse en práctica de manera adecuada en ausencia de cualquier elemento que no se dé a conocer específicamente en la presente memoria y/o cualquier elemento opcional dado a conocer en la presente memoria. Todos los números e intervalos dados a conocer anteriormente pueden variar en cierta cantidad. Siempre que se da a conocer un intervalo numérico con un límite inferior y un límite superior, se da a conocer específicamente cualquier número y cualquier intervalo incluido que se encuentre dentro del intervalo. En particular, debe entenderse que cada intervalo de valores (de la forma, “desde aproximadamente a hasta aproximadamente b” o, de manera equivalente, “desde aproximadamente a hasta b” o, de manera equivalente, “desde aproximadamente a-b”) dado a conocer en la presente memoria expone todos los números e intervalos englobados dentro del intervalo de valores más amplio.
La memoria descriptiva, los ejemplos y los datos anteriores proporcionan una descripción completa de las estructuras, los métodos y la utilización de formas de realización a título de ejemplo de la invención tal como se define en las reivindicaciones.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Método para producir nanotubos de carbono cargados de azufre, que comprende:
disolver partículas de azufre sublimado en un disolvente inicial para crear una disolución;
añadir nanotubos de carbono a la disolución, presentando cada nanotubo de carbono una pared exterior, en el que el azufre sublimado es de aproximadamente 50 a 98 por ciento de la mezcla de azufre-nanotubo combinada final en peso;
añadir un disolvente prótico polar a la disolución mediante gotas a una velocidad controlada para crear partículas de azufre; y
retirar el disolvente inicial de la disolución por evaporación, en el que
por lo menos una primera porción de las partículas de azufre llena la pluralidad de nanotubos de carbono por acción nanocapilar; y
por lo menos una segunda porción de las partículas de azufre presenta un enlace pi con las paredes exteriores de los nanotubos de carbono.
2. Método según la reivindicación 1, en el que el disolvente inicial comprende disulfuro de carbono.
3. Método según la reivindicación 1, en el que disolver el azufre sublimado en el disolvente inicial comprende por lo menos uno de sonicar la disolución, agitar la disolución y calentar la disolución.
4. Método según la reivindicación 1, en el que retirar el disolvente inicial comprende evaporar una primera porción del disolvente inicial calentando la disolución; y retirar una segunda porción del disolvente inicial secando al aire la disolución.
5. Método según la reivindicación 1, en el que añadir los nanotubos de carbono comprende por lo menos uno de sonicar la disolución, agitar la disolución y calentar la disolución.
6. Nanotubo de carbono cargado de azufre que comprende
un nanotubo de carbono que presenta una pared exterior;
una primera pluralidad de partículas de azufre contenidas dentro del nanotubo de carbono; y una segunda pluralidad de partículas de azufre que presenta un enlace pi con la pared exterior del nanotubo de carbono.
7. Nanotubo de carbono cargado de azufre según la reivindicación 6, en el que el nanotubo de carbono es un nanotubo de carbono de doble pared.
8. Nanotubo de carbono cargado de azufre según la reivindicación 6, en el que el nanotubo de carbono presenta por lo menos uno de:
un diámetro de menos de 10 nm; o
una longitud entre 3 pm y 5 pm.
9. Cátodo para la utilización en una batería de litio-azufre, que comprende un electrodo; y
una pluralidad de nanotubos de carbono cargados de azufre según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que la pluralidad de nanotubos de carbono cargados de azufre forma una película de nanotubos de carbono cargados de azufre unidos al electrodo mediante un agente de unión.
10. Cátodo según la reivindicación 9, que comprende además un aditivo de carbono conductor intercalado en la película de nanotubos de carbono cargados de azufre.
11. Cátodo según la reivindicación 9, en el que el electrodo es aluminio.
12. Cátodo según la reivindicación 9, en el que la película es de un grosor de entre 20 pm y 50 pm.
13. Cátodo según la reivindicación 9, en el que el agente de unión es poli(metacrilato de metilo-acrilonitrilo).
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