Una batería recargable que comprende al menos un ánodo; al menos un cátodo,

estando cada uno de dichos cátodos dispuestos enfrente y separados de cada uno de dichos ánodos; dos capas de separadores/aglutinantes porosos diferentes entre cada ánodo y cada cátodo opuesto para mantener la separación y unir cada ánodo a cada cátodo; un electrolito no acuoso que llena dichos poros de dichas capas de separador/aglutinante; en donde: un primer separador/aglutinante comprende una mezcla de un polímero P1 y un material en partículas M1, un segundo separador/aglutinante comprende una mezcla de un polímero P2 y un material en partículas M2, el polímero P1 es soluble en un disolvente S1, el polímero P2 es soluble en un disolvente S2, el polímero P1 no es soluble en el disolvente S2, el polímero P2 no es soluble en el disolvente S1, el material en partículas M1 no es soluble en el disolvente S1 y el material en partículas M2 no es soluble en el disolvente S

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una batería secundaria de ión-litio en la que los ánodos y los cátodos se separan y se unen mediante dos capas porosas diferentes de materiales poliméricos que contienen partículas, y a métodos para la fabricación de la misma.

Antecedentes de la invención

Las baterías de polímero de ión-litio pueden fabricarse según métodos diferentes. En la Patente estadounidense

5.536.278 se calienta una película de electrolito, previamente preparada, y se lamina a un primer electrodo. A continuación, el segundo electrodo se lamina al primer electrodo laminado.

En la Patente estadounidense 5.778.515 se forman una película de electrodo y una película de separador que después se lamina, tras el uso de un disolvente de prelaminación, sobre la superficie de una de las películas por lo menos.

En la Patente estadounidense 6.024.773 se reviste por ambas caras una película de separador con una solución de resina aglutinante para unir así los electrodos a la película de separador que los separa.

En la Patente estadounidense 5.348.824 unas composiciones amorfas basadas en polímeros se extruyen por fusión a modo de película delgada directamente sobre el electrodo positivo de una batería de litio.

En todos los procesos en los que se forma una lámina o película, la composición del material separador se limita a polímeros con una resistencia mecánica satisfactoria para formar una película delgada y para poder llevar a cabo con ella el proceso de laminación con los electrodos. El uso de un material en partículas en el polímero resulta, en gran medida, prácticamente imposible con cualquier polímero ya que la resistencia mecánica se reduce aún más con la adición del material en partículas. En el caso de los polímeros extendidos por fusión, la porosidad resulta difícil de controlar y es normalmente baja.

Estos inconvenientes, así como otros muchos, se solucionan mediante la aplicación de la presente invención.

Resumen de la invención

La presente invención se refiere a una batería de polímero de ión-litio y a métodos para su fabricación. Se forman dos capas de materiales poliméricos diferentes, en formas que no sean tipo lámina, para separar y unir los ánodos y los cátodos adyacentes (electrodos) de la batería. Las capas contienen un material en partículas para aumentar la porosidad de las capas. Los distintos materiales poliméricos tienen unos requisitos de solubilidad específicos que se describen a continuación.

La batería incluye por lo menos un ánodo y por lo menos un cátodo dispuesto enfrente y separado de cada uno de los ánodos. Entre cada ánodo y cada cátodo se colocan dos capas de separadores/aglutinantes porosos diferentes para mantener la separación y unir cada uno de los ánodos a cada uno de los cátodos. Un electrolito no acuoso rellena los poros de los separadores/aglutinantes. Cada separador/aglutinante consiste en un polímero y en un material en partículas. Un primer separador/aglutinante se compone de un polímero P1 y de un material en partículas M1; el segundo separador/aglutinante se compone de un polímero P2 y de un material en partículas M2. Los polímeros y los materiales en partículas deben tener unas propiedades de solubilidad tales que P1 sea soluble en un disolvente S1; P2 sea soluble en un disolvente S2, P1 no sea soluble el disolvente S2, P2 no sea soluble en el disolvente S1, M1 no sea soluble en S1 y M2 no sea soluble en S2.

Las estructuras preferentes de las baterías tienen una forma prismática (apilada) y una forma cilíndrica (bobinada). La fabricación se lleva a cabo conforme a tres métodos de fabricación. En los tres métodos, el primer separador/aglutinante, en donde el polímero se disuelve en un disolvente, se aplica a los electrodos de modo que quede presente una sola capa del primer separador/aglutinante entre cada uno de los ánodos y los cátodos una vez completada la batería. A continuación se seca el primer separador/aglutinante. El segundo separador/aglutinante puede aplicarse de distintas maneras en función del método utilizado de los tres, no obstante, el polímero del segundo separador/aglutinante debe encontrarse en un estado parcialmente disuelto por lo menos mientras los electrodos están apilados para así poder unir los electrodos bien de forma prismática o cilíndrica al secarse el segundo separador/aglutinante al evaporarse el disolvente S2.

Según un primer método, los electrodos se apilan mientras el segundo separador/aglutinante no está completamente seco y se encuentra en un estado pegajoso.

Según un segundo método, los electrodos se apilan colocando sólo con el primer separador/aglutinante entre ellos y el segundo separador/aglutinante se infiltra entre los electrodos y después se seca.

Según un tercer método, los electrodos se apilan con un primer y un segundo separador/aglutinante, en un estado seco, entre ellos; a continuación se infiltra en disolvente S2 entre los electrodos para disolver al menos parcialmente el polímero P2 de modo que, cuando se seque, los electrodos queden unidos entre sí.

En la fabricación final de las baterías, sea cual sea el método utilizado de los tres, se aplica un electrolito no acuoso para rellenar los poros de los separadores/aglutinantes y empacar los electrodos y el electrolito.

Breve descripción de los dibujos

Para que la invención pueda ser comprendida con mayor facilidad, se hace referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La FIG. l es una sección vertical de una porción de una batería de la invención en la que se muestran los ánodos y los cátodos alternos y las capas intermedias de separador/aglutinante y la batería tiene una estructura prismática; La FIG. 2 es un dibujo esquemático de una batería de la invención, en donde la batería tiene una estructura cilíndrica; Las FIGS. 3a, 3b, 3c son dibujos en los que se describen los pasos de fabricación llevados a cabo conforme al primer método de fabricación de la invención con el que se obtiene una batería prismática; Las FIGS. 4a, 4b, 4c son dibujos en los que se describen pasos de fabricación alternativos a los pasos mostrados en las FIGS. 3a-3c llevados a cabo conforme al primer método de fabricación de la invención con el que se obtiene una batería prismática; Las FIGS. 5a, 5b, 5c, 5d y 5e son dibujos en los que se describen los pasos de fabricación llevados a cabo conforme al segundo método de fabricación de la invención con el que se obtiene una batería prismática; Las FIGS. 6a, 6b, 6c y 6d son dibujos en los que se describen pasos de fabricación alternativos a los pasos mostrados en las FIGS. 5a-5e llevados a cabo conforme al segundo método de fabricación de la invención con el que se obtiene una batería prismática; Las FIGS. 7a, 7b, 7c, 7d y 7e son dibujos en los que se describen los pasos de fabricación llevados a cabo conforme al tercer método de fabricación de la invención con el que se obtiene una batería prismática; Las FIGS. 8a, 8b, 8c, 8d y 8e son dibujos en los que se describen pasos de fabricación alternativos a los pasos mostrados en las FIGS. 7a-7e llevados a cabo conforme al tercer método de fabricación de la invención con el que se obtiene una batería prismática; La FIG. 9 es un dibujo esquemático de la batería completamente fabricada de la invención; Las FIGS. 10a, 10b y 10c son dibujos en los que se describen los pasos de fabricación llevados a cabo conforme a un primer método de fabricación de la invención con el que se obtiene una batería cilíndrica; La FIG. 11 es un dibujo en el que se describen los pasos de fabricación llevados a cabo conforme a un segundo método de fabricación de la invención con el que se obtiene una batería cilíndrica; Las FIGS. 12a, 12b y 12c son dibujos en los que se describen los pasos de fabricación llevados a cabo conforme a un tercer método de fabricación de la invención con el que se obtiene una batería cilíndrica; La FIG. 13 es un gráfico en el que se muestra una primera serie de condiciones de ensayo llevados a cabo en una batería prismática de la invención fabricada conforme al método 1; La FIG. 14 es un gráfico en el que se muestran los resultados del ensayo realizado conforme a las condiciones mostradas en la FIG. 13; La FIG. 15 es un gráfico en el que se muestra una segunda serie de condiciones de ensayo diferentes de las de la serie de la FIG. 13 llevados a cabo en la misma batería prismática de la invención fabricada conforme al... [Seguir leyendo]

1. Una batería recargable que comprende al menos un ánodo; al menos un cátodo, estando cada uno de dichos cátodos dispuestos enfrente y separados de cada uno de dichos ánodos; dos capas de separadores/aglutinantes porosos diferentes entre cada ánodo y cada cátodo opuesto para mantener la separación y unir cada ánodo a cada cátodo; un electrolito no acuoso que llena dichos poros de dichas capas de separador/aglutinante; en donde: un primer separador/aglutinante comprende una mezcla de un polímero P1 y un material en partículas M1, un segundo separador/aglutinante comprende una mezcla de un polímero P2 y un material en partículas M2, el polímero P1 es soluble en un disolvente S1, el polímero P2 es soluble en un disolvente S2, el polímero P1 no es soluble en el disolvente S2, el polímero P2 no es soluble en el disolvente S1, el material en partículas M1 no es soluble en el disolvente S1 y el material en partículas M2 no es soluble en el disolvente S2.

2. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 1, en donde dicho ánodo que hay por lo menos y dicho cátodo que hay por lo menos están apilados a modo de estructura apilada prismática.

3. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 1, en donde dicha batería tiene un ánodo y un cátodo y dichos ánodo y cátodo están formados a modo de estructura bobinada cilíndrica.

4. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 2, en donde hay una pluralidad de ánodos y de cátodos apilados y la secuencia de apilamiento es una repetición de (ánodo)-(primer separador/aglutinante)-(segundo separador/aglutinante)-(cátodo)-(primer separador/aglutinante)-(segundo separador/aglutinante)-(ánodo).

5. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 2, en donde hay una pluralidad de ánodos y de cátodos apilados y la secuencia de apilamiento es una repetición de (ánodo)-(primer separador/aglutinante)-(segundo separador/aglutinante)-(cátodo)-(segundo separador/aglutinante)-(primer separador/aglutinante)-(ánodo).

6. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 2, en donde hay una pluralidad de ánodos y de cátodos apilados y la secuencia de apilamiento es una repetición de (cátodo)-(primer separador/aglutinante)-(segundo separador/aglutinante)-(ánodo)-(segundo separador/aglutinante)-(primer separador/aglutinante)-(cátodo).

7. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 3 que comprende además

un núcleo sobre el que se enrollan dicho ánodo y dicho cátodo para formar dicha estructura bobinada cilíndrica.

8. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 7, en donde la forma del núcleo es una seleccionada de: un cilindro y un hexaedro.

9. Una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el disolvente S1 es de tipo hidrófobo y el disolvente S2 es de tipo hidrófilo.

10. Una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el disolvente S1 y el disolvente S2 son de tipo hidrófobo, o el disolvente S1 y el disolvente S2 son de tipo hidrófilo.

11. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 9, en donde el disolvente hidrófobo S1 es uno seleccionado del: heptano, tetrahidrofurano, DMF y DMSO, y el disolvente hidrófilo S2 es uno seleccionado del: metanol, etanol y metanol/cloroformo.

12. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 10, en donde los disolventes hidrófobos S1 y S2 se seleccionan del: heptano, tetrahidrofurano, DMF y DMSO, o los disolventes hidrófilos S1 y S2 se seleccionan del: metanol, etanol y metanol/cloroformo.

13. Una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el polímero P1 es al menos uno seleccionado de entre: PE, PP, PVC, poliestireno y PAN; y el polímero P2 es al menos uno seleccionado de entre: PEO, PPO, policarbonato, PMMA y PVP.

14. Una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde los materiales en partículas M1 y M2 se seleccionan de: dióxido de silicio, óxido de magnesio, óxido de calcio, óxido de estroncio, óxido de bario, óxido de boro, óxido de aluminio, óxido de silicio; zeolitas sintéticas o naturales, borosilicato, silicato de calcio, polisilicatos de aluminio, harinas de madera, microperlas de vidrio, microesferas huecas de vidrio, fibras de

poliéster, fibras de nilón, fibras de rayón, fibras de acetato, fibras acrílicas, fibras de polietileno, fibras de polipropileno, fibras de poliamida, fibras de polibenzimidazol, fibras de vidrio de borosilicato y fibras de madera.

15. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 14, en donde los materiales en partículas M1 y M2 son iguales o M1 y M2 son diferentes.

16. Una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde en el primer separador/aglutinante el porcentaje en peso del material en partículas es de entre un 50% y un 98%; y en el segundo separador/aglutinante el porcentaje en peso del material en partículas es de entre un 50% y un 98%.

17. Una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en donde en el primer separador/aglutinante el porcentaje en peso del material en partículas es de entre un 80% y un 97%; y en el segundo separador/aglutinante el porcentaje en peso del material en partículas es de entre un 70% y un 92%.

18. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 13 en donde el polímero P1 y/o el polímero P2 son/es una combinación de dos o más materiales poliméricos.

19. Una batería recargable conforme a la Reivindicación 14 en donde el material en partículas M1 y/o el material en partículas M2 son/es una combinación de dos o más materiales en partículas.

20. Una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el primer separador/aglutinante tiene un grosor que oscila entre 10 y 200 μm, y el segundo separador/aglutinante tiene un grosor que oscila entre 10 y 200 μm

21. Una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el primer separador/aglutinante tiene un grosor que oscila entre 30 y 60 μm, y el segundo separador/aglutinante tiene un grosor que oscila entre 30 y 60 μm.

22. Un método de fabricación de una batería recargable que incluye al menos un ánodo, al menos un cátodo dispuesto enfrente y separado de cada uno de los ánodos, dos capas de un separador/aglutinante poroso dispuesto entre cada ánodo y cada cátodo opuestos para mantener dicha separación y unir cada uno de los ánodos y cada uno de los cátodos y un electrolito no acuoso para rellenar los poros de cada uno de los separadores/aglutinantes, consistiendo dicho método en revestir al menos una superficie de cada uno de dichos ánodos y/o cátodos con una capa de un primer separador/aglutinante que contiene un polímero P1 con un polímero P1 disuelto en un disolvente S1 de modo que quede una sola capa de dicho separador/aglutinante presente entre cada ánodo y cada cátodo de la batería cuando finalice la fabricación; a continuación secar cada una de dichas capas de dicho primer separador/aglutinante; a continuación aplicar una capa de un segundo separador/aglutinante que contiene un polímero P2, con el polímero P2 disuelto al menos parcialmente en un disolvente S2, a al menos una superficie revestida o no revestida de cada ánodo y/o cátodo de modo que quede una sola capa de dicho segundo separador/aglutinante presente entre cada ánodo y cada cátodo en la batería cuando finalice la fabricación; colocar cada ánodo enfrente y separado de cada cátodo; a continuación secar cada capa de dicho segundo separador/aglutinante de modo que cada uno de los ánodos antedichos quede unido a cada uno de los cátodos antedichos; comprendiendo dicho separador/aglutinante el polímero P1 y un material en partículas M.1 y comprendiendo dicho segundo separador/aglutinante el polímero P2 y un material en partículas M2, en donde:

el polímero P1 es soluble en el disolvente S1, el polímero P2 es soluble en el disolvente S2, el polímero P1 no es soluble en el disolvente S2, el polímero P2 no es soluble en el disolvente S1, el material en partículas M1 no es soluble en el disolvente S1 y el material en partículas M2 no es soluble en el disolvente S2.

23. Un método de fabricación de una batería recargable conforme a la Reivindicación 22, que además consiste en preparar el primer separador/aglutinante disolviendo el polímero P1 en un disolvente S1, añadir un material en partículas M1 a la solución, remover después la mezcla resultante hasta que la mezcla quede homogénea y preparar después el segundo separador/aglutinante disolviendo el polímero P2 en un disolvente S2, añadir un material en partículas M2 a la solución y remover después la mezcla resultante hasta que la mezcla quede homogénea.

24. Un método de fabricación de una batería recargable conforme a la Reivindicación 22 o 23 en donde al menos cada capa del primer separador/aglutinante se aplica mediante un método de revestimiento en barra.

25. Un método de fabricación de una batería recargable conforme a la Reivindicación 22, 23 ó 24 en donde cada una de dichas capas de segundo separador/aglutinante que tiene el polímero P2 disuelto en un disolvente S2, se aplica antes de colocar cada uno de los cátodos enfrente y separado de cada uno de los cátodos.

26. Un método de fabricación de una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones 22 a 24 en donde cada uno de los ánodos se coloca enfrente y separado de cada uno de los cátodos antes de aplicar la capa de segundo separador/aglutinante, y el polímero P2 se disuelve por completo en el disolvente S2.

5 27. Un método de fabricación de una batería recargable conforme a cualquiera de las reivindicaciones 22 a 24, en donde cada una de dichas capas de segundo separador/aglutinante, que tiene un polímero P2 disuelto en el disolvente S2, se aplica antes de colocar cada uno de los cátodos enfrente y separado de cada uno de los cátodos y que además consiste en secar inicialmente cada una de las capas de dicho segundo separador/aglutinante antes de colocar cada uno de los ánodos enfrente y separado de cada uno de los cátodos, y disolver al menos parcialmente el polímero P2 del segundo separador/aglutinante con un disolvente S2 después de haber colocado como se dijo cada uno de los ánodos enfrente y separado de cada uno de los cátodos y antes de secar como se dijo cada una de las capas de dicho segundo separador/aglutinante para unir así dicho ánodo a cada uno de los cátodos antedichos.

28. Un método de fabricación de una batería recargable conforme a la Reivindicación 25 que además consiste en secar parcialmente el segundo separador/aglutinante hasta que quede pegajoso antes de colocar cada uno de los ánodos enfrente y separado de cada uno de los cátodos.