BATERÍA DE LITIO CON CAPACIDAD DE DESCARGA ELEVADA.

Esta invención se refiere a pilas de baterías electroquímicas, particularmente pilas con un electrodo negativo de litio y un electrodo positivo de disulfuro de hierro. Las baterías de litio (baterías que contienen litio metálico como material activo del electrodo negativo) se están volviendo cada vez más populares como fuentes portátiles de energía para dispositivos electrónicos que tengan requisitos de funcionamiento de alta potencia. Las baterías de litio para el consumidor común incluyen baterías de litio/dióxido de manganeso (LiMnO2) y litio/disulfuro de hierro (Li/FeS2), que tienen tensiones nominales de 3,0 y 1,5 voltios por pila, respectivamente. Los fabricantes de baterías se esfuerzan continuamente en diseñar baterías con más capacidad de descarga. Esto puede lograrse reduciendo al mínimo el volumen de la pila que ocupa la cubierta, que incluye el cierre hermético y la válvula, aumentando por lo tanto al máximo el volumen interno disponible para los materiales activos. Sin embargo, siempre habrá limitaciones prácticas para el volumen interno máximo. Otro planteamiento es modificar el diseño interno de la pila y los materiales para aumentar la capacidad de descarga. Cómo lograrlo de la mejor manera puede depender al menos en parte de los requisitos de descarga de los dispositivos que han de funcionar mediante las baterías. Para dispositivos con requisitos de baja potencia, la cantidad de materiales activos tiende a ser muy importante, mientras que para dispositivos con requisitos de alta potencia, las eficiencias de descarga tienden a ser más importantes. Las baterías de litio se usan a menudo en dispositivos de alta potencia, ya que son capaces de eficiencias de descarga excelentes durante la descarga de alta potencia. En general, la eficiencia de descarga de la batería disminuye rápidamente con una potencia de descarga creciente. Por lo tanto, para una alta potencia, es una prioridad proporcionar una alta eficiencia de descarga. Esto significa a menudo usar diseños que contiene menos materiales activos, sacrificando de este modo la capacidad durante descargas de baja potencia y bajo régimen. Por ejemplo, para una buena eficiencia de descarga a alta potencia, es deseable una alta superficie interfacial entre el electrodo negativo (ánodo) y el electrodo positivo (cátodo) con relación al volumen de los electrodos. Esto se logra a menudo usando un montaje de electrodos enrollados en espiral, en el que bandas de electrodos delgados relativamente largas se enrollan conjuntamente en una bobina. A menos que las composiciones de los electrodos tengan una alta conductividad eléctrica, tales electrodos largos y delgados necesitan típicamente un colector de corriente que se prolongue a lo largo de mucha de la longitud y anchura de la banda del electrodo. La alta superficie interfacial de los electrodos también significa que se necesita más material de separador, para aislar eléctricamente entre ellos los electrodos positivo y negativo. Ya que a menudo se fijan para las pilas las dimensiones externas máximas, o por normas de la industria o por el tamaño y forma de los compartimentos en el equipo, aumentar la superficie interfacial significa también tener que reducir la cantidad de materiales activos del electrodo que pueden usarse. Para las baterías que tienen la finalidad de usarse para alta y baja potencia, es menos deseable reducir la cantidad de materiales activos para aumentar al máximo las prestaciones de alta potencia que para baterías que tienen la finalidad de usarse solamente para alta potencia. Por ejemplo, las baterías de Li/FeS2 de 1,5 voltios de tamaño AA (tamaño FR6) tienen la finalidad de usarse en aplicaciones de alta potencia, tales como flash de fotografía y cámaras digitales, así como en repuestos generales para baterías alcalinas de Zn/MnO2 de 1,5 voltios de tamaño AA, que se usan a menudo en dispositivos de potencia inferior. En tales situaciones, es importante aumentar al máximo tanto la eficiencia en descargas de alta potencia como la capacidad de entrada de la pila. Aunque es generalmente deseable aumentar al máximo la capacidad de entrada de la pila en cualquier pila, la importancia relativa de hacer esto es mayor en pilas para usos de potencia inferior. Para aumentar al máximo las entradas de material activo en la pila y mitigar por tanto los efectos de aumentar la superficie interfacial, es deseable usar materiales de separador que ocupen el volumen interno más pequeño posible en la pila. Hay limitaciones prácticas para hacer esto. El separador debe ser capaz de resistir los procedimientos de fabricación de las pilas sin daño, proporcionar un aislamiento eléctrico adecuado y transporte iónico entre el ánodo y el cátodo, y hacer esto sin desarrollar defectos que den como resultado cortocircuitos internos entre el ánodo y el cátodo cuando la pila se somete tanto a condiciones normales como anormales previstas de manipulación, transporte, almacenamiento y uso. Las propiedades del separador pueden modificarse de varias maneras para mejorar su resistencia, y la resistencia al daño. Los ejemplos se describen en las patentes de EE.UU. nº 5.952.120, 6.368.742, 5.667.911 y 6.602.593. Sin embargo, los cambios realizados para aumentar la resistencia pueden afectar también negativamente a las prestaciones del separador, basado en parte en factores tales como la química de la pila, el diseño y características de los electrodos, el procedimiento de fabricación de la pila, el uso deseado de la pila, las condiciones previstas de almacenamiento y uso, etc. 2   Para ciertas químicas de la pila, aumentar al máximo las cantidades de materiales activos en la pila puede ser más difícil. En las baterías de litio, cuando el material activo del cátodo reacciona con el litio para dar lugar a los productos de reacción con un volumen total mayor que el de los agentes reaccionantes, el hinchamiento del montaje de electrodos crea fuerzas adicionales en la pila. Estas fuerzas pueden provocar el pandeo de la cubierta de la pila y cortocircuitos a través del separador. Las soluciones posibles para estos problemas incluyen usar materiales fuertes (a menudo más gruesos) para la cubierta de la pila, y componentes inertes dentro de la pila, limitando más el volumen interno disponible para los materiales activos en pilas con tales materiales activos, comparado con pilas con productos de reacción con un volumen inferior. Para pilas de Li/FeS2, otra solución posible, descrita en la patente de EE.UU. nº 4.379.815, es equilibrar la expansión del cátodo y la contracción del ánodo mezclando otro material activo con el FeS2. Tales materiales activos para el cátodo incluyen CuO, Bi2O3, Pb2Bi2O5, Pb3O4, CoS2 y sus mezclas. Sin embargo, añadir otros materiales activos a la mezcla del cátodo puede afectar a las características eléctricas y de descarga de la pila. Como los fabricantes de baterías están tratando continuamente de mejorar la capacidad de descarga, también están trabajando continuamente para mejorar otras características de las baterías, tales como la seguridad y fiabilidad; hacer las pilas más resistentes a los cortocircuitos internos puede contribuir a ambas cosas. Como está claro de la discusión anterior, los cambios que se hacen para mejorar la resistencia a los cortocircuitos internos pueden ser contraproducentes para aumentar al máximo la capacidad de descarga. Los documentos de patente EP-A-1296389, US-B1-6287719, EP-A-1097962, y US-A-5229227 constituyen documentos adicionales de la técnica anterior para la presente invención. En vista de lo anterior, un objeto de la presente invención es proporcionar una pila de batería de litio con una capacidad de descarga aumentada. Otro objeto de la invención es proporcionar una pila de batería de litio con una alta densidad de energía (capacidad de descarga interfacial con relación al volumen interfacial de los electrodos). Otro objeto de la invención es proporcionar una pila de Li/FeS2 con una alta superficie interfacial de electrodos, que tiene una capacidad de descarga aumentada durante una descarga a baja potencia, sin sacrificar la eficiencia de descarga durante una descarga a alta potencia, preferiblemente una con una capacidad de descarga aumentada tanto durante descargas a alto régimen como a bajo régimen. Aún otro objeto de la invención es proporcionar una pila de Li/FeS2 con una capacidad interfacial del cátodo aumentada, y que tenga tanto una densidad de energía mejorada como una buena resistencia a cortocircuitos internos. Sumario Los objetos anteriores se satisfacen, y las desventajas anteriores de la técnica anterior se superan, mediante la presente invención. Por consiguiente, un aspecto de la presente invención se dirige a una pila de batería electroquímica que comprende una cubierta; una banda de electrodo negativo que comprende litio metálico,... [Seguir leyendo]

1.- Una pila de batería electroquímica de litio que comprende una cubierta; una banda de electrodo negativo que comprende litio metálico, una banda de electrodo positivo que comprende una mezcla de material activo en la que el material activo comprende más de 50% en peso de disulfuro de hierro; y un electrolito que comprende al menos una sal disuelta en un electrolito no acuoso dispuesto dentro de la cubierta, en la que la sal del electrolito está disuelta en un disolvente orgánico; y un separador dispuesto entre los electrodos negativo y positivo, caracterizada porque el separador es una membrana microporosa y tiene un grosor inferior a 25 µm, y una resistencia a la tracción de al menos 9,81 N/cm (1,0 kgf/cm) tanto en la dirección de la máquina como en la dirección transversal; teniendo la pila un cociente entre la capacidad interfacial del cátodo y el volumen interfacial del montaje de electrodos de al menos 710 mAh/cm 3 ; en la que la capacidad interfacial del cátodo es la contribución total de un electrodo a la capacidad teórica de descarga de la pila, basado en el(los) mecanismo(s) de reacción global de descarga de la pila y la cantidad total de material activo contenido dentro de la parte de la mezcla de material activo adyacente al material activo del electrodo opuesto, y en la que el volumen interfacial del montaje de electrodos es el volumen dentro de la cubierta de la pila definido por la superficie transversal, perpendicular al eje longitudinal de la pila, en la superficie interna de la(s) pared(es) del recipiente y la altura interfacial del montaje de electrodos. 2.- La pila definida en la reivindicación 1, en la que el material activo del electrodo comprende al menos 95 por ciento en peso de disulfuro de hierro. 3.- La pila definida en la reivindicación 1, en la que el cociente entre la capacidad interfacial del cátodo y el volumen interfacial del montaje de electrodos es de al menos 720 mAh/cm 3 . 4.- La pila definida en la reivindicación 1, en la que: (a) la cubierta comprende un recipiente con un extremo cerrado, un extremo abierto inicialmente cerrado mediante una tapa, y una pared lateral que se prolonga entre los extremos cerrado e inicialmente abierto; (b) el electrodo negativo está en forma de al menos una lámina con dos superficies principales que se oponen; (c) el electrodo positivo está en forma de al menos una lámina con dos superficies principales que se oponen; y (d) los electrodos negativo y positivo están dispuestos dentro del recipiente con una parte de al menos una superficie principal de la lámina del electrodo negativo adyacente a una parte de al menos una superficie principal de la lámina del electrodo positivo a través del separador, y al menos algunos segmentos de partes adyacentes de los electrodos negativo y positivo son paralelos a un eje longitudinal de la pila. 5.- La pila definida en la reivindicación 4, en la que los electrodos negativo y positivo y el separador forman un montaje de electrodos enrollados en espiral. 6.- La pila definida en la reivindicación 5, en la que el recipiente tiene forma cilíndrica, y el montaje de electrodos tiene una superficie exterior radial dispuesta de forma adyacente a una superficie interna de la pared lateral del recipiente. 7.- La pila definida en la reivindicación 5, en la que el recipiente tiene forma prismática, y el montaje de electrodos tiene una superficie exterior dispuesta de forma adyacente a una superficie interna de la pared lateral del recipiente. 8.- La pila definida en la reivindicación 1, en la que el separador tiene un grosor inferior a 22 µm. 9.- La pila definida en la reivindicación 1, en la que la resistencia a la tracción del separador es de al menos 14,7 N/cm (1,5 kgf/cm). 10.- La pila definida en la reivindicación 1, en la que el separador tiene una tensión de ruptura dieléctrica de al menos 2000 voltios. 11.- La pila definida en la reivindicación 1, en la que el separador tiene un tamaño de poros eficaz máximo desde 0,08 µm hasta 0,40 µm. 12.- La pila definida en la reivindicación 11, en la que tamaño de poros eficaz máximo es no superior a 0,20 µm. 13.- La pila definida en la reivindicación 1, en la que la membrana microporosa comprende polietileno.   14.- La pila definida en la reivindicación 1, que comprende una cubierta; un electrodo negativo, un electrodo positivo y un electrolito dispuestos dentro de la cubierta; y un separador dispuesto entre los electrodos negativo y positivo; en la que: (a) la cubierta comprende un recipiente cilíndrico con un extremo inferior integral cerrado, un extremo superior abierto inicialmente, una pared lateral que se prolonga entre los extremos inferior y superior, y una tapa dispuesta en el extremo superior para cerrar la pila; (b) el electrodo negativo está en forma de una banda con dos superficies principales que se oponen, y comprende litio metálico; (c) el electrodo positivo está en forma de una banda con dos superficies principales que se oponen y comprende una mezcla de material activo, comprendiendo el material activo más de 50% en peso de disulfuro de hierro; (d) el electrolito comprende una o más sales disueltas en un disolvente orgánico no acuoso; (e) los electrodos negativo y positivo y el separador forman un montaje de electrodos enrollados en espiral, con una superficie exterior radial dispuesta de manera adyacente a una superficie interna de la pared lateral del recipiente; (f) el montaje de electrodos tiene un volumen interfacial; (g) el electrodo positivo tiene una capacidad interfacial; (h) el cociente entre la capacidad interfacial del electrodo positivo y el volumen interfacial del montaje de electrodos es de al menos 710 mAh/cm 3 ; y (i) el separador es una membrana microporosa que comprende polietileno, con una dirección en la dirección de la máquina y una dirección transversal, un grosor medio inferior a 22 µm y una resistencia a la tracción de al menos 9,81 N/cm (1,0 kgf/cm) tanto en la dirección de la máquina como en la dirección transversal. 15.- La pila definida en la reivindicación 14, en la que el material activo comprende al menos 95% en peso de disulfuro de hierro. 16.- La pila definida en la reivindicación 14, en la que la resistencia a la tracción del separador es de al menos 117,72 N/cm 2 (1200 kgf/cm 2 ) tanto en la dirección de la máquina como en la dirección transversal. 17.- La pila definida en la reivindicación 14, en la que el cociente entre la capacidad interfacial del cátodo y el volumen interfacial del montaje de electrodos es de al menos 720 mAh/cm 3 . 18.- La pila definida en la reivindicación 15, en la que el separador tiene una tensión de ruptura dieléctrica de al menos 2200 voltios. 16   FIGURA 1 17   TANTO POR CIENTO QUE SOBREPASA 170ºC VOLUMEN HUECO DEL MONTAJE DE ELECTRODOS / ALTURA INTERFACIAL (cm 3 /cm) FIGURA 2 18