Una batería de litio, que comprende:

un ánodo que comprende una estructura de películas de nanotubos de carbono que comprende al menos dos películas de nanotubos de carbono solapadas,

en la que cada película de nanotubos de carbono comprende una pluralidad de nanotubos de carbono consecutivos unidos extremo con extremo y alineados a lo largo de una misma dirección;

un cátodo;

un separador usado para separar el ánodo del cátodo;

un recipiente con el ánodo, el cátodo y el separador dispuestos en él; y

un electrolito que llena el recipiente.

Batería de litio y método para fabricar un ánodo de la misma Campo de la invención La presente invención se refiere a una batería de litio, y a un método para fabricar un ánodo de la batería de litio.

Discusión de la técnica relacionada

En los últimos años, las baterías de litio han recibido mucha atención y se usan en diversos dispositivos portátiles, tales como ordenadores personales portátiles, teléfonos móviles y cámaras digitales, debido a su bajo peso, alta tensión de descarga, larga vida en ciclos y alta densidad energética comparadas con baterías de almacenamiento de plomo convencionales, baterías de níquel-cadmio, baterías de níquel-hidruro, y baterías de níquel-cinc.

Una batería de litio incluye generalmente un cátodo, un ánodo, electrolito, un separador usado para separar el ánodo del cátodo, y un recipiente que tenga el ánodo, el cátodo, electrolito, y el separador dispuestos en él.

Un ánodo de una batería de litio debe tener propiedades tales como alta densidad energética; una baja tensión a circuito abierto frente a electrodos de litio metálico; alta retención de la capacidad; buenas prestaciones en electrolitos comunes; alta densidad (por ejemplo, > 2, 0 g/cm3) ; buena estabilidad durante los procesos de carga y descarga, y bajo coste. En la actualidad, el material activo para el ánodo más ampliamente usado es material carbonoso/carbonáceo tal como grafito natural, grafito artificial y carbono amorfo. El carbono amorfo tiene una excelente capacidad, pero su irreversibilidad es relativamente alta. La capacidad teórica máxima del grafito natural es de 372 mAh/g, pero su vida es relativamente corta.

En general, el ánodo de material carbonoso/carbonáceo tiene una baja eficiencia y unas bajas prestaciones en de ciclaje en el primer ciclo de carga y descarga, debido a la formación de una capa de interfase electrolito-sólido (SEI) . Una capa SEI estable es esencial en la batería de litio para impedir que el material del ánodo reaccione con el electrolito, por lo tanto, la selección del electrolito es limitada. Solamente los electrolitos en los que se pueda formar una capa SEI estable son adecuados para usar en una batería de litio.

Los nanotubos de carbono son un nuevo material carbonoso/carbonáceo formado por una o más capas de grafito. La distancia entre dos capas de grafito en el nanotubo de carbono es aproximadamente de 0, 34 nanómetros, que es mayor que la distancia entre dos capas de grafito natural. De este modo, el nanotubo de carbono es un material adecuado para usar como ánodo de la batería de litio. Sin embargo, hasta ahora, los nanotubos de carbono se mezclan con un aglutinante, y están dispuestos sobre un colector de corriente del ánodo. Como tal, la capacidad de adsorción de los nanotubos de carbono está restringida por el aglutinante mezclado con ellos.

Un cátodo de una batería de litio debe tener propiedades tales como alta densidad energética; alta tensión a circuito abierto frente al electrodo de litio metálico; alta retención de la capacidad; buenas prestaciones en electrolitos comunes; alta densidad; buena estabilidad durante los procesos de carga y descarga, y bajo coste. Entre diversos materiales activos, los óxidos de metales de transición y óxidos mixtos de metales de transición han recibido mucha atención, debido a sus capacidades de carga/descarga relativamente altas en las baterías de litio. En la actualidad, los materiales activos para el cátodo más ampliamente usados son el óxido de litio y manganeso de tipo espinela (por ejemplo, LiMn2O4) , fosfato de litio y hierro de tipo olivino (por ejemplo, LiFePO4) , y óxido de litio y cobalto de tipo estratificado (por ejemplo, LiCoO2) .

Sin embargo, la baja conductividad de los materiales activos induce generalmente una resistencia relativamente grande en el cátodo. Como tal, la profundidad de la carga/descarga de la batería de litio es relativamente baja. Para disminuir la resistencia del cátodo, se mezcla comúnmente un aditivo conductor con el material activo. El peso del aditivo conductor puede alcanzar aproximadamente 15%~ 30% del peso total del cátodo. Si el aditivo conductor aumenta y el peso de la batería debe permanecer el mismo, la cantidad de material activo en el cátodo debe reducirse, y de este modo, la densidad energética de la batería de litio se verá afectada.

Para solucionar el problema descrito anteriormente, se han ensayado nanotubos de carbono como un nuevo aditivo conductor, en cátodos de baterías de litio, para aprovechar sus excelentes propiedades conductoras. En la técnica anterior, nanotubos de carbono en polvo se mezclan con el material activo mediante agitación por ultrasonidos. Desafortunadamente, los nanotubos de carbono son propensos a la agregación debido a su superficie específica extremadamente grande, y como tales, los nanotubos de carbono agregados no mejorarán la conductividad del cátodo.

Lo que se necesita, por tanto, es proporcionar una batería de litio con un ánodo con una buena capacidad de adsorción, una batería de litio con un cátodo que tenga una buena conductividad, y un método para fabricar el ánodo de la batería de litio, y, en la cual, los problemas anteriores se eliminan o al menos se mitigan.

Sumario

De este modo, vista desde un aspecto, la presente invención proporciona una batería de litio, que comprende:

un ánodo que comprende una estructura de películas de nanotubos de carbono que comprende al menos dos películas de nanotubos de carbono solapadas, en la que cada película de nanotubos de carbono comprende una pluralidad de nanotubos de carbono consecutivos unidos extremo con extremo, y alineados a lo largo de una misma dirección;

un cátodo;

un separador usado para separar el ánodo del cátodo;

un recipiente con el ánodo, el cátodo y el separador dispuestos en él; y un electrolito que llena el recipiente. Vista desde un aspecto adicional, la presente invención proporciona una batería de litio, que comprende: un ánodo; un cátodo que comprende una estructura de películas de nanotubos de carbono que comprende al menos dos películas de nanotubos de carbono solapadas, y una pluralidad de partículas de material activo dispersadas en la estructura de películas de nanotubos de carbono, en la que cada película de nanotubos de carbono comprende una pluralidad de nanotubos de carbono consecutivos unidos extremo con extremo, y alineados a lo largo de una misma dirección; un separador usado para separar el ánodo del cátodo; un recipiente con el ánodo, el cátodo y el separador dispuestos en él; y un electrolito que llena el recipiente. Vista desde aún otro aspecto adicional, la presente invención proporciona un método para fabricar un ánodo de una batería de litio, comprendiendo el método las etapas de:

(a) proporcionar una disposición de nanotubos de carbono;

(b) preparar una estructura de películas de nanotubos de carbono que comprende al menos dos películas de nanotubos de carbono solapadas, en la que cada película de nanotubos de carbono comprende una pluralidad de nanotubos de carbono consecutivos unidos extremo con extremo y alineados a lo largo de una misma dirección;

(c) proporcionar un colector de corriente negativo; y

(d) disponer una estructura de películas de nanotubos de carbono sobre el colector de corriente, y de ese modo, obtener el ánodo de la batería de litio.

Otras ventajas y nuevas características de la batería de litio de la presente invención, y el método relacionado para fabricar el ánodo, serán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas, tomadas conjuntamente con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos Muchos aspectos de la batería de litio de la presente invención, y el método relacionado para fabricar el ánodo de la batería de litio, se comprenderán mejor con referencia a los siguientes dibujos. Los componentes en los dibujos no han necesariamente de llevarse a escala, poniéndose énfasis en cambio sobre una clara ilustración de los principios de la batería de litio de la presente invención y el método relacionado para fabricar el ánodo de la batería de litio, y una batería del litio usando el mismo.

La figura 1 es una vista esquemática de un ánodo de una batería de litio, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La figura 2 muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de una película de nanotubos de carbono en... [Seguir leyendo]

1. Una batería de litio, que comprende: un ánodo que comprende una estructura de películas de nanotubos de carbono que comprende al menos dos películas de nanotubos de carbono solapadas, en la que cada película de nanotubos de carbono comprende una pluralidad de nanotubos de carbono consecutivos unidos extremo con extremo y alineados a lo largo de una misma dirección; un cátodo; un separador usado para separar el ánodo del cátodo; un recipiente con el ánodo, el cátodo y el separador dispuestos en él; y un electrolito que llena el recipiente.

2. La batería de litio conforme a la reivindicación 1, que comprende además un colector de corriente negativo, y la estructura de películas de nanotubos de carbono está dispuesta sobre una superficie del colector de corriente.

3. Una batería de litio, que comprende: un ánodo; un cátodo que comprende una estructura de películas de nanotubos de carbono que comprende al menos dos películas de nanotubos de carbono solapadas, y una pluralidad de partículas de material activo dispersadas en la estructura de películas de nanotubos de carbono, en el que cada película de nanotubos de carbono comprende una pluralidad de nanotubos de carbono consecutivos unidos extremo con extremo, y alineados a lo largo de una misma dirección;

un separador usado para separar el ánodo del cátodo; un recipiente con el ánodo, el cátodo y el separador dispuestos en él; y un electrolito que llena el recipiente.

4. La batería de litio conforme a la reivindicación 3, en la que el diámetro de las partículas de material activo está en el intervalo aproximado desde 3 nanómetros hasta 10 nanómetros, y las partículas de material activo pueden prepararse de óxidos de metales de transición y óxidos mixtos de metales de transición tales como óxido de litio y manganeso de tipo espinela, fosfato de litio y hierro de tipo olivino, y óxido de litio y cobalto de tipo estratificado.

5. La batería de litio conforme a la reivindicación 3, que comprende además un colector de corriente positivo, y la estructura de películas de nanotubos de carbono está dispuesta sobre una superficie del colector de corriente positivo.

6. Un método para fabricar un ánodo de una batería de litio, comprendiendo el método las etapas de:

(a) proporcionar una disposición de nanotubos de carbono;

(b) preparar una estructura de películas de nanotubos de carbono que comprende al menos dos películas de nanotubos de carbono solapadas, en la que cada película de nanotubos de carbono comprende una pluralidad de nanotubos de carbono consecutivos unidos extremo con extremo y alineados a lo largo de una misma dirección;

(c) proporcionar un colector de corriente negativo; y

(d) disponer una estructura de películas de nanotubos de carbono sobre el colector de corriente, y de ese modo, obtener el ánodo de la batería de litio.

7. El método conforme a la reivindicación 6, en el que la etapa (b) comprende además las etapas siguientes de:

(b1") extraer al menos dos películas de nanotubos de carbono de la disposición de nanotubos de carbono, usando un utensilio;

(b2") proporcionar un miembro de soporte y disponer las al menos dos películas de nanotubos de carbono en el miembro de soporte a lo largo de diferentes direcciones, solapándose las al menos dos películas de nanotubos de carbono unas con otras para obtener la estructura de películas de nanotubos de carbono.

8. El método conforme a la reivindicación 7, en el que la etapa (b1") comprende además las etapas siguientes de: (b1"1) seleccionar una pluralidad de segmentos de nanotubos de carbono con una anchura predeterminada;

(b1"2) retirar los segmentos de nanotubos de carbono a una velocidad constante/uniforme para formar una película de nanotubos de carbono;

(b1"3) repetir la etapa (b1"1) y (b1"2) para formar una pluralidad de películas de nanotubos de carbono.

9. El método conforme a la reivindicación 7, en el que la estructura de películas de nanotubos de carbono tiene una pluralidad de microporos, definidos por los espacios entre los segmentos de nanotubos de carbono adyacentes.

10. La batería de litio conforme a la reivindicación 1, en la que los nanotubos de carbono en la película de nanotubos de carbono están unidos extremo con extremo mediante la fuerza atractiva de Van der Waals.