Polvos de ánodo para baterías.

Un proceso que comprende:

moler coque regular para dar lugar a partículas de coque;

depositar un revestimiento de un material formador de residuo de carbono sobre las superficies de las partículasde coque;

oxidar las partículas de coque que se encuentran revestidas, en el que la oxidación proporciona partículasrevestidas estabilizadas que se muestran no aptas para fusión, y

someter a grafitado las partículas revestidas estabilizadas para proporcionar partículas grafitadasformando un polvo de material carbonáceo revestido en el que y ≤-0,183x +3, en la que y es el área superficial BETen metros cuadrados por gramo y x es el tamaño medio de la dimensión más larga de las partículas grafitadas enmicras

Polvos de ánodo para baterías Campo de la invención Las realizaciones de las invenciones se refieren a polvos de ánodo para baterías.

Antecedentes de la invención Los materiales usados para la construcción de baterías determinan la capacidad para satisfacer los requisitos deseados con respecto a rendimiento y seguridad. Los materiales de ánodo anteriores incluyen partículas carbonáceas tales como polvo de grafito. No obstante, puede ocurrir que dichos materiales anteriores no proporcionen la protección apropiada en situaciones peligrosas provocadas por la descarga rápida de la batería tales como cortocircuitos. Esta cuestión potencial se hace especialmente patente en las baterías de ión-litio. Se desean baterías de alta potencia y bajo peso, que minimicen las consecuencias de posibles situaciones peligrosas lo que constituye una prioridad para los diseñadores y fabricantes de baterías y los productores de equipamiento que emplea baterías de alta potencia. Además, es necesario que las baterías usadas en los vehículos de conducción eléctrica proporcionen tanta energía como resulte posible con el fin de satisfacer las demandas de los consumidores. De nuevo, los materiales anteriores, con frecuencia, fallan a la hora de satisfacer estos requisitos. El documento CA2176452 describe un método para producir un material carbonáceo revestido por medio de mezcla de una determinada cantidad de brea de alquitrán de petróleo o carbón con un polvo carbonáceo y pirólisis de la mezcla.

Por tanto, existe la necesidad de materiales de batería mejorados y métodos de producción de estos materiales.

Sumario de la invención En una realización, un proceso para la producción de un polvo de material carbonáceo incluye moler coque regular para dar lugar a partículas de coque y depositar un revestimiento de un material que forma un residuo de carbono sobre las superficies de las partículas de coque. El método además incluye oxidar las partículas de coque que se encuentran revestidas de manera que la oxidación proporcione partículas revestidas estabilizadas convertidas en no aptas para fusión y someter a grafitado las partículas revestidas estabilizadas para proporcionar partículas grafitadas. Las partículas grafitadas forman el polvo de material carbonáceo revestido en el que el área superficial BET, en metros cuadrados por gramo, es menor que tres menos el tamaño medio de la dimensión mayor de las partículas grafitadas por 0, 183 en micras.

De acuerdo con una realización, el polvo de material carbonáceo revestido incluye partículas molidas carbonáceas que tienen una capa de revestimiento. La capa de revestimiento se encuentra formada por un material que forma un residuo de carbono oxidado y grafitado. Además, las partículas del interior de la muestra de polvo presentan un área superficial BET en metros cuadrados por gramo que es menor que tres menos el tamaño medio de la dimensión mayor de las partículas por 0, 183 en micras.

Para una realización, la batería recargable incluye un polvo de ánodo formado por partículas de material de precursor de coque regular molido y un revestimiento de material formador de un residuo de carbono sobre el mismo. El material formador de residuo de carbono ha sido estabilizado de manera oxidativa y grafitado. Se define que el área superficial BET de las partículas dentro de la muestra del polvo en metros cuadrados por gramo es tres menos el tamaño medio de las partículas por 0, 183 en micras.

Breve descripción de los dibujos La invención, junto con otras de sus ventajas, se puede comprender mejor haciendo referencia a la siguiente descripción tomada en conjunto con los dibujos adjuntos.

La Figura 1 es un diagrama que ilustra la distribución de tamaño de partícula de un ejemplo representativo de polvo de ánodo útil para la producción de baterías, de acuerdo con una realización de la invención.

La Figura 2 es un diagrama que ilustra la distribución de tamaño de partícula mostrada en la Figura 1 junto con distribuciones de tamaño de partícula del polvo de ánodo antes del des-espolvoreo y material de rechazo, de acuerdo con una realización de la invención.

La Figura 3 es un diagrama que ilustra la relación del tamaño de partícula y área superficial BET de un número de polvos de ánodo que incluyen polvos de ánodo, de acuerdo con una realización de la invención.

La Figura 4 es una imagen de un microscopio electrónico de barrido de partículas de polvo, de acuerdo con una realización de la invención.

La Figura 5 es una imagen de un microscopio electrónico de barrido de partículas de polvo preparadas a partir de un material precursor antiguamente preferido.

Descripción detallada de la invención Las baterías de ion-litio acumulan energía intercalando átomos de litio en el interior de materiales que se encuentran unidos a un papel metalizado. Este papel metalizado es un contacto eléctrico con el electrodo negativo de la batería. Estos materiales que están unidos al papel metalizado del electrodo negativo son denominados materiales de ánodo. Antes de la unión, los materiales de ánodo son un polvo fino y, de este modo, también son denominados polvos de ánodo.

Los polvos de ánodo pueden proporcionar un rendimiento mejorado con respecto a los materiales de ánodo existentes, especialmente durante la descarga rápida o en entornos de operación a temperatura elevada. Mientras que los aspectos descritos en el presente documento se pueden usar en combinación, cada aspecto se puede usar de manera independiente del otro.

Los polvos de ánodo se pueden fabricar por medio de un proceso que, generalmente, comprende las etapas de: proporcionar partículas de un material carbonáceo; proporcionar un revestimiento de un material formador de residuo de carbono apto para fusión sobre la superficie de dichas partículas; estabilizar las partículas revestidas sometiendo dichas partículas a una reacción de oxidación usando un agente oxidante; carbonizar las partículas revestidas y estabilizadas; y, de manera opcional, someter a grafitado las partículas revestidas. El proceso puede proporcionar partículas que presentan revestimientos sustancialmente suaves.

Las realizaciones utilizan las partículas de material carbonáceo. Fuentes de materiales carbonáceos incluyen coques de petróleo calcinados y no calcinados (verdes) . Las partículas finas de dichos materiales se proporcionan de manera apropiada por medio de molienda, machacado, trituración o por medio de cualesquiera medios que se puedan usar para proporcionar un material carbonáceo pulverulento que presente partículas de dimensiones que resulten apropiadas para su uso en la formación de electrodos. Aunque aplicable a las partículas carbonáceas de tamaños y distribuciones de tamaño de partícula variables, en algunas realizaciones las partículas carbonáceas presentan tamaños medios de partícula de hasta aproximadamente 150 !m, de aproximadamente 5 !m a aproximadamente 70 !m, o dentro del intervalo de aproximadamente 3 !m a aproximadamente 45 !m. Además, la distribución del tamaño de partícula dentro de cualesquiera intervalos puede ser tal que no más que 10% en peso de las partículas son más pequeñas que 5 !m, no más que 10% en peso de las partículas son mayores que 60 !m.

Las partículas carbonáceas se proporcionan con un material formador de residuos de carbono apto para fusión como material de revestimiento. Ejemplos para su uso como material de revestimiento son materiales formadores de residuo de carbono que se pueden hacer reaccionar con un agente oxidante. Compuestos ejemplares incluyen los que tienen un punto de fusión elevado y un elevado rendimiento de carbono tras la descomposición térmica. Materiales de revestimiento útiles ejemplares incluyen residuos aromáticos pesados de petróleo, breas de procesos químicos; lignina de la industria papelera; resinas fenólicas y materiales de carbohidrato tales como azúcares y polisacáridos. Ejemplos para su uso como materiales de revestimiento son breas de alquitranes de petróleo y carbón y lignina que se encuentran fácilmente disponibles y que se ha observado que son eficaces como materiales formadores de residuo de carbono y aptos para fusión.

Debe entenderse que el material formador de residuo de carbono puede ser cualquier material que, cuando se oxida y posteriormente se descompone térmicamente en una atmósfera inerte a una temperatura de carbonización de 850 ºC o a una temperatura incluso más elevada, forma un residuo que es "sustancialmente carbono". Debe entenderse que "sustancialmente carbono" indica que el residuo es al menos 90% en peso de carbono, o al menos 95% en peso de carbono. El material formador de residuo... [Seguir leyendo]

1. Un proceso que comprende:

moler coque regular para dar lugar a partículas de coque;

depositar un revestimiento de un material formador de residuo de carbono sobre las superficies de las partículas de coque;

oxidar las partículas de coque que se encuentran revestidas, en el que la oxidación proporciona partículas revestidas estabilizadas que se muestran no aptas para fusión, y

someter a grafitado las partículas revestidas estabilizadas para proporcionar partículas grafitadas formando un polvo de material carbonáceo revestido en el que y : -0, 183x +3, en la que y es el área superficial BET en metros cuadrados por gramo y x es el tamaño medio de la dimensión más larga de las partículas grafitadas en micras.

2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el área superficial BET es menor que 1, 5 metros cuadrados por gramo y el tamaño medio de la dimensión más larga de las partículas grafitadas se encuentra entre 7 y 9 micras.

3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende seleccionar un coque verde que presenta una densidad real de menos que 1, 7 gramos por centímetro cúbico, en el que el coque verde seleccionado proporciona el coque regular que se muele.

4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende retirar sustancialmente todas las partículas de coque que presentan un tamaño de partícula en la dimensión más larga que es menor que 1 micra, en el que la molienda forma las partículas en las cuales el tamaño medio de la dimensión más larga de las partículas de coque es menor que 15 micras.

5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el coque regular es coque verde.

6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el grafitado tiene lugar a una temperatura de al menos 2200 ºC.

7. Un polvo de material carbonáceo revestido que comprende:

partículas molidas carbonáceas que tienen una capa de revestimiento, en la que la capa de revestimiento está formada por un material formador de residuo de carbono oxidado y grafitado y las partículas del interior de una muestra de polvo presentan un área superficial BET en metros cuadrados por gramo que viene definido por medio de y : -0, 183x +3, en la que y es el área superficial BET y x es el tamaño medio de la dimensión más larga de las partículas en micras.

8. El polvo de acuerdo con la reivindicación 7, en el que las partículas de la muestra presentan una proporción media de aspecto de entre 3:1 y 5:1.

9. El polvo de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el tamaño medio de la dimensión más larga de las partículas dentro de la muestra se encuentra entre 7 y 9 micras.

10. El polvo de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el área superficial BET es menor que 1, 3 metros cuadrados por gramo y el tamaño medio de la dimensión más larga de las partículas grafitadas se encuentra entre 7 y 9 micras.

11. El polvo de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la muestra se encuentra sustancialmente libre de partículas con una dimensión más larga menor que 1 micra.

12. Una batería recargable, que comprende:

un polvo de ánodo formado por partículas a partir de un material de precursor de coque regular y un revestimiento de material formador de residuo de carbono sobre el mismo, que se ha estabilizado de forma oxidativa y se ha sometido a grafitado, en el que y : -0, 183x + 3, en la que y es el área superficial BET de las partículas dentro de una muestra de polvo definida en metros cuadrados por gramo y x es el tamaño medio de las partículas en micras.

13. La batería recargable de acuerdo con la reivindicación 12, en la que la proporción media de aspecto de las partículas en el interior de la muestra se encuentra entre 3:1 y 5:1.

14. La batería recargable de acuerdo con la reivindicación 12, en la que sustancialmente ninguna partícula dentro de

la muestra presenta una dimensión más larga menor que 1 micra.

15. La batería recargable de acuerdo con la reivindicación 12, en la que el tamaño medio de partícula de la dimensión más larga de las partículas dentro de la muestra es menor que 10 micras y al menos 95% de las partículas del interior de la muestra presenta una dimensión más larga mayor que 3 micras.

(Técnica anterior)