用于交指型共擠出的結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電極結(jié)構(gòu)，其具有至少第一材料和第二材料的交指型層，所述第二材料具有高于或類似于所述第一材料的電導(dǎo)率，并比所述第一材料更離子導(dǎo)電，所述兩種材料的橫截面為非矩形的。
【專利說明】用于交指型共擠出的結(jié)構(gòu)
【背景技術(shù)】
[0001]存在其中電池、燃料電池、電氣互連、超電容器等受益于不同材料的緊密間隔的交指型條的許多應(yīng)用。這些材料可使用如美國專利公布2012/0156364中所述的共擠出印刷頭(具有美國專利7，799，371中所示的類似的但替代的印刷頭)共擠出。由此而言，被共擠出意指當材料流動時，材料不混合。然而，所得結(jié)構(gòu)在橫截面形式下具有矩形幾何形狀，且在垂直于交指型幾何形狀的方向上具有直線均勻的印刷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]然而，建模已顯示非矩形橫截面幾何形狀在電容和能量密度方面具有性能提高增益。通常，電極得自狹縫式涂布過程或薄膜和半導(dǎo)體制造技術(shù)。這些方法仍未達到大規(guī)模制備結(jié)構(gòu)化電極的成本有效性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]圖1顯示了 一個現(xiàn)有技術(shù)交指型結(jié)構(gòu)。
[0004]圖2-3顯示了交指型結(jié)構(gòu)的實施例。
[0005]圖4顯示了交指型結(jié)構(gòu)的一個現(xiàn)有技術(shù)實施例。
[0006]圖5-6顯示了交指型結(jié)構(gòu)的實施例。
[0007]圖7顯示了電池結(jié)構(gòu)的一個實施例。
[0008]圖8和9顯不了用于現(xiàn)有技術(shù)和裡結(jié)構(gòu)的目如實施例的材料利用率的標圖。
[0009]圖10顯示了現(xiàn)有技術(shù)與鋰結(jié)構(gòu)的目前實施例之間的放電性能的標圖。
[0010]圖11和12顯示了擠出材料的波狀圖案的實施例。
【具體實施方式】
[0011]圖1-6顯示了使用共擠出印刷頭(如美國專利7，799，371中所示)而形成的結(jié)構(gòu)的各種實施例。圖1顯示了電極結(jié)構(gòu)10的一個現(xiàn)有技術(shù)實施例。結(jié)構(gòu)具有以較寬部分與第二材料14相互交叉的第一材料12。材料12由緊密堆積的活性電極材料組成，材料14由高度多孔的材料組成以用于提高離子電導(dǎo)率或電導(dǎo)率。材料14可具有第一材料的更高或相同的電導(dǎo)率，且更有可能具有更高的離子電導(dǎo)率。
[0012]圖4顯示了類似的現(xiàn)有技術(shù)方案，不同的是區(qū)域34得自已被去除的犧牲材料。僅有致密區(qū)域(如32)保留。在電池電極的實施例中，這將允許電解質(zhì)填充區(qū)域。
[0013]圖2-3顯示了緊密堆積的區(qū)域18和24，以及具有非矩形橫截面的多孔區(qū)域20和26。通過控制過程條件，如壓力調(diào)節(jié)、流體流量和流體流變學(xué)，可獲得結(jié)構(gòu)16和22。對于流體流變學(xué)，兩個材料的粘度應(yīng)該以類似的密度匹配。然而，由于導(dǎo)電材料的濃度，密度可能不同，但粘度的匹配仍然重要。
[0014]區(qū)域18和24的非矩形橫截面允許更好地控制電極結(jié)構(gòu)16和22上的濃度梯度。這些結(jié)構(gòu)具有暴露于多孔區(qū)域的緊密堆積區(qū)域的更大的表面積。在電池電極上的更大的濃度梯度導(dǎo)致更大的歐姆電壓降，這影響電池的能量密度和功率密度。通過控制濃度梯度，可避免大的梯度并增加電池的效率。非矩形橫截面可具有尖角或圓角。
[0015]圖5和6顯示了類似的結(jié)構(gòu)36和42，它們具有緊密堆積材料的非矩形區(qū)域38和44以及諸如40和46的非矩形空間。在這些結(jié)構(gòu)中，空間將填充電解質(zhì)材料，從而將緊密堆積材料的更大表面積暴露于電解質(zhì)。
[0016]圖7顯示了電池模型的簡化方塊圖，所述電池模型用于確定非矩形電極橫截面相比于矩形橫截面實施例的性能改進。結(jié)構(gòu)50具有集電器邊界52。在該實施例中，陽極54由厚度在50微米范圍內(nèi)的鋰箔組成。分離器56將陽極52與陰極結(jié)構(gòu)58分開。在該實施例中，陰極結(jié)構(gòu)58由緊密堆積材料和高度多孔的材料的交替區(qū)域組成。盡管圖7的方塊圖將這些區(qū)域顯示為矩形，它們實際上具有圖2和3的形狀。在該實施例中，緊密堆積的區(qū)域由70%濃度的活性材料的氧化鈷鋰(LCO)組成，高度多孔的區(qū)域由40%濃度的LCO組成。
[0017]材料可為具有任何范圍的活性材料濃度的任何類型的電池材料，但通常高度多孔的區(qū)域具有比致密區(qū)域更少的活性材料。此外，材料可用于不同于電池的其他結(jié)構(gòu)中?？墒褂玫牟牧系睦影ㄑ趸掍?LC0)、氧化錳鈷鎳鋰(NCM)、或兩者的混合物。其他材料可包括氧化鋁鈷鎳鋰(NCA)、氧化錳鋰(LMO)、磷酸鐵鎳(LFeP)。陽極材料可為鈦酸鋰(LTA)。
[0018]圖8和9分別顯示了在‘1C’放電之后圖1和圖2的電極結(jié)構(gòu)的材料利用率的標圖，其中施加的電流密度為12.9mA/cm2?！瓹’速率放電為電池相對于其最大電容放電的速率的量度?！?C’速率為電池在I小時內(nèi)放出其全部電容的電流。結(jié)構(gòu)的多孔區(qū)域與致密區(qū)域之間的質(zhì)量和體積守恒，僅有的區(qū)別為橫截面的幾何形狀。在IC速率下，圖2的結(jié)構(gòu)具有比圖1的結(jié)構(gòu)大大約10%的活性材料利用率。
[0019]下表中的電容、能量和功率數(shù)顯示了結(jié)構(gòu)之間的相對性能改進而不是氧化鈷鋰可實現(xiàn)的絕對性能改進。圖10結(jié)合下表顯示了使用非矩形結(jié)構(gòu)獲得的能量、功率和電容增益。在圖10中的圖中，上方的線為圖2的結(jié)構(gòu)，下方的線為圖1的結(jié)構(gòu)。標圖顯示，相比于圖1的結(jié)構(gòu)，圖2的結(jié)構(gòu)具有更長的運行時間和更低的電壓降。這是由于活性材料利用率的增加和陰極結(jié)構(gòu)中更低的濃度梯度。
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種電極結(jié)構(gòu),其包括: 至少第一材料和第二材料的交指型層，所述第二材料具有高于或類似于所述第一材料的電導(dǎo)率，并比所述第一材料更離子導(dǎo)電，所述兩種材料的橫截面為非矩形的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第二材料包括電解質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié) 構(gòu)，其中所述第一材料為陰極材料或陽極材料中的一者。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述非矩形橫截面具有尖角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述非矩形橫截面具有圓角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第二材料為犧牲材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中相比于所述第一材料，所述第二材料具有更高的孔隙率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述交指型層包括波狀或起伏圖案中的一者。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述交指型層在印刷方向上包括直的單片圖案。
【文檔編號】H01M4/13GK103904297SQ201310673712
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】C·L·科布 申請人:帕洛阿爾托研究中心公司