用于制造較厚電極的多層電池電極設(shè)計(jì)的制作方法
【專利說明】用于制造較厚電極的多層電池電極設(shè)計(jì)
[0001] Μ? [0002] 領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明的實(shí)施例大體涉及大容量蓄能裝置及用于制造大容量蓄能裝置的方法及 設(shè)備。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)的描述
[0005] 諸如超級電容器及鋰離子（Li-ion)電池的快速充電的大容量蓄能裝置的應(yīng)用 數(shù)目不斷增長，包括可攜式電子裝置、醫(yī)療、運(yùn)輸、并聯(lián)大型蓄能、再生蓄能，及不斷電電源 (uninterruptible power supply ；UPS)〇
[0006] 同代、次代，及可充電的蓄能裝置通常包括陽極電極、陰極電極、定位于陽極電極 與陰極電極之間的隔板，及至少一個集電器。用于正集電器（陰極）的材料的實(shí)例通常包 括錯（Al)、不銹鋼（stainless steel ;SST)，及鎳（Ni)。用于負(fù)集電器（陽極）的材料的 實(shí)例通常包括銅（Cu)，但亦可使用不銹鋼（stainless steel ;SST)及鎳（Ni)。
[0007] 鋰離子電池的活性陰極材料通常選自范圍廣泛的鋰過渡金屬氧化物。實(shí)例包括尖 晶石結(jié)構(gòu)的氧化物（LiMn 2O4(LMO))、LiNia5Mr^5O4(LMNO)、層式結(jié)構(gòu)（LiCoO 2、鋰鎳錳鈷氧化 物（NMC))、鋰鎳鈷鋁氧化物（NCA)、橄欖石結(jié)構(gòu)（例如LiFePO4),及上述各者的組合。
[0008] 活性陽極材料大體基于碳（石墨或硬質(zhì)碳），粒度約為5-15 μ m。基于硅（Si)及 錫（Sn)的活性材料目前正作為下一代陽極材料而得以開發(fā)。所述兩者所具有的容量顯著 高于基于碳的電極。Li 15Si4的容量為約3580mAh/g，而石墨的容量則小于372mAh/g。基于 Sn的陽極可達(dá)到高于900mAh/g的容量，此容量遠(yuǎn)高于大多數(shù)陰極材料能夠達(dá)到的容量。由 此，在平衡的鋰離子單元中，預(yù)計(jì)陰極將繼續(xù)重于陽極。
[0009] 目前，活性材料僅占電池單元的總成分重量百分比的不到50%。制造含有更多活 性材料的較厚電極的能力將通過降低非活性元素的所占百分比來顯著增加電池能量密度 及降低電池單元的生產(chǎn)成本。然而，電極厚度目前受目前所用材料的利用率及機(jī)械性質(zhì)所 限制。
[0010] 由此，所屬技術(shù)領(lǐng)域中需要更快充電、更大容量的蓄能裝置，所述裝置更小、更輕， 及可以較高生產(chǎn)率進(jìn)行更具成本效益的制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的實(shí)施例大體涉及大容量蓄能裝置及制造大容量蓄能裝置的方法及設(shè)備。 在一個實(shí)施例中，提供用于形成多層陰極結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包含以下步驟：提供導(dǎo)電基 板；沉積包含陰極活性材料的第一漿料混合物以在導(dǎo)電基板之上形成第一陰極材料層；沉 積包含陰極活性材料的第二漿料混合物以在第一陰極材料層之上形成第二陰極材料層，及 壓縮剛沉積的第一陰極材料層及第二陰極材料層以達(dá)到所需的孔隙率。
[0012] 附圖簡單說明
[0013] 為使本發(fā)明的上述特征可被詳細(xì)理解，可通過參考實(shí)施例對上文簡要概括的本發(fā) 明進(jìn)行更為具體的描述，所述實(shí)施例中的一些實(shí)施例在附圖中進(jìn)行圖示。然而，應(yīng)注意，附 圖僅圖示本發(fā)明的典型實(shí)施例，及因此將不被視作限制本發(fā)明的范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可認(rèn)可 其它同等有效的實(shí)施例。
[0014] 圖IA為具有雙側(cè)電極的部分電池單元的示意圖，所述雙側(cè)電極具有根據(jù)本文中 所述的實(shí)施例形成的一或多個電極結(jié)構(gòu)；
[0015] 圖IB為具有單側(cè)電極的部分電池單元的示意圖，所述單側(cè)電極具有根據(jù)本文中 所述的實(shí)施例形成的一或多個電極結(jié)構(gòu)；
[0016] 圖2A-2C為根據(jù)本文中所述的實(shí)施例形成的部分多層陰極電極結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施 例的橫剖面示意圖；
[0017] 圖3為工藝流程圖，所述圖概述根據(jù)本文中所述的實(shí)施例用于形成多層陰極電極 結(jié)構(gòu)的方法的一個實(shí)施例；
[0018] 圖4A-4D為根據(jù)本文中所述的實(shí)施例形成的部分多層陰極電極結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施 例的橫剖面示意圖；
[0019] 圖5為工藝流程圖，所述圖概述根據(jù)本文中所述的實(shí)施例用于形成部分多層陰極 電極結(jié)構(gòu)的方法的一個實(shí)施例；
[0020] 圖6A-6F為根據(jù)本文中所述的實(shí)施例形成的部分多層陰極電極結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施 例的橫剖面示意圖；及
[0021] 圖7為工藝流程圖，所述圖概述根據(jù)本文中所述的實(shí)施例用于形成多層陰極電極 結(jié)構(gòu)的方法的一個實(shí)施例。
[0022] 為促進(jìn)理解，已在可能的情況下使用相同元件符號以指示所述圖中共享的相同元 件。設(shè)想一個實(shí)施例中公開的元件可有益地用于其它實(shí)施方式而無需贅述。
[0023] 具體描述
[0024] 本發(fā)明的實(shí)施例大體涉及大容量蓄能裝置及用于制造大容量蓄能裝置的方法及 設(shè)備。用于高能量密度電池的一個典型陰極材料為1^(附鄭^〇> 2階￥+2=1)，例如鋰鎳 錳鈷氧化物或"NMC"。陽極材料通?；谑?。NMC及石墨電極都為多孔狀，典型孔隙率范 圍在25%至35%之間?？捎秒娊赓|(zhì)填充多孔狀空間。示例性電解質(zhì)可含有溶劑及鋰鹽， 諸如具有 LiPF6 鹽的碳酸乙酯（ethyl carbonate ;EC)/碳酸二乙酯（diethyl carbonate; DEC)溶劑。在放電過程期間，鋰離子自鋰化石墨顆粒中向外擴(kuò)散。然后，鋰離子擴(kuò)散穿過石 墨顆粒之間填充電解質(zhì)的多孔狀空間及穿過隔板以到達(dá)陰極。然后，鋰離子擴(kuò)散穿過陰極 顆粒之間的電解質(zhì)及最終插入陰極顆粒。
[0025] 為增大電池單元能量密度，非常需要將更多材料"壓實(shí)"至每一電池單元內(nèi)以增大 電極負(fù)載（mAh/cm 2)。用于增大電極負(fù)載的一種方法是增加每一單位電極面積中的活性材 料用量，亦即制造較厚電極及/或增大電極材料的密度。然而，用于生產(chǎn)較厚電極的目前生 產(chǎn)工藝不僅繁復(fù)，而且所生產(chǎn)的電極遭受缺少黏附性、缺少內(nèi)聚性，及循環(huán)疲勞的缺點(diǎn)。
[0026] 在本文所述的某些實(shí)施例中，提供用于能實(shí)現(xiàn)較厚電極的制造的多層電池電極設(shè) 計(jì)。在某些實(shí)施例中，并非僅提供較厚/較密集電極，而是亦提供用于在縮短生產(chǎn)時間的情 況下生產(chǎn)較厚電極的工藝。在某些實(shí)施例中，多層電極中的每一層具有不同性質(zhì)（例如孔 隙率、表面積、電極組成），或多層電極中每一層具有不同的活性材料化學(xué)性質(zhì)。例如，多層 電極的層在以下各個方面中的至少一個方面可相對于其它層有所不同：用以形成每一層的 漿料組合物、每一層的孔隙率、用以形成每一層的活性材料、活性材料顆粒的粒度、每一層 中顆粒的模態(tài)粒度分布，及活性材料的振實(shí)密度。
[0027] -般認(rèn)為，本文中所述的這些多層電池電極設(shè)計(jì)與具有均勻性質(zhì)的單層電極相比 將導(dǎo)致⑴更高功率；（ii)更長的循環(huán)。
[0028] 盡管在一些實(shí)施例中作為兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述，但應(yīng)理解，包含不同材料、粒度，及/ 或密度的任何數(shù)目的層可用以形成本文中所述的多孔狀陰極結(jié)構(gòu)。在形成雙側(cè)電極的某些 實(shí)施例中，可使用雙側(cè)沉積工藝將每一多孔狀層同時沉積在基板的相對側(cè)上。
[0029] 本文中所述的多層電極設(shè)計(jì)包括以下電極結(jié)構(gòu)：（i)兩個或更多個電極層，所述 電極層中的每一層中包括不同漿料組成，從而導(dǎo)致層間有不同孔隙率；（ii)兩個或更多個 電極層，所述電極層中的每一層中包括不同活性材料；（iii)兩個或更多個電極層，所述電 極層中的每一層中包括相同活性材料的不同粒度，從而導(dǎo)致層間有不同表面積及/或不同 孔隙率；（iv)兩個或更多個電極層，所述電極層包括層間不同粒度分布（例如單模態(tài)、雙模 態(tài)、多模態(tài)）；(v)兩個或更多個電極層，所述電極層中的每一層中包括不同電極組成（黏合 劑、導(dǎo)電性添加劑、活性材料）；(vi)兩個或更多個電極層，所述電極層具有振實(shí)密度不同 的材料；及⑴至（vi)中任何的組合。不同工藝技術(shù)亦可用以形成⑴至（vi)中所列舉 的層。
[0030] 圖IA為具有雙側(cè)電極的部分電池單元100的示意圖，所述雙側(cè)電極具有根據(jù)本文 中所述的實(shí)施例形成的一或多個電極結(jié)構(gòu)（陽極l〇2a、102b及/或陰極103a、103b)。部分 電池單元雙層100可為鋰離子電池單元雙層。陰極結(jié)構(gòu)103 (103a及103b)可為本文中所 述的多層電極結(jié)構(gòu)中的任一個。圖IB為部分電池單元120的示意圖，所述部分電池單元具 有根據(jù)本文中所述的實(shí)施例形成的一或多個電極結(jié)構(gòu)。部分電池單元雙層120可為鋰離子 電池單元雙層。根據(jù)本文中所述的一個實(shí)施例，電池單元100、120電連接至負(fù)載101。電池 單元雙層100的主要功能部件包括陽極結(jié)構(gòu)102a、102b、陰極結(jié)構(gòu)103a、103b、隔板層104a、 104b及115,集電器111及113,及安置在隔板層104a與隔板層104b之間的區(qū)域內(nèi)的可選 電解質(zhì)（未圖示）。電池單元120的主要功能部件包括陽極結(jié)構(gòu)102b、陰極結(jié)構(gòu)103b、隔 板115、集電器111及113,及安置在集電器111與集電器113之間的區(qū)域內(nèi)的可選電解質(zhì) (未圖示）。多種材料可用作電解質(zhì)，例如，有機(jī)溶劑中的鋰鹽?？蓪㈦姵貑卧?00、120密 封在適合的封裝中，所述封裝具有用于集電器111及113的導(dǎo)線。
[0031] 可將陽極結(jié)構(gòu)102a、102b、陰極結(jié)構(gòu)103a、103b，及隔板層104a、104b及115浸沒 在隔板層l〇4a與隔板層104b之間形成的區(qū)域中的電解質(zhì)中。應(yīng)理解，圖顯示部分示例性 結(jié)構(gòu)，及在某些實(shí)施例中，可將額外的陽極結(jié)構(gòu)、陰極結(jié)構(gòu)及集電器添加至結(jié)構(gòu)。
[0032] 陽極結(jié)構(gòu)102b可包括金屬陽極集電器111及根據(jù)本文中所述的實(shí)施例形成的活 性材料。陽極結(jié)構(gòu)可為多孔狀。其它示例性活性材料包括石墨碳、鋰、錫、硅、鋁、銻、錫硼鈷 氧化物，及鋰鈷氮化物（例如Li 3 2xC〇xN(0.1 = X = 0. 44))。同樣，陰極結(jié)構(gòu)103b可分別包 括陰極集電器113及根據(jù)本文中所述的實(shí)施例形成的第二活性材料。集電器111及113由 諸如金屬的導(dǎo)電材料制成。在一個實(shí)施例中，陽極集電器111包含銅，且陰極集電器113包 含鋁。隔板115用以防止陽極結(jié)構(gòu)102b與陰極結(jié)構(gòu)103b中的部件之間的直接電接觸。隔 板115可為多孔狀。
[0033] 位于電池單元100、120的陰極側(cè)或正電極上的活性材料可包含含鋰金屬氧化 物，例如二氧化鋰鈷（LiCoO 2)或二氧化鋰錳（LiMnO2)、LiCo02、LiNi02、LiNi xCoyO2(例 如 LiNiasCoa2O2)、LiNixCo yAlz02(例如 LiNiasCoai5Ala05O2)、LiMn 2O4' LixMgyMnzO4(例如 LiMga5Mnh5O4)、LiNixMn yO2 (例如 LiNia5Mnh5O4)、LiNixMn yCozO2 (例如 LiNiM