電極結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 通常地描述了電極結(jié)構(gòu)及其制造方法。在特定實(shí)施例中，電極結(jié)構(gòu)可W包括包含 相對(duì)它們的凸殼的凹陷（indentation)的多個(gè)顆粒。
【背景技術(shù)】
[0002] 電化學(xué)電池通過(guò)在不同的電化學(xué)電勢(shì)處分開(kāi)離子源與離子槽存儲(chǔ)能量。典型的電 化學(xué)電池具有陰極和陽(yáng)極，其參與電化學(xué)反應(yīng)W產(chǎn)生電力。通過(guò)與陽(yáng)極和陰極連通的電解 質(zhì)傳輸離子。在許多電化學(xué)電池中，在一個(gè)或兩個(gè)電極內(nèi)維持足夠水平的空隙體積是重要 的，為了確保電解質(zhì)可W在電極內(nèi)訪問(wèn)電極活性材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 通常地描述了電極結(jié)構(gòu)及其制造方法。在特定實(shí)施例中，所述電極結(jié)構(gòu)可W包括 包含相對(duì)它們的凸殼的凹陷的多個(gè)顆粒。本發(fā)明的主題設(shè)及，在一些情況下，相關(guān)的制品、 特定問(wèn)題的備選解決方案，和/或一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)和/或物品的多個(gè)不同使用。
[0004] 在一方面中，描述了在電化學(xué)電池中使用的電極。在特定實(shí)施例中，所述電極包 含限定多孔支撐結(jié)構(gòu)的顆粒的組裝，其中在所述顆粒的組裝中的每個(gè)顆粒具有幾何顆粒體 積，所述顆粒的組裝具有通過(guò)每個(gè)所述單個(gè)幾何顆粒體積的總和限定的總幾何顆粒體積， 在所述顆粒的組裝中的每個(gè)顆粒具有限定凸殼體積的凸殼，并且至少大約50%的所述總幾 何顆粒體積是由具有至少一個(gè)凹陷的顆粒構(gòu)成，W使得對(duì)于每個(gè)運(yùn)樣的顆粒，所述幾何顆 粒體積小于大約75 %的所述顆粒的所述凸殼體積。在特定實(shí)施例中，電極活性材料基本上 被包含在所述多孔支撐結(jié)構(gòu)的孔之內(nèi)。 陽(yáng)0化]也提供包括此處描述的所述電極的電化學(xué)電池。
[0006] 同樣提供用于制造此處描述的所述電極和電化學(xué)電池的發(fā)明的方法。
[0007] 當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，從本發(fā)明的各種非限制性實(shí)施例的下文具體說(shuō)明書(shū)中，本發(fā) 明的其它優(yōu)勢(shì)和新穎性特征將變得顯而易見(jiàn)。如果在運(yùn)種情況下，本說(shuō)明書(shū)和通過(guò)引用并 入的文檔包括沖突和/或不一致的公開(kāi)內(nèi)容，本說(shuō)明書(shū)應(yīng)控制。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 通過(guò)實(shí)例參考附圖的方式將描述本發(fā)明的非限制性實(shí)施例，附圖為示意性的并且 不旨在按比例繪制。在圖中，通過(guò)單個(gè)標(biāo)號(hào)典型地表示示出的每個(gè)相同或幾乎相同的部 件。為了清楚起見(jiàn)，不是每個(gè)部件被標(biāo)記在每個(gè)圖中，也不是本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例的每個(gè)部 件被示出，其中示出對(duì)于本領(lǐng)域中的那些普通技術(shù)人員來(lái)理解本發(fā)明并不是必要的。在圖 中：
[0009] 圖1A-1B為根據(jù)特定實(shí)施例的顆粒和顆粒的凸殼的示意性透視圖，其可W被用 于，例如，W形成多孔支撐結(jié)構(gòu)；
[0010] 圖2A-2B為根據(jù)特定實(shí)施例的顆粒和顆粒的凸殼的示意性透視圖，其可W被用 于，例如，W形成多孔支撐結(jié)構(gòu)； W11] 圖2C-2D為可W被在電極內(nèi)使用的顆粒的示例性截面示意圖；
[0012] 圖3為根據(jù)一些實(shí)施例形成多孔支撐結(jié)構(gòu)的顆粒的組裝的示意性截面圖。
[0013] 圖4A-4B為示例性顆粒的示意性截面圖；
[0014] 圖5為根據(jù)一些實(shí)施例的概括用于制造適于在多孔支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)使用的顆粒的流 程的示意圖；W及
[0015] 圖6為根據(jù)特定實(shí)施例的電化學(xué)電池的示例性截面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 通常地描述了電極結(jié)構(gòu)及其制造方法。在特定實(shí)施例中，電極結(jié)構(gòu)可W包括多個(gè) 顆粒，其中顆粒包含相對(duì)它們的凸殼的凹陷。隨著將顆粒移動(dòng)幾乎彼此靠近或接觸，顆粒的 凹陷可W限定在顆粒之間的孔。此外，當(dāng)將包括相對(duì)它們的凸殼的凹陷的顆粒相對(duì)彼此移 動(dòng)時(shí)，凹陷的存在可W確保在顆粒之間未導(dǎo)致完全的接觸（即，在顆粒之間保留一些空間） 并且在組裝體化Ulk)內(nèi)維持空隙體積。因此，將包括具有相對(duì)它們的凸殼的凹陷的顆粒的 電極可W配置W經(jīng)受力到電極的施加，同時(shí)基本上維持電極空隙體積（并且，因此，性能）。 相比于球體或包括基本上填充所有的它們的凸殼的邊界的其它顆粒，具有相對(duì)它們的凸殼 的凹陷的顆粒也占相對(duì)小的體積，允許引入期望的數(shù)量的孔隙體積，同時(shí)降低在通過(guò)顆粒 材料占的電極內(nèi)的體積的百分比。
[0017] 此處物品（例如，顆粒）的"凸殼"用W描述限定最小理論體積的表面，其中從在 物品中或在物品上的任何第一點(diǎn)延伸到在物品中或在物品上的任何第二點(diǎn)的任何線段的 整體落入理論體積，即"凸殼體積"。物品的凸殼體積可W被認(rèn)為是相似于在材料的靈活頁(yè) 中通過(guò)拉緊包裝物品限定的體積。在任何時(shí)間形成相對(duì)凸殼的凹陷，幾何顆粒體積占小于 凸殼體積的體積；在運(yùn)樣的情況下，凹陷對(duì)應(yīng)于通過(guò)凸殼占的而沒(méi)有通過(guò)幾何顆粒體積占 的體積。如在下文更詳細(xì)的描述，顆粒包含相對(duì)其凸殼的凹陷的程度可W被通過(guò)幾何顆粒 體積除W顆粒的凸殼體積而量化。使用該方法計(jì)算的相對(duì)小的百分比的顆粒據(jù)說(shuō)比使用該 方法計(jì)算的相對(duì)大的百分比的顆粒有更多的縮進(jìn)。
[001引圖1A-1B為示出立維六角星（例如，插孔的形狀）的凸殼的示例性示意圖。在 圖IA中示出六角星。在圖IB中示出的六角星的凸殼對(duì)應(yīng)于八面雙錐體（8-sideddouble pyramid)。圖2A-2B為示出中空半球體的凸殼的示例性示意圖。在圖2A中示出中空半球 體，而在圖2B中示出凸殼（固體半球）。給出本公開(kāi)內(nèi)容，在本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員能夠 確定任何給定形狀的凸殼的尺寸和形狀。
[0019] 如此處所使用，物品（例如，顆粒、電極等）的"外部幾何表面"設(shè)及通常順應(yīng) (con化rm)物品的最外層邊界的表面，但不順應(yīng)孔或其它凹陷的表面，其具有小于物品的 最大橫截面尺寸的10%的最大外部表面橫截面尺寸。在許多實(shí)施例中，物品的外部幾何表 面為通過(guò)宏觀測(cè)量工具（例如，尺子）測(cè)量的，并且不包括內(nèi)部表面區(qū)域（例如，在諸如多 孔支撐結(jié)構(gòu)的多孔材料的孔內(nèi)的區(qū)域）。在圖IA中示出在圖1A-1B中的顆粒100的外部幾 何表面。如果在圖IA中的顆粒100為多孔，并且顆粒的所有的孔具有小于顆粒100的最大 橫截面尺寸（如在圖IA中示出的尺寸111)的10 %的橫截面尺寸，然后，顆粒100的外部幾 何表面將仍然對(duì)應(yīng)于在圖IA中示出的表面。
[0020] 顆粒的"幾何顆粒體積"被使用W指的是通過(guò)顆粒的外部幾何表面限制的體積。多 個(gè)顆粒的"總幾何顆粒體積"指的是顆粒的各幾何顆粒體積的總和。
[0021] 電極的"幾何電極體積"被使用W指的是通過(guò)電極的外部幾何表面定界的體積。多 孔支撐結(jié)構(gòu)的"幾何多孔支撐結(jié)構(gòu)體積"被使用W指的是通過(guò)多孔支撐結(jié)構(gòu)的外部幾何表 面限制的體積。
[00巧物品（例如，顆粒、電極等）的"最大橫截面尺寸"指的是在可被測(cè)量的物品的兩 個(gè)相反邊界之間的最大距離。在本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將能夠測(cè)量物品（例如，電極、顆 粒等）的最大橫截面尺寸，例如，通過(guò)人工測(cè)量，通過(guò)分析物品的掃描電子顯微照片（SEM)， 或者通過(guò)對(duì)于在本領(lǐng)域中的那些普通技術(shù)人員已知的其它適合的方法。
[0023] 在顆粒中的孔或其它凹陷的"最大外部表面橫截面尺寸"為在沿顆粒的幾何表面 測(cè)量的孔或其它特征的兩點(diǎn)之間的最大尺寸。例如，對(duì)于10-微米直徑圓柱形孔，其延伸通 過(guò)1毫米球形顆粒（導(dǎo)致1毫米長(zhǎng)度的孔）的中屯、，孔的最大表面橫截面尺寸將為10微米。
[0024] 設(shè)及多孔支撐結(jié)構(gòu)的形成的特定實(shí)施例包含多個(gè)孔。如此處所使用，"孔"指的 是如使用ASTM標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試D4284-07測(cè)量的孔，并且通常指的是管道、空隙或通道，至少其部 分被通過(guò)介質(zhì)圍繞，在其中形成孔。通常，在材料內(nèi)的被通過(guò)材料完全地圍繞（因此，不能 從外部訪問(wèn)物質(zhì)，例如，封閉的電池）的空隙，不被認(rèn)為在本發(fā)明的上下文內(nèi)的孔。應(yīng)當(dāng)理 解，在物品包含顆粒的團(tuán)聚的情況下，孔包括顆粒間的孔（即，當(dāng)它們被堆積在一起時(shí)，那 些孔被在顆粒之間限定，例如空隙）和顆粒內(nèi)的孔（即，那些孔位于在各顆粒的外部幾何表 面）?？装魏芜m合的橫截面形狀，該任何適合的橫截面形狀包括不規(guī)則形狀和規(guī)則形狀 (例如，基本上圓形形狀、基本上楠圓形狀、基本上多邊形形狀等等）。
[0025] 如此處所使用，在多孔支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的"空隙體積"指的是在多孔支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的部 分，該部分沒(méi)有被電極活性材料、多孔支撐結(jié)構(gòu)顆粒、結(jié)合劑或提供結(jié)構(gòu)支撐的其它材料所 占。在多孔支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙體積通常包括在顆粒中的孔的體積，從其中形成支撐結(jié)構(gòu)W 及在顆粒之間的間隙。在本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員能夠通過(guò)進(jìn)行，例如，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)測(cè) 試D4284-07的壓隸法確定在多孔支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的空隙體積，其通過(guò)引用整個(gè)內(nèi)容并入到此 處用于所有目的。
[0026] 如此處所使用，物品（例如，多孔支撐結(jié)構(gòu)、電極等）的"總孔隙度百分比"指的是 由空隙體積占的物品的幾何體積的百分比。例如，多孔支撐結(jié)構(gòu)的總孔隙度百分比將通過(guò) 多孔支撐結(jié)構(gòu)的空隙體積除W幾何多孔支撐結(jié)構(gòu)體積而確定。 陽(yáng)027] 在特定實(shí)施例中，用于形成電極的顆?？蒞包含多個(gè)價(jià)點(diǎn)（valencepoint)和 /或臂（arm)。如此處所使用，"價(jià)點(diǎn)"為在顆粒的外部幾何表面上的任何運(yùn)樣的位置，在 任何方向上遠(yuǎn)離該位置并且沿顆粒的外部幾何表面的移動(dòng)導(dǎo)致更靠近顆粒質(zhì)量中屯、的移 動(dòng)。例如，從顆粒的中屯、體延伸的臂的尖端為價(jià)點(diǎn)的一個(gè)實(shí)例。此處通常使用的術(shù)語(yǔ)"價(jià)性 (valency)"指的是在結(jié)構(gòu)中的價(jià)點(diǎn)的數(shù)量。例如，具有3價(jià)性的顆粒將具有3價(jià)點(diǎn)。
[0028] 在特定實(shí)施例中，此處描述的顆?？蒞包含多個(gè)超價(jià)點(diǎn)（supervalencepoint)。 術(shù)語(yǔ)"超價(jià)點(diǎn)"被用于描述限定凸殼的邊界的任何價(jià)點(diǎn)。下文示出超價(jià)點(diǎn)的實(shí)例。通 常，所有超價(jià)點(diǎn)為價(jià)點(diǎn)，但并不是所有價(jià)點(diǎn)為超價(jià)點(diǎn)。此處通常使用的術(shù)語(yǔ)"超價(jià)性 (supervalency)"指的是在結(jié)構(gòu)中的超價(jià)點(diǎn)的數(shù)量。例如，具有3超價(jià)性的顆粒將具有3超 價(jià)點(diǎn)。
[0029] Scordilis-Kelley等人于2009年8月4日提交的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào) 2010/0035128,標(biāo)題"ApplicationofForceinElectrChemicalCells"描述在用于改 善電極化學(xué)、形態(tài)和/或其它特性的電化學(xué)電池中力的應(yīng)用，其可W改善性能。例如，一些 電化學(xué)電池經(jīng)受設(shè)及在電極的表面上的金屬的剝離和沉積的充電/放電循環(huán)（例如，在裡 陽(yáng)極的表面上的裡金屬的剝離與沉積）。在一些情況下，伴隨剝離與沉積可W伴隨有在電極 表面上的金屬與其它電池成分（諸如電解質(zhì)成分）的寄生反應(yīng)。由于電化學(xué)電池經(jīng)受反復(fù) 的充電/放電循環(huán)，電極的一個(gè)或多個(gè)表面變得不均勻，運(yùn)經(jīng)常由于在電解質(zhì)中溶解的離 子的不均勻再沉積。電極的一個(gè)或多個(gè)表面的粗糖可W導(dǎo)致漸增地欠佳的電池性能?？闺?極活性材料的不均勻再沉積的不利影響的一種方式為施加各向異性力到受影響的電極。然 而，施加各向異性力到一個(gè)電極可W減少其它電極的孔尺寸和/或空隙體積。在許多電化 學(xué)電池中，例如，通過(guò)限制電解質(zhì)被傳輸?shù)皆陔姌O內(nèi)的電極活性材料的程度，減少電極的孔 尺寸和/或空隙體積可W降低電池性能。
[0030] 因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在電極（例如，在力被施加W改善陽(yáng)極的形態(tài)的特定情況下的 陰極）內(nèi)并入具有相對(duì)它們的凸殼的凹陷的顆?？蒞允許力到電化學(xué)電池的應(yīng)用，而沒(méi)有 犧牲電極的結(jié)構(gòu)完整性（包括孔隙度和空隙體積）。在此處描述的電極中使用的顆粒材料， 在特定實(shí)施例中，可W經(jīng)受電化學(xué)電池的反復(fù)充電與放電，在其中該顆粒材料被定位，不管 電極材料的溶解和再鍛敷，而沒(méi)有犧牲電極孔隙度和空隙體積。因此，在特定實(shí)施例中，提 供用于在電化學(xué)電池中使用的電極，該電極包括限定多孔支撐結(jié)構(gòu)的顆粒的組裝，其中在 顆粒的組裝中的每個(gè)顆粒具有幾何顆粒體積，顆粒的組裝具有通過(guò)每個(gè)單個(gè)幾何顆粒體積 的總和限定的總幾何顆粒體積，在顆粒的組裝中的每個(gè)顆粒具有限定凸殼體積的凸殼，并 且至少大約50%的總幾何顆粒體積是由