通過共擠出印刷而制得的先進高功率和高能量的電池電極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電池，其具有陽極、與所述陽極相鄰的分離器、和與所述陽極相對的與所述分離器相鄰的陰極，所述陰極包括交指型材料條，所述材料中的一種形成孔穴通道。
【專利說明】通過共擠出印刷而制得的先進高功率和高能量的電池電極
【背景技術(shù)】
[0001]電池電極設(shè)計通常必須在能量密度與功率密度之間獲得權(quán)衡。能量密度通常被認為是每單位質(zhì)量在給定系統(tǒng)或空間區(qū)域中所儲存的能量的量。功率密度為材料傳導(dǎo)電流的能力的量度。通常，具有高能量密度(即高儲存容量)的裝置不快速放電，這意味著它們同時不具有高功率。
[0002]在供電應(yīng)用中強烈需要增加的體積能量密度的鋰離子(Li離子)電池。在多處存在所述需要，如用于可遠程駕駛的電動車輛(EV)、混合EV和無線電動工具。具體對于EV，可使用Li離子驅(qū)動的EV的距離與體積能量密度直接相關(guān)。目前的Li離子電池對于功率要求滿足或超過美國先進電池聯(lián)盟(USABC)的目標(biāo)，但對于體積能量密度僅滿足他們推薦目標(biāo)的60%。為了增加Li離子電池的體積能量密度，重要的是降低Li離子電池中的非活性組分的體積。
[0003]圖1顯示了典型的Li離子電池10，其中活性材料由用于陰極18的氧化鈷鋰(LiCoO2)和用于陽極部分的石墨20組成。非活性部件由電解質(zhì)、粘結(jié)劑、碳、分離器14和正負集電器12和16組成。圖2顯示了在放電過程中Li離子如何通過圖1中的液體電解質(zhì)的部分20從陽極傳輸至陰極電極。使用導(dǎo)電致密電極，可發(fā)生液體電解質(zhì)24中的離子的局部消耗。該現(xiàn)象限制了臨界電流密度，在電流進一步增加時這可導(dǎo)致放電容量減小。具有更短的Li離子擴散長度22的大約100微米的更薄的電極可用于常規(guī)Li離子電池中以減小該效應(yīng)。
[0004]對于目前的EV應(yīng)用，通過堆疊許多常規(guī)薄電極的層而制得大的電池。這導(dǎo)致在這些電池中大比例的非活性組分。降低昂貴的分離器和沉重的集電器的量將大大降低費用和存在的非活性材料的量。圖4顯示，使用更厚的電極(如36)的Li離子傳輸路徑38提供了一種直接實際的解決方法，所述解決方法以增加活性材料與非活性材料的比例的方式增加Li離子電池的體積能量密度。然而，圖4顯示了使用更厚的電極(如36)的問題。由于更長的擴散路徑(如38)，電解質(zhì)消耗由于在擴散路徑中在復(fù)雜微結(jié)構(gòu)中的較差的Li離子電導(dǎo)率而增加。目前的工業(yè)制造過程限制了電極構(gòu)造可獲得的改進。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1和2顯示了常規(guī)鋰離子電池的現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造。
[0006]圖3和4顯示了使用厚電極增加鋰離子電池的體積能量密度的現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造。
[0007]圖5顯示了具有包括直線孔穴通道的厚的高能量密度電極的電池的一個實施例。
[0008]圖6顯示了具有提供快速鋰離子路徑的直線孔穴通道的電極的一個實施例的更詳細的視圖。
[0009]圖7和8顯示了在充電和放電過程中具有直線孔穴通道的電極的擴散路徑。
[0010]圖9顯示了制造電池電極的方法的一個實施例的流程圖。
【具體實施方式】[0011]圖5顯示了具有不同類型的電極的電池的一個實施例。電池50具有集電器52和56、陰極58、與所述陰極相鄰的分離器54和與所述陰極相對的與分離器相鄰的陽極60。在該實施例中，陰極58由交指型材料條組成。
[0012]這些類型的電池電極的例子描述于美國專利7，765，949,7, 780, 812,7, 922，471和美國專利公布20120156364和20120153211中。美國專利7，765，949公開了一種用于在基材上擠出和分配材料的裝置，所述裝置具有用于接收材料的至少兩個通道和用于將材料擠出至基材上的出口端口。美國專利7，780, 812公開了具有平面化邊緣表面的另一個這種裝置。美國專利7，922，471公開了用于擠出材料的另一個這種裝置，所述材料具有在沉積于基材上之后不沉淀的平衡形狀。美國專利公布20120156364和20120153211公開了一種共擠出頭，所述共擠出頭將兩種或更多種材料的流合并成在基材上的交指型結(jié)構(gòu)，其中存在所述材料的多個條。
[0013]圖5中的電池50具有陰極，所述陰極具有交指型的材料條。這些條可由公開于如上專利和公布中的共擠出裝置(其也可稱為印刷頭)形成。該結(jié)構(gòu)可由其他類型的裝置形成。另外，可使用本文公開的實施例形成其他類型的結(jié)構(gòu)。電池電極由所公開的材料和實施例的用途的僅一個例子組成。
[0014]常規(guī)擠出方法無法通過將多個粘性的填充粒子的糊劑進料至印刷頭而產(chǎn)生導(dǎo)電觸點和間隔的交指型條，所述印刷頭允許分開的流體流動以交替聚集。由于在如上微共擠出印刷頭中的層狀流動，因此兩種材料通常不混合。圖6顯示了圖5的交指型結(jié)構(gòu)的部分70的分解圖。
[0015]交指型材料條的材料中的一者形成作為電極結(jié)構(gòu)內(nèi)的微結(jié)構(gòu)的孔穴通道。用于產(chǎn)生該結(jié)構(gòu)的條和材料的形成將在以下更詳細地描述?？籽ㄍǖ?如64)起到了用以促進Li離子移動的槽(sink)或源的關(guān)鍵作用。當(dāng)Li離子通過所述孔穴通道從另一材料62轉(zhuǎn)移時，這些通道產(chǎn)生更短且更少彎曲的路徑。這允許使用更厚的電極，這在其他情況中是不可能的。所得陰極具有高功率和體積能量密度。
[0016]圖7和8顯示了用于槽和源位點的擴散路徑。圖7顯示了在充電過程中朝向孔穴通道64通過基體62的擴散路徑80。圖8顯示了在放電過程中從孔穴通道朝向基體62的擴散路徑82。朝向基體和來自基體的路徑更短，且孔穴通道允許極快的擴散路徑，所述基體為陰極中的另一材料的條。
[0017]到目前為止，討論涉及結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在轉(zhuǎn)向制造如這些的結(jié)構(gòu)的方法。圖9顯示了用以制造交指型電極的一個實施例的總體流程圖。通常，方法涉及在90處混合第一活性材料與溶劑，以制得第一電極活性材料。溶劑允許材料變薄以使其更容易地流動通過共擠出裝置。所述第一活性材料和第二活性材料可通常為相同的材料，但具有不同的濃度。為了該討論的目的，第一材料為具有更高濃度的材料。
[0018]第二材料在92處以相同的方式制得。然后在94處使用如上討論的或另一類型的共擠出裝置或印刷頭將兩種活性材料在一起擠出。當(dāng)材料在基材上的適當(dāng)位置時，去除溶齊U，留下活性材料在基材上的各自位置處。然后通過在98處提供分離器和在100處提供陽極，從而完成電池。
[0019]所述方法的目標(biāo)之一是提供具有間隙間隔的分散的粒度，以用于在具有較低濃度的活性材料的材料條中形成孔穴通道。該方法可以以數(shù)種不同的方式進行。本討論將涉及室溫方法和高溫方法。對于室溫實施例，活性陰極材料可由如下組成:氧化鈷鋰(LCO)、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)、磷酸鐵鋰(LFeP)。盡管本文的活性材料中的許多為鋰，但這些技術(shù)可應(yīng)用于鈉離子電池和鎂離子電池。陽極材料可為石墨和鈦酸鋰(LTA)。在該特定實施例中，材料與諸如聚偏氟乙烯(PVDF)的粘結(jié)劑混合，且溶劑由η-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)組成。也可添加聚氧乙烯油烯基醚(也稱為Brij98)形式的分散劑。可添加炭黑以增加電導(dǎo)率。
[0020]這些材料形成為兩種不同的漿料，其中一種漿料相比于另一種漿料具有更高濃度的活性材料。共擠出裝置將漿料沉積于基材上，然后去除溶劑。在室溫實施例中，溶劑被干燥出漿料，留下材料在它們各自的位置處。
[0021]在高溫實施例中，活性材料由LCO組成。用于該實施例中的粘結(jié)劑為乙基纖維素樹脂，如由陶氏化學(xué)公司(Dow Chemical company)制造的Ethocel?。在該特定實施例中所用的溶劑由癸二酸二乙酯和丁基卡必醇的混合物組成。分散劑可由亞麻酸組成。混合物可沉積，然后在高溫下燒結(jié)以去除溶劑并留下材料。
[0022]在任一情況中，所得材料在較低濃度下具有廣泛的粒度分布。這允許形成作為電極中的微結(jié)構(gòu)的孔穴通道。所得電極具有高度受控的微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)提供快的鋰離子擴散路徑，解決電解質(zhì)消耗問題，從而制得高能高功率電極。相比于常規(guī)電池電極，這些電極顯示出更好的電化學(xué)性能。
[0023]相反，由于常規(guī)電池電極通常由集電器箔上的糊劑制得，且所述糊劑使用流延成型鋪展，因此常規(guī)電池電極僅具有簡單的單片微結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種電池，其包括: 陽極； 與所述陽極相鄰的分離器；和 與所述陽極相對的與所述分離器相鄰的陰極，所述陰極包括交指型材料條，所述材料中的一種形成孔穴通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其還包括與所述分離器相對的與所述陽極和所述陰極相鄰的集電器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中所述交指型材料條包括第一材料，所述第一材料具有比第二材料更低的鋰濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中所述陰極包括活性材料，所述活性材料為氧化鈷鋰或氧化錳鈷鎳鋰。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中所述陰極包括如下中的一者的活性材料:氧化鋁鈷鎳鋰(NCA)、氧化錳鋰(LMO)或磷酸鐵鋰(LFeP)。
6.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的電池，其中所述陽極包括交指型材料條，所述材料中的一種形成孔穴通道。
【文檔編號】H01M10/0525GK103904298SQ201310683501
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月27日
【發(fā)明者】C-J·貝, E·J·施雷德, C·L·科布 申請人:帕洛阿爾托研究中心公司