具有含线电极的锂离子电池组制造技术

技术编号:20290727 阅读:56 留言:0更新日期:2019-02-10 20:52
通过混合导电线(金属线、碳纤维等,包括化学还原的金属氧化物颗粒)与活性电极材料颗粒改善由活性电极材料颗粒形成的锂电池组电极的电性能和结构完整性。例如,铜线可以在树脂粘合至铜集电器箔侧面的多孔阳极层中与阳极颗粒紧密混合。并且铝线可以在树脂粘合至铝集电器的多孔阴极层中与阴极颗粒混合。当电极中渗入锂盐电解质溶液时,所述线可以用于提高电子和锂离子的传导性以及电极层的适应性。各电极层的可工作的厚度因此能够提高并且其性能得到改善以产生更低的成本和更好形成的电池组。

Lithium-ion battery packs with wired electrodes

The electrical performance and structural integrity of lithium battery pack electrodes formed by active electrode material particles were improved by mixing conductive wires (metal wires, carbon fibers, etc.) and active electrode material particles. For example, the copper wire can be closely mixed with the anode particles in the porous anode layer bonded to the side of the copper collector foil by resin. And the aluminium wire can be mixed with the cathode particles in the porous cathode layer of the resin bonded to the aluminium collector. When a lithium salt electrolyte solution is infiltrated into the electrode, the line can be used to improve the conductivity of electrons and lithium ions and the adaptability of the electrode layer. The working thickness of each electrode layer can therefore be increased and its performance improved to produce lower cost and better formed battery packs.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有含线电极的锂离子电池组
本公开涉及用于锂电池组的电极材料的组合物。所述组合物包含活性电极材料颗粒与合适尺寸和形状的传导性金属线、管、带或棒混合,或与碳纤维或管(全部称为线)混合的混合物。颗粒/线混合物,通常包括导电填料颗粒,作为多孔层树脂粘合至电极集电器。每个电池组电池的阳极或阴极(或两者)活性材料层由这种颗粒和线的混合物构成。线的存在允许在电极中使用具有较高的能量容量和改进的电子和离子传导性的较厚的电极层。
技术介绍
在说明书的这一部分作为背景信息存在的材料不一定是现有技术。锂离子电池组适于在电力驱动机动车辆中和在同时利用内燃机和电动机为车辆供能的混合动力车辆中的应用。其他非车辆应用还使用具有各种电极材料组合的锂电池组用于提供电力。在锂离子电池组的电池的一个共同的设计中,电极由粘合至薄的导电金属箔的一侧或两侧的活性阳极材料或活性阴极材料的微米尺寸的颗粒的多孔层形成。金属箔用作电极的集电器。在一组电池组结构中,电极形成为相对薄的矩形构件。类似尺寸的阳极和阴极与每组面向的微粒阳极和阴极材料的多孔层之间的薄的多孔隔离件层交替堆叠。每个隔离件层和每个电极材料层的孔填充有溶解在非水溶剂中的一种或多种锂盐的电解质溶液。每个电池的DC电位通常在约2至4伏的范围内。电池的产生能量的电流(Wh)在很大程度上取决于可以适应于(accommodatedin)每个电极的制备和功能的电极材料的组成和量。持续需要能够以较低成本提供提高的电能和功率的锂电池组的电极组合物。
技术实现思路
本专利技术涉及用于电化学电池的阳极和阴极的电极材料的组合物和制备,其中锂离子在渗入一种或多种锂盐的非水电解质溶液的多孔电极处嵌入和脱嵌。例如,微米尺寸的石墨颗粒可以用作活性锂离子电池组阳极材料并且类似尺寸的锂镍锰钴氧化物(LiNixMnyCo(1-x-y)O2,NMC)颗粒可以用作活性锂离子电池组阴极材料。为了提高各电极的容量和其离子和电子传导性,各活性电极材料颗粒与微米级直径的导电金属线和/或碳纤维(在本文中称为线)混合,并且该混合物作为基本上均匀厚度的多孔层粘合至相容的金属箔集电器。阳极电极材料可以例如由石墨颗粒和小直径铜线的混合物形成,并且该混合物作为多孔层树脂粘合至铜集电器箔。类似地,阴极材料可以由NMC颗粒和小直径铝线的混合物形成,并且该混合物作为多孔层树脂粘合至铝集电器箔。导电填料的颗粒,例如导电碳颗粒也优选包含在电极材料的树脂粘合的混合物中。常规的锂离子电池的电极通常通过具有约0.5至30微米范围内的最大尺寸的活性电极材料颗粒粘合至具有约5至30微米厚度的相容的金属集电器箔而形成。如所述地,集电器的形状通常为矩形,其边长提供能够使其支承用于锂离子电池组电池的预定量的电极材料的表面积。集电器箔的每侧都可以涂布有电极材料颗粒的多孔层,但各层的可承受厚度通常限制成约15μm至150μm。这个对这种类型的电极结构上可承受的电极材料的量的限制也使用此类电极设计限制了各电池的功率和能量密度能力。小的金属或碳线适当地与活性电极材料颗粒互混的使用,能够在集电器箔的每侧上使用较厚的多孔电极涂层(例如最高达约2毫米)。并且添加至阳极和阴极材料的一个或两个的小块导电线改善了这种新电池组电池的产能性能。在本专利技术的实践中,术语“线”意在包括长度基本上大于其宽度或直径的小的传导性碳或金属(包括元素金属或合金)线、丝、纤维、块等。优选地,金属或碳线的长度为一微米至十毫米的范围。金属或碳线或丝通常在实体截面中为圆形,直径比它们的长度小得多,为0.05μm至100μm。具有类似尺寸的小直径金属棒也可能适合与活性电极材料颗粒混合。或者,金属或碳线可能为具有与对线所述那些类似的长度和外径的管形式。或者,金属或碳块可以为1μm至10mm的长度、1μm至100μm的宽度和0.05μm至约50μm的厚度的带形式。本说明书中使用的术语“线”意在包括长度基本上长于其外截面尺寸的全部此类传导性金属或传导性碳型材。传导性金属线的表面还可能使用适当的聚合物粘合剂涂布有传导性碳颗粒。传导性碳颗粒的树脂粘合涂层可以为约0.5至5μm的厚度。控制聚合物粘合剂的量使得线具有暴露于组装的电池组电池中的液体电解质的未涂布部分。因此,待与小电极颗粒混合的线具有比电极颗粒的最大尺寸更大的长度。意欲在线-颗粒混合物中,若干颗粒与各线接触,并且更多的电极材料颗粒与每块线紧密接触。所述混合物中的一些线可能延伸通过成品多孔电极层的厚度,并且一些线可能接触粘合有电极混合物多孔层的集电器表面。一般而言,优选的是线长度不长于多孔电极层的期望厚度的大约十倍。一般而言,优选的是在电极颗粒混合物中使用的线的碳或金属组合物化学地和电学地与树脂粘合了该混合物的集电器箔的金属组合物相容。例如,铝集电器箔通常用于形成用于很多锂离子电池组的阴极。在此类阴极材料中,与微米尺寸的阴极材料颗粒混合的金属线可能包括元素铝或铝合金线、金线、钯线、铂线、钛线或不锈钢线。碳纤维(本文中有时称为线)也与铝集电器相容。在其中集电器由铜形成的阳极构件中,与微米尺寸颗粒混合的金属线可能选自元素铜或铜合金线或不锈钢、银、金、钯、铂、钛、铁、钴、镍、镁或铝的线。再次,碳纤维或丝(线)与铜集电器相容。很多此类的直径或宽度为低微米尺寸范围并且长度为微米至低毫米范围的金属和碳线组合物是可商购的。此外,在本专利技术的一些实施方案中,可能优选采用金属氧化物例如铜氧化物或银氧化物的小的细长颗粒、线或纤维起始。一旦此类金属氧化物颗粒已经适当地与相容的电极颗粒混合,该混合物作为多孔的树脂粘合的电极层施加至集电器箔的一个或两个表面。粘合的多孔电极层中的氧化物颗粒通过在约120°至150°C的温度下与氢气反应化学还原成元素金属线。然后,多孔电极层由具有期望的形状和尺寸的电极材料颗粒和元素金属线的混合物构成。通常,此类金属氧化物颗粒随着它们化学还原而经历相当大的收缩(例如30-50体积%),这取决于它们的初始颗粒长度。化学还原的线状结构通常包含提高组装的锂离子电池中的离子传导性的通道。在示例性的实例中,碳电极颗粒(石墨)和铜线的混合物可以制备成阳极材料。碳颗粒的典型尺寸为约10至20微米,并且铜线的直径也是约10微米。铜线的长度适当地为约300微米。然后,活性阳极材料由约20wt%铜线和余量石墨构成。采用例如聚偏二氟乙烯在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂中的溶液将石墨/铜线混合物制浆,并将溶剂-湿混合物细密地施加至均匀层形式的铜集电器箔的每侧,各自的厚度为约300微米。溶剂蒸发以在集电器的每侧中留下阳极材料多孔层。使用类似尺寸的锂镍锰钴氧化物颗粒和铝线以类似方式制备阴极。根据本专利技术的使用含线电极的锂离子电池可以在锂电池组中用于为仅通过电动机或通过内燃机和电动机的混合动力供能的汽车中的电动机供能。本专利技术的其他实践和优点从本说明书下文中呈现的其他示例性实施例变得明显。附图的简要说明图1为锂离子电化学电池的三个实体构件的空间分隔的组装件的放大示意图。打破电极层的小部分并放大以示出小电极颗粒和传导性线的多孔混合物。三个实体构件在这个示意图中空间分隔以更好地示出它们的结构。这个示意图不包括电解质溶液,其组成和功能将在本说明书的下文中更详细地描述。图2为与铝线混合并粘合至铝箔集电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池组,其包括阳极、阴极和液态的含锂离子的电解质溶液,所述阳极和阴极的至少一个包括由用于阳极或阴极的活性电极材料颗粒和导电线块的混合物形成的多孔电极层,该混合物作为多孔电极层粘合至用于阳极或阴极的金属集电器,其中所述多孔电极层的孔中渗入电解质溶液,在用于阳极或阴极的集电器上的多孔电极层的厚度为60微米至2毫米。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种锂离子电池组,其包括阳极、阴极和液态的含锂离子的电解质溶液,所述阳极和阴极的至少一个包括由用于阳极或阴极的活性电极材料颗粒和导电线块的混合物形成的多孔电极层,该混合物作为多孔电极层粘合至用于阳极或阴极的金属集电器,其中所述多孔电极层的孔中渗入电解质溶液,在用于阳极或阴极的集电器上的多孔电极层的厚度为60微米至2毫米。2.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述导电线由元素金属、金属合金或碳形成,该导电线的直径或主截面尺寸为0.05微米至100微米并且长度为1微米至10毫米,该导电线以占导电线和活性电极材料颗粒的混合物的总重量的0.1至20%的量存在。3.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阳极包含活性阳极材料颗粒与线块混合的混合物,该阳极材料颗粒与线块的混合物作为多孔层树脂粘合至用于阳极的金属集电器的表面。4.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阳极包含活性阳极材料颗粒与铜线块混合的混合物,该阳极材料颗粒与铜线块的混合物作为多孔层粘合至用于阳极的铜箔集电器的表面。5.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阳极包含钛酸锂Li4Ti5O12颗粒与铝线块混合的混合物,该钛酸锂颗粒与铝线块的混合物作为多孔层粘合至用于阳极的铝箔集电器的表面。6.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阳极包含活性阳极材料颗粒与铜线块混合的混合物,该活性阳极材料颗粒的平均尺寸为0.5至30微米,铜线块的直径或宽度为0.05至100微米,阳极材料颗粒和铜线块的混合物作为多孔层粘合至用于阳极的铜箔集电器的表面。7.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阴极包含活性阴极材料颗粒与线块混合的混合物,该活性阴极材料颗粒与线块的混合物作为多孔层树脂粘合至用于阴极的金属集电器的表面。8.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阴极包含活性阴极材料颗粒与铝线块混合的混合物,该活性阴极材料颗粒与铝线块作为多孔层粘合至用于阴极的铝箔集电器的表面。9.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阴极包含活性阴极材料颗粒与铝线块混合的混合物,该活性阴极材料颗粒的平均尺寸为0.3至30微米,铝线块的直径或宽度为0.05至100微米,活性阴极材料颗粒和铝线作为多孔层粘合至用于阴极的铝箔集电器的表面。10.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阳极包含活性阳极材料颗粒与线块混合的混合物,该阳极材料颗粒和线块的混合物作为多孔层树脂粘合至用于阳极的金属集电器的表面,和所述阴极包含活性阴极材料颗粒与线块混合的混合物,该活性阴极材料颗粒和线块作为多孔层树脂粘合至用于阴极的金属集电器的表面。11.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阳极包含活性阳极材料颗粒和铜线块的混合物,该阳极材料颗粒和铜线块的混合物作为多孔层粘合至用于阳极的铜箔集电器的表面,和所述阴极包含活性阴极材料颗粒和铝线块的混合物,该活性阴极材料颗粒和铝线块的混合物作为多孔层粘合至用于阴极的铝箔集电器的表面。12.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阳极包含活性阳极材料颗粒和铜线块的混合物,该活性阳极材料颗粒的平均尺寸为0.5至30微米,铜线块的直径或宽度为0.05至100微米,阳极材料颗粒和铜线块的混合物作为多孔层粘合至用于阳极的铜箔集电器的表面,和所述阴极包含活性阴极材料颗粒与线块混合的混合物,该活性阴极材料颗粒的平均尺寸为0.3至30微米,铝线块的直径或宽度为0.05至100微米,活性阴极材料颗粒和线块的混合物作为多孔层粘合至用于阴极的铝箔集电器的表面。13.如权利要求1所述的锂离子电池组,其中所述阳极包含活性阳极材料颗粒与碳线混合的混合物,该阳极材料颗粒和碳线的混合物作为多孔层粘合至用于阳极的金属集电器的表面,和所述阴极包含活性阴极材料颗粒与碳线混合的混合物,该活性阴极材料颗粒和碳线的混合物作为多孔层粘合至用于阴极的金属集电器的表面。14.一种形成用于锂离子电池组的阳极或阴极的方法,该阳极或阴极包含作为多孔层粘合至金属箔集电器表面的活性电极颗粒,该方法包括:将预定量的微米尺寸的活性电极材料颗粒与预定量的导电金属线或碳线混合,该导电线以占导电线和活性电极材料颗粒的混合物的总重量的0.1至20%的量存在,和将所述活性电极材料颗粒和导电金属线或碳线的混合物作为电极材料多孔层粘合至金属箔集电器表面,该电极材料多孔层的厚度为200微米至最高达2毫米。15.如权利要求14所述的形成用于锂离子电池组的阳极或阴极的方法,其中将微米尺寸的用于锂离子电池组的活性阳极材料颗粒与铜线混合并将该混合物粘合至铜集电器箔...

【专利技术属性】
技术研发人员:吁志强阙小超刘海晶W古M吴
申请(专利权)人:通用汽车环球科技运作有限责任公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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