三维电池的电极结构制造技术

一种在储能装置中使用的电极结构，所述结构包括电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所述反电极群组的成员隔开的微孔隔板。所述电极群组的每个成员包括电极活性材料层和电极集电体层，并且所述电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度LE、宽度WE和高度HE，其中LE对WE和HE中的每一个的比为至少5:1，HE对WE的比为0.4:1和1000:1之间，并且所述电极群组的每个成员的电极集电体层具有以与长度LE相同的方向测量且是长度LE的至少50％的长度LC。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】三维电池的电极结构专利
本专利技术总体而言涉及在储能装置中使用的结构、包含这样的结构的储能装置、以及制造这样的结构和能量装置的方法。专利技术背景摇椅或插入式二次电池单元是一种储能装置，其中诸如锂、钠、钾、钙或镁离子的载流离子通过电解质在正电极和负电极之间移动。二次电池可以包括单个电池单体、或两个以上的被电耦合以形成电池的电池单体，其中每个电池单体包括正电极、负电极、微孔隔板和电解质在摇椅电池单体中，正电极和负电极二者都包括这样的材料，载流离子在其中插入和抽出。当电池单体被放电时，载流离子从负电极被抽出并被插入到正电极中。当电池单体被充电时，发生相反的过程，载流离子从正电极被抽出并被插入到负电极中。图1示出了诸如非水锂离子电池的现有的储能装置的电化学叠层(stack)的横截面图。电化学叠层1包括正电极集电体12，正电极活性材料层13被装配在正电极集电体12的顶部。该层被微孔隔板(separator)14覆盖，在微孔隔板14上放置有负电极集电体15和负电极活性材料层16的组件。该叠层有时被位于负电极集电体15上方的另一隔板层(未示出)覆盖，被卷绕和填塞成罐状，并用非水电解质填充以组装成二次电池。正电极集电体和负电极集电体共用来自各个活性电化学电极的电流，并使得电流能够传送到电池外部的环境。负电极集电体的一部分与负电极活性材料物理接触，而正电极集电体的一部分与正电极活性材料物理接触。集电体不参与电化学反应，因此被限制为在用于阳极和阴极的各自的电化学电势范围内电化学稳定的材料。为了使得集电体将电流带到电池外部的环境，负电极集电体和正电极集电体被典型地各自连接到电极母线(electrodebus)、接头(tab)、终端(tag)、封装馈通(packagefeed-through)或壳馈通(housingfeed-through)(典型地，其被统称为接触部(contact)。接触部的一端被连接到一个或多个集电体，而另一端穿过电池封装，以电连接到电池外部的环境。通过焊接、压接、或超声波粘合或用导电胶被粘结在适当的位置，负电极接触部被连接到负电极集电体，而正电极接触部被连接到正电极集电体。常规的缠绕式电池(参见，例如，美国专利第6,090,505号和第6,235,427号)典型地含有被涂覆到单个箔上并在电池单体组装之前被压缩的电极材料(活性材料、粘合剂、导电助剂)。其上涂覆由电极的箔典型地是集电路径的一部分。在单个卷芯式电池中，如18650或棱柱形电池单体中，集电体箔被超声波地焊接到电极母线、接头、终端等，其将电流从活性材料通过集电体箔和接头带到电池的外部。根据设计，在沿单一的卷芯的多个位置中、或者沿所述集电体箔的一端或两端中的一个位置存在接头。常规的层叠电池袋装电池单元具有活性材料的多块板(或箔)，其中每个箔的顶部区域随后被收集并被一起焊接至接头；然后所述接头将电流带到电池袋的外部(参见，例如，美国专利公开第2005/0008939号)。再次参考图1，在充电过程中，锂离开正电极阴极层13并作为锂离子穿过隔板14进入负电极活性材料层16中。根据所用的负电极活性材料，锂离子插入(例如，位于所述负电极活性材料的基质(matrix)中而不形成合金)或形成合金。在放电过程中，锂离开负电极活性材料层16，穿过隔板14，并进入正电极活性材料层13。集电体将电子从电池接触部(未示出)传导至电极，或反之亦然。现有的储能装置，例如电池、燃料电池单体和电化学电容器，典型地具有如图1所示的二维层压结构(例如平面或螺旋缠绕压层)。，其中每个压层的表面积大致等于其几何足迹(footprint)(忽略孔隙率和表面粗糙度)。在文献中已提出了三维电池，作为改善电池容量和活性材料利用率的手段。已提出相比于二维层压电池结构，三维结构可以被用来提供更大的表面积和更高的能量。由于从较小的几何区域可获得的增加的能量，制造三维储能装置有益处。参见例如Rust等人的WO2008/089110和Long等人的"Three-DimensionalBatteryArchitectures,"ChemicalReviews,(2004),104,4463-4492。尽管有最新取得的进展，但仍然需要具有提高的能量密度的二次电池和其他储能装置。
技术实现思路
在本专利技术的各个方面中，提供了在诸如电池、燃料电池单体和电化学电容器的储能装置中使用的三维结构。有利的是，以及根据本专利技术的一个方面，电极活性材料相对于储能装置的其他组分(即储能装置的非活性材料组分)的比例可以增加。其结果是，包含本专利技术的三维结构的储能装置可具有提高的能量密度。对于特定量的储能而言，它们还可以提供比二维储能装置更高的能量恢复速率，例如通过最小化或减少正电极和负电极之间的电子和离子迁移的传输距离。这些装置可以更适合用于微型化并更适用于其中装置的可用几何面积受到限制和/或其中的能量密度要求高于用层压装置所能实现的能量密度要求的应用。因此，简言之，本专利技术的一个方面是在储能装置中使用的结构。所述结构包括含有电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所述反电极群组的成员隔开的微孔隔板的电极结构。所述电极群组与所述反电极群组以交替的顺序布置，其中所述电极群组的成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺序以第一方向行进。所述电极群组的每个成员包括电极活性材料层和电极集电体层，所述电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度LE、宽度WE和高度HE，长度LE是从每个这样的电极的底部测量至顶部，宽度WE和高度HE是以互相垂直且与长度LE的测量方向垂直的方向测量，LE对WE和HE中的每一个的比分别为至少5:1，HE对WE的比为0.4:1和1000:1之间。所述电极群组的每个成员的电极集电体层具有以与长度LE相同的方向测量且是长度LE的至少50％的长度LC。本专利技术的另一个方面是包括电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所述反电极群组的成员隔开的微孔隔板的电极结构，其中所述电极群组为负电极群组，而所述反电极群组是正电极群组。所述电极群组与所述反电极群组以交替的顺序布置，其中所述电极群组的成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺序以第一方向行进。所述负电极群组的每个成员包括负电极活性材料层和负电极集电体层，所述负电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度LNE、宽度WNE和高度HNE，长度LNE是从每个这样的负电极的底部测量至顶部，宽度WNE和高度HNE是以互相垂直且与长度LNE的测量方向垂直的方向测量，LNE对WNE和HNE中的每一个的比分别为至少5:1，HNE对WNE的比为0.4:1和1000:1之间，所述群组的每个成员的负电极集电体层具有以与LNE相同的方向测量且是LNE的至少50％的长度LNC。本专利技术的另一个方面是包括电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所述反电极群组的成员隔开的微孔隔板的电极结构，其中所述电极群组为正电极群组，而所述反电极群组是负电极群组。所述电极群组与所述反电极群组以交替的顺序布置，其中所述电极群组的成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺序以第一方向行进。所述反电极群组是负电极群组，所述正电极群组的每个成员包括正电极活性材料层和正电极集电体层，所述正电极群本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极结构，其包括电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所述反电极群组的成员隔开的微孔隔板，所述电极群组与所述反电极群组以交替的顺序布置，其中所述电极群组的成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺序以第一方向行进，所述电极群组的每个成员包括电极活性材料层和电极集电体层，所述电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度LE、宽度WE和高度HE，长度LE是从每个这样的电极的底部测量至顶部，宽度WE和高度HE是以互相垂直且与长度LE的测量方向垂直的方向测量，LE对WE和HE中的每一个的比分别为至少5:1，HE对WE的比为0.4:1和1000:1之间，分别地，所述电极群组的每个成员的电极集电体层具有以与长度LE相同的方向测量且是长度LE的至少50％的长度LE‑C。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.16 US 61/684,0361.一种电极结构，其包括电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所述反电极群组的成员隔开的微孔隔板，所述电极群组与所述反电极群组以交替的顺序布置，其中所述电极群组的成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺序以第一方向行进，所述电极群组的每个成员包括电极活性材料层和电极集电体，所述电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度LE、宽度WE和高度HE，长度LE是从每个这样的电极的底部测量至顶部，宽度WE和高度HE是以互相垂直且与长度LE的测量方向垂直的方向测量，LE对WE和HE中的每一个的比分别为至少5∶1，HE对WE的比为0.4∶1和1000∶1之间，分别地，所述电极群组的每个成员的电极集电体具有以与长度LE相同的方向沿所述电极延伸且是以与长度LE相同的方向测量的长度LE的至少50％的长度LE-C，其中所述电极群组的成员从用于汇集来自所述电极群组的每个成员的电流的电极母线的第一表面延伸，以及所述反电极群组的成员从用于汇集来自所述反电极群组的每个成员的电流的反电极母线的第二表面延伸，所述第二表面与所述第一表面相对，每个电极的底部邻近所述电极母线的所述第一表面，以便从邻近所述电极母线的所述第一表面的所述底部到在所述电极母线的所述第一表面的远侧的所述顶部以垂直于所述第一表面的方向测量所述电极群组的每个成员的长度LE，以及其中所述电极群组的每个成员的所述电极集电体包括第一集电体层和第二集电体层，所述第二集电体层具有以与长度LE相同的方向测量的沿所述电极的所述长度LE的至少50％延伸的第二集电体层长度LE-C以及所述第一集电体层具有以与所述长度LE相同的方向测量的沿所述电极的所述长度LE的至少50％延伸的第一集电体层长度LE-C，以及其中所述第二集电体层的电导超过所述第一集电体层的电导。2.如权利要求1所述的电极结构，其中所述电极群组具有N个成员，所述反电极群组具有N+1个成员，并且N为至少5。3.如权利要求1或2所述的电极结构，其中LE具有在10mm至250mm的范围内的值。4.如权利要求1或2所述的电极结构，其中WE和HE各自具有在0.01mm至5mm的范围内的值。5.如权利要求1或2所述的电极结构，其中对于所述电极群组的每个成员而言，LE对WE和HE中的每一个的比分别为至少10∶1。6.如权利要求1或2所述的电极结构，其中LE-C为LE的至少80％。7.如权利要求1或2所述的电极结构，其中所述电极母线具有长度LE-B、宽度WE-B和高度HE-B，长度LE-B以所述第一方向测量，并且宽度WE-B和高度HE-B以互相垂直且与所述第一方向垂直的方向测量，其中LE-B对WE-B和HE-B中的每一个的比为至少5∶1。8.如权利要求1或2所述的电极结构，其中所述反电极群组的每个成员包括反电极活性材料层和反电极集电体层，所述反电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度LCE、宽度WCE和高度HCE，长度LCE是从每个这样的反电极的底部测量至顶部，宽度WCE和高度HCE是以互相垂直且与长度LCE的测量方向垂直的方向测量，LCE对WCE和HCE中的每一个的比分别为至少5∶1，HCE对WCE的比为0.4∶1和1000∶1之间，分别地，所述反电极群组的每个成员的反电极集电体层具有以与长度LCE相同的方向测量且是长度LCE的至少50％的长度LCE-C。9.如权利要求1或2所述的电极结构，其中所述电极群组的每个成员还包括电极主干。10.如权利要求9所述的电极结构，其中所述电极群组的每个成员的电极主干具有小于10西门子/厘米的电导率。11.如权利要求9所述的电极结构，其中对于所述电极群组的每个成员而言，所述电极集电体的所述第一集电体层是在所述电极活性材料和所述电极主干之间，并且所述电极活性材料是在所述微孔隔板和所述第一集电体层之间。12.如权利要求10所述的电极结构，其中对于所述电极群组的每个成员而言，所述电极集电体的所述第一集电体层是在所述电极活性材料和所述电极主干之间，并且所述电极活性材料是在所述微孔隔板和所述第一集电体层之间。13.如权利要求9所述的电极结构，其中对于所述电极群组的每个成员而言，所述电极集电体的所述第一集电体层包括离子可渗透导体材料并被布置在所述电极活性材料和所述微孔隔板之间，并且所述电极活性材料是在所述电极集电体的所述第一集电体层和所述电极主干之间。14.如权利要求10所述的电极结构，其中对于所述电极群组的每个成员而言，所述电极集电体的所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·J·鲁斯特，A·拉希里，M·拉马苏布拉马尼亚，R·M·思博尼茨，R·A·科尔，G·克布米勒，N·沙阿，B·E·布鲁斯卡，C·G·卡斯特勒蒂内，L·J·劳克兰，J·D·威尔科克斯，
申请(专利权)人：艾诺维克斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US