本文所述实施方案主要涉及具有高倍率性能的电化学电池，并且更特别地涉及制备具有较厚的半固体电极的高容量且高倍率性能的蓄电池的装置、系统和方法。在一些实施方案中，电化学电池包括阳极和半固体阴极。该半固体阴极包括约35体积％至约75体积％的活性材料和约0.5体积％至约8体积％的导电材料在非水液体电解质中的悬浮液。离子渗透膜设置在该阳极和该半固体阴极之间。该半固体阴极具有约250μm至约2000μm范围的厚度，并且所述电化学电池在C/4的C-倍率下具有至少约7mAh/cm2的面积比容量。在一些实施方案中，半固体阴极浆料具有至少约0.9的混合指数。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】具有高倍率性能的半固体电极相关申请的交叉引用本申请是2013年4月29日提交的名称为“具有高倍率性能的半固体电极”的美国专利申请第13/872613号的部分连续案并要求其优先权，其要求享有2012年12月13日提交的美国临时申请第61/736798号以及2013年3月15日提交的美国临时申请第61/787382号的优先权，通过引用将它们各自的公开整体并入本文。本申请还要求2013年3月15日提交的名称为“具有高倍率性能的半固体电极”的美国临时申请第61/787382号的优先权和权利，通过引用将其公开整体并入本文。本申请还要求2012年12月13日提交的名称为“具有高倍率性能的电化学浆料组合物”的美国临时申请第61/736798号的优先权和权利，通过引用将其公开整体并入本文。
技术介绍
本文所述实施方案主要涉及具有高倍率性能的电化学电池，并且更特别地涉及制备具有较厚的半固体电极的高容量且高倍率性能的蓄电池的装置、系统和方法。蓄电池典型地由固体电极、分隔体、电解质以及例如包装、热管理、电池平衡、电流载流子整合至端子和/或其它这种部件的辅助部件构成。电极典型地包括活性材料、导电材料、粘合剂和其它添加剂。—些已知的用于制备蓄电池的方法包括:用由溶解或分散在溶剂中的活性材料、导电添加剂和粘合剂构成的浆料涂覆金属基材(例如，集流体)，蒸发溶剂，并压延干燥的固体基质至规定的厚度。然后切割电极，用其它部件包装，渗透电解质和然后密封整个包装。这种已知的方法通常涉及复杂且昂贵的制造步骤(例如铸造电极)并且只适合于有限厚度的电极，例如，小于100μπι(最终单面涂敷的厚度)。这些已知的制备有限厚度的电极的方法导致蓄电池具有较低的容量、较低的能量密度和非活性成分相对于活性材料的高比例。此外，在公知的电极配方中使用的粘合剂会增加扭曲并降低电极的离子传导性。因此，开发能量存储系统以简化并降低制造成本，减少电极和成品蓄电池中的非活性成分，并提高能量密度、充电容量和综合性能，是一个长期的目标。
技术实现思路
本文所述实施方案主要涉及具有高倍率性能的电化学电池，并且更特别地涉及制备具有较厚的半固体电极的高容量且高倍率性能的蓄电池的装置、系统和方法。在一些实施方案中，电化学电池包括阳极和半固体阴极。该半固体阴极包括约35体积％至约75体积%的活性材料和约0.5体积%至约8体积%的导电材料在非水液体电解质中的悬浮液。离子渗透膜设置在该阳极和该阴极之间。该半固体阴极具有约250 μπι-2500 μπι范围的厚度，并且所述电化学电池在C/4的C-倍率下具有至少7mAh/cm2的面积比容量。在一些实施方案中，半固体阴极浆料具有至少约0.9的混合指数。【附图说明】图1是根据一个实施方案的电化学电池的示意图。图2A-2C和图3A-3C是根据各种实施方案的半固体悬浮液的示意图。图4是根据各种实施方案的半固体电极的导电率相对于导电添加剂载入量的曲线图。图5A-5C描述了根据各种实施方案的具有不同的导电添加剂载入量的电极浆料混合物。图6-9是示出根据各种实施方案的浆料配方的流变特性的曲线图。图10-12是示出根据各种实施方案的混合曲线的曲线图。图13是示出根据各种实施方案的混合指数和比能输入与导电添加剂载入量之间关系的曲线图。图14是示出根据各种实施方案的混合对一些浆料参数的影响的曲线图。图15示出对于两种不同的阴极组合物在10rpm下的持续混合时的混合指数和导电率的演化。图16示出对于两个不同的阳极组合物在10rpm下的持续混合时的混合指数和导电率的演化。图17示出根据各种实施方案在两种剪切条件下的导电率作为混合时间的函数的曲线。图18示出对于两种不同的示例性的阴极组合物，随着时间变化的混合指数。图19示出对于两种不同的示例性的阳极组合物，随着时间变化的混合指数。图20示出包括至少一种本文所述的半固体电极的7个不同的电化学电池相比于市售蓄电池在各种C-倍率下的与电流密度相对的面积比容量。【具体实施方式】消费电子蓄电池的能量密度随着锂离子蓄电池技术的进步已逐渐提高。制造出的蓄电池的存储能量或充电容量是以下的函数:(I)活性材料的固有电荷容量(mAh/g)，(2)电极的体积(cm3)(即电极厚度、电极面积和层数(堆叠)的乘积)，以及(3)电极介质中活性材料的载入量(例如，每cm3电极介质的活性材料的克数)。因此，为了提高商业吸引力(例如，能量密度增加和成本降低)，通常希望增加表面电荷容量(mAh/cm2)，其在本文中也被称作“面积比容量”或“面积容量”。可以增加表面电荷容量，例如，通过利用具有更高的固有电荷容量的活性材料，在整个电极配比中提高活性电荷存储材料的相对百分数(即，“载入量”)，和/或增加用于任何给定的蓄电池形状因素的电极材料的相对百分比。所述的另一种方式是，增加活性电荷存储组件(例如，电极)相对于非活性组件(例如，分隔体和集流体)的比例，通过消除或减少对蓄电池的总体性能不产生贡献的组件来增加蓄电池的总能量密度。实现增加表面电荷容量并由此减少非活性组件的相对百分比的一种方法是增加电极的厚度。传统的电极组合物具有大约150_200mAh/g的容量并且通常由于某些性能和制造限制而不能制成厚于约100 μπι。例如，i)具有厚度超过100 μm(单面涂覆厚度)的传统电极由于穿过电极厚度的扩散限制(例如孔隙率，弯曲率，阻抗等)而倍率性能显著降低，该扩散限制随着厚度的增加快速增大；ii)厚的传统电极由于干燥和后处理的限制而难以制造，例如，溶剂除去速率、在导致电极开裂的干燥过程中的毛细作用力、电极对集流体的导致脱层的差的粘附(例如，在用于制造传统电极的高速卷对卷压延工艺期间)、在溶剂去除过程中的粘合剂的迀移和/或在后续压制过程中的变形；iii)不受限于任何特定的理论，传统电极中使用的粘合剂可能阻碍电极的孔结构，并通过减少孔的可用体积以及因占据电极的功能性组件(即活性和导电组件)之间的空间的显著一部分而增加弯曲(即有效路径长度)而增加对离子扩散的阻力。另外已知的是，在传统电极中使用的粘合剂会至少部分地涂覆电极活性材料的表面，这会降低或完全阻断离子流动至活性材料，由此增加了弯曲。此外，已知的传统蓄电池或者具有高容量或者具有高倍率性能，但不具有两者。在第一 C-倍率(例如0.5C)下具有第一电荷容量的蓄电池通常在第二更高的C-倍率(例如2C)下放电时具有更低的第二电荷容量。这归因于由传统电极(例如，具有粘合剂的固体电极)的高的内部电阻引起的发生在传统蓄电池内部的更高的能量损失，以及导致蓄电池更早地达到低端电压截止的电压下降。理论面积比容量可以假设通过增加电极的厚度和/或通过增加电极中的活性材料的体积分数而无限制地增加。然而，如果该容量不能在实用的C-倍率下使用，理论面积比容量的这种任意增加不是有用的。在实用的C-倍率下不能获得的面积比容量的增加对蓄电池的性能非常有害。容量体现为未被使用的质量和体积，而不对能量存储产生贡献，从而降低了蓄电池的能量密度和面积比容量。此外，更厚的电极通常具有更高的内部电阻以及由此更低的倍率性能。例如，铅酸蓄电池在IC的C-倍率下不会表现良好。它们经常额定在0.2C的C-倍率下，并且甚至在这样低的C-倍率下，它们本文档来自技高网...
【技术保护点】
电化学电池，包括：阳极；半固体阴极，该半固体阴极包括约35体积％至约75体积％的活性材料和约0.5体积％至约8体积％的导电材料在非水液体电解质中的悬浮液；和离子渗透膜，该离子渗透膜设置在所述阳极和所述半固体阴极之间，其中，所述半固体阴极具有约250μm至约2000μm范围的厚度，并且其中，所述电化学电池在C/4的C‑倍率下具有至少约7mAh/cm2的面积比容量。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：YM·蒋，M·杜度塔，R·霍尔曼，P·利姆通科，T·谭，
申请(专利权)人：二四M技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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