用于电池的经涂覆的堆叠以及相关的制造方法技术

提供了用于电流产生单元的电池堆叠，其中经涂覆的堆叠包括多孔分隔器、与多孔分隔器相邻的电极层、以及在电极层上涂覆的集电器层，其中所述集电器层包含熔结的金属颗粒。还提供了制造此类经涂覆的堆叠的方法。

The coated stack for batteries and related manufacturing methods

A battery stack for current generation unit is provided, wherein the coated stack includes the porous separator, the electrode layer adjacent to the porous separator, and the collector layer coated on the electrode layer, wherein the collector layer contains metal particles sintered. A method of making such a coated stack is also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池的经涂覆的堆叠以及相关的制造方法相关申请本申请要求于2015年4月15日提交的第62/178,633号美国临时专利申请以及于2015年7月9日提交的第62/231,539号美国临时专利申请的优先权，上述申请的内容通过引用整体并入本文。政府权利的声明本专利技术在美国能源部授予的由DE-EE00054333基金号的政府支持完成。政府拥有本专利技术的某些权利。专利
本专利技术大体上涉及电池和其他电流产生单元的领域，例如电容器和锂离子电容器。更具体地，本专利技术涉及用于锂电池和其他类型电池(例如钠电池和镁电池)的经涂覆的堆叠，其中电池的各个层(包括电极和集电器)被涂覆于多孔分隔器上，并且还涉及制备此类经涂覆的堆叠和电池的方法。专利技术背景在本申请中，通过标注的引证援引了各种专利。本申请中引用的专利的公开内容由此通过引用并入本公开，以便更全面地描述本专利技术涉及的领域现状。现有的用于制造锂电池(包括可再充电的锂电池和不可再充电的锂电池)和其他类型电池的方法是相对缓慢、复杂且昂贵的。例如，可再充电的锂离子通常通过交错电池的各种层的条带(strip)而形成堆叠来构成。这些层可以包括塑料分隔器、两侧涂有阴极层的导电金属基底、另一个塑料分隔器以及另一个两侧涂有阳极层的导电金属基底。为了保持这些材料的条带对齐以及为了其他质量上的原因，这种交错通常在构建和操作上低效且昂贵的制造设备上完成。另外，已知的锂电池具有受限的能量密度和功率密度。除了其他原因之外，这是因为在这些已知电池中分隔器和导电金属基底是相对厚的，从而限制了电池中存在的电活性材料的体积。在这些已知的电池中，用于阳极层的铜金属基底的典型厚度是10微米，用于阴极层的铝金属基底的典型厚度是15微米，并且塑料分隔器通常具有12微米至30微米的厚度。在常规锂离子电池中需要这些厚的金属基底和分隔器以向电池组件提供足够的机械强度和完整性。然而，这些材料不是电化学活性的，并且因此降低了目前的锂电池中存在的电活性或电化学活性材料的体积，并且由此提供的电容(capacity)小于理想的电容。锂电池在便携式电子设备中广泛使用，例如智能手机和便携式计算机。其中锂电池的新型应用是用于混合动力、插电式混合动力和电动汽车的高功率电池。用于便携式计算机和其他应用的锂电池中通常使用的单电池(cell)通常是圆柱形的，但是对于扁平单电池(例如棱柱状或袋状的单电池设计)存在增长的趋势。类似地，许多用于汽车的锂电池具有棱柱状或袋状的单电池设计。此外，电动汽车的广泛接受需要具有改善的安全性的电池。例如，如上文所述，目前的锂电池是使用金属基底组装的。在制造过程中，这些金属基底通常被切割成不连续的电池堆叠。已知这会形成嵌入分隔器或成品电池的其他部分的金属残片，其可以导致短路或其他危险的情况。专利技术概述本专利技术的目的是提供能够复杂程度更低地、更廉价地组装的电池堆叠或电池，以及比例如用于便携式计算机电池的加工设备速度更快的自动化加工设备，此外其特别适于制造扁平的(例如棱柱状或袋状的)电池。另一个目的是提供包含比目前所使用的分隔器和金属层更薄的分隔器和金属层的电池。本专利技术的另一个目的是使电池能够含有更大含量的电活性材料以便提供更多的电容。另一个目的是通过在电池中减少制造缺陷的可能性和包括有效的安全特征来使得电池更加安全，所述安全特征例如断路层，以及对撕裂(tear)和孔洞自我修复的分隔器层。另一个目的是提供比制造现有的电池更廉价的电池。本专利技术通过本文描述的经涂覆的电池堆叠和电池满足了前述目的。本文描述的电池堆叠和电池包括各种涂层和材料，所述涂层和材料在下文描述。应用本专利技术的电池的实例包括单个电流产生单元和在壳体(casing)或组合(pack)内结合的多个电流产生单元。一种此类的电池是锂电池，包括，例如，可再充电的锂离子电池或二次锂离子电池、不可再充电的锂金属电池或一次锂金属电池、可再充电的锂金属电池以及其他的电池类型，例如可再充电的锂金属合金电池。本文描述的电池堆叠包括分隔器、电极和集电器。包含正电极的电池堆叠结合包含负电极的电池堆叠一同形成电池。本文描述的电池堆叠和电池包括分隔器以保持两个电极分离，从而便防止电短路，同时也允许电化学单电池中电流传输时锂离子和任何其他离子的转移。可以用于锂电池的分隔器的实例包括，陶瓷分隔器和聚烯烃分隔器。陶瓷分隔器包括包含无机氧化物和其他无机材料的分隔器。本文描述的电池堆叠和电池包括包含电活性材料的电极。电极层可以配置为发挥阳极(负电极)或阴极(正电极)的作用。在锂离子电池中，例如，当锂离子通过电解质从阳极扩散至阴极时生成电流。可以用于锂电池的电活性材料的实例包括，例如，锂钴氧化物、锂锰氧化物、磷酸锂铁、锂镍锰钴氧化物(NMC)和硫磺作为阴极层的电活性材料，以及钛酸锂、锂金属、硅、插入锂的石墨和插入锂的碳作为阳极层的电活性材料。本文描述的这些电池堆叠和电池还包括集电器，其可以是邻近电极层的一个或多个电流收集层。集电器的一个功能是为进入和来自电极的电流提供导电通路，以及为通向单电池的外部回路提供有效的导电连接。集电器可以包括，例如，单个导电金属层或涂层，例如本文讨论的熔结金属颗粒层。如下文进一步讨论的，可以起到集电器作用的示例性的导电金属层是包含镍的熔结金属颗粒层，其可以用于阳极层或阴极层。在本专利技术的实施方案中，导电金属层可以包含铝，例如铝箔，其可以用作集电器以及用于正电极或阴极层的基底。在其他实施方案中，导电金属层可以包含铜，例如铜箔，其可以用作集电器以及用于负电极或阳极层的基底。本文描述的电池还包括电解质，例如那些在锂电池中有用的电解质。适合的电解质包括，例如，液体电解质，凝胶聚合物电解质，以及固体聚合物电解质。适合的液体电解质包括，例如，在有机溶剂混合物中的LiPF6溶液，所述混合物例如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯和碳酸甲基乙基酯的混合物。在一个实施方案中，本专利技术包括：包含多孔分隔器、邻近多孔分隔器的电极层以及涂覆在电极层上的集电器层的电池堆叠，其中所述集电器层包含熔结的金属颗粒。在一个实施方案中，电池堆叠包括包含熔结的镍颗粒的集电器层。在一个实施方案中，电池堆叠包括包含熔结的铜颗粒的集电器层。在一个实施方案中，电池堆叠包括包含熔结的铝颗粒的集电器层。在一个实施方案中，电池堆叠包括2-20μm厚的集电器层。在一个实施方案中，电池堆叠包括包含选自无机氧化物颗粒和无机氮化物颗粒的颗粒的多孔分隔器。在一个实施方案中，电池堆叠包括包含有机聚合物的多孔分隔器。在一个实施方案中，电池堆叠包括包含勃姆石的多孔分隔器。在一个实施方案中，电池堆叠包括包含氧化铝的多孔分隔器。在一个实施方案中，电池堆叠包括包含65重量％至95重量％的勃姆石的多孔分隔器。在一个实施方案中，电池堆叠包括平均孔径为10-90nm的多孔分隔器。在一个实施方案中，电池堆叠包括作为阴极层的电极层。在一个实施方案中，电池堆叠包括作为阳极层的电极层。在一个实施方案中，电池堆叠包括邻近多孔分隔器的断路层。在一个实施方案中，电池堆叠包括在部分多孔分隔器上的非熔结金属颗粒的涂层。在一个实施方案中，本专利技术包括：包含多孔分隔器、邻近多孔分隔器的电极层、在电极层上涂覆的集电器层、以及在部分多孔分隔器上的非熔结金属颗粒的涂层的电池堆叠。在一个实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
电池堆叠，其包括：多孔分隔器；与所述多孔分隔器相邻的电极层；以及在所述电极层上涂覆的集电器层，其中所述集电器层包含熔结的金属颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.15 US 62/178,633;2015.07.09 US 62/231,5391.电池堆叠，其包括：多孔分隔器；与所述多孔分隔器相邻的电极层；以及在所述电极层上涂覆的集电器层，其中所述集电器层包含熔结的金属颗粒。2.如权利要求1所述的电池堆叠，其中所述集电器层包含熔结的镍颗粒。3.如权利要求1所述的电池堆叠，其中所述集电器层包含熔结的铜颗粒。4.如权利要求1所述的电池堆叠，其中所述集电器层包含熔结的铝颗粒。5.如权利要求1至4中任一项所述的电池堆叠，其中所述集电器层为2μm至20μm厚。6.如权利要求1至5中任一项所述的电池堆叠，其中所述多孔分隔器包含选自无机氧化物颗粒和无机氮化物颗粒的颗粒。7.如权利要求1至6中任一项所述的电池堆叠，其中所述多孔分隔器包含有机聚合物。8.如权利要求1至7中任一项所述的电池堆叠，其中所述多孔分隔器包含勃姆石或氧化铝。9.如权利要求8所述的电池堆叠，其中所述多孔分隔器包含65重量％至95重量％的勃姆石。10.如权利要求1至9中任一项所述的电池堆叠，其中所述多孔分隔器具有10nm至90nm的平均孔径。11.如权利要求1至10中任一项所述的电池堆叠，其中所述电极层是阴极层。12.如权利要求1至10中任一项所述的电池堆叠，其中所述电极层是阳极层。13.如权利要求1至12中任一项所述的电池堆叠，其还包含与所述多孔分隔器相邻的断路层。14.如权利要求1至13中任一项所述的电池堆叠，其还包含在部分所述多孔分隔器上的非熔结的金属颗粒的涂层。15....

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·A·卡尔森，本杰明·斯隆，大卫·W·埃维森，
申请(专利权)人：奥普图多特公司，
类型：发明
国别省市：美国,US