具有局部孔隙度区别的电极、其制造方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种电极（10），包括至少一个集流体（2）和至少一个活性材料层（3），其中所述活性材料层（3）包括至少一个连续设计的第一区域K（20）和至少一个不连续设计的第二区域D（30），所述第一区域包括活性材料颗粒P（A）（4），所述第二区域包括活性材料颗粒P（B）（6），其中至少一个不连续设计的区域D（30）分别由连续设计的区域K（20）包围并且其中所述不连续设计的区域D（30）分别具有不大于活性材料层（3）的层厚的两倍的直径。

Electrodes with local porosity differences, their manufacturing methods and Applications

The present invention relates to an electrode (10), including at least one collector (2) and at least one active material layer (3), wherein the active material layer (3) comprises at least one continuous design of the first area of K (20) and at least one discontinuous design second zone D (30), the first region includes active material particles of P (A) (4), the second region includes active material particles of P (B) (6), wherein at least one discontinuous design region of D (30) respectively by the regional K continuous design (20) and the surrounding area D discontinuous design (30) which are not greater than the active material layer (3) thickness two times the diameter.

【技术实现步骤摘要】
具有局部孔隙度区别的电极、其制造方法和应用
本专利技术涉及一种具有在活性材料中的局部孔隙度区别的电极以及一种用于制造这样的电极的方法和其应用。
技术介绍
电化学储能系统、如锂离子电池（LIB）的功率能力、特别是能量密度主要取决于单池中的电极的选择和构型。原理上对于单池的存储容量有利的是，电极具有尽可能高份额的活性材料并且没有有效地有助于储能的材料、诸如集流体的材料的份额被减少到最小值。然而，从电化学角度，集流体上的活性材料层的层厚的由于该要求产生的提高不是主要目标。已知的是，特别是在高的C速率的情况下单池的电解质中的载流子与活性材料之间的反应基本上在活性材料层的表面上进行，并且仅仅少份额的载流子能够更深地扩散到活性材料层中。为了改进所述扩散，在现有技术中描述了不同的结构化的活性材料层和其制造。EP1644136、US2012/0328942A1、US2013/0171527A1和US2013/0050903A1例如公开了以下方法，在所述方法中活性材料层由不同孔隙度的多个层构造。这样的方法要求不利的多级的制造方法，其中每个层必须单独地构造。M.Bayer在其题目为“EntwicklungalternativerElektrodenundAktivierungskongzeptefürdiealkalischeHochleistungselektrolyse（UniversitätUlm，2000），替代电极的研发和用于碱性高功率电解的活化方案（乌尔姆大学，2000年）”的博士论文中描述了一种用于制造电解池的电极的方法，所述电极在表面上具有漏斗形的孔隙。通过所描述的方法，原理上实现至活性材料层的更深区域的更好的可接近性。然而，该优点以减少活性材料量来换取。J.H.Daniel（Printedelectronics-prospectsandchallengesfordisplaysandsensingdevices；präsentiertaufdemMeetingoftheBayAreaChapteroftheSocietyforInformationDisplay；15.Dezember2009；SanJose，CA.印刷电子-显示和传感装置的前景和挑战；在信息显示学会的湾区分会会议上进行展示；2009年12月15日；加利福尼亚，圣何塞）公开了一种用于制造电极的方法，该方法包括不同孔隙度的两种活性材料的共挤出。活性材料组成在此以条带并排地印刷到集流体的表面上。然而，该方法所承担的是，比所需的更强地减少活性材料量并且因此也减小能量密度。此外，为了执行印刷方法需要一种包含溶剂的活性材料组成。因此，本专利技术的任务是提供一种电极，该电极改进了电解质或其中包含的载流子到电极的活性材料中的扩散。此外，该电极应该能够以简单的装置来制造。该任务通过随后描述的本专利技术来解决。
技术实现思路
本专利技术涉及一种电极，其包括至少一个集流体和至少一个活性材料层，其中活性材料层包括至少一个连续设计的第一区域K和至少一个不连续设计的第二区域D，第一区域包括活性材料颗粒P（A），第二区域包括活性材料颗粒P（B），其中至少一个不连续设计的区域D分别由连续设计的区域K包围并且其中不连续设计的区域D分别具有不大于活性材料层的层厚的两倍的直径。活性材料颗粒P（A）和活性材料颗粒P（B）在此包括由活性材料A或活性材料B以及必要时其他附加物质、如导电添加剂、粘合剂或溶剂构成的初级颗粒。活性材料颗粒P（A）和活性材料颗粒P（B）因此是附聚物，所述附聚物由各个组成部分构成并且特别是包括由活性材料A或活性材料B构成的初级颗粒。对于本专利技术必要的是，活性材料颗粒P（A）和活性材料颗粒P（B）具有不同的孔隙度，其中活性材料颗粒P（B）的孔隙度大于活性材料颗粒P（A）的孔隙度。这可以通过原理上为本领域技术人员已知的不同措施来实现。对此，在描述制造方法时进一步探讨。因此，活性材料颗粒P（A）和活性材料颗粒P（B）的不同孔隙度可以通过以下来实现，即由活性材料A或活性材料B构成的初级颗粒在颗粒大小、颗粒形状和/或颗粒类型（活性材料类型）上不同。附加物质也可以在类型和量上不同，以便因此实现不同的孔隙度。活性材料A和活性材料B可以在初级颗粒的形状和大小方面以及在其化学组成方面相同或彼此不同。只要活性材料A和B相同，因此就必须通过合适选择其他附加物质来实现活性材料颗粒P（A）和P（B）的不同孔隙度。活性材料A和活性材料B在此可以由本领域技术人员已知的材料中选择，所述材料适合于制造电化学储能系统的电极。属于此的例如是作为锂离子电池的负电极的活性材料的非晶硅，该非晶硅可以与锂原子构成合金化合物。但是作为负电极的活性材料也可以列举碳化合物、诸如石墨。作为锂离子电池的正电极的活性材料例如可以使用锂化的插层化合物，所述插层化合物能够可逆地吸收和释放锂离子。正的活性材料可以包括混合的氧化物或磷酸盐，其包含至少一种金属，该金属选自由钴、镁、镍以及锂构成的组。作为优选的示例特别是可以强调LiMn2O4、LiFePO4、Li2MnO3、Li0.17Ni0.17Co0.1Mn0.56O2、LiCoO2和LiNiO2。关于根据本专利技术制造的电极的其他应用领域、特别是关于电极用于燃料单池和电解池，作为另外的活性材料可以列举微粒组成，其包括石墨、活性炭或碳纳米管。初级颗粒的颗粒大小理想地匹配于活性材料的所期望的特性。例如初级颗粒具有10μm的平均颗粒大小。为了实现活性材料颗粒、特别是活性材料颗粒P（B）的大的孔隙度，具有窄的颗粒大小分布的近似球形的颗粒形状是有利的，由此限定地产生最密的球形排列的孔隙度作为下限（26%）。未限定地大的孔隙度可以通过使用非球面体、例如小板，和小球体来实现。为了实现活性材料颗粒、特别是活性材料颗粒P（A）的小的孔隙度、即密集排列，优选地可以使用具有宽的颗粒大小分布的组成。在此，在大的颗粒之间形成缝隙，所述缝隙由更小的颗粒填充。合适的附加物质特别是包括导电添加剂和粘合剂以及用于实现活性材料颗粒中的孔隙度的成孔剂和溶剂。作为导电添加剂特别是可以强调导电炭黑、石墨和碳纳米管。粘合剂优选地包括聚合物材料，其选自聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯乙烯丁二烯共聚物（SBR）和三元乙丙橡胶（EPDM）。特别优选地，粘合剂B至少包括PVDF和/或PTFE。在一种优选的实施方式中，粘合剂包括PTFE。该粘合剂可以基于突出的原纤维形成而特别有利地用于产生糊状的可塑的活性材料组成。作为附加的组成部分，活性材料组成可以在一种实施方式中包括至少一种固体电解质、特别是无机固体电解质，该共同电解质能够传导阳离子、特别是锂离子。根据本专利技术，这样的固体无机锂离子导体包括结晶复合锂离子导体和非晶无机固体锂离子导体。结晶锂离子导体特别是包括钙钛矿型的锂离子导体、钛酸锂镧、钠超离子导体（NASICON）型的锂离子导体、钠超离子导体和硫代钠超离子导体（Thio-NASICON）型的锂离子导体以及石榴石型的传导锂离子的氧化物。复合锂离子导体特别是包括包含氧化物和介孔氧化物的材料。这样的固体无机锂离子导体例如在PhilippeKnauth的综述文章“InorganicsolidLiionconduct本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极（10），包括至少一个集流体（2）和至少一个活性材料层（3），其中所述活性材料层（3）包括至少一个连续设计的第一区域K（20）和至少一个不连续设计的第二区域D（30），所述第一区域包括活性材料颗粒P（A）（4），所述第二区域包括活性材料颗粒P（B）（6），其中所述至少一个不连续设计的区域D（30）分别由连续设计的区域K（20）包围并且其中所述不连续设计的区域D（30）分别具有不大于活性材料层（3）的层厚的两倍的直径。

【技术特征摘要】
2016.09.13 DE 102016217390.11.一种电极（10），包括至少一个集流体（2）和至少一个活性材料层（3），其中所述活性材料层（3）包括至少一个连续设计的第一区域K（20）和至少一个不连续设计的第二区域D（30），所述第一区域包括活性材料颗粒P（A）（4），所述第二区域包括活性材料颗粒P（B）（6），其中所述至少一个不连续设计的区域D（30）分别由连续设计的区域K（20）包围并且其中所述不连续设计的区域D（30）分别具有不大于活性材料层（3）的层厚的两倍的直径。2.根据权利要求1所述的电极（10），其中包括活性材料颗粒P（A）（4）的连续设计的区域K（20）具有比包括活性材料颗粒P（B）（6）的至少一个不连续设计的D（30）更小的孔隙度。3.根据权利要求1或2所述的电极（10），其中活性材料颗粒P（A）（4）在整个活性材料层（3）中的体积份额大于活性材料颗粒P（B）（6）的体积份额。4.根据权利要求1至3之一所述的电极（10），其中包括活性材料颗粒P（B）（6）的至少一个不连续设计的D（30）从集流体（2）的表面直至背向集流体（2）的表面地完全穿透活性材料层（3）。5.根据权利要求1至4之一所述的电极（10），其中活性材料颗粒P（A）（4）基本上不包括球体颗粒并且活性材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：H鲍尔，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE