可充电电池制造技术

提供了一种深度放电稳定性得到改善的电池，特别是可充电电池。该电池包括至少一个具有正极集流体的正电极和至少一个具有负极集流体的负电极。所述负极集流体由导电的非金属结构材料制成，特别是由结构碳制成。优选地，所述电池是锂电池或锂离子电池。

Rechargeable battery

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可充电电池
本专利技术涉及一种电池，特别是一种可充电电池。本专利技术还涉及电池的用途和所述电池的制造方法。
技术介绍
可充电锂离子电池是便携式应用的首选电化学储能设备之一，因为与其它系统相比，其具有更高的能量密度和更长的循环寿命。已知的可充电锂离子电池包括正电极和负电极，所述正电极具有负载在金属集流体(例如铝)上的活性材料(例如LiCoO2)，所述负电极具有负载上金属集流体(例如铜)上的活性材料(例如碳质材料)。所述两个电极由隔板隔开。提供了电解质，以提高所述两个电极之间的离子导电性。集流体用于收集来自所述电极的电流，并将其传导至所述电池的外极。根据集流体的电化学稳定性来选择集流体。通常，铜被用作负电极的集流体，因为当负电极的正常工作电位小于0.7V时，铜是稳定的。但是，铜不应被用作正电极的集流体，因为当正电极的通常工作电位大于3V时，铜会溶解。另一方面，在较高电位下，铝是稳定的，因此铝适合被用作正电极的集流体，而当负电极的工作电位小于0.7V时，铝易于与锂形成合金。因此，不应将铝用作负电极的集流体。电池的总电压由正电极电位和负电极电位之差得出。在锂离子电池难以更换或长时间不使用的应用领域，主要的安全问题之一是由所述电池过度放电而导致的，即：电池放电至低于3V的电压下限。如果电池放电至低于所述3V的电压限值，则负电极的电位迅速增加至铜溶解限值以上。如果将铜用作负电极中的集流体，那么将导致铜的腐蚀，这会增加内部短路的风险，且不可逆转地损坏电池性能。为了避免过度放电，如果电压降低至低于预先设定的下限，则通常使用保护电路将电池与其负载断开。这种保护电路被称为低压切断保护电路。尽管具有这种保护电路，但过度放电仍然会发生，特别是当电池处于不工作状态及长时间不充电状态时。因此，避免铜在负电极处溶解的其它保护策略非常重要，特别是在那些电池更换或维护可能比较困难或昂贵的应用领域，例如医疗设备、航空航天和军事设备等。其它防止铜在负电极中溶解的保护策略包括使用电化学性能更加稳定的金属集流体或在电极活性材料中加入添加剂成分。US2011/0133699A1(Medtronic，Inc.，2011)提出了使用钛酸锂作为负电极中的活性材料，以增加充电和放电速率，并避免镀锂。这种方法的主要缺点在于：与含碳活性材料作为负电极的工作电位增加约0.1V相比，所述负电极的工作电位增加约1.5V，这反过来限制了所述电池的能量密度。US8,535,831B2(Quallion有限责任公司，2009)中建议使用不锈钢、镍、钛或其它电化学性能稳定的金属集流体来代替铜负极集流体，以使得电池的放电降至0V。与传统的具有铜负电极集流体的电池相比，这种方法的缺点在于增加了所建议的电池的重量和/或成本。US2012/003531A1(Medtronic，Inc.，2012)教导了在负电极中使用硫化物作为活性材料，以使充电和放电容量低于负电极的集流体的腐蚀电位。US5,053,297(索尼公司，1991)公开了一种辅助活性材料，以避免负电极集流体在放电的最后阶段溶解。US2009/0325072A1(Hideaki等人，2009)公开了用于正电极的层状锂化合物。前面提到的三项专利技术的缺点是电池的体积容量减小，因为较小容量的辅助材料占据了常规较高容量的材料的潜在可用空间。US6,699,623B1(E.I.duPontdeNemoursandCompany，2004)提出了使用层状石墨片作为可充电锂离子电池的正电极的集流体。建议将负电极与集流体进行导电接触，所述集流体优选为金属箔或金属网，最优选为铜。
技术实现思路
本专利技术的目的是制造一种与开头提到的
有关的电池，所述电池能够承受过度放电而不会降低安全性及将来的电池性能。特别地，本专利技术的目的是制造一种能够承受深放电直至零伏，而不会损害将来的电池性能或增加安全风险的电池。本专利技术的解决方案由权利要求1的特征规定。根据本专利技术，一种电池，特别是一种可充电电池，包括至少一个具有正极集流体的正电极和至少一个具有负极集流体的负电极。所述负极集流体由导电的非金属结构材料制成。在电池中用作负极集流体的导电的非金属结构材料具有以下优点：甚至在电池过度放电时，特别是甚至在深度放电至零伏特的过程中，也保持稳定。换句话说，即使在电池过度放电时，特别是即使在深度放电至零伏特的过程中，也不会发生导电的非金属结构材料的腐蚀。此外，导电的非金属结构材料具有足够的机械稳定性和/或强度，从而为电极的活性材料、特别是被称为负电极活性材料的负电极的活性材料提供支持。特别地，如果所述活性材料是脆性的或具有海绵状结构，可能无法在电池壳体中独自保持所需的形状，则提供能够将活性材料保持为所需和/或预定形式的机械结构的集流体是有利的。因此，这种电池的内部短路的风险及由于深度放电而造成的不可逆的性能损伤大大降低了，而且这种电池具有更长的使用寿命。根据本专利技术的电池的另一个优点在于：包括由导电的非金属结构材料制成的集流体的负电极均可以与任何正电极搭配使用，而与其中使用的集流体的类型无关。此外，具有导电的非金属结构材料的负电极可用于任何电池壳体，如：纽扣电池、标准壳体和定制壳体，以及任何电极装置，例如卷绕型电极、弯曲或折叠电极和/或堆叠电极。此外，可以用活性材料涂覆导电的非金属结构材料以形成电池的电极，并且在制造电池中这种电极可以像常规电极一样使用。换句话说，根据本专利技术的电池的生产过程可以类似于现今可用的电池的生产过程。集流体提供了从电极的活性材料到接触固定装置的导电路径，所述接触固定装置用于电连接一个或多个集流体和/或电连接集流体和电池单元的外极。所述集流体为电极的活性材料提供机械支撑。所述集流体可以具有大的表面积，以提供与电极的活性材料之间的直接且良好的电接触。结构材料是能够承受预定外力并从而保持预定形状的材料。导电的非金属结构材料例如可以是任何导电塑料、导电结构碳和/或导电半导体。导电的非金属结构材料的电导率可与传统的金属集流体的电导率相媲美。所述导电的非金属结构材料的电导率优选为至少103S/m，特别为至少104S/m，并且更特别为至少105S/m。导电的非金属结构材料的强度可与传统金属集流体的强度相媲美。所述拉伸强度优选为至少10N/mm2，特别为至少50N/mm2，更特别为至少250N/mm2。在一个优选实施例中，负极集流体包括导电的非金属结构材料的箔材或片材。导电的非金属结构材料的箔材或片材已被证明最适合用作集流体。其使得电池具有较高的能量密度。箔材和/或片材可包括一层或多层导电的非金属结构材料。所述箔材和/或片材的厚度优选小于5mm，特别是小于1mm，更特别是小于200μm，最特别是小于50μm，尤其是小于30μm。作为替代或补充，也可以使用导电的非金属结构材料的纤维和/或管状物。此类纤维和/或管状物可以被编织成具有优良的机械稳定性和/或机械强度的织物。在另一个优选实施例中，所述导电的非金属结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池(1、20、30)，特别是一种可充电电池，其包括：/na)至少一个具有正极集流体(5、8)的正电极(3)；和/nb)至少一个具有负极集流体(4)的负电极(2)，/n其特征在于：/nc)所述负极集流体(4)由导电的非金属结构材料制成。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170913 EP 17190874.21.一种电池(1、20、30)，特别是一种可充电电池，其包括：
a)至少一个具有正极集流体(5、8)的正电极(3)；和
b)至少一个具有负极集流体(4)的负电极(2)，
其特征在于：
c)所述负极集流体(4)由导电的非金属结构材料制成。


2.根据权利要求1所述的电池(1、20、30)，其特征在于：所述负极集流体(4)包括导电的非金属结构材料的箔材或片材。


3.根据前述权利要求中任一项所述的电池(1、20、30)，其特征在于：所述导电的非金属结构材料包括结构碳。


4.根据前述权利要求中任一项所述的电池(1、20、30)，其特征在于：所述正极集流体(8)由导电的非金属结构材料制成，特别是由结构碳制成。


5.根据前述权利要求中任一项所述的电池(1、20、30)，其特征在于：所述电池(1、20、30)是锂电池或锂离子电池。


6.根据前述权利要求中任一项所述的电池(1、20、30)，其特征在于：所述电池(1、20、30)的体积小于30cm3，特别是小于10cm3，最特别是小于5cm3。


7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·斯普瑞菲科，
申请(专利权)人：威恩股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH