用于具有改善性能的能量存储装置的组合物和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供能量存储装置，其包括具有改善的性能的至少一种干法自支撑电极膜。该改善的性能可以实现为改善的电极材料负载、改善的活性材料负载、改善的活性材料密度、改善的面容量、改善的比容量、改善的面能量密度、改善的能量密度、改善的比能量密度或改善的库仑效率。

Compositions and methods for energy storage devices with improved performance

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于具有改善性能的能量存储装置的组合物和方法通过引用并入任何优先权申请本申请要求2017年11月22日提交的美国临时申请No.62/590110的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
本专利技术总体上涉及能量存储装置，并且具体地涉及用于具有改善性能的干电极能量存储装置的材料和方法。
技术介绍
电能存储单元被广泛用于向电子、机电、电化学和其它有用设备供电。这种单元包括电池，例如一次化学电池和二次(可充电)电池、燃料电池以及各种电容器，包括超级电容器。增加能量存储装置(包括电容器和电池)的工作功率和能量，对于增强能量存储、增加功率容量和扩大实际使用场景将是可取的。包括结合了互补属性的电极膜的能量存储装置可以提高能量存储装置在实际应用中的性能。此外，现有的制造方法可能会对各种结构电极的性能施加实际限制。因此，新的电极膜配方及其制造方法可提高性能。另外，电极膜的新颖组合可以揭示出可以为能够存储装置提供改善性能的组合。
技术实现思路
出于概括本公开以及相比于现有技术所获得的优点的目的，本文描述了本公开的某些目的和优点。并非所有这些目的和优点均可以在任何特定实施方式中实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本专利技术可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式体现或实施，而不必实现如本文所教导或建议的其它目的或优点。在第一方面，提供了一种锂离子电池，其包括至少一个自支撑干电极膜并且具有增强的性能。该增强的性能可以是增强的电极材料负载、活性材料负载、面容量、比容量、面能量密度、能量密度、比能量密度或库仑效率。在一个实施方式中，此类电池可以具有至少250Wh/kg的比能量密度，或至少600Wh/L的能量密度。在一个方面，提供了一种能量存储装置的单干电极膜。该干电极膜包括干活性材料。该干电极膜还包括干粘合剂。该干电极膜还包括，其中该干电极膜是独立式的(free-standing)，并且其中该干电极膜的厚度大于约110μm。在另一方面，提供了一种能量存储装置的干电极膜。该干电极膜包括干活性材料。该干电极膜进一步包括干粘合剂。该干电极膜进一步包括，其中该干电极膜是独立式的，并且其中该干电极膜的电极膜密度为至少1.4g/cm3。在另一方面，提供了一种制造能量存储装置的单干电极膜的方法。该方法包括提供干活性材料。该方法进一步包括提供干粘合剂。该方法进一步包括将该干活性材料和干粘合剂组合以提供电极膜混合物。该方法进一步包括由该电极膜混合物形成厚度大于约110μm的独立式干电极膜。在另一方面，提供了一种用于制造能量存储装置的干电极膜的方法。该方法包括提供干活性材料。该方法进一步包括提供干粘合剂。该方法进一步包括组合该干活性材料和干粘合剂以提供电极膜混合物。该方法进一步包括由该电极膜混合物形成电极膜密度为至少1.4g/cm3的独立式干电极膜。所有这些实施方式都旨在落入本文公开的本专利技术的范围内。通过以下参考附图对优选实施方式的详细描述，这些和其它实施方式对于本领域技术人员将变得显而易见，本专利技术不限于所公开的任何特定的优选实施方式。附图说明图1描绘了能量存储装置的一个实施方式。图2A-2D描绘了将干、湿阳极和阴极组合在一起的能量存储装置的各种配置。图3A描绘了双极电极，其中阳极和阴极通过集流体耦合。图3B-3E描绘了包括通过集流体耦合的湿和/或干电极膜的双极电极的各种配置。图4A-4E描绘了各种能量存储装置单元的配置。图5A和5B分别推荐了包括干电极和湿电极的各种组合的锂离子电池的容量和效率数据。类型1包括干阴极和干阳极，类型2包括干阴极和湿阳极，类型3包括湿阴极和干阳极，且类型4包括湿阴极和湿阳极。图6提供了具有干和湿电极的各种组合的锂离子电池的电压与容量数据。类型1包括干阴极和干阳极，类型2包括干阴极和湿阳极，类型3包括湿阴极和干阳极，且类型4包括湿阴极和湿阳极。图7提供了具有干和湿电极的各种组合的锂离子电池的体积能量密度(Wh/L)和重量能量密度(Wh/kg)数据。类型1包括干阴极和干阳极，类型2包括干阴极和湿阳极，类型3包括湿阴极和干阳极，且类型4包括湿阴极和湿阳极。图8A和8B分别提供了在多个连续步骤(“混合A”)和在一个步骤(“混合B”)中加工的干锂离子电池阳极的容量和效率数据。图9A和9B分别提供了在叶片搅拌机(“混合器A”)和声学共振混合器(“混合器B”)中加工的干锂离子电池阳极的容量和效率数据。图10A和10B分别提供了使用非预磨的聚合物粘合剂(“加工A”)和在引入其余电极组分之前通过喷射磨机处理的预磨聚合物粘合剂(“加工B”)加工的干锂离子电池阳极的容量和效率数据。图11A和11B分别提供了使用采用喷射研磨步骤处理过的活性材料和也采用喷射研磨步骤处理过的粘合剂(“配方1”)以及使用采用柔和粉末工艺处理过的活性材料和采用喷射研磨步骤处理过的粘合剂(“配方4”)加工的干锂离子电池阳极的容量和效率数据。图12提供了干涂覆的厚NMC622阴极半电池的电压与容量数据。图13提供了干涂覆的厚石墨阳极半电池的电压与容量数据。图14提供了在各种电极材料负载重量下干涂覆的厚NMC622阴极半电池的第一循环电化学结果。图15A和15B分别提供了干和湿涂覆的厚电极的全电池放电率电压曲线。图16提供了图15A和15B中所示全电池干和湿涂覆的厚电极在不同电流速率下的放电容量。图17A和17B分别提供了干和湿涂覆的厚电极的全电池充电率电压曲线。图18中提供了图17A和17B中所示全电池干和湿涂覆的厚电极在不同电流速率下的充电容量。图19A和19B分别提供了老化之前和之后软包(pouch)全电池中干涂覆的厚电极的电化学阻抗谱数据。图19C和19D分别提供了老化之前和之后软包全电池中湿涂覆的厚电极的电化学阻抗谱数据。图20提供了老化之前和之后软包全电池中干和湿涂覆的厚电极的电池电压。图21提供了老化之后软包全电池中干和湿涂覆的厚电极的电池容量保留。图22提供了传统干加工的电极的电极膜密度与负载的关系。图23提供了与现有技术湿涂覆工艺相比，通过本公开的干法生产的不同干电极配方的容量与电极膜密度的关系。图24A和24B分别提供了相对于根据本公开生产的石墨阳极的负载的重量能密度和体积能密度。具体实施方式本文提供了具有改善性能的能量存储装置的各种实施方式。特别地，在某些实施方式中，本文公开的能量存储装置包括具有高能量密度的电极膜。该能量存储装置包括使用改进的技术并通过各种工艺的组合制造的电极膜。该能量存储装置可以是基于锂离子的电池。锂离子电池已在许多商业和工业用途中用作电源，例如在消费类设备、生产力设备和电池供电的车辆中。然而，对能量存储装置的需求正在持续且迅速地增长。例如，汽车工业正在开发依赖紧凑高效能源存储的车辆，例如插电式混合动力汽车和纯电动汽车。锂离子电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量存储装置的单干电极膜，其包括：/n干活性材料；和/n干粘合剂；/n其中所述干电极膜是独立式的，并且/n其中所述干电极膜厚度大于约110μm。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171122 US 62/590,110;20181108 US 16/184,8921.一种能量存储装置的单干电极膜，其包括：
干活性材料；和
干粘合剂；
其中所述干电极膜是独立式的，并且
其中所述干电极膜厚度大于约110μm。


2.根据权利要求1所述的干电极膜，其中所述干电极膜的电极膜孔隙率为至多约20％。


3.根据权利要求1所述的干电极膜，其中所述电极膜的电极膜密度为至少0.8g/cm3。


4.根据权利要求1所述的干电极膜，其中所述电极膜的电极材料负载为至少约20mg/cm2。


5.根据权利要求1所述的干电极膜，其中所述干电极膜包含至少约90wt％所述干活性材料。


6.根据权利要求1所述的干电极膜，其中所述干活性材料包含阳极活性材料。


7.根据权利要求6所述的干电极膜，其中所述阳极活性材料包含碳活性材料。


8.根据权利要求7所述的干电极膜，其中所述碳活性材料包含石墨。


9.根据权利要求1所述的干电极膜，其中所述干活性材料包含阴极活性材料。


10.根据权利要求9所述的干电极膜，其中所述阴极活性材料包含锂镍锰钴氧化物(NMC)。


11.根据权利要求9所述的干电极膜，其中所述阴极活性材料包含硫基材料。


12.根据权利要求1所述的干电极膜，其中所述干粘合剂包含可原纤化的粘合剂。


13.根据权利要求1所述的干电极膜，其中所述干粘合剂包含聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素(CMC)和聚偏二氟乙烯(PVDF)中的至少一种。


14.根据权利要求13所述的干电极膜，其中所述干粘合剂以2:1:1的重量比包含聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素(CMC)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。


15.根据权利要求1所述的干电极膜，其中所述干电极膜包含至高约20wt％的所述干粘合剂。


16.根据权利要求1所述的干电极膜，其中进一步包含导电添加剂。


17.根据权利要求16所述的干电极膜，其中所述干电极膜包含至高约5wt％的所述导电添加剂。


18.根据权利要求1所述的干电极膜，其中进一步包含多孔材料。


19.根据权利要求18所述的干电极膜，其中所述干电极膜包含至高约10wt％的所述多孔材料。


20.一种电极，其包括与集流体接触的权利要求1所述的干电极膜。


21.根据权利要求20所述的电极，其中所述电极的体积能量密度为至少约550Wh/L。


22.根据权利要求20所述的电极，其中所述电极的比能量密度为至少约200Wh/kg。


23.根据权利要求20所述的电极，其中所述电极的比容量为至少约150mAh/g。


24.根据权利要求20所述的电极，其中所述电极的面容量为至少约3.5mAh/cm2。


25.根据权利要求24所述的电极，其中所述面容量是放电容量。


26.根据权利要求20所述的电极，其中在1.5C放电率下的充电容量保留百分比为至少约20％。


27.根据权利要求20所述的电极，其中在2C充电率下的充电容量生产百分比为至少约10％。


28.根据权利要求20所述的电极，其中库仑效率为至少约85％。


29.一种锂离子电池，其包括权利要求20所述的电极。


30.一种固态锂离子电池，其包括权利要求20所述的电极。


31.一种能量存储装置的干电极膜，其包括：
干活性材料，和
干粘合剂；
其中所述干电极膜是独立式的；并且
其中所述干电极膜的电极膜密度为至少1.4g/cm3。


32.根据权利要求31所述的干电极膜，其中所述干电极膜的厚度大于约110μm。


33.根据权利要求31所述的干电极膜，其中所述干电极膜的厚度大于约155μm。


34.根据权利要求31所述的干电极膜，其中所述电极膜的电极材料负载为至少约20mg/cm2。


35.根据权利要求31所述的干电...

【专利技术属性】
技术研发人员：申俊昊，希厄·明赫·东，海姆·费根鲍姆，
申请(专利权)人：麦斯韦尔技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US