具有一个或多个多层电极的电化学电池制造技术

本公开的电化学电池可以包括一个或多个多层电极。每个多层电极可以被配置为使得最接近集流体的层中的活性材料具有较低的每摩尔锂化能量、较高的每摩尔脱锂能量、不同的固态扩散率，和/或不同的平均粒度。这种布置抵消了例如标准锂离子电池中存在的自然梯度场和不期望的极化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有一个或多个多层电极的电化学电池
本公开涉及用于包括复合多孔电极的电化学装置的系统和方法。更具体地，所公开的实施方案涉及用于电池的多层电极。
技术介绍
随着对化石燃料的依赖越来越不合乎期望，环境友好的能源变得越来越重要。诸如太阳能、风能等的大多数非化石燃料能源都需要某种储能部件以最大限度地发挥作用。因此，电池技术已经成为未来能量生产和分配的重要方面。与本公开最相关的是，对二次(即，可充电)电池的需求已在增加。在这些类型的电池中使用了电极材料和电解质的各种组合，例如铅酸、镍镉(nickelcadmium，NiCad)、镍金属氢化物(nickelmetalhydride，NiMH)、锂离子(Li-ion)和锂离子聚合物(Li-ion聚合物)。
技术实现思路
本公开提供了与改善的电化学电池及其电极有关的系统、装置和方法。在一些实施方案中，电化学电池可包括第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；以及电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化自由能；第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化自由能；其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一锂化自由能小于所述第二锂化自由能。在一些实施方案中，电化学电池可包括第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；以及电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔脱锂自由能；第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔脱锂自由能；其中所述第一固态扩散率低于所述第二固态扩散率，并且所述第一脱锂自由能大于所述第二脱锂自由能。在一些实施方案中，电极可包括集流体衬底；以及活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述衬底上，其中所述活性材料复合物包括：第一层，所述第一层与所述集流体衬底相邻并包括多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化能量；第二层，所述第二层与所述第一层相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化能量；其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一每摩尔锂化能量小于所述第二每摩尔锂化能量。各特征、功能和优点可以在本公开的各种实施方案中独立地实现，或者可以在另一些实施方案中组合，其更多细节可以参考以下描述和附图来看到。附图说明图1是说明性电化学电池的示意性截面图。图2是具有第一说明性多层电极的电化学电池的一部分的示意性截面图，描绘了在锂化过程中接受锂离子。图3是具有第二说明性多层电极的电化学电池的一部分的示意性截面图，描绘了在脱锂过程中释放锂离子。图4是根据本公开多个方面的具有一个多层电极和一个均质电极的说明性电化学电池的示意性截面图。图5是根据本公开多个方面的具有一个多层电极和一个均质电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。图6是根据本公开多个方面的具有一个多层电极和一个均质电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。图7是根据本公开多个方面的具有一个多层电极和一个均质电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。图8是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的说明性电化学电池的示意性截面图。图9是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。图10是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。图11是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。图12是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的另一说明性电化学电池的说明性截面图。图13是描绘了用于制造本公开的电极和电化学电池的说明性方法的步骤的流程图。图14是适于执行图13所述的制造方法的步骤的说明性制造系统的示意图。具体实施方式下文中描述并在相关附图中示出了包括具有多个层的电极的电化学电池的多个方面和示例以及相关方法。除非另有说明，否则本文描述的包括具有多个层的电极的电化学电池和/或其多个部件(但并非必须)可包含本文描述、示出和/或结合的结构、部件、功能和/或变型中的至少一个。此外，除非明确地排除，否则结合本教导而在本文中描述、示出和/或结合的工艺步骤、结构、部件、功能和/或变型可被包括在其他类似的装置和方法中，包括在所公开的实施方案之间可互换。以下多个示例的描述本质上仅是说明性的，绝不旨在限制本公开、其应用或用途。另外，以下描述的示例和实施方案提供的优点本质上是说明性的，并且并非所有示例和实施方案都提供相同的优点或相同程度的优点。该具体实施方式包括紧接的以下章节：(1)定义；(2)概述；(3)示例、部件和替选方案；(4)说明性组合和附加示例；以及(5)结论。该示例、部件和替选方案部分进一步分为子章节A至子章节E，每个子章节均已相应标记。定义除非另外指出，否则以下定义在本文中适用。“基本上/基本(substantially)”是指或多或少地符合由所述术语修饰的特定尺寸、范围、形状、概念或其他方面，使得特征或部件不需要精确地符合。例如，“基本上圆柱形”的对象是指所述对象类似于圆柱体，但可能与真正圆柱体有一个或多个偏差。“包括”、“包含”和“具有”可互换使用，以表示包括但不必限于此，并且是开放式的术语，并不旨在排除其他未叙述的要素或方法步骤。诸如“第一”、“第二”和“第三”之类的术语用于区分或识别组中的多个成员，并不旨在示出序列或序号限制。“AKA”表示“也称为”，并且可以用于指示一个或多个给定要素的别称或对应术语。“联接(coupled)”是指直接地或通过中间部件间接地、永久地或可释放地连接。“活性材料分数(activematerialfraction)”是指活性材料的质量除以电极(或电池)的总质量。“活性体积分数(activevolumefraction)”是指活性材料的体积除以电极(或电池)的总体积。“NCA”是指锂镍钴铝氧化物(LithiumNickelCobaltAluminumOxide，LiNiCoAlO2)。“NM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学电池，包括：/n第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；和/n电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；/n所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：/n第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化自由能；/n第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化自由能；/n其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一锂化自由能小于所述第二锂化自由能。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180323 US 62/647,300;20180509 US 15/975,6951.一种电化学电池，包括：
第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；和
电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；
所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：
第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化自由能；
第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化自由能；
其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一锂化自由能小于所述第二锂化自由能。


2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第二电极为基本均质的。


3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。


4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳和一氧化硅组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。


5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极，并且所述第一活性材料颗粒基本上由钛酸锂组成。


6.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阴极，并且所述第一活性材料颗粒基本上由磷酸铁锂组成。


7.根据权利要求6所述的电化学电池，其中，所述第二活性材料颗粒包括氧化物。


8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒的第一平均体积尺寸小于所述第二活性材料颗粒的第二平均体积尺寸。


9.一种电化学电池，包括：
第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；和
电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；
所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：
第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾德里安·姚，谢尔·威廉·施罗德，尼兰·辛格，
申请(专利权)人：美商映能量公司，
类型：发明
国别省市：美国;US