具有低内部电阻的金属化膜集流体的电池制造技术

本发明专利技术提供一种锂电化学能量产生和储存装置，包括负极、正极、在所述负极和所述正极之间的至少一个隔膜、电解质和与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个集流体；其中，所述集流体表现出大于0.005欧姆/方块的电阻率；其中，所述电化学装置显示出大于在0.5C下测量的容量的70％的2C容量，这种集流体还包括涂覆有至少一个导电层的绝缘支撑层，其中所述导电层具有小于2微米的厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有低内部电阻的金属化膜集流体的电池
本专利技术技术涉及锂电池制品的结构组件和物理特性的改进，从而提供比标准可充电电池类型(例如，作为一个实例的高功率锂离子电池类型)更低的电阻。这种结构修饰涉及较薄的金属集流体结构，所述金属集流体结构增加了电池单元的内阻水平，并且通过修饰电极涂层作为这方面的调节而伴随电池单元内部电阻的降低。利用低厚度电极、高孔隙率电极、较高导电性电极涂层、具有不同水平的导电材料的多层电极涂层以及具有用于定向结果的不同电阻区域的图案涂层，所有这些在此方面与薄金属化集流体同时起作用。本专利技术还提供包括这些改进的电池制品及其使用方法。本专利技术技术涉及具有低内部电阻的金属化薄膜集流体的电池，其用于降低锂离子电池的内部电阻。
技术介绍
可充电功率电池(例如，不限于锂离子电池)作为电源在世界各地仍然很流行，并且众多产品中的重要性日益增加。从充电式电动工具到电动汽车，再到无处不在的蜂窝电话(如平板电脑、手持计算机等)，(不同离子类型的)锂电池由于可靠性、上面提到的可再充电性和使用寿命长而被用作主要电源。然而，利用如此广泛使用的电源会带来某些问题，其中一些已被证明越来越严重。值得注意的是，安全问题已经暴露出来，其中，无论是否由于最初的制造问题或与时间有关的退化问题，这种锂电池中的某些缺陷会在短路事件期间引起容易产生点火电位。基本上，已经发现导电材料的内部缺陷会在这种电池结构内产生不希望的高热量并最终引起火灾。其结果是，从手持计算机装置(三星GalaxyNote7，作为一个臭名昭著的情况)到整架飞机(波音787)，使用锂电池的某些产品都被禁止销售和/或使用，直到已经提供了在其中和与其一起使用的受损锂电池的解决方案为止(甚至达到在某些地区禁止任何飞机使用三星GalaxyNote7的程度)。甚至电动汽车特斯拉(Tesla)生产线也出现了锂电池组件的显著问题，这引起了头条新闻，即昂贵的汽车由于电池问题而如火球般爆炸。因此，与此类锂电池问题相关的广泛召回或全面禁令至今仍然存在，因此迫切需要克服此类问题。这些问题主要是由于制造问题而存在的，无论是制成的单个电池组件还是这样的组件本身被配置成单个电池。通过仔细观察，锂电池目前由六个主要组件制成：正极材料；涂覆有正极材料的正极集流体(如铝箔)；负极材料；涂覆有负极材料的负极集流体(如铜箔)；位于每个负极与正极层之间且通常由塑料材料制成的隔膜；和电解质，所述电解质作为使其他材料饱和的导电性有机溶剂，从而提供在所述负极与所述正极之间传导离子的机制。这些材料通常在罐(如现有技术图1所示)中缠绕在一起，或者堆叠在一起。还有许多其他构造可以用于此类电池生产目的，包括软包电池、方形电池、纽扣电池、圆柱形电池、缠绕的方形电池、缠绕的软包电池，这样的例子不胜枚举。这些电池在正确制作和轻拿轻放的情况下可以数千次充放电循环地为各种应用提供能量，而不会发生任何明显的安全事故。然而，如上所述是，某些事件，特别是某些缺陷会导致内部导电材料之间的内部短路，从而导致发热和内部热失控，这已知是此类锂电池内火灾的最终原因。如上所述的，此类事件可能还由内部缺陷引起，包括电池内金属颗粒的存在、集流体材料上的毛刺、隔膜中的细点或孔(无论是在后续加工期间包含的，还是在后续加工过程中引起的)、电池层的未对准(留出“开口”而产生的不希望导电性)、渗透到电池中的外部碎屑(如撞击行驶中的车辆的道路碎屑)、电池单元本身的破碎和/或失稳(例如，由于事故)、为密闭空间中的电池单元充电等。一般而言，这些类型的缺陷已知会导致在负极与正极之间产生小的电子导电路径。当发生此类事件时，如果随后对电池进行充电，则这种导电路径可能会导致电池单元的放电，这最终产生过多的热量，从而损害电池结构并危及由此供电的底层装置。结合作为电池电解质的易燃有机溶剂材料的存在(其通常对于电池可操作性而言是必需的)，这种过多的热量已经显示出会引起其点燃，从而最终造成非常危险的情况。此类问题至少一旦开始就很难控制，并已导致对消费者的严重伤害。通过提供在以这种方式不损害易燃有机电解质的情况下输送电能的电池，肯定可以避免这种潜在的灾难性情况。内部的过多热量的产生可能进一步造成塑料隔膜的收缩，从而使它从电池上移开、分离或以其他方式增大电池内的短路面积。在这种情况下，电池内更大暴露的短路面积可能导致持续的电流并增加其中的热量，从而导致高温事件，这会对电池单元造成重大损坏，包括爆裂、排气，乃至火焰和火灾。这样的损坏由于着火和更坏的后果的可能性会很快出现而尤其成问题，并可能导致电池以及潜在的底层装置遭受爆炸，从而也给用户带来重大危险。(多种类型的)锂电池特别容易出现与短路有关的问题。如上所述的，典型的电池倾向于在高温暴露下显示出增加的放电速率，从而有时会导致如上所述的不受控制的(失控)燃烧和着火。由于这些可能性，某些法规已经生效，以管理此类电池物品的实际使用、存储，乃至运输。当然，实现适当协议以防止与短路相关的失控事件的能力是非常重要的。然而，至于如何实际解决此类问题，特别是当从无数供应商以及全球许多不同地点提供零件生产时，仍然存在问题。一些先前的公开提到了在锂离子电池中使用金属化膜作为集流体结构，包括日本专利申请号11410796。这样的公开以及最近所做的其他公开，在提供目标动力电池本身内部的内部电阻方面非常有限，没有任何其他结构修改作为对其的适应。例如，CATL最近已经教导利用集电薄膜(金属化)以达到安全目的；然而，如上文所述的，这种利用仅限于需要导致高内阻的非常薄的金属涂层的效果。因此，本CATL公开仅限于将与电池容量CAP相关的该电池的内阻R所需要的水平定义为R×CAP的乘积高于特定参数，在这种情况下其为40。然而，在本专利技术中，并且在涉及电池的“容量”的所有情况下，以0.2C或更低的速率进行此类测量。如此高的内阻可以有助于锂离子电池的良好安全性能，因为这样的内阻水平可以在存在内部短路或损坏引起的短路时减少电流。当然，内阻越高，电流就越低，这就降低了由于短路而产生热量的速率，从而降低了电池被驱动热失控的可能性。因此，现在已经认识到这种金属化薄膜集流体可以与发电单元结合使用而同时表现出低内阻，这是相当新颖的并且与这种特定的CATL教导(实现与在具有高电阻结果的金属化薄膜上使用超薄金属涂层相关的高安全性)相反。因此，通常认为这种减少的金属量(例如，从整体到金属化膜)必然有助于增加目标功率电池的内阻，从而提高其安全性。因此，涉及锂离子电池内的这种金属化膜利用等的标准是，实现这种安全水平(例如，防止热失控)的唯一方法是提供具有高内部电阻的电池，并且这种高电阻水平是在这方面提高安全性的来源。然而，人们发现，低内阻电池是输送或接收高功率所必需的，本质上允许改善的安全性，但同时赋予行业内此类可充电电池的生存能力所需的功率水平。例如，当涉及电动汽车时，由于可充电电池本身的制造和/或损坏引起的短路，确实有一些事件显示出与热失控相关的问题。随着高内阻金属化薄膜集流体的使用，这种热失控发生的倾向降低，但是功率损失，从而降低充电电池的再充电的有效性和/或有效性的持续时间，由此高水平激活和利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂电化学能量产生和储存装置，包括负极、正极、在所述负极和所述正极之间的至少一个隔膜、电解质和与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个集流体；其中，所述集流体表现出大于0.005欧姆/方块的电阻率；其中，所述电化学装置显示出大于在0.5C下测量的容量的70％的2C容量，这种集流体还包括涂覆有至少一个导电层的绝缘支撑层，其中所述导电层具有小于2微米的厚度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20191127 US 16/698,936;20191231 US 16/732,1391.一种锂电化学能量产生和储存装置，包括负极、正极、在所述负极和所述正极之间的至少一个隔膜、电解质和与所述负极和所述正极中的至少一个接触的至少一个集流体；其中，所述集流体表现出大于0.005欧姆/方块的电阻率；其中，所述电化学装置显示出大于在0.5C下测量的容量的70％的2C容量，这种集流体还包括涂覆有至少一个导电层的绝缘支撑层，其中所述导电层具有小于2微米的厚度。


2.根据权利要求1所述的锂电化学能量生成和储存装置，其中，所述装置表现出小于15毫欧姆的电阻。


3.根据权利要求1所述的锂电化学能量生成和储存装置，其中，所述装置表现出小于4.0mAh/cm2的电极面积能量密度。


4.根据权利要求1所述的锂电化学能量生成和储存装置，其中，所述装置显示出容量CAP与电阻R之积，其中CAP×R小于40mOhm-Ah。


5.一种锂电化学能量产生和储存装置，包括负极、正极、在所述负极和所述正极之间的至少一个隔膜、电解质和与所述负极和所述正极中的至少一个相接触的至少一个集流体；其中，所述集流体表现出大于0.005欧姆/方块的电阻率；其中，所述负极或正极中的至少一个被构造成通过包含以下中的至少一个来实现低电阻率：
a)厚度小于70微米的电极；
b)含大于6重量％导电添加剂的电极涂层；
c)孔隙率大于35％的电极涂层；
d)具有多层的电极涂层；和
e)表现出涂层材料的散布图案的电极涂层，其中，所述涂层材料的散布图案的至少一个组件包括高能、较低导电率的区域，并且所述涂层材料的散布图案的至少一个其他组件包括较高导电率的区域，其中，这种导电率由高导电性材料含量或高孔隙率率材料的存在引起。


6.一种储能装置，包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：布莱恩·G·莫林，卡尔·C·胡，
申请(专利权)人：索特利亚电池创新集团公司，
类型：发明
国别省市：美国;US