电池中的电极结构及制造方法技术

公开了具有电极活性层的固体组合电极，所述电极活性层包括电极活性材料、可选的电子传导材料、可选的粘合剂和其他可选添加剂。通过在集流体上以一层或多层的方式沉积电极组合物（浆料）来形成所述固体组合电极。所述电极结构的特征在于，电极组合物层的孔隙率在从层的背面（靠近所述集流体）到层的正面的方向上减小。孔隙率减小的梯度受浆料中固体物质的量、浆料中溶剂成分、在沉积之后对层进行干燥的温度以及每一层的按压或砑光条件的控制。所述电极结构可用于例如一次（不可再充电的）电池和二次（可再充电的）电池的电能的化学源。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电能的化学源，其包括正极(阴极)和负极(阳极)。本专利技术特别涉及可再充电的(二次)和不可再充电的(一次)电池，所述电池包括提供离子的负极(阳极)、中间的分离成分(separatorelement)以及包括电极去极化物质(阴极活性材料)的正电极(阴极)，其中中间的分离成分包含电解质溶液或硬的聚合物电解质，在电池的充电和放电循环过程中，离子从源电极材料开始、穿过电解质溶液或硬的聚合物电解质而在电池的电极之间移动。正极和负极之一或者二者都涂覆有多孔电化学活性材料。本专利技术对于制作下列类型的电池是特别有用的：其中当电极隔离膜包括允许锂离子或其他离子移动的液态电解质、凝胶体电解质或硬电解质、以及阴极为多孔多组分固体时，离子源电极为锂、锂化合物或者能够提供离子的其他材料。
技术介绍
在本申请的全文中，通过合并引用而引用了各种专利和已公布的专利申请。本申请中所引用的专利和已公布的专利申请的公开内容通过引用而并入本申请的公开内容中，以便更加完整地描述与本专利技术有关的技术。制作到电池所采用的结构中的电活性材料被称作电极。电池(在本文中称作电能的化学源)中所采用的一对电极中，位于电化学电位较高的一侧的电极称作正极或阴极，而位于电化学电位较低的一侧的电极称作负极或阳极。阴极或正极中所采用的电化学活性材料在下文中被称作阴极活性材料。阳极或负极中所采用的电化学活性材料在下文中被称作阳极活性材料。多组分组合物在下文中被称作电极组合物，其中所述多组分组合物具有电化学活性，并且包含电化学活性材料、可选的电子传导-->添加剂、粘合剂以及其他可选的添加剂。包括具有氧化态的阴极活性材料的阴极和具有还原态的阳极活性材料的阳极的电池或电能的化学源，被认为是处于充电状态。相应地，包括具有还原态的阴极活性材料的阴极和具有氧化态的阳极活性材料的阳极的电池或电能的化学源，被认为是处于放电状态。以占电极总体积的百分比来表示的电极(阴极或阳极)组合物中空闲的自由空间的值，在下文中称作电极(阴极或阳极)活性层的孔隙率。由于电池在不断发展，特别是随着锂电池逐渐被多种应用广泛接受，因此对于安全的、耐用的、高能量密度的以及重量轻的电池的需求变得更为重要。近年来，人们在开发用于高能量的一次电池和二次电池的高能量密度的阴极活性材料以及作为阳极活性材料的碱金属方面具有相当大的兴趣。为了实现电能的化学源或电池的高容量，希望阴极活性层或阳极活性层中具有大量或高负载的电活性材料。例如，在AA尺寸的电池中，阴极活性层的体积通常约为2cm3。如果电活性材料的比容量非常高，例如为1000mAh/g，那么阴极活性层中的电活性材料的量或体积密度则需要至少为500mg/cm3，以使得AA尺寸的电池中具有1g的阴极活性材料来提供1000mAh的容量。如果阴极活性层中的电活性材料的体积密度可以提高到更高的水平，例如大于900mg/cm3，那么在阴极活性层变得更密集且孔隙更少时，电活性材料的比容量不会显著降低的情况下，电池的容量也可以成比例地提高到更高水平。可以用于电能的化学源的阴极活性层中的电活性材料有很多种。例如，在Mukherjee等人的第5,919,587号美国专利中描述了许多这样的材料。这些电活性材料的比重(g/cm3)和比容量(mAh/g)各有不同，因此期望的阴极活性层中的电活性材料的体积密度(以mg/cm3表示)也相应地在较大的范围内变化。锂和硫是分别用于电能的化学源的阳极和阴极的非常理想的电化学活性材料，因为在活性材料的任何已知组合的重量或体积基础上，它们几乎可以提供最高的能量密度。为了获得较高的能量密度，锂可以合金或夹层的形式作为纯金属出现，-->而硫可以作为元素硫出现，或者作为硫含量较高(优选具有超过75％重量百分比的硫)的有机或无机材料中的成分出现。例如，当采用锂作为阳极时，元素硫具有1680mAh/g的比容量。对于其中需要重量轻的电池的应用来说(例如便携式电子设备和电动车辆)，这种较高的比容量是特别期望的。在包含电活性阴极材料和阳极材料的实际的电池中，除了包括聚合物粘合剂、电传导添加剂和电极的其他添加剂之外，还通常包括例如容器、集流体、分离器和电解质等其他非电活性材料。电解质通常为水成液或非水成液、或者包含具有较好的离子导电性和较差的电子传导性的溶解的盐或离子化合物的凝胶体或固体材料。所有这些附加的非电活性成分通常用于使电池可以有效地工作，但是它们也有助于降低电池的重量能量密度和体积能量密度。因此，希望电池中这些非电活性材料的量保持最少，以便使电活性材料的量最大。为了实现阴极或阳极活性层中的电活性材料的最大可能的体积密度，希望使阴极或阳极活性层中的电活性材料的重量百分比最大(例如达到65-85的重量百分比)，并且希望使阴极或阳极活性层的孔隙率或气隙率(air void)保持尽可能低(例如在30到60体积百分比范围内)。特别地，阴极活性层的孔隙率必须保持较低，因为较高的孔隙率(例如70到85体积百分比)不能够提供足够的电活性材料，以获得非常高的电池容量。电活性材料通常是不导电或绝缘的，并且一般不是多微孔的。为了克服电活性材料的绝缘特性，通常在阴极活性层中添加一定量的导电填料(例如导电碳)。通常，导电填料的量约占阴极活性层重量的5％到40％。例如，Armand等人的第4,303,748号美国专利描述了包含离子导电聚合物电解质、以及元素硫、过渡金属盐或其他阴极活性材料的固体复合阴极，以与锂或其他阳极活性材料一起使用。Kegelman的第3,639,174号美国专利描述了包含元素硫和颗粒电导体的固体复合阴极。Skotheim的第5,460,905号美国专利描述了使用掺杂磷的共轭聚合物、以及有效量的导电碳颜料，以用于阴极中电子的输运。Skotheim等人的第5,529,860号和第6,117,590号美国专利描述了将导-->电碳和石墨、导电聚合物、金属纤维、金属粉末、以及金属薄片与电活性材料共同使用。在不牺牲电活性材料的较高的比容量的情况下，即，在电池的循环过程中不减少期望的高电化学利用率(例如大于50％的利用率)的情况下，提高包含电活性材料的阴极活性层或阳极活性层的体积密度将会是非常有益的。特别是当阴极活性层或阳极活性层的厚度增加时，则逐渐更难于实现活性材料的高效电化学应用所需的电导率和微孔性。Xu等人的第6,302,928号美国专利描述了对于形成具有阴极活性层的固体复合阴极的方法的某些改进，其中所述阴极活性层包括含硫的电活性材料和导电材料。该专利涉及一种形成电流的方法，而所述电流用于产生电池，其中所述含硫的电活性材料被加热到其熔点以上以形成熔化层，然后将其再固化以形成阴极活性层。该方法具有重大的缺陷，因为在获得含硫活性材料的高密度的同时降低了其孔隙率，从而降低了该活性材料的可用性。此外，对于采用第6,302,928号美国专利中所描述的方式来产生阴极来说，该方法不适用于熔化温度太高的其他活性阴极材料，用于提高阴极活性层的体积密度的另一种方法是通过按压或砑光阴极活性层以降低其厚度。在不牺牲含硫的电活性材料的期望的高电化学利用率的情况下，能够按压或砑光阴极活性层而使其厚度降低20％或更多则是非常有益的。当阴极活性层中存在较多的非电活性材料、特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电能的化学源的电极结构，所述电极结构至少包括集流体以及在所述集流体上设置的电极组合物，其中：ａ）所述电极组合物包括电化学活性材料；ｂ）所述电极组合物以一层或多层的形式设置于所述集流体上，并且所述电极组合物具有靠近所述 集流体的内表面和远离所述集流体的外表面；以及ｃ）所述电极组合物具有按照从所述内表面到所述外表面的方向降低的非均匀的孔隙率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2004-7-27 0416708.61.一种用于电能的化学源的电极结构，所述电极结构至少包括集流体以及在所述集流体上设置的电极组合物，其中：a)所述电极组合物包括电化学活性材料；b)所述电极组合物以一层或多层的形式设置于所述集流体上，并且所述电极组合物具有靠近所述集流体的内表面和远离所述集流体的外表面；以及c)所述电极组合物具有按照从所述内表面到所述外表面的方向降低的非均匀的孔隙率。2.如权利要求1所述的电极结构，所述电极结构被配置成正极(阴极)。3.如权利要求2所述的电极结构，其中所述电化学活性材料是从包含下列物质的列表中选取的：硫、基于硫的非有机或有机化合物(包括低聚物或聚合物)、以及简单的和复杂的金属氧化物、硫化物以及上述物质的混合物。4.如权利要求1所述的电极结构，所述电极结构被配置成负极(阳极)。5.如权利要求4所述的电极结构，其中所述电化学活性材料是从包含下列物质的列表中选取的：金属粉末、碱金属-碳和碱金属-石墨夹层以及上述物质的混合物。6.如前述权利要求中的任意一项所述的电极结构，其中所述电极组合物进一步包括粘合剂。7.如前述权利要求中的任意一项所述的电极结构，其中所述电极-->组合物进一步包括电子传导材料。8.如权利要求6或7所述的电极结构，其中所述电化学活性材料占所述电极组合物重量的5％到95％。9.如权利要求6或7所述的电极结构，其中所述电化学活性材料至少占所述电极组合物重量的70％。10.如权利要求7所述的电极结构，其中所述电子传导材料占所述电极组合物重量的70％。11.如权利要求7或其任意一项从属权利要求所述的电极结构，其中所述电子传导材料是从包含下列物质的列表中选取的：导电聚合物、碳纤维、金属纤维、碳粉、金属粉末、碳薄片以及金属薄片。12.如权利要求11所述的电极结构，其中所述碳粉是从包含下列物质的列表中选取的：烟灰和炭黑。13.如权利要求6或其任意一项从属权利要求所述的电极结构，其中所述粘合剂是从包含下列聚合物的列表中选取的：聚乙烯氧化物、聚丙烯氧化物、聚丙烯腈、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚磷腈、聚醚、磺化聚酰亚胺、全氟化聚合物、聚二乙烯基聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸脂、聚乙二醇二甲基丙烯酸、聚芳基砜、上述聚合物的混合物及衍生物、以及包括上述聚合物的重复单元的共聚物。14.如权利要求6或其任意一项从属权利要求所述的电极结构，其中所述粘合剂占所述电极组合物重量的0.5％到30％。15.如前述权利要求中的任意一项所述的电极结构，其中所述电极组合物呈现为单层。-->16.如权利要求1至14中的任意一项所述的电极结构，其中所述电极组合物呈现为多层。17.如权利要求15或16所述的电极结构，其中所述单层或所述多层中每一层具有0.1到10μm的厚度。18.如权利要求16或其任意一项从属权利要求所述的电极结构，其中所述电极组合物呈现为10层。19.如权利要求16或其任意一项从属权利要求所述的电极结构，其中所述层具有1到100μm的总厚度。20.如前述权利要求中的任意一项所述的电极结构，其中所述电极组合物具有5％到85％的平均孔隙率。21.一种制作用于电能的化学源的电极结构的方法，所述方法包括下列步骤：a)提供集流体；b)在所述集流体上涂覆一层或多个连续层的电极组合物，以产生涂层，所述涂层具有靠近所述集流体的内表面和远离所述集流体的外表面；以及c)利用涂覆过程或对所述涂层进行后处...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗拉迪米尔克洛什尼特斯，叶连娜卡拉塞夫，
申请(专利权)人：奥克斯能源有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]