用于电池电极的电化学产生的三维结构制造技术

一种通过电化学沉积制造用于一次电池和二次电池的电流集流器的连续方法，其包括i)提供第一辊和第二辊，用于卷绕共同作为工作电极的连续导电基板，其中取决于极性，所述工作电极可以作为阳极或阴极，其中所述基板具有第一平行侧和第二平行侧，第一侧发生沉积或部分溶解，和第二侧作为对电极以闭合电路。和第二侧作为对电极以闭合电路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池电极的电化学产生的三维结构
专利

[0001]本专利技术涉及包括具有工程化三维(3D)微结构的金属电极的一次和二次电池。本专利技术提供了适用于多种电池化学的集流器，包括锂电池和非锂电池，所述集流器由连续电沉积的3D金属结构组成。

技术介绍

[0002]一般而言，电池技术，尤其是锂离子电池，是交通领域电气化创新和能源脱碳的推动力。锂离子电池代表了一种商业上成熟的技术，其特征是具有最高的能量密度和实际可由电池得到的比能量。尽管如此，也存在着严重的局限性，包括热量分布不均和安全性、衰减加速、寿命有限等问题，以及功率和能量之间的不平衡问题。这些限制是由化学以及内部排列、孔隙率、厚度和电极结构造成的。所有商业化锂离子电池均由用作集流器的薄金属箔顶部的活性材料层(阳极或阴极)组成。这些阳极和阴极层越薄(<50um)，电池可以提供的功率就越大；然而，由于集流器及其所需的连接极耳的额外重量的存在，能量密度显著降低。更厚(>70um)的电极可以显著增加能量密度，但会降低电池功率和使用寿命。后者是由于电极间的机械应力、电化学和热不均匀性导致的加速衰减。为了减轻这些和其他问题，可以在高度多孔且导电的3D框架内制造厚电极。这种方法已经在现有技术中实现。例如，US 5,510,212、US 6,605,390和US 9,178,217公开了电极内置于碳泡沫内的锂离子电池。在金属泡沫中实施的锂离子电池电极也在US 5,795,680、US 6,346,343、US10,096,861和US 2007/0248887 A1中公开。尽管如此，现有的泡沫制造工艺并未针对电池性能进行优化，也不具有成本效益，因此排除了商业化的泡沫用于电池批量生产的可能性。其他泡沫材料(如US 2017/0352868 A1的碳或石墨烯)不易规模化，因此无法有成本效益地用于电池批量生产。因此，本专利技术的一个目的是提供具有至少一个嵌入金属框架中的电极的电池，所述金属框架是通过三维金属结构的连续电化学生产制造的。
[0003]此外，现有的3D金属基板制造方法要么昂贵，要么不可规模化，要么两者兼而有之。而且，在这些方法中产生的金属结构并不是专门为电池应用量身定制的。因此，本专利技术的另一个目的是提供用于制造用于电池的3D金属集流器的具有成本效益且高度可规模化的方法。其具有成本效益和可规模性，因为其使用相对简单的设置和在室温下进行的方法。例如，为了生产较大的基板，系统和电极尺寸可以相应以最少的资本投资增加。
[0004]本专利技术的又一个目的是提供一种控制良好的方法来制造具有一定孔隙率、孔径、形状和其他特征的3D基板，这些特征可以很容易地为特定的电池应用定制。
[0005]本专利技术的其他目的和优势将随描述的进行而显现。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种通过电化学沉积制造用于一次电池和二次电池的电流集流器的连续方法，其包括i)提供第一辊(或任何其他类型的堆叠和折叠方式)和第二辊(或任何其他类型的堆叠和折叠方式)，用于卷绕共同作为工作电极的连续导电基板，其中根据极
性，所述工作电极可以作为阳极或阴极，其中所述基板具有第一平行侧和第二平行侧，在其第一侧发生沉积或部分溶解，因此如果在所述第一侧附接到所述基板的第一层是导电的，则其与所述基板一起形成工作电极，并且如果所述第一层不导电，则仅将所述基板用作工作电极，而将第二侧用作对电极以闭合电路；所述基板的厚度通常在1至2000μm之间，如1
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1500μm或1
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1000μm，所述第一辊供给所述基板和所述第二辊接受所述基板；ii)将所述基板送入阳极和阴极之间的空间；iii)根据中央管理单元发送到所述阳极和所述阴极的电信号，在所述板侧的所述第一侧上沉积或溶解金属离子，从而在所述基板上形成连续3D电极结构；和iv)将在所述基板上的所述3D结构卷绕到所述第二辊上；从而获得卷绕在辊上的3D集流器，并且其在展开和/或切割成所需的收集器尺寸后即可使用。或者，在基板上的所述3D结构可以堆叠或折叠。所述阳极和所述阴极之间的所述空间填充有第一电解液。其他电解液可以位于所述工作空间之外。所述信号管理选自以下的参数：所述阳极和所述阴极之间的电势、所述电极之一处的电流、驱动所述电流的电功率，或其组合；所述参数通常根据预编程的值或过程而改变。
[0007]本专利技术的方法可以使用第二电解液，所述基材的一部分可以在所述阳极和所述阴极之间的所述空间之外浸入其中。所述金属原子可以包括Zn、Ni、Co、Fe、Pb、Cr、Cu、Sn、Cd、Bi、Sb、Mn、Ag、Pt、Ir或Au中的一种或多种。所述金属原子还可以包括W、Mo、V、Ga或In中的一种或多种。如果所述电解液是水性电解液，则阴离子可以包括氯化物、硫酸盐、磷酸盐、焦磷酸盐、氨基磺酸盐、氰化物、硝酸盐和羧酸盐。如果所述电解液是非水性电解液，则所述金属可以包括Mg、Al、Ti或Ge或者不能从水性电解液中有效沉积的其他离子。所述电解液还可以包含添加剂。添加剂可以包括EDTA、柠檬酸盐、其他络合剂、缓冲剂、粘度调节剂、电导调节剂、表面张力调节剂或酸，所述酸选自硫酸、盐酸、硝酸和硼酸。
[0008]根据本专利技术的一个实施方式，电化学沉积最常发生在朝向对电极的一侧。换言之，当基材朝向对电极时，可能发生金属原子在工作电极上的电化学沉积。
[0009]在另一个实施方式中，本专利技术的方法可以包括在所述基材上预成型金属结构的步骤，例如以泡沫或网的形式，其中预成型的结构随后部分电化学溶解在所述阳极和阴极之间的所述空间中，其中所述第一侧朝向所述对电极，从而改变所述结构的形状、孔隙率、厚度和/或组成。
[0010]本专利技术的方法包括在所述金属原子沉积之后或在所述金属原子溶解之后将所述基板滚压到所述第二辊上，从而形成集电器的连续卷绕带。
[0011]所述方法可以包括用另外的金属或非金属成分渗透基板上的所述3D电极结构的步骤。在一些实施方式中，本专利技术的方法包括在高温下干燥的步骤，和/或压延以获得特定厚度和孔隙率的步骤。
[0012]在本专利技术的一个方面中，如上所述制造的集电器可以与一次或二次电池中的另一个电极组合，比如但不限于NiCd、NiMH、NiFe、ZnNi、铅酸和金属
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空气电池，并且优选可充电锂和锂离子电池。锂电池的实例包括锂
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空气、锂硫、锂固态等。锂离子电池的实例包括包含阳极(如石墨、硅等)和阴极(如LFP、NMC等)的组合。在一个实施方式中，如上所述制造的两个电流收集器可以组合在电池中。关于术语“阳极”和“阴极”，应理解工作电极在电沉积期间是阴极，而在电溶解期间是阳极。
[0013]本专利技术提供了一种通过电化学沉积和/或部分溶解连续制造用于电池的电流集流
器的设备，其包括i)具有内表面的第一电极和具有内表面的第二电极，所述第一电极和所述第二电极的每一个的所述内表面限定在其之间的工作空间；ii)用于将厚度范围为1至2000μm(如1
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1500μm或1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种通过电化学沉积制造用于一次电池和二次电池的电流集流器的连续方法，其包括i)提供第一辊和第二辊，用于卷绕具有第一平行侧和第二平行侧的连续导电基板箔；ii)将所述基板送入阳极和阴极之间的空间，其中所述第一侧能够与所述阳极和所述阴极中的一个一起共同作为组合工作电极，且第二侧能够与所述阳极和所述阴极中的另一个一起共同作为组合对电极以闭合电路；iii)根据中央管理单元发送到所述阳极和所述阴极的电信号，针对可结合到所述第一基板侧的第一层沉积或溶解金属离子，从而在所述基板上形成包含所述金属原子的连续3D电极结构；和iv)将在所述基板上的所述3D结构卷绕到所述第二辊上，从而获得卷绕在辊上的3D集流器，并且其在展开并切割成所需的收集器尺寸后即可使用。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳极和所述阴极之间的所述空间填充有第一电解液。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号管理选自以下的参数：所述阳极和所述阴极之间的电势、所述阳极和所述阴极之一处的电流、驱动所述电流的电功率，或其组合。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述参数根据预编程的指令而改变。5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述阳极和所述阴极之间的所述空间之外的所述基板的一部分浸入第二电解液中。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属原子包括Zn、Ni、Co、Fe、Pb、Cr、Cu、Sn、Cd、Bi、Sb、Mn、Ag、Pt、Ir或Au中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属原子包括W、Mo、V、Ga或In中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电解液是水性电解液，其包含选自以下的阴离子：氯化物、硫酸盐、磷酸盐、焦磷酸盐、氨基磺酸盐、氰化物、硝酸盐和羧酸盐。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电解液是非水性电解液，并且所述金属原子包括Mg、Al、Ti或Ge或者不能从水性电解液中有效沉积的其他离子。10.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一电解液或所述第二电解液还包含添加剂。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述添加剂选自EDTA、柠檬酸盐、其他络合剂、缓冲剂、粘度调节剂、电导调节剂或酸，所述酸选自硫酸、盐酸、硝酸和硼酸。12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一侧朝向所述阳极并且所述第二侧朝向所述阴极，所述方法包括金属原子在所述第一侧上电化学沉积。13.根据权利要求1所述的方法，其包括在所述基板上制作金属泡沫或网的步骤。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一侧朝向所述阴极，所述方法包括在所述阳极和所述阴极之间的所述空间中从所述泡沫或所述网电化学溶解金属原子。15.根据权利要求13或14所述的方法，其包括在所述金属原子沉积之后或者所述金属原子溶解之后，将所述基板滚压到所述第二辊上。16.根据权利要求1所述的方法，其还包括将另外的金属或非金属成分渗入在所述基板
上的所述3D电极结构。17.根据权利要求16所述的方法，其包括在升高的温度下干燥和/或压延以达到特定厚度和孔隙率...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：阿迪奥尼克斯以色列有限公司，
类型：发明
国别省市：