一种基于离子高效扩散的三维电极制造方法技术

本申请提供了一种基于离子高效扩散的三维电极制造方法，属于化学电池及电极改性和制造技术领域。基于正电极片的材料，获取补偿系数以及多个活性材料系数；基于所述补偿系数和所述多个活性材料系数，确定满足第一预设条件的开口尺寸参数值和单元间距值；基于所述单元间距和所述开口尺寸参数值，确定满足第二预设条件的深度值；基于所述开口尺寸参数值、所述单元间距和所述深度值，通过精密微纳方式在所述正电极片的表面进行蚀刻，以得到具有所述三维结构的三维电极。本申请通过精准规划三维结构的开口尺寸参数值、单元间距和深度值，优化电极氧化还原反应过程；同时采用精密微纳方式蚀刻三维结构，确保电极表面的一致性以及三维结构的精准制造。结构的精准制造。结构的精准制造。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离子高效扩散的三维电极制造方法


[0001]本申请涉及化学电池及电极改性和制造
，具体而言，涉及一种基于离子高效扩散的三维电极制造方法。

技术介绍

[0002]进入20世纪以来，能源危机，环境压力和科学技术的全面发展，使得各行业对电池的能量密度、倍率与循环性能等要求一升再升。各类化学电池例如锂电池、钠电池甚至超级电容器，作为一种现代化储能器件和解决方案已经广泛应用于电子设备、电动汽车和储能电站等领域，可以稳定、完美的在微型或小型元器件中完成自己的工作使命；但是由于高精尖行业对电池性能的需求，将高压实密度、高能量密度电池应用工作时，在离子嵌入与脱出的过程中材料体积极易膨胀，从而造成循环寿命短、容量差等问题，如何更进一步提升储能电池的综合性能成为当下电池行业热门研究方向之一。
[0003]一般而言，化学电池由负极、正极、电解液、隔膜与电池上、下壳体等部件构成。正、负极主要由活性材料涂层和导电集流体基底两大部分组成；隔膜用于确保正、负极之间不发生短路并筛选离子；电解液由溶剂、溶质、添加剂构成，其在电池工作过程中起到运输电荷、离子等作用。广义上的储能电池均指的是摇椅式电池。摇椅电池工作本质为游离态离子在正极、负极集流体之间往返；在充、放电过程中，离子在正、负电极上分别嵌入和脱离来实现电能与化学能间的转换，也称电化学能的存储与释放。
[0004]现阶段业界对储能电池性能的改进与提升还主要聚焦在新材料体系的革新，但通过电池电极和制造工艺改进提升电池性能也被证明是一项切实可行的途径。目前成熟应用的电极改进手段主要为物理方面的表面粗化、机械三维压印等；化学方面的化学合成，激光烧结、涂覆掺杂导电材料等。但上述手段均无法对电极表面的一致性和三维结构精准调控。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本申请提供一种基于离子高效扩散的三维电极制造方法，以解决当前提升电池性能相关技术手段中存在电极表面一致性差、三维结构无法精准调整的问题。
[0006]为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：
[0007]基于正电极片的材料，获取补偿系数以及多个活性材料系数；
[0008]基于所述补偿系数和所述多个活性材料系数，确定满足第一预设条件的开口尺寸参数值和单元间距值；其中，所述开口尺寸参数值为在待制备出的三维结构中每个凹槽的开口的尺寸；所述单元间距表征所述三维结构中相邻两个凹槽之间的间距；所述三维结构为所述正电极片的表面上被蚀刻出的结构；
[0009]基于所述单元间距和所述开口尺寸参数值，确定满足第二预设条件的深度值，所述深度值表征所述凹槽的深度；
[0010]基于所述开口尺寸参数值、所述单元间距和所述深度值，通过精密微纳方式在所述正电极片的表面进行蚀刻，以得到具有所述三维结构的三维电极。
[0011]优选地，所述多个活性材料系数包括：活性材料的压实密度系数、对应电解液的浸润系数和离子电荷的传运系数；
[0012]基于所述补偿系数和所述多个活性材料系数，确定满足第一预设条件的开口尺寸参数值和单元间距值，包括：
[0013]获取N倍所述补偿系数的值，以及获取所述压实密度系数、所述浸润系数、所述传运系数之间的乘积；
[0014]基于所述N倍所述补偿系数的值和所述乘积，确定大于等于所述N倍所述补偿系数的值所对应的开口尺寸参数值，并基于所述开口尺寸参数值和单元间距值之间的预设比例关系，确定所述单元间距值。
[0015]优选地，基于所述N倍所述补偿系数的值和所述乘积，确定大于等于所述N倍所述补偿系数的值所对应的开口尺寸参数值，并基于所述开口尺寸参数值和单元间距值之间的预设比例关系，确定所述单元间距值，包括：
[0016]以所述开口尺寸参数值大于等于所述N倍所述补偿系数的值，以及所述单元间距与所述开口尺寸参数值之差为目标差值为约束，获取所述开口尺寸参数值；
[0017]以所述开口尺寸参数值的平方与所述单元间距的平方之间的比值为所述乘积为约束，确定所述单元间距。
[0018]优选地，基于所述单元间距和所述开口尺寸参数值，确定满足第二预设条件的深度值，包括：
[0019]以所述单元间距与所述开口尺寸参数值之差为目标差值且具有所述三维结构的三维电极总表面积占原有电极总表面积的比例为最大为约束，确定所述深度值。
[0020]优选地，以所述单元间距与所述开口尺寸参数值之差为目标差值且具有所述三维结构的三维电极总表面积占原有电极总表面积的比例为最大为约束，确定所述深度值，包括：
[0021]通过以下公式，确定所述深度值；
[0022]T＝Z
‑
Y；
[0023][0024]其中，T为所述三维结构的宽度值；Z为所述单元间距；Y为所述开口尺寸参数值；Sr具有所述三维结构的三维电极总表面积占原有电极总表面积的比例；X为所述深度值。
[0025]优选地，所述深度值与所述开口尺寸参数值的比值小于4:1。
[0026]优选地，所述精密微纳方式包括：激光蚀刻方式；
[0027]基于所述开口尺寸参数值、所述单元间距和所述深度值，通过精密微纳方式在所述正电极片的表面进行蚀刻，以得到具有所述三维结构的三维电极，包括：
[0028]将所述开口尺寸参数值、所述单元间距和所述深度值输入至激光制造系统，以使所述激光制造系统通过激光蚀刻方式在所述正电极片的表面进行蚀刻，以得到具有所述三维结构的三维电极。
[0029]优选地，将所述开口尺寸参数值、所述单元间距和所述深度值输入至激光系统，以使所述激光系统通过激光蚀刻方式在所述正电极片的表面进行蚀刻，包括：
[0030]在所述三维结构为沟槽结构时，将所述开口尺寸参数值、所述单元间距和所述深
度值输入至激光制造系统，并控制所述激光制造系统的产线传送带用第一运行模式，以使所述激光制造系统通过激光蚀刻方式在所述正电极片的表面进行蚀刻；
[0031]在所述三维结构为圆孔结构时，将所述开口尺寸参数值、所述单元间距和所述深度值输入至激光制造系统，并控制所述激光制造系统的产线传送带用第二运行模式，以使所述激光制造系统通过激光蚀刻方式在所述正电极片的表面进行蚀刻。
[0032]优选地，所述第一运行模式包括：在所述产线传送带不停驻运行的情况下蚀刻三维结构；所述第二运行模式包括：在所述产线传送带间隔运行的情况下蚀刻三维结构。
[0033]与现有技术相比，本申请包括以下优点：
[0034]本申请基于正电极片的材料，获取补偿系数以及多个活性材料系数；基于所述补偿系数和所述多个活性材料系数，确定满足第一预设条件的开口尺寸参数值和单元间距值；基于所述单元间距和所述开口尺寸参数值，确定满足第二预设条件的深度值。
[0035]通过本申请的方法由于基于正电极片的材料，获取了补偿系数以及多个活性材料系数，在补偿系数以及多个活性材料系数的基础上，规划了三维结构的开口尺寸参数值、单元间距和深度值，且上述开口尺寸参数值和单元间距值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离子高效扩散的三维电极制造方法，其特征在于，所述方法包括：基于正电极片的材料，获取补偿系数以及多个活性材料系数；基于所述补偿系数和所述多个活性材料系数，确定满足第一预设条件的开口尺寸参数值和单元间距值；其中，所述开口尺寸参数值为在待制备出的三维结构中每个凹槽的开口的尺寸；所述单元间距表征所述三维结构中相邻两个凹槽之间的间距；所述三维结构为所述正电极片的表面上被蚀刻出的结构；基于所述单元间距和所述开口尺寸参数值，确定满足第二预设条件的深度值，所述深度值表征所述凹槽的深度；基于所述开口尺寸参数值、所述单元间距和所述深度值，通过精密微纳方式在所述正电极片的表面进行蚀刻，以得到具有所述三维结构的三维电极。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个活性材料系数包括：活性材料的压实密度系数、对应电解液的浸润系数和离子电荷的传运系数；基于所述补偿系数和所述多个活性材料系数，确定满足第一预设条件的开口尺寸参数值和单元间距值，包括：获取N倍所述补偿系数的值，以及获取所述压实密度系数、所述浸润系数、所述传运系数之间的乘积；基于所述N倍所述补偿系数的值和所述乘积，确定大于等于所述N倍所述补偿系数的值所对应的开口尺寸参数值，并基于所述开口尺寸参数值和单元间距值之间的预设比例关系，确定所述单元间距值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述N倍所述补偿系数的值和所述乘积，确定大于等于所述N倍所述补偿系数的值所对应的开口尺寸参数值，并基于所述开口尺寸参数值和单元间距值之间的预设比例关系，确定所述单元间距值，包括：以所述开口尺寸参数值大于等于所述N倍所述补偿系数的值，以及所述单元间距与所述开口尺寸参数值之差为目标差值为约束，获取所述开口尺寸参数值；以所述开口尺寸参数值的平方与所述单元间距的平方之间的比值为所述乘积为约束，确定所述单元间距。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述单元间距和所述开口尺寸参数值，确定满足第二预设条件的深度值，包括：以所述单元间距与所述开口尺寸参数值之差为目标差值且具有所述三维结构的三维电极总表面积占原有电极总表面积的比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙孝飞，侯相国，梅雪松，韩岩彬，周品睿，王文君，崔健磊，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：