用于制造厚多层电极的方法技术

提供了制造用于循环锂的电化学电池单元的厚多层电极的方法。所述方法可包括通过形成多个电极单元以在集电器上限定电极堆叠而在集电器上形成多层电极。所述多个电极单元中的每个单元包括包含多个电活性颗粒的电活性材料层和包含多个石墨烯纳米颗粒的界面导电材料层。电极堆叠具有大于或等于约100微米的厚度，并且能够卷绕和承受大于或等于一曲率半径的弯曲角，同时保持基本上没有宏观裂纹，所述曲率半径小于或等于约1弧度/英寸。曲率半径小于或等于约1弧度/英寸。曲率半径小于或等于约1弧度/英寸。

【技术实现步骤摘要】
用于制造厚多层电极的方法
[0001]引言本部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
[0002]本公开涉及用于制造厚多层电极的方法，该厚多层电极能够承受轧制或卷绕而不遭受诸如宏观裂纹的损坏。
[0003]锂离子电池或电池单元的电极可具有高负载密度的电活性材料以增加总电池单元能量密度。例如，较厚的电活性材料层和/或电活性材料的较大负载增加了相对于电化学电池单元中存在的诸如集电器和隔板的惰性材料的电活性材料的相对量。然而，由于加工和施加浆料的困难，用于电极的电活性材料层通常限于小于约100微米(μm)左右的厚度，以及当通过浆料浇铸形成较厚的电极材料时经常出现的开裂和其它缺陷。例如，在浆料浇铸和制造期间，由电极浆料干燥引起的体积收缩所引起的应力导致电极断裂和分层。
[0004]此外，由于电极结构中的应力，厚电极在干燥和卷绕过程期间可能破裂。由于在卷对卷制造中处理了许多电极和电池部件，所以电极层被缠绕或卷绕到卷轴上，并因此经受以紧密角度卷绕的物理应力，这进一步促进了较厚电极的断裂。因此，观察到许多厚度大于100μm的电极活性层不仅具有观察者可见的宏观裂纹，而且还经常观察到从集电器分层、容易分离或剥离。对于任何给定的电极活性材料的胶态分散体，随着厚度从无裂纹到有裂纹的增加，存在断点，这可能潜在地降低电极机械完整性和电池寿命。该断裂点被称为临界开裂厚度(CCT)。因此，厚电极缺乏结构完整性可能损害电化学性能，这使寿命和功率/快速充电性能恶化。因此，由于当发生损坏时低的电子和离子电导率，电极厚度对电池的倍率性能具有显著影响。
[0005]因此，将期望形成可以在典型的制造工艺(包括轧制)中加工的厚电极(例如，厚正电极/阴极或负电极/阳极)，用于电化学电池单元或电池，其结合了如下特点：克服CCT并提供更高的能量密度以增加存储容量和/或减小电池组的尺寸，同时保持与其它锂离子电池组类似的循环寿命。

技术实现思路

[0006]本部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
[0007]本公开涉及一种制造用于循环锂的电化学电池单元的厚多层电极的方法。该方法包括通过形成多个电极单元以在集电器上限定电极堆叠，从而在集电器上形成多层电极。多个电极单元中的每个单元包括电活性材料层和界面导电层。电活性材料层包括多个电活性颗粒。界面导电材料层包括多个石墨烯纳米颗粒。电极堆叠具有大于或等于约100微米的厚度，并且能够卷绕和承受小于或等于约1弧度/英寸的曲率半径，同时保持基本上没有宏观裂纹。
[0008]在某些方面，形成多个电极单元还包括将电活性材料层的第一前体施加至目标表面。然后，将界面导电材料层的第二前体施加到第一前体上以形成第一电极单元。该方法还包括在第一电极单元上重复施加第一前体和施加第二前体以形成第二电极单元。
[0009]在某些方面，形成多个电极单元还包括将界面导电材料层的第一前体施加至目标
表面，然后在第一前体之上施加电活性材料层的第二前体以形成第一电极单元，然后重复在第一电极单元之上的第一前体的施加和第二前体的施加以形成第二电极单元。
[0010]在某些方面，电极堆叠包括至少5个电极单元。
[0011]在某些方面，石墨烯纳米颗粒选自由以下各项组成的组：石墨烯纳米片、石墨烯单层片材、石墨烯双层片材、石墨烯超晶格、石墨烯纳米带、石墨烯纤维、三维石墨烯柱、增强石墨烯、石墨烯纳米线圈（graphene nanocoil）、石墨烯气凝胶、石墨烯泡沫、剥离的石墨烯纳米片、氯代石墨烯、氟代石墨烯、石墨艾克斯特（graphexeter）、氧化石墨烯及其组合。
[0012]在某些方面，电活性材料层具有大于或等于约5 μm至小于或等于约100 μm的厚度，并且界面导电材料层具有小于或等于约5 μm的厚度。
[0013]在某些方面，电极堆叠的厚度大于或等于约100微米至小于或等于约450微米。
[0014]在某些方面，多个石墨烯纳米颗粒包括石墨烯纳米片，并且界面导电材料层通过固化界面导电材料的浆料前体而形成，所述浆料前体包括大于或等于约80重量%（按重量计约80%）且小于99.5重量%的石墨烯纳米片、大于或等于约0.5重量%至小于或等于约20重量%的粘合剂和余量溶剂。
[0015]在某些方面中，通过固化电活性材料层的浆料前体来形成电活性材料层，所述浆料前体包括大于或等于约20重量%至小于或等于约80重量%的多个电活性颗粒、大于或等于约2重量%至小于或等于约30重量%的多个导电颗粒、和大于或等于约2重量%至小于或等于约30重量%的粘合剂以及余量溶剂。
[0016]在某些方面，形成多个电极单元还包括经由涂覆模具向目标表面顺序地施加电活性材料层或界面导电材料层的第一浆料前体，随后在顺序的逐层施加过程中施加电活性材料层和界面导电材料层中的另一者的第二浆料前体，以形成电极单元。
[0017]在某些方面，形成多个电极单元还包括经由涂覆模具将电活性材料层或界面导电材料层的第一浆料前体和电活性材料层和界面导电材料层中的另一者的第二浆料前体同时施加到目标表面以形成电极单元。
[0018]在某些方面，形成多个电极单元还包括首先经由第一干式打印机喷洒器施加电活性材料层或界面导电材料层的第一前体，并经由第二干式打印机喷洒器施加电活性材料层或界面导电材料层中的另一者的第二前体，以形成电极单元。
[0019]本公开还考虑了制造用于循环锂的电化学电池单元的层状厚电极的另一方法。该方法包括形成电极堆叠，该电极堆叠包括：(i)将(a)电活性材料层或(b)包括多个石墨烯纳米片的界面导电材料层中的任一者的第一前体施加至集电器以形成第一层；(ii)在所述第一层上施加(a)所述电活性材料层或(b)包括多个石墨烯纳米片的所述界面导电材料层中的另一者的第二前体以形成第二层，(iii)在所述第二层上施加所述第一前体以形成第三层；和(iv)将第二前体施加到第四层上。以这种方式，形成具有包括第一层、第二层、第三层和第四层的多个交替层的电极堆叠。电极堆叠具有大于或等于约100微米的厚度，并且能够卷绕和承受小于或等于约1弧度/英寸的曲率半径，同时保持基本上没有宏观裂纹。
[0020]在某些方面，第一前体或第二前体形成界面导电材料，并且包括大于或等于约80重量%且小于99.5重量%的石墨烯纳米片、大于或等于约0.5重量%至小于或等于约20重量%的粘合剂以及余量的溶剂。
[0021]在某些方面，第一前体或第二前体形成电活性材料层，并且包括大于或等于约20
重量%至小于或等于约80重量%的多个电活性颗粒、大于或等于约2重量%至小于或等于约30重量%的多个导电颗粒和大于或等于约2重量%至小于或等于约30重量%的粘合剂以及余量溶剂。
[0022]在某些方面，(i)施加第一前体、(ii)施加第二前体、(iii)施加第一前体和(iv)施加第二前体各自通过在逐层施加过程中顺序地穿过涂覆模具到达目标表面而发生，以形成电极堆叠。
[0023]在某些方面，(i)施加第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造用于循环锂的电化学电池单元的厚多层电极的方法，所述方法包括：通过形成多个电极单元以在集电器上限定电极堆叠而在所述集电器上形成厚的多层电极，其中所述多个电极单元中的每个单元包括电活性材料层和界面导电材料层，所述电活性材料层包括多个电活性颗粒，所述界面导电材料层包括多个石墨烯纳米颗粒，并且所述电极堆叠具有大于或等于约100微米的厚度并且能够卷绕和承受小于或等于约1弧度/英寸的曲率半径，同时保持基本上不含宏观裂纹。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成所述多个电极单元进一步包括将所述电活性材料层的第一前体施加至目标表面，然后在所述第一前体之上施加所述界面导电材料层的第二前体以形成第一电极单元，然后重复在所述第一电极单元之上的所述第一前体的所述施加和所述第二前体的所述施加以形成第二电极单元。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成所述多个电极单元进一步包括将所述界面导电材料层的第一前体施加到目标表面，接着将所述电活性材料层的第二前体施加在所述第一前体上以形成第一电极单元，接着重复在所述第一电极单元上的所述第一前体的施加和所述第二前体的施加以形成第二电极单元。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极堆叠包括至少5个电极单元。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述石墨烯纳米颗粒选自由以下各项组成的组：石墨烯纳米片、石墨烯单层片材、石墨烯双层片材、石墨烯超晶格、石墨烯纳米带、石墨烯纤维、三维石墨烯柱、增强石墨烯、石墨烯纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜萌，黄晓松，M，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：