电极和电池制造技术

本发明专利技术涉及一种用于单价或多价离子电池的电极，包括金属纤维的三维网络以及活性材料，其中金属纤维彼此直接接触，其中金属纤维网络的厚度在

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极和电池


[0001]本专利技术涉及一种用于单价或多价离子电池的电极
。
此外，本专利技术涉及一种包含这种电极的电池
。

技术介绍

[0002]随着例如汽车或其他移动设备等移动应用的发展，对大规模电化学储能设备的需求与日俱增
。[1]提高锂离子电池
(LIB)
及其他单价和多价离子电池的能量密度的一个途径是增加电极层的厚度，由此减少电池中的非活性成分的数量
。[2
‑
4]对于锂离子电池来说，诸如干式涂层
[5,6]、
烧结
[7,8]和喷雾沉积
[9]等实质性成就已经导致关于电极厚度的大幅改进
。
然而，工业电极的厚度仍局限于小于
4mAh cm
‑2的面积容量，而所期望的是大于
10mAh cm
‑2的容量
[10,11]。
[0003]此外，为了增加电极厚度，还需要进一步对插层
(intercalation)
过程中发生的过程进行根本性理解
。[12,13]众所周知，离子扩散动力学缓慢和速率性能差是厚电极的主要障碍
。[4]在单价和多价离子电池中，特别是在锂离子电池中，扩散过程可分为内部固体扩散和晶界固体扩散以及颗粒之间的液体扩散和穿过电极的液体扩散
。
[0004]晶内固体扩散指的是锂离子在活性材料本身中的扩散，而晶界扩散则是发生在主颗粒之间
(
即次级颗粒内部
)/>的扩散
。Gao
等人
[12]通过使用电阻抗谱
(EIS)
和恒电流间歇滴定技术
(GITT)
能够在锂离子电池的超厚
NMC(Ni
‑
Mn
‑
Co
氧化物
)
电极中证明这种效应
。
他和他的同事们展示，在厚度超过
200
μ
m
的电极处，有效扩散率会大幅下降
。
这种效应与锂的局部过度耗尽和过饱和有关，影响电解质中
Li
的送输
。[12]因此，液态电解质中的扩散率不足以向插层位点提供足够数量的离子，这就是过耗尽或过饱和的原因
。
[0005]除了扩散效应之外，活性材料层的导电性也是限制活性材料层的厚度超过
200
μ
m
的电极的应用的一个因素
。
根据
Zhang
等人的研究
[13]，通过活性材料层朝向集流体的电导率和电解质与活性材料之间的界面处的电荷转移应足够大
。
这种电荷转移电阻的特征是电极中的溶解的锂离子转变为插层锂原子，其随后在活性材料中进行固态扩散
。
电荷转移电阻可通过制造纳米级活性材料从而增加活性材料与电解质之间的界面面积来降低
。[14]为了克服与活性材料层中的电子转移相关联的电化学电阻，人们使用导电添加剂来降低欧姆降
。[15][0006]总之，要制造厚度超过
200
μ
m
的超厚电极，必须同时具备高导电性和大离子扩散率
。
为了克服这些挑战，人们采用了不同的方法
。
例如，冷冻干燥超多孔导电电极可获得较大的面积容量
[15,16]和较短的扩散路径
[17]。
然而，它们的体积容量仍需进一步提高
。
[0007]为了同时兼顾出色的导电性和较大的离子扩散率，需要一种定制的复合材料
。
制造这种复合材料的一种技术是从本质上增强锂离子在电解质中的扩散
。
一种可行的方法是利用增强的金属
‑
金属表面扩散
。
有效扩散率大幅增加背后的物理原理是沿金属表面的离子通量增强，这可以增加电解质的有效扩散率
D
eff
。
一些研究对平面铜表面的锂扩散进行了研究
。Bairav
等人
[25]研究了沉积在金属阳极上的锂的平台扩散
(terrace diffusion)
和
层间表面扩散，观察到锂的表面扩散对枝晶的形成影响不大
。Rico Rupp
的研究小组
[26]揭示了锂离子电池中锂离子沿平面集流体的铜界面的表面扩散
。
这两项研究能表明，表面扩散发生在集流体上，但对电极的性能没有影响
。
锂离子电池中的锂和锂离子表面扩散对枝晶的形成
、
集流体上的锂捕获和
SEI
的形成有很大影响
。
然而，由于平面集流体与离子通量正交，故其未显示出对电解质中的扩散通量有任何贡献
。
[0008]有鉴于此，有必要为单价离子电池或多价离子电池，特别是锂离子电池提供超厚电极，以提高其性能和寿命
。

技术实现思路

[0009]根据本专利技术，该目的通过根据权利要求1的电极来解决
。
具体而言，该目的通过一种用于单价或多价离子电池的电极得以解决，该电极包括
3D
金属纤维网络和活性材料，其中金属纤维网络在金属纤维之间的接触点处直接相互烧结，其中金属纤维网络的厚度在
200
μ
m
至
5mm
之间
。
[0010]本专利技术的电极对单价或多价离子
(
特别是锂离子
)
具有意想不到的高扩散率
。
例如，本专利技术的电极能够利用锂在铜上的有益表面扩散效应
。
在不受理论约束的前提下，在本专利技术的电极中，金属纤维基烧结网络用作活性材料的骨架
。
这使得电能能够从插层位点极佳地传输到集流体，同时在电解质中提供了较大的有效扩散
D
eff
。
因此，部分纤维的取向与离子通量平行，表面扩散现象增强了电极内的离子流动
。
这种效应大大提高了厚电池
(
即电极厚度等于或大于
200
μ
m
的电池
)
的整体性能
。
[0011]微结构模拟显示了纤维的电导率与网络中的纤维密度对通过电极材料的局部电位分布的影响
。
使超厚电极能够起作用的高扩散率的效果与锂离子扩散率的增加有关
。
模拟显示了纤维网络上的表面扩散效应，其目的是显示增强的扩散不仅能使超厚电极起作用，还能降低电极中的过电位
。
[0012]本专利技术的优选实施例是从属权利要求的主题，描述如下
。
[0013]优选地，金属纤维网络的厚度大于
500
μ
m
，特别是大于
550
μ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种用于单价或多价离子电池的电极，包括：金属纤维的三维网络，其中所述金属纤维彼此直接接触；以及活性材料；其中所述金属纤维的网络的厚度在
200
μ
m
到
5mm
之间
。2.
根据权利要求1所述的电极，其中所述金属纤维的所述三维网络的厚度的范围大于
500
μ
m
，特别是大于
550
μ
m
，更特别的是大于
600
μ
m
，甚至更特别的是大于
750
μ
m。3.
根据权利要求1或2所述的电极，其中所述金属纤维的网络的电导率等于或大于1×
105S/m
，特别是等于或大于5×
105S/m
，特别是等于或大于1×
106S/m。4.
根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中，所述金属纤维的所述三维网络中金属纤维的体积分数等于或大于
0.075Vol
％，特别是等于或大于
1.3Vol
％，特别是大于
2.0Vol
％
。5.
根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中所述三维网络的孔隙率的范围在
90Vol
％到
99.5Vol
％之间，特别是在
93Vol
％到
99.4Vol
％之间，特别是在
95Vol
％到
99.0Vol
％之间
。6.
根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中所述金属纤维的宽度为
100
μ
m
或更小，并且厚度为
50
μ
m
或更小
。7.
根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中所述金属纤维的空间取向是无序的
。8.
根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中金属纤维的空间取向是至少部分有序的
。9.
根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中接触点的密度范围为
1mm
‑3至
5000mm
‑3，优选是
3mm
‑3至
2000mm
‑3，更优选的是
5mm
‑3至
500mm
‑3。10.
根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中所述金属纤维在所述金属纤维之间的接触点处直接彼此烧结在一...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫托伊斯，
申请(专利权)人：马克思普朗克科学促进协会，
类型：发明
国别省市：