多孔电极以及相关联的方法技术

本发明专利技术涉及电化学电池、电极以及相关方法。在一些实施例中，在电化学电池、或其部件的制作期间可采用可去除填充材料，以产生具有改善的电池性能和倍率性能的电化学装置。电化学电池可在工作期间呈现电化学电池内电活性物质的增强的利用率和／或电活性物质的提高的可接近性。在一些情况下，本发明专利技术可提供有利地具有电活性物质的高装载（例如，大于１．５ｍｇ／ｃｍ２）同时还维持电极的稳定性和良好机械性质的电极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及电极、电化学电池以及相关方法。
技术介绍
典型的电化学电池具有在电池的工作期间参与电化学反应的阴极和阳极。电极可 包含电活性材料，其可以与一个或多个电池部件相互作用以促进电极之间离子的传导。可通过用电活性材料涂覆包括多孔导电基板的导电基板来形成一些电极，通常在 粘结剂材料的参与下，以增强电活性材料到电极的附着力和结合力。然而，用于使用粘结剂 材料制作电极的当前方法通常无法实现电活性材料的高装载而不在完成的电极中产生明 显机械问题。例如，可使用包含电活性材料和不可溶粘结剂材料的浆涂覆导电基板，不可溶 粘结剂材料通常引起快速的浆凝结，并且可能限制在电极中实现的电活性材料装载的量。 替选地，可溶粘结剂溶液可以使浆稳定，并且可以便利涂覆工艺。然而，得到的电极结构的 部分经常被沉积材料阻挡，并且可致使在电池的工作期间难以接近电活性物质。这会导致 具有降低的倍率性能(rate capability)和电活性材料利用率的电池。因此，需要改善的方法。
技术实现思路
本专利技术提供了形成电极的方法，其包括在多孔材料的第一部分上形成填充材料， 其中多孔材料包括碳；在多孔材料的至少第二部分上形成电极材料，其中电极材料包括活 性电极物质和粘结剂材料；以及从多孔材料去除至少部分填充材料，从而形成电极。本专利技术还提供了形成电极的方法，其包括将包括碳的多孔材料与包括填充材料 的填充溶液接触，使得填充材料在多孔材料的第一部分上形成涂层，产生第一涂覆的多孔 材料；将第一涂覆的多孔材料与包括活性电极物质和粘结剂材料的电极材料接触，使得电 极材料在多孔材料的至少第二部分上形成涂层，产生第二涂覆的多孔材料；以及从第二涂 覆的多孔材料去除至少部分填充材料，从而形成电极。本专利技术还提供了形成电极的方法，其包括将包括碳的多孔材料与包括活性电极 物质、流体载体、以及相对于多孔材料的至少5wt %的粘结剂材料的电极组合物接触，使得 电极组合物在至少部分多孔材料上形成涂层，产生涂覆的多孔材料；以及从涂覆的多孔材 料去除至少部分流体载体，从而形成电极，其中，电极包括至少1. 6mg/cm2的活性电极物质 装载和至少50%的孔隙率。本专利技术还涉及电化学电池，其包括阴极，其包括活性电极物质、包括碳的多孔材 料以及粘结剂材料，其中，粘结剂材料在流体载体中至少部分可溶，活性电极物质和多孔材 料在流体载体中不显著可溶；阳极；以及电解质，其与阴极和阳极电化学通信，其中电化学 电池具有活性材料理论容量的至少60%的活性材料容量。本专利技术还提供了形成电极的方法，其包括形成电化学活性电极前体，其包括基于 碳的电传导材料和活性电极物质；从电极前体基本上均勻地去除材料，从而增加基于碳的电传导材料、活性电极物质、或它们两者的表面面积，以形成电极，在电极的使用期间，表面 面积暴露于电解质。附图说明图1示出了根据本专利技术的一个实施例的电化学电池。图2示出了根据本专利技术的一个实施例的粘结剂材料的示例。图3示出了作为温度的函数的碳酸氢铵的汽压的图。图4示出了(a)作为温度的函数的碳酸氢铵在水中的溶解度以及(b)碳酸氢铵在 水中的热循环图的图。图5示出了(a)己烷和(b)碳酸氢铵的汽压的阿列纽斯(Arrhenius)图。图6示出了对于两个电化学电池的作为循环数的函数的比容量(special capacity)图7示出了作为循环数的函数的比容量的图，其中对于使用辛烷作为液体填充物 制备的电化学电池，在放电电流(a)500mA、(b)2.2A以及(c)4. 4A，而对于不使用辛烷作为 液体填充物制备的基本相同的电化学电池，在放电电流(d) 500mA、(e)2. 2A以及(f)4.4A。当结合附图考虑时，根据以下详细描述，本专利技术的其它方面、实施例以及特征将变 得明显。附图是示意性的，并且不旨在依比例画出。为了清晰，在每个图中没有对每个部件 进行标记，在对于使得本领域的普通技术人员理解本专利技术不是必要说明的地方，没有示出 本专利技术的各个实施例的每个部件。这里通过引用合并的所有专利申请和专利，通过引用将 它们的全文合并。在冲突的情况下，本说明(包括定义)将控制。具体实施例方式本专利技术涉及电化学电池、电极以及相关方法。通常，本专利技术涉及在电化学电池、或其部件的制作期间使用可去除填充材料(例 如，牺牲材料)，以产生具有改善的电池性能和倍率性能的电化学装置。例如，本专利技术可提供 如下电化学电池其在工作期间呈现电化学电池内电活性物质的增强的利用率和/或电活 性物质的提高的可接近性。在一些情况下，本专利技术可提供有利地具有电活性物质的高装载 (例如，大于1.5mg/cm2)和良好的附着力和结合力性质的电极。本专利技术的一些电化学电池 (例如，可充电蓄电池)可包括多孔电极，其包括诸如电活性含硫材料的一个或多个电活性 材料和粘结剂材料。本专利技术的一个方面是如下发现在电极的制作中使用填充材料(例如，牺牲材料) 可以提供若干优点。在一些情况下，在基板(例如，多孔碳材料)内加入填充材料、以及随 后去除至少部分填充材料以暴露部分基板，可提供基板表面区域对电池的其它部件的改善 的可接近性。例如，填充材料可用于维持电极材料的孔隙率，使得在电池工作期间，电解质 可接触电极的内部(例如，孔隙)。本专利技术的另一个有利特征是实现活性电极物质的高装载 以及活性电极物质的改善的利用率/可接近性的能力，同时还维持电极的稳定性和良好的 机械性质。虽然本专利技术可以在广泛种类的电化学装置中找到使用，但是在图1中提供了一个 这样装置的示例仅用于说明目的。在图1中，电化学电池的一般实施例可以包括阴极、阳极以及与两个电极接触的电解质层。可装配部件使得电解质以堆叠的配置置于阴极与阳极之 间。图1示出了本专利技术的电化学电池。在示出的实施例中，电池10包括阴极30，其可以在 基板20的基本平坦的表面上形成。多孔分隔材料40可以相邻于阴极30形成，并且可以沉 积到阴极30中。阳极层50可以相邻于多孔分隔材料40形成，并且可与阴极30电通信。阳 极50还可在位于阴极30上的电解质层上形成。当然，可以改变部件的定位，并且应该理解 的是，存在其它实施例，其中改变层的定位使得例如首先在基板上形成阳极层或电解质层。 任选地，可存在另外的层(没有示出)，诸如保护电活性材料(例如，电极)免受电解质影响 的多层结构，如在如下专利申请中更详细描述的那样颁发给AfTinito等人的、在2006年 4 月 6 日提交的、题为Rechargeable Lithium/Water, Lithium/Air Batteries” 的美国专 利申请第11/400，781号，在此通过引用将其全部内容合并于此。另外，非平面布置、具有不 同于示出的材料比例的布置以及其它替选布置可与本专利技术结合使用。典型的电化学电池当 然还将包括集电器、外部电路、外壳结构等。本领域的普通技术人员完全知道可以以如图1 所示并在这里描述的一般示意性布置利用的许多布置。如上所述，可在制作工艺中使用填充材料，以形成电化学电池的部件(例如，电 极)。如这里使用的术语“填充材料”指的是在一序列制作步骤中被采用作为机械占位者 (place holder)的材料或牺牲材料，其中，在所述一序列制作步骤中，处理多个材料以产生 期望的结构，诸如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成电极的方法，其包括：在多孔材料的第一部分上形成填充材料，其中，所述多孔材料包括碳；在所述多孔材料的至少第二部分上形成电极材料，其中，所述电极材料包括活性电极物质和粘结剂材料；以及从所述多孔材料去除所述填充材料，从而形成所述电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2008-1-8 61/010,330一种形成电极的方法，其包括在多孔材料的第一部分上形成填充材料，其中，所述多孔材料包括碳；在所述多孔材料的至少第二部分上形成电极材料，其中，所述电极材料包括活性电极物质和粘结剂材料；以及从所述多孔材料去除所述填充材料，从而形成所述电极。2.如权利要求1所述的方法，其中，将所述粘结剂材料和所述活性电极物质从包括所 述粘结剂材料、所述活性电极物质以及流体载体的混合物施加到所述多孔材料，其中所述 粘结剂材料在所述流体载体中至少部分可溶。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是亲水材料，并且所述粘结剂材料在 疏水溶剂中可溶。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是疏水材料，并且所述粘结剂材料在 亲水溶剂中可溶。5.如权利要求1所述的方法，其中，所述粘结剂材料被提供在所述粘结剂材料基本可 溶的溶剂中。6.如权利要求1所述的方法，其中，去除的动作包括加热所述多孔材料。7.如权利要求1所述的方法，还包括在形成所述填充材料之前，处理至少部分所述多 孔材料的动作。8.如权利要求7所述的方法，其中，处理的动作包括在至少部分所述多孔材料上形成 聚合材料。9.如权利要求8所述的方法，其中，所述聚合材料是聚乙烯乙二醇涂层。10.如权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是固体。11.如权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是液体。12.如权利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是辛烷、碳酸铵或碳酸氢铵。13.如权利要求1所述的方法，其中，所述粘结剂材料是聚合材料。14.如权利要求1所述的方法，其中，所述粘结剂材料是聚乙烯-co-丙烯-co-5-亚甲 基-2-冰片烯EPMN。15.如权利要求1所述的方法，其中，所述活性电极物质是硫。16.如权利要求15所述的方法，其中，所述电极具有至少1.5mg/cm2的载硫量。17.如权利要求15所述的方法，其中，所述电极具有至少2.5mg/cm2的载硫量。18.如权利要求15所述的方法，其中，所述电极具有至少5.Omg/cm2的载硫量。19.一种形成电极的方法，其包括将包括碳的多孔材料与包括填充材料的填充溶液接触，使得所述填充材料在所述多孔 材料的第一部分上形成涂层，产生第一涂覆的多孔材料；将所述第一涂覆的多孔材料与包括活性电极物质和粘结剂材料的电极材料接触，使得 所述电极材料在所述多孔材料的至少第二部分上形成涂层，产生第二涂覆的多孔材料；以 及从所述第二涂覆的多孔材料去除至少部分所述填充材料，从而形成所述电极。20.一种形成电极的方法，其包括将包括碳的多孔材料与包括活性电极物质、流体载体、以及相对于所述多孔材料的至少5wt%的粘结剂材料的电极组合物接触，使得所述电极组合物在至少部分所述多孔材料 上形成涂层，产生涂覆的多孔材料；以及从所述涂覆的多孔材料去除至少部分所述流体载体，从而形成所述电极，其中，所述电 极包括至少1. 6mg/cm2的活性电极物质装载和至少50%的孔隙率。21.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤里V米哈利克，威廉F维尔克宁，克里斯多佛TS坎贝尔，萨万纳V伯恩赛德，
申请(专利权)人：赛昂能源有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]