用于高能量锂离子电池的分段电极技术制造技术

本发明专利技术所述实施例提供用于制造充电更快、容量更高的能量储存装置的方法与系统，该能量储存装置更小、更轻并可在高生产率下更具成本效益地加以制造。一实施例中，提供分段阴极结构。分段阴极结构包括导电基板；形成于导电基板上的第一孔状层，该第一孔状层包括具有第一孔隙度的第一阴极活性材料；形成于第一孔状层上的第二孔状层，该第二孔状层包括具有第二孔隙度的第二阴极活性材料。某些实施例中，第一孔隙度大于第二孔隙度。某些实施例中，第一孔隙度小于第二孔隙度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高能量锂离子电池的分段电极技术
技术介绍
本专利技术实施例总体涉及锂离子电池单元部件，更具体地，涉及制造上述部件的方法与系统。相关技术描述高容量的能量储存装置(例如，锂离子(Li离子)电池)用于数目渐增的应用中，应用包括可携式电子产品、医疗装置、运输工具、并网型大能量储存器、可替换能量储存器及不间断电源(UPS)。当代次级与可充电的能量储存装置中，电极的电流收集部件通常由金属薄片所制成。正电流收集器(阴极)的材料的实例包括铝，但正电流收集器的材料亦可应用不锈钢与镍。负电流收集器(阳极)的材料的实例包括铜(Cu)，但负电流收集器的材料亦可应用不锈钢与镍(Ni)。 Li离子电池的活性正极阴极电极材料通常选自大范围的锂过渡金属氧化物。实例包括具有尖晶石结构的氧化物(LiMn2O4(LMO)、LiNia5Mr^5O4 (LMNO)等)、具有层状结构的氧化物(LiCoO2、镍-锰-钴(NMC)、镍-钴-铝(NCA)等)、具有橄榄石结构的氧化物(LiFePO4等)以及它们的组合。微粒与导电微粒(诸如，纳米碳(碳黑等)与石墨)及黏结剂混合。上述正极电极材料被视为锂嵌合化合物，其中导电材料的重量百分比的数量范围为0. 1%至30%。正积极研究的下一代阴极材料的目标为提高容量，即每个氧化还原中心>lLi+，或较高的电压04. 3V)。当前，阳极材料通常为微粒尺寸约5_15um的碳基(石墨或硬碳)。目前正开发以硅(Si)与锡(Sn)-基活性材料作为下一代的阳极材料。两者的容量均明显比碳基电极高。Li15Si4的容量约3，580mAh/g,然而石墨的容量小于372mAh/g。Sn-基阳极可实现超过900mAh/g的容量，这远高于下一代阴极材料所能实现的容量。因此，预期阴极将持续厚于阳极。当前，活性材料仅占电池单元的整体部件不到50%重量百分比。制造含有更多活性材料的较厚电极的能力将通过减少非活性组件的贡献百分比而明显降低电池单元的生产成本。然而，电极厚度目前受限于当前使用的材料的应用与机械性质。因此，技术中需要充电更快、容量更高的能量储存装置，该能量储存装置更小、更轻并可在高生成率下更具成本效益地加以制造。
技术实现思路
本文所述的实施例提供制造充电/放电更快、容量更高的能量储存装置的方法与系统，该能量储存装置更小、更轻并可在高生产率下更具成本效益地加以制造。一实施例中，提供分段(graded)阴极结构。该分段阴极结构包括导电基板；形成于导电基板上的第一孔状层，该第一孔状层包括具有第一孔隙度的第一阴极活性材料；形成于第一孔状层上的第二孔状层，该第二孔状层包括具有第二孔隙度的第二阴极活性材料。某些实施例中，第一孔隙度大于第二孔隙度。某些实施例中，第一孔隙度小于第二孔隙度。另一实施例中，提供形成分段阴极结构的方法。该方法包括提供导电基板；沉积第一孔状层于导电基板上，该第一孔状层包括具有第一孔隙度的第一阴极活性材料；以及沉积第二孔状层于导电基板上，该第二孔状层包括具有第二孔隙度的第二阴极活性材料。某些实施例中，第一孔隙度大于第二孔隙度。某些实施例中，第一孔隙度小于第二孔隙度。又一实施例中，提供分段阴极结构。该分段阴极结构包括导电基板；形成于导电基板上的第一层，该第一层包括具有第一直径的阴极活性微粒；及形成于第一层上的第二层，该第二层包括具有第二直径的阴极活性微粒。某些实施例中，第二直径大于第一直径。某些实施例中，第二直径小于第一直径。某些实施例中，微粒是微米微粒。某些实施例中，微粒是纳米微粒。又一实施例中，提供形成分段阴极结构的方法。该方法包括提供导电基板；沉积第一层于导电基板上，第一层包括具有第一直径的阴极活性微米微粒；及沉积第二层于第一层上，第二层包括具有第二直径的阴极活性微米微粒。某些实施例中，第二直径大于第一直径。某些实施例中，第二直径小于第一直径。又一实施例中，第一层与第二层具有不同的黏结剂-导电添加剂-活性材料。又 一实施例中，电流收集器包括Al或Ni网状物、金属线或三维Al。又一实施例中，利用贯穿(punch-through)处理、电化学蚀刻或转印微影处理形成三维Al。又一实施例中，提供处理垂直方向挠性导电基板的基板处理系统。该基板处理系统包括第一喷涂腔室，该第一喷涂腔室被配置以沉积阴极活性微粒于垂直方向的挠性导电基板上；紧邻第一喷涂腔室而设置的干燥腔室，该干燥腔室被配置以暴露垂直方向的挠性导电基板至干燥处理；紧邻干燥腔室而设置的第二喷涂腔室，该第二喷涂腔室被配置以沉积阴极活性微粒于垂直方向的挠性导电基板上；紧邻第二喷涂腔室而设置的压缩腔室，该压缩腔室被配置以暴露垂直方向的挠性导电基板至压延处理以压缩沉积的微粒至所期望的净密度；及基板传送机构，该基板传送机构被配置以在腔室之间传送垂直方向的挠性导电基板，其中各个腔室包括处理空间，设置于处理空间外并且被配置保持垂直方向的挠性导电基板的一部分的送料滚轴，设置于处理空间外并且被配置保持垂直方向的挠性导电基板的一部分的回收滚轴，其中基板传送机构被配置以活化送料滚轴与回收滚轴，以移动垂直方向的挠性导电基板进出各个腔室，并固持一或多个挠性导电基板于各个腔室的处理空间中。某些实施例中，基板处理系统更包括三维Al形成模块，该三维Al形成模块用以在第一喷涂腔室之前将垂直方向的挠性导电基板塑形成三维垂直方向的导电基板。另一实施例中，在电极上形成整合的隔离板以降低隔离板材料成本并简化制程。附图简述为了更详细地了解本专利技术的上述特征，可参照实施例(某些描绘于附图中)来理解本专利技术简短概述于上的更加具体的描述。然而，需注意附图仅描绘本专利技术的典型实施例而因此不被视为对本专利技术范围的限制因素，因为本专利技术可允许其它等效实施例。图IA是根据本文所述实施例的与负载电耦合的Li离子电池的一个实施例的示意图；图IB是根据本文所述实施例的与负载电电连接的Li离子电池单元双层的另一实施例的示意图；图2A-2C是根据本文所述实施例形成的分段阴极电极结构的一个实施例的示意横截面图3是概述根据本文所述实施例形成的分段阴极电极结构的方法的一个实施例的处理流程图；图4A是根据本文所述实施例在沉积阴极活性材料于孔状导电基板上以前孔状导电基板的一个实施例的立体图；图4B是根据本文所述实施例形成的分段阴极电极的一个实施例的示意横截面图； 图5A-5C是根据本文所述实施例形成的分段阴极电极结构的一个实施例的示意横截面图；图6是概述根据本文所述实施例形成分段阴极电极结构的方法的一个实施例的处理流程图；图7是根据本文所述实施例形成的分段阴极电极结构的一个实施例的示意横截面图；图8A-8C是根据本文所述实施例形成的阴极电极结构的一个实施例的示意横截面图；图9是概述根据本文所述实施例形成阴极电极结构的方法的一个实施例的处理流程图；附图说明图10A-10H是根据本文所述实施例形成的阴极电极结构的一个实施例的示意横截面图；图11示意性描绘根据本文所述实施例的垂直处理系统的一个实施例；图12A描绘电极厚度对电极利用率的影响的模拟论证图；图12B描绘分段孔隙度对比能的影响的模拟论证图；及图13描绘可根据本文所述实施例应用的不同阴极活性材料的理论能量密度图。为了促进理解，尽可能应用相同的参考标号来标示图中相同的组件。能够预期一个实施例的组件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：王品今，S·D·洛帕丁，R·Z·巴克拉克，G·锡克，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：