电极组件和包括该电极组件的锂电池的制作方法

技术领域

一个或更多个示例性实施例涉及一种电极组件和包括该电极组件的锂电池。

背景技术：

与通常不可充电的原电池不同，二次电池是可充电和可放电的，因此，被广泛用于诸如数码相机、移动装置和笔记本电脑的各种小尺寸高科技电子装置。由于电动车辆(EV)的广泛使用，也已经对大尺寸电池的中间物进行了开发，具体地，已经制造了具有高容量和安全性的二次电池。

二次电池的示例可包括镍镉电池、镍金属氢化物电池、镍氢电池和锂二次电池。多个锂二次电池可被串联连接以具有高输出并用于EV，并且，与镍镉电池或镍金属氢化物电池相比，这样的布置具有高的驱动电压。串联连接的锂二次电池具有每单位重量的能量密度优异的特性，因此他们的使用已经越来越多。

因此，已经需要在具有高容量的同时具有高能量密度的锂二次电池。

技术实现要素：

一个或更多个示例性实施例包括一种堆叠式电极组件，其中，包括三维(3D)多孔集流体的电极位于电极组件的最上部(例如，顶部)和/或最下部(例如，底部)。

一个或更多个示例性实施例包括一种通过包括所述堆叠式电极组件而具有高容量和能量密度的锂电池。

另外的方面将在下面的描述中被部分地阐述，部分地通过描述将是清楚 的，或者可通过本实施例的实践而被获知。

根据一个或更多个示例性实施例，一种堆叠式电极组件包括：最下电极，位于电极组件的最下部；最上电极，位于电极组件的最上部；至少一个单元堆叠件，位于最下电极与最上电极之间，所述至少一个单元堆叠件包括正极、负极以及设置在正极与负极之间的隔板；多个隔板，位于最下电极与单元堆叠件之间、多个单元堆叠件之间以及单元堆叠件与最上电极之间，其中，最下电极或最上电极是包括三维(3D)多孔集流体的电极。

在一些实施例中，所述最下电极和最上电极均包括3D多孔集流体。

在一些实施例中，所述包括3D多孔集流体的电极还可在3D多孔集流体的孔中包括电极活性物质。

在一些实施例中，所述最下电极或最上电极可以是不包括3D多孔集流体的电极，并可包括：非多孔电极集流体；电极活性物质层，设置在非多孔电极集流体的至少一个表面上。

在一些实施例中，所述非多孔电极集流体可呈金属箔的形式。

在一些实施例中，所述单元堆叠件可呈双单体结构，其中，所述双单体结构包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的负极、隔板、正极、第二隔板以及第二负极，或者，其中，所述双单体结构包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的正极、隔板、负极、第二隔板和第二正极。

在一些实施例中，所述单元堆叠件可具有全单体结构，其中，所述全单体结构包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的正极、隔板和负极，或者，其中，所述全电池结构包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的负极、隔板和正极。

在一些实施例中，具有相反极性的电极可被堆叠为面向彼此，并且隔板置于所述具有相反极性的电极之间。

在一些实施例中，所述单元堆叠件中的至少一个电极可以是包括3D多孔集流体的电极。

在一些实施例中，所述堆叠式电极组件可包括多个单元堆叠件，其中，每个单元堆叠件具有包括3D多孔集流体的电极，其中，每个单元堆叠件中的包括3D多孔集流体的每个电极具有连续的堆叠结构，其中，所述多个隔板中的隔板位于所述多个单元堆叠件之间。

在一些实施例中，所述堆叠式电极组件可包括多个单元堆叠件，其中，每个单元堆叠件具有包括3D多孔集流体的电极，其中，每个单元堆叠件中 的包括3D多孔集流体的每个电极具有无介于单元堆叠件之间的隔板的连续的堆叠结构，其中，连续堆叠的包括3D多孔集流体的电极具有相同的极性。

在一些实施例中，所述3D多孔集流体可以是金属泡沫。

在一些实施例中，所述3D多孔集流体可包括从铝(Al)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、银(Ag)、钨(W)、铂(Pt)、不锈钢(SUS)和他们的混合物中选择的至少一种。

在一些实施例中，当所述包括3D多孔集流体的电极是负极时，所述3D多孔集流体可包括Cu泡沫，当包括3D多孔集流体的电极是正极时，所述3D多孔集流体可包括Al泡沫。

在一些实施例中，所述3D多孔集流体的厚度可在大约10μm至大约500μm的范围内。

在一些实施例中，所述3D多孔集流体的厚度可在大约50μm至大约200μm的范围内。

在一些实施例中，所述3D多孔集流体的孔径可在大约0.2μm至大约100μm的范围内。

在一些实施例中，所述3D多孔集流体的孔隙率可在大约50％至大约98％的范围内。

在一些实施例中，所述堆叠式电极组件可包括一个或两个单元堆叠件。

根据一个或更多个示例性实施例，一种锂电池包括所述堆叠式电极组件。

附图说明

通过下面结合附图对示例性实施例的描述，这些和/或其他方面将变得明显且更容易领会，在附图中：

图1、图2、图3、图4、图5和图6是根据本发明的示例性实施例的电极组件的结构的示意图；

图7是根据本发明的示例性实施例的三维(3D)多孔负极集流体的示意图；

图8是根据本发明的示例性实施例的包括3D多孔集流体的负极的示意图。

具体实施方式

现在将详细参照在附图中示出其示例的示例性实施例，其中，相同的标号自始至终指示相同的元件。就这一点而言，本示例性实施例可具有不同的形式且不应当被理解为限于这里所阐述的描述。因此，在下面通过参照附图仅描述了示例性实施例，以解释本说明书的一些方面。如在这里所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项的任意或全部组合。当诸如“至少一种”的表述在一列元素之后时，其修饰整列元素，而不是修饰所述列中的单个元素。

由于本发明的一些方面允许各种变化和多个实施例，因此将在附图中示出并在所写说明书中详细描述具体实施例。然而，其并不意图将发明构思限制为具体实施方式，并且，将领会的是，不脱离精神和技术范围的全部变化、等同物和替换被包含在发明构思中。在说明书中，当认为相关技术的特定详细描述可能使发明构思的本质不必要的模糊时，将省略相关技术的特定详细描述。虽然诸如“第一”、“第二”等的术语可用于描述各种组件，但这样的组件不被以上术语限制。以上术语仅用于将一个组件与另一组件区分开。在本说明书中使用的术语仅用于描述具体实施例，而不意图限制发明构思。除非在上下文中具有明显不同的含义，否则用于单数的表述包括复数的表述。在本说明书中，将理解是，诸如“包含”、“具有”和“包括”的术语意图指示存在说明书中所公开的特征、数量、步骤、动作、组件、部分或其组合，并且不意图排除可能存在或可能添加一个或更多个其他特征、数量、步骤、动作、组件、部分或其组合的可能性。此外，这里所使用的符号“/”可根据上下文而理解为“和”或者“或”。

在附图中，为了清楚起见，可放大层和区域的厚度。附图中相同的标号自始至终指示相同的元件。将理解的是，当诸如层、膜、区域或板的组件被称为“在”另一组件“上”时，组件可能直接在另一组件上或者可能在其上存在中间组件。

在下文中，将参照其中示出了发明构思的示例性实施例的附图更充分地描述发明构思。然而，该发明构思可以以多种不同的形式实施，并且不应当被理解为限于这里所阐述的示例性实施例。确切的说，提供这些实施例以使本公开将是彻底的和完整的，并将把本发明构思的范围充分地传达给本领域的普通技术人员。为了便于解释，可放大附图中组件的尺寸。换句话说，为 便于解释，因为附图中组件的尺寸和厚度是任意示出的，下面的实施例不限于此。

通常，通过使电极组件容纳在呈矩形(或矩形棱柱)、圆筒或袋的形状的壳体中并向其中注射电解质溶液来制造锂电池。电极组件可根据电极组件的结构被分为：果冻卷式，通过在呈长板状的负极和正极之间设置隔板来制备堆叠件并将堆叠件卷起进行制造；或者堆叠式，通过连续堆叠具有相同尺寸(例如，预定的尺寸)的多个正极和负极进行制造，其中，隔板置于正极与负极之间(例如，在每个正极和每个负极之间)。

在堆叠式电极组件中，电极设置在最外侧(例如，在堆叠件的端部)，例如，最上(或顶)侧或最下(或底或者最低)侧，电极可具有不发生锂离子的嵌入或脱嵌的非反应区，因此，会增加不可逆容量。不可逆容量的增加使锂电池的寿命特性劣化，因此，可通过减小或减少电极的不可逆容量来改进锂电池。

就这一点而言，作为检查用于减小或减少电极的不可逆容量的方法的结果，确定的是，可通过将堆叠式电极组件的最上(或顶)和/或最下(或底或者最低)电极构造为与位于电极组件中的其他电极不同来制造具有减小(或减少)了不可逆容量且增加了能量密度的电池。

在下文中，将描述本发明的一个或更多个示例性实施例。

根据实施例的堆叠式电极组件包括：最下电极(或底电极)，位于电极组件的最下部(例如，位于电极组件的底部)；最上电极(或顶电极)，位于电极组件的最上部(例如，位于电极组件的顶部)；至少一个单元堆叠件，位于最上电极与最下电极之间并包括正极、负极以及设置在正极与负极之间的隔板；隔板，分别设置在最下电极与单元堆叠件之间、多个单元堆叠件之间以及单元堆叠件与最上电极之间，其中，最下电极或最上电极是包括三维(3D)多孔集流体的电极。

这里，电极可以是正极或负极，并且，其间堆叠有隔板的电极可具有相反的极性。换句话说，电极组件可具有按照描述的顺序来顺序地包括正极、隔板和负极的堆叠结构或者按照描述的顺序来顺序地包括负极、隔板和正极的堆叠结构。

例如，最下电极和最上电极均可以是包括3D多孔集流体的电极。

在电极组件中，包括3D多孔集流体的电极还可在3D多孔集流体的孔中 包括电极活性物质。

这里，3D多孔集流体与诸如箔状薄膜的不具有孔的集流体(例如，对比集流体)不同。3D多孔集流体指在其中具有三维连接的孔的集流体。包括3D多孔集流体的电极可具有在3D多孔集流体的孔中包括电极活性物质的结构。

在电极组件中，除了包括3D多孔集流体的电极之外的电极可包括例如金属薄膜的非多孔电极集流体以及设置在非多孔电极集流体的至少一个表面上的电极活性物质层。例如，不包括3D多孔集流体的电极可具有包括顺序地堆叠的集流体和电极活性物质层的层状结构，因此，所述电极可具有与使负极活性物质和正极活性物质包括在3D多孔集流体的孔中的包括3D多孔集流体的电极的结构不同的结构。

当堆叠式电极组件只具有不包括3D多孔集流体的电极时，如上所述，最下电极和最上电极的非反应区导致不可逆容量增加。因此，为了减轻或防止不可逆容量的增加，可仅使用设置在组件的最上或最下部中的不具有活性物质的电极，例如，可使用仅在集流体的截面上具有活性物质的电极。然而，当仅使用设置在组件的最上或最下部中的不具有活性物质层的电极时，在滚压工艺的过程中可能出现电极板可能被弯曲的弯曲现象。

另一方面，如上所述，在使用具有作为最上电极或最下电极的包括3D多孔集流体的电极的电池时，不会出现弯曲现象(例如，可减轻或防止弯曲现象)，并且不会出现(或可减轻)由于最上电极或最下电极的非反应区导致的容量减小。因此，所述电池与包括仅具有不包括3D多孔集流体的电极的堆叠式电极组件的电池相比，可具有增加了的容量和能量密度。

单元堆叠件具有包括按照描述的顺序来顺序堆叠的正极、隔板和负极(或负极、隔板和正极)的全单体结构。

可选地，单元堆叠件可具有包括按照描述的顺序来顺序堆叠的负极、隔板、正极、隔板和负极(或正极、隔板、负极、隔板和正极)的双单体结构。

在下文中，将参照附图描述一个或更多个示例性实施例。图1、图2、图3、图4、图5和图6是示意性地示出根据本发明的示例性实施例的堆叠式电极组件100(在下文中，称为电极组件)的截面图。参照图1、图2和图3，电极组件100可包括最下(或底)电极、最上(或顶)电极以及设置在最下电极与最上电极之间的一个单元堆叠件。参照图4、图5和图6，电极组件 100可包括最下(或底)电极、最上(或顶)电极以及设置在最下电极与最上电极之间的两个单元堆叠件。

如图1所示，电极组件100的最下(或底)电极可以是包括3D多孔集流体的负极50。电极组件100可具有包括3D多孔集流体的负极50/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的正极20、隔板10、负极30、隔板10和正极20的单元堆叠件U1/隔板10/负极30的顺序堆叠的结构。

在本发明的一些实施例中，电极组件100可具有包括3D多孔集流体的正极40/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的负极30、隔板10、正极20、隔板10和负极30的单元堆叠件U1/隔板10/正极20的顺序堆叠的结构。

这里，电极组件100可具有堆叠结构，按照该方式，具有相反极性的电极可面向彼此，并且隔板10置与具有相反极性的电极之间。

正极20可包括非多孔正极集流体22以及设置在正极集流体22的两个表面上的正极活性物质层24。负极30可包括非多孔负极集流体32以及设置在负极集流体32的两个表面上的负极活性物质层34。

如图2所示，电极组件100的最上电极可以是包括3D多孔集流体的负极50。电极组件100可具有负极30/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的正极20、隔板10、负极30、隔板10和正极20的单元堆叠件/隔板10/包括3D多孔集流体的负极50的顺序堆叠结构。

在本发明的一些实施例中，电极组件100可具有正极20/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的负极30、隔板10、正极20、隔板10和负极30的单元堆叠件/隔板10/包括3D多孔集流体的正极40的顺序堆叠结构。

如图3所示，电极组件100的最上电极和最下电极均可是各自包括3D多孔集流体的负极50。电极组件100可具有包括3D多孔集流体的负极50/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的正极20、隔板10、负极30、隔板10和正极20的单元堆叠件U1/隔板10/包括3D多孔集流体的负极50的顺序堆叠结构。

在本发明的一些实施例中，电极组件100可具有包括3D多孔集流体的正极40/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的负极30、隔板10、正极20、隔板10和负极30的单元堆叠件U1/隔板10/包括3D多孔集流体的正极40。

如图4所示，电极组件100可包括作为最上电极和最下电极二者的包括 3D多孔集流体的电极以及两个单元堆叠件U1和U2。电极组件100可具有以下顺序堆叠的结构：包括3D多孔集流体的负极50/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的正极20、隔板10、负极30、隔板10和正极20的单元堆叠件U1/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的负极30、隔板10、正极20、隔板10和负极30的单元堆叠件U2/隔板10/包括3D多孔集流体的正极40。

在本发明的一些实施例中，电极组件100可具有包括3D多孔集流体的正极40/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的负极30、隔板10、正极20、隔板10和负极30的单元堆叠件U1/隔板10/包括按照描述的顺序来顺序地堆叠的正极20、隔板10、负极30、隔板10和正极20的单元堆叠件U2/隔板10/包括3D多孔集流体的负极50的顺序堆叠结构。

除了电极组件100的最下电极和/或最上电极之外，单元堆叠件U1和U2中的至少一个电极也可以是包括3D多孔集流体的电极。在电极组件100中，当单元堆叠件U1和U2中的一些电极包括3D多孔集流体并且最下电极和/或最上电极包括3D多孔集流体时，包括电极组件100的电池的容量和能量密度可因电池的不可逆容量的减小和电池厚度的减小而增大。

在一些实施例中，电极组件100可包括多个单元堆叠件(其中，每个单元堆叠件具有包括3D多孔集流体的电极)，并可具有包括3D多孔集流体的电极的结构(其中，在每个单元堆叠件中包括的包括3D多孔集流体的每个电极具有连续堆叠结构，并且隔板位于单元堆叠件之间)。这里，包括3D多孔集流体的电极具有使隔板置于中间(例如，使隔板位于单元堆叠件的电极中的相邻电极之间)的连续堆叠结构，并且在隔板上和隔板下的电极可具有相反的极性。具体地，电极可具有包括3D多孔集流体的负极/隔板/包括3D多孔集流体的正极的顺序堆叠结构，或者可具有包括3D多孔集流体的正极/隔板/包括3D多孔集流体的负极的顺序堆叠结构。

可选地，电极组件100可包括多个单元堆叠件，其中，每个单元堆叠件具有包括3D多孔集流体的电极，其中，在每个单元堆叠件中包括的包括3D多孔集流体的每个电极具有不使隔板位于单元堆叠件之间的连续堆叠结构，并且连续堆叠的电极可具有相同的极性。具体地，电极可具有包括3D多孔集流体的负极/包括3D多孔集流体的负极顺序堆叠的结构。

如图5所示，电极组件100的最上电极和最下电极分别可以是包括3D 多孔集流体的正极40和包括3D多孔集流体的负极50，单元堆叠件U1和U2分别可具有包括3D多孔集流体的正极40和包括3D多孔集流体的负极50。在一些实施例中，单元堆叠件的除了图5中示出的电极之外的电极可以是包括3D多孔集流体的电极。

电极组件100可具有包括顺序堆叠的以下组件的结构：包括3D多孔集流体的负极50/隔板10/包括顺序堆叠的正极20、隔板10、负极30、隔板10以及包括3D多孔集流体的正极40的单元堆叠件U1/隔板10/包括顺序堆叠的包括3D多孔集流体的负极50、隔板10、正极20、隔板10和负极30的单元堆叠件U2/隔板10/包括3D多孔集流体的正极40。例如，电极组件100可具有包括形成单元堆叠件U1的包括3D多孔集流体的正极40以及形成单元堆叠件U2的包括3D多孔集流体的负极50的结构，其中，正极40和负极50自隔板10连续地堆叠。

在本发明的一些实施例中，电极组件100可具有包括顺序堆叠的以下组件的结构：正极40/隔板10/包括顺序堆叠的负极30、隔板10、正极20、隔板10以及包括3D多孔集流体的负极50的单元堆叠件U1/隔板10/包括顺序堆叠的包括3D多孔集流体的正极40、隔板10、负极30、隔板10和正极20的单元堆叠件U2/隔板10/包括3D多孔集流体的负极50。

如图6所示，电极组件100的最上电极和最下电极可以是包括3D多孔集流体的负极，单元堆叠件U1和U2中的每个可具有包括3D多孔集流体的负极40。

电极组件100可具有包括顺序堆叠的以下组件的结构：包括3D多孔集流体的负极50/隔板10/包括顺序堆叠的正极20、隔板10、负极30、隔板10以及包括3D多孔集流体的正极40的单元堆叠件U1/包括顺序堆叠的包括3D多孔集流体的正极40、隔板10、负极30、隔板10和正极20的单元堆叠件U2/隔板10/包括3D多孔集流体的负极50。可不在单元堆叠件U1和单元堆叠件U2之间设置隔板。

在本发明的一些实施例中，电极组件100可具有包括顺序堆叠的以下组件的结构：包括3D多孔集流体的正极40/隔板10/包括顺序堆叠的负极30、隔板10、正极20、隔板10以及包括3D多孔集流体的负极50的单元堆叠件U1/包括顺序堆叠的包括3D多孔集流体的负极50、隔板10、正极20、隔板10和负极30的单元堆叠件U2/隔板10/包括3D多孔集流体的正极40。

图1、图2、图3、图4、图5和图6示出了仅包括一个或两个单元堆叠件U1和U2的电极组件，但本发明的实施例不限于此，并且，在一些实施例中，电极组件可包括三个或更多个单元堆叠件。

图7示出了根据示例性实施例的3D多孔负极集流体的示意图，图8示出了包括3D多孔集流体的负极的示意图。图7和图8示出了负极，但在一些实施例中，所述电极可以是正极。

参照图7，3D多孔集流体52是其中具有孔的多孔材料。例如，3D多孔集流体52呈具有孔的3D形状，可使用本领域中可用作集流体的任何材料。

例如，3D多孔集流体52可呈金属泡沫的形式。

例如，3D多孔集流体52可包括从铝(Al)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、银(Ag)、钨(W)、铂(Pt)、不锈钢(SUS)和他们的组合中选择的至少一种，或可由从中选择的至少一种形成。

当包括3D多孔集流体的电极是负极时，3D多孔集流体可包括Cu泡沫。当包括3D多孔集流体的电极是正极时，3D多孔集流体可包括Al泡沫。例如，当包括3D多孔集流体的电极是负极时，3D多孔集流体可以是Cu泡沫。当包括3D多孔集流体的电极是正极时，3D多孔集流体可以是Al泡沫。

例如，3D多孔集流体52的厚度可在大约10μm至大约500μm的范围内。具体地，例如，3D多孔集流体52的厚度可在大约50μm至大约500μm的范围内。例如，3D多孔集流体52的厚度可在大约50μm至大约200μm的范围内。当电极中包括的3D多孔集流体52的厚度在这些范围内时，在最上和/或最下处包括所述电极的电池可具有减小了的不可逆容量。

例如，3D多孔集流体52的孔径可在大约0.2μm至大约100μm的范围内，3D多孔集流体52的孔隙率可在大约50％至大约98％的范围内。

参照图8，包括3D多孔集流体52的电极(例如，负极50)具有在这些范围内的孔径和孔隙率，电极在3D多孔集流体52的孔内包括适量的电极活性物质54，因此，包括所述电极的电池可具有减小了的不可逆容量，因此可呈现出期望的容量。

根据另一实施例，锂电池可包括堆叠式电极组件。

在下文中，将描述根据本发明的一个实施例的制备锂电池的方法。

根据一个实施例，可按照如下来制备包括3D多孔集流体的正极。

首先，制备3D多孔集流体。接着，使正极活性物质(作为电极活性物质)、粘结剂以及导电剂(可选地)混合在溶剂中来制备正极活性物质组合物。可使3D多孔集流体的孔填充有正极活性物质组合物，或者，可使3D多孔集流体涂覆有正极活性物质组合物，然后进行压制和干燥以使正极活性物质组合物渗入到3D多孔集流体的孔中，从而制备在3D多孔集流体的孔中包括正极活性物质的正极。

正极活性物质可以是本领域可作为正极活性物质的任何材料。例如，正极活性物质可以是由从Li_aA_1-bB_bD₂(其中，0.90≤a≤1且0≤b≤0.5)、Li_aE_1-bB_bO_2-cD_c(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5且0≤c≤0.05)、LiE_2-bB_bO_4-cD_c(其中，0≤b≤0.5且0≤c≤0.05)、Li_aNi_1-b-cCo_bB_cD_α(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α≤2)、Li_aNi_1-b-cCo_bB_cO_2-αF_α(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α<2)、Li_aNi_1-b-cCo_bB_cO_2-αF₂(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α<2)、Li_aNi_1-b-cMn_bB_cD_α(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α≤2)、Li_aNi_1-b-cMn_bB_cO_2-αF_α(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α<2)、Li_aNi_1-b-cMn_bB_cO_2-αF₂(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α<2)、Li_aNi_bE_cG_dO₂(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.9、0≤c≤0.5且0.001≤d≤0.1)、Li_aNi_bCo_cMn_dG_eO₂(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.9、0≤c≤0.5、0≤d≤0.5且0.001≤e≤0.1)、Li_aNiG_bO₂(其中，0.90≤a≤1且0.001≤b≤0.1)、Li_aCoG_bO₂(其中，0.90≤a≤1且0.001≤b≤0.1)、Li_aMnG_bO₂(其中，0.90≤a≤1且0.001≤b≤0.1)、Li_aMn₂G_bO₄(其中，0.90≤a≤1且0.001≤b≤0.1)、QO₂、QS₂、LiQS₂、V₂O₅、LiV₂O₅、LiIO₂、LiNiVO₄、Li_(3-f)J₂(PO₄)₃(其中，0≤f≤2)、Li_(3-f)Fe₂(PO₄)₃(其中，0≤f≤2)和LiFePO₄中选择的一个式表示的化合物。

在上面的式中，A为Ni、Co、Mn或他们的组合；B为Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、稀土元素或他们的组合；D为O、F、S、P或他们的组合；E为Co、Mn或他们的组合；F为F、S、P或他们的组合；G为Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V或他们的组合；Q为Ti、Mo、Mn或他们的组合；I为Cr、V、Fe、Sc、Y或他们的组合；J为V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu或他们的组合。

例如，正极活性物质可以是LiCoO₂、LiMn_xO_2x(x＝1、2)、LiNi_1-xMn_xO_2x(0<x<1)、LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂(0≤x≤0.5、0≤y≤0.5)或FePO4。

正极活性物质组合物中的粘结剂使正极活性物质和导电剂粘合或者使正 极活性物质与集流体粘合。基于100重量份的正极活性物质，粘结剂的量可在大约1重量份至大约50重量份的范围内。例如，基于100重量份的正极活性物质，粘结剂的量可在大约1重量份至大约30重量份、大约1重量份至大约20重量份或者大约1重量份至大约15重量份的范围内。粘结剂的示例可包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氯乙烯、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、丙烯腈丁二烯苯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯砜、聚酰胺、聚缩醛、聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯、三元乙丙橡胶(EPDM)、磺化EPDM、丁苯橡胶、氟橡胶和他们的组合，但实施例不限于此。

导电剂可以是通常用于锂电池的任何导电剂。导电剂的示例可包括：诸如的炭黑、乙炔黑、科琴黑或碳纤维的碳基材料；诸如铜、镍、铝或银的金属粉末或者金属纤维的金属基材料；诸如聚亚苯基衍生物的导电聚合物；或者包括他们的混合物的导电剂。可适当地控制导电剂的量。例如，正极活性物质和导电剂的重量比可在大约99:1至大约90:10的范围内。

溶剂的示例包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)、丙酮和水。基于100重量份的正极活性物质，溶剂的量可在大约1重量份至大约40重量份的范围内。当溶剂的量在该范围内时，可容易地形成活性物质层。

接着，除了使负极活性物质用作电极活性物质之外，可通过使用与制备包括3D多孔集流体的正极相同的方法来制备包括3D多孔集流体的负极50。此外，用于制备负极活性物质组合物的粘结剂、导电剂和溶剂与正极的制备中所限定的相同。

负极活性物质可以是本领域通常使用的任何材料。负极活性物质的示例可包括锂金属、可与锂合金化的金属、过渡金属氧化物、非过渡金属氧化物和含碳材料。

可与锂合金化的金属的示例可包括Si、Sn、Al、Ge、Pb、Bi、Sb、Si-Y合金(其中，Y为碱金属、碱土金属、13族元素、14族元素、过渡金属、稀土元素或他们的组合，但不是Si)以及Sn-Y合金(其中，Y为碱金属、碱土金属、13族元素、14族元素、过渡金属、稀土元素或其组合，但不是Sn)。 元素Y可以是Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Rf、V、Nb、Ta、Db、Cr、Mo、W、Sg、Tc、Re、Bh、Fe、Pb、Ru、Os、Hs、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、Sn、In、Ti、Ge、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Po或他们的组合。

过渡金属氧化物的示例可包括锂钛氧化物、氧化钒和锂钒氧化物。

非过渡金属氧化物的示例可包括SnO₂和SiO_x(其中，0<x<2)。

含碳材料的示例可包括结晶碳、无定形碳和他们的混合物。结晶碳的示例可包括均呈无定形状、板状、片状、球状或纤维状的天然石墨和人造石墨。无定形碳可包括软碳、硬碳、中间相沥青碳化物以及煅烧后的焦炭。

接着，可通过使正极活性物质组合物成型为特定形状或者通过使用正极活性物质组合物涂覆非多孔正极集流体22以在集流体的至少一个表面上形成正极活性物质层24来制备正极20。此外，可通过使负极活性物质组合物成型为特定形状或者通过使用负极活性物质组合物涂覆非多孔负极集流体32以在集流体的至少一个表面上形成负极活性物质层34来制备负极30。

非多孔正极集流体22和非多孔负极集流体32可均是对电池不产生化学变化并具有高导电率的独立的集流体。例如，集流体可由从铝、铜、镍、钛和不锈钢中选择的至少一种形成。可通过电镀或离子沉积利用诸如镍、铜、铝、钛、金、银、铂或钯的涂覆成分来处理铝、铜、镍或不锈钢的表面。可选地，可通过执行浸渍或压制技术使用纳米粒子的涂覆成分来涂覆铝、铜、镍或不锈钢的表面并将其用作基板。在一些实施例中，集流体可包括由涂覆有上述导电材料的非导电材料形成的基底。集流体可在其表面具有不均匀的微小结构，以增强与基板上的活性物质层的粘结力。此外，集流体的厚度可通常在大约10μm至大约30μm的范围内。

接着，可通过按照该描述顺序来顺序地堆叠最下电极/隔板/至少一个单元堆叠件/隔板/最上电极来制备堆叠式电极组件。

这里，用于制备正极的正极活性物质可彼此一致或彼此不同，用于制备负极的负极活性物质可彼此相同或彼此不同。

隔板可以是代表性地用于锂电池的任何隔板。具体地，隔板可包括对电解质的离子的迁移具有低阻力并具有优异的保留电解质溶液的能力的物质。例如，隔板可包括从均可以是非织物或织物的玻璃纤维、聚酯、特氟龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)和他们的组合中选择的物质。隔板可具 有在大约0.01μm至大约10μm的范围内的孔径以及在大约5μm至大约300μm的范围内的厚度。当隔板的孔径和厚度在这些范围之内时，每单位体积的电池的容量的减少可被减小，并且可确保内部短路情况下的安全性。例如，隔板的厚度可在大约8μm至大约30μm的范围内。

然后，可使堆叠式电极组件容纳在呈矩形形状或圆筒形状的壳体中，并且，可将电解质注射到壳体中，从而完成锂电池的制造。

这里，电解质可包括无水电解质和锂盐。无水电解质的示例可包括无水电解质溶液和有机固态电解质。

无水电解质溶液的示例可以是非质子有机溶剂，非质子有机溶剂的示例可包括N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸亚丁酯、碳酸二甲脂(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、γ-丁内酯(GBL)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)、四氢呋喃(THF)、2-甲基四氢呋喃、二甲亚矾(DMSO)、1,3-二氧戊环(DOL)、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊环、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、原甲酸三甲酯、二氧戊环衍生物、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、碳酸丙烯酯衍生物、四氢呋喃衍生物、乙醚、丙酸甲酯和丙酸乙酯。

有机固态电解质的示例可包括聚乙烯衍生物、聚氧化乙烯衍生物、聚氧化丙烯衍生物、碳酸酯聚合物、聚搅拌赖氨酸(poly agitation lysine)、聚酯硫化物、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯以及包括离子分解基团的聚合物。

锂盐可以是锂电池中通常使用的任何锂盐，并可溶于包含锂盐的无水电解质。例如，锂盐可包括从LiCl、LiBr、LiI、LiClO₄、LiBF₄、LiB₁₀Cl₁₀、LiPF₆、LiCF₃SO₃、LiCF₃CO₂、LiAsF₆、LiSbF₆、LiAlCl₄、CH₃SO₃Li、CF₃SO₃Li、(CF₃SO₂)₂NLi、氯硼酸锂(lithium chloroborate)、低脂肪族碳酸锂、四苯基硼酸锂和亚氨基锂中选择的至少一种。

此外，电解质溶液可包括碳酸亚乙烯酯(VC)或碳酸苯邻二酚(CC)以在负极的表面上形成并保持SEI层。可选地，电解质可包括诸如n-丁基二茂铁或卤代本的氧化还原穿梭型添加剂，以防止电池的过充电。可选地，电解质可包括用于形成诸如苯基环己烷或联苯的膜的添加剂。可选地，电解质可包括诸如冠醚化合物的阳离子受体以及诸如硼基化合物的阴离子受体，以改善导电特性。可选地，电解质可包括诸如磷酸三甲酯(TMP)、三(2,2,2-三氟乙基)磷酸酯(TFP)或者六甲氧基环三磷腈(HMTP)的磷酸基化合物作 为阻燃剂。

在一些实施例中，为了通过在电极的表面上辅助形成稳定的SEI层或薄膜来进一步改善锂电池的安全性，电解质还可包括添加剂，所述添加剂的示例可包括三(三甲基硅烷基)磷酸酯(TMSPa)、二氟草酸硼酸锂(LiFOB)、丙磺酸内酯(PS)、丁二腈(SN)、LiBF₄、具有官能团(可与例如丙烯醛基、氨基、环氧基、甲氧基或乙烯基形成硅氧烷键)的硅烷化合物以及诸如六甲基二硅氮烷的硅氨烷。具体地，添加剂可以是丙磺酸内酯(PS)、丁二腈(SN)或LiBF₄。

例如，可通过将诸如LiPF₆、LiClO₄、LiBF₄或LiN(SO₂CF₃)₂的锂盐添加到包括诸如EC或PC的环状碳酸酯(高电介质溶剂)以及诸如DEC、DMC或EMC的线性碳酸酯(低黏度溶剂)的混合溶剂来制备电解质。

锂电池具有良好的寿命特性和高效率特性，因此可用于电动车辆(EV)。例如，锂电池可用于诸如插电式混合动力车辆(PHEV)的混合动力车辆。此外，锂电池可适于需要高输出、高电压和高温度可操作性的电动自行车、电动工具以及全部其他用途。

锂电池可以是锂二次电池。

现在将参照下面的示例更详细地描述一个或更多个实施例。然而，这些示例不意图限制一个或更多个实施例的范围。

示例1

(包括3D多孔集流体的负极的制备)

将具有大约90μm的厚度的Cu泡沫(可购于)制备成3D多孔集流体。此外，将98wt％的作为负极活性物质的石墨(可购于上海杉杉)和2wt％的作为粘结剂的SBR(可购于Zeon)混合在作为溶剂的N-甲基吡咯烷酮中，以制备负极活性物质组合物。将负极活性物质组合物涂敷到Cu泡沫上以允许负极活性物质组合物渗入到Cu泡沫的孔中，并使所得物干燥以制备具有大约90μm的厚度的负极。

(正极的制备)

将97.5wt％的作为正极活性物质的LiCoO₂(可购于Umicore)、1wt％的作为导电剂的炭黑(产品名称：ECP，可购于Lion)和1.5wt％的作为粘结剂 的PVdF(产品名称：Solef，可购于Solvay)混合，以制备正极活性物质组合物。将由此制备的活性物质组合物涂敷在具有大约15μm的厚度的铝箔集流体的两个表面上，并进行干燥和压制，从而制备了具有大约120μm的厚度的正极。

(电极组件的制备)

制备由聚乙烯(PE)膜(可购于Toray)形成的隔板。如图3所示，使负极、隔板、如上所述制备的正极、隔板、如上所述制备的负极、隔板、如上所述制备的正极、隔板以及如上所述制备的包括3D多孔集流体的负极按照描述的顺序来顺序地堆叠，以制备电极组件。

(锂二次电池的制备)

将电极组件容纳在袋状壳体中，然后，使通过将1.3M的LiPF₆添加到包括体积比1:1:1的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合溶剂中而制备的电解质注射到壳体中来制备袋状的锂二次电池。

示例2

(包括3D多孔集流体的正极的制备)

将具有大约150μm的厚度的Al泡沫(可购于)制备成3D多孔集流体。此外，使97.5wt％的作为正极活性物质的LiCoO₂(可购于Umicore)、1wt％的作为导电剂的炭黑(产品名称：ECP，可购于Lion)和1.5wt％的作为粘结剂的PVdF(产品名称：Solef，可购于Solvay)混合在作为溶剂的N-甲基吡咯烷酮中，以制备正极活性物质组合物。将正极活性物质组合物涂敷在Al泡沫上，以允许正极活性物质组合物渗入到Al泡沫的孔中，并使所得物干燥，以制备具有大约150μm的厚度的正极。

此外，按照与示例1中相同的方式来制备包括3D多孔集流体的负极、正极和负极。

(电极组件的制备)

制备由聚乙烯(PE)膜(可购于Toray)形成的隔板。如图4所示，使包括3D多孔集流体的负极、隔板、如上所示制备的正极、隔板、如上所述 制备的负极、隔板、如上所述制备的正极、隔板、如上所述制备的负极、隔板、如上所示制备的正极、隔板、如上所述制备的负极、隔板以及如上所述制备的包括3D多孔集流体的正极按照描述的顺序来顺序地堆叠以制备电极组件。

(锂二次电池的制备)

将电极组件容纳在袋状壳体中，然后，使通过将1.3M的LiPF₆添加到包括体积比1:1:1的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合溶剂中而制备的电解质注射到壳体中，以制备袋状的锂二次电池。

对比示例1

除了利用在示例1中通过使用Cu箔集流体而制备的负极来代替包括3D多孔集流体的负极之外，按照与示例1中相同的方式来制备锂电池。

对比示例2

除了使用包括3D多孔集流体的负极来代替负极并且使用示例2中制备的包括3D多孔集流体的正极来代替正极之外，按照与示例1中相同的方式来制备锂电池。

对比示例3

除了使用在示例1中通过使用Cu箔集流体而制备的负极来代替包括3D多孔集流体的负极并且使用在示例1中通过使用Al箔集流体而制备的正极来代替包括3D多孔集流体的正极之外，按照与示例2中相同的方式来制备锂电池。

对比示例4

除了使用包括3D多孔集流体的负极来代替负极并且使用包括3D多孔集流体的正极来代替正极之外，按照与示例2中相同的方式来制备锂电池。

评价示例1：锂电池的容量和能量密度测量

为了测试锂电池的不可逆容量是否减小，在大约25℃时以0.2充电率(C rate)的恒流模式(CC模式)对示例1和2以及对比示例1、2、3和4中制备的锂二次电池进行充电，直到电压达到大约4.3V的充电终止电压(相对于Li)，并在使电压保持在4.3V时以恒压模式(CV模式)进行充电，直到电流达到0.05充电率(C rate)。然后，以0.2C的恒流模式对电池进行充电，直到3.0V的充电终止电压。接着，测量在示例1和2以及对比示例1、2、3和4中制备的锂二次电池的容量和能量密度，并将结果示出在表1中。

表1

如表1所示，当最下电极和最上电极是包括3D多孔集流体的电极时，包括所述最上电极和最下电极的电池的容量和能量密度可比不具有包括3D多孔集流体的电极的电池(对比示例1和3)的容量和能量密度或者仅具有包括3D多孔集流体的电极的电池(对比示例2和4)的容量和能量密度更好。

如上所述，根据上面的一个或更多个实施例，锂电池可通过包括堆叠式电极组件而具有增加了的容量和改善了的能量密度，其中，包括3D多孔集流体的电极位于电极组件的最上面和/或最下面。

应当理解的是，这里所描述的示例性实施例应当仅仅被理解为描述性的含义，而非限制的目的。在每个示例性实施例中的特征或方面的描述应当通常被理解为可用于其他示例性实施例中的其他相似特征或方面。

虽然已经参照附图描述了一个或更多个示例性实施例，但本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可在这里进行形式和细节上的各种改变。