电化学储能装置的电极构造的制作方法

本实用新型涉及一种电化学储能装置的构造，特别是一种电化学储能装置的电极构造。

背景技术：

近年来，电化学储能装置(EESDs)，如锂离子电池(LIBs)、锂-硫(Li-S)电池和超级电容器(SCs)已经广泛应用于电动车辆(electric vehicles，EVs)，混合动力电动车辆(hybrid electric vehicles，HEVs)，插电式混合动力电动车辆(plug-in hybrid electric vehicles，PHEVs)，无线电动工具，无线电源供应和其它的电力储存系统。电化学储能装置经过多年来研究和改良虽然取得了重大进展，但是它的能源密度(energy density)、功率密度(power density)和使用寿命仍然难以满足要求。随着可穿戴式电子设备的快速发展，迫切需要研发灵活、轻便、高能量密度的电化学储能装置。

锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔离膜构成。通常，电极包括两个部分：电极材料和集电器(current collector)。电极材料是电化学储能装置充放电时的主要反应堆，在电化学反应过程中它们可以通过集电器传输电子因此，集电器是用于完成电流回路的材料的基本附件。电解质对电池体系性能的影响很大，它要具有较宽的电化学窗口、良好的化学稳定性以及较高的离子电导。

电化学反应(electrochemical reaction)是电子通过金属-电解质溶液界面时所发生的化学变化，当电解质嵌入电极材料时，锂离子电池的功率密度受到电化学反应的阻碍。在此步骤中，库伦效率(coulombic efficiency)同时衰减。此外，阻力增加并且常伴随导致温度升高的热量。基于电化学反应的原理，电极与电解质之间的界面需要增强，以减少不必要的电化学反应，同时也提高效率。

锂离子电池的能量密度主要取决于它的输出电压和比容量，而电压和比容量的高低是由电极材料和电解质的电化学性能决定的，尤其是电极材料的选择方面，已有无数的研究人员投入了大量的精力用于开发先进的电极材料。

已公开的美国专利20040191632A1提出了一种具有石墨泡的集电器(BATTERY INCLUDING CARBON FOAM CURRENT COLLECTORS)，所述具有石墨泡的集电器包括孔隙网格，可以提供大量的表面积。这种增强会影响铅酸蓄电池系统的能量密度，功率密度和寿命。所述的集电器包括薄的矩形主体和拉环(tab)除了孔隙网格之外，碳泡沫包括为碳泡沫提供支撑的结构组件的网。

已公开的美国专利20130065122A1提出了一种具有多孔集流体的半固体电极电池及其制造方法(SEMI-SOLID ELECTRODE CELL HAVING A POROUS CURRENT COLLECTOR AND METHOD OF MANUFACTURE)。其中提出的多孔集流体可以形成金属丝网并且可以是包括金属和非金属材料的任何合适的材料。这种多孔集流体增强了电化学电池的能量密度和功率密度。

已公开的美国专利第20130252091A1号提出一种锂离子电池的电极及其制造方法(LITHIUM ION BATTERY ELECTRODE AND ITS FABRICATION METHOD)，应用于锂离子电池中的具有多孔三维网络的集电器。集电器提高了电极活性材料的利用率并获得了高面积密度和低电极阻抗。

已公开的美国专利20110070489A1提出一种孔隙度受控的网状的电池结构(RETICULATED AND CONTROLLED POROSITY BATTERY STRUCTURES)，包括可以网状化或具有网状界面的部件的装置，使得可以增加界面区域。增加的界面周长增加了离子物质反应的可用位点。反应位点的量允许离子物质从电解质扩散到表面，其中电解质是固体并且离子物质是Li+。

已公开的美国专利20140186700A1提出一种通过共挤出印刷而制得的先进高功率和高能量的电池电极(ADVANCED,HIGH POWER AND ENERGY BATTERY ELECTRODE MANUFACTURED BY CO-EXTRUSION PRINTING)，其中包括形成孔穴通道的电极材料，所述孔穴通道起到了促进锂离子运动的槽(sink)或源(source)的关键作用。当锂离子从另一种材料转移通过孔穴通道时，这些孔穴通道导致更短且更少曲折的路径信道。这允许使用较厚的电极。所得到的阴极具有高功率和体积能量密度。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种电化学储能装置的电极构造。

为解决上述的技术问题，本实用新型电化学储能装置的电极构造的一种实施例，包括：一集电器；涂布于集电器的表面的电极材料，所述电极材料是一种电活性材料；以及至少一穿孔，穿孔穿透所述的电极材料和集电器。

作为本实用新型电化学储能装置的电极构造的优选结构，包括多个所述的穿孔。

其中集电器是金属或非金属材料制成。

所述电活性材料包含：锂金属或含锂合金、类石墨材料、金属氧化物、硫化物和氮化物其中的任一种。

本实用新型电化学储能装置的电极构造的有益效果在于，通过电极构造的穿孔结构，可以获得以下的优点和功效(1)集电器的重量占比降低；(2)增加电解液的保液量，有利于循环寿命的提高；(3)电活性材料和集电器间的附着力增加；(4)集电器的柔软度提高：(5)增强电化学储能装置中的电解质在各个方向的离子传递能力，离子在电解液中的迁移的效率提升，迁移过程可选择的路径增加，可以提高不同充电和放电速率下的充电和放电效率；以及通过上述的穿孔结合涂布在集电器的电极材料能够在高电流密度充电和放电期间提高与电解质离子的反应以获得高功率密度。

有关本实用新型的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型电化学储能装置的电极构造的结构示意图；

图2是本实用新型电化学储能装置的电极构造的制造方法的步骤流程图；

图3是本实用新型电化学储能装置的电极构造的一种应用示意图；

图4是本实用新型电化学储能装置的电极构造的另一种应用示意图。

符号说明

10 集电器 20 电极材料

30 穿孔 40 隔离膜 50 电解液

具体实施方式

在下文的实施方式中所述的位置关系，包括：上，下，左和右，若无特别指明，皆是以图式中组件绘示的方向为基准。

首先请参阅图1，是本实用新型电化学储能装置的电极构造的结构示意图。本实用新型电化学储能装置的电极构造，基本上可作为电化学储能装置的阳极或阴极，本实用新型的电极构造包括：一集电器10(current collector)；涂布于集电器的表面的电极材料20，电极材料20是一种涂布于集电器10的表面的电活性材料，用以在电化学反应的过程作为充电和放电的电流电路；以及至少一穿孔30，穿孔30穿透电极材料20和集电器10，较佳地实施方式是形成多个穿孔30，这些穿孔30可以采用数组的方式排列，这些穿孔30有助于电化学反应过程中的电解质在各个方向的离子传递能力，可以提高不同充电和放电速率下的充电和放电效率。

所述电化学储能装置的具体应用是作为例如电化学电池(electrochemical cell)和电化学电容(electrochemical capacitor)，典型的电化学储能装置例如锂离子电池(lithium-ion battery)和锂离子电容器(lithium-ion capacitor)；进一步地，具有本实用新型提出的电极构造的电化学储能装置，适合应用于电动车辆(electric vehicles，EVs)，混合动力电动车辆(hybrid electric vehicles，HEVs)，插电式混合动力电动车辆(plug-in hybrid electric vehicles，PHEVs)，无线电动工具，无线电源供应和其它的电力储存系统。

请参阅图2，是本实用新型电化学储能装置的电极构造的制造方法的步骤流程图，包括：准备一集电器10；在集电器10的表面涂布电极材料20，所述电极材料20是一种电活性材料，其中一种实施方式是先准备电极材料20的浆料，将电极材料20的浆料均匀地涂布在集电器10的表面，再通过干燥处理/工艺在集电器10的表面形成均匀的涂层结构；以及形成至少一穿孔30穿透所述的电极材料20和集电器10，其中一种实施方式是通过打孔(punching)工艺形成所述的穿孔30。

上述制造步骤的其它实施方式，包括：先在准备好的集电器10形成所述的穿孔30，然后再将电极材料20涂布在已形成有穿孔30的集电器10。

其中集电板是金属(例如铝基金属)或非金属材料制成，集电器可以是箔片或是网状的构造。所述电活性材料包含：锂金属或含锂合金、类石墨材料、金属氧化物、硫化物和氮化物其中的任一种。例如锂电池的正极材料一般以锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)、镍钴锂(LiNiCOO2)三种为主要材料。锂电池的负极材料主要以碳材料为主，又分为石墨系与焦碳系。通过上述的穿孔30结合涂布在集电器10的电极材料20能够在高电流密度充电和放电期间提高与电解质离子的反应以获得高功率密度。

请参阅图3，是本实用新型电化学储能装置的电极构造的一种应用示意图，如图中所示，本实用新型提出的电极构造以层叠的方式组装成层叠结构，在任二个相邻的电极构造之间置入隔离膜40，再将多层的电极构造置入电解液50，然后一起封装成为软包(soft pack)或硬包(soft pack)的构造成为例如锂离子电池或是锂离子电容器。同理，本实用新型电化学储能装置的电极构造也可以应用于柱状封装形式的锂离子电池(见图4)。

通过电极构造的穿孔30的结构，可以获得以下的优点和功效(1)集电器的重量占比降低；(2)增加电解液50的保液量，有利于循环寿命的提高；(3)电活性材料和集电器10间的附着力增加；(4)集电器10的柔软度提高：(5)增强电化学储能装置中的电解质或电解液在各个方向的离子传递能力，离子在电解液50中的迁移的效率提升，迁移过程可选择的路径增加，可以提高不同充电和放电速率下的充电和放电效率；以及通过上述的穿孔30结合涂布在集电器10的电极材料20能够在高电流密度充电和放电期间提高与电解质离子的反应以获得高功率密度。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本实用新型技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本实用新型技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本实用新型实质相同的技术或实施例。