三维电池的电极结构的制作方法
【专利说明】H维电池的电极结构 发明领域
[0001] 本发明总体而言设及在储能装置中使用的结构、包含该样的结构的储能装置、W 及制造该样的结构和能量装置的方法。
[000引发明背景
[0003] 摇椅或插入式二次电池单元是一种储能装置，其中诸如裡、钢、钟、巧或儀离子的 载流离子通过电解质在正电极和负电极之间移动。二次电池可W包括单个电池单体、或两 个W上的被电禪合W形成电池的电池单体，其中每个电池单体包括正电极、负电极、微孔隔 板和电解质
[0004] 在摇椅电池单体中，正电极和负电极二者都包括该样的材料，载流离子在其中插 入和抽出。当电池单体被放电时，载流离子从负电极被抽出并被插入到正电极中。当电池 单体被充电时，发生相反的过程，载流离子从正电极被抽出并被插入到负电极中。
[0005] 图1示出了诸如非水裡离子电池的现有的储能装置的电化学叠层（stack)的横截 面图。电化学叠层1包括正电极集电体12,正电极活性材料层13被装配在正电极集电体 12的顶部。该层被微孔隔板（separator) 14覆盖，在微孔隔板14上放置有负电极集电体 15和负电极活性材料层16的组件。该叠层有时被位于负电极集电体15上方的另一隔板层 (未示出）覆盖，被卷绕和填塞成罐状，并用非水电解质填充W组装成二次电池。
[0006] 正电极集电体和负电极集电体共用来自各个活性电化学电极的电流，并使得电流 能够传送到电池外部的环境。负电极集电体的一部分与负电极活性材料物理接触，而正电 极集电体的一部分与正电极活性材料物理接触。集电体不参与电化学反应，因此被限制为 在用于阳极和阴极的各自的电化学电势范围内电化学稳定的材料。
[0007] 为了使得集电体将电流带到电池外部的环境，负电极集电体和正电极集电体 被典型地各自连接到电极母线（electrode bus)、接头（t油）、终端（tag)、封装馈通 (package feed-t虹OU曲）或壳馈通化ousing feed-t虹OU曲）（典型地，其被统称为接触部 (contact)。接触部的一端被连接到一个或多个集电体，而另一端穿过电池封装，W电连接 到电池外部的环境。通过焊接、压接、或超声波粘合或用导电胶被粘结在适当的位置，负电 极接触部被连接到负电极集电体，而正电极接触部被连接到正电极集电体。
[000引常规的缠绕式电池（参见，例如，美国专利第6, 090, 505号和第6, 235, 427号） 典型地含有被涂覆到单个巧上并在电池单体组装之前被压缩的电极材料（活性材料、粘合 剂、导电助剂）。其上涂覆由电极的巧典型地是集电路径的一部分。在单个卷巧式电池中，如 18650或棱柱形电池单体中，集电体巧被超声波地焊接到电极母线、接头、终端等，其将电流 从活性材料通过集电体巧和接头带到电池的外部。根据设计，在沿单一的卷巧的多个位置 中、或者沿所述集电体巧的一端或两端中的一个位置存在接头。常规的层叠电池袋装电池 单元具有活性材料的多块板（或巧），其中每个巧的顶部区域随后被收集并被一起焊接至 接头；然后所述接头将电流带到电池袋的外部（参见，例如，美国专利公开第2005/0008939 号）。
[0009] 再次参考图1，在充电过程中，裡离开正电极阴极层13并作为裡离子穿过隔板14 进入负电极活性材料层16中。根据所用的负电极活性材料，裡离子插入（例如，位于所述 负电极活性材料的基质（matrix)中而不形成合金）或形成合金。在放电过程中，裡离开负 电极活性材料层16,穿过隔板14,并进入正电极活性材料层13。集电体将电子从电池接触 部（未示出）传导至电极，或反之亦然。
[0010] 现有的储能装置，例如电池、燃料电池单体和电化学电容器，典型地具有如图1所 示的二维层压结构（例如平面或螺旋缠绕压层）。，其中每个压层的表面积大致等于其几何 足迹（foo化rint)(忽略孔隙率和表面粗趟度）。
[0011] 在文献中已提出了 =维电池，作为改善电池容量和活性材料利用率的手段。已提 出相比于二维层压电池结构，S维结构可W被用来提供更大的表面积和更高的能量。由于 从较小的几何区域可获得的增加的能量，制造S维储能装置有益处。参见例如Rust等人的 W02008/089110 和 Long 等人的"T虹ee-Dimensional Batteiy Architec1:ures, "Qiemical Reviews, (2004)， 104,4463-4492。
[0012] 尽管有最新取得的进展，但仍然需要具有提高的能量密度的二次电池和其他储能 装置。
【发明内容】
[0013] 在本发明的各个方面中，提供了在诸如电池、燃料电池单体和电化学电容器的储 能装置中使用的=维结构。有利的是，W及根据本发明的一个方面，电极活性材料相对于储 能装置的其他组分（即储能装置的非活性材料组分）的比例可W增加。其结果是，包含本 发明的=维结构的储能装置可具有提高的能量密度。对于特定量的储能而言，它们还可W 提供比二维储能装置更高的能量恢复速率，例如通过最小化或减少正电极和负电极之间的 电子和离子迁移的传输距离。该些装置可W更适合用于微型化并更适用于其中装置的可用 几何面积受到限制和/或其中的能量密度要求高于用层压装置所能实现的能量密度要求 的应用。
[0014] 因此，简言之，本发明的一个方面是在储能装置中使用的结构。所述结构包括含 有电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所述反电极群组的成员隔开的微孔隔 板的电极结构。所述电极群组与所述反电极群组W交替的顺序布置，其中所述电极群组的 成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺序W第一方向行进。所述电 极群组的每个成员包括电极活性材料层和电极集电体层，所述电极群组的每个成员具有底 部、顶部、长度L。、宽度W。和高度H。，长度L。是从每个该样的电极的底部测量至顶部，宽度Wc 和高度电是W互相垂直且与长度L C的测量方向垂直的方向测量，L C对W C和H C中的每一个 的比分别为至少5:1，He对W E的比为0. 4:1和1000:1之间。所述电极群组的每个成员的电 极集电体层具有W与长度Lc相同的方向测量且是长度Lc的至少50%的长度Le。
[0015] 本发明的另一个方面是包括电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所 述反电极群组的成员隔开的微孔隔板的电极结构，其中所述电极群组为负电极群组，而所 述反电极群组是正电极群组。所述电极群组与所述反电极群组W交替的顺序布置，其中所 述电极群组的成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺序W第一方向 行进。所述负电极群组的每个成员包括负电极活性材料层和负电极集电体层，所述负电极 群组的每个成员具有底部、顶部、长度Lw、宽度Ww和高度Hw，长度Lw是从每个该样的负电 极的底部测量至顶部，宽度Ww和高度H w是W互相垂直且与长度L WE的测量方向垂直的方 向测量，Lwe对W WE和H WE中的每一个的比分别为至少5 : 1，H WE对W WE的比为0. 4:1和1000:1 之间，所述群组的每个成员的负电极集电体层具有W与Lwe相同的方向测量且是Lwe的至少 50%的长度1,。。
[0016] 本发明的另一个方面是包括电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所 述反电极群组的成员隔开的微孔隔板的电极结构，其中所述电极群组为正电极群组，而所 述反电极群组是负电极群组。所述电极群组与所述反电极群组W交替的顺序布置，其中所 述电极群组的成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺序W第一方向 行进。所述反电极群组是负电极群组，所述正电极群组的每个成员包括正电极活性材料层 和正电极集电体层，所述正电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度Lpc、宽度Wpc和高度 Hpc，长度Lpc是从每个该样的正电极的底部测量至顶部，宽度W PC和高度H PC是W互相垂直且 与长度Lpc的测量方向垂直的方向测量，L P拥W P郝H P冲的每一个的比分别为至少5:1，H PC 对Wpc的比为0. 4:1和1000:1之间，分别地，所述正电极群组的每个成员的正电极集电体层 具有W与Lpc相同的方向测量且是L W的至少50 %的长度L PC。
[0017] 本发明的另一个方面是包括正电极群组、负电极群组和将所述正电极群组的成员 与所述负电极群组的成员隔开的微孔隔板的电极结构，其中：
[0018] (i)所述正电极群组的每个成员包括正电极活性材料层和正电极集电体层，所述 正电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度Lpc、宽度Wpc和高度Hpc，长度Lpc是从每个该样 的正电极的底部测量至顶部，宽度Wpc和高度Hpc是W互相垂直且与长度Lpc的测量方向垂 直的方向测量，LpE对WpE和HpE中的每一个的比分别为至少5:1，HpE对WpE的比为0.4:1和 1000:1之间，分别地，所述正电极群组的每个成员的正电极集电体层分别具有W与Lp湘同 的方向测量且是1。^的至少50%的长度1。。，和
[0019] (ii)所述负电极群组的每个成员包括负电极活性材料层和负电极集电体层，所述 负电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度Lwe、宽度WwE和高度H W，长度Lwe是从每个该样 的负电极的底部测量至顶部，宽度WwE和高度H W是W互相垂直且与长度L W的测量方向垂 直的方向测量，Lwe对WwE和Hwe中的每一个的比分别为至少5:1，Hwe对WwE的比为0.4:1和 1000:1之间，分别地，所述负电极群组的每个成员的负电极集电体层分别具有W与Lw湘同 的方向测量且是Lw的至少的长度L WC。
[0020] 本发明的另一个方面是一种电极叠层，所述叠层包括至少两个电极结构，所述电 极结构中的每一个包括电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员与所述反电极群组 的成员隔开的微孔隔板。所述电极群组与所述反电极群组W交替的顺序布置，其中所述电 极群组的成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺序W第一方向行 进。所述电极群组的每个成员包括电极活性材料层和电极集电体层，所述电极群组的每个 成员具有底部、顶部、长度Lc、宽度Wc和高度He,长度Lc是从每个该样的电极的底部测量至 顶部，宽度We和高度H C是W互相垂直且与长度L C的测量方向垂直的方向测量，L C对W C和 He中的每一个的比分别为至少5:1，H拥W E的比为0. 4:1和1000:1之间。所述电极群组的 每个成员的电极集电体层具有W与长度Lc相同的方向测量且是长度L C的至少50 %的长度 Lq 〇
[0021] 本发明的另一个方面是一种二次电池，所述二次电池包括至少两个电极结构和非 水电解质，所述电极结构中的每一个包括电极群组、反电极群组和将所述电极群组的成员 与所述反电极群组的成员隔开的微孔隔板。所述电极群组与所述反电极群组W交替的顺序 布置，其中所述电极群组的成员通过所述反电极群组的成员相互隔开，其中所述交替的顺 序W第一方向行进。所述电极群组的每个成员包括电极活性材料层和电极集电体层，所述 电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度Lc、宽度Wc和高度H C，长度Lc是从每个该样的电 极的底部测量至顶部，宽度Wc和高度H C是W互相垂直且与长度L C的测量方向垂直的方向 测量，Le对W E和H E中的每一个的比分别为至少5:1，H E对W E的比为0. 4:1和1000:1之间。 所述电极群组的每个成员的电极集电体层具有W与长度L,相同的方向测量且是长度L,的 至少50 %的长度Lc。
[0022] 在下文中，其他目的和特征将是部分明显的且部分被指出。
【附图说明】
[0023] 图1是一个典型的现有技术的二维储能装置（例如裡离子电池）的电化学叠层的 电池单体的横截面图；
[0024] 图2是被部分剖开W显示内部结构的本发明的电极结构的一个实施方案的透视 图。
[0025] 图3是在含有线3-3的平面中截取的图2的电极结构的局部横截面图；
[0026] 图4是图2的电极结构的子组件的局部透视图。
[0027] 图5是沿线5截取的图4的电极结构的子组件的俯视图。
[002引图6是沿线6截取的图4的电极结构的子组件的俯视图。
[0029] 图7是在含有线7-7的平面中截取的图5的电极结构的子组件的横截面图。
[0030] 图8是在含有线8-8的平面中截取的图6的电极结构的子组件的横截面图。
[0031] 图9是沿线5截取的图4的电极结构的子组件的被部分剖开W显示内部结构的局 部透视图。
[0032] 图10是沿线6截取的图4的电极结构的子组件的被部分剖开W显示内部结构的 局部透视图。
[0033] 图11是本发明的S维二次电池的分解图。
[0034] 图12是被组装的图11的S维二次电池的局部透视图。
[0035] 图13是被组装的图11的S维二次电池的替代实施方案的局部透视图。
[0036] 图14是被组装的图11的S维二次电池的替代实施方案的局部透视图。
[0037] 图15是被组装的图11的S维二次电池的替代实施方案的局部透视图。
[003引图16是在含有线16-16的平面中截取的图5的电极结构的子组件的横截面图。
[0039] 图17是在含有线17-17的平面中截取的图6的电极结构的子组件的横截面图。
[0040] 图18A-E是本发明的电极（正电极或负电极）的替代实施方案的横截面图。
[0041] 在所有附图中，相应的附图标记表示相应的部分。
【具体实施方式】
[0042] 在本发明的各个方面中，可W注意该样的=维结构；在被包含在诸如电池、电容器 和燃料电池单体的储能装置的电化学叠层中时，该=维结构提供特别的优势。例如，该样的 结构可被包含在二次电池中，其中，正电极、负电极和/或隔板本质上是非层压的。有利的 是，该样的非层压的正电极结构和负电极结构的表面面积可W超过支撑电极的基体化ase) 的几何足迹1. 5倍、2倍、2. 5倍或甚至3倍或更多。在一个优选的示例性实施方案中，该样 的结构被包含在二次电池中，其中载流离子（选自例如裡、钢、钟、巧和儀离子）在正电极和 负电极之间移动。
[0043] 一般来说，所述=维结构包括电极结构，所述电极结构包括电极群组、反电极群组 和将所述电极群组的成员与所述反电极群组的成员隔开的微孔隔板。所述电极群组与所述 反电极群组W交替的顺序布置，其中所述电极群组的每个成员基本是在所述反电极群组的 两个成员之间，并且所述反电极群组的每个成员基本是在所述电极群组的两个成员之间， 其中交替的顺序W第一方向行进。例如，除了交替序列中的第一个电极或反电极和最后一 个电极或反电极，在一个实施方式中交替序列中的每个电极是在两个反电极之间，而交替 序列中的每个反电极是在两个电极之间。
[0044] 所述电极群组的每个成员包括电极活性材料层和电极集电体层，所述电极群组的 每个成员具有底部、顶部、长度L,、宽度W,、高度电和周长Pc，长度L,是从每个该样的电极的 底部测量至顶部，宽度Wc和高度H C是W互相垂直且与长度L C的测量方向垂直的方向测量， Le对W E和H E中的每一个的比分别为至少5:1，H E对W E的比为0. 4:1和1000:1之间，并且 对于所述电极群组的每个成员而言，Lc对P E的比为至少1. 25:1。所述电极群组的每个成员 的电极集电体层具有W与长度L湘同的方向测量且是长度L煎至少50%的长度。一 般来说，所述电极群组的成员将典型地具有在约5mm至约500mm的范围内的长度（Le)。在 某些实施方案中，所述电极群组的每个成员具有在约10mm至约250mm的范围内的长度L,。 通过进一步举例的方式，在一个该样的实施方案中，所述电极群组的成员具有约25mm至约 100mm 的长度（Le)。
[0045] 在一个实施方案中，所述反电极群组的每个成员包括反电极活性材料层和反电极 集电体层，并且所述反电极群组的每个成员与所述电极群组的每个成员成相似比例的。也 即是说，所述反电极群组的每个成员具有底部、顶部、长度Lee、宽度Wee、高度Ha和周长P a， 长度La是从每个该样的反电极的底部测量至顶部，宽度W a和高度Hce是W互相垂直且与 长度La的测量方向垂直的方向测量，Lce对Wa和He冲的每一个的比分别为至少5:1，Ha 对Wee的比为0. 4:1和1000:1之间，并且对于所述反电极群组的每个成员而言，L ec对P a的 比为至少1. 25:1。在本实施方案中，所述反电极群组的每个成员的反电极集电体层具有W 与长度湘同的方向测量且是长度La的至少50%的长度LeE_e。一般来说，所述反电极群 组的成员将典型地具有在约5mm至约500mm的范围内的长度（La)。在某些实施方案中，所 述反电极群组的每个成员具有在约10mm至约250mm的范围内的长度La。通过进一步举例 的方式，在一个该样的实施方案中，所述反电极群组的成员具有约25mm至约100mm的长度 (Lce)。
[0046] 所述电极组群可W是负电极群组，而所述反电极群组可W是正电极群组。在本实 施方案中，所述电极群组的每个成员的长度Le、宽度We、高度He和周长P E分别相当于所述负 电极群组的每个成员的长度Lwe、宽度WwE、高度Hwe和周长P WE，并且所述电极群组的每个成员 的集电体的长度1,_。相当于所述负电极群组的每个成员的集电体的长度Lwe。此外，所述反 电极群组的每个成员的长度1?、宽度Wee、高度Hec和周长PeE分别相当于所述正电极群组的 每个成员的长度Lpc、宽度Wpc、高度Hpc和周长P pE，并且所述反电极群组的每个成员的集电体 的长度1^_。相当于所述正电极群组的每个成员的集电体的长度L K。
[0047] 在替代实施方案中，所述电极组群可W是正电极群组，而所述反电极群组可W是 负电极群组。在本实施方案中，所述电极群组的每个成员的长度Lc、宽度Wc、高度电和周长 Pc分别相当于所述正电极群组的每个成员的长度L PC、宽度Wpc、高度Hpc和周长P PE，并且所述 电极群组的每个成员的集电体的长度相当于所述正电极群组的每个成员的集电体的长 度Lpe。此外，所述反电极群组的每个成员的长度Lee、宽度Wee、高度恥和周长P a分别相当 于所述负电极群组的每个成员的长度Lwe、宽度WwE、高度Hwe和周长P WE，并且所述反电极群组 的每个成员的集电体的长度1^_。相当于所述负电极群组的每个成员的集电体的长度L WC。
[0048] 在某些实施方案中，正电极群组和负电极群组将具有近似于长方体的长度、宽度 和高度的长度、宽度和高度尺寸。在该种情况下，宽度We和高度H E是W互相垂直且与长度 Lc的测量方向垂直的方向测量。在其他实施方案中，正电极群组和/或负电极群组可W被 不同地塑形成具有诸如梯形、平行四边形、=角形、菱形或楠圆形的横截面形状。在该种实 施方案中，电极的长度L,是从每个该样的电极的底部测量到顶部，并且每个该样的电极的 宽度Wc和高度HeW互相垂直并与长度L