用于制造较厚电极的多层电池电极设计的制作方法
【专利说明】用于制造较厚电极的多层电池电极设计
[0001] Μ? [0002] 领域
[0003] 本发明的实施例大体涉及大容量蓄能装置及用于制造大容量蓄能装置的方法及 设备。
[0004] 现有技术的描述
[0005] 诸如超级电容器及锂离子（Li-ion)电池的快速充电的大容量蓄能装置的应用 数目不断增长，包括可携式电子装置、医疗、运输、并联大型蓄能、再生蓄能，及不断电电源 (uninterruptible power supply ；UPS)〇
[0006] 同代、次代，及可充电的蓄能装置通常包括阳极电极、阴极电极、定位于阳极电极 与阴极电极之间的隔板，及至少一个集电器。用于正集电器（阴极）的材料的实例通常包 括错（Al)、不锈钢（stainless steel ;SST)，及镍（Ni)。用于负集电器（阳极）的材料的 实例通常包括铜（Cu)，但亦可使用不锈钢（stainless steel ;SST)及镍（Ni)。
[0007] 锂离子电池的活性阴极材料通常选自范围广泛的锂过渡金属氧化物。实例包括尖 晶石结构的氧化物（LiMn 2O4(LMO))、LiNia5Mr^5O4(LMNO)、层式结构（LiCoO 2、锂镍锰钴氧化 物（NMC))、锂镍钴铝氧化物（NCA)、橄榄石结构（例如LiFePO4),及上述各者的组合。
[0008] 活性阳极材料大体基于碳（石墨或硬质碳），粒度约为5-15 μ m。基于硅（Si)及 锡（Sn)的活性材料目前正作为下一代阳极材料而得以开发。所述两者所具有的容量显著 高于基于碳的电极。Li 15Si4的容量为约3580mAh/g，而石墨的容量则小于372mAh/g。基于 Sn的阳极可达到高于900mAh/g的容量，此容量远高于大多数阴极材料能够达到的容量。由 此，在平衡的锂离子单元中，预计阴极将继续重于阳极。
[0009] 目前，活性材料仅占电池单元的总成分重量百分比的不到50%。制造含有更多活 性材料的较厚电极的能力将通过降低非活性元素的所占百分比来显著增加电池能量密度 及降低电池单元的生产成本。然而，电极厚度目前受目前所用材料的利用率及机械性质所 限制。
[0010] 由此，所属技术领域中需要更快充电、更大容量的蓄能装置，所述装置更小、更轻， 及可以较高生产率进行更具成本效益的制造。
【发明内容】
[0011] 本发明的实施例大体涉及大容量蓄能装置及制造大容量蓄能装置的方法及设备。 在一个实施例中，提供用于形成多层阴极结构的方法。所述方法包含以下步骤：提供导电基 板；沉积包含阴极活性材料的第一浆料混合物以在导电基板之上形成第一阴极材料层；沉 积包含阴极活性材料的第二浆料混合物以在第一阴极材料层之上形成第二阴极材料层，及 压缩刚沉积的第一阴极材料层及第二阴极材料层以达到所需的孔隙率。
[0012] 附图简单说明
[0013] 为使本发明的上述特征可被详细理解，可通过参考实施例对上文简要概括的本发 明进行更为具体的描述，所述实施例中的一些实施例在附图中进行图示。然而，应注意，附 图仅图示本发明的典型实施例，及因此将不被视作限制本发明的范围，因为本发明可认可 其它同等有效的实施例。
[0014] 图IA为具有双侧电极的部分电池单元的示意图，所述双侧电极具有根据本文中 所述的实施例形成的一或多个电极结构；
[0015] 图IB为具有单侧电极的部分电池单元的示意图，所述单侧电极具有根据本文中 所述的实施例形成的一或多个电极结构；
[0016] 图2A-2C为根据本文中所述的实施例形成的部分多层阴极电极结构的一个实施 例的横剖面示意图；
[0017] 图3为工艺流程图，所述图概述根据本文中所述的实施例用于形成多层阴极电极 结构的方法的一个实施例；
[0018] 图4A-4D为根据本文中所述的实施例形成的部分多层阴极电极结构的一个实施 例的横剖面示意图；
[0019] 图5为工艺流程图，所述图概述根据本文中所述的实施例用于形成部分多层阴极 电极结构的方法的一个实施例；
[0020] 图6A-6F为根据本文中所述的实施例形成的部分多层阴极电极结构的一个实施 例的横剖面示意图；及
[0021] 图7为工艺流程图，所述图概述根据本文中所述的实施例用于形成多层阴极电极 结构的方法的一个实施例。
[0022] 为促进理解，已在可能的情况下使用相同元件符号以指示所述图中共享的相同元 件。设想一个实施例中公开的元件可有益地用于其它实施方式而无需赘述。
[0023] 具体描述
[0024] 本发明的实施例大体涉及大容量蓄能装置及用于制造大容量蓄能装置的方法及 设备。用于高能量密度电池的一个典型阴极材料为1^(附鄭^〇> 2阶￥+2=1)，例如锂镍 锰钴氧化物或"NMC"。阳极材料通常基于石墨。NMC及石墨电极都为多孔状，典型孔隙率范 围在25%至35%之间。可用电解质填充多孔状空间。示例性电解质可含有溶剂及锂盐， 诸如具有 LiPF6 盐的碳酸乙酯（ethyl carbonate ;EC)/碳酸二乙酯（diethyl carbonate; DEC)溶剂。在放电过程期间，锂离子自锂化石墨颗粒中向外扩散。然后，锂离子扩散穿过石 墨颗粒之间填充电解质的多孔状空间及穿过隔板以到达阴极。然后，锂离子扩散穿过阴极 颗粒之间的电解质及最终插入阴极颗粒。
[0025] 为增大电池单元能量密度，非常需要将更多材料"压实"至每一电池单元内以增大 电极负载（mAh/cm 2)。用于增大电极负载的一种方法是增加每一单位电极面积中的活性材 料用量，亦即制造较厚电极及/或增大电极材料的密度。然而，用于生产较厚电极的目前生 产工艺不仅繁复，而且所生产的电极遭受缺少黏附性、缺少内聚性，及循环疲劳的缺点。
[0026] 在本文所述的某些实施例中，提供用于能实现较厚电极的制造的多层电池电极设 计。在某些实施例中，并非仅提供较厚/较密集电极，而是亦提供用于在缩短生产时间的情 况下生产较厚电极的工艺。在某些实施例中，多层电极中的每一层具有不同性质（例如孔 隙率、表面积、电极组成），或多层电极中每一层具有不同的活性材料化学性质。例如，多层 电极的层在以下各个方面中的至少一个方面可相对于其它层有所不同：用以形成每一层的 浆料组合物、每一层的孔隙率、用以形成每一层的活性材料、活性材料颗粒的粒度、每一层 中颗粒的模态粒度分布，及活性材料的振实密度。
[0027] -般认为，本文中所述的这些多层电池电极设计与具有均匀性质的单层电极相比 将导致⑴更高功率；（ii)更长的循环。
[0028] 尽管在一些实施例中作为两层结构进行论述，但应理解，包含不同材料、粒度，及/ 或密度的任何数目的层可用以形成本文中所述的多孔状阴极结构。在形成双侧电极的某些 实施例中，可使用双侧沉积工艺将每一多孔状层同时沉积在基板的相对侧上。
[0029] 本文中所述的多层电极设计包括以下电极结构：（i)两个或更多个电极层，所述 电极层中的每一层中包括不同浆料组成，从而导致层间有不同孔隙率；（ii)两个或更多个 电极层，所述电极层中的每一层中包括不同活性材料；（iii)两个或更多个电极层，所述电 极层中的每一层中包括相同活性材料的不同粒度，从而导致层间有不同表面积及/或不同 孔隙率；（iv)两个或更多个电极层，所述电极层包括层间不同粒度分布（例如单模态、双模 态、多模态）；(v)两个或更多个电极层，所述电极层中的每一层中包括不同电极组成（黏合 剂、导电性添加剂、活性材料）；(vi)两个或更多个电极层，所述电极层具有振实密度不同 的材料；及⑴至（vi)中任何的组合。不同工艺技术亦可用以形成⑴至（vi)中所列举 的层。
[0030] 图IA为具有双侧电极的部分电池单元100的示意图，所述双侧电极具有根据本文 中所述的实施例形成的一或多个电极结构（阳极l〇2a、102b及/或阴极103a、103b)。部分 电池单元双层100可为锂离子电池单元双层。阴极结构103 (103a及103b)可为本文中所 述的多层电极结构中的任一个。图IB为部分电池单元120的示意图，所述部分电池单元具 有根据本文中所述的实施例形成的一或多个电极结构。部分电池单元双层120可为锂离子 电池单元双层。根据本文中所述的一个实施例，电池单元100、120电连接至负载101。电池 单元双层100的主要功能部件包括阳极结构102a、102b、阴极结构103a、103b、隔板层104a、 104b及115,集电器111及113,及安置在隔板层104a与隔板层104b之间的区域内的可选 电解质（未图示）。电池单元120的主要功能部件包括阳极结构102b、阴极结构103b、隔 板115、集电器111及113,及安置在集电器111与集电器113之间的区域内的可选电解质 (未图示）。多种材料可用作电解质，例如，有机溶剂中的锂盐。可将电池单元100、120密 封在适合的封装中，所述封装具有用于集电器111及113的导线。
[0031] 可将阳极结构102a、102b、阴极结构103a、103b，及隔板层104a、104b及115浸没 在隔板层l〇4a与隔板层104b之间形成的区域中的电解质中。应理解，图显示部分示例性 结构，及在某些实施例中，可将额外的阳极结构、阴极结构及集电器添加至结构。
[0032] 阳极结构102b可包括金属阳极集电器111及根据本文中所述的实施例形成的活 性材料。阳极结构可为多孔状。其它示例性活性材料包括石墨碳、锂、锡、硅、铝、锑、锡硼钴 氧化物，及锂钴氮化物（例如Li 3 2xC〇xN(0.1 = X = 0. 44))。同样，阴极结构103b可分别包 括阴极集电器113及根据本文中所述的实施例形成的第二活性材料。集电器111及113由 诸如金属的导电材料制成。在一个实施例中，阳极集电器111包含铜，且阴极集电器113包 含铝。隔板115用以防止阳极结构102b与阴极结构103b中的部件之间的直接电接触。隔 板115可为多孔状。
[0033] 位于电池单元100、120的阴极侧或正电极上的活性材料可包含含锂金属氧化 物，例如二氧化锂钴（LiCoO 2)或二氧化锂锰（LiMnO2)、LiCo02、LiNi02、LiNi xCoyO2(例 如 LiNiasCoa2O2)、LiNixCo yAlz02(例如 LiNiasCoai5Ala05O2)、LiMn 2O4' LixMgyMnzO4(例如 LiMga5Mnh5O4)、LiNixMn yO2 (例如 LiNia5Mnh5O4)、LiNixMn yCozO2 (例如 LiNiM