电极结构及其制造方法
【技术领域】
[0001] 通常地描述了电极结构及其制造方法。在特定实施例中，电极结构可W包括包含 相对它们的凸壳的凹陷（indentation)的多个颗粒。
【背景技术】
[0002] 电化学电池通过在不同的电化学电势处分开离子源与离子槽存储能量。典型的电 化学电池具有阴极和阳极，其参与电化学反应W产生电力。通过与阳极和阴极连通的电解 质传输离子。在许多电化学电池中，在一个或两个电极内维持足够水平的空隙体积是重要 的，为了确保电解质可W在电极内访问电极活性材料。
【发明内容】
[0003] 通常地描述了电极结构及其制造方法。在特定实施例中，所述电极结构可W包括 包含相对它们的凸壳的凹陷的多个颗粒。本发明的主题设及，在一些情况下，相关的制品、 特定问题的备选解决方案，和/或一个或多个系统和/或物品的多个不同使用。
[0004] 在一方面中，描述了在电化学电池中使用的电极。在特定实施例中，所述电极包 含限定多孔支撑结构的颗粒的组装，其中在所述颗粒的组装中的每个颗粒具有几何颗粒体 积，所述颗粒的组装具有通过每个所述单个几何颗粒体积的总和限定的总几何颗粒体积， 在所述颗粒的组装中的每个颗粒具有限定凸壳体积的凸壳，并且至少大约50%的所述总几 何颗粒体积是由具有至少一个凹陷的颗粒构成，W使得对于每个运样的颗粒，所述几何颗 粒体积小于大约75 %的所述颗粒的所述凸壳体积。在特定实施例中，电极活性材料基本上 被包含在所述多孔支撑结构的孔之内。 阳0化]也提供包括此处描述的所述电极的电化学电池。
[0006] 同样提供用于制造此处描述的所述电极和电化学电池的发明的方法。
[0007] 当结合附图考虑时，从本发明的各种非限制性实施例的下文具体说明书中，本发 明的其它优势和新颖性特征将变得显而易见。如果在运种情况下，本说明书和通过引用并 入的文档包括冲突和/或不一致的公开内容，本说明书应控制。
【附图说明】
[0008] 通过实例参考附图的方式将描述本发明的非限制性实施例，附图为示意性的并且 不旨在按比例绘制。在图中，通过单个标号典型地表示示出的每个相同或几乎相同的部 件。为了清楚起见，不是每个部件被标记在每个图中，也不是本发明的每个实施例的每个部 件被示出，其中示出对于本领域中的那些普通技术人员来理解本发明并不是必要的。在图 中：
[0009] 图1A-1B为根据特定实施例的颗粒和颗粒的凸壳的示意性透视图，其可W被用 于，例如，W形成多孔支撑结构；
[0010] 图2A-2B为根据特定实施例的颗粒和颗粒的凸壳的示意性透视图，其可W被用 于，例如，W形成多孔支撑结构； W11] 图2C-2D为可W被在电极内使用的颗粒的示例性截面示意图；
[0012] 图3为根据一些实施例形成多孔支撑结构的颗粒的组装的示意性截面图。
[0013] 图4A-4B为示例性颗粒的示意性截面图；
[0014] 图5为根据一些实施例的概括用于制造适于在多孔支撑结构内使用的颗粒的流 程的示意图；W及
[0015] 图6为根据特定实施例的电化学电池的示例性截面示意图。
【具体实施方式】
[0016] 通常地描述了电极结构及其制造方法。在特定实施例中，电极结构可W包括多个 颗粒，其中颗粒包含相对它们的凸壳的凹陷。随着将颗粒移动几乎彼此靠近或接触，颗粒的 凹陷可W限定在颗粒之间的孔。此外，当将包括相对它们的凸壳的凹陷的颗粒相对彼此移 动时，凹陷的存在可W确保在颗粒之间未导致完全的接触（即，在颗粒之间保留一些空间） 并且在组装体化Ulk)内维持空隙体积。因此，将包括具有相对它们的凸壳的凹陷的颗粒的 电极可W配置W经受力到电极的施加，同时基本上维持电极空隙体积（并且，因此，性能）。 相比于球体或包括基本上填充所有的它们的凸壳的边界的其它颗粒，具有相对它们的凸壳 的凹陷的颗粒也占相对小的体积，允许引入期望的数量的孔隙体积，同时降低在通过颗粒 材料占的电极内的体积的百分比。
[0017] 此处物品（例如，颗粒）的"凸壳"用W描述限定最小理论体积的表面，其中从在 物品中或在物品上的任何第一点延伸到在物品中或在物品上的任何第二点的任何线段的 整体落入理论体积，即"凸壳体积"。物品的凸壳体积可W被认为是相似于在材料的灵活页 中通过拉紧包装物品限定的体积。在任何时间形成相对凸壳的凹陷，几何颗粒体积占小于 凸壳体积的体积；在运样的情况下，凹陷对应于通过凸壳占的而没有通过几何颗粒体积占 的体积。如在下文更详细的描述，颗粒包含相对其凸壳的凹陷的程度可W被通过几何颗粒 体积除W颗粒的凸壳体积而量化。使用该方法计算的相对小的百分比的颗粒据说比使用该 方法计算的相对大的百分比的颗粒有更多的缩进。
[001引图1A-1B为示出立维六角星（例如，插孔的形状）的凸壳的示例性示意图。在 图IA中示出六角星。在图IB中示出的六角星的凸壳对应于八面双锥体（8-sideddouble pyramid)。图2A-2B为示出中空半球体的凸壳的示例性示意图。在图2A中示出中空半球 体，而在图2B中示出凸壳（固体半球）。给出本公开内容，在本领域中的普通技术人员能够 确定任何给定形状的凸壳的尺寸和形状。
[0019] 如此处所使用，物品（例如，颗粒、电极等）的"外部几何表面"设及通常顺应 (con化rm)物品的最外层边界的表面，但不顺应孔或其它凹陷的表面，其具有小于物品的 最大横截面尺寸的10%的最大外部表面横截面尺寸。在许多实施例中，物品的外部几何表 面为通过宏观测量工具（例如，尺子）测量的，并且不包括内部表面区域（例如，在诸如多 孔支撑结构的多孔材料的孔内的区域）。在图IA中示出在图1A-1B中的颗粒100的外部几 何表面。如果在图IA中的颗粒100为多孔，并且颗粒的所有的孔具有小于颗粒100的最大 横截面尺寸（如在图IA中示出的尺寸111)的10 %的横截面尺寸，然后，颗粒100的外部几 何表面将仍然对应于在图IA中示出的表面。
[0020] 颗粒的"几何颗粒体积"被使用W指的是通过颗粒的外部几何表面限制的体积。多 个颗粒的"总几何颗粒体积"指的是颗粒的各几何颗粒体积的总和。
[0021] 电极的"几何电极体积"被使用W指的是通过电极的外部几何表面定界的体积。多 孔支撑结构的"几何多孔支撑结构体积"被使用W指的是通过多孔支撑结构的外部几何表 面限制的体积。
[00巧物品（例如，颗粒、电极等）的"最大横截面尺寸"指的是在可被测量的物品的两 个相反边界之间的最大距离。在本领域中的普通技术人员将能够测量物品（例如，电极、颗 粒等）的最大横截面尺寸，例如，通过人工测量，通过分析物品的扫描电子显微照片（SEM)， 或者通过对于在本领域中的那些普通技术人员已知的其它适合的方法。
[0023] 在颗粒中的孔或其它凹陷的"最大外部表面横截面尺寸"为在沿颗粒的几何表面 测量的孔或其它特征的两点之间的最大尺寸。例如，对于10-微米直径圆柱形孔，其延伸通 过1毫米球形颗粒（导致1毫米长度的孔）的中屯、，孔的最大表面横截面尺寸将为10微米。
[0024] 设及多孔支撑结构的形成的特定实施例包含多个孔。如此处所使用，"孔"指的 是如使用ASTM标准测试D4284-07测量的孔，并且通常指的是管道、空隙或通道，至少其部 分被通过介质围绕，在其中形成孔。通常，在材料内的被通过材料完全地围绕（因此，不能 从外部访问物质，例如，封闭的电池）的空隙，不被认为在本发明的上下文内的孔。应当理 解，在物品包含颗粒的团聚的情况下，孔包括颗粒间的孔（即，当它们被堆积在一起时，那 些孔被在颗粒之间限定，例如空隙）和颗粒内的孔（即，那些孔位于在各颗粒的外部几何表 面）。孔包含任何适合的横截面形状，该任何适合的横截面形状包括不规则形状和规则形状 (例如，基本上圆形形状、基本上楠圆形状、基本上多边形形状等等）。
[0025] 如此处所使用，在多孔支撑结构内的"空隙体积"指的是在多孔支撑结构内的部 分，该部分没有被电极活性材料、多孔支撑结构颗粒、结合剂或提供结构支撑的其它材料所 占。在多孔支撑结构内的空隙体积通常包括在颗粒中的孔的体积，从其中形成支撑结构W 及在颗粒之间的间隙。在本领域中的普通技术人员能够通过进行，例如，根据ASTM标准测 试D4284-07的压隶法确定在多孔支撑结构内的空隙体积，其通过引用整个内容并入到此 处用于所有目的。
[0026] 如此处所使用，物品（例如，多孔支撑结构、电极等）的"总孔隙度百分比"指的是 由空隙体积占的物品的几何体积的百分比。例如，多孔支撑结构的总孔隙度百分比将通过 多孔支撑结构的空隙体积除W几何多孔支撑结构体积而确定。 阳027] 在特定实施例中，用于形成电极的颗粒可W包含多个价点（valencepoint)和 /或臂（arm)。如此处所使用，"价点"为在颗粒的外部几何表面上的任何运样的位置，在 任何方向上远离该位置并且沿颗粒的外部几何表面的移动导致更靠近颗粒质量中屯、的移 动。例如，从颗粒的中屯、体延伸的臂的尖端为价点的一个实例。此处通常使用的术语"价性 (valency)"指的是在结构中的价点的数量。例如，具有3价性的颗粒将具有3价点。
[0028] 在特定实施例中，此处描述的颗粒可W包含多个超价点（supervalencepoint)。 术语"超价点"被用于描述限定凸壳的边界的任何价点。下文示出超价点的实例。通 常，所有超价点为价点，但并不是所有价点为超价点。此处通常使用的术语"超价性 (supervalency)"指的是在结构中的超价点的数量。例如，具有3超价性的颗粒将具有3超 价点。
[0029] Scordilis-Kelley等人于2009年8月4日提交的美国专利公开号 2010/0035128,标题"ApplicationofForceinElectrChemicalCells"描述在用于改 善电极化学、形态和/或其它特性的电化学电池中力的应用，其可W改善性能。例如，一些 电化学电池经受设及在电极的表面上的金属的剥离和沉积的充电/放电循环（例如，在裡 阳极的表面上的裡金属的剥离与沉积）。在一些情况下，伴随剥离与沉积可W伴随有在电极 表面上的金属与其它电池成分（诸如电解质成分）的寄生反应。由于电化学电池经受反复 的充电/放电循环，电极的一个或多个表面变得不均匀，运经常由于在电解质中溶解的离 子的不均匀再沉积。电极的一个或多个表面的粗糖可W导致渐增地欠佳的电池性能。抗电 极活性材料的不均匀再沉积的不利影响的一种方式为施加各向异性力到受影响的电极。然 而，施加各向异性力到一个电极可W减少其它电极的孔尺寸和/或空隙体积。在许多电化 学电池中，例如，通过限制电解质被传输到在电极内的电极活性材料的程度，减少电极的孔 尺寸和/或空隙体积可W降低电池性能。
[0030] 因此，应当认识到，在电极（例如，在力被施加W改善阳极的形态的特定情况下的 阴极）内并入具有相对它们的凸壳的凹陷的颗粒可W允许力到电化学电池的应用，而没有 牺牲电极的结构完整性（包括孔隙度和空隙体积）。在此处描述的电极中使用的颗粒材料， 在特定实施例中，可W经受电化学电池的反复充电与放电，在其中该颗粒材料被定位，不管 电极材料的溶解和再锻敷，而没有牺牲电极孔隙度和空隙体积。因此，在特定实施例中，提 供用于在电化学电池中使用的电极，该电极包括限定多孔支撑结构的颗粒的组装，其中在 颗粒的组装中的每个颗粒具有几何颗粒体积，颗粒的组装具有通过每个单个几何颗粒体积 的总和限定的总几何颗粒体积，在颗粒的组装中的每个颗粒具有限定凸壳体积的凸壳，并 且至少大约50%的总几何颗粒体积是由