包含折叠的电极的电化学电池、其组件、包含所述电化学电池的电池组及其制备方法
【专利说明】包含折叠的电极的电化学电池、其组件、包含所述电化学电池的电池组及其制备方法
[0001 ]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求了2013年3月14日提交的美国专利申请第13/831,266号的优先权，该申请所公开的内容以不与本发明公开的内容相冲突的程度纳入。
技术领域
[0003]本发明一般涉及电化学电池和包含该电池的电池组。更具体的，本发明涉及:含有一个或多个折叠的电极的电化学电池、电化学电池组件、包含所述电化学电池的电池组、以及形成所述电化学电池、组件和电池组的方法。
【背景技术】
[0004]通常，电池组包括一个或多个电化学电池来储存电能。每个电化学电池包括阳极(电池放电过程中带负电荷的电极)、阴极(电池放电过程中带正电荷的电极)、阳极和阴极之间的电解质，通常电化学电池还包括在阳极和阴极之间的隔膜等，以保持阳极和阴极不会相互接触。
[0005]电化学电池能储存的电荷量与电化学系统有关，所述电化学系统是反应材料和非反应材料、可用于电化学反应的一定量的电极材料和/或电解质材料的组合。通常，可用的电极和/或电解质材料的量越大，电荷容量越大。此外，较大的电极表面积降低了电池的内部电阻，且可改善扩散过程，扩散过程的改善可在相对大的电流下对电池放电和充电并改善电池的其它充放电性质。提供带有额外电极表面的电化学电池并由此改善了电池性能的技术包括:将电池的层卷绕成圆柱形或扁平形以形成卷绕电池，并将电池的多个层一层一层叠加到另一层的上面以形成层叠电池。
[0006]卷绕的电化学电池通常通过以下步骤形成:将阳极层、隔膜层和阴极层相互相邻分层放置，例如由各层的连续卷分层放置，随后将这些层卷绕以形成圆柱形结构。圆柱形结构可以展平，形成扁平的紧实结构(pack structure)，该结构可以更好地符合使用包含所述电池的电池组的器件的构造设计。由于卷绕电池可以通过材料的连续卷制得，因此制造卷绕电化学电池是相对便宜的制备具有相对高电荷容量和其它所需性质的电化学电池的方法。不过，卷绕电化学电池和包含该电池的电池组可能会经历在电池的充放电过程中由电池部分的体积改变所引起的压力和力的不均匀分布；当将卷绕电池压制成扁平紧实结构时尤其如此。压力的这种改变可能会降低电池组的性能，电池组的安全性，和/或电池组的寿命ο
[0007]通过以垂直层叠的方式放置多个结构形成层叠的电池，每个结构包括阳极层、隔膜层和阴极层。与卷绕电池相比，层叠的电池制造相对较贵，因为预切割的或形成的阳极层、隔膜层和阴极层的片材必须分别形成，随后再一层一层叠加到另一层上，这需要耗时的层与层之间的精确操作和对齐。此外，精确放置每层所需的设备也是相对昂贵的。不过，采用此技术制备的电池和电池组在电池的充放电过程中任何电池体积改变所引起的力分布相对均匀。因此，与采用卷绕电池技术制备的相似电池相比，这样的电池可具有增强的性能、寿命和安全性。
[0008]另一种用于制备电化学电池的技术包括:采用z形折叠或手风琴状折叠电化学电池的一层或多层。采用z形折叠的技术与卷绕的电池层相比是有益的，因为折叠技术可在电池内允许更均匀的压力和力分布;不过，折叠电池层所需的设备和时间通常比卷绕电池层更大更长。折叠技术可优于层叠方法，因为至少电池的一些层可通过连续或半连续的片材得到，而层叠电池的所有层都是预切割的；不过，包括折叠层的电池中的压力分布可能没有层叠电池中的均匀。
[0009]2012年8月16日公布的，Schaefer等人的美国专利公开第2012/0208066A1号，公开了一种用于制备电化学电池的电极叠层的z形折叠技术。所公开的方法包括z形折叠的隔膜材料的连续层，以及插入在Z形折叠隔膜材料层之间的阴极板和阳极板。虽然在Schaefer等的专利中所公开的电化学电池相对于单纯层叠的电化学电池而言具有一些优势，但Schaefer等的电池仍然需要对电池的阳极和阴极板进行精确的成形和对齐。
[0010]2009年6月25日公开的，LG化学有限公司(LG CHEM.，LTD)的PCT公开第W0 2009/078632 A2号，公开了一种包括多个重叠的电化学电池的电池组，其中每个电池包括阴极、阳极和隔膜，在重叠的电化学电池之间放置有连续的隔膜片。虽然所公开的电池具有被隔膜材料的连续片包围的优势，但所述电池仍然需要对在隔膜材料的连续片顶部的阴极板、隔膜板和阳极板精确成形和对齐。
[0011]1997年1月17日公开的，Kazuhiro所著的日本专利公开第09017441 A号，公开了一种具有z形折叠的阳极层和z形折叠的阴极层的方形电池，其中用隔膜材料的连续涂层直接涂覆阴极层。所述电池还包括垂直和水平延伸的集流体(current collector)以防止极性片位移。据称所述集流体具有不需要电极上凸出部的优势。不过，Kazuhiro所公开的集流体显著增加了电池的重量和体积。此外，在Kazuhiro公开的电池中显然没有包括相对于正电极的负电极的任何叠放，这样可使电池相对不安全。
[0012]虽然已经开发了用于电化学电池中多层的z形折叠或手风琴状折叠技术，该技术仍然包括额外的步骤，对齐多个板，相对困难的制造步骤(，和/或额外增加电池的体积和重量。因此，需要改善的电化学电池、其组件、包含所述改善的电化学电池的电池组以及形成所述电池、组件和电池组的方法。
【发明内容】
[0013]本发明公开的内容一般涉及电化学电池、其组件、包含所述电池的电池组，以及形成所述电池和电池组的方法。更具体的，公开的多个实施方式涉及电化学电池，所述电化学电池包含第一电极(例如阳极或阴极)、第二电极(例如阴极或阳极)和在第一电极和第二电极之间的隔膜，其中两个或多个所述第一电极、隔膜和第二电极形成集成的结构层，所述集成的结构层和任选的其它电极层包括z形折叠或手风琴状折叠;并涉及上述电化学电池的组件;涉及包含所述电池的电池组；以及涉及制备所述组件、电池和电池组的方法。集成的折叠层的使用使得电池的制造相对简单且便宜，电池的制造采用的原料以例如连续或半连续的卷、带或网的形式存在并支持互连的或连接的生产工艺。
[0014]例如，根据多个实施方式的示例性的电池包括以第一方向折叠的z形折叠的电极(阳极或阴极)/隔膜结构层，和板状的或以第二方向Z形折叠的第二电极层，所述第二方向与第一方向正交。或者，示例性的电化学电池可包括折叠的集成的第一电极/隔膜/第二电极结构层。如下文更详细的表述，本发明公开的电化学电池和电池组相对于现有技术具有优势，包括相对简单和低成本的制造、高的能量密度和安全性。
[0015]根据公开的各个实施方式，集成的电极/隔膜结构层包含隔膜层、覆盖所述隔膜层的一层或多层保护层、以及覆盖所述一层或多层保护层的电极活性材料，其中所述隔膜层、一层或多层保护层和电极活性材料形成了集成的结构。可将所述集成的电极/隔膜结构层折叠以形成在电化学电池中的层。根据这些实施方式的各方面，集成的电极/隔膜结构层包括插入在一层或多层保护层和隔膜层之间的凝胶层。根据其它方面，所述集成的电极/隔膜结构层包括覆盖所述电极活性材料的集流体层。根据这些实施方式的其它方面，所述电极活性材料包括活性阳极材料。
[0016]根据公开内容的其它实施方式，一种形成集成的电极/隔膜层的方法包括以下步骤:提供隔膜层，任选地在所述隔膜层上形成凝胶层，在所述隔膜层上面形成一层或多层保护层，并在一层或多层保护层上沉积电极活性材料。所述凝胶层可通过例如辊到辊的施涂、缝模涂布(slit coating)和刮涂或其它施涂和沉积方法形成。所述凝胶施涂可湿的或干燥地进行。在后一种情况下，所述施涂可用电解质溶胀以形成凝胶。根据这些实施方式的各方面，所述方法还包括将集流体材料沉积在电极活性材料上的步骤。所述方法可还包括电极结构的图案化。根据这些实施方式的其它方面，形成一层或多层保护层的步骤包括形成一层或多层单离子导电层和形成一层或多层聚合物层的子步骤。可用任何合适的薄膜技术沉积各层，例如真空沉积或湿涂技术。
[0017]根据本发明的其它示例性的实施方式，一种电化学电池包括集成的电