电极和电池的制作方法

电极和电池的制作方法
【专利摘要】一种用于锂离子电池的电极通常包括活性层和集电器。所述活性层包括多个复合电极颗粒，所述复合电极颗粒为非空心的并包含活性材料和粘合剂材料。所述活性层设置在所述集电器的第一侧部上。所述活性层具有大于约40％的整体孔隙率。所述整体孔隙率包括颗粒内部孔隙率和颗粒间孔隙率。用适于使用锂离子电池的化学配置所述电极。
【专利说明】电极和电池
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求2012年I月17日提交的美国临时专利申请61/587545的优先权和利益，其全部公开内容在此以参见的方式引入。

【背景技术】
[0003]在传统的锂离子电池中(例如:那些用固体活性材料涂布或分层在片状集电器上的)，电极通常受限于100-200微米的最大的活性材料厚度。以电解质相中的离子传导为代价，这种常规的电极设计促进了高电子电导率和高能量密度。然而，在大于100-200微米的厚度时，可能存在活性材料的值得注意的未使用容量、不均匀的充电和放电、较低的持续充电和放电速率和/或较低的效率。在传统电池中对电极厚度起作用的限制因素是复合电极的孔隙内的低离子迁移率。此外，传统的电极促成成品电池单体(battery cell)的成本，这既由于用于增加具有薄电极的电池容量的集电器箔和隔离膜的量所产生的高额费用，以及与针对薄的活性材料涂层的严格的制造公差有关的制造开支所产生的高额费用。
[0004]附图的简要i兑明
[0005]图1是根据一个示例性实施方案的电池的透视图。
[0006]图2A是根据一个示例性实施方案的局部电极堆栈的透视图。
[0007]图2B是根据一个示例性实施方案的电极堆栈的透视图。
[0008]图3A是根据一个示例性实施方案的平板电极的透视图。
[0009]图3B是根据图3A中所示的实施方案的平板电极的活性层的一部分的示意图。
[0010]图3C是根据图3B中所示的实施方案的活性层的电极颗粒的示意图。
[0011]图3D是根据图3C中所示的实施方案的电极颗粒的一部分的示意图。
[0012]图4是根据一个示例性实施方案的电极框的透视图。
[0013]图5是根据另一示例性实施方案的电池的透视图。
[0014]图6A是根据一个示例性实施方案的电极堆栈的透视示意图。
[0015]图6B是根据图6A中所示的实施方案的电极堆栈的分解示意图。
[0016]图7A是根据一个示例性实施方案的电极的示意性透视图。
[0017]图7B是根据图7A中所示的实施方案的电极的活性层的一部分的示意图。
[0018]图7C是根据图7B中所示的实施方案的活性层的电极颗粒的示意图。
[0019]图7D是根据图7C中所示的实施方案的电极颗粒的一部分的示意图。
[0020]图8是根据一个示例性实施方案列出电极的不同制造变量的表。
[0021]图9是根据一个示例性实施方案针对电池在不同C速率的放电电压的曲线图。
[0022]图10是针对具有常规形成的厚电极的电池在不同C速率的放电电压的曲线图。
[0023]图11是根据第一示例性实施方案、第二示例性实施方案与第一比较例，针对电极的压萊法(mercury intrus1n porosimetry)数据的曲线图。
[0024]图12是根据第一示例性实施方案、第二示例性实施方案与第一比较例，针对电池在恒电流密度的放电电压的曲线图。
[0025]图13是根据第一示例性实施方案、第二示例性实施方案与第一比较例，针对电池在恒定放电速率下的放电电压的曲线图。
[0026]图14是根据具有不同厚度的电极的示例性实施方案，针对电池在恒定放电速率下的放电电压的曲线图。
[0027]图15是根据一个示例性实施方案的电池单体的示意性透视图。
[0028]图16是四个相互连接的根据图15的电池单体的示意性透视图。
[0029]发明概沭
[0030]根据一个示例性实施方案，一种用于锂离子电池的电极通常包括活性层和集电器。所述活性层包括多个复合电极颗粒，所述复合电极颗粒为非空心的并包含活性材料和粘合剂材料。所述活性层设置在集电器的第一侧部上。所述活性层具有大于约40%的整体孔隙率。所述整体孔隙率包括颗粒内部孔隙率和颗粒间孔隙率。用适于使用锂离子电池的化学配制所述电极。
[0031]发明详沭
[0032]本公开内容涉及用于电池的电极的构造和性能，以及含有这种电极的电池。更具体地，本文描述的电极被配置成，与传统电极相比，在相对较高的厚度提供改善的性能。
[0033]如下文进一步详细描述的那样，根据一个示例性实施方案，一种锂离子电池包括一个或多个具有相对厚的、高度多孔性的电化学活性层的平板电极。例如，一个或多个正极和/或负极包括多个通常设置在金属-聚合物复合网格或框架(metal polymercomposite grid or frame)中的复合电极颗粒,它们一起形成刚性的平板电极(rigid plateelectrode) 0所述复合电极颗粒通常包括电化学活性材料、粘合剂和导电剂。根据其他示例性实施方案，电极不包括金属-聚合物复合网格，但是以其他方式形成。
[0034]本发明的发明人已经发现由在金属聚合物复合网格内部预制复合电极颗粒形成的刚性的平板电极可以处理与开发高的面积比容量(area specific capacity)相关的挑战，并可用于生产厚的电极，该电极表现出优异的充电和放电特性，提供了优异的循环性能，并且相对易于制造。
[0035]例如，使用复合电极颗粒为加强控制电极的活性层的孔隙率做准备，将孔隙率规定为在每个复合电极颗粒内发现的材料颗粒之间的第一水平(即:每个颗粒内部的孔隙率，或微观孔隙率或颗粒内部孔隙率)以及球形颗粒之间的第二水平(即:颗粒之间形成的孔隙率，或宏观孔隙率或颗粒间孔隙率)这两者。通过调整平均粒度和粒度分布，可以实现在活性层内对网状孔隙率和整体的电极孔隙率的高度控制。对孔隙率更大的控制能增加电解质相在活性层中的比例(相比于传统电极)，这可能是一种在相对厚的电极中增加离子迁移率以提供改进的电极充电/放电特性的方法。
[0036]如下文进一步详细描述的那样，根据一个示例性实施方案，所述复合电极颗粒是通过转子造粒工艺形成，该工艺将电化学活性材料、粘合剂材料和/或导电剂混合成所述复合电极颗粒。所述颗粒与导电粘合性混合物捏合或混合成电极糊，所述导电粘合性混合物通常包括溶剂、另外的粘合剂材料以及导电剂材料。然后将电极糊挤入或压入金属-聚合物复合网格框架中并干燥或固化以形成完成的刚性平板电极。
[0037]参照图1-图3D，根据一个示例性实施方案，电池100通常包括壳体120、延伸穿过壳体120的端子124以及一个或多个沿电解质(未示出)设置在壳体120内的电极对(例如:每对包括一个正极150和一个负极160)。如下文所讨论，每个电极可以根据各种特性配置，包括，例如化学、组成、孔隙率、形状和厚度。
[0038]如图3A-图3D中所示，根据一个示例性实施方案，每个电极150、160包括多个复合电极颗粒170，每个复合电极颗粒均由活性电极材料173、添加的导电材料174和粘合剂材料175形成。例如，如图3D中示意性示出的那样，复合电极颗粒170包括由圆圈173代表的锂-活性化合物，和填料材料如由圆圈174代表的导电剂，以及由线175代表的聚合物粘合剂材料。所述电极具有由附图标记171指示的微观孔隙率或颗粒内部孔隙率和由附图标记151指示的宏观孔隙率或颗粒间孔隙率两者。颗粒170结合以形成具有所需形状、微观结构、尺寸、厚度、孔隙率和电导率的多孔电极。根据其他示例性实施方案，如图7C-图7D中所示，整体颗粒270尺寸可以通过可选地加入惰性种子颗粒(seed particles) 276进行调整。应注意的是，附图标记170是用来泛指复合电极颗粒，不论这样的颗粒是否用于正极150或负极160，尽管根据电极，显然可以采用不同材料(例如:活性材料173)。
[0039]如在下文进一步详细讨论的，本文所公开的电池100包括被配置为既包含穿过固体复合电极的孔隙的离子扩散原理又包含穿过具有低固体含量的相互连接的电解质相的离子扩散原理的电极。由于在两种不同的长度尺度上存在孔隙率，这些扩散机制发生在电极的不同区域。孔隙率的第一水平，这将在本文中称为微观孔隙率或颗粒内部孔隙171，支持穿过与电解质饱和的多孔复合电极相的离子扩散(即:在电极颗粒170内部)。例如，微观孔隙率存在于非空心的复合阴极颗粒中，所述复合阴极颗粒包括活性材料例如锂-铁磷酸盐、粘合剂和碳导电剂。应当理解的是，非空心的颗粒可以是多孔的(即:在其中具有空隙、气孔、间隙等)，但不包括有意创建的主要的中心空隙。
[0040]孔隙率的第二水平，这在本文中称为宏观孔隙率或颗粒间孔隙率151，支持穿过具有低固体含量的相互连接的电解质相的离子扩散(即:电极颗粒之间)。例如，宏观孔隙率存在于大的相互连接的空隙中，并且包括电解质，如碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯和六氟磷酸锂的混合物。
[0041]根据一个示例性实施方案，每个正极150包括多个复合电极颗粒170，每个复合电极颗粒包括正极活性材料173、导电剂174以及聚合物粘合剂175。根据一个示例性实施方案，所述正极活性材料是起到与锂离子发生电化学反应作用的锂化合物。所述锂化合物可为例如LiFeP04。根据其他示例性实施方案，插层化合物(intercalat1n compound)可以是但不限于LiCO02、LiCOl_xMx02 (其中M是过渡金属或过渡金属的组合，所述过渡金属如N1、Al,Mn,Fe等，且其中x介于约O和I之间)、LiCOl_x_yMlxM2y02 (其中Ml和M2是过渡金属或过渡金属的组合，所述过渡金属如N1、Al、Mn、Fe等，x介于约O和I之间，且y介于约O和I之间)、LiFePO4及其变体(碳涂覆的、掺杂的、共结晶的)、LiMPO4 (其中M是过渡金属或过渡金属的组合，所述过渡金属如N1、Al、Mn、Fe等)、LiMn2O4, LiMn2_xMx04 (其中M是过渡金属或过渡金属的组合，所述过渡金属如N1、Al、Mn、Fe等，且其中x介于约O和I之间)、LiMnO2, LiMrvxMxO2 (其中M是过渡金属或过渡金属的组合，所述过渡金属如N1、Al、Mn、Fe等，且其中X介于约O和I之间)、(Li2MnO3) x (LiMO2) h (其中M是过渡金属或过渡金属的组合，所述过渡金属如N1、Al、Mn、Fe等，且其中χ介于约O和I之间)或它们的组合。
[0042]根据一个示例性实施方案，正复合电极颗粒的导电剂174起到提高正极150和/或其复合电极颗粒170的电导率的作用。所述导电剂可以是例如炭黑。根据其他示例性实施方案，所述导电剂可以是石墨、碳纳米管、石墨烯、碳纤维或者稳定金属的粉末、纤维、棒或丝，所述稳定金属如镍、金、银、钛、铝、钨或它们的组合。
[0043]根据一个示例性实施方案，所述正极颗粒的聚合物粘合剂175起到将正极活性化合物和/或导电剂结合成整体结构的作用。所述聚合物粘合剂可以是改性的苯乙烯-丁二烯橡胶。根据其他示例性实施方案，所述聚合物粘合剂可以是聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚乙烯醇、其他天然或合成胶乳橡胶(synthetic latexrubber),或它们的组合。
[0044]根据一个示例性实施方案，所述正极活性材料以重量计构成正极150的复合电极颗粒170的约65%-98% (例如85-95%或88-93% )。所述导电剂以重量计构成复合电极颗粒170的约1% -20% (比如约1%和10%之间，或约5% )。所述粘合剂材料以重量计构成复合电极颗粒257的小于约15% (如:小于约5%，或约2% -3% )。例如，正极150的复合电极颗粒170可以包括按重量计约85%的活性材料(例如=LiFePO4)、约10%的导电剂(如:炭黑)以及约5%的粘合剂材料(例如:改性的苯乙烯-丁二烯橡胶)。根据另一示例性实施方案，正极150的复合电极颗粒170包括按重量计约90%的活性材料(例如:LiFePO4)、约5%的导电剂(如:炭黑)以及约5%的粘合剂(例如:改性的苯乙烯-丁二烯橡胶)。
[0045]根据其他示例性实施方案，正极150可以具有不同的材料组成。其他的材料组成可包括，例如更多或更少类型的组分材料(例如:省略导电剂或聚合物粘合剂之一或两者都省略，或加入另一种类型的材料)、不同的比例组成、或针对不同的电池化学的材料。可加入羧甲基纤维素钠或类似的添加剂以增强流变稳定性。正极150的组分含量可以根据各种考虑因素确定，所述考虑因素包括，例如所需的电池电压、材料成本、电极反应动力学、机械要求(例如强度和耐用性)、易于制造，化学稳定性和相容性、电化学循环寿命、保存期限、可用性以及环境、健康和安全因素。
[0046]根据一个示例性实施方案，每个负极160包括多个复合电极颗粒170，每个复合电极颗粒包括负极活性材料或化合物153、导电剂154以及聚合物粘合剂155。根据一个示例性实施方案，所述负极活性材料的化合物是起到与锂离子发生电化学反应作用(即:循环、插入等)的材料。所述负极活性材料可以是，例如碳质材料，如石墨、无定形碳、硬碳或介孔碳微珠。根据其他示例性实施方案，所述锂化合物可以是但不限于L1、LiAl、Li9Al4、Li3Al、Zn、LiZn、Ag、LiAg、Li10Ag3、B、Li5B4、Li7B6、Ge、Li4 4Ge、S1、Li12Si7、Li21Si8、Li13Si4、Li21Si5、Sn、Li5Sn2、Li13Sn5' Li7Sn2、Li22Sn5' Sb、Li2Sb、Li3Sb、B1、LiB1、Li3B1、SnO2、SnO、MnO、Mn2O3ΛMn02、Mn304、Co0、Ni0、Fe0、LiFe204、Ti02、LiTi204、Li4Ti5012 和含有锡-硼-磷-氧化合物的玻璃，或它们的组合。
[0047]根据一个示例性实施方案，所述负极活性材料的导电剂154起到提高负极160的电导率的作用。所述导电剂可以是例如炭黑。根据其他示例性实施方案，所述导电剂可以是石墨、碳纳米管、石墨烯、碳纤维或者稳定金属的粉末、纤维、棒或丝，所述稳定金属如镍、金、银、钛、铝、钨、铜或它们的组合。
[0048]根据一个示例性实施方案，活性负极的聚合物粘合剂155起到将正极活性化合物和/或导电剂结合成整体结构的作用。所述聚合物粘合剂可以是改性的苯乙烯-丁二烯橡胶。根据其他示例性实施方案，所述聚合物粘合剂可以是聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚乙烯醇、其他天然或合成胶乳橡胶，或它们的组合。
[0049]根据一个示例性实施方案，所述负极活性材料以重量计构成负极160的复合电极颗粒170的约65%-98% (例如:85-98%或90-96% )。所述导电剂以重量计构成复合电极颗粒170的约0% -20% (比如:小于约10%，或小于约5% )。所述粘合剂材料以重量计构成复合电极颗粒170的小于约15% (如:小于约5%，或约2% -3% )。例如，负极160的复合电极颗粒170可以包括按重量计约92%的活性材料(例如:石墨)、约3%的导电剂(如:炭黑)以及约5%的粘合剂材料(例如:改性的苯乙烯-丁二烯橡胶)。根据另一示例性实施方案，负极160的复合电极颗粒170包括按重量计约94%的活性材料(例如:石墨)、约3%的导电剂(如:炭黑)以及约3%的粘合剂(例如:改性的苯乙烯-丁二烯橡胶)。
[0050]根据其他示例性实施方案，负极160可以具有不同的材料组成。其他的材料组成可包括，例如更多或更少类型的组分材料(例如:省略导电剂或聚合物粘合剂之一或两者都省略，或加入另一种类型的材料)、不同的比例组成、或针对不同的电池化学的材料。可加入羧甲基纤维素钠或类似的添加剂以增强流变稳定性。负极160的组分含量可以根据各种考虑因素确定，所述考虑因素包括，例如所需的电池电压、材料成本、电极反应动力学、机械要求(例如强度和耐久性)、易于制造，化学稳定性和相容性、电化学循环寿命、保存期限、可用性以及环境、健康和安全因素。
[0051]根据一个示例性实施方案，正极150和/或负极160的复合电极颗粒170通过转子造粒工艺形成，所述工艺参考下文实施例1和实施例2所述。根据其他示例性实施方案，所述复合电极颗粒可通过其他工艺形成，所述工艺包括但不限于剪切造粒、喷雾造粒、喷雾附聚、高剪切附聚、流化床包衣、锅包衣、沃斯特包衣法、转子包衣和造粒、锅包衣、挤出和滚圆、压条、转子制丸、包囊、振动滴注、喷雾干燥、熔融造粒和湿法造粒。
[0052]根据一个示例性实施方案，复合电极颗粒170通常可为球形(即:具有小于约1.5的主要尺寸和次要尺寸之间的比率)。根据其他示例性实施方案，复合电极颗粒170可按其他方式成型，比如大致为圆柱形(例如:具有小于约3:1(例如小于约2:1)的长度和直径之间的比率)。仍根据其他示例性实施方案，复合电极颗粒170可按其他方式成型，比如大致为小片(platelet)形状(例如:具有小于约1:3 (例如小于约1:2)的高度和直径之间的比率)。应当认识到，虽然描述了通常的形状(例如球形，圆柱形和小片形状)，但是电极150和/或160可以包括具有指定形状范围以外的形状(例如在规定的公差内)的复合电极颗粒 170。
[0053]根据一个示例性实施方案，根据各种考虑因素确定复合电极颗粒170的尺寸，所述考虑因素包括，例如组分材料特性、正极150和负极160之间的局部电荷容量的平衡、电化学反应优化以及电极孔隙率。在确定复合电极颗粒尺寸中的更多考虑因素包括传质动力学、电极、成本、易于加工以及易于操作。
[0054]根据一个示例性实施方案，平均颗粒尺寸(例如:标称直径、厚度等)被配置成比活性原材料或其他用于形成复合电极颗粒的材料(例如:粘合剂、导电剂)的标称粒度大3倍左右。例如，复合电极颗粒可以与石墨活性材料形成，所述石墨活性材料具有约8微米的平均粒度和具有约24微米的最小直径。应当认识到，最小平均颗粒粒度可以根据每种组分材料所提供的颗粒尺寸而有所不同。
[0055]根据一个示例性实施方案，平均颗粒尺寸被配置成小于总的活性层厚度(在下文进一步详细描述)的约15-20%。被以这种方式配置时，电极阻止或限制正极和负极之间的局部容量不平衡，例如，通过减少的颗粒来防止或减轻对于低电势负极活性材料(如石墨)也可能发生的锂电镀(其中正极的容量超过负极的容量)。对于非碳质负极活性材料或者那些或具有比锂电镀电势还高的较高的循环电势的活性材料而言，可以相对于总的活性层厚度增大平均颗粒尺寸。
[0056]根据一个示例性实施方案，颗粒170的尺寸可被确定为具有约等于最大的期望扩散距离的径向厚度尺寸(例如:如果成形为设置在集电器上的一层时电极的最优厚度，对于某些锂离子化学而言其大约是25-200微米)。所述复合电极颗粒可以被成形为例如具有基本均匀的组合物，所述组合物具有小于或等于(即材料组成、密度、孔隙率等)可比的传统电极的近似最优厚度的半径。
[0057]根据如图7A-图7D中所示的示例性实施方案，取而代之，可以将复合电极颗粒270制成被涂覆的球体，其中惰性种子颗粒(seed particle) 276上涂有电极材料(即活性材料273、导电剂274、以及粘合剂材料275)，涂覆厚度小于或等于可比的传统电极的近似最优厚度。在这种情况下，径向厚度表示涂覆层厚度，以使得总的颗粒半径是种子颗粒半径与所述电极涂覆层厚度之和。
[0058]所述复合电极颗粒270可以通过用于由如下所述的材料构成的惰性种子颗粒276的涂覆工艺形成。涂覆工艺可以包括额外的后处理步骤，如用溶剂清洗或在炎热或干燥的环境中焙烤。制造的优选方法可根据不同的标准确定，例如易于制造、颗粒密度，颗粒成分均匀性、粒度均一性、可用性、效率、风险、成本、可伸缩性和最终产品性能。
[0059]颗粒内的孔隙率作为前面所定义的微观孔隙率或颗粒内部孔隙率171 (或271)。相邻颗粒之间的间隙形成宏观孔隙率或颗粒间孔隙率151 (或251)，并且可以被调整至不同程度以适应电解质相的比例。或可以使用廉价的惰性种子颗粒来制造涉及活性材料的无效径向厚度(例如:大于25-200微米)的颗粒270。种子颗粒276可以包括，但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、玻璃、空心微珠(cenosphere)、错、聚四氟乙烯、稳定金属(其可以包括铝、铜、不锈钢、金、银、镍、钨、钛或它们的组合)。例如，活性电极材料(例如:锂活性化合物273，以及填料材料，如导电剂274和聚合物粘合剂275)的150微米涂层可以施用在具有100微米半径的种子颗粒256的顶部上以达到250微米的总颗粒半径。
[0060]根据一个示例性实施方案，如在下文进一步详细讨论的，平均颗粒粒度根据所需的电极孔隙率(即:在下面进一步详细讨论的活性层孔隙率)进行配置。此外，颗粒粒度根据对所选择的平均颗粒粒度所需的粒度分布(例如:约1/2的平均值的标准偏差)进行配置。通过控制形成电极的复合电极颗粒的平均粒度和粒度分布，对于实现对电极本身的期望孔隙率提供了更大的灵活性。此外，颗粒可按一种以上的粒度(例如:双模态或者多模态分布)来提供，从而提供对基于相对尺寸(以所需粒度分布)和相对数量的不同尺寸的颗粒的孔隙率的进一步控制。例如，如下面进一步详细讨论的，增大整体的电极孔隙率可提供电极的容量利用率的增加。
[0061]根据其他示例性实施方案，颗粒257可以按其他方式提供以改变例如期望的扩散距离和孔隙率特性等考虑因素。更小或更大的颗粒可以提供更短或更长的扩散距离，以使得所述颗粒的更多或更少的活性材料可以吸收或释放离子。
[0062]根据一个示例性实施方案，颗粒170结合在一起以形成具有所需形状、大小、厚度、孔隙率和电导率的电极150、160。例如，复合电极颗粒170可以与导电粘合性混合物组合，然后将组合物加入到电极框300 (例如:复合网格)，并干燥或固化，以形成刚性平板电极 150 和 160。
[0063]根据一个不例性实施方案,颗粒170结合在一起以形成电极(例如150、160)的活性层180。例如，复合电极颗粒可以用导电粘合性混合物捏合成或另外与导电粘合性混合物混合成电极糊，以将复合电极颗粒结合一起而且结合至集电器(在下面进一步详细讨论)。导电粘合性混合物通常包括溶剂、粘合剂和导电剂，并且还可以包括机械填料。可以预制所述导电粘合性混合物，然后与所述电极颗粒混合，或者所述导电粘合性混合物的组成成分可按单独的方式提供或者以用于混合或捏合电极颗粒形成电极糊的子混合物(submixture)的方式提供。为了最适于加工要求，如粘合强度、涂覆的均匀性、易于制造、化学稳定性和相容性、电化学性能、材料成本和环境和安全因素，通过加入溶剂可以将电极糊制成任何所需的粘度。根据其他示例性实施方案，导电粘合性混合物可以包括更多、更少或不同的亚成分。
[0064]根据一个示例性实施方案，导电粘合性混合物的聚合物粘合剂可以是改性的苯乙烯-丁二烯橡胶。根据其他示例性实施方案，聚合物粘合剂可以是聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚乙烯醇、其他天然或合成胶乳橡胶或它们的组合。可以包括羧甲基纤维素钠添加剂以增强流变性质。
[0065]根据一个示例性实施方案，导电粘合性混合物的导电剂可以是，例如炭黑。根据其他示例性实施方案，导电剂可以是石墨、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、或者稳定金属的粉末、纤维、棒、丝，所述稳定金属如镍、金、银、钛、铝、钨，或它们的组合。作为导电粘合性混合物的作用主要是经宏观距离地输送电荷，在导电粘合性混合物中使用的导电剂的化学和形态可以与在颗粒中使用的那些不同，在颗粒中电荷传输主要是经微观距离。
[0066]根据一个示例性实施方案，导电粘合性混合物的溶剂可以鉴于在复合电极颗粒的粘合剂材料进行选择，以使得颗粒粘合剂不溶于或仅部分溶于浆料溶剂，以在制浆(pasting)过程中保持颗粒的完整性。例如，合适的溶剂可以是水。根据其他示例性实施方案，所述溶剂可以是乙腈、丙酮，正甲基吡咯烷酮、类似的材料或它们的组合。根据其他示例性实施方案，将溶剂配置成(即:选自不同材料并以足够的相对量提供)使(导电粘合性混合物的)粘合剂溶解在导电粘合性混合物中。根据其他示例性实施方案，可将溶剂配置成溶解所述颗粒表面的粘合剂而不影响所述复合电极颗粒的总体机械完整性，从而允许形成整体式电极而无需额外的导电粘合性混合物中额外的粘合剂。应当注意的是，如下面进一步详细讨论的那样，在成品电极的加工过程(例如:干燥或固化)中，基本上除去了导电粘合性混合物的溶剂，以使得所述溶剂不存在，或仅以有限量存在于成品电极中。
[0067]根据一个示例性实施方案，将机械填料配置(即:选自不同材料并以足够的相对量提供)成防止或减轻散裂和/或裂化。例如，机械填料可以是切碎的聚丙烯纤维。根据其他示例性实施方案，机械填料可以是纤维状絮状物，例如聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、玻璃、聚四氟乙烯、稳定金属或它们的组合，所述稳定金属可以包括铝、铜、不锈钢、金、银、镍、鹤、钦。
[0068]根据一个示例性实施方案，电极糊被设计成具有相对低的溶剂含量，以减轻在干燥或固化电极糊过程中的裂化，例如，以促进活性层180的均匀性。例如，电极颗粒和导电粘合性混合物以一定量提供，以提供具有如下总组成的湿混合物:按相对重量计约40%-80% (例如:约 50%-70%，约 55%-65%)的颗粒，约 0%-5% (例如:约 0.约0.5% -1.5% )的粘合剂，约0% -10% (如约0.5% -5%，约1% -3% )的导电剂，约0% -2% (例如:约0.05%-1%，约0.1%-0.4% )的机械填料，约20%-55% (例如:约30% -45%，约 34% -40% )的溶剂。
[0069]正如以上所提到的，根据一个示例性实施方案，将电极糊(即:复合电极颗粒和导电粘合性混合物)加至图4中所示的电极框300。然后干燥或固化所述浆料以形成刚性的平板电极150、160的活性层180。
[0070]根据一个示例性实施方案，如下面进一步详细讨论的，电极框300通常包括连接至聚合物框架320的金属集电器310。例如，电极框300可以是三层层压结构，其中薄的金属集电器310设置在有窗的聚合物框架320的两个半部320a和320b之间。电极框300通常提供电极的结构。电极框300，并且更具体地说，聚合物框架320，通常限定出电极的整体形状和尺寸(即:长度，宽度和厚度)。例如，对于被配置为传统铅酸电池的替代物或备选物的电池而言，电极框300可具有矩形形状，其长度和宽度与在这种铅酸蓄电池中使用的那些是可比的。根据其他示例性实施方案，电极框300和其聚合物框架320可以具有如可能期望用于特定应用中的其他尺寸和/或形状。根据其他示例性实施方案，包括但不限于那些在下面进一步详细描述的，电极可按其他不包括电极框300的方式形成。
[0071]根据一个示例性实施方案，所述聚合物框架320被配置为在固化或干燥电极糊之前或之后向电极150、160提供结构。框架320由惰性材料制成，所述惰性材料如聚合物，包括例如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、全氟烷氧基树脂或它们的组合。聚合物形成的框架320可另外被固相填充以增加刚度、硬度、或者通过加入玻璃珠、玻璃纤维、炭黑、碳纤维、碳纳米管、金属粉末或金属纤维提高电子电导率。
[0072]根据一个示例性实施方案，聚合物框架320的两个半部320a、320b穿过中心集电器310彼此结合以限定电极框300。例如，两个半部320a，320b可以通过热焊接、化学焊接、粘接剂、正耦合特征、它们的任何合适的组合或任何其他合适的方法彼此连接。例如，热焊接包括采用的本地热源或超声波振动。化学焊接包括，例如使用溶剂引起聚合物框架320的两个半部320a、320b的聚合物材料的部分溶解。粘合剂可包括，例如，改性的苯乙烯-丁二烯橡胶、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚乙烯醇、其他天然或合成胶乳橡胶或它们的组合。正耦合特征可以包括被构造成接合另外半个框架的互补凹槽或表面的舌片(tabs)或突起。
[0073]根据一个示例性实施方案，聚合物框架320可以由任何合适的方法制成，所述方法包括，例如注射成型、冲压、机加工、冲模等。此外，所述聚合物框架的每个半部可以被单独或作为连续带的一部分中制造。
[0074]根据一个示例性实施方案，框架320限定一个或多个开口 322 (例如:开放区域、切口、窗口、凹槽、孔等)，所述开口被配置成接收浆料(即复合电极颗粒混合物及其中的导电粘附混合物)。更具体地，在接收所述浆料之前，集电器310暴露于框架320的开口 322中，以使得框架320和集电器310通常限定一个或多个凹部或腔体来接收所述浆料，然后将所述浆料干燥或固化以被连接至集电器310和/或框架320，以形成刚性的平板电极150、160。
[0075]根据一个示例性实施方案，电极糊可以在集电器310的两个侧部上的聚合物框架320的开口 322中(例如:在由聚合物框架320的两个半部320a、320b限定出的开口 322中)提供，以使得活性层330可以被连接到并被设置在集电器320 (即:双向电极构建体)的第一侧部和第二侧部上。然后互补的阴极板150和阳极板160可以按交错的方式堆叠，并允许单个板经历主集电器的两个侧部上的电化学反应。相比于不是在双向电极构建体中创建的电极，这将有效地允许单平板电极是有效厚度的两倍。这在与微观孔隙率的结合中是特别有效的，因为它允许改变被有效使用的电极厚度，从而降低了制造公差的要求。
[0076]根据一个示例性实施方案，聚合物框架320可以包括一个或多个开口 322 (图4示出了三个开口 322)，所述开口被配置成接收其中的电极糊以形成所述活性层。开口 322可根据若干个考虑因素构造，所述考虑因素包括聚合物框架320的总开口面积、数量、形状、图案和相对于相反电极的构型(例如:大小、位置、深度等)。
[0077]根据一个示例性实施方案，开口 322整体地限定电极框300的平坦表面的约60% -95% (如80%)的开放区域。通过提供多个开口 322，通过在开口 322之间设置加强构件可以增大所述聚合物框架320以及由此形成的刚性的平板电极150、160的强度和刚度。
[0078]根据一个示例性实施方案，如图4所示，开口 322通常为矩形。根据其他示例性实施方案，开口 322可以是另一种四边形形状，其中每个侧边测量为大于约5毫米，或其他多边形形状(例如:三角形、五边形、六边形、七边形、八边形或具有8个以上侧边的多边形)。开口 322可以包括圆角(例如:在多边形形状的角部区域)以消除可能降低平板电极或活性层310的局部机械完整性的锐角。例如，每个圆角可以具有大于约500微米的半径。
[0079]根据进一步的实施方案，开口 322可以按重复的图案提供。例如，可以按重复的图案(例如:围绕中心轴线限定框架300的平坦表面)提供具有一种或多种如上所述的形状的若干开口。
[0080]根据一个示例性实施方案，开口区域322另外与极性相反的相反电极的类似开放区域基本对齐设置(例如:面、重合、镜像等)(例如:使得相反电极的活性部分相匹配)。根据另一示例性实施方案，负极160的开口 322的尺寸稍大于正极150的开口 322，例如，以调节所述两个电极的微小偏差和防止可能因正极150的局部过载导致的锂电镀。根据其他示例性实施方案，阳极的切口至少具有与相应的阴极的切口为相同的尺寸。
[0081]根据一个示例性实施方案，聚合物框架320被配置成提供具有所需厚度的活性层330 (在下面进一步详细讨论)。例如，开口区域322至集电器310的深度(例如:聚合物框架320的每个半部320a、320b的厚度)通常决定了在其中形成的活性层310的最终厚度。确定电极厚度(即:活性材料180的厚度)的考虑因素将在下面进一步详细讨论。
[0082]根据一个示例性实施方案，框架300可以包括另外的特征(未示出)例如以适应电极制造，所述特征如增加或减少舌片、正方形、角落、圆形边缘或其他构建体的加工。
[0083]根据一个示例性实施方案，集电器310被配置成在所述电极的电化学活性部分之间与外部集电端子之间提供电接触。针对集电器的合适材料包括稳定金属，如镍、金、银、钛、铝、钨、铜或它们的组合。集电器可包含单一金属、涂覆的金属(例如:涂覆镍的钢)、镀金属的聚合物或聚合物-金属复合材料。
[0084]根据一个示例性实施方案，集电器310还可以具有基本无开放区域的连续(即:片材，箔片)表面，或具有约O %-80% (例如:约30%-50%，或约40%)的图案化或分布式开放区域的非连续表面。例如，集电器310可以是膨胀的(expanded)片材。根据其他示例性实施方案，集电器310可以是多孔的片材、泡沫、编织丝网、无纺线集(non-woven collect1nof wires)、固体薄片或适合于为电子提供低阻抗路径的其他配置。通过提供具有开放区域的集电器，活性层310可以在电极的中段平面以连续片段形成，从而增加成品刚性平板电极150、160的机械完整性和/或增强集电器310和活性层330之间的粘合力。
[0085]根据一个示例性实施方案，集电器可以另外被涂覆或制备以提高针对附加步骤的加工的便利性。例如，集电器可被涂有如前所述包括聚合物粘合剂和碳导电剂的导电粘合性混合物，这可能使得颗粒混合物的涂浆更容易实施。
[0086]根据一个示例性实施方案，在集电器310可以具有根据成本、机械稳定性和/或导电率确定的可能为特定应用要求的任何几何形状。例如，集电器310的形状和/或大小可被确定为延长至基本上完全穿过聚合物框架320中的每个开口 322。对于具有矩形形状的实施方案，集电器具有与电极框300和聚合物框架320的整体矩形形状和尺寸基本对应的整体矩形形状和尺寸。
[0087]根据一个示例性实施方案，集电器310可以包括另外的特征以使电极和/或电极与端子之间能够电连接。例如，集电器310可以包括诸如舌片312，其延伸超出聚合物框架320。集电器的其他几何特征可以包括增加或减少舌片、正方形、角落、圆形边缘或其他构建体。集电器也可以包括影响成本、机械稳定性和/或电导率的几何特征。
[0088]根据一个示例性实施方案，每个刚性平板电极是通过在框架300的开口 322中提供电极糊(即:复合电极颗粒和导电粘合性混合物的混合物)而形成。将电极糊挤入或压入一个或多个开口 322中，填充开口 322至聚合物框架320的深度。对所述浆料施加足够的力以除去大的空隙，并提供所述电极颗粒之间的电接触但不致使电极颗粒的主要结构发生较大的变形和降解(degrade)。对于单面电极(即:仅集电器310的一侧上具有活性层的那些)而言，框架310可以平躺在棉花、橡胶、聚合物或钢带上并且将电极糊从所述带的上方挤入开口 322中。所述带防止浆料从相反侧经由所述带滑出。对于双面电极(即:在集电器310的两侧上具有活性层的那些)而言，可各自涂糊所述电极的每一侧(例如:类似于单面电极)，可以从单方向涂糊(例如:类似于电极糊流过集电器的单面电极)，或浆料可以被同时挤入所述框架的两个侧部上的开口 322中。在每种情况下(即:对于单面电极和双面电极两者而言)，电极糊的精确整平(leveling)可以通过计量已知体积或质量的电极糊并且将其均勻地铺设至整个电极框300实现,或通过过量涂糊(over-pasting)网格并从被涂糊的电极框300的每个侧面移除多余的材料实现。
[0089]根据一个示例性实施方案，将电极糊施涂到框架300之后，再在足够有效地从电极糊除去溶剂的温度和持续时间来干燥涂糊的网格，从而将所述电极糊固化至固体活性层180中。例如，根据一个示例性实施方案，其中所述溶剂是水，干燥温度约40和150摄氏度(40°C和150°C )之间。但应注意的是，可能会限制最大的干燥温度以防止任何的聚合物材料(例如:颗粒粘合剂、导电粘合性混合物的粘合剂，或框架)到达其玻璃化转变温度，并防止任何化学成分(例如:活性材料)发生不期望的反应。干燥也可以在两个不同的步骤中进行，具有初始较低的或可以根据电极糊的组成、该浆料的厚度等变化。
[0090]正如以上所提到的，在活性层310可以根据期望的颗粒间孔隙率和整体孔隙率配置。有利的是，通过控制活性层的孔隙率(即:基于整体活性材料孔隙率和/或微观结构)，当厚度增加时，电池性能特征相比于传统电极得到改善。例如，宏观孔隙率或颗粒间孔隙率可以通过使用具有限定的粒度分布的单一平均粒度的复合电极颗粒进行控制，或者通过使用具有多个平均粒度以及不同的相对量(即:双模态或者多分散颗粒粒度分布)的复合电极颗粒进行控制。颗粒间孔隙率也可以受到导电粘合性混合物的组成和/或该电极的制造(例如:不被热压或压延(calendared))的影响。此外，在微观孔隙率或颗粒内部孔隙率可以是颗粒组成、其制造和/或加工的函数。通过控制电极孔隙率，特别是通过控制宏观孔隙率或颗粒间孔隙率及制造方法，在实现期望的(例如:更高)的活性材料孔隙率的过程中提供了更大的灵活性是:这相比于传统电极在较高的厚度提供了改进的性能特征。
[0091]根据一个示例性实施方案，复合电极颗粒的孔隙率(即:微观孔隙率或颗粒内部孔隙率)小于约45% (例如:下文约35%和45%之间，或低于或约等于41% )。本领域普通技术人员会认识到颗粒的孔隙率本身可以是例如组分材料、组分材料的相对量、颗粒形成过程、电极形成工序等的函数。根据一个示例性实施方案，通过采用转子造粒工艺，通过使用约10wt%的粘合剂和约90wt%的水形成的溶液对约97wt%的石墨粉与约3wt%的炭黑的干混合物进行转子造粒，实施例1中的电极的颗粒(在下面讨论)实现了介于约35%和45% (例如:约43% )之间的孔隙率。应当理解的是，这个实施例意在说明特定的颗粒孔隙率是如何可实现的，但不意在受限于此。
[0092]根据一个示例性实施方案，电极的活性层330具有大于约40% (例如:大于约50%，介于约40%和50%之间，或介于约50%和60%之间)的整体孔隙率。根据一个示例性实施方案，通过使用单分散的颗粒粒度分布(例如:具有介于约63和90微米之间的尺寸的颗粒)，实施例1电极(在下文中讨论)实现了约50%-60% (例如:约55%)的孔隙率。根据一个其他示例性实施方案，通过个多分散颗粒粒度分布(例如:尺寸小于约45微米的颗粒以约20wt%提供,尺寸大于约212微米的颗粒以约80wt%提供),实施例2电极(在下文中讨论)实现了约40%-50% (例如:约47%)的孔隙率。但应理解，这些实施例意在说明特定的颗粒孔隙率是如何可实现的，但不意在受限于此。
[0093]根据一个示例性实施方案，活性层330包括按体积计构成所述活性层的小于约90%的电极颗粒，例如按体积计约60% -90%。例如，电极颗粒可以按体积计构成约75% -85%或按体积计约70% -80%。
[0094]根据一个示例性实施方案，活性层330包括电极颗粒之间的体积，所述电极颗粒按体积计构成所述活性层的大于约10%，例如按体积计约10% _40%。例如，所述电极颗粒可以按体积计构成约15% -25%或按体积计约20% -30%。
[0095]根据一个示例性实施方案，根据各种考虑因素，所述考虑因素包括颗粒粒度(例如:如上面所讨论的，如果优化电化学反应)、能量密度和功率密度来配置或影响电极孔隙率。如上所述，由于颗粒之间的空隙，宏观孔隙率的长度尺度通常通过颗粒粒度确定(不存在颗粒变形)以及通过部分地填充该空隙的导电粘合性混合物确定。随着相比于传统电极的孔隙率的增加和性能特征的提高，以单位电极面积的能量为单位的面积能量密度可能会相比于用常规方法制备的电极增加。此外，颗粒化电极和电池的加工可能比具有可比较容量的传统电极或电池更简单，并且可以更容易地以更厚的层提供而较少出现明显开裂的问题。
[0096]根据一个示例性实施方案，活性材料可根据厚度配置。如上所讨论的，通过增加活性材料的厚度，可按较低的量使用电池或电极的非活性材料(如，集电器、隔离件)，同时获得可比较的容量，以降低电池的成本、重量、尺寸等。
[0097]根据一个示例性实施方案，活性层的厚度大于通常用于传统电极的最高厚度(即:大于约200微米)。例如，根据不同的制造过程，既定电极的活性层的厚度可大于约400微米。根据其他示例性实施方案，活性层的厚度可以根据其他考虑因素配置，所述考虑因素包括，例如颗粒粒度(例如:平均颗粒粒度可小于所述活性层厚度的约20%，以防止极性相反的相对电极之间的局部容量不平衡)、充电/放电速率(例如:对于较厚的电极而言，高充电/放电速率下的容量利用率可能会下降)、容量利用率(例如:高的容量利用率，例如在C/3为70%以上可以维持直至一定的厚度，但厚度增加时可能下降)、活性材料(例如:活性层的厚度可依赖于活性材料的比容量)和电极平衡(例如:可以使用容量更大的负极，特别是对于碳质负极活性材料或其他低电势负极活性材料，以防止锂电镀)。
[0098]根据一个示例性实施方案，负极的活性层的厚度为约400至1000微米(例如:约600微米)。例如，实施例1的电极和实施例3的电极的负极活性层分别为约600微米和580微米，并且各自的电池表现出高容量利用率。
[0099]根据一个示例性实施方案，正极的活性层的厚度为约900至1500微米(例如:约1100微米)。例如，实施例1的电极和实施例3的电极的正极活性层为约1100微米，并且各自的电池表现出高容量利用率。
[0100]根据其他示例性实施方案，电极的厚度可以根据各种其他考虑因素选择或确定，所述考虑因素包括电极的宏观电导率、电解质在正常充放电操作下的极化、电化学活性材料在整体电极中的体积密度、电解质在整体电极中的密度、电解质体积离子电导率、微观孔隙率结构、宏观孔隙率结构、效率、易于制造以及安全性方面的考虑。
[0101]根据其他示例性实施方案，颗粒(例如:170或270)可按其他方式结合在一起以形成电极250、260，所述其他方式包括，例如通过设置在所需形状和尺寸的模具或结构中，然后压制或烧结在一起以形成主体电极。热量和/或压力被用来使热塑性粘合剂升至超出其玻璃化转变温度，在该点时，相邻颗粒的聚合物粘合剂会发生相互作用，以形成连续的粘合剂相。一旦降至低于玻璃化转变温度，新的整体结构被保持，这保留了包括微观孔隙率和宏观孔隙率的以颗粒为基础的结构。例如，相邻颗粒的粘合剂材料可通过使用热压或热辊一起形成一主体。电极250、260还可以包括或者被连接至集电器240，所述集电器具有被配置成用以连接至极性相同的其他电极的舌片242。
[0102]根据其他示例性实施方案，各种方法可改善超过通过改变颗粒粒度实现的电极性能，所述方法例如，采用基体、模板或悬浮液材料以限定宏观孔隙率、机械或化学地限定宏观孔隙率后置电极(post-electrode)的制造和建立自下而上的电极以获得设计的宏观孔隙率。
[0103]根据其他示例性实施方案，电极可根据其他方法来形成。参照图8中的表，存在若干个宏观孔隙率制造变量，其包括但不限于维度、顺序、添加剂及制造方法。其他设想的方法包括，例如，以下:
[0104]-泡沫或其他支架可以用作具有预设的孔隙或通道结构的凹模(negativemold),它可以有1-，2-或3-维度连接的网络。这些模具可通过多种方法制得，所述方法包括嵌段共聚物的自组装或商用海绵/泡沫加工工艺。该模具可以用活性材料浸润，然后除去(例如:通过溶解或燃烧)，使活性材料保有连续的通道网络。形成通道的这种方法可以与其他形成宏观孔隙率的方法(例如:烧结、热压等)组合。
[0105]-当与电极材料相互混合时，由牺牲材料制成的颗粒、棒、纤维、丝或板的渗滤网络可自发地在加工过程中形成。这些牺牲填料可接着通过溶解在溶剂中或通过热氧化作用除去，以获得宏观孔隙率。
[0106]-可以将电极后处理为大的圆柱形宏观孔隙率，例如通过机加工、钻削、激光烧蚀、水射流切割或使用带图案的模具。形成通道的这种方法可以与其他形成微观孔隙率通道的方法(例如:烧结、热压等)组合。
[0107]-导电性网状物、泡沫或支架可以用作基础结构。这种结构的表面可覆盖有复合型混合物(例如:粘合剂/导电剂/活性材料)，以形成电极，同时保持导电支架的原始孔隙的几何形状。可以使用各种方法实现涂覆，所述方法如浸涂、喷涂和带有辊压的涂糊。
[0108]-复合型纤维(粘合剂/导电剂/活性材料)可以被使用，而不是采用球形结构作为用于创建多孔电极的基体。也可使用其他的形式，如立方体、矩形棱柱、椭球体、“覆盆子”族(“raspberry” cluster)、棒和板。
[0109]-或者，形成使电化学活性电极具有可调整的比例和电解质相的分布的孔隙结构的方法和实施方案。
[0110]参照图2B和图5-图6A,根据一个不例性实施方案,平板电极与隔离膜190和290以交错的方式堆叠，所述平板电极分别穿插在所述隔离膜之间。隔离膜被形成为使得它们在极性相反的电极之间提供足够的屏障以防止极性相反的电极之间的电接触(即:防止正极和负极之间出现短路的情况)，同时促进跨越它的离子扩散或移动。隔离膜可以任何方式加入到系统中，所述方式包括散置隔离件片、包封完全形成的电极、绕电极缠绕隔离件等坐寸ο
[0111]根据一个示例性实施方案，隔离膜190、290是多孔膜，其允许电解质渗透该膜，但是不允许在电极之间的导电性。隔离件可以由多种不同的材料，所述材料包括聚丙烯、聚乙烯、玻璃纤维、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、氟化乙烯丙烯、全氟烷氧基树脂、纤维素系纤维或它们的组合。隔离件的形成可具有特征或隔离件可含有添加剂，所述添加剂在极端的发热情况下提供自密封操作。隔离膜可以具有不同的厚度，所述厚度包括5微米至I毫米，具有10微米到50微米的膜是优选。
[0112]参照图2B和图5-图6A，根据一个示例性实施方案，电极堆栈150、160和250、260分别通过结合相似电极(即:具有相同的极性)的集电器312和242分别并联连接。任何数量的电极对可以根据设计标准相结合，所述标准包括性能要求、可制造性、安全性、包装或使用限制等。结合包含任何建立集电器之间的电接触的方法，所述方法包括点焊集电器、超声波焊接、在集电器之间加入导电材料、使用螺钉或夹具、将集电器固定到现有的导电通道等等。另外的连接材料可包括铝、铜、不锈钢、金、银、镍、钨、钛或它们的组合或作为不太昂贵和不兼容的材料(例如:涂覆镍的钢)上的涂层。在这样做时，以整组电极对的容量形成了一个具有与单个电极对相同的电压的电池堆栈。
[0113]参照图5和图16，例如，根据一个示例性实施方案，可以将电极堆栈(即:如图5所示的电极的组)或单个电池单体(例如:如图16中所示的电池单体)接着以串联方式结合以实现更高的电池电压。这就是说，然后将来自一个堆栈或电池单体的正极端子连接到来自另一个堆栈或电池单体的负极端子。任何数量的堆叠单体可以根据设计标准结合，所述标准包括性能要求、可制造性、安全性、包装或使用限制等。使电极堆栈结合或连接包含任何建立集电器之间的电接触的方法，所述方法包括点焊集电器、超声波焊接、在集电器之间加入导电材料、使用螺钉或夹具、使用汇流条(bus bar)、将集电器固定到现有的导电通道等等。可以采用另外的连接材料促进电极堆栈或电池的电结合或电连接，所述另外的连接材料可包括铝、铜、不锈钢、金、银、镍、钨、钛或它们的组合或作为不太昂贵和不兼容的材料(例如:涂覆镍的钢)上的涂层。通过串联连接电池单体或堆栈，堆栈或电池单体的末端端子具有的电压等于向串联电池的数目乘以单个电极对的电压。在一个优选实施方案中，以这样一种方式设计堆栈或电池单体的数目，该末端端子具有紧密匹配于与标准的电力电子技术兼容的典型电压的电压，所述典型电压如6V、12V、24V、32V、48V、120V、240V、320V、480V等。可以将多个电池单体串联组合以进一步提高电池阵列的存储容量。
[0114]根据一个例性实施方案，将电极堆栈放置在壳体中。可按任意方向放置所述堆栈，所述方向包括垂直和水平，取决于便于制造、施加压力到电极、布线要求、重量分布要求、壳体的形状、成本、安全性等因素。
[0115]根据一个不例性实施方案，电池壳体(例如:120、220)用于封装电极堆栈,并提供真空密封(hermetic seal),以防止水进入电池内部。壳体可以具有任何适于电极和其他电池内部构件的几何形状。壳体可以由装配在一起的几片组成，然后例如通过热、压力、胶水等将其粘结。壳体可以由任何提供足够的机械稳定性(例如:对电池化学而言，预期应用或环境)并提供针对水渗透的屏障的材料或其组合制成。所述材料的实例是聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、氟化乙烯丙烯、全氟烷氧基树脂等，以及它们的组合。添加剂可被加入到聚合物中，例如，以降低水的渗透率、延缓燃烧、提高热导率等等。材料的其他实例包括具有惰性的非导电性涂层的金属、金属-聚合物层压材料或具有金属涂层的聚合物。例如，如图15和图16中所示，电池单体400可以被配置为袋状电池，其具有，例如含有描述的一个或多个极性相反的电极对、隔离件和电解质的金属-聚合物箔层压壳体420。端子412从壳体420延伸用于电连接且还可以被其下部区域的壳体部分包围。如图16所示，袋状电池400可通过端子412串联连接。
[0116]根据一个示例性实施方案，电池壳体220或多个电池壳体的组合可以是二维类似于被设计成针对该反应的直接替代物的传统铅酸电池的对等物(counterparts)。根据另一示例性实施方案，壳体是兼容的并被优化用于服务器机架上，以将许多电池安装成单个的结构。
[0117]根据一个示例性实施方案，两个末端端子(例如:124，224)被构造以将电池内部的负极端子和正极端子连接到外部界面(interface)。外部界面可以是电池内部的端子的延伸，或一组不同的端子。在电池壳体内部的末端端子可包括铝、铜、不锈钢、金、银、镍、钨、钛或它们的组合或作为不太昂贵和不兼容的材料(例如:涂覆镍的钢)上的涂层。在电池壳体外部的末端端子可以包括任何足够的电导体，取决于各种因素，如成本、可制造性、可连接或焊接或结合至来自电池内部的末端端子的能力、与电池壳体形成真空密封的能力等。
[0118]根据一个示例性实施方案，电解质被配置为充当用于在正极和负极(例如:分别为150、160和250、260)之间转移离子的介质。例如，所述电解质可以锂盐溶解在水溶剂中形成的水性溶液。根据一个示例性实施方案，所述电解质基于锂盐，其可包括但不限于LiPF6' LiBF4' LiAsF6', LiI, LiCF3SO3' LIN(CF3SO2)2' LIN(CF3CF2SO2)2' LiClO4' LiB(C2O4)2,(C2H5) 4NBF4、(C2H5) 3CH3NBF4或它们的组合。此盐溶解在有机碳酸烷基酯溶剂中，所述溶剂可包括但不限于乙腈、Y-丁内酯、碳酸二乙酯、1，2-二甲氧基乙烷、碳酸二甲酯、1，3-二氧戊环、乙酸乙酯、碳酸亚乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、四氢呋喃或它们的组合。在其他示例性实施方案中，添加剂可用于调整电池的性能属性，如固体电解质界面形成的稳定性、增加的循环寿命、减少的组分降解以及降低的发生副反应的倾向。这样的添加剂的实例是碳酸亚乙烯酯。在其他示例性实施方案中，所述溶剂可以是水性的或所述电解质可以是离子液体。在其他示例性实施方案中，通过非化学手段提高电解质的离子导电性，所述非化学手段如通过经由外部源或内部焦耳热提高温度。
[0119]根据一个示例性实施方案，在电池壳体(例如:120、220)被完全固定到真空密闭系统之前将电解质加入到电池中。电池内部构件有从中除去的水，例如通过真空加热或穿过系统鼓吹热的干燥空气。在不含水的环境中加入电解质，所述环境例如在干燥室、手套箱(glove box)中或直接将电解质泵入电池的不含水的封闭流体网络。
[0120]电池可以应用至例如备用电源、远程安装、移动用途(例如:客车、商务车、工业车辆、低速汽车、船舶车辆等)、电网级存储(例如:连接至建筑物、可再生能源的发电机、辅助服务等)和其他大规模的用途。但是，可以将该理念应用于较小规模的用途，如用于针对铅酸电池的混入替代(drop-1n replacements)(例如:电信、采矿设备、仓储设备等等)中。电极孔结构的进一步设计可能会导致性能随着例如充电/放电速率能力和能量密度发展。
[0121]比较例#1
[0122]实验测试已经显示出针对采用本文所述的多孔电极的电池的改进的放电特性。图9和图10描绘了对于采用根据一个示例性实施方案的电极的电池(图9)和采用传统电极的电池(图10)而言，在不同的充电速率(例如:C/5、C/10、C/20、C/40)和放电速率(例如:D/5、D/10、D/20、D/40)下的电压相对于电荷特性的图形。在这个测试中，首先将电池以最快的速度(C/5)充电，直至达到3.6V的高截止电压。然后以逐渐减低的速率C/10、C/20和C/40将电池充电，每一个都持续充电直至3.6V截止电压。在完成C/40充电后，以类似的方式将电池放电，其中首先将电池以最快的速率D/5放电。当达到2V的低截止电压时，以逐渐减低的速率D/10、D/20、D/40持续放电。更具体地，图9描绘了具有I毫米厚的基于颗粒的正极和负极以及17毫安容量(即:基于活性材料的量，理论上的总容量)的锂离子电池的特性。形成正极的颗粒的半径为190微米，包括90微米的活性层和100微米的种子颗粒。正极活性层包括磷酸铁锂活性材料、改性的苯乙烯-丁二烯橡胶粘合剂和炭黑导电剂，而种子颗粒是聚乙烯。形成负极的颗粒的半径是219微米，包括119微米的活性层和100微米的种子颗粒。负极活性层包括石墨活性材料、改性的苯乙烯-丁二烯橡胶粘合剂和炭黑导电剂，而种子颗粒是聚乙烯。电解质是在碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的1:1混合物中的IM六氟磷酸锂。图10描绘了具有类似化学的锂离子电池的特性，该电池具有0.8毫米厚的铸造压延电极和17毫安容量(即:基于活性材料的量，理论上的总容量)。
[0123]采用基于颗粒的电极的电池在较高的速率(例如:C/5、D/5)下表现出改进的有用的充电容量和放电容量，所述容量由5小时充电和放电速率下较高的可达到的电荷容量表示。例如，根据一个示例性实施方案的具有基于颗粒的电极的电池能够以C/5使用约10毫安的充电容量，而具有铸造电极的电池能够以C/5使用小于0.5毫安的充电容量。放电时，根据一个示例性实施方案的具有基于颗粒的电极的电池能够使用超过12毫安的电荷容量，而具有铸造电极的电池能够使用小于I毫安的电荷容量。此外，以C/20的速率试图给铸造电极充电，最终因锂金属枝晶(dendrites)电镀导致电池的短路，如在零星电压(sporadic voltage)下将电池扩展充电中所看到的那样。本实验的数据表明，基于颗粒的电极的活性材料在更高的电极厚度能比铸造电极的活性材料得到更有效的使用。此外，基于颗粒的电极的较低极化能够提高往返储能效率、减少焦耳热以及改善充放电速率能力。与具有铸造电极的电池相比，含有基于颗粒的电极的电池还表现出改善的抵抗短路情况的能力。
[0124]比较例#2
[0125]水银压入孔度计测试表明与常规方式形成的电极相比，其具有包含复合电极颗粒的活性层的电极的孔隙率增加。如图11中所示，整体电极孔隙率是颗粒内部孔隙率(即:每个颗粒内相对小的孔隙或空隙)及颗粒间孔隙率(即:颗粒之间的相对大的孔隙或空隙)的函数(例如:求和)。图11还示出了常规形成的电极的孔隙率一般集中在单一的孔隙尺寸。如图12和13所示，实验数据进一步示出相比于常规形成的类似厚度的电极，如本文所述的包括含有复合电极颗粒的相对厚的电极的电池具有更高的容量利用率。这个测试进一步表明较高的产能利用率与较高的孔隙率相关。
[0126]阳极颗粒由组分材料(石墨粉、导电级炭黑粉、在水中的改性的聚苯乙烯-丁二烯橡胶水性粘合剂溶液)在转子造粒工艺中直接形成。将97wt%的石墨粉和3wt%的炭黑的干混合物置于设置在圆柱形腔室中的倒锥形表面上。当锥形表面在225RPM旋转时，以每分钟10克的速率将10wt%的粘合剂和90wt%水的溶液横向喷到粉末的旋转块(spinningmass)上。50摄氏度的空气流在旋转的锥形表面和圆柱形腔室之间的间隙中向上流动，这确保了粉末被限制在锥体的旋转上表面上。当与水性粘合剂接触时，干粉混合物会集结成较大的颗粒。然后通过颗粒在旋转锥体的光滑上表面上的滚动运动将所述颗粒塑造成球形。50分钟后，停止喷洒粘合剂，并且在以70每分钟立方英尺流动的60摄氏度空气流中干燥当前被造粒的阳极材料的旋转块。由此制得具有157微米的平均颗粒直径的球形复合阳极颗粒。
[0127]阴极颗粒由组分材料(磷酸锂铁粉、导电级炭黑粉、在水中的改性的聚苯乙烯-丁二烯橡胶水性粘合剂溶液)在转子造粒工艺中直接形成。将89?1:%的磷酸锂铁粉和llwt%的炭黑的干混合物置于设置在圆柱形腔室中的倒锥形表面上。当锥形表面以400RPM旋转时，以每分钟27克的速率将10wt%的粘合剂和90wt%水的溶液横向喷到粉末的旋转块上。50摄氏度的空气流在旋转的锥形表面和圆柱形腔室之间的间隙中向上流动，这确保了粉末被限制在锥体的旋转上表面上。当与水性粘合剂接触时，干粉混合物会集结成较大的颗粒。然后通过颗粒在旋转锥体的光滑上表面上的滚动运动将所述颗粒塑造成球形。60分钟后，停止喷洒粘合剂，并且在以70每分钟立方英尺流动的60摄氏度空气流中干燥当前被造粒的阴极材料的旋转块。由此制得具有146微米的平均颗粒直径的球形复合阴极颗粒。
[0128]阴极颗粒和阳极颗粒两者都通过一系列具有212微米、90微米、63微米、45微米的开孔(openings)的筛网。得到下列筛网筛分(cuts)的样品:大于212微米的颗粒，90和212微米之间的颗粒，63和90微米之间的颗粒，45和63微米之间的颗粒，以及小于45微米的颗粒。
[0129]基于测量的活性层孔隙率(在下文讨论)和颗粒体积，电极颗粒的孔隙率计算为介于约40和41体积％之间。
[0130]复合阳极网格由膨胀的铜箔制成，所述铜箔由被切缝并被膨胀至具有约70%的开放区域的125微米箔片形成。在热压机组(hot press set)中在200摄氏度下将箔片热粘结到500微米厚的高密度聚乙烯框架上。钢隔板(spacer)在热压机组中充当硬停止(hardstop)以将最终网格厚度设定为600微米。由此产生的层压结构具有被粘结至不间断的膨胀铜基板上的窗口状HDPE框架。
[0131]复合阴极网格由膨胀的铝箔制成，所述铝箔由被切缝并被膨胀至具有约70%的开放区域的125微米箔片形成。在热压机组中在200摄氏度下将箔片热粘结到1000微米厚的高密度聚乙烯框架上。钢隔板在热压机组中充当硬停止以将最终网格厚度设定为1100微米。由此产生的层压结构具有被粘结至不间断的膨胀铝基板上的窗口状HDPE框架。
[0132]具有单分散颗粒粒度分布的第一实施例(实施例1)阳极的形成如下文所述。将63-90微米的阳极颗粒、炭黑、聚丙烯绒毛(flock)、粘合剂和水分别以61wt%、l.9wt%>
0.2wt%>0.9wt%、36wt%的比例混合。在捏合该混合物之后,将所得的衆料涂糊在阳极复合网格上。将抹刀(trowel)经过(run across)所述复合网格表面以除去多余的衆料,获得均匀的电极厚度。
[0133]具有单分散颗粒粒度分布的第一实施例(实施例1)阴极的形成如下文所述。将63-90微米的阴极颗粒、炭黑、聚丙烯绒毛、粘合剂和水分别以59wt%、l.9wt%>0.2wt%>
0.9Wt%、38Wt%的比例混合。在捏合该混合物之后，将所得的浆料涂糊在阴极复合网格上。将抹刀经过所述复合网格表面以除去多余的浆料，获得均匀的电极厚度。
[0134]阳极涂糊网格和阴极涂糊网格两者都在氩气下于70摄氏度干燥24小时。
[0135]如此制造出的电极的孔隙率和孔隙尺寸分布由水银压入孔度计测定。测得实施例1电极的整体孔隙率为55体积％，如图11中所示，所述孔隙率一般是集中于两种孔隙尺寸，即约I微米(反映微观孔隙率或颗粒内部孔隙率)和约10微米(反映宏观孔隙率或颗粒间孔隙率)。
[0136]具有双模态颗粒粒度分布的第二实施例(实施例2)阳极的形成如下文所述。将小于45微米的阳极颗粒、大于212微米的阳极颗粒、炭黑、聚丙烯绒毛、粘合剂和水分别以12wt%>49wt%>l.9wt%>0.2wt% >0.的比例混合。在捏合该混合物之后，将所得的浆料涂糊在阳极复合网格上。将抹刀经过所述复合网格表面以除去多余的浆料，获得均匀的电极厚度。
[0137]具有双模态颗粒粒度分布的第二实施例阴极(实施例2)的形成如下文所述。将小于45微米的阴极颗粒、大于212微米的阴极颗粒、炭黑、聚丙烯绒毛、粘合剂和水分别以12wt%>47wt%>l.9wt%>0.2wt%>0.gwt^JSwt1^的比例混合。在捏合该混合物之后，将所得的浆料涂糊在阴极复合网格上。将抹刀经过所述复合网格表面以除去多余的浆料，获得均匀的电极厚度。
[0138]如此制造出的电极的孔隙率和孔隙尺寸分布由水银压入孔度计测定。测得实施例2电极的整体孔隙率为47体积％，如图11中所示，所述孔隙率一般是集中于约I微米的第一孔隙尺寸(反映微观孔隙率或颗粒内部孔隙率)以及穿过大的空隙尺寸分布(反映出所述小于45微米的阴极颗粒至少部分地填充了大于212微米的阴极颗粒之间的空隙的宏观孔隙率或颗粒间孔隙率)。
[0139]具有常规设计的第一比较例(比较例I)阳极的形成如下文所述。将原料石墨粉、炭黑、聚丙烯绒毛、粘合剂和水进行捏合以生产具有与实施例1和实施例2所述的相同的基本组成的阳极浆料，无任何颗粒的形成。在捏合该混合物之后，将所得的浆料涂糊在阳极复合网格上。将抹刀经过所述复合网格表面以除去多余的浆料，获得均匀的电极厚度。
[0140]具有常规设计的第一比较例(比较例I)阴极的形成如下文所述。将原料磷酸锂铁粉、炭黑、聚丙烯绒毛、粘合剂和水进行捏合以生产具有与实施例1和实施例2所述的相同基本组成的阴极浆料，无任何颗粒的形成。在捏合该混合物之后，将所得的浆料涂糊在阴极复合网格上。将抹刀经过所述复合网格表面以除去多余的浆料，获得均匀的电极厚度。
[0141]如此制造出的电极的孔隙率和孔隙尺寸分布由水银压入孔度计测定。测得比较例I电极的整体孔隙率为37体积％，如图11中所示，所述孔隙率一般是集中于约I微米的单一孔隙尺寸，其与实施例1和实施例2电极的微观孔隙率或颗粒内部孔隙率密切相关。孔隙在约100微米的轻微集中被认为是代表电极开裂。
[0142]如图11中所示，与具有常规设计的比较例I电极相比，具有单分散颗粒粒度分布的实施例1电极和具有双模态电极颗粒粒度分布的实施例2电极，分别表现出较高的整体孔隙率。
[0143]第一电池单体(实施例1)和第二电池单体(实施例2)和第一比较例(比较例I)电池单体的形成如下文所述。在每一种情况下，阳极、无纺玻璃纤维毡隔离件和阴极都被主要由碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯和含六氟磷酸锂盐的碳酸亚丙酯组成的非水性电解质饱和。阳极、隔离件和阴极形成的堆栈以这样的顺序堆叠并放置在一个圆柱形全氟烷氧基聚合物壳体内，其中在所述阳极和阴极的金属集电器设置在外部。不锈钢棒充当到电极的电流引线并通过接头配件(swaged fittings)密封住聚合物壳体，以形成真空密封的壳体。
[0144]然后将实施例1和实施例2以及比较例I制得的阳极和阴极组装成电池单体。每个电池充满电然后在两种不同条件下放电。图12示出了三种电池在3.9mA/cm2的恒定电流密度下放电的放电电压曲线。曲线1101代表实施例1电池(即:具有单分散颗粒粒度分布的电极)，曲线1102代表实施例2电池(即:具有双模态颗粒粒度分布的电极)，而曲线1111表示比较例I电池(即:传统电极)。放电终止在2.5V的低截止电压。图12示出了电池表现出在放电下增加的孔隙率和提高的容量利用率的正相关。
[0145]图13示出了三种电池在恒定的C-放电速率下放电的放电电压曲线，其中每种电池以在3小时内放完全部的理论容量的恒定速率放电。曲线1201代表电池实施例1 (即:具有单分散颗粒粒度分布的电极)，曲线1202代表电池实施例2 (即:具有双模态颗粒粒度分布的电极)，而曲线1211表示电池比较例1(即:传统电极)。图13示出了电池表现出在放电下增加的孔隙率和提高的容量利用率的正相关。
[0146]其他的复合阳极网格和阴极网格按照如上所述地制备，但具有不同的阳极厚度，即580微米(实施例3) ,900微米(实施例4)和1100微米(实施例5)，和不同的阴极厚度，即1100微米(实施例3)、1800微米(实施例4)和2100微米(实施例5)。使用这些网格以与实施例1中所述的相同的方式生产电极。以与电池实施例1中描述的相同的方式通过将580微米的阳极和1100微米的阴极(电池实施例3)配对、将900微米的阳极和阴极1800(电池实施例4)配对和将1100微米的阳极和2100微米的阴极(电池实施例5)配对组装成三种电池。在实施例1所述的恒定C/3的C-速率下对电池实施例1、电池实施例2、电池实施例3进行测量，其中放电电压曲线显示在图14中。曲线1203代表电池实施例3，曲线1204代表电池实施例4，曲线1205代表电池实施例5。图14显示了对于高的电极厚度而言高的容量利用率(例如:高于约70% )得以维持，但可能随着进一步增加的厚度而减少。容量利用率通常被定义为与理论容量相比，基于提供的比容量和活性材料量的电极容量的实际利用率。
[0147]如本文所使用的，术语“近似”、“约”、“大致”以及类似术语意在包含与普遍的以及本公开内容的主题所属领域的那些普通技术人员能够接受的用法一致的广泛含义。那些阅读了本公开内容的本领域技术人员应理解这些术语意在允许对所述和所要求保护的某些特征的描述，而不将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应该被解释为表示所述和所要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修饰或改变被认为落入如所附权利要求所要求保护的本发明范围之内。
[0148]应当注意的是，在本文中用于描述各种实施方案的术语“示例性”目意在表明，这样的实施方案是可能的实例、可能的实施方案的代表和/或阐述(并且这样的术语并不旨在意味着这样的实施方案必然是非凡的或最好的实例)。
[0149]本文所用的术语“耦合”、“连接”等是指两个部件彼此直接或间接结合。这样的结合可以是静止的(例如:永久性的)或可移动的(例如:可拆卸的或可释放的)。这样的结合可以通过两个构件实现或通过两个构件和任何附加的中间构件实现，其中所述两个构件和所述中间构件彼此形成为单个整体，或者通过两个构件实现或通过两个构件和任何附加的中间构件实现，其中所述两个构件和所述中间构件彼此连接。
[0150]本文提及的元件的位置参考(例如:“顶部”，“底部”，“上方”，“下方”，等等)仅仅用于描述附图中各元件的取向。但应注意的是，各元件的取向可以根据其他示例性实施方案而有所不同，并且这种变化意在由本公开内容涵盖。
[0151]重要的是要注意各个示例性实施方案中所示的双重齿轮组件(dualgearassemblies)的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开内容中只对若干个实施方案进行了详细的描述，但那些阅读了本公开内容的本领域技术人员将容易地理解多种改变是可能的(例如:尺寸、维度、结构、形状及各元件的比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色方向等方面的变化)，而不本质上脱离本文描述的主题的新教导和优点。例如，显示为整体形成的元件可以由多个零件或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其他方式改变，并且离散元件的性质或数量或位置可以改变或变化。任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据备选实施方案改变或重新排序。还可以在各种示例性实施方案的设计、操作条件和布置中做出其他替换、修饰、改变和省略，而不脱离本发明的范围。
【权利要求】
1.一种用于锂离子电池的电极，所述电极包括: 含有多个复合电极颗粒的活性层，所述复合电极颗粒为非空心的，并且各自包含活性材料和粘合剂材料；和集电器； 其中所述活性层设置在所述集电器的第一侧部上并具有按体积计大于约40%的整体孔隙率，所述整体孔隙率包括颗粒内部孔隙率和颗粒间孔隙率两者；并且其中用适用于锂离子电池中的化学配置所述电极。
2.根据权利要求1所述的电极，其中每个复合电极颗粒具有低于约45%的孔隙率。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中每个复合电极颗粒进一步包括不同于所述活性材料和所述粘合剂材料的导电材料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中每个复合电极颗粒为转子造粒的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述电极为刚性的平板电极。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述活性层具有大于约400微米的厚度。
7.根据权利要求6所述的电极，其中所述活性层的厚度小于约1000微米。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述电极是负极。
9.根据权利要求8所述的电极，其中所述活性材料是石墨。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的电极，其中所述活性层的厚度在约900微米至1500微米之间。
11.根据权利要求10所述的电极，其中所述活性材料是LiFeP04。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述多个复合电极颗粒不是被热压至形成所述活性层。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述活性层具有一定体积，并且所述活性层的所述体积的约15% -40%是在所述复合电极颗粒之间。
14.根据权利要求13所述的电极，其中所述活性层的所述体积的约20%-30%在所述复合电极颗粒之间。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述活性材料构成每个复合电极颗粒的约60wt% -98wt% ,并且所述粘合剂材料构成小于约15wt%。
16.根据权利要求15所述的电极，其中所述活性材料构成每个复合电极颗粒的约85wt% -97wt%,并且所述粘合剂材料构成每个复合电极颗粒的约lwt% -8wt%。
17.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述活性层具有大于约50%的孔隙率。
18.根据权利要求17所述的电极，其中所述活性层具有介于约50%和60%之间的孔隙率。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述复合电极颗粒具有介于约25微米和250微米之间的平均直径。
20.根据权利要求19所述的电极，其中所述复合电极颗粒具有介于约25-125微米之间的平均直径。
21.根据权利要求20所述的电极，其中所述复合电极颗粒具有介于约50-100微米之间的平均直径。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的电极，其中所述平均直径具有小于所述平均直径的大约一半的标准偏差。
23.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述复合电极颗粒具有比所述活性材料颗粒的平均直径大大约3倍的平均直径。
24.根据权利要求1-16和19-23中任一项所述的电极，其中所述活性层具有介于约40 %和50 %之间的孔隙率。
25.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述多个复合电极颗粒具有多模态粒度分布。
26.根据权利要求25所述的电极，其中所述多个复合电极颗粒的第一组具有小于约50微米的平均直径，并且所述多个复合电极颗粒的第二组具有大于约200微米的平均直径。
27.根据权利要求26所述的电极，其中所述复合电极颗粒的第一组构成所述活性层的约15wt% _25wt%,并且所述复合电极颗粒的第二组构成所述活性层的约80wt% -90wt%。
28.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述活性层包括第二粘合剂材料和第二导电材料，其导电性地将所述复合电极颗粒彼此连接。
29.根据权利要求28 所述的电极，其中所述活性层包括机械絮凝物。
30.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述电极进一步包括具有集电器和聚合物框架的网格结构，所述集电器和所述聚合物框架限定出凹部，所述活性层通常置于所述凹部中。
31.根据权利要求30所述的电极，其中所述非导电性框架通常限定了所述活性层的厚度。
32.根据权利要求30至31中任一项所述的电极，其中所述集电器包括金属材料并且所述聚合物框架包括聚合物材料。
33.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其进一步包括含有多个复合电极颗粒的第二活性层，所述复合电极颗粒为非空心的并具有活性材料和粘合剂材料； 其中所述第二活性层设置在所述集电器的第二侧部上并具有大于约40%的孔隙率。
34.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述复合电极颗粒具有比所述活性层的厚度少大约20%的平均直径。
35.一种电池，其包括根据前述任一项权利要求所述的电极、极性相反的电极、电解质和所述电极之间的隔离件。
36.根据权利要求35所述的电池，其中所述负极之一为具有石墨活性材料并且容量比所述正极大大约10%的负极。
37.一种用于制造权利要求1-34中任一项所述的电极的方法，所述方法包括: 将所述活性材料和粘合剂材料进行转子造粒以形成所述复合电极颗粒； 将所述复合电极颗粒与粘合剂材料、导电剂以及溶剂混合以形成电极糊； 提供具有聚合物框架和集电器的电极框； 将所述电极糊提供至所述集电器上；并 干燥或固化所述电极糊以形成刚性平板电极。
38.根据权利要求37所述的方法，其中将所述电极糊供至所述集电器上的步骤包括:对所述电极糊施加足够的力以除去所述电极糊中的大空隙，并提供所述电极颗粒之间的电接触但不使电极颗 粒发生显著变形降解。
【文档编号】B02C19/00GK104053507SQ201380005688
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年1月16日 优先权日:2012年1月17日
【发明者】B·霍, B·吴 申请人:巴拉斯特能源有限公司