具有浮雕图案的电极的制作方法

专利名称：具有浮雕图案的电极的制作方法
技术领域：
本公开涉及用于电化学电池的电极以及用这些电极制备的电化学 电池。
背景技术：
在很多电子设备中都含有可充电的锂离子电池。大多数市售的锂 离子电池都具有负极，此负极中包括如石墨等能够在充电期间通过插 层反应机理结合锂的材料。此类插层反应型电极通常具有良好的循环 寿命和库仑效率。然而，每单位质量的插层反应型材料可结合的锂的 量却相对较低。
还已知第二类负极材料，可在充电期间通过合金化机理结合锂。 虽然这些合金型材料的每单位质量通常比插层反应型材料结合更多的 锂，但将锂添加到合金中通常会附带大的体积变化。 一些合金型负极 表现出相对较短的循环寿命和较低的能量密度。
这些合金型负极的较差性能是由于合金的锂化和脱锂化引起负极 的大体积变化所致。当这些电极结合到锂离子电池中时这种体积变化 可导致大的内部应力的产生。因此负极在正常充电/放电过程中可以沿 所有方向伸縮。这种伸展可以引起内部应力，内部应力可以例如使集 电器畸变、使集电器撕裂和/或使电池隔板破碎。这些效应的任何一个 都会严重降低循环寿命并且还不利地影响电池安全。

发明内容
根据以上所述，已经认识到存在设计出可以忍受内部应力的电化 学电池的需要，该内部应力由充电和放电期间包含合金负极材料的负 极的体积膨胀产生。
在一个方面，提供了一种用于电化学电池的电极，该电极包括集 电器和与集电器电接触的活性材料，其中所述电极具有浮雕图案。
在另一个方面，提供了一种制备电极的方法，包括向集电器中添 加活性材料以及为包括活性材料的集电器提供浮雕图案。
在另一个方面，提供了一种包括负极、正极和隔板的电化学电池， 其中负极、正极或这两者都包括集电器和与集电器电接触的活性材料， 其中包括与集电器电接触的活性材料的电极中的至少一个具有浮雕图 案。
在本专利申请中
术语"一"、"一个"和"该"与"至少一种"可互换使用，指 一种或多种被描述的要素；
术语"金属"是指元素态或离子态的金属和准金属(例如碳、硅 和锗)；
术语"合金"是指两种或更多种金属的组合物，该组合物的物理
特性与任何金属本身的物理特性都不相同；
术语"锂化"和"锂化反应"是指将锂添加到电极材料的过程； 术语"脱锂化"和"脱锂化反应"是指将锂从电极材料中移除的
过程；
术语"活性材料"是指可以发生锂化和脱锂化反应的材料； 术语"非活性材料"是指不能够发生锂化和脱锂化反应的材料； 术语"粉末"或"粉末材料"是指在一个维度上平均最大长度不超过约lOOpm的粒子；
术语"充电"是指为电池提供电化学能量的过程；
术语"放电"是指移除电池中电化学能量的过程，如使用电池进
行所需的工作；
短语"正极"是指放电期间发生电化学还原反应和锂化反应的电极(通常称为阴极)；以及
短语"负极"是指放电期间发生电化学氧化反应和脱锂化反应的电极(通常称为阳极)；
术语"凸起结构"用于描述浮雕图案中的压印元件；
术语"浮雕图案"是指在薄板上的可以在薄板平面上或下或者既在薄板平面上又在薄板平面下伸展的凸起结构。浮雕图案可以为在表面上的凸起结构的规则阵列、凸起结构的无规排列、凸起结构的不同规则或无规排列的组合或凸起结构的任何排列的形式，此外凸起结构可以由一种、两种、三种或更多种等级的深度组成。另外短语"浮雕图案"可以是指具有或不具有凸起结构的电极的皱褶。浮雕图案可以在电极的平面上或在电极的平面下(通常称为击凹)或者既在电极平面上又在电极平面下，并且可以包括凸形或凹形元件，或者两者都包括；以及
术语"z-方向"和"z-方向尺寸"是指在电极平面上或下并且垂直于电极平面的浮雕图案的最大延伸。


图1 a示出了具有凸点的方形点阵图案的电极的实施例。
图lb示出了具有凸点的三角形点阵图案的电极的实施例。
图lc示出了具有波纹状褶绉的电极的实施例。
图ld示出了具有正弦形状的波浪形褶绉的电极的实施例。
图le示出了在两个边缘上具有斜面的、波浪形褶绉的电极的实施例。
图2为在本公开的另一个实施例中的锂离子电化学电池的巻心(jellyroll)构造的分解图，该锂离子电化学电池包括具有浮雕图案的电极。
图3a和3b示出了两个巻心构造的电化学电池的实施例。图3a具有一个电极，该电极具有凸点的方形点阵图案，另一个电极为平面的。图3b具有两个都为平面的电极。
具体实施例方式
本文所有数字均认为是被术语"约"修饰。由端值表述的数值范围包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、 1.5、 2、 2.75、3、 3.80、 4和5)。
所提供的电极包括集电器和与集电器电接触的活性材料。集电器可以为本领域已知的任何材料或材料的组合。例如，通常用于锂离子电化学电池的集电器包括用于正极的导电金属或合金(例如铝或铝合金)以及用于负极的铜、不锈钢、镍以及它们的组合的金属箔。金属箔的厚度可以为约5至约2(Him。集电器还可以包括聚合物薄膜，该聚合物薄膜包括导电涂层或薄膜。
因此，提供至少一种与集电器电接触的活性材料。可以采用多种活性材料。这些活性材料可以为复合涂层中的粉末形式或作为(例如)溅射薄膜的活性材料沉积层的形式。用于负极的活性材料可以为单个化学元素或合金的形式。用于负极的示例性活性材料可以包括(例如)一种或多种金属或准金属，例如碳、硅、银、锂、锡、铋、铅、锑、锗、锌、金、铂、钯、砷、铝、镓和铟。用于负极的活性材料还可以包括一种或多种非活性元素，例如钼、铌、钨、钽、铁、铜、钛、钒、铬、锰、镍、钴、锆、钇、镧系元素、锕系元素和碱土金属。合金可以为无定形的，可以为晶体或纳米晶，或者以不止一种相存在。粉末在一个方向上的最大尺寸可以不大于100pm、不大于8(Him、不大于60pm、不大于40(im、不大于20pm、不大于2pm，或甚至更小。例如，粉末材料的粒径(最小尺寸)为亚微米，至少0.5iim、至少lpm、至少2pm、至少5(im、或至少lOpm,或甚至更大。例如，合适粉末的尺寸通常为0.5lim至100nm、0.5pm至80pm、0.5pm至60lim、0.5)Lim至40pm、0.5拜至2.0(im、 10,至60)Lim、 20,至60,、 40|im至60,、 2pm至40,、 10(im至40nm、 5|im至20,、或10,至20,。
当合金以不止一个相存在时，初始存在于粒子中(即，在第一锂
化之前)的每一个相可以与粒子中的其他相接触。例如，在基于硅铜银合金的粒子中，硅相可与硅化铜相和银或银合金相接触。在粒
子中的每一个相例如在一个方向上的最大尺寸可以为小于约50nm、小于约40nm、小于约30nm、小于约20nm、小于约15nm或甚至更小。
示例性的含有硅的活性材料包括硅合金，其中活性材料包含约50摩尔％ (mol%)至约85摩尔％的硅，约5至约12摩尔°/。的铁，约5摩尔％至约12摩尔％的钛，以及约5至约12摩尔％的碳。另外，活性材料可以是纯硅。可用的硅合金的更多实例包括含有硅、铜和银或银合金的组合物，例如美国专利申请公开No. 2006/0046144 (Obrovac等人)中所述的那些；多相、含硅电极，例如美国专利申请公开No.2005/0031957 (Christensen等人)中所述的那些；包含锡、铟和镧系元素、锕系元素或钇的硅合金，例如美国专利公开No. 2007/0020521、2007/0020522、以及2007/0020528 (均授予Obrovac等人)中所述的那些；具有高硅量高的无定形合金，例如美国专利公开No. 2007/0128517(Christensen等人)中所述的那些；用于电极的其他粉末材料，例如美国专利公开No. 2007/0269718 (Krause等人)、美国专利公开No.2007/0148544(Le)、 PCT公开No. WO2007/044315 (Krause等人)以及美国专利No. 6,203，944(Turner)中所述的那些。
本公开的电极还可以包括含有活性材料、石墨和粘结剂的复合材料。包括石墨的负极的实例在申请人共同未决的专利申请U.S.S.N.11/679，591 (Christensen等人)中公开。
可用的负极还可以提供为直接粘附到集电器并与集电器电接触的活性材料薄膜。可以例如使用蒸发或化学气相沉积、等离子沉积或溅射将薄膜施加到集电器。薄膜可以为纯元素或合金的形式。薄膜可以为纯硅。薄膜可以为仅包括活性元素或者既包括活性元素又包括非活
性元素的合金。可用的薄膜负极的实例在美国专利No. 6,203,944、6,255,017、 6,436,578以及6,699,336 (均为Turner或Turner等人)中
有所描述。
用于制备本公开的电化学电池和电池或电池组的正极的可用活性材料包括锂。正极活性材料的实例包括！^4/3115/304、 LiV308、 LiV205、LiCoo.2Nio.802、 LiNi02、 LiFeP04、 LiMnP04、 LiCoP04、 LiMn204和LiCo02;包括钴、锰和镍的混合金属氧化物的正极活性材料组合物，如美国专利No. 6，964，828、 7,078,128 (Lu等人)中所述的那些；以及纳米复合正极活性材料，如美国专利No. 6,680,145 (Obrovac等人)中所述的那些。
本公开的电极可以包括粘结剂。示例性的聚合物粘结剂包括聚烯烃，例如由乙烯、丙烯、或丁烯单体制备的那些；氟化聚烯烃，例如由偏二氟乙烯单体制备的那些；全氟化聚烯烃，例如由六氟丙烯单体制备的那些；全氟化聚(烷基乙烯基醚)；全氟化聚(烷氧基乙烯基醚)；或它们的组合。聚合物粘结剂的具体例子包括偏二氟乙烯、四氟乙烯和丙烯的聚合物或共聚物；以及偏二氟乙烯和六氟丙烯的共聚物。
在一些电极中，可以交联粘结剂。交联可提高粘结剂的机械性能，并且可改善活性材料组合物与可能存在的任何导电稀释剂之间的接触状况。其他粘结剂包括聚酰亚胺，例如美国专利公开No. 2006/0099506(Krause等人)中所述的芳族、脂肪族或环脂族聚亚酰胺。
包括粘结剂的电极可以包括如在共同拥有的专利申请U.S.S.N.11/671,601(Le)中公开的聚丙烯酸锂。聚丙烯酸锂可通过用氢氧化锂中和聚(丙烯酸)来制备。在本专利申请中，聚(丙烯酸)包括任何丙烯酸或甲基丙烯酸或其衍生物的聚合物或共聚物，其中至少约50摩尔％、至
少约摩尔％、至少约70摩尔％、至少约摩尔％、或至少约90摩尔％的 共聚物使用丙烯酸或甲基丙烯酸制成。可用于形成这些共聚物的可用 单体包括(例如)具有1至12个碳原子的烷基(支链或非支链)的丙 烯酸或甲基丙烯酸的垸基酯、丙烯腈、丙烯酰胺、N-烷基丙烯酰胺、 N,N-二烷基丙烯酰胺、丙烯酸羟基烷基酯等等。特别要关注的是丙烯 酸或甲基丙烯酸的水溶性聚合物或共聚物，尤其是在中和作用或部分 中和作用之后。水溶性通常取决于聚合物或共聚物和/或组合物的分子 量。聚(丙烯酸)的水溶性非常好，并且优选地与具有大摩尔份数的丙烯 酸的共聚物一起使用。聚(甲基丙烯酸)的水溶性较差，尤其是分子量较 大时。
为制备正极或负极复合物涂层，将活性粉末材料、任何选择的添 加剂(例如粘结剂、导电稀释剂、填料、增粘剂、用于调节涂层粘度 的增稠剂(例如羟甲基纤维素(CMC)))，以及本领域内的技术人员已 知的其他添加剂混入合适的涂层溶剂(例如水或N-甲基吡咯垸酮 (NMP))中，以形成涂层分散体或涂层混合物。将分散体彻底混合，然 后将其通过任何合适的分散体涂布技术(例如刮涂、凹棒涂布、浸涂、 喷涂、电喷涂布或凹版印刷涂布)施加到金属箔集电器。集电器通常 为导电金属箔，例如铜、铝、不锈钢或镍金属箔。将浆液涂布到集电 器金属箔上，并随后在空气中干燥，然后通常在通常约8(TC至约300 。C的热烘箱中干燥约一小时，以移除溶剂。
本公开提供用于电化学电池的具有浮雕图案的电极。此外，本公 开提供在锂离子电化学电池中的电极。除了如在本公开中讨论的以及 其可预见的修改形式之外，本公开不限于浮雕图案的凸起结构的排列、 浮雕图案的凸起结构的形状或外形或凸起结构的一个或多个深度。
包含负极活性材料的典型电极可以具有5nm至200pm的z-方向尺 寸并且体积可以膨胀小至10%或多至300%。这种膨胀可以沿垂直于电极表面的方向进行，与约lpm至约lOOpm范围内的z-方向尺寸变化相 对应。根据本公开，在电化学电池中的一个电极或两个电极都可以包 括浮雕图案。电极中的浮雕图案具有增加一个电极或两个电极的总z-方向尺寸的效果。在给锂离子电池充电期间，负极的体积膨胀可使得 压印电极中的浮雕图案变平。在本公开的模式中，在一个电极或两个 电极上的浮雕图案可以提供适应负极体积膨胀的空间。浮雕图案可以 将总电极z-方向尺寸增加一个量，该量约等于由锂化期间负极膨胀引 起的z-方向尺寸增加。例如，在用浮雕图案压印之后电极增加的z-方 向尺寸可以小于约lmm，小于约0.5mm，小于约O.lmm，小于约50pm， 小于约25inm，小于约10fim或甚至更小。
本公开不限于浮雕图案的凸起结构的形状或纵横比。凸起结构可 以被倒圆，以便在压印过程期间不影响电极涂层粘合到集电器并且在 循环期间还可以提供更均匀的电流分布。或者，凸起结构可以为圆形、 方形、椭圆形的形状或其他规则形状或不规则形状。电极还可以为波 纹状的。所谓波纹状是指电极可以成形为褶皱或大体平行的交替脊和 槽。还设想脊和槽可以被倒圆。另外凸起结构可以以大体正弦形式起 伏以使得当从边缘上看时电极具有大体正弦的横截面是可以的。在波 纹状电极上具有小的凸起结构也是可以的。
本公开也不限于浮雕图案的凸起结构的外形。浮雕图案的凸起结 构的外形可以包括任何已知的形状，并且可以包括(例如)被倒圆的 或为球体、椭圆、椭圆体、抛物面等形状的外形。凸起结构的外形可 以具有被倒圆的边缘、斜面边缘、多级边缘或不规则边缘。外形还可
以被变形为任何规则的或不规则的三维图案。还可以存在由任何已知 的方法(包括用不止一个凸起结构制备压印模具或将电极多次通过不 同的压印模具)产生的多级图案。
本公开也不限于浮雕图案的凸起结构的排列。在本公开的一个实 施例中，凸起结构可以以图案形式或无规地差不多均匀分布于整个电极涂层中，使得负极体积膨胀的适应被均匀分布。浮雕图案的凸起结 构的合适排列包括方形点阵排列、三角形点阵排列或无规排列。凸起 结构之间的间距还可以允许容易地巻绕电极以及在充电期间负极体积
膨胀的均匀适应。凸起结构之间的合适间距可以小于约2cm，小于约 lcm，小于约5mm，小于约2mm，小于约0.5cm，小于约O.lmm或甚 至Omm (对于连续的凸起结构，例如波浪形或正弦结构而言)。
一些示例性的浮雕图案在图la-le中示出。图la示出了其中电极 110已经设置有凸点的压印方形点阵图案的实施例。这些点穿过金属箔 的平面突出，使得在电极的一侧上这些点为凸起的凸形表面而在电极 的另一侧上这些点为凹陷的凹形表面。图lb示出了其中电极120具有 凸点的压印三角形点阵图案的实施例。图lc示出了其中电极130为波 纹状的并且具有大体v形形状的褶绉或折叠的实施例。图ld示出了其 中电极140具有大体正弦形状的波纹状和波浪形褶皱的实施例。图le 示出了其中电极150在两个边缘上具有斜面的和波浪形褶绉的实施例。 电极150在其中心具有平面区域152，并且在两个边缘154上具有斜面 的、波纹状的起伏。
设想电极的边缘可以具有压印的浮雕图案。电极的全部边缘可以 具有压印的浮雕图案，仅一些边缘具有压印的浮雕图案，仅一个边缘 可以具有压印的浮雕图案，仅边缘的一部分具有压印的浮雕图案，或 者在一些实施例中，可以没有边缘具有压印的浮雕图案。例如，在制 成细长矩形(巻筒)的电极中，有时有利的是沿着巻筒的一个或多个 长边缘具有压印的浮雕图案。这在图le中示出。有时，在构造电化学 电池时，尤其是在锂离子电化学电池中阳极的区域可以大于阴极的区 域。在这种情况下，可能有利的是仅沿着延伸超出阴极尺寸的阳极的 那些边缘具有压印的浮雕图案。本公开所有提及的方面可以结合使用 和以任何组合使用。也就是说，负极、正极或是这两个电极都可以具 有一个或多个压印的浮雕图案，并且负极还可以包括一个或多个压印 的边缘。在巻筒形的电化学电池中，有时期望的是将插片222附连到电极的末端以增强电接触。该插片可以通过焊接附接到电极。对于电 极的压印区域不可取的是包括电极插片222可以附连到其上的电极区 域。压印图案可以妨碍将插片良好焊接到电极上。
本公开的另一个方面描述了制备电极的方法，包括将活性材料添 加到集电器，并且为集电器提供浮雕图案。添加活性材料可以包括施 加涂层。涂层可以由本领域技术人员已知的任何方法添加。例如，在 溶剂中活性材料可以被涂布为分散体。其可以被气相沉积。其可以被 层合或电镀。
在将活性材料添加到集电器之后，电极可以被压延或不经压延。 如果电极被压延，则可以在为包括活性材料的集电器提供浮雕图案之 前完成压延步骤，使得浮雕图案在处理期间没有被平滑或抹去。
为包括活性材料的集电器提供浮雕图案可以通过使电极穿过一个 或多个压花辊完成。可以加热或不加热压花辊。在一个方法中，压花 辊可以包括具有浮雕图案的正雕刻的辊和具有浮雕图案的负压痕的对 辊。在另一个实施例中，可以使用浮雕图案的图像雕刻一个棍，可以 使用平滑橡胶处理的或者说是弹性体的表面覆盖对辊。在另一个实施 例中，为包括活性材料的集电器提供浮雕图案可以通过使用(例如) 液压机在板之间按压电极实现。例如，可以在具有浮雕图案的正和负 雕刻的一组匹配板(或者一个板可以雕刻有浮雕图案的图像而另一个 板提供有橡胶处理的或者说是弹性体的表面)之间按压电极。
在另一个实施例中，为包括活性材料的集电器提供浮雕图案可以 通过使包括弹性体薄板、电极和打孔或者说是雕刻有浮雕图案的负图 像的薄板的层叠件通过一组辊实现。这可以在一个步骤或多个步骤中 完成。
用于提供浮雕图案的压力可以小至约500kPa，小至约200kPa，小
14至约100kPa，小至约50kPa或甚至更小或高于约500kPa，高于约 1000kPa或甚至更高。在处理期间的温度还可以不被限制并且可以低于 约2(TC，低于约15X:或甚至更低，或高于约20'C，高于约3(TC，高 于约60。C，高于约10(TC，高于约15(TC或甚至更高。
在为包括活性材料的集电器提供浮雕图案之前可以压延包括复合 活性材料的电极。在压力作用下将电极通过两个或更多个辊实现压延。 可任选地，可以加热或冷却辊中的一者或多者。辊可以施加从约 100MPa,从约500MPa，从约750MPa，或从约lOOOMPa，或甚至更高 至约2000MPa，至约1500MPa，至约lOOOMPa，至约750MPa或甚至 更低的压力。
本公开的另外方面提供包括负极、正极和隔板的电化学电池，其 中负极、正极或负极和正极都包括集电器和与集电器电接触的活性材 料，其中包括与集电器电接触的活性材料的电极中的至少一个具有浮 雕图案。本公开的电化学电池可以包括隔板。它们还可以包括电解质。
通过取出正极和负极中的至少一个并将它们放置在电解质中制备 本公开的电化学电池，其中电极中的至少一个包括与集电器电接触的 活性材料并且具有如上所述的浮雕图案。通常，使用微孔隔板(例如 CELGARD 2400微孔材料，可得自北卡罗来纳州夏洛特市的赫斯特有 限公司(Hoechst Celanese, Corp., Charlotte, N.C.))来阻止负极与正极直 接接触引起的电路短路。
本发明所公开的锂离子电池可使用多种电解质。代表性的电解质 包含一种或多种锂盐以及固体、液体或凝胶形式的电荷传输介质。示 例性锂盐包括LiPF6、 LiBF4、 LiC104、双(乙二酸)硼酸锂、LiN(CF3S02) 2、 LiN (C2F5S02) 2、 LiAsF6、 LiC (CF3S02) 3以及它们的组合。示例 性的电荷传输介质在电池电极可工作的电位窗和温度范围内稳定并且 无凝固或沸腾，该介质能够溶解足量的锂盐，以使得能够将适量电荷从正极传送到负极，并且该介质在所选的锂离子电池中工作性能良好。
示例性的固体电荷传输介质包括聚合物介质，例如聚氧化乙烯、聚四
氟乙烯、聚偏氟乙烯、含氟共聚物、聚丙烯腈、它们的组合，以及本 ^S+孟rib ^J** A吕勃.来的甘袖FSUtIc/n活 斋伤i卜吐的、戚/f太由益/f去J俞介质
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包括碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙甲 酯、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸氟代亚丙酯、 Y-丁内酯、二氟乙酸甲酯、二氟乙酸乙酯、二甲氧基乙垸、二甘醇二 甲醚(双(2-甲氧基乙基)醚)、四氢呋喃、二氧戊环、它们的组合，以及
本领域内的技术人员熟悉的其他介质。示例性的电荷传输介质凝胶包
括美国专利No. 6,387,570 (Nakamura等人)和6,780,544(Noh)中所描 述的那些。可通过添加合适的助溶剂来提高电荷传输介质的增溶能力。 示例性的助溶剂包括与包含所选电解质的Li离子电池相容的芳香族材 料。代表性的助溶剂包括甲苯、环丁砜、二甲氧基乙垸、它们的组合， 以及本领域内的技术人员熟悉的其他助溶剂。电解质可包含本领域内 的技术人员熟悉的其他添加剂。例如，电解质可以包括氧化还原化学 穿梭(chemical shuttle)，例如在美国专利No. 5,709,968 (Shimizu)、 5,763,119 (Adachi) ; 5,536,599 (Alamgir等人);5,858,573 (Abraham 等人);5，882,812(Visco等人)；6,004,698(Richardson等人)；6,045,952 (Kerr等人)；以及6,387,571 (Lain等人)；以及美国专利申请公开 No. 2005/0221168、 2005/0221196、 2006/0263696和2006/0263697 (均 授予Dahn等人)中所描述的那些。
电化学电池可以被构造为多种几何形状。在电池中电极通常作为 矩形或圆形薄板采用。典型的是制备包括隔板夹在负极和正极之间的 负极薄板和正极薄板的层叠件以形成层状结构。在硬币电池中，例如 2325硬币电池，可以将层状结构的元件切割为圆盘，使得它们形成大 体竖直的层叠件，该大体竖直的层叠件随后可以被插入到硬币电池的 主体中。还可以形成包括负极、隔板和正极的大体竖直的层叠件，这 些层叠件为多种几何形状，例如(但不限于)方形、矩形、三角形、 规则形状的多边形或任何不规则形状的多边形。大体竖直的层叠件还
16可以为矩形，其中两个维度方向的尺寸相当不同。例如，图la-le显示 了为细长矩形形状的本公开的负极。这些电极中的一个可以结合相似 形状的正极和隔板(夹在之间)以形成具有短尺寸和长尺寸的竖直层 叠件。在一些电化学电池设计中，上述细长的竖直层叠件可以紧密巻 绕成称为"巻心"的巻筒。图2示例性地示出锂离子电化学电池元件 200的巻心构造。巻心具有围绕芯240缠绕的四层。在该实例中，最内 层为没有压印或皱褶的涂布的正极210。临近该层为隔板层230。接下 来为具有焊接到其短边缘的插片222的涂布的压印负极220。最后另一 个隔板层230为最外层。阴极层210在其最内边缘上具有插片(在图 中不可见)，其可以电附接到芯240以及电极210的边缘。这四层紧 密围绕芯缠绕。然后可以将巻心置于例如罐或小袋的容器中，随后可 以用电解质填充该容器以形成圆柱形电化学电池。巻心还可以变平并 且置于容器中以形成棱柱状电池。
巻心的两个实施例由图3a和3b示出。图3a示出了由与用于制备 如图2中所述的巻心200相同的方法制备的巻心310，不同的是在巻心 310中压印的图案为凸点的三角形点阵图案。阳极被压印，阴极为平的。 图3b为使用具有与图3a中相同的元件和尺寸的层制备的巻心320，不 同的是在图3b中两个电极都是平的。这些示例举例说明了具有压印电 极的巻心比不含任何压印电极的巻心占据了更多的空间。在图3a中的 巻心在压印图案之间提供空间以用于伸縮。
还设想出竖直层叠件可以包括多层。例如，可以采用负极、隔板 和正极竖直层叠件并通过在外部电极之间放置另外的隔板使得它们彼 此不电接触将上述层叠件放置在另一个竖直层叠件上。因此，可以按 这种方式制备多个竖直层叠件。
本发明所公开的电池可用于多种器件中，包括便携式计算机、平 板显示器、个人数字助理、移动电话、电动化器件(例如，电器和媒 介物)、仪器、照明装置(例如，闪光灯)、以及加热装置。本发明的一个或多个电化学电池可以组合形成电池组。有关可充电锂离子电 池和电池组构造和用途的进一步细节是本领域技术人员熟悉的。
在以下的示例性实例中对本公开进行进一步说明，其中除非另外 指明，所有百分比均按重量％计。
实例
准备实例1-合金粉末
合金组合物Si74.8Fe12.6Ti12.6如下来制备在电弧炉中熔融硅块 (123.31克，阿法埃莎(Alfa Aesar) /99.999%，密西西比州的沃德山 (Ward Hill, MS))、铁片(41.29克，阿法埃莎/99.97%)和海绵钛(35.40 克，阿法埃莎/99.7%)。使合金铸块破碎并将其研磨以生成粒子的长尺 寸大约为150pm的合金粉末。
由Si74.8Fe12.6Ti12.6合金粉末(2.872g)和石墨(0.128g) (TIMREX SFG44，瑞士鲍迪奥(Bodio， Switzerland)的TimCal有限公司)，于氩气 氛下在具有十六个碳化鸨球(3.2mm直径)的Spex研磨机(新泽西州 美图辰(Metuchen, NJ)的Spex CERTIPREP集团公司)中通过反应性球
磨一小时制备Si66.sFeu.2Tiu.2Cu.2合金。
实例1
如下制备具有64.02重量％的合金粉末Si66.5Fen.2Ti".2Cu.2 (平均 粒度lpm，密度二3.65g/cm3) 、 32.98重量％的TIMREX SLP30石墨粉 末(密度二2.26g/cm3， doo2=0.3354-0.3356纳米，TimCal有限公司)、 2.5重量％的聚丙烯酸锂以及0.5重量％的羟甲基纤维素的组合物的负 极。
在罗斯行星搅拌机(纽约Charles Ross and Son公司)中将2.3kg 的去离子水、93.23g的聚(丙烯酸)(分子量450，奥德里奇)和31.08g 的LiOH混合1小时。将3.00kg的合金粉末、1.545kg的SLP-30石墨和23.67g的CMC (7H3SF型纤维素胶，赫尔克里，特拉华州的威尔明 顿市(Wilmington DE))的干粉混合物缓慢添加到该溶液中。在添加之 后，将分散体混合1.5小时。使用刮刀涂布辊以30.5cm/min的速度将 所得的浆料涂布到Hirano涂布机上的10|im铜金属箔上。在保持在约 3(TC的三区烘箱中在氮气流动下干燥涂层。随后，涂布金属箔的两侧。
在约lOOOMPa的压力下将该干燥的涂层按压到压延辊中，之后其 厚度为70pm。然后将电极切成58mm宽、780mm长的片。使用湿布将 电极涂层区域从电极一端的两侧中移除，以暴露l.Ocm的铜金属箔集 电器。完成该步骤以在后面步骤中允许将插片焊接到电极上。然后将 电极放置到12.7cmX122cm的16码钢板上，钢板上穿孔有三角形点阵 图案的圆孔，孔直径为0.159cm并且孔中心之间的距离为0.277cm。然 后将0.70mm厚的橡胶薄板放置到电极上(例如)以覆盖除了涂层已从 其中移除(针对插片)的电极区域之外的整个电极。然后使该组件穿 过一对钢棍，调节辊之间的间隙使得在穿过辊之后电极设置有凸点图 案并且压印电极的厚度为llO)im。
将如上所述制备的负极巻绕成如图2所示的巻心，使得隔板和金 属箔正极的交替层不具有压印的图案。图3a中所得的辊的直径显著大 于使用相同尺寸(厚度和宽度)的两个金属箔电极(在任一电极上没 有压印的图案)制备的对照巻心。对照在图3b中示出。
在不偏离本发明的范围和实质的情况下，对本发明的各种修改和 变动对于本领域技术人员而言是显而易见的。应当理解，本发明并非 意图受到本文示出的示例性实施例和实例的不当限制，并且这些实例 和实施例仅以举例的方式提供，以及本发明的范围旨在仅受到本文示 出的以下权利要求书的限制。在本专利申请中提及的所有参考文献以 引用的方式并入本文。
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权利要求
1.一种用于电化学电池的电极，包括集电器，以及活性材料，所述活性材料与所述集电器电接触，其中所述电极具有浮雕图案。
2. 根据权利要求1所述的电极，其中所述集电器包括金属箔。
3. 根据权利要求2所述的电极，其中所述金属箔的厚度为约5微 米至约20微米。
4. 根据权利要求1所述的电极，其中所述集电器选自铝、铝合金、 铜、不锈钢、镍以及它们的组合。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的电极，其中所述电极包括 负极。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的电极，其中所述活性材料 包含合金粉末。
7. 根据权利要求6所述的电极，其中所述粉末包含石墨。
8. 根据权利要求1至4中任一项所述的电极，其中所述电极包括 正极。
9. 根据权利要求1至5中任一项所述的电极，其中所述活性材料 作为薄膜提供。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的电极，其中所述浮雕图案包括皱褶或浮雕结构，或者既包括皱褶又包括浮雕结构。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的电极，在所述电极的至 少一个边缘上还包括浮雕图案。
12. 根据权利要求1至11中任一项所述的电极，其中所述浮雕图案包括凹形和凸形的浮雕结构。
13. 根据权利要求1至11中任一项所述的电极，其中所述图案包 括大体正弦的横截面。
14. 根据权利要求1至11中任一项所述的电极，其中所述图案包 括方形点阵或三角形点阵。
15. 根据权利要求14所述的图案，还包括凸点。
16. —种制备电极的方法，包括 向集电器中添加活性材料；以及 为包括活性材料的所述集电器提供浮雕图案。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中添加活性材料包括施加涂层。
18. 根据权利要求16或17所述的方法，还包括干燥所述涂层。
19. 根据权利要求16所述的方法，其中添加活性材料包括施加材 料薄膜。
20. 根据权利要求16所述的方法，其中为所述集电器提供浮雕图 案包括使所述电极穿过压花辊。
21. 根据权利要求16所述的方法，其中为所述集电器提供浮雕图案在约10kPa至约250kPa的压力下进行。
22. 根据权利要求16所述的方法，还包括压延包括活性材料的所 述集电器。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中压延在压印之前完成。
24. 根据权利要求22所述的方法，其中压延包括活性材料的所述 集电器包括使包括活性材料的所述集电器在约250MPa至约1500MPa的压力下在辊之间穿过。
25. —种电化学电池，包括 负极，正极，和 隔板，其中所述负极、所述正极或二者都包括根据权利要求1至15中 任一项所述的电极。
26. —种电池组，包括至少一个根据权利要求25所述的电池。
全文摘要
本发明提供了一种用于电化学电池的电极，包括集电器和与所述集电器电接触的活性材料，其中所述电极具有浮雕图案，本发明还提供了一种制备和使用所述电极的方法以及采用所述电极的电化学电池。
文档编号H01M10/36GK101652885SQ200880010925
公开日2010年2月17日 申请日期2008年3月5日 优先权日2007年4月5日
发明者莱夫·克里斯滕森, 道格拉斯·C·马格努森, 马克·N·奥布罗瓦茨 申请人:3M创新有限公司