电池电极及其生产方法
【专利摘要】为了以低生产成本获得具有增大的能量密度/体积比的电池的紧凑结构，本发明提出了一种电池电极以及用于生产所述电池电极的方法，其中，放电区被设置在集电极衬底上从而使得放电区绝大部分被涂膜包围。
【专利说明】电池电极及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电池电极以及用于生产电池电极的方法。
【背景技术】
[0002]通常，电池指不可再充电的原电池和可再充电的二次电池(也称为可再充电电池)。电池基于内在的化学氧化还原反应、所使用的材料、电阀值(例如电压或电容)或者几何或结构设计而被分类。具体的例子包括碱性锰电池、锌碳电池或锂电池。根据电池的内部构造，电池还可分成卷绕电池和叠层电池。在卷绕电池中，电极和相互叠加设置的隔离层以螺旋的方式被缠绕并且例如被安装在具有圆柱形腔体的圆形电池内。然而在叠层电池中，多个电极和隔离层被交替地相互叠加。
[0003]图1通过例子显示了叠层电池。如图1所示，阳极10和阴极20被交替地设置在电池内，其中，在每种情况下隔离体30被设置阳极10和阴极20之间从而物理地和电性地将两个电极分离。然而，隔离体30必须是离子可穿透的，离子将所存储的化学能转换成电能。微孔的塑料或由玻璃纤维或聚合物构成的无纺布通常用于隔离体30。阳极10在其放电区40内被相互连接，而阴极20在其放电区40内被相互连接，其结果是，电池内所有的同种电极被相互连接。在每种情况下用于阳极10和阴极20的连接极耳50 (参见图2B)被设置在放电区域40内，所述连接极耳与电池的相应外部电压极连接。
[0004]图2A显示了具有放电区40的阴极20的平面图。在相互叠加设置的阴极20的放电区40内阴极20相互连接。如图2B所述，连接极耳50被设置在相互连接的放电区40上，所述连接极耳在电池被组装后与电池的负极接触。
[0005]电池电极通常被预制成块状或卷绕状材料，在生产电池时从块状或卷绕状的材料上切出期望的电极形状。如图3所示，电极材料包括具有涂膜70的集电极衬底60。这样的话，电极材料具有一个或多个未被涂覆的放电区40，放电区40之后在组装状态是必需的从而向外释放电压或电流。同种的多个电极在放电区40被相互连接，并且金属的连接极耳50被设置在放电区40。当集电极衬底60在两侧被涂覆时，放电区40因此也被形成在两侧。这样的话，放电区并不必需彼此相对，也能够彼此偏离，如图3所示。
[0006]图4A和4B显示了通过狭缝式模具系统300生产电极材料的方法。墨型(ink-like)涂膜70被施加在带型集电极衬底60上。这种施加过程能够通过断续的、间断的涂层来实现，其中，未被涂覆的放电区40通过涂层上规则的间断形成(如图4A所示)或者通过连续的涂层形成(如图4B所示)。然而，使用这些方法形成相对复杂的放电区是非常复杂的。因此，偶尔会使用遮蔽步骤。作为选择，通过刷净或类似方法，放电区40能够暴露在集电极衬底60上。
[0007]在涂覆之后，电极材料被压光从而压紧涂膜并且消除涂膜70干燥时所产生的腔体。成品的电极材料然后能够被卷绕并且被存储直至其他的加工程序。根据电池的类型或电池的形状，从电极材料切出或冲压出不同的期望形状以生产电池。当电池电极被切出时，另外需确保必须有放电区40。在图2A中显示了具有放电区40的矩形电极的例子。[0008]图5显示了用于说明电池(例如卷绕电池或叠层电池)的生产过程。首先，例如使用间歇方法(SlO)对集电极衬底60涂覆涂膜70，其中，当施加墨型涂层时通过间断或非连续方式形成多个未被涂覆的放电区40。电极材料然后被压光(S20)。从电极材料中切出或冲压出(S30)期望的电极形状，其中，冲压出的形状必须具有放电区40。在生产阳极10以及生产阴极20时实施这些步骤。其次，冲压出的电极被相互叠加设置(S40)从而使得具有隔离体30的阳极10和阴极20被交替地接连(参加图1)。这样的话，阴极20的放电区40和阳极10的放电区40在每种情况下被叠加地设置并且被相互连接。连接极耳50然后被设置在所述放电区上(S50)。这样的话，相互叠加设置的阳极10和阴极20的数量随电池的类型和特性而变。在电极装置完成后，电极装置被插入腔体并且连接极耳50被连接至腔体的外部电压极(S60)。在卷绕电池的情况下，电极装置也以螺旋的方式被卷绕并且以这种状态被插入腔体。在电解质被加入之后(S70)，电池然后被密封(S80)并且最后被成型(S90)。
[0009]然而，用于生产电池电极的传统方法会遇到下述问题。例如，通过遮蔽步骤或刷去涂层来生产未被涂覆的放电区是非常复杂和昂贵的。但是，在借助于狭缝式模具系统，通过间断或连续的涂层的选择性的生产方法中，电极材料上的放电区的可能形状和设置受到非常大的限制。由于在各种领域中使用电池，特别是在设计产品中，例如移动电话、笔记本电脑或汽车，需要加强电池电极的构造方面的灵活性。这样的话，相对较小设备的趋势对电池生产带来了特殊的挑战。首先，相对较小尺寸的电池因此必须被开发出来，并且其次，经常需要复杂的形状，以尽可能在设备的内部最有效地使用。另外，用间断涂层的方法，在涂覆区与放电区之间生产规则的并且边缘清晰的区域是困难的。
[0010]另外，使用传统的方法实现各种形状的电极是困难的和昂贵的。由于成本的原因，卷绕材料通常被用作电极材料，在所述卷绕材料中未被涂覆的放电区40相对于涂膜70的可能位置被固定地界定。因此，由于每个电极必须具有放电区40，电极形状的自由设计的程度会受到严重的限制。另外，当切出具有放电区域40的期望电极形状时，会产生大量的必须处理掉的剩余电极材料。例如，如果小的电极被切出从而它们包含放电区40，当在系列的放电区之间存在大的距离时，被涂覆的衬底的位于系列的放电区40之间的区域不能够被使用。因此，材料的消耗增大并且生产方法较昂贵。另外，针对每种期望的电极形状，必须制造用于冲压出每种期望形状的专用冲压模。然而，由于切割质量的要求很高，这些冲压模非常昂贵。
[0011]在传统的生产方法中，通过被涂覆的电极区提前形成放电区40从而将连接极耳50设置在所述放电区上并且将同种电极相互连接。然而，这会导致在电极内产生未填充活性电极材料的闲置空间。因此，电池的尺寸不必要地增加和/或电池的外部形状被固定。
[0012]另外，在传统的生产方法中或在存储过程中，放电区40能够很容易被污染。特别地，在压光过程中，杂质能够触及放电区40。这会对同种电极之间的电接触质量以及电极和相关的连接极耳50之间的电接触质量产生不利的影响。因为在电极材料的生产过程中，在压光过程之前额外地形成放电区40，由于材料厚度的不均匀，更加难以进行压光。另外，由传统方法形成的放电区40会被较差地界定，其中，特别地，放电区40的边缘区域能够用不精确和不均匀的方式形成。
【发明内容】
[0013]因此本发明的目的是提出一种电池电极以及用于所述电池电极的生产方法，其中，电池的体积能量密度能够通过以低生产成本来压缩电池电极的结构而被增加。
[0014]本发明目的通过独立权利要求的特征实现。
[0015]本发明基于的构思是在电池电极的集电极衬底上设置作为放电区的未涂覆区从而使得放电区向内地伸入集电极衬底的涂覆区或被设置在涂覆区内。当未涂覆的放电区向内地伸入到涂覆区，涂覆区的整个外周长度大于具有突出的放电区的电池电极的外周长度。同时，未涂覆区的外边缘(即，与电池电极的边缘邻接的边缘)被最小化。这样，能够避免由突出电池电极的放电区所产生的位于电池内的闲置空间，并且在电池体积保持不变的情况下，能量密度能够被增加。
[0016]本发明的一个方面提出了一种电池电极，该电池电极包括集电极衬底、形成在集电极衬底上的涂膜以及放电区，其中，放电区的大部分被涂膜包围。放电区能够具有外周区域，外周区域与电池电极的外边缘一致，其中，放电区绝大部分邻接电池电极的活性区，活性区由涂膜覆盖，即，放电区至少其外周的一半被涂膜包围。然而，作为选择，放电区也能够完全位于集电极衬底的涂覆区，其结果是，放电区在其整个外周上邻接涂膜。这样，当电池被组装时，非活性区或闲置体积能够被减少，其结果是，对于相同的电池尺寸，容量和体积能量密度被增加。
[0017]在一个【具体实施方式】中，放电区以任意期望的形状被形成在电池电极上，例如，以大体上圆形、环形、矩形或三角形的方式。当放电区和电池电极都为矩形时，放电区能够被设置在电池电极的转角处，其结果是，放电区的两侧邻接涂膜。选择性地，放电区能够仅由一侧邻接电池电极的外边缘，其结果是，放电区的三侧被电池电极的涂覆区包围。
[0018]涂膜优选地形成在集电极衬底的两侧从而增加电池电极的活性区。这样的话，在每种情况下能够在集电极衬底的两侧分别形成至少一个放电区。当放电区被形成在集电极衬底的两侧时，在每种情况下两个放电区优选地彼此相对，其结果是，同种电池电极能够在放电区被容易地相互连接，例如通过焊接接触。选择性地，放电区在集电极衬底的两侧能够彼此偏尚地被设置。
[0019]在优选的【具体实施方式】中，放电区通过激光消蚀涂膜而被生成，其结果是，位于涂膜下方的集电极衬底被暴露。以这种方式，在集电极衬底上能够大面积地或基本上全部地和连续地生产涂膜，而放电区不必保持打开。另外，涂膜能够在集电极衬底的一侧或两侧被大面积地形成，其结果是，被涂覆的衬底的厚度均匀。由于被涂覆的集电极衬底的厚度均匀，压光过程被进一步简化并且能够实现更好的质量。另外，放电区能够在与放电区接触之前被即刻形成，其结果是，新的和干净的表面能够用于进行接触。因此，能够避免出现杂质，例如刷光过程中所产生的磨砂颗粒或涂覆残留物，这些杂质可能给成品的电池带来一系列的危险并且形成会导致短路电路的枝晶。由于使用激光来暴露放电区，放电区也能够以任何期望的形状和在任何期望的位置而被生成在被涂覆的集电极衬底上并且边缘干净和均匀。这可给生产放电结构的设计和选择提供绝对的自由，放电结构在表面面积被最优化。电池电极的外部形状同样能够用激光切出。这可节省其他的工具和/或其他的加工步骤，并且特别是昂贵的冲压模。因此，能够以合算的方式生产即使少量的任何期望形状的电极。因此，使用单个激光能够实施两个不同的加工步骤，相当节省时间，其结果是，要被加工的电极材料的切换或者工具的切换能够被省去。
[0020]另外，至少一个切口能够被形成在电池电极内。电极内的切口优选地对应不同种的电极上所形成的放电区，从而在相互交替的电极装置中，彼此叠加设置的同种电极的放电区能够通过其他的电极而被彼此连接。例如，当电极的放电区向内地伸入被涂覆的电极区或完全由所述被涂覆的电极区包围时，这样是有利的。当通过激光切割来切出电池电极时，借助于激光同样能够切出至少一个切口从而优化方法顺序。
[0021]任何合适的激光系统(例如切割或雕刻激光系统)能够用于通过激光消蚀或激光切割来移除材料。由于在切割导引和穿透深度方面的高边缘质量和切割精度，能够产生高质量的放电区。另外，由于使用超短的激光脉冲，能量输入能够被减小，其结果是，电极材料的热载荷被保持在低位。因为合适的激光系统能够与狭缝式模具系统在成本方面兼容，因此可避免高的购买成本。
[0022]本发明的另一方面提出了一种电池，所述电池包括至少一个根据上述【具体实施方式】之一的电池电极。因为电池电极能够通过形成由涂膜绝大部分包围的放电区而被设计成相对紧凑的，并且因此具有相对小的空间要求，因此能够增加电池的体积能量密度。
[0023]本发明的另一方面提出了 一种用于生产电池电极的方法，其中，涂膜被施加在集电极衬底上。然后移除放电区内的涂膜从而放电区的外周绝大部分被涂膜包围，或者放电区的外周的至少一半被涂膜包围。由于通过移除涂膜形成放电区，基本上完全被涂覆的集电极衬底能够作为电极材料而被存储，无需特殊的防护措施，并且放电区能够仅在与放电区形成接触之前被立即形成。这样，表面内的杂质和化学变化被避免并且放电区内的接触阻力被减小。另外，在该方法中，能够在集电极衬底的整个表面上大面积地和/或基本上全部地形成涂膜。涂膜也可能形成在集电极衬底的两侧。有利地，使用连续的涂覆技术，例如修平刀(doctor blade)、刮刀(comma bar)或吻合涂覆(kiss coating),其结果是,能够降低生产成本。另外，被涂覆的集电极衬底厚度均匀，其结果是，压光过程被简化和改进。
[0024]在优选的【具体实施方式】中，使用激光移除放电区内的涂膜。这样的话，在优选的【具体实施方式】中，放电区内的集电极衬底的薄层同时能够被移除从而改进放电区内的表面状况。使用激光消蚀来形成放电区增加了电池电极和放电区的构造的设计自由并且允许单独制造。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1显示了传统的电池中电极装置的示意性的截面图。
[0026]图2A和2B显示了传统的电池电极的平面图。
[0027]图3显示了传统的电极材料的截面图。
[0028]图4A和4B显示了用于生产传统的电极材料的方法。
[0029]图5显示了电池的传统的生产方法的流程图。
[0030]图6显示了根据本发明第一【具体实施方式】的电池电极。
[0031]图7显示了根据本发明另一【具体实施方式】的电池电极。
[0032]图8显示了根据本发明又一【具体实施方式】的电池电极。
[0033]图9A-9C显示了根据本发明的生产过程中电极材料的截面图。
[0034]图10显示了根据本发明【具体实施方式】的生产方法的流程图。【具体实施方式】
[0035]在下文中使用锂离子电池的例子描述本发明，锂离子电池的特点在于高的能量密度和热稳定性。但是，本发明并不是要被限制至锂离子电池，而是能够被应用到任何期望的电池。
[0036]在锂离子电池中，阳极10的集电极衬底60例如由铜组成，铜的表面涂覆有涂膜70，涂膜70由石墨、粘合剂、碳黑和溶剂组成。根据本发明，放电区域40内的涂膜70被移除，其结果是，放电区40内的集电极衬底60被暴露。例如由镍组成的连接极耳50能够被设置在阳极10的放电区40内。对于阴极20，集电极衬底60例如由铝组成并且涂覆有涂膜70，涂膜70包括有助于氧化还原反应的活性材料、粘合剂、碳黑、石墨和溶剂。阴极的连接极耳优选地也由铝组成。
[0037]图6显示了根据本发明的电池电极，其中，放电区40在其外周大部分地邻接集电极衬底60上的涂膜70。阳极10和阴极具有内部放电区40和切口 80。切口 80被形成在一个与装配状态下不同种的电极的放电区40对应的位置。阳极10内的切口 80因而被设置成，切口 80在电极的装配状态位于阴极10的放电区40的上方或下方。图6中的箭头指示了装配状态下的电极装置，其中，在每种情况下阳极10和阴极20被交替地相互叠加设置。这样的话，隔离体30 (未示)被设置在阳极10和阴极20之间，所述隔离体可包括微孔薄膜或无纺布。在放电区40，在每种情况下连接极耳50在电极被组装之前能够被设置在至少一个阳极10上以及至少一个阴极20上。但是，连接极耳50优选地在电极被组装之后例如通过超声波焊接而被设置在放电区40。因为在【具体实施方式】中，电极的放电区40在不同种的电极中与切口 80相对，因此这样的话，在每种情况下阳极10和阴极20能够同时在其放电区40被相互电连接。
[0038]也可仅在阳极或仅在阴极形成内部的或朝内突出的放电区，其中，两个电极中的另一个被采用传统的方法生产而具有突出的放电区。
[0039]图7显示了根据本发明的电池电极的另一【具体实施方式】。图7所示的阳极10具有位于其中心的圆形切口 80，而阴极20具有位于其中心的相应的放电区40。阳极10的放电区40被形成在其外周边缘，其结果是，阴极20具有位于该位置的切口 80。如上所述，同种电极的放电区40相互连接并且连接极耳50被分别设置在阳极10和阴极20的放电区40。
[0040]图8显示了根据本发明的电池电极的另一实施例。在该【具体实施方式】中，放电区40完全被涂膜70包围。这样的话，阳极10具有两个放电区40a和40b，并且阴极20具有两个相应的切口 80a和80b。这样的话，连接极耳50在每种情况下被设置在阳极10的两个放电区40a和40b的每个上。在电极上形成多个放电区40能够改进电压损耗并且减少阻抗。
[0041]下文说明了用于生产电池电极的具体方法。根据本发明，首先，如图9A所示，集电极衬底60被大面积地并且在两侧涂覆有涂膜70。然而，集电极衬底60也能够仅在一个表面上被大面积地或基本上全部地涂覆。涂膜70以液态被施加到集电极衬底60。简单地，这样的话能够使用连续的涂覆技术，例如修平刀、刮刀或吻合涂覆。涂膜70然后被干燥或加工处理，其中，干燥状态的涂膜70的厚度例如约25 μ m。在涂膜70已干燥或加工处理之后，被涂覆的集电极衬底60被压光以压缩涂膜70。由于集电极衬底60的厚度是均匀的，因此压光过程被简化并且能够被更加有效地实施，其结果是电极材料的质量被改进。另外，被涂覆的集电极衬底60能够作为卷绕的材料而被存储并且能够作为电极材料以用于后续的其他过程。
[0042]如图9B所示，通过激光消蚀来移除放电区40内的涂膜70并且将涂膜下方的集电极衬底60暴露，然后在被涂覆的集电极衬底60上形成至少一个放电区40。然而，这只是放电区40的生产方法的一个例子。作为选择,也能够通过刷光、平版印刷或其他方法生产放电区40。在激光消蚀的情况下，通过经受激光消蚀作用从表面移除材料。例如，被施加脉冲的高功率密度的激光辐射被用于该目的。由于热传导仅允许能量非常慢地传输至体积，因此辐照的能量被集中在表面非常薄的层上。因此，表面被较大程度地加热并且材料被瞬间蒸发或熔化。为了确保充分吸收激光，激光辐射的波长根据要被移除的材料来选择。优选地使用例如具有波长为1070 nm的掺镱光纤激光器的雕刻或切割系统。然而，其他的气体、固体或光纤激光器也能够被使用。在激光加工过程中，加工气体或侧吹气体也能够被引导至表面从而促使被移除的材料离开刻痕或防止在表面上产生不期望的化学反应。加工气体优选地是冷的从而在激光加工过程中冷却电极材料。通过将材料蒸发或熔化不会产生有害的杂质。
[0043]由于通过激光消蚀来产生放电区40，因此能够形成任何期望的放电区形状和排布。特别地，放电区40能够被设置在电极表面从而使得它们不会突出电池的电极。因此，给定相同的电特性，能量密度/容量比能够被增加并且电池的尺寸能够被减小。放电区40优选地在同种电极被连接或连接极耳50被设置在放电区40之前被即刻形成。例如，相互叠加的同种电极能够通过放电区40内的焊接接触被相互连接。这样的话，连接极耳50能够被同时设置在放电区40之一上。由于放电区40仅在电极材料被进一步处理之前被短暂地形成，新的、干净的表面能够用于建立同种电极之间的接触并且能够用于安装连接极耳50。因此，能够避免放电区40内的钝化层(例如被氧化的表面)和其他的杂质。
[0044]通过激光，不仅放电区40内的涂膜70可被移除，而且如图9C所示，集电极衬底60的薄层也能被移除。由于使用高切割精度的激光系统，激光的穿透深度能够被准确地控制，其结果是移除的材料的深度能够如期望的而被选择。因此，放电区40内的集电极衬底60能够以有针对性的方式被变薄。另外，用于实现电接触的表面状况因此上能够被改进。
[0045]图10显示了根据本发明的电池的生产过程的流程图。首先，在集电极衬底60上大面积地或几乎全部地施加墨型涂膜70 (S100)，集电极衬底60包括厚度约8-20 μ m的金属带。在干燥状态约25 μ m厚的涂膜70已经干燥或加工处理后，被均匀地涂覆的集电极衬底60被压光(S200)以从涂膜70中消除干燥过程中所产生的气孔或不平整。被压光和被涂覆的集电极衬底60此时能够作为卷绕的材料被存储直至其被进一步加工。为了完成电池电极，通过激光消蚀来移除被涂覆的集电极衬底60上预定放电区域40内的涂膜70(S300)。放电区40内的集电极衬底60的薄层可以被额外地移除从而改进用于形成电接触的表面质量。在下一步骤S400中，从被涂覆的集电极衬底60中切出期望形状的电极以及可能的切口 80。优选地通过激光来切出电极或切口 80，但是，选择性地，也能够使用冲压设备。步骤S400和S300的顺序也能够被交换。阳极10和阴极20然后被交替地叠加设置从而在每种情况下同种电极的放电区40彼此相对，其中，阴极20内的切口 80被设置在阳极10的放电区40之间，反之亦然。同种电极的放电区40然后在每种情况下通过例如超声波焊接相互连接，其中，在每种情况下一个连接极耳50被设置在所述放电区(S500)。选择性地，在每种情况下连接极耳50也能够在电极被组装之前被设置在阴极20或阳极10之一上。
[0046]其他的步骤与用于生产电池的传统方法的步骤相同。电极装置被插入容器并且连接极耳50与电池的外部电压极连接(S60)。电解质然后被加入(S70)并且电池被密封(S80)，最后，实施成型步骤(S90)。
[0047]根据本发明，放电区能够被加工成，不从电池电极的外周突出，而是向内地伸入电池电极的涂覆区。因此，对于尺寸相同的电池，能够实现更高的容量和能量密度。
【权利要求】
1.一种电池电极,包括: 集电极衬底(60)； 在所述集电极衬底￠0)上的涂膜(70);以及 在所述集电极衬底￠0)上的至少一个放电区(40)，所述放电区(40)向内地伸入所述集电极衬底￠0)的涂覆区或者被设置在所述涂覆区内。
2.根据权利要求1所述的电池电极，其中，所述放电区(40)的外周的至少一半邻接所述涂膜(70)。
3.根据权利要求1或2所述的电池电极，其中，所述放电区(40)具有基本上为矩形、三角形、圆形或环形的形状或这些形状的一部分。
4.根据上述任一权利要求所述的电池电极，其中，所述放电区(40)在其外周处被所述涂膜(70)完全包围。
5.根据上述任一权利要求所述的电池电极，其中，所述涂膜(70)和/或在每种情况下至少一个放电区(40)被形成在所述集电极衬底￠0)的两侧。
6.根据上述任一权利要求所述的电池电极，其中，所述放电区(40)通过激光消蚀所述涂膜(70)而生成。
7.根据上述任一权利要求所述的电池电极，其中，所述电池电极和/或切口(80)通过激光切割被切出。
8.一种电池，包括至少一个的根据上述任一权利要求所述的电池电极。
9.一种用于生产电池电极的`方法，包括: 在集电极衬底￠0)上形成涂膜(70)； 通过移除放电区(40)内的所述涂膜(70)形成放电区(40)，其中，所述放电区(40)向内地伸入所述集电极衬底￠0)的涂覆区或者被设置在所述涂覆区内。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述放电区(40)的外周的至少一半邻接所述涂膜(70)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述涂膜(70)被形成在所述集电极衬底(60)的整个表面上和/或两侧，和/或被连续地形成。
12.根据权利要求9至11的任一项所述的方法，其中，所述放电区(40)内的所述涂膜(70)通过激光消蚀被移除。
【文档编号】H01M4/04GK103443965SQ201180055994
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2011年11月25日 优先权日:2010年11月29日
【发明者】莱纳·斯坦恩, 迈克尔·卡斯帕 申请人:巴登-符腾堡州太阳能和氢能公益基金研究中心