通过纺丝制备的电池的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本公开涉及纺丝的电池以及制备纺丝的电池的方法。
【背景技术】
[0002]电池性能的增强在便携式电子设备、电网调节和电动车辆的发展中是个重要的问题。可再充电电池或二次电池通常包括正极、负极、隔膜和电解质。集流体被附着于每个电极以便从电池中提取电流。在使得长程电动车辆(EV)对于许多消费者而言成为可行的选择所需要的能量密度和倍率特性方面，可再充电电池(诸如锂离子电池)尚未取得必要的规格。电极相对有限的孔隙率、阴极物质的低比容量和电池组件的增加的重量是这些不足的重要因素。
【发明内容】
[0003]在至少一个实施例中，提供一种锂离子电池。所述电池可包括:第一阳极层，包括导电的体纤维和阳极活性物质；第一非导电的多孔层，与第一阳极层接触；第一阴极层，包括导电的体纤维(conductive bulk fiber)和阴极活性物质并与第一非导电的多孔层接触；以及第二非导电的多孔层，与第一阴极层接触。
[0004]阳极活性物质的至少一部分可被嵌在阳极层的导电的体纤维中，且阴极活性物质的至少一部分可被嵌在阴极层的导电的体纤维中。阳极活性物质可包括硅纳米颗粒，阴极活性物质可包括硫，诸如单质硫或Li2S的纳米颗粒。第一阳极层和第一阴极层中的每个可包括主体和从主体延伸出的集流体接线片，集流体接线片包括导电的体纤维。第一阳极层和第一阴极层的导电的体纤维可以是碳化的聚合物。第一非导电的多孔层和第二非导电的多孔层可为第一隔膜层和第二隔膜层。
[0005]所述电池还可包括:第二阳极层，包括导电的体纤维和阳极活性物质并与第二隔膜层接触；第三隔膜层，与第二阳极层接触；和第二阴极层，包括导电的体纤维和阴极活性物质并与第三隔膜层接触。
[0006]在至少一个实施例中，提供一种锂离子电池，该锂离子电池包括:多个阳极层，每个阳极层包括导电的体纤维和阳极活性物质；多个阴极层，每个阴极层包括导电的体纤维和阴极活性物质；以及多个非导电的隔膜层，每个非导电的隔膜层使多个阳极层中的一个阳极层与多个阴极层中的一个阴极层隔开。
[0007]阳极活性物质可包括硅，且阳极活性物质的至少一部分可被嵌在每个阳极层的导电的体纤维中。阴极活性物质可包括硫，且阴极活性物质的至少一部分可被嵌在每个阴极层的导电的体纤维中。在一个实施例中，没有金属集流体与所述多个阳极层或所述多个阴极层进行接触。所述多个阳极层和所述多个阴极层可具有40%到80%的孔隙率。所述多个隔膜层可均具有1-12 μm的厚度。
[0008]在至少一个实施例中，提供一种用于形成电池的方法，所述方法包括:(a)纺出第一阳极层；(b)将第一隔膜层纺到第一阳极层上；(c)将第一阴极层纺到第一隔膜层上；(d)将第二隔膜层纺到第一阴极层上。
[0009]所述方法还可包括在步骤(b)之前对第一阳极层进行碳化的步骤，和在步骤(d)之前对第一阴极层进行碳化的步骤。在一个实施例中，使用激光来执行碳化步骤。可使用电纺丝来执行步骤(a)到(d)中的纺丝。步骤(a)可包括对聚丙烯腈(PAN)纤维和阳极活性物质的纺丝，步骤(c)可包括对PAN纤维和阴极活性物质的纺丝。
【附图说明】
[0010]图1是示出电纺丝过程的示意图；
[0011]图2A至图2C是根据实施例的分别针对阴极、隔膜和阳极的掩模图案；
[0012]图3是根据实施例的用于制备电纺丝的电池的电纺丝过程的示意图；
[0013]图4是根据实施例的通过电纺丝形成可再充电电池的方法；
[0014]图5是根据实施例的电纺丝的电池的示意图。
【具体实施方式】
[0015]按照要求，在此公开本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其中，本发明可以以各种替代形式来实现。附图无需按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅是用于教导本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。
[0016]传统的锂离子电池(LIB)通常包括负极(阳极)、正极(阴极)、隔膜、设置在电极与隔膜内的电解质以及接触阳极和阴极中的每个的集流体。集流体通常由铜片或铝片形成。形成LIB的常用方法是将阳极物质和阴极物质浇注到它们各自的集流体上，而后将它们与阳极物质和阴极物质之间的隔膜堆叠。阳极和阴极通常包括活性物质和粘结剂。针对阳极的活性物质通常是碳的形式(例如，石墨)，而针对阴极的活性物质通常是锂金属氧化物。粘结剂可为含水的或非含水的，分别诸如羧甲基纤维素(CMC)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。隔膜通常由聚烯烃(诸如聚乙烯或聚丙烯)制成。电解质通常包括锂盐(诸如LiPF6)和有机溶剂(诸如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)或它们的混合物)。
[0017]如果将若干高容量物质(诸如硅(Si)和硫(S))加入到阳极和/或阴极，则所述若干高容量物质可潜在地提高LIB的容量。然而，这些物质可能遭受退化和溶解问题，阻碍了它们在具有标准结构的电池中的使用。例如，当在传统的LIB中使用硫时，硫可能溶解到液体电解质中和/或与液体电解质反应，并可形成聚硫化物(例如，Li2Ss)。因此，硫的溶解和/或反应会降低电极的活性。此外，一旦硫从例如阴极释放出来，则硫会在电极之间来回迀移。这种穿梭效应会降低电极的活性并会导致电池中的离子短缺。硅在传统LIB中使用时也出现困难。例如，当Si与锂形成合金时，它的结构从致密晶体结构膨胀为较大的、较低密度的结构。由于活性物质循环性地膨胀和收缩，所以这种大体积变化会导致电极随时间破裂。重复的体积改变和破裂会导致增加的固体电解质界面膜(SEI)的形成，特别是在阳极。此外，破碎的结构会使得活性物质与金属集流体失去接触，使其活性降低。
[0018]已经发现，将电极物质进行纺丝(例如，电纺丝)可提供这样的能力:包封(encapsulate)这些高容量物质(例如，S和Si)，从而消除或缓解这些问题中的一些。例如，当阴极中的活性物质包括单质硫或锂硫化物颗粒(例如，Li2S)和/或在阳极中的活性物质包括硅颗粒时，至少一些颗粒可被嵌入电纺丝的纤维。因此，嵌入的颗粒可与电解质具有较少的直接相互作用。因此，对于含硫活性物质来说，聚硫化物的溶解和/或形成可被缓解或消除。硫驻留在纤维内且锂离子可穿过纤维扩散，而不是硫与锂发生反应且可能被溶解到电解质中。嵌入的硅颗粒也保留在可导电的纤维内(下面更详细地进行讨论)。因此，嵌入的颗粒可与处在膨胀状态的导电纤维保持接触，从而保持它们的活性。此外，硅颗粒的包封将与电解质的界面转移到纤维而非硅，这样可减少SEI的形成。
[0019]还发现，电极物质的纺丝可在电极中提供大量的互连多孔网络。然而，对电极的纺丝仍可能需要使用传统的隔膜，这是因为，如果对完整的堆叠体(例如，阳极-隔膜-阴极)执行碳化处理，则使得电极导电所需要的高温碳化步骤也会对隔膜做同样的处理。
[0020]相应地，针对图1到图5，公开了制备完全电纺丝的锂离子电池(LIB)的方法及其制备出的LIB。电纺丝的一般过程是本领域已知的，将不做更详细地描述。简言之，电纺丝包括将高电压施加到聚合物溶液或熔体的液滴上，从而在流体上引起强烈的带电效应。在某一电荷水平，静电斥力克服液体的表面张力，使液滴被拉伸直到从液滴喷射出液体流。喷射点被称为泰勒锥。分子凝聚力使得所述流保持在一起，从而形成带电液体射流。液体射流开始在空气中固化，此时液体中的电荷迀移到所形成纤维的表面。由于静电斥力的作用，纤维中的小型弯曲引起鞭动过程。鞭动过程使纤维拉伸并变细，通常得到0.05-100微米(μπι)的均匀纤维直径。
[0021]图1是总体描述电纺丝过程和装置的示意图。电纺丝系统10总体上包括可以是高压直流电源(例如，5-50kV)的电源12、喷丝头14、注射器16和收集器18。喷丝头14可为皮下注射器针头或其他细的空心管结构。喷丝头14可被直接附接到注射器16或可由管子或软管20进行连接。喷