丝头14可由架子22进行支撑，架子22可被构造为使喷丝头14相对于收集器18保持在特定位置(例如，高度、水平距离、角度)。喷丝头14或架子22可通过导线26被电连接到电源12的正端子24，且收集器18可通过导线30被电连接到电源12的负端子28。可选地，收集器18可接地。
[0022]在电纺丝过程中，可将聚合物溶液、溶胶-凝胶、颗粒悬浮液或熔体装入注射器16，然后注射器16可由栗32驱动以推动聚合物液体34大体上以恒定流速进入并通过喷丝头14。可选地，聚合物液体34可在恒压下从箱中被供给到喷丝头。如上面描述的，液体在喷丝头14被充电并形成射流36。随着射流36固化，射流36鞭动成为纤维38且被收集在收集器18上。多种因素或参数可影响所得纤维38的尺寸和性能，包括分子量和聚合物种类、溶液浓度、液体性质(例如，粘性、导电性和表面张力)、电势和流率、喷丝头14与收集器18之间的距离、环境条件(例如，温度和湿度)、收集器18的移动和/或尺寸，以及喷丝头14中的针头或管子的规格。
[0023]参照图2到图5，公开了电纺丝的电池和形成电纺丝的电池的方法。参照图2A到图2C，示出了用于对电池的组件进行图案化的掩模。图2A示出阴极掩模50的实施例，其中，阴极掩模50可具有主体部52和接线片部54，主体部52用于形成电极区域，接线片部54用于形成允许连接到外电路的集流体接线片。图2B示出隔膜掩模60的实施例，其中，隔膜掩模60可具有主体部62。由于不存在从隔膜到外电路的连接，所以隔膜掩模60不需要接线片部。图2C示出阳极掩模70的实施例，其中，阳极掩模70可具有主体部72和接线片部74，主体部72用于形成电极区域，接线片部74用于形成允许连接到外电路的集流体接线片。虽然示出的电极掩模具有单个集流体接线片部，但是可由掩模形成两个或更多个接线片部。掩模50、60、70可被配置为形成具有大体上矩形主体部的组件，然而，掩模可被配置为形成任何适合的形状。
[0024]参照图3，示出电纺丝系统80的示意图，其中，它是图1的简化图。如图所示，系统80可包括可从源接收液体物质(诸如，阴极物质84、隔膜物质86或阳极物质88)的喷丝头82。源物质可被供应到可选择将哪种源物质提供给喷丝头82的公共注射器或栗90。喷丝头82可随后引导物质的射流92朝向收集器96，使得液体在流向收集器96时固化形成纤维94。作为结果，电纺丝的组件98形成在收集器96上。纤维直径可根据电纺丝参数而变化。例如，纤维可具有50nm-50 μ m的直径。
[0025]提供可以是激光的加热源100。激光可为脉冲激光(例如，Nd: YAG脉冲激光)。激光可被配置为在电纺丝的组件98的表面形成光栅(raster)以便对表面进行加热。在一实施例中，由激光产生的热量被用于碳化电纺丝的组件98(例如，阴极物质或阳极物质)以便使其导电(或导电性变强)。代替激光或除了激光之外，也可使用其他加热源。加热源可为能够对收集在收集器96上的电纺丝的组件98的局部区域进行加热的任何装置。除对该组件的局部区域进行加热之外，加热源还可被配置为对预定厚度的组件进行加热。例如，如果组件98的厚度为10微米，则加热源100可被配置为仅加热深度为10微米的区域，使得堆叠在组件98后面的任何物质不会被明显加热或加热到明显较低温度。
[0026]再次参照图3，阴极物质84、隔膜物质86和阳极物质88可为用于形成可再充电电池(诸如，LIB)的任何合适的物质。在至少一个实施例中，阴极物质84和/或阳极物质88可包括高容量物质，诸如硅、硫或高容量NMC。例如，硅可具有达到3，579mAh/g的比容量，硫可具有达到1，166mAh/g的比容量。这些物质可向LIB提供增大的容量，但如上所述的，当这些物质被用在传统电池结构中时会遭受退化和溶解问题。在至少一个实施例中，阴极物质84包括基体聚合物和能够溶解基体聚合物的溶剂。在一实施例中，基体聚合物为聚丙烯腈(PAN)、PAN共聚物或PAN衍生物。适合于PAN的溶剂可包括二甲基甲酰胺(DMF)。
[0027]除了 PAN之外，可使用能被热处理以形成稳定的碳化纤维而不熔化的其他基体材料。在一些实施例中，阴极物质84可包括混合有活性物质的基体聚合物。活性物质可包括单质硫和/或含硫组分(诸如，硫化锂(Li2S))。然而，可使用其他阴极活性物质，诸如锂镍钴铝氧化物(NCA)、锂镍锰钴氧化物(NMC)、锂锰尖晶石氧化物(锰尖晶石或LM0)和磷酸锂铁(LFP)以及它的衍生物磷酸锂混合金属(LFMP)。此外，可使用这些物质中的任何两者或更多的混合物，例如，NMC和LM0的混合物。阴极活性材料可具有达到或大于1，166mAh/g的比容量。例如，活性物质可具有500mAh/g到1，166mAh/g、700mAh/g到1，166mAh/g或900mAh/g 到 1，166mAh/g 的比容量。
[0028]在至少一个实施例中，活性物质以纳米颗粒的形式存在。当对阴极物质84进行电纺丝时，至少一些纳米颗粒可被嵌入在基体聚合物纤维中。例如，阴极组件可由其中嵌入有S或Li2S纳米颗粒的PAN纤维形成。如果在阴极物质84中使用了不包含锂的物质(诸如，单质硫)，则阳极物质88(在下面进一步讨论)可在电纺丝之前被锂化，使得电池在充电的状态被制造。
[0029]在至少一个实施例中，隔膜物质86包括基体聚合物和能够溶解基体聚合物的溶剂。适于隔膜的基体聚合物可包括聚烯烃(诸如，聚乙烯或聚丙烯)或其他聚合物(包括聚偏二氟乙烯(PVDF))。隔膜物质86还可包括添加剂以改善它的性质和性能。添加剂的示例可包括钛酸钡(BaTi03)和/或氧化铝(A1203)以提高热性能和机械性能。
[0030]在至少一个实施例中，阳极物质88包括基体聚合物和能够溶解基体聚合物的溶剂。在一实施例中，基体聚合物为聚丙烯腈(PAN)、PAN共聚物或PAN衍生物。然而，可使用能被热处理以形成稳定的碳化纤维而不熔化的其他基体材料。上面参照阴极物质84讨论了适合PAN的溶剂。在一些实施例中，阳极物质88可包括与活性物质混合的基体聚合物。例如，活性物质可包括硅或含硅化合物。然而，可使用其他阳极活性物质，诸如石墨(天然的、人造的或表面改性的天然的)、硬碳、软碳和氧化锂钛(LT0)。阳极活性物质可具有达到或大于3579mAh/g的比容量。例如，活性物质可具有1500mAh/g到3579mAh/g、2000mAh/g到3579mAh/g、2500mAh/g 到 3579mAh/g 或 3000mAh/g 到 3579mAh/g 的比容量。在至少一个实施例中，活性物质以纳米颗粒的形式存在。当对阳极物质88进行电纺丝时，至少一些纳米颗粒可被嵌入在基体聚合物纤维中。例如，阳极组件可由其中嵌入有硅纳米颗粒的PAN纤维形成。
[0031 ] 参照图4，根据实施例，提供了形成电纺丝的电池的方法200。在图2中描述的掩模和在图3中描述的系统可被用于实施方法200。在步骤202中，将阳极物质电纺丝到导电的收集器上以形成第一阳极层。掩模可被用于使阳极物质图案化为主体部和集流体接线片，诸如参照图2C所描述的。虽然示出单个集流体接线片，但是可形成多个集流体接线片。除了掩模之外，其他方法也可用于形成阳极形状。一个示例可包括以预定图案移动电纺丝喷丝头/喷嘴，类似于数控铣削或3-D打印。另一示例可包括使用外加电场引导纤维形成图案，类似于在具有阴极射线管的电视中引导电子束。此外，可以先电纺出比所需区域更大的区域，然后将其切割或修剪成期望的阳极形状。
[0032]在步骤204中，使用加热源将阳极层中的聚合物碳化(例如，转化为基本上全部为碳)。加热源可为激光或脉冲激光，且可在阳极层表面形成光栅以便对阳极层进行加热和碳化。碳化步骤204可为单一步骤或可被分成两个或更多个步骤。PAN纤维的结构可通过大约250-300°C (例如，280°C)的热处理而稳定化。PAN纤维可通过大约700-1200°C (例如，900°C )的热处理被碳化。碳化处理可将聚合物纤维基本上转化为碳。一些残余元素(诸如，氮)可在碳化处理之后残存，然而，纤维大体上被转化为具有与原始基