CN102224619A - 电池的改善电极结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学电池单元的电极，所述电极包括：聚合物基板；与所述聚合物基板接触的导电材料；与所述导电材料接触的导电油墨；以及与所述导电油墨接触的活性电极材料。所述导电油墨被配置成增强所述导电材料和所述活性电极材料之间的粘附性。

Description

电池的改善电极结构
本申请要求享有2008年10月21日提交的美国临时专利申请No.61/107,225的权益和优先权，在这里以引用的方式将其全部公开并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及电池和电池系统领域。更具体而言，本申请涉及可以在车辆应用中使用以提供用于所述车辆的动力的至少一部分的电池和电池系统。
背景技术
与使用内燃机的更加传统的气动车辆相比，其动力的全部或者一部分使用电功率的车辆(例如，被统一称为“电动车”的电动车(EV)、混合动力车(HEV)、插入式混合动力车(PHEV)等等)可以提供多个优点。例如，与使用内燃机的车辆相比，电动车可以产生较少的不期望的排放物并且可以表现出更大的燃油效率(并且在一些情况下，这种车可以完全不使用汽油，如某些类型的PHEV的情况)。
随着电动车技术不断进步，需要对于这种车辆提供改善的功率源(例如，电池系统或者模块)。例如，在不需要对电池进行重新充电的情况下期望增加这种车辆可以行驶的距离。还期望改善这种电池的性能并且降低与电池系统相关的成本。
继续研究的一个改善方面是电池化学性方面。早期的电动车系统采用镍金属混合(NiMH)电池作为动力源。随着时间的过去，不同的添加剂和修改改善了NiMH电池的性能、可靠性和实用性。
最近，制造商开始研究可以在电动车中使用的锂离子电池。使用锂离子电池对于车辆应用来说具有几个优点。例如，锂离子电池比NiMH电池具有较高的电荷密度和特定功率。另一方面，锂离子电池可以在存储相同电荷量的同时比NiMH电池更小，这能够允许电动车的重量和空间节省(或者可选地，该特征可以允许制造商在不增加车辆重量或者由电池系统占用的空间的情况下对该车辆提供更大的功率量)。
通常已知的是锂离子电池与NiMH电池不同地操作并且会呈现出与NiMH电池技术中所呈现的不同设计和工程挑战。例如，锂离子电池与相当的NiMH电池相比较会更易于受到电池温度变化的影响，并且因而会在车辆操作期间使用系统来调节锂离子电池的温度。锂离子电池的制造也呈现出对于该电池化学性独特的挑战，并且正在研究新的方法和系统来解决这样的挑战。
除了其它部件，电池可以包括正电极、负电极、将正电极与负电极分隔开的一个或者多个间隔体，以及电解质材料。每一个电极可以包括活性材料，所述活性材料被涂覆或者以其它方式施加或者固定到电耦合到电池的正负端子的电流收集器。
对于电极来说，通常期望具有20和40微米之间的厚度的活性电极。典型的电池材料可以具有超出20微米的小部分结块颗粒，这可能导致涂覆这样的薄层的困难以及电极部件的非同质扩散。可以产生更小的颗粒，但是这能够导致几个挑战。例如，生产较小颗粒尺寸电池材料会导致具有会用作杂质的过量精细的问题。生产较小颗粒还可能由于增加的处理成本而导致增加的成本，以及由于活性材料的增加表面面积而导致浆料扩散困难。
期望提供一种用于在电动车中使用的改善的电池或者电池模块和/或系统，其解决了与在这种车辆中使用的NiMH和/或锂离子电池相关联的一个或者多个挑战。还期望提供一种电池模块和/或电池系统，其包括通过浏览本公开将变得显而易见的有利特征中的一个或者多个。
发明内容
示范性实施例涉及一种用于电化学电池单元的电极，所述电极包括：聚合物基板；与所述聚合物基板接触的导电材料；与所述导电材料接触的导电油墨；以及与所述导电油墨接触的活性电极材料。所述导电油墨被配置成增强所述导电材料和所述活性电极材料之间的粘附性。
另一示范性实施例涉及一种制造用于电化学电池单元的电极的方法。所述方法包括在聚合物基板上设置导电材料。所述方法还包括在所述导电材料上设置导电油墨。所述方法进一步包括在所述导电油墨上设置活性电极材料。所述导电油墨被配置成增强所述导电材料和所述活性电极材料之间的粘附性。
附图说明
图1是根据示范性实施例包括电池模块的车辆的透视图。
图1A是根据示范性实施例的电池模块的透视图。
图2是根据示范性实施例包括电池模块的车辆的截面示意图。
图3是根据示范性实施例的电化学电池单元的透视图。
图4是图3所示的电化学电池单元沿图3中的线4-4截取的部分截面图。
图5是根据示范性实施例用于电化学电池单元的电极和间隔体的部分截面图。
图6是根据示范性实施例以凝胶卷(jelly roll)结构形式设置的电池单元元件的立体图。
图7是图6所示的电池单元元件沿图6中的线7-7截取的截面图。
图8是根据示范性实施例示出了电池单元元件的装配的初始部分的透视图。
图9是根据示范性实施例示出了电池单元元件的装配的最终部分的透视图。
图10A是根据示范性实施例的电极的一部分的截面图。
图10B是根据另一示范性实施例的电极的一部分的截面图。
图11A-11D是根据各种示范性实施例用于电极的聚合物基板的一部分的详细视图。
图12是根据示范性实施例制造薄膜电极的方法的流程图。
图13是根据示范性实施例形成要沉积到薄膜电极上的活性材料的方法的流程图。
具体实施方式
图1是汽车(例如，小汽车)形式的车辆10的透视图，所述车辆10具有用于提供车辆10的动力的全部或者一部分的电池模块20。这种车辆10可以是电动车(EV)、混合电动车(HEV)、插入式混合电动车(PHEV)、或者使用用于推动力的电功率的其它类型车辆(将其统称为“电动车”)。
尽管在图1中将车辆10示出为小汽车，但是根据其它示范性实施例，车辆的类型可以不同，所有这些都旨在落入本公开的范围内。例如，车辆10可以是卡车、公共汽车、工业车辆、摩托车、娱乐车、轮船，或者对于其推动力的全部或者一部分可以得益于电功率的使用的任何其它类型车辆。
尽管在图1中将电池模块20示为位于车辆后备箱或后部中，但是根据其它示范性实施例，电池模块20的位置可以不同。例如，可以基于车辆之内的可用空间、车辆的期望重量平衡、与电池模块20一起使用的其它部件(例如电池管理系统、通风孔或冷却装置等)的位置和各种其它考虑来选择电池模块20的位置。
图1A是根据示范性实施例的电池模块20的透视图。根据示范性实施例，电池模块20包括电化学电池或者电池单元24，并且包括用于将电化学电池单元24彼此连接和/或连接到车辆电气系统的其它部件，并且还用于调节电池模块20的电化学电池单元24和其它特征的特征或者部件。例如，电池模块20可以包括用于监视和控制电池模块20的电气性能、用于管理电池模块20的热行为、流出物(例如从电池单元130排出的气体)的容纳和/或引导以及电池模块120其它方面的特征。
图2示出了根据示范性实施例以HEV形式提供的车辆10的剖视示意图。朝向车辆10的后部，靠近燃料箱12设置电池模块20(可以紧靠燃料箱12设置电池模块20或可以在车辆10后部(例如后备箱)中的独立间隔中设置电池模块，或可以设置于车辆10中的别处)。在车辆10使用汽油动力来推进车辆10时，设置内燃机14。还设置电动机16、功率分配装置17和发电机18作为车辆驱动系统的一部分。
可以仅由电池模块20、仅由发动机14、或者由电池模块20和发动机14二者来对这种车辆10供电或者驱动这种车辆10。应该注意到，根据其它示范性实施例，可以使用用于车辆驱动系统的其它类型的车辆和结构，并且不应认为图2的示意性示例限制了本申请中描述的主题的范围。
根据各种示范性实施例，电池模块20的尺寸，形状和位置、车辆10的类型、车辆技术的类型(例如，EV、HEV、PHEV等等)以及电池化学性等等可以与所示出和描述的不同。
现在参考图3，示出了根据示范性实施例的电化学电池24的等距视图。电池模块20包括多个这样的电化学电池或者电池单元24(例如，锂离子电池单元、镍金属混合电池单元、锂聚合物电池单元等等，或者现在已知或以后研究的其它类型电化学电池单元)。根据示范性实施例，电化学电池单元24通常是被配置成存储电荷的圆柱形锂离子电池单元。根据其它示范性实施例，电池单元24可以具有其它物理结构(例如，椭圆形、棱柱形、多边形等等)。电池单元24的容量、尺寸、设计、端子结构以及其它特征也可以与根据其它示范性实施例示出的不同。
图4是如图3所示的电池单元24沿着图3中的线4-4截取的部分截面图。根据示范性实施例，电池单元24包括容器或者壳体25、盖帽或者盖体42以及电池单元元件30。根据示范性实施例，电池单元元件30是包括至少一个阴极或者正电极36、至少一个阳极或者负电极38、以及一个或者多个间隔体32，34的缠绕电池单元元件。间隔体32、34设置在正负电极36、38的中间或者之间，以使得电极36、38彼此电隔离。根据示范性实施例，电池单元24包括电解质(未示出)。根据示范性实施例，电解质经过填充孔41设置在电池24的壳体25中。
根据示范性实施例，电池单元元件30具有缠绕结构，其中电极36、38以及间隔体32、34缠绕在以管或者心轴50形式设置的部件或者元件周围。可以可选地将这种结构称为凝胶卷结构。尽管所示出的心轴50设置为具有通常圆柱形形状，但是根据其它示范性实施例，心轴50可以具有不同的结构(例如，可以具有椭圆形或者矩形截面形状等等)。应该注意，尽管将电池单元元件30表示为具有通常的圆柱形形状，但是电池单元元件30也可以具有不同的结构(例如，可以具有椭圆形、矩形或者其它期望的截面形状)。
根据另一示范性实施例，电化学电池单元24可以是具有棱柱形的棱柱形电池单元或者堆叠的电池单元元件(未示出)。在这种实施例中，将正负电极36、38设置为以交替方式彼此堆叠在一起的板，其中间隔体32、34设置在正负电极36、38的中间或者之间，以使得电极36、38彼此电隔离。
根据示范性实施例，如在图5所示的部分截面图中所示，正电极36与负电极38沿轴向方向偏离。因此，在电池单元元件30的第一端部处，缠绕的正电极36将比负电极38进一步延伸，并且在电池单元元件30的第二(相对)端部处，负电极38将比正电极36进一步延伸。
这种结构的一个优点在于，电流收集器可以连接到电池单元24的一个端部处的特定电极而不与相反极性的电极接触。例如，根据示范性实施例，负电流收集器40(例如，如图4所示)可以在电池单元元件30的一个端部处连接到暴露的负电极38，并且正电流收集器(未示出)可以在电池单元元件30的相对端部处连接到暴露的正电极36。
根据示范性实施例，负电流收集器40将负电极38电连接到电池单元24的负端子28。如图4所示，负端子28通过绝缘体44与壳体25的盖体42绝缘。根据示范性实施例，正电流收集器(未示出)将正电极36电连接到壳体25的底部。壳体25电连接到盖体(例如，如图4所示)，盖体42又电连接到正端子26。
图6-7示出了缠绕的电池单元元件30的示范性实施例(例如，凝胶卷)，其中电极36、38和间隔体32、34(未示出)缠绕在以心轴50形式设置的部件或者元件(例如，体、中心部件、轴、杆、管等等)周围。根据示范性实施例，可以使用粘合剂或者胶带48(例如，如图6所示)来使绝缘包装46(例如，如图4所示)位于电池单元元件30周围，以至少部分地使电池单元元件30与壳体25电绝缘。
根据示范性实施例，心轴50以细长空管52的形式设置并且被配置成允许来自电化学电池单元内侧的气体从电化学电池单元的一个端部(例如，顶部)流到电化学电池单元的另一个端部(例如，底部)。根据另一示范性实施例，可以将心轴50设置为实管。
例如，在图7中将心轴50示出为设置在电池单元元件30的中心内。根据示范性实施例，心轴50不一直延伸到电池单元元件30的正顶部和正底部。根据其它示范性实施例，心轴50可以一直延伸到电池单元元件30的顶部和/或底部。
仍然参考图6-7，根据示范性实施例，心轴50包括接合到空管52的端部的至少一个(即，一个或者多个)元件或者驱动部件60。根据示范性实施例，驱动部件60被配置成使空管52与电极36、38电绝缘。根据另一示范性实施例，空管52可以设置为与所述电极中的一个电接触，同时与另一电极电绝缘。例如，根据示范性实施例，空管52可以电耦合到正电极36(或者负电极38)，而空管52通过驱动部件60与负电极38(或者正电极36)电隔离。
根据示范性实施例，驱动部件60由诸如聚合物材料或者其它适合材料(例如，塑料树脂)的绝缘材料形成，并且空管52由诸如金属材料或者其它适合材料(例如，铝或者铝合金)的导电(导热)材料形成。根据另一示范性实施例，驱动部件60由诸如金属材料或者其它适合材料(例如，铝或者铝合金)的导电(导热)材料形成，并且空管由诸如聚合物材料或者其它适合材料(例如，塑料树脂)的绝缘材料形成。根据另一示范性实施例，驱动部件60和空管52由诸如聚合物材料或者其它适合材料(例如，塑料树脂)的绝缘材料形成。
现在参考图8-9，其示出了根据示范性实施例的电池单元元件30的装配。尽管没有详细示出，但是在图8-9中示意性示出了心轴50。在图8中，间隔体32、34利用双面或者双侧胶带(或者利用另一适合的粘合剂或者附接装置)附接到心轴50，之后间隔体32、34围绕心轴50进行缠绕(例如，围绕心轴50缠绕两圈或者更多圈)。根据图8所示的示范性实施例，两圈心轴50使用72mm长的间隔体32、34，但是根据其它示范性实施例可以使用更多或者更少长度的间隔体32、34。然后将负电极38的端部(即，前缘)放置在间隔体32、34之间，之后将正电极36的端部(即，前缘)放置在间隔体32的顶部上(尽管根据其它示范性实施例可以改变将正负电极36、38插入在间隔体32、34之间的顺序)。
通过类似的方式，形成分层结构，其中正负电极36、38通过间隔体32、34彼此分隔开(并且可以按照关于图5描述的方式彼此偏离)。此外，正电极36的前缘与负电极38的前缘偏离被认为是负电极重叠的一距离。在所示的示范性实施例中，前缘的负电极重叠是40mm(尽管根据其它示范性实施例这可能改变)。
然后将间隔体32、34和电极36、38围绕心轴50缠绕，以通过将驱动器(未示出)插入在心轴的驱动部件60中并且旋转该驱动器以翻转心轴50来形成缠绕的电池单元元件30。根据示范性实施例，驱动器可以完全经过驱动部件60延伸或者可以仅部分地延伸到驱动部件60中。根据另一示范性实施例，驱动器可以完全经过心轴50延伸并且与两个驱动部件60啮合。在这种情况下，这两个驱动部件60应该彼此对准以正确地容纳驱动器。
根据示范性实施例，可以使用两个驱动器(未示出)以驱动心轴50(例如，在心轴50的任一端部处有一个驱动器以使得每一驱动器插入在其自身的驱动部件60中)。根据另一示范性实施例，可以仅使用单个驱动器(未示出)以驱动或者旋转心轴50。在该实施例中，将单个驱动器插入在心轴50的第一驱动部件60中，心轴50的相对端部通过自由旋转的主轴容纳或者啮合。在这种情况下，心轴50的非驱动端部(即，没有容纳驱动器的端部)可以具有或者不具有第二驱动部件60。
图9示出了位于缠绕操作的端部附近的电池单元元件30(将心轴50示出为缠绕的电池单元元件30的中心，电极36、38和间隔体32，34围绕该中心缠绕)。正电极36的后缘与负电极38的后缘偏离预定距离(例如，根据示范性实施例，该距离是20mm，尽管根据其它示范性实施例这可以改变)。然后将间隔体32、34进一步缠绕两圈，以确保在正负电极36、38之间不存在接触。尽管关于图8-9示出和描述的示范性实施例对于间隔体的各种重叠长度提到具体值，但是应该注意，根据其它示范性实施例，这些值可以改变。根据另一示范性实施例，在将电池单元元件30插入到电池壳体25中之前，可以从完成的装配中去除心轴50。
图10A示出了根据示范性实施例的电极100的截面图。电极100包括第一层或者基层110(例如，基板)、第二层120、第三层130以及第四层140。根据示范性实施例，电极100包括具有设置在其上的多个其它导电层的非导电基板。该非导电基板被配置成用作用于剩余导电层的轻重量且不昂贵的基础。
根据示范性实施例，第一层110包括诸如聚合物(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚酯纤维等等)或者另一适合材料的非导电材料。根据一个示范性实施例，第一层110包括诸如Mylar的聚合物膜。根据示范性实施例，第一层110具有大致4和30微米之间的厚度，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的厚度。
根据示范性实施例，第二层120包括诸如金属的导电材料，并且被配置成用作电极100的电流收集器(例如，导电支撑、导体等等)。根据示范性实施例，导电材料可以例如是铝、铜、钛、镍、金、银、或者其它适合材料或者其合金。根据示范性实施例，第二层120具有大致1和5微米之间的厚度，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的厚度。
根据另一示范性实施例，通过在第一层110上设置导电材料形成第二层120(例如，形成金属化聚合物片)。根据一个示范性实施例，通过将导电材料电镀到第一层110上来将导电材料沉积在第一层110上。例如，电流可以经过包含导电材料的溶液(例如，具有正电荷的溶解金属离子)传输到待电镀的对象。将正电荷金属离子沉积在待电镀的对象(具有负电荷)上。
根据另一示范性实施例，使用气相沉积工艺(例如，物理气相沉积、电子束气相沉积、溅射沉积、阴极电弧沉积)或者其它适合的工艺将导电材料沉积在第一层110上。例如，在物理气相沉积中，可以通过凝缩汽化形式的导电材料以在第一层110的表面上形成导电材料的薄层来将导电材料沉积在第一层110的表面上。
根据另一示范性实施例，可以将第一层110和第二层120层叠(例如，热层叠)到一起。例如，可以在加热情况下下将第一层110和第二层120按压(例如，压缩、滚压、施压等等)到一起，以使得第一层110和第二层120彼此粘附。根据一个示范性实施例，可以在第一层110和第二层120之间添加粘合剂或者过渡层。
根据另一示范性实施例，第一层110可以包括类似网格的结构(或者其它非固体模式)。例如，第一层110可以包括贯穿第一层110(例如，参见图11A-11D)设置的多个孔径或者孔。根据各种示范性实施例，所述孔可以是菱形、方形、椭圆形、圆形、偏菱形、矩形、六边形、或者任何其它适合的形状或者形状组合。根据示范性实施例，所述孔可以具有小于5mm的尺寸(例如，直径)，但是根据其它示范性实施例，可以具有更大或者更小的尺寸。
在第一层110使用类似网络的结构的情况下，可以将第二层120的导电材料沉积在第一层110的类似网格的结构上。根据示范性实施例，在类似网格结构的周围设置(或者允许流动)导电材料，以使得该导电材料粘附到其本身以提供强的机械结合(例如，避免分层)。
如图10A-11D所示的电极的一个有利特征在于：通过降低电极100中提纯的金属铝箔的量可以降低电池模块20的材料成本和整体重量(例如，通过使用耦合到薄导电层的不太昂贵的聚合物基板)。
根据再一实施例，可以使用薄金属铝箔或者其它合适材料来代替第一层110和第二层120。例如，薄金属箔(例如，铝、铜或者其合金)可以代替第一层110和第二层120。
根据示范性实施例，第三层130包括被配置成辅助或者增强第四层140到第二层120的粘合的材料，并且也可以包括导电材料(例如，以石墨、碳、碳黑等等为例)。根据示范性实施例，第三层130具有大致1和5微米之间的厚度，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的厚度。
根据示范性实施例，第三层130可以是粘附粘合剂和导电材料(例如，碳)的墨或者类似墨溶液。根据另一示范性实施例，第三层可以是以薄层涂覆在第二层120表面上的粘附粘合剂和导电材料(例如，碳)的水基溶液。粘附粘合剂可以包括诸如聚丙烯酸的水可溶粘合剂，或者诸如苯乙烯丁基橡胶或者二氟-聚氟乙烯(PVFD)或者PVFD共聚物的其它粘合剂。
根据示范性实施例，例如以碳黑为例的导电碳材料与粘附粘合剂组合以提供用作位于第二层120和第四层140之间的界面的导电层。根据示范性实施例，第三层130是可从Port Huron，Michigan的Acheson Colloids购买的EB-012导电油墨。
根据另一示范性实施例，粘附粘合剂可以是聚乙烯或者聚丙烯、或者可以在导电第二层120的表面上热熔化的任何其它适合材料。根据各种替代实施例可以使用所述申请的其它材料和/或方法。
根据一个示范性实施例，将第三层130施加到第二层120以改善导电性以及第四层140到第二层120的粘附性。根据示范性实施例，第三层130具有比第四层140(即，活性电极层)更高的导电性，以使得第三层130不用作电屏障。根据特定的示范性实施例，第三层130的导电性大致为第四层140的导电性的2-3倍，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的导电性。在一个实施例中，第三层130的导电性大致是30mΩ/cm2，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的导电性。
根据一个示范性实施例，第三层130可以被涂覆(例如，喷涂、溅射等等)在导电金属层120上以实现薄层(例如，在大致1和5微米之间)。根据替代的示范性实施例，可以使用凹版印刷涂覆工艺施加第三层130。在凹版印刷涂覆中，可以将溶液或者涂层(例如，含有粘附粘合剂和导电碳的墨溶液)施加到待焊接的金属，其中对该金属的某些部分进行遮蔽(并且保持为裸金属)以免于被凹版涂覆(例如，通过向在涂覆工艺中使用的施加辊添加间隔体以防止所述辊占用某些区域中的涂层)。
根据另一实施例，可以使用其它印刷工艺而不是涂覆工艺(例如，以将处理速度增加到160米每分钟)将第三层130施加为溶液以实现相对薄的层。根据另一示范性实施例，可以使用光刻工艺或者其它适合工艺将第三层130施加到第二层120。
根据示范性实施例，第四层140包括活性电极材料。根据一个示范性实施例，第四层140包括旨在用作负电极或者阳极的一部分的活性材料(例如，以碳、石墨、锂钛氧化物、硅碳混合物、锡氧化物、混合有碳的锡氧化物的混合物、或者其它适合的材料为例)。根据另一示范性实施例，第四层140包括旨在用作正电极或者阴极的一部分的活性材料(例如，以锂金属氧化物或者其它适合的材料为例)。根据示范性实施例，锂金属氧化物可以例如是锂镁氧化物、锂钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂镍钴镁氧化物或者其它适合的金属氧化物。根据示范性实施例，第四层140具有大致20和150微米之间的厚度，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的厚度。
图10B示出了根据另一示范性实施例的电极200的截面图。所述电极包括导电层220、导电油墨层230以及活性电极层240，所有这些层都设置在基层或者基板210的两侧上。根据一个示范性实施例，活性电极层240之一是正电极材料(例如，锂金属氧化物)并且相对的活性电极层240是负电极材料(例如，碳或者石墨)。根据另一示范性实施例，两个活性电极层240可以是相同的活性电极材料(例如，都是正活性材料或者都是负活性材料)。
根据示范性实施例，图10B中各种层的厚度与关于图10A讨论的类似层的厚度类似。根据示范性实施例，向图10B中的另一层施加各种层的工艺和方法与关于图10A讨论的方法和工艺类似。
图12是示出了形成图10A所示电极100的方法的一个实施例的流程图。在第一步骤1010中，设置诸如聚合物膜的第一层或者基层110(例如，基板)。在第二步骤1020中，利用导电层120涂覆基板110。在第三步骤1030中，然后向导电层120施加导电油墨层130(例如，导电油墨溶液)。根据示范性实施例，在将导电油墨溶液130施加到导电层120之后可以固化导电油墨溶液130(例如，在大致200和250摄氏度之间的温度下小于1小时)。
在第四步骤1040中，将活性电极材料层140施加到导电油墨溶液130(例如，通过刮刀涂布工艺、精密(precision die)工艺、挤压涂布(slot die)工艺、逗号条形(comma bar)工艺或者其它适合工艺)。在第五步骤1050中，固化或干燥电极100(例如，在大致100和150摄氏度之间的温度下大致4和8小时之间)。根据示范性实施例，可以在真空下进行固化或者干燥工艺以有助于水的去除。然后在将电极插入壳体25中之前缠绕(在圆柱形电池单元的情况下)、堆叠(在棱柱形电池单元的情况下)或者以其它方式形成电极100。根据示范性实施例，可以在缠绕、堆叠等等之前，在负电极和正电极之间交替放置间隔体(例如，图8-9所示的间隔体32、34)。
在一些实施例中，可以将活性材料形成为施加到第三层(例如，导电油墨层)的膏或者浆料。根据示范性实施例，固化或者干燥所述膏以形成电极(例如，在大致100和150摄氏度之间的温度下大致4和8小时之间)。根据其它示范性实施例，固化工艺可以具有更大或者更小的固化时间，和/或在更大或者更小的温度下发生。根据另一示范性实施例，通过使用下面描述的各种工艺(或者工艺组合)生成薄的活性电极层可以进一步增强电池的性能(例如，锂离子电池、镍金属混合电池等等)。
如图13所示，根据示范性实施例，通过首先将活性材料(例如，正活性电极材料或者负活性电极材料)与聚合物混合(例如，在诸如平托盘的托盘中)来制造浆料(步骤1110)。根据示范性实施例，活性材料和聚合物都是干粉末的形式。根据示范性实施例，所述混合物中活性材料占90％和99％之间，均衡剂为聚合物，但是根据其它示范性实施例活性材料在混合物中的百分比可以更大或者更小。根据示范性实施例，在高剪切混合工艺中组合活性材料和聚合物以形成基本上同质的混合物。
根据示范性实施例，活性材料可以是负电极材料(例如，以碳、石墨、锂钛氧化物、硅和碳的混合物、锡氧化物、混合有碳的锡氧化物的混合物、或者其它适合的材料)。根据另一示范性实施例，第四层140包括正电极材料(例如，以锂金属氧化物或者其它适合的材料为例)。根据示范性实施例，锂金属氧化物可以例如是锂镁氧化物、锂钴氧化物、锂镍钴铝氧化物、锂镍钴镁氧化物、或者其它适合的金属氧化物。
根据各种示范性实施例，所述聚合物是聚乙烯乙二醇(PEG)、聚乙烯氧化物(PEO)、聚乙烯(PE)和/或羧甲基纤维素(CMC)衍生物。分解所述聚合物(例如，燃烧等等)以在活性材料的表面上形成碳层。这可以在大致600和700摄氏度之间的温度下在惰性气体中通过快速热处理(通常小于一个小时)进行(步骤1120)。根据各种示范性实施例，根据期望的效果，热处理的时间长度和/或温度可以更大或者更小。通过在活性材料上分解聚合物，在活性材料的表面上形成导电碳的薄的均匀层。
根据示范性实施例，然后在具有水和粘合剂的浆料中混合活性材料(具有导电碳层)(步骤1130)。根据各种示范性实施例，粘合剂可以是聚丙烯酸、苯乙烯丁基橡胶、PVDF、CMC或者其它适合的材料。利用该导电层，在不损害电化学电池单元的高功率性能的情况下可以降低添加到用于电极制造的浆料中的附加碳量。
根据示范性实施例，将水，活性材料的浆料(例如可以涂覆有或者没有涂覆有上述的分解聚合物粉)以及粘合剂混合(例如在浆料混合桶中)。然后使该浆料经过研磨机(例如包括浆料经过其旋转的相对硬的介质材料)以降低活性材料颗粒的尺寸(步骤1140)。然后将该混合物的一部分回流并且与浆料混合桶中的剩余浆料重新混合(步骤1150)。重复该工艺直到获得期望的浆料的一致性、颗粒尺寸等等。然后将研磨的浆料施加到电极(步骤1160)。
根据一个实施例，在存在全部电极浆料成分的情况下，降低活性材料的颗粒尺寸，旨在最小化所产生的精细颗粒(小颗粒)的量。根据示范性实施例，活性材料的平均颗粒尺寸在大致1和5微米之间，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的直径。根据一个示范性实施例，期望具有大致20和40微米之间的最终涂覆活性电极层，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的厚度。
根据各种示范性实施例，所述介质材料是直径在大致3mm和10mm之间的硬化的锆化合物或者不锈钢，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的直径。设计所述介质材料的尺寸以足够大而不能随着浆料经过过滤器，并且足够小以将活性材料颗粒降低到期望尺寸。根据一个示范性实施例，研磨机以大致1000和5000rpm之间的速度旋转，但是根据其它示范性实施例可以具有更大或者更小的速度。通过诸如研磨的速度、研磨所花费的时间、研磨的尺寸对混合桶的尺寸等等的各种因素来确定回流到混合桶中的浆料百分比。
所述介质研磨工艺用于在降低结块的活性材料的颗粒尺寸的同时使用碳涂覆活性材料。研磨工艺也改善了碳在浆料中的扩散，考虑要使用的溶剂的降低量。而且，可以实现电极活性材料的颗粒尺寸降低，从而避免与更加传统的方案相关联的许多问题。通过研磨机的操作实现所产生的精细程度或者数量的限制(例如，在研磨机中使用的介质颗粒的尺寸、介质研磨机的旋转速度，所使用的介质研磨机的类型(例如沙、盘、夹子等等)、经过介质研磨机的泵送速率等等)。降低精细颗粒的量旨在增加电池寿命，由于精细颗粒(较小颗粒)倾向于比较大颗粒分解得更快。根据各种示范性实施例，可以与具有聚合物基板的电极或者与不具有聚合物基板的电极一起使用介质研磨工艺。
根据另一示范性实施例，通过向电极浆料添加塑化剂来修改电极处理方法，以实现用于高功率应用的薄的电极层。电极层的固有脆性会对轻微缠绕且紧凑的电极线圈的能力提供限制以装配到如图4所示的相对窄的容器中。这些折叠层的脆性会导致电池单元绕组的中心处的裂缝和缺陷。通过向电极浆料中添加电化学稳定的塑化添加剂可以改善电极的柔性，特别是对于相对薄的棱柱形缠绕电池单元结构是期望的。
根据一个实施例，使用最小量的塑化剂(例如，重量小于10％)可以最小化对电池单元能量密度的影响。可以在干燥的房间大气内进行涂覆电极的处理以防止塑化剂的湿气吸收。适合的塑化剂可以包括：乙烯碳酸盐、聚碳酸脂、二甲基己二酸及其组合。根据优选实施例，塑化剂保留在最终电极中并且因此选择该塑化剂为电化学不活动。
根据另一示范性实施例，可以通过在导电金属层120上涂覆包含粘附粘合剂(例如，聚丙烯酸)、活性材料和导电碳的水基溶液的薄层来形成活性电极层140(例如图5A所示)。根据示范性实施例，在大于100摄氏度的温度下持续至少大致15分钟热固化电极层140。根据另一示范性实施例，在大于大致90摄氏度的温度下持续大致3和10分钟之间热固化电极层140。根据另一示范性实施例，在大致200和250摄氏度之间的温度下持续至少大致30分钟热固化电极层140。在存在锂离子系统中使用的电解质的情况下，通过诱发粘合剂中的交联，在该范围内热固化粘合剂改善了粘附粘合剂的稳定性。
使用水基溶液形成活性电极层140代替在浆料中混合活性材料的步骤并且然后使用浆料混合物涂覆导电金属层120。使用聚丙烯酸的粘合剂可以帮助实现到导电金属层120的良好粘合以用于形成薄膜厚度。
根据本公开可以容易理解到，通过对这里讨论的电极制造工艺进行一个或者多个修改可以增强在高功率应用中使用的电极的性能。这些修改包括：向电流收集器施加导电油墨涂层以增强电极层的粘附性和导电性；降低电池中提纯的金属箔量(例如，通过使用金属化聚合物等等)；修改电极的处理(例如，通过使用介质研磨机、塑化剂等等)以实现用于高性能的薄电极层；并且热固化粘附增强层以增加该层的稳定性和粘附性。
如这里使用的，术语“大致”、“大约”、“基本”以及类似术语意在具有与本公开主题所涉领域中普通技术人员通常接受的用法一致的宽泛含义。研究过本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语意在描述所述和所主张的特定特征而不将这些特征的范围限制到所提供的精确数值范围。因此，应当将这些术语理解为表示，将所述和所主张主题的非实质性或无关紧要的修改或变更视为在所附权利要求中列举的示范性实施例范围之内。
应当指出，这里用于描述各种实施例的术语“示范性”是要表示这样的实施例是可能实施例的可能范例、代表和/或例示(这样的术语并非要表示这样的实施例必然是特别的或最好的范例)。
这里使用的术语“耦合”、“连接”等表示直接或间接将两个构件彼此接合。这样的接合可以是静止的(例如，永久性的)或可活动的(例如，可移除的或可释放的)。可以利用两个构件，或两个构件以及作为单个整体彼此一体形成的任何额外中间构件，或利用两个构件，或两个构件以及彼此附着在一起的任何额外中间构件来实现这样的接合。
这里提到元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)仅仅用于描述图中各元件的取向。应当指出，根据其它示范性实施例，各元件的取向可以有所不同，且这种变化意在由本公开涵盖。
各示范性实施例中所示的电极的构造和布置仅仅是例示性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但研究本公开的本领域技术人员容易认识到，在不实质上脱离本文所述主题的新颖教导和优点的情况下，很多修改都是可能的(例如，改变各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例，参数值，安装布置，材料、颜色、取向的使用等)。例如，被示为一体形成的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可以被翻转或以其它方式改变，可以改变或变化分立元件的性质或数目或位置。根据备选实施例可以改变任何过程或方法步骤的顺序或序列或重新排序。还可以对各示范性实施例的设计、运行条件和布置做出其它置换、修改、变化和省略，而不脱离本示范性实施例的范围。

Claims (15)

1.一种用于电化学电池单元的电极，包括：
聚合物基板；
与所述聚合物基板接触的导电材料；
与所述导电材料接触的导电油墨；以及
与所述导电油墨接触的活性电极材料；
其中所述导电油墨被配置成增强所述导电材料和所述活性电极材料之间的粘附性。
2.如权利要求1所述的电极，其中所述聚合物基板包括从由聚丙烯、聚乙烯和聚酯构成的组中选择的至少一种材料。
3.如权利要求1所述的电极，其中所述导电材料包括从由铝、铜和及其合金构成的组中选择的至少一种材料。
4.如权利要求1所述的电极，其中所述导电油墨包括从由聚丙烯酸、苯乙烯丁基橡胶和二氟聚乙二烯构成的组中选择的至少一种材料。
5.如权利要求4所述的电极，其中所述导电油墨还包括从由石墨、碳和碳黑构成的组中选择的至少一种材料。
6.如权利要求1所述的电极，其中所述活性电极材料包括从由锂镍铝钴氧化物、锂镍钴镁氧化物和锂铁磷酸盐氧化物构成的组中选择的至少一种材料。
7.如权利要求1所述的电极，其中所述聚合物基板包括多个孔径以形成类似网格的结构。
8.如权利要求7所述的电极，其中所述聚合物基板的所述孔径具有从由方形、菱形和圆形构成的组中选择的至少一种形状。
9.一种电化学电池单元，所述电化学电池单元包括如前述权利要求中的任一项所述的电极。
10.一种制造如权利要求1-8中的任一项所述的电极的方法，所述方法包括：
在聚合物基板上设置导电材料；
在所述导电材料上设置导电油墨；以及
在所述导电油墨上设置活性电极材料；
其中所述导电油墨被配置成增强所述导电材料和所述活性电极材料之间的粘附性。
11.如权利要求10所述的方法，其中使用电镀和气相沉积工艺中的至少一种将所述导电材料设置在所述聚合物基板上。
12.如权利要求10所述的方法，还包括：在将所述活性电极材料设置到所述导电油墨之前，使所述活性电极材料经过介质研磨机。
13.如权利要求10所述的方法，还包括：在将所述活性电极材料混合在浆料中之前，将聚合物材料分解到所述活性电极材料的表面上。
14.如权利要求10所述的方法，还包括：在向所述导电油墨设置所述活性电极材料之前，向所述活性电极材料添加塑化剂。
15.如权利要求10所述的方法，还包括：在100和150摄氏度之间的温度下固化所述电极4到8个小时。
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