CN102800843B

CN102800843B - 锂离子二次电池电极及其形成方法

Info

Publication number: CN102800843B
Application number: CN201210163880.5A
Authority: CN
Inventors: X.肖; A.T.蒂蒙斯; S.J.哈里斯
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: CN102800843A; DE102012208422B4; US8835056B2; DE102012208422A1; US20120301790A1

Abstract

锂离子二次电池电极及其形成方法，包括将粘合剂和活性颗粒组合以便形成混合物，用混合物给表面涂覆以便形成被涂覆的物体，沿第一平面平移被涂覆的物体，切割第一多个碳纤维以便形成第二多个碳纤维，每个该第一多个碳纤维具有第一平均长度，每个该第二多个碳纤维具有纵向轴线和小于第一平均长度的第二平均长度，将第二多个碳纤维插入混合物层，以使至少部分第二多个碳纤维的每一个的纵向轴线不平行于第一平面，以便形成预形成件，其中第二多个碳纤维形成沿三个维度设置在混合物层中的桁架结构，并加热预形成件以便形成电极。还披露了电极。

Description

锂离子二次电池电极及其形成方法

技术领域

本发明大致涉及锂离子二次电池的电极及形成电极的方法。

背景技术

电池被用于将化学能量转换为电能，并可被描述为原电池和二次电池。原电池通常不可再充电，而二次电池很容易被再充电并可在使用后重新充满电。因此，二次电池可被用于例如供电电子设备、工具、机器和车辆的应用。例如，用于车辆应用的二次电池可经由电出口在车辆外部再充电或经由再生事件在车辆上再充电。

一种二次电池，锂离子二次电池，可包括负电极或阳极，正电极或阴极，和设置在正电极和负电极之间的电解液。负电极可由能够在锂离子二次电池的充电和放电期间包含和释放锂离子的材料形成。更特别地，在电池的充电期间，锂离子可从正电极移动到负电极并嵌入材料。相反地，在电池放电期间，锂离子可从材料中释放并从负电极移动到正电极。由于锂离子包含进负电极的材料并从其中释放，材料的体积可能变化。

发明内容

一种形成锂离子二次电池的电极的方法包括：将粘合剂和多个活性颗粒组合以便形成混合物；和用混合物涂覆基板的表面以便形成被涂覆的物体。被涂覆的物体包括基板和由混合物形成并设置在该表面上的混合物层。该方法还包括沿第一平面平移被涂覆的物体；和切割第一多个碳纤维以便形成第二多个碳纤维。第一多个碳纤维每一个具有第一平均长度，并且第二多个碳纤维每一个具有纵向轴线和小于第一平均长度的第二平均长度。另外，该方法包括将第二多个碳纤维插入混合物层，以使第二多个碳纤维中至少一部分的每一个的纵向轴线不平行于第一平面，以便形成预形成件，其中第二多个碳纤维形成沿三个维度设置在混合物层中的桁架结构。该方法还包括加热预形成件以便形成设置在所述表面上的固化混合物层，并从而形成锂离子二次电池的所述电极。

在一个实施例中，该方法包括将粘合剂和多个活性颗粒组合以便形成混合物，并用混合物涂覆基板的表面以便形成被涂覆的物体。被涂覆的物体包括基板和由混合物形成并设置在该表面上的混合物层。方法还包括使被涂覆的物体沿平行于第一平面设置的第一传送带平移，和使由第一多个碳纤维形成的碳纤维织物沿第二传送带平移到可旋转的切碎滚筒，其中第二传送带平行于第二平面设置，该第二平面与第一平面分隔开且大致平行。该方法进一步包括用可旋转的切碎滚筒切割碳纤维织物，以便形成第二多个碳纤维，其中第一多个碳纤维每一个具有第一平均长度，并且第二多个碳纤维每一个具有纵向轴线和小于第一平均长度的第二平均长度。进一步地，该方法包括将第二多个碳纤维插入混合物层，以使第二多个碳纤维中至少一部分的每一个的纵向轴线不平行于第一平面，以便形成预形成件，其中第二多个碳纤维形成沿三个维度设置在混合物层中的桁架结构。此外，方法包括，与插入操作同时地以沿三个维度的随机方位在混合物层中设置第二多个碳纤维，以使第二多个碳纤维的相邻碳纤维的各个纵向轴线相交，以便形成桁架结构。方法还包括与插入和设置操作同时地将第二多个碳纤维以一体积装填分数装填入混合物层，所述体积装填分数小于或等于100份体积的混合物层中含大约40份体积的第二多个碳纤维。该方法还包括加热预形成件，以及与加热同时地，在混合物层内散置第二多个碳纤维和多个活性颗粒，以使多个活性颗粒在混合物层内接触第二多个碳纤维，以便从而形成锂离子二次电池的电极。

一种锂离子二次电池的电极包括具有表面的基板，以及被设置在所述表面上的固化混合物层。该固化混合物层被设置用于在锂离子二次电池充电至被锂化状态期间引入多个锂离子，以及在锂离子二次电池放电至未被锂化状态期间释放多个锂离子。所述固化混合物层包括粘合剂和涂覆有所述粘合剂的多个碳纤维。所述多个碳纤维每一个具有纵向轴线和平均长度。此外，所述多个碳纤维中至少一部分的每一个的所述纵向轴线不平行于所述表面，以使所述多个碳纤维形成沿三个维度设置在所述固化混合物层中的桁架结构。该固化混合物层还包括基本均匀地分布在所述桁架结构中的多个活性颗粒。每个所述多个活性颗粒可在锂离子二次电池放电至未被锂化状态期间释放多个锂离子时的第一体积和锂离子二次电池充电至被锂化状态期间引入多个锂离子时的第二体积之间膨胀。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解本发明的上述特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是锂离子二次电池的电极的示意透视图；

图2是图1的电极沿线2-2取截面的横截面示意图；

图3是图1和2的电极的放大部分在未被锂化状态下的示意透视图；

图4是图3的电极的放大部分在被锂化状态下的示意透视图；

图5是形成图1-4的电极的方法的示意图；以及

图6是切割用于形成图1-4的电极的第一多个碳纤维的方法的示意图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图1大致示出了锂离子二次电池12的电极10。电极10可用于需要具有优良的导电性、机械完整性、比能容（specific energy capacity）、性能和工作寿命的锂离子二次电池12的应用。因此，电极10可用于多种需要锂离子二次电池12的应用，例如但不限于电子设备、工具、机器和车辆。例如，电极10可用于电动车辆或混合动力电动车辆的锂离子二次电池12。但是，应理解电极10还可用于非汽车应用，例如但不限于家庭和工业电源工具和电子设备。

参考图1，为了大致说明，大致以14示出了用于汽车应用的锂二次电池模块。锂离子二次电池模块14可用于汽车应用，例如用于插电式混合动力电动车辆（PHEV）。进一步地，多个电池模块14可被组合以便形成锂离子二次电池组16，如图1所示。通过例子，锂离子二次电池模块14可具有足够的尺寸以便提供用于为混合动力电动车辆（HEV）、电动车辆（EV）、插电式混合动力电动车辆（PHEV）等供电的必要电压，例如大约300至400伏或更大，取决于所需的应用。

再次参考图1，锂离子二次电池模块14包括相邻定位并相互分隔的多个锂离子二次电池12。进一步地，每个锂离子二次电池12可具有多个电极10、100，例如正电极100或阴极和负电极10或阳极。在此描述的电极10、100可以是锂离子二次电池12的正电极100或负电极10，取决于锂离子二次电池12所需的构造和应用。但是，为了方便和简单地说明，以下说明锂离子二次电池12的负电极10。

锂离子二次电池12可适合于堆叠。即，锂离子二次电池12可由可热封的可挠箔片形成，该箔片被密封以便封入间隔件（未示出）和电极10、100的至少一部分。因此，可堆叠任何数量的锂离子二次电池12或以其他方式使其彼此相邻地放置以便形成单元电池堆，即锂离子二次电池模块14。进一步地，尽管图1中未示出，附加层（例如但不限于框架和/或冷却层）还可被定位在各个的锂离子二次电池12之间的空间中。可预期锂离子二次电池12的实际数量随每个锂二次电池模块14的所需输出电压而变化。同样地，相互连接的二次电池模块14的数量可变化，以便产生用于特定应用的必要的总输出电压。

在工作期间，化学氧化还原反应可在相对负电势的区域和相对正电势的区域之间传递电子，从而循环（即，充电和放电）锂离子二次电池12和锂离子二次电池组16，以便为电力应用提供电压。具体地，多个锂离子（大致以图4中的标记18表示）可在锂离子二次电池12的充电和放电期间在正电极100和负电极10之间传递，如下详细所述。

在此参考图2，锂离子二次电池12（图1）的电极10包括具有表面22的基板20。基板20可根据锂离子二次电池12的所需应用来选择。如非限定性的例子，基板20可由铝或铜形成，可被设置为背膜（backing film）或箔片，和/或可具有大约5微米至大约25微米的厚度24，其中1微米等于1×10-6米。例如，对于负电极10，基板20可以是具有大约10微米的厚度24的铜膜。对于正电极100，基板20可以是具有大约20微米的厚度24的铝膜。此外，基板20的表面22可被设置用于在例如涂覆操作期间接收和支撑材料，如下详细所述。因此，表面22可以是无孔的。

继续参考图2，电极10还包括设置在表面22上的固化混合物层26。即，固化混合物层（cured mixture layer）26可覆盖表面22，如下详细所述。此外，尽管未示出，固化混合物层26还可被设置在附加表面28、30上或涂覆这些附加表面，每个该附加表面相邻、邻接或分隔远离基板20的表面22。

参考图2-4，固化混合物层26被设置用于在锂离子二次电池12（图1）充电至被锂化状态（lithiated state）（大致以图4中的32示出）期间包含多个锂离子18（图4），并在锂离子二次电池12放电至未被锂化状态（大致以图3中的34示出）期间释放多个锂离子18。即，固化混合物层26可在充电期间接受多个锂离子18，并可在锂离子二次电池12的放电期间释放多个锂离子18，如下详细所述。换言之，固化混合物层26能够锂化和去锂化。如在此使用的，术语“锂化”表示在锂离子二次电池12的充电期间向负电极10传递和引入多个锂离子18。相反地，如在此使用的，术语“去锂化”表示在锂离子二次电池12的放电期间从负电极10移出或释放多个锂离子18，并将多个锂离子18传递到正电极100。

继续参考图2，固化混合层26包括粘合剂36。粘合剂36的非限定例子包括聚偏二氟乙烯（PVDF）、丁苯橡胶、羧甲基纤维素及其组合。进一步地，粘合剂36可以是可热固化的，例如在暴露的升高的环境温度中可硬化的，如下详细所述。粘合剂36可以在固化混合物层26中存在的量可以是100份体积的固化混合物层26中含大约1份体积至大约5份体积的粘合剂。在粘合剂36的量大于大约5份体积时，电极10可能不能具有足够的导电性以用于锂离子二次电池12的工作。

如图2的最佳示出，固化混合物层26还包括涂覆有粘合剂36的多个碳纤维38。即，多个碳纤维38可被粘合剂36包围并封装。如图3的最佳示出，多个碳纤维38每一个具有纵向轴线40和平均长度42。进一步地，参考图6所述，多个碳纤维38每一个可具有大约50:1至大约2000:1的平均纵横比（aspect ratio）。如在此使用的，术语“纵横比”表示每个碳纤维38的最长尺寸与最短尺寸之比，例如，碳纤维38的平均长度42和平均宽度44（图6）之比。上述平均纵横比可被选定为在被布置在固化混合物层26中时在锂离子二次电池12的锂化期间为多个碳纤维38赋予可挠性。

多个碳纤维38在固化混合物层26中存在的量可以是100份体积的固化混合物层26含大约20份体积至大约30份体积的碳纤维。例如，多个碳纤维38可以以大约25份体积的量存在于固化混合物层26中。在多个碳纤维38的量小于大约20份体积时，电极10可能不具有足够的导电性以用于锂离子二次电池12（图1）。同样地，在存在大于约30份体积的量时，固化混合物层26可能不具有足够的可挠性以适应锂离子二次电池12的充电和放电。

如图3和4所示，多个碳纤维38在固化混合物层26中以桁架结构（大致以图3和4中的46示出）布置。特别地，至少一部分多个碳纤维38中的每一个的纵向轴线40不平行于表面22，以使桁架结构46沿三个维度设置在固化混合物层26中，例如大致通过图3和4中的50、52和54表示的x维度、y维度和z维度。即，至少一部分多个碳纤维38中的每一个的纵向轴线40可以是例如相对于表面22正交的或成角度的，以使如果这些纵向轴线延伸超过每个碳纤维38的端部48则相应的纵向轴线40可与表面22相交。换言之，在固化混合物层26中多个碳纤维38每一个的至少一部分相对于基板20的表面22不呈“平放”的状态。而是，多个碳纤维38可以沿三个维度50、52、54的随机方位设置在固化混合物层26中，以使多个碳纤维38的相邻碳纤维38的各纵向轴线40相交，以便形成桁架结构46。即，多个碳纤维38可随机地排布，以使桁架结构46可在固化混合物层26中具有网状结构。

进一步地，继续参考附图3和4所述，固化混合物层26中，多个碳纤维38中的至少一个被至少连接到多个碳纤维38中相邻的一个。例如，粘合剂36可使各碳纤维38彼此连接，以便在固化混合物层26中形成网状桁架结构46。

此外，如图3和4中大致所示，多个碳纤维38可以以一体积装填分数（volumetric packing fraction）装填在固化混合物层26中，该体积装填分数小于或等于100份体积的固化混合物层26中含大约40份体积的多个碳纤维38。如在此使用的，术语“体积装填分数”表示固化混合物层26中被多个碳纤维38占用的体积分数。因此，固化混合物层26通常可以是有孔的。此外，桁架结构46可以是在第一形状56（图3，对应于锂离子二次电池12的未被锂化状态34）和第二形状58（图4，对应于锂离子二次电池12的被锂化状态32）之间可挠曲和可反弹，如下详细所述。即，桁架结构46可通过第二多个碳纤维38的邻接碳纤维38限定，并可以在第一形状56（对应于锂离子二次电池12的放电期间锂离子二次电池12的未被锂化状态34）和第二形状58（对应于锂离子二次电池12的充电期间锂离子二次电池12的被锂化状态32）之间可挠曲和可反弹。因此，桁架结构46可在锂离子二次电池12的充电和放电期间在第一形状56和第二形状58之间挠曲。

再次参考图2-4，固化混合物层26进一步包括基本均匀地分布在桁架结构46（图3和4）中的多个活性颗粒60。即，多个活性颗粒60可基本均匀地分布在固化混合物层26中，以使固化混合物层26的每个部分包括多个活性颗粒60。例如，如图3和4的最佳示出，多个碳纤维38和多个活性颗粒60可散置在固化混合物层26中，以使多个活性颗粒60在固化混合物层26中接触多个碳纤维38。即，多个活性颗粒60可被散布遍及固化混合物层26，以使多个活性颗粒60的至少一部分毗邻一个或多个相邻的碳纤维38。

此外，多个活性颗粒60的每个可在锂离子二次电池12放电至未被锂化状态34期间在释放多个锂离子18（图4）时的第一体积（大致以图3中的62示出）和锂离子二次电池12充电至被锂化状态32期间引入多个锂离子18时的第二体积（大致以图4中的64示出）之间可膨胀。即，多个活性颗粒60可在锂化期间改变体积并膨胀。

但是，如参考附图3和4所述，多个活性颗粒60的每个可在从第一体积62至第二体积64的膨胀期间被桁架结构46约束。即，在锂离子二次电池12的锂化期间，多个活性颗粒60可接收且引入多个锂离子18（图4）并由此膨胀到第二体积64。相反地，在锂离子二次电池12的去锂化期间，多个活性颗粒60可释放之前引入的多个锂离子18并由此从第二体积64收缩到第一体积62。在这样的从第一体积62到第二体积64的膨胀期间，桁架结构46可响应于膨胀而挠曲或弯曲。即，多个碳纤维38可以以可挠的三维网结构来约束多个活性颗粒60，该三维网结构被设置为在第一形状56（对应于锂离子二次电池12的未被锂化状态34）和第二形状58（对应于锂离子二次电池12的被锂化状态）之间反弹。因此，桁架结构46可以是可挠的且导电的。

多个活性颗粒60可包括能够与锂形成合金的材料。更具体地，多个活性颗粒的非限定例子可包括锡（Sn）、硅（Si）、锗（Ge）、碳（C）、锌（Zn）、镉（Cd）、铅（Pb）、铋（Bi）、铟（In）和锑（Sb）的合金。例如，多个活性颗粒60可由碾磨Si-Sn合金形成。多个活性颗粒60在固化混合物层26中存在的量可以是100份体积的固化混合物层26中含大约15份体积至大约25份体积的多个活性颗粒。在多个活性颗粒60的量小于大约15份体积时，电极10可能不具有足够的导电性以用于锂离子二次电池12的工作。同样地，在多个活性颗粒60的量大于大约25份体积时，固化混合物层26可能不具有足够的可挠性以用于锂离子二次电池12的锂化和去锂化。

尽管未示出，但是固化混合物层26还可包括其他成分和添加物（大致以图5中的66表示）。例如，固化混合物层26可包括其他添加物66，例如但不限于聚合物、导电添加物、填充物及其组合。聚合物的适合例子可包括但不限于无氟聚合物，例如乙烯丙烯二烯系单体（EPDM）和聚苯乙烯。导电添加物的适合例子可包括但不限于碳或石墨添加物，例如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、热解碳、剥落的石墨片、石墨板、气相生长碳纤维、碳化物、字形颗粒、碳黑、中间碳相微球及其组合。填充物的适合例子可包括但不限于玻璃质材料，例如玻璃珠和陶瓷颗粒。

电极10可具有大约1400mAh/g至大约1800mAh/g的比能容。因此，锂离子二次电池12的电极10具有良好的导电性、机械完整性、比能容、性能和工作寿命。具体地，由相互连接的多个碳纤维38形成的桁架结构46是足够有可挠性的，以便在锂离子二次电池12的充电和放电期间经受多个活性颗粒60的体积变化。即，多个活性颗粒60可在锂离子二次电池12的锂化期间在桁架结构46中从第一体积62自由地膨胀到第二体积64。

还参考附图描述了锂离子二次电池12的电极10的形成方法。具体参考图5和6，方法包括将粘合剂36和多个活性颗粒60组合以便形成混合物68。对于包括前述的添加物66的电极10的变体，方法可选择性地包括将一种或多种添加物66与粘合剂36和多个活性颗粒60组合，以便形成混合物68。粘合剂36、多个活性颗粒60和选择性的添加物66可以任何顺序和以任何方式组合。例如，多个活性颗粒60可被加入到粘合剂36，或粘合剂可被加入到多个活性颗粒60。此外，粘合剂36和多个活性颗粒60可在搅动下组合和/或可在组合后搅动。

继续参考图5，方法进一步包括在基板20的表面22（图2）涂上混合物68以便形成被涂覆的物体70。因此，被涂覆的物体70包括基板20和由混合物68形成并设置在表面22上的混合物层72。表面22可以任何适合的方式涂覆。例如，混合物68可在由泵74提供的压力下被传送到表面22，并且表面22可用混合物68辊式涂布（roll-coat）以便由此形成被涂覆的物体70。应理解，表面22由未固化状态的混合物68涂覆。如此，被涂覆的物体70包括未固化状态的混合物层72。

此外，如图5所示，方法还包括沿第一平面（大致通过箭头76表示）平移被涂覆的物体70。被涂覆的物体70可经由任何适合的可动设备而被沿第一平面76平移。例如，方法可包括沿平行于第一平面76设置的第一传送带78平移被涂覆的物体70。

在此参考图5和6，方法进一步包括切割第一多个碳纤维80以便形成第二多个碳纤维38，即上述的多个碳纤维38。即，如图6所示，第一多个碳纤维80每一个具有第一平均长度82，并且第二多个碳纤维38每一个具有纵向轴线40和第二平均长度42，即上述的平均长度42，该平均长度小于第一平均长度82。换言之，切割第一多个碳纤维80提供了第二多个碳纤维38，其中每个第二多个碳纤维38平均地比每个第一多个碳纤维80短。

第一多个碳纤维80可以任何方式被切割。例如，如图5所示，方法可包括将由第一多个碳纤维80形成的碳纤维织物84（图5）沿第二传送带86平移到可旋转的切碎滚筒（chopping drum）88。在该变体中，如图5所示，第二传送带86平行于第二平面（大致以箭头90表示）设置，该第二平面与第一平面76间隔开且大致平行。例如，第二传送带88可优于第一传送带78设置。因此，每个第一和第二传送带78、86可分别沿第一和第二平面76、90分别平移被涂覆的物体70和碳纤维织物84。第一和第二传送带78、86可以以相同的或不同的速度、以相同的或不同的方向、沿多个驱动轴线或从动轴线92、94、96、98平移。

因此，如图5和6所示，方法可包括用可旋转的切碎滚筒88切割碳纤维织物84以便形成多个碳纤维38。例如，碳纤维织物84可在可旋转的切碎滚筒88中翻滚，该切碎滚筒可装备有切割刀片102（图6）和/或内部锯齿（未示出），它们设置用于切割第一多个碳纤维80以便形成第二多个碳纤维38。

再次参考图5，方法还包括将第二多个碳纤维38插入混合物层72，以使至少一部分的第二多个碳纤维38每一个的纵向轴线40（图6）不平行于第一平面76，以便形成预形成件104，其中第二多个碳纤维38形成沿三个维度（大致以图3和4中的50、52、54示出）设置在混合物层72中的桁架结构46（图3和4）。即，第二多个碳纤维38可在涂覆的物体70沿第一平面76平移的同时被射入或落入被涂覆的物体70的混合物层72，以使第二多个碳纤维38形成上述的桁架结构46。即，第二多个碳纤维38可以不“平放”，而替换地可以三维网结构设置在混合物层72中以便形成预形成件104。预形成件104大致包括最终的电极10的每个构成部分或部件，但预形成件104与电极10的区别在于预形成件104以未固化状态存在。即，第二多个碳纤维38被插入未固化的混合物层26（图2-4）。

因此，如参考附图4和5所述，在一个实施例中，方法进一步包括以沿三个维度50、52、54的随机方位在混合物层72（图5）中设置第二多个碳纤维38，以使第二多个碳纤维38的相邻碳纤维38的各个纵向轴线40相交，以便形成桁架结构46。方法还可包括在混合物层72中将第二多个碳纤维38中的至少一个连接到第二多个碳纤维38中至少相邻的一个。

进一步地，插入操作可在桁架结构46中基本均匀地分布多个活性颗粒60，如图4和5最佳示出的。即，方法可包括在混合物层72中散置第二多个碳纤维38和多个活性颗粒60，以使多个活性颗粒60在混合物层72中接触第二多个碳纤维38。此外，方法可进一步包括将第二多个碳纤维38以一体积装填分数装填入混合物层72，该体积装填分数小于或等于100份体积的混合物层72中含大约40份体积的第二多个碳纤维38。

继续参考附图3-5，方法还包括加热预形成件104以便形成设置在表面22（图3）上的固化混合物层26（图3），并由此形成锂离子二次电池12（图1）的电极10。预形成件104可以任何方式加热。例如，预形成件104可沿第二传送带86平移到固化炉（curing oven）106，如图5所示。在非限定例子中，加热可在大约85°C至大约100°C的温度下、在大约5分钟至大约15分钟持续时间内让混合物层72固化，以便形成固化混合物层26，该固化混合物层被设置在表面22上并被设置用于在锂离子二次电池12充电至被锂化状态32（图4）期间引入多个锂离子18（图4），且在锂离子二次电池12放电至未被锂化状态34（图3）期间释放多个锂离子18。

在参考附图3-5描述的一个实施例中，与插入操作同时，方法还包括以沿三个维度50、52、54的随机方位（图3和4）在混合物层72中设置第二多个碳纤维38，以使第二多个碳纤维38的相邻碳纤维38的各个纵向轴线40（图3和4）相交，以便形成桁架结构46（图3和4）。此外，与插入和设置操作同时，方法包括将第二多个碳纤维38以一体积装填分数装填入混合物层72，该体积装填分数小于或等于100份体积的混合物层72中含的大约40份体积的第二多个碳纤维38。在该实施例中，与加热同时，方法还包括将第二多个碳纤维38和多个活性颗粒60散置在混合物层72中，以使多个活性颗粒60在混合物层72中接触第二多个碳纤维38，以便由此形成锂离子二次电池12的电极10。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims

1.一种形成锂离子二次电池的电极的方法，该方法包括：

将粘合剂和多个活性颗粒组合以便形成混合物；

用混合物对基板的表面进行涂覆以便形成被涂覆的物体，其中被涂覆的物体包括基板和由混合物形成并设置在该表面上的混合物层；

沿平行于第一平面设置的第一传送带沿第一方向平移被涂覆的物体；

沿具有一端的第二传送带沿第一方向平移第一多个碳纤维，其中，第二传送带与第一平面间隔开且设置为与第一平面大致平行；

在所述一端处切割第一多个碳纤维以便形成第二多个碳纤维，其中第一多个碳纤维每一个具有第一平均长度，并且第二多个碳纤维每一个具有纵向轴线和小于第一平均长度的第二平均长度；

在平移被涂覆的物体的同时，将第二多个碳纤维从所述一端落到被涂覆的物体上，以由此将第二多个碳纤维插入混合物层，以使第二多个碳纤维中至少一部分的每一个的纵向轴线不平行于第一平面，以便形成预形成件，其中第二多个碳纤维形成沿三个维度设置在混合物层中的桁架结构；以及

加热预形成件以便形成设置在所述表面上的固化混合物层，并从而形成锂离子二次电池的所述电极。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以沿三个维度的随机方位在混合物层中设置第二多个碳纤维，以使第二多个碳纤维的相邻碳纤维的各个纵向轴线相交，以便形成桁架结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其中桁架结构通过第二多个碳纤维的相邻碳纤维限定，并且在第一形状和第二形状之间可挠且可反弹，所述第一形状对应于锂离子二次电池的放电期间锂离子二次电池的未被锂化状态，所述第二形状对应于锂离子二次电池的充电期间锂离子二次电池的被锂化状态。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将第二多个碳纤维以一体积装填分数装填入混合物层，所述体积装填分数小于或等于100份体积的混合物层中含40份体积的第二多个碳纤维。

5.根据权利要求2所述的方法，进一步包括在混合物层中将第二多个碳纤维中的至少一个连接到第二多个碳纤维中的至少相邻的一个。

6.根据权利要求2所述的方法，进一步包括在混合物层中散置第二多个碳纤维和多个活性颗粒，以使多个活性颗粒在混合物层中接触第二多个碳纤维。

7.根据权利要求6所述的方法，其中插入操作在桁架结构中基本均匀地分布多个活性颗粒。

8.一种依照权利要求1-7中任一项所述的形成锂离子二次电池的电极的方法制造的电极，该电极包括：

具有表面的基板；以及

固化混合物层，被设置在所述表面上并被设置用于在锂离子二次电池充电至被锂化状态期间引入多个锂离子，以及在锂离子二次电池放电至未被锂化状态期间释放多个锂离子，所述固化混合物层包括：

粘合剂；

涂覆有所述粘合剂的多个碳纤维；

其中所述多个碳纤维每一个具有纵向轴线和平均长度；

其中所述多个碳纤维中至少一部分的每一个的所述纵向轴线不平行于所述表面，以使所述多个碳纤维形成沿三个维度设置在所述固化混合物层中的桁架结构；以及

基本均匀地分布在所述桁架结构中的多个活性颗粒，其中每个所述多个活性颗粒可在锂离子二次电池放电至未被锂化状态期间释放多个锂离子时的第一体积和锂离子二次电池充电至被锂化状态期间引入多个锂离子时的第二体积之间膨胀。

9.根据权利要求8所述的电极，其中所述多个碳纤维以沿三个维度的随机方位设置在所述固化混合物层中，以使所述多个碳纤维的相邻碳纤维的所述各个纵向轴线相交，以便形成所述桁架结构。

10.根据权利要求8所述的电极，其中每个所述多个碳纤维具有50:1至2000:1的平均纵横比。