CN103682249A

CN103682249A - 具有多孔电极的电池

Info

Publication number: CN103682249A
Application number: CN201310401850.8A
Authority: CN
Inventors: U.绍特
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2014-03-26
Also published as: DE102012215921A1

Abstract

本发明涉及一种具有电极层的电池，在所述电极层中引入凹部，以便能够实现更好的渗透并且由此能够实现层的更大的厚度。

Description

具有多孔电极的电池

技术领域

本发明涉及具有多孔的层状电极的电池。

背景技术

今天的电池技术包括具有多孔的层状电极的电池。所述电极包括颗粒的活性电极材料，所述电极材料施加在作为电流输出器起作用的电极板上并且通常厚约10微米至150微米。最大的层厚度在此基本上通过电极的多孔性系统中的电解质的有效的离子导电性限制。然而，对于电极的和因此电池单元的尽可能高的能量密度来说，涂层厚度与电极板的尽可能大的比例是有利的。

因此存在以下必要性：在这方面改善目前为止的、具有多孔的层状电极的电池。

发明内容

因此，本发明的任务是提供改善的电池。这通过根据本发明的权利要求1所述的电池解决。相应地提出一种电池，其包括多孔的层状电极，所述多孔的层状电极施加在电极板上，其中电极在背向电极板的侧上具有多个凹部。

令人惊讶地已发现，由此可以通过简单的方式改善电池的效率。尤其通过根据本发明的电池，可以在大多数应用中实现以下优点的至少一个：

- 凹部导致待引入的通道容积被最小化并且因此导致在向所有活性颗粒恒定供应反应离子种类的情况下电极的总孔隙度被最小化，

- 由此实现电极和因此电池的（容积的和重量的）能量密度和功率密度的同时提高，

- 通过凹部可在离子导电性令人满意的情况下实现更厚的电极层，

- 能以简单的方式将凹部引入到电极层中并且不需要附加的工作步骤，

- 通过凹部实现电极层内更均匀的电流密度分布，这积极地影响电极的老化。

术语“电池”从本发明的意义上尤其理解为通过电化学单元的串联和/或并联的连接实现的一种装置。电化学单元（电气元件）本身由正电极和负电极组成，它们的电化学电位不同并且通过离子导电的电解质连接，然而通过电绝缘的分离器彼此分开。由此得出的电子流和离子流的分离可以用作储能器。

术语“凹部”从本发明的意义上尤其理解为孔状或网格状的结构。所述孔状或网格状的结构尤其具有“深度”（在电极的厚度方向上）与横向扩展（在电极平面上）的大的纵横比，尤其在此10：1或更大的、尤其优选20:1或更大的纵横比从本发明的意义上已被证明为有利的。

术语“多孔的”从本发明的意义上尤其理解为：在活性材料颗粒之间存在空腔，所述空腔以电解质填充并且用于提供电极内的离子导电性。从本发明的意义上，孔隙度在电极内不是均匀地分布，而是部分地有针对性地通过定向的凹部引入到电极中。

术语“层状的”从本发明的意义上尤其理解为：如此三维地构造电极，使得在空间方向之一上的最大扩展等于或小于在两个其他空间方向上的最大扩展的平均值的20%，优选地等于或小于10%。

术语“电极”意味着电池的阳极和/或阴极。显然，根据电池的一种优选实施方式不仅阳极而且阴极可以根据本发明配备有凹部。

术语“电极板”从本发明的意义上尤其理解为：电极涂层施加在典型地由铝或铜制成的薄金属板上，所述薄金属板用作用于电极的支撑结构和集流管。

根据本发明的一种优选的实施方式，凹部的平均直径从大于或等于1微米至小于或等于30微米。

在此，如果凹部包括网格结构或类似网格的结构，则“直径”意指与网格的方向垂直的横截面的横截面面积等值的直径（=相同横截面的圆面的直径）。

已发现所述直径特别优选，因为由此可以在许多应用中出色地实现根据本发明的优点，而不损害电极层的稳定性。

优选地，所述凹部的平均直径大于或等于2微米至小于或等于20微米，更优选为从5微米至小于或等于10微米。

优选地，所述凹部平均延伸直至大于或等于电极厚度的50％。由此可以在大多数应用中实现电解质对电极的良好渗透。更优选的是，凹部平均延伸直至大于或等于电极厚度的80％，此外优选直至大于或等于电极厚度的90％，以及最优选地，所述凹部主要延伸通过整个电极。

优选主要数目的凹部的平均横截面在电极板方向上降低。这尤其确保了在同时最小化所需的孔容积的情况下均匀地给电极供给反应或插入的离子种类（例如在锂蓄电池的情况下的锂离子Li⁺），因为电极中的离子流密度在电极板的方向上降低，并且同样地，电子流密度增加。

从本发明的意义上，术语“主要”意味着大于或等于80％（重量百分比，在可应用的地方），优选大于或等于90％（重量百分比，在可应用的地方），进一步优选大于或等于95％（重量百分比，在可应用的地方）以及最优选大于或等于98％（重量百分比，在可应用的地方）。

优选地，两个凹部之间的平均间距从大于或等于所述凹部的平均直径的单倍直至小于或等于所述凹部的平均直径的五倍。

优选地，在电极的背向电极板的表面上的凹部的面积份额大于或等于1％直至小于或等于20％。这已经被证明为特别优选的，因为由此可以在许多应用中出色地实现根据本发明的优点，而不损害电极层的稳定性。

更优选地，在电极的背向电极板的侧上的凹部的面积份额大于或等于5％直至小于或等于15％，以及最优选大于或等于8％直至小于或等于12％。

优选地，所述电池是锂离子电池。术语“锂离子电池”理解为，阳极和阴极由以下材料制成：所述材料可以与锂离子在电化学反应中尽可能可逆地（例如，通过插入化合物的形成）反应，其中可逆性明显大于99％，特别优选等于或大于99.98％或甚至>99.998％，并且相对于锂具有尽可能不同的电化学电位。电解质中含有具有Li+作为阳离子的一种或多种导电盐。

此外，本发明涉及一种用于制造根据本发明的电极的方法，包括以下步骤：

a）借助微结构化的压辊轧制电极前驱层。

已发现这特别适宜，因为在大多数应用中在电极的制造中已经设置轧制步骤并且由此可以通过压辊的简单更换来制造根据本发明的电极。

替代地或补充地，本发明此外涉及一种用于制造根据本发明的电极的方法，包括以下步骤：

a）有针对性地使电极前驱灰浆材料干燥，从而形成干燥裂缝。

a）通过借助喷墨工艺的逐层的构造来产生凹部。

a) 借助激光或离子射线结构化来制造凹部。

所提到的以及要求保护的和在实施例中描述的根据本发明待使用的部件在其大小、形状、材料选择和技术概念方面没有受到特别的例外条件限制，从而可以无限制地使用在该应用领域中已知的选择标准。

附图说明

本发明的主题的其他细节、特征和优点从从属权利要求中以及从随后的附图描述中得出。

图中示出：

图1示出用于制造根据本发明的第一实施的电极的轧制设备的大致从右上方的很示意性的俯视图；

图2示出根据图1的轧制设备中轧制步骤之前电极前驱层的很示意性的侧视图；

图3示出在轧制之后，图2中的层的很示意性的侧视图；

图4示出在轧制以及后干燥步骤之后，图2中的层的很示意性的侧视图；

图5示出完成的电极层的很示意性的侧视图；

图6示出沿着图3中的线A-A’的纵向剖面；

图7示出与图6类似的用于本发明的另一种实施方式的纵向剖面；

图8示出与图6类似的用于本发明的另一种实施方式的纵向剖面；

图9示出与图6类似的用于本发明的另一种实施方式的纵向剖面；

图10示出与图6类似的用于本发明的另一种实施方式的纵向剖面；

图11示出与图6类似的用于本发明的另一种实施方式的纵向剖面；

图12示出与图6类似的用于本发明的另一种实施方式的纵向剖面；

图13示出与图6类似的用于本发明的另一种实施方式的纵向剖面。

具体实施方式

图1示出用于制造根据本发明的第一实施的电极的轧制设备的大致从右上方的很示意性的俯视图。在此，电极前驱层20通过两个微结构化部的压辊100、101（所述微结构化部在放大图中可以看出并且以105表示）而设有凹部，从而形成根据本发明的电极10。

图2示出根据图1的轧制设备中轧制步骤之前电极前驱层20的很示意性的侧视图。电极前驱层20在此包括电极板30以及前驱颗粒40，以溶剂50包围所述前驱颗粒。

基本上所有对于本领域技术人员从现有技术已知的化学系统都适合用作前驱颗粒40。在锂电池的情况下，这例如是在阴极侧上的材料如LTO、LMO、NCA、NCM、HV-NCM或LFP，所述阴极侧的材料设有如炭黑和/或石墨的颗粒的导电助剂、粘合剂（通常是聚合物）。在阳极侧上考虑例如石墨、无定形碳或LTO作为材料。前驱颗粒在此可以具有任意的形态，颗粒尤其可以是球形、椭圆形、圆柱形、片状或多面体状，或也可以由这样的颗粒的凝聚物组成。

前驱颗粒由溶剂50包围，所述溶剂在电极层的制造过程中被移除。典型的溶剂是NMP（N-甲基-2-吡咯烷酮）、水和丙酮。

应注意，图2中仅仅示出电极前驱层20的上侧。但通常如图1中表示的那样，不仅电极板的下侧而且电极板的上侧都被涂层，典型地，两侧被涂覆以阳极前驱材料或两侧被涂覆以阴极前驱材料。这些上侧和下侧分别构成分别用于两个不同单元的阳极或阴极。

图3中可以看出凹部如何被引入到电极前驱层20中。为此，压辊100向以箭头标出的方向旋转，由此，借助简单地由多个芯轴（Dornen）110组成的微结构化部105，将凹部引入到电极前驱层20中。

图4示出干燥工艺之后的层；已移除溶剂50。通过压实（通常是在砑光工艺中）形成完成的、设有凹部的电极层10，如在图5中可以看出的那样。

图6示出示出沿着图3中的线A-A’的纵向剖面。看出由前驱颗粒40包围的各个芯轴110。图6中可以很好地看出，两个芯轴110之间的平均间距（和因此两个凹部之间的平均间距）总计是芯轴110（=形成的凹部）的直径的约三倍。

然而，压辊100的微结构化部105不必包括芯轴。如在图7中可以看出，还可以考虑星状的凸起110。它们可以“成一行”（图7）也可以错开地（图8）设置。替代地，还可以实现网格（图9）或错开的类似铁丝网的结构（图10）。

图11至13示出在实现芯轴的情况下的其他可能的结构化部。于是，所述结构化部可以具有圆形的（图11）或正方形的/有角的横截面（图12和13）并且构成正方形或矩形图案（图12）或六边形图案（图11和13）。

然而，对于本领域技术人员立即理解，不仅所有所述结构化部的任意变型方案，而且其他的变型方案都是可能的，而且由本发明包括。

已经提到的实施的组成部分和特征的各个组合是示例性地；所述教导与其他在本文献中包含的教导的更换和替代与引用的文献一起同样被明确想到。本领域技术人员认识到，在不偏离本发明的发明思想和范畴的情况下，在此描述的变型方案、修改和其他实施同样可以发生。

相应地，上述描述是示例性地并且不应看作限制性的。在权利要求中使用的词语包括不排除其他组成部分或步骤。不定冠词“一个”不排除复数的含义。在彼此不同的权利要求中叙述的确定的程度这些单纯的事实不说明不可以有利地使用所述程度的组合。在下面的权利要求中定义本发明的范畴和附属的等价物。

Claims

1.电池，包括多孔的层状电极（10），所述多孔的层状电极施加在电极板（30）上，其中所述电极（10）在背向所述电极板（30）的侧上具有多个凹部。

2.根据权利要求1所述的电池，其中所述凹部的平均直径为从大于或等于1微米至小于或等于30微米。

3.根据权利要求1或2所述的电池，其中所述凹部平均延伸直至大于或等于所述电极（10）的厚度的50％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其中主要数目的凹部的平均横截面在所述电极板（30）的方向上降低。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池，其中两个凹部之间的平均间距从大于或等于所述凹部的平均直径的单倍直至小于或等于所述凹部的平均直径的五倍。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池，其中在所述电极（10）的背向电极板的表面上的凹部的面积份额从大于或等于5％直至小于或等于15％。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池，其中所述电池是锂离子电池。

8.用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的电池的方法，包括以下步骤：

a）借助微结构化的压辊（100，101）轧制电极前驱层（20）。