CN104916847B - 利用直接涂覆在纳米孔隔板上的电极的电池 - Google Patents

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Abstract

提供了一种制备锂电池的方法，包括：(a)将多孔隔板层涂覆于基板，所述多孔隔板层包括无机氧化物颗粒；(b)将第一阴极层从包含有机溶剂的颜料分散体直接涂覆于所述多孔隔板层的第一部分；(c)将一个或多个阴极集流器层直接涂覆于所述第一阴极层；(d)将第二阴极层直接涂覆于所述一个或多个阴极集流器层；(e)将第一阳极层直接涂覆于所述多孔隔板层的第二部分；(f)将一个或多个阳极集流器层直接涂覆于所述第一阳极层；以及(g)将第二阳极层直接涂覆于所述一个或多个阳极集流器层。

Description

利用直接涂覆在纳米孔隔板上的电极的电池
技术领域
本发明通常涉及电池和其它电流产生电池的领域。更具体地，本发明涉及利用纳米孔隔板的锂电池、和通过以期望构造利用纳米孔结构的隔板来覆盖电池的其它的层来制备锂电池的方法。
背景技术
锂电池，包括可再充电的或二次锂离子电池、不可再充电的或一次锂电池、和诸如锂-硫电池的其它类型电池，通常通过交错塑料隔板、两侧涂覆阴极层的金属基板、另外塑料隔板、和两侧涂覆阳极层的另外金属基板来制造锂电池。为了保持这些材料的条带的对齐和其它质量原因，该交错通常在自动设备上进行，这是复杂和昂贵的。此外，为了实现足够机械强度和完整性，隔板和金属基板相对较厚，例如厚度为10微米或更厚。例如，用于阳极涂层的铜金属基板的典型厚度为10微米，阴极涂层的铝金属基板的典型厚度为12微米，并且塑料隔板的厚度通常为12-20微米。这些较厚隔板和金属基板不是电化学活性的，因此减小锂电池的电极中电活性材料的体积。这限制了锂电池的能量密度和功率密度。
锂电池的新应用是用于混合动力、插电式混合动力和电力车辆的大功率电池。与手提式计算机与其它应用的锂电池中使用的圆柱形金属电池相比，用于车辆的多种锂电池为扁平或棱柱形设计。此外，用于车辆的锂电池需要是经济的。制造用于车辆和其它应用的更高能量和更经济的锂电池的潜在方案包括，极大增加各电池中的电活性材料的体积的比例或百分率，并且降低制造电池的自动设备的复杂性和费用。
如果锂电池包括的隔板和金属基板层远薄于目前使用的情况，从而具有更高的电活性材料含量，这将是有利的。如果与例如用于手提式计算机电池中使用的卷绕设备相比，可以在更不复杂和更不昂贵的自动加工设备上制备该锂电池，而且特别适于制备扁平的或棱柱形的电池，这将是更加有利的。
发明内容
本发明涉及利用纳米孔隔板、特别是在200℃和更高温度下尺寸稳定的耐热隔板的电池和其它电流产生电池、特别是锂电池，以及涉及通过以期望的厚度和构造利用纳米孔结构的隔板以将电池的其它层直接涂覆在隔板上来制备锂电池的方法。
本发明的一个方面涉及一种锂电池，包括：(a)隔板/阴极组件，其中隔板/阴极组件包括夹置在第一阴极层和第二阴极层之间的阴极集流器层、和在第一阴极层与阴极集流器层相对的一侧上的多孔隔板层，并且其中第一阴极层直接涂覆在隔板层上，(b)隔板/阳极组件，其中隔板/阳极组件包括夹置在第一阳极层和第二阳极层之间的阳极集流器层、和在第一阳极层与阳极集流器层相对的一侧上的多孔隔板层，并且其中第一阳极层直接涂覆在隔板层上，以及(c)电解质，其中电池包括隔板/阴极组件和所述隔板/阳极组件的交替层。在一个实施方式中，隔板/阴极组件的一部分不接触隔板/阳极组件。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，隔板/阴极组件不接触隔板/阳极组件的部分与隔板/阴极组件不接触隔板/阳极组件的另外一个或多个部分接触。在一个实施方式中，具有导电性销的器件电接触隔板/阴极组件的部分和隔板/阴极组件的另外一个或多个部分，并且不电接触隔板/阳极组件的任何部分。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，隔板/阳极组件的一部分不接触隔板/阴极组件。在一个实施方式中，隔板/阳极组件的部分与隔板/阳极组件不接触隔板/阴极组件的一个或多个部分接触。在一个实施方式中，具有导电性销的器件电接触隔板/阳极组件的的部分和隔板/阳极组件的另外一个或多个部分，并且不电接触隔板/阴极组件的任何部分。在一个实施方式中，隔板/阴极组件不接触隔板/阳极组件的部分与隔板/阴极组件不接触隔板/阳极组件的另外一个或多个部分接触。在一个实施方式中，具有导电性销的器件电接触隔板/阴极组件的部分和隔板/阴极组件的另外一个或多个部分，并且不电接触隔板/阳极组件的任何部分。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，阴极集流器层直接涂覆在第一阴极层上。在一个实施方式中，第一阴极层邻近隔板层的表面轮廓和隔板层邻近第一阴极层的表面轮廓匹配，并且隔板层的表面轮廓与在将第一阴极层涂覆在隔板层上之前相同。在一个实施方式中，第一阴极层包括选自电活性颗粒和导电性颗粒的电极颗粒，并且电极颗粒不存在于邻近第一阴极层的隔板层中。在一个实施方式中，隔板/阴极组件的隔板层包含隔板颗粒，并且隔板颗粒不存在于邻近隔板层的第一阴极层中。在一个实施方式中，隔板/阴极组件的阴极集流器层包括铝层。在一个实施方式中，铝层的厚度小于3微米。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，阳极集流器层直接涂覆在第一阳极层上。在一个实施方式中，第一阳极层邻近隔板层的表面轮廓与隔板层邻近第一阳极层的表面轮廓匹配，并且隔板层的表面轮廓与在将第一阳极层涂覆在隔板层上之前相同。在一个实施方式中，第一阳极层包括选自电活性颗粒和导电性颗粒的电极颗粒，并且电极颗粒不存在于邻近第一阳极层的隔板层中。在一个实施方式中，隔板/阳极组件的隔板层包含隔板颗粒，并且隔板颗粒不存在于邻近隔板层的第一阳极层中。在一个实施方式中，隔板/阳极组件的阳极集流器层包括选自铜层和镍层的金属层。在一个实施方式中，金属层的厚度小于3微米。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的隔板层的孔径都小于0.2微米、优选小于0.1微米。在一个实施方式中，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的隔板层都包括平均孔径小于0.2微米、优选小于0.1微米的孔。在一个实施方式中，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的隔板层的厚度都小于9微米、优选小于6微米。在一个实施方式中，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的隔板层都包括包含铝勃姆石的多孔层。
本发明的另一方面涉及一种锂电池，包括：(a)隔板/阴极组件，其中隔板/阴极组件包括夹置在第一阴极层和第二阴极层之间的阴极集流器层、和在第一阴极层与阴极集流器层相对的一侧上的多孔隔板层，并且其中第一阴极层直接涂覆在隔板层上，(b)隔板/阳极组件，其中隔板/阳极组件包括阳极层、和在阳极层的一侧上的多孔隔板层，并且其中阳极层直接涂覆在隔板层上，以及(c)电解质，其中电池包括隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的交替层。在一个实施方式中，阳极层包含锂金属。在一个实施方式中，第一阴极层和第二阴极层包括硫或分子式为Sx 2-的多硫化物，其中x是2-8的整数。
本发明的另一方面涉及一种制备锂电池的方法，包括下列步骤：(a)将多孔隔板层涂覆在基板上；(b)将第一阴极层直接涂覆在隔板层的第一部分上；(c)将一个或多个阴极集流器层直接涂覆在第一阴极层上；(d)将第二阴极层直接涂覆在一个或多个阴极集流器层上；(e)将第一阳极层直接涂覆在隔板层的第二部分上；(f)将一个或多个阳极集流器层直接涂覆在第一阳极层上；以及(g)将第二阳极层直接涂覆在一个或多个阳极集流器层上。在一个实施方式中，在步骤(g)后还包括步骤(h)：使基板从隔板层的所述第一和第二部分分层，以制备隔板/阴极组件和隔板/阳极组件。在一个实施方式中，在步骤(h)后还包括步骤(i)：使隔板/阴极组件和隔板/阳极组件交错以形成干隔板/电极电池。在一个实施方式中，在交错步骤之前，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件为片状构造。
在一个实施方式中，在步骤(i)后，隔板/阴极组件的一部分不接触隔板/阳极组件，和隔板/阳极组件的一部分不接触隔板/阴极组件，并且具有导电性销的第一器件电连接隔板/阴极组件的所述部分中的两个或多个，并且具有导电性销的第二器件电连接隔板/阳极组件的所述部分中的两个或多个。在一个实施方式中，还包括下列步骤：(1)将干隔板/电极电池封装在外壳中；以及(2)填充电解质并密封。
在本发明的制备锂电池的方法的一个实施方式中，步骤(c)的所述一个或多个阴极集流器层中的至少一个包括金属层，并且金属层的厚度小于3微米。在一个实施方式中，步骤(f)的一个或多个阳极集流器层中的至少一个包括金属层，并且金属层的厚度小于3微米。在一个实施方式中，隔板层的孔径小于0.2微米、优选小于0.1微米。在一个实施方式中，隔板层的厚度小于9微米、优选小于6微米。
附图简要说明
为了描述本发明，附图中示出了特定布置和方法。但是，应当理解，本发明不限于所示的精确布置或详细描述的方法。
图1示出隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的交替层的剖视图，其中一部分隔板/阴极组件不接触隔板/阳极组件。
图2示出隔板/阴极组件的剖视图，其包括夹置在第一阴极层和第二阴极层之间的集流器层、和在第一阴极层的一个侧面上的多孔隔板层。
图3示出隔板/阳极组件的剖视图，其包括夹置在第一阳极层和第二阳极层之间的集流器层、和在第一阳极层的一个侧面上的多孔隔板层。
图4示出具有导电性销的器件的剖视图，其在一部分隔板/阴极组件之间产生电连接，而不电连接隔板/阳极组件。
图5示出隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的交替层的剖视图，其中一部分隔板/阳极组件不接触隔板/阴极组件。
图6示出具有导电性销的器件的剖视图，其在一部分隔板/阳极组件之间产生电连接，而不电连接隔板/阴极组件。
图7示出交替层的自上向下视图，其中图4中所示的第一器件电接触图1中所示的隔板/阴极组件的部分、和隔板/阴极组件的另外一个或多个下面部分，以及其中图6中所示的第二器件电接触图5中所示的隔板/阳极组件的部分、和隔板/阳极组件的另外一个或多个下面部分。
图8示出在分层以除去基板的步骤之前涂覆在基板上的隔板/阴极组件的剖视图。
图9示出在分层以除去基板的步骤之前涂覆在基板上的隔板/阳极组件的剖视图。
具体实施方式
本发明的锂电池和制备锂电池的方法提供灵活和有效的方案，从而提供具有更高能量和功率密度以及更低的生产和资金设备成本的锂电池。
本发明的一个方面涉及一种锂电池，包括：(a)隔板/阴极组件，其中隔板/阴极组件包括夹置在第一阴极层和第二阴极层之间的阴极集流器层、和在第一阴极层与阴极集流器层相对的一侧上的多孔隔板层，并且其中第一阴极层直接涂覆在隔板层上，(b)隔板/阳极组件，其中隔板/阳极组件包括夹置在第一阳极层和第二阳极层之间的阳极集流器层、和在第一阳极层与阳极集流器层相对的一侧上的多孔隔板层，并且其中第一阳极层直接涂覆在隔板层上，以及(c)电解质，其中电池包括隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的交替层。在一个实施方式中，隔板/阴极组件的一部分不接触隔板/阳极组件。
如本文使用的，单词“电池”是指单个电流产生电池和合并在外壳或包装中的多个电流产生电池。如本文使用的，术语“锂电池”是指本领域已知的所有类型的锂电池，包括但不限于可再充电的或二次锂离子电池、不-可再充电的或一次锂电池、和诸如锂-硫电池的其它类型电池。
如本文使用的，术语“集流器层”是指邻近电极层的一个或多个集流层。这包括但不限于，单个导电金属层或基板和具有诸如炭黑-基聚合物涂层的覆盖导电涂层的单个导电金属层或基板。作为集流器的导电金属基板的实例是：包括铝的金属基板，其通常用作用于正极或阴极层的集流器层和基板；以及包括铜的金属基板，其通常用作用于负极或阳极层的集流器层和基板。隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的集流器层都可包括导电性材料，该导电性材料选自：包括金属颜料或颗粒的导电性金属；导电性碳，包括炭黑和石墨颜料；以及导电性聚合物。这些导电性材料可结合用于增加机械强度和挠性的有机聚合物，以形成集流器层。
如本文使用的，术语“电极层”是指包括电活性材料的电池的层。在一次锂电池的情况下或在可再充电的锂电池的情况下，电极层中存在锂时，锂在电池的充电期间形成，并且在电池放电期间氧化成锂离子，电极层称为阳极或负极层。具有相反极性的其它电极被称为阴极或正极层。用于锂电池的任何电活性材料可用在本发明的锂电池的电极层中。实例包括但不限于：作为阴极层中的电活性材料的锂钴氧化物、锂锰氧化物、磷酸锂铁和硫；和作为阳极层中的电活性材料的钛酸锂、嵌锂石墨、嵌锂碳、和金属锂。
如本文使用的，单词“电解质”是指可用于锂电池的任何电解质。合适电解质包括但不限于液体电解质、凝胶聚合物电解质和固体聚合物电解质。合适的液体电解质包括但不限于，诸如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和碳酸乙基甲基酯的混合物的有机溶剂混合物中的LiPF6溶液。
图1示出隔板/阴极组件10和隔板/阳极组件20的交替层的剖视图(不成比例)的实施例，其中隔板/阴极组件10的部分12不接触隔板/阳极组件20。具有一部分隔板/阴极组件不接触隔板/阳极组件、例如不具有隔板/阳极组件的上层或下层的隔板/阴极组件的部分的一个目的是提供隔板/阴极组件的区域，其中单独阴极集流器层可以直接彼此电连接以更有效地操作锂电池。
图2示出本发明的隔板/阴极组件10的剖视图(不成比例)的例子，其包括夹置在第一阴极层16和第二阴极层17之间的阴极集流器层14、和在第一阴极层16的一侧上的隔板层18。图3示出本发明的隔板/阳极组件20的剖视图(不成比例)的例子，其包括夹置在第一阳极层26和第二阳极层27之间的阳极集流器层24、和在第一阳极层26的一侧上的隔板层28。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，不接触隔板/阳极组件的隔板/阴极组件的部分与不接触隔板/阳极组件的隔板/阴极组件的另外一个或多个部分接触。在一个实施方式中，具有导电性销的设备电接触隔板/阴极组件的部分和隔板/阴极组件的另外一个或多个部分，并且不电接触隔板/阳极组件。
如本文使用的，术语“具有导电性销的器件”和“导电性销”是指任何机械构造，该构造可以电连接隔板/阴极组件的两个或多个部分或隔板/阳极组件的两个或多个部分。实例包括但不限于金属销、金属棒、具有或不具有金属凸出以透过多个层的金属夹和金属螺丝、以及结合外壳的任何部件的这些金属部件，该外壳具有设计或开口以使这些金属边缘连接和外部电连接材料定位和固定。金属可以是镍或任何其它导电性金属或非金属材料，其与特定电极层、集流器层和电解质是相容和稳定的)。
图4示出具有导电性销32的器件30的剖视图(不成比例)的实施例，导电性销3在隔板/阴极组件10的一个或多个部分12之间产生电连接，而不电连接隔板/阳极组件20。导电性销32通过器件30中的开口或孔优选地定位、插过和保持在适当位置。不是导电性销的器件30的部件可以是不导电的塑料材料，其任选地集成到电池的外壳中，或可选地可以是导电性材料，例如塑料材料中的金属或金属颗粒，其可用于使电池电连接外部电路。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，一部分隔板/阳极组件不接触隔板/阴极组件。图5示出隔板/阴极组件10和隔板/阳极组件20的交替层的剖视图(不成比例)的实施例，其中隔板/阳极组件20的部分22不接触隔板/阴极组件10。类似于上面对于隔板/阴极组件的描述，具有一部分隔板/阳极组件不接触隔板/阴极组件、例如不具有隔板/阴极组件的上层或下层的隔板/阳极组件的部分的的一个目的是提供隔板/阳极组件的区域，其中单独集流器层可以直接彼此电连接以更有效地操作锂电池。在一个实施方式中，不接触隔板/阴极组件的隔板/阳极组件的部分与不接触隔板/阴极组件的隔板/阳极组件的一个或多个部分接触。在一个实施方式中，具有导电性销的器件电接触隔板/阳极组件的部分和隔板/阳极组件的另外一个或多个部分，并且不电接触隔板/阴极组件。图6示出具有导电性销42的器件40的剖视图(不成比例)的实施例，导电性销42在隔板/阳极组件20的部分22之间产生电连接，而不电连接隔板/阴极组件10。导电性销42优选地通过器件40中的开口或孔定位、插过和保持在适当位置。不是导电性销的器件40的部件可以是可以是非导电性塑料材料，其任选地集成到电池的外壳中，或可选地是导电性材料，例如塑料材料中的金属或金属颗粒，其可用于使电池电连接外部电路。在一个实施方式中，不接触隔板/阳极组件的一部分隔板/阴极组件与不接触隔板/阳极组件的隔板/阴极组件的另外一个或多个部分接触。在一个实施方式中，具有导电性销的器件电接触隔板/阴极组件的部分和隔板/阴极组件的另外一个或多个部分，并且不电接触隔板/阳极组件。图7示出交替层的自上向下视图(不成比例)的例子，其中如图4所示的器件30电接触如图1所示的隔板/阴极组件10的部分12、隔板/阴极组件10的另外一个或多个下面部分12，以及其中图6中所示的器件40电接触图5中所示的隔板/阳极组件20的部分22、隔板/阳极组件20的另外一个或多个下面部分22。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，阴极集流器层直接涂覆在第一阴极层上。在一个实施方式中，第二阴极层直接涂覆在第一阴极集流器层上。在一个实施方式中，第一阴极层邻近隔板层的表面轮廓与隔板层邻近所述第一阴极层的表面的轮廓匹配，并且隔板层的表面的轮廓和在将第一阴极层涂覆在隔板层上之前一样。在一个实施方式中，第一阴极层包括选自电活性颗粒和导电性颗粒的电极颗粒，并且电极颗粒不存在于邻近第一阴极层的隔板层中。在一个实施方式中，隔板/阴极组件的隔板层包括隔板颗粒，并且隔板颗粒不存在于邻近隔板层的第一阴极层中。在一个实施方式中，隔板/阴极组件的阴极集流器层包括铝层。在一个实施方式中，铝层的厚度小于3微米。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，阳极集流器层直接涂覆在第一阳极层上。在一个实施方式中，第二阳极层直接涂覆在阳极集流器层上。在一个实施方式中，第一阳极层邻近隔板层的表面的轮廓与隔板层邻近第一阳极层的表面的轮廓匹配，并且隔板层的表面的轮廓和在将第一阳极层涂覆在隔板层上之前一样。在一个实施方式中，第一阳极层包括选自电活性颗粒和导电性颗粒的电极颗粒，并且电极颗粒不存在于邻近第一阳极层的隔板层中。在一个实施方式中，隔板/阳极组件的隔板层包括隔板颗粒，并且隔板颗粒不存在于邻近隔板层的第一阳极层中。在一个实施方式中，隔板/阳极组件的阳极集流器层包括选自铜层和镍层的金属层。在一个实施方式中，金属层的厚度小于3微米。
在本发明的锂电池的阴极集流器层和阳极集流器层的一个实施方式中，集流器层包括选自导电性金属、导电性碳和导电性聚合物的导电性材料。在一个实施方式中，集流器层包括直接涂覆在第一阴极或第一阳极层上的两个或多个层，并且两个或多个层中的至少一个包括包含碳的导电性材料。在一个实施方式中，集流器层的厚度小于3微米。
在本发明的锂电池的一个实施方式中，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的隔板层的孔径都小于0.2微米、优选小于0.1微米。在一个实施方式中，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的隔板层都包括平均孔径小于0.2微米、优选小于0.1微米的孔。在一个实施方式中，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的隔板层的厚度都小于9微米、优选小于6微米。在一个实施方式中，隔板层包括包含干凝胶层或干凝胶膜的多孔层，包括但不限于包含铝勃姆石的多孔层。在一个实施方式中，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的隔板层包括选自下列的隔板颗粒：诸如氧化铝和铝勃姆石的无机氧化物颗粒；无机氮化物颗粒；无机碳酸盐颗粒；无机硫酸盐颗粒；和诸如聚烯烃珠或含氟聚合物珠的聚合物颗粒。
如本文使用的，术语“干凝胶层”是指通过干燥胶态溶胶液体以形成固体凝胶材料的干凝胶或溶胶凝胶法而形成的多孔层。如本文使用的，术语“干凝胶膜”是指包括至少一个干凝胶层的膜，其中干凝胶层的孔从该层的一侧至该层的另一侧是连续的。干凝胶层和膜通常包括作为溶胶凝胶材料的无机氧化物材料，例如铝氧化物、铝勃姆石和锆氧化物。用于本发明的合适的干凝胶膜的实例包括但不限于Carlson等人的第6,153,337号和第6,306,545号美国专利、以及Carlson的第No.6,488,721号和第6,497,780号美国专利中描述的干凝胶膜。
本发明的另一方面涉及一种锂电池，包括：(a)隔板/阴极组件，其中隔板/阴极组件包括夹置在第一阴极层和第二阴极层之间的阴极集流器层、和在第一阴极层与阴极集流器层相对的一侧上的多孔隔板层，并且其中第一阴极层直接涂覆在隔板层上，(b)隔板/阳极组件，其中隔板/阳极组件包括阳极层、和在阳极层的一侧上的多孔隔板层，并且其中阳极层直接涂覆在隔板层上，以及(c)电解质，其中电池包括隔板/阴极组件和隔板/阳极组件的交替层。在一个实施方式中，阳极层包含锂金属。利用一些阳极层，例如具有高导电性、并含有高含量的锂或锂合金或另外电活性阳极金属或金属合金的阳极层，可不需要阳极集流器层。在这些情况下，可以省略涂覆阳极集流器层和涂覆第二阳极层的步骤，并且第一阳极层可以直接涂覆在多孔隔板层上。第一阳极层的这种涂覆可以是锂或阳极层的其它金属成分的气相沉积，或者可以通过锂电池的金属阳极层领域中已知的其它方法中的任一种来进行涂覆或沉积。在一个实施方式中，第一阴极层和第二阴极层包括硫或分子式为Sx 2-的多硫化物，其中x是2至8的整数。可不需要阳极集流器层和第二阳极层的锂电池的实施例包括锂-硫电池，其中阳极通常是锂金属层。如果另外的电池层需要涂覆在锂或其它金属阳极层的一侧或两侧上，这些层可以在另外的涂覆步骤中直接涂覆在隔板层上或金属阳极层上。
本发明的另一方面涉及一种制备锂电池的方法，包括下列步骤：(a)将多孔隔板层涂覆在基板上；(b)将第一阴极层直接涂覆在隔板层的第一部分上；(c)将一个或多个阴极集流器层直接涂覆在第一阴极层上；(d)将第二阴极层直接涂覆在一个或多个阴极集流器层上；(e)将第一阳极层直接涂覆在隔板层的第二部分上；(f)将一个或多个阳极集流器层直接涂覆在第一阳极层上；以及(g)将第二阳极层直接涂覆在一个或多个阳极集流器层上。在一个实施方式中，在步骤(g)后还包括步骤(h)：使基板从隔板层的第一和第二部分分层，以制备隔板/阴极组件和隔板/阳极组件。在一个实施方式中，在步骤(h)后还包括步骤(i)：使隔板/阴极组件和隔板/阳极组件交错以形成干隔板/电极电池。在一个实施方式中，在交错步骤之前，所述隔板/阴极组件和所述隔板/阳极组件为片状构造。
在本发明的制备锂电池的方法的一个实施方式中，步骤(a)是提供多孔隔板层的步骤。在一个实施方式中，步骤(a)包括将多孔隔板层涂覆在基板上。在一个实施方式中，基板是离型基板，并且在步骤(d)后还包括下列步骤：使基板从隔板层分层以形成隔板/阴极组件和隔板/阳极组件。在一个实施方式中，步骤(a)的基板是多孔基板，其中多孔隔板层直接涂覆在多孔基板上。在一个实施方式中，多孔基板选自多孔聚合物膜和多孔非织造的聚合物纤维基板。多孔基板的实例包括但不限于多孔聚乙烯膜和多孔聚丙烯膜，例如由Polypore,Inc.,Charlotte,NC以商品名CELGARD所销售的。为了使隔板的总厚度最小化，多孔基板的厚度可以为5-12微米，并且涂覆在多孔基板上的多孔隔板层的厚度可以为2-10微米。如果多孔基板具有足够的机械强度以在作为自支撑膜或使用临时的隔离膜而在涂覆设备上处理，并且具有金属层隔板需要的性能，步骤(a)中使用多孔基板使得不需要稍后分层步骤，因为多孔基板变为电池层并且用作隔板。直接涂覆在多孔基板上的多孔隔板层具有另外优点：提供非常小的孔的层的，该孔阻止直接涂覆在其上的电极层的任何颗粒渗透，以及提供具有在200℃或更高温度下尺寸稳定性的更安全和更耐热性隔板的另外优点。
用于本发明的合适的隔板涂层的实例包括但不限于Carlson等人的第6,153,337号和第6,306,545号美国专利以及Carlson的第6,488,721号和第6,497,780号美国专利中描述的隔板涂层。这些隔板涂层可以从水性混合物或溶剂混合物中涂覆在多种基板上，例如，有机硅处理的塑料和纸基板、聚酯膜基板、涂覆聚烯烃的纸和金属基板、多孔聚烯烃膜和多孔非织造聚合物纤维基板。本发明的将隔板涂覆在基板上的优点包括但不限于：(a)锂电池的其它层可以涂覆或层叠在该隔板涂层上，然后可以通过分层除去基板以提供电池层的干燥叠堆，(b)用于隔板层的涂覆方法使其本身制备比用于隔板的挤出方法通常得到的隔板更薄的隔板；以及(c)涂覆的隔板层可以是孔径小于0.1微米的纳米孔，纳米孔太小而不允许任何电极和其它覆盖涂层的颗粒渗透到隔板层中。甚至已经发现孔径高达0.2微米的隔板层防止通常在锂电池中使用的任何炭黑颜料的颗粒渗透到隔板层中。
电极涂层可以涂覆在隔板层的全部表面上、或者隔板层上的条带或通道中、或者隔板层上的小片或矩形形状中，这取决于最终用途的要求以及在没有因为使相反极性的任何电极和集流器层接触而短路的情况下从各电极层进行集流的具体处理。阴极涂层通常从颜料分散体涂覆，该颜料分散体包括诸如N-甲基吡咯烷酮(NMP)的有机溶剂例，并且含有颜料形式的电活性或阴极活性材料、导电碳颜料和有机聚合物。阳极涂层通常从颜料分散体涂覆，该颜料分散体包含有机溶剂或水，并且含有颜料形式的电活性或阳极活性材料、导电碳颜料和有机聚合物。这些电极颜料是直径通常大于0.1微米并且经常是0.5-5微米的颗粒。
然而，阴极和阳极层都可以涂覆在隔板/电极组件中，并且结合这些组件以形成干隔板/电极电池。在该情况下，隔板层可以存在于所有电极层上以在阴极和阳极层之间设置“双隔板”层，或者可选择地，隔板层可以仅存在于隔板/电极组件的一个电极侧面上，如本发明中所述。
对于集流器层，可选择地，锂电池领域中已知的诸如碳颜料涂层的导电非金属层，可以在金属集流器层沉积之前和/或之后进行涂覆，以获得改善的集流和电池效率，以及提供一些增加的机械强度和挠性。金属集流器层可以比锂电池中使用的厚金属基板通常的10-12微米的厚度更薄。例如，金属集流器的厚度可以小于3微米，并且可以薄为约1微米，例如0.5-1.5微米厚。这允许将更高比例的电活性材料引入锂电池，从而增强锂电池的能量和功率密度。金属集流器层可以通过本领域已知的任何金属沉积方法来沉积，例如在铝层的情况下通过真空沉积法。
图8示出在步骤(a)-(d)后直接涂覆在基板52上的隔板/阴极组件50剖视图(不成比例)的实施例。隔板/阴极组件50具有隔板层18、第一阴极层16、第二阴极层17和阴极集流器层14。图9示出在步骤(a)和(e)–(g)后直接涂覆在基板52上的隔板/阳极组件60的剖视图(不成比例)实施例。隔板/阳极组件50具有隔板层28、第一阳极层26、第二阳极层27和阳极集流器层24。
将图8中的基板52从相邻隔板层18分层而产生隔板/阴极组件，例如图2所示。将图9中的基板52从相邻隔板层28分层而产生隔板/阳极组件，例如图3所示。
隔板/阴极组件和隔板/阳极组件可以切开以缩小宽度并形成具有期望形状的片材，之后使它们交错以制备具有隔板/阴极组件和隔板/阳极组件部分的干电池组，其没有相反极性的电极的上层和下层，因此成用于相同极性的多个电极和集流器层集流的构造。此外，隔板/阴极组件和隔板/阳极组件可以切开以缩小宽度并通过下列方式交错：与通过将彼此不同宽度和边缘偏置的塑料隔板、阴极、塑料隔板和阳极条带卷绕在一起制备圆筒锂电池所进行的那样相类似地，使它们彼此偏置。锂电池领域已知的边缘连接的任何方法，例如金属互联(tabbing)和气相沉积的金属边缘，也可以用于本发明的锂电池。此外，电绝缘材料可以沉积在隔板/阴极组件或隔板/阳极组件的边缘上，以提供避免使用相反极性的电极和集流器层引起的任何短路的另外保护。
在一个实施方式中，在步骤(i)后，隔板/阴极组件的一部分不接触隔板/阳极组件，和隔板/阳极组件的一部分不接触隔板/阴极组件，并且其中具有导电性销的第一器件电连接隔板/阴极组件的所述部分中的两个或多个，并且具有导电性销的第二器件电所述隔板/阳极组件的所述部分中的两个或多个。图7示出产生的干电极/隔板电池的实施例。在一个实施方式中，还包括下列步骤：(1)将所述干隔板/电极电池封装在外壳中；以及(2)填充电解质并密封。适当的外壳材料和方法以及电解质填充和密封方法包括锂电池领域中已知的那些。外壳有助于防止电解质的任何泄漏和有助于提供另外的机械保护。电解质填充和密封将干电池组转化为“湿”电池，该“湿”电池准备用于充电-放电循环和供消费者使用。
本发明的锂电池外壳和制备锂电池的方法可以设计为用于在交错步骤中定位和对齐隔板/阴极组件和隔板/阳极组件，并且也可用于定位和放置具有导电性销的器件。例如，在制备扁平电池的一个方案中，外壳底部和附接底部的四个角柱可以使交错的隔板/阴极组件和隔板/阳极组件以彼此适当的角度定位并保持在适当位置，其中在四个角柱中的两个之间定位的各个边缘上每个组件分别稍微重叠约4-10mm。参照图7，这些四个角柱可以定位在从上自下视图的四个拐角处，以在交错步骤期间和边缘连接具有导电性销的器件之前，使板定位和保持在适当位置。为了完成电池制备，例如，则外壳顶部可以连接到四个角柱上，其中顶部外壳的边缘上的开口对齐底部外壳的边缘上的开口，并且定位以接纳具有导电性销的特定器件。在边缘上完成电连接之后，外壳的四个边的剩余部分然后可以连接到外壳上。与诸如约100-200mm的各边的宽度相比，扁平电池外壳的这些边的高度可以非常小，例如小于10mm。外壳可以具有用于电解质的填充孔，如一个侧面上开口，优选外壳顶部上的开口。在填充电解质后，该填充口被密封以提供“湿”电池，该“湿”电池准备在供消费者使用之前用于化成(formation)循环和实验。
外壳还提供将电池电连接到外部电路的路径。这可以以锂电池和其外壳的领域中已知的多种方式来完成。例如，外壳可以由作为一个电极连接的诸如铝的金属制成和由金属销制成，该金属销与金属外壳电绝缘，可以在作为另外电极连接的外壳外面的外部电路连接上是可得到的。还例如，外壳可以是塑料，并且在用于各电极的外壳的外部上具有导电性销的器件是可得到的。边缘连接的多种其它变型也是可以使用的。例如，扁平电池的各隔板/电极组件的边缘连接可以仅在一个边缘上实现，而不是在各隔板/电极组件的两个边缘上实现。该方案可以进一步简化了电池的制备，但是仍提供有效的边缘连接。可以优化电极的长度和宽度尺寸，以匹配优选的边缘连接和外部电连接。例如，对于仅在每个隔板/电极组件的一侧上的边缘和外部电连接，该侧的长度可以远大于没有电连接的侧的宽度距离。
在本发明的制备锂电池的方法的一个实施方式中，步骤(c)的一个或多个阴极集流器层中的至少一个包括金属层，并且所述金属层的厚度小于3微米。在一个实施方式中，步骤(f)的一个或多个阳极集流器层中的至少一个包括金属层，并且所述金属层的厚度小于3微米。在一个实施方式中，隔板层的孔径小于0.2微米、优选小于0.1微米。在一个实施方式中，隔板层包括平均孔径小于0.2微米、优选小于0.1微米的孔。在一个实施方式中，隔板层的厚度小于9微米、优选小于6微米。也可以通过和上面所述类似的方法和产品设计来制备其它电流产生电池，例如使用不包括锂的化学的电容器和电池。

Claims (12)

1.一种制备锂电池的方法，包括：
(a)将多孔隔板涂覆层设置于基板上，所述多孔隔板涂覆层包括无机氧化物颗粒；
(b)将第一阴极层从包含有机溶剂的颜料分散体直接涂覆于所述多孔隔板涂覆层的第一部分；
(c)将一个或多个阴极集流器层直接涂覆于所述第一阴极层；
(d)将第二阴极层直接涂覆于所述一个或多个阴极集流器层；以及
(e)将包括锂金属的阳极层直接涂覆于所述多孔隔板涂覆层的第二部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(e)之后，还包括步骤
(f)：使所述基板从所述隔板层的所述第一和第二部分分层，以制备隔板/阴极组件和隔板/阳极组件。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在步骤(f)之后，还包括步骤(g)：使所述隔板/阴极组件和所述隔板/阳极组件交错，以形成干隔板/电极电池。
4.如权利要求3所述的方法，其中，在所述交错步骤(g)之前，所述隔板/阴极组件和所述隔板/阳极组件成片状构造。
5.如权利要求3所述的方法，其中，还包括：
(1)将所述干隔板/电极电池封装在外壳中；以及
(2)填充电解质并密封。
6.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)的所述一个或多个阴极集流器层包括金属层，并且所述金属层的厚度小于3微米。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述隔板层包括平均孔径小于0.1微米的孔。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述隔板层的厚度小于6微米。
9.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)的所述基板是多孔基板，步骤(d)形成隔板/阴极组件，以及步骤(e)形成隔板/阳极组件，并且其中还包括：使所述隔板/阴极组件和所述隔板/阳极组件交错以形成干隔板/电极电池。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述多孔基板选自多孔聚合物膜和多孔非织造的聚合物纤维基板。
11.如权利要求9所述的方法，其中，还包括：
(1)将所述干隔板/电极电池封装在外壳中；以及
(2)填充电解质并密封。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述包括锂金属的阳极层通过气相沉积涂覆。
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