CN105474447B - 包含折叠的电极的电化学电池、其组件、包含所述电化学电池的电池组及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

公开了包含含有隔膜和电极活性材料的集成的电极结构的电化学电池，其组件，包含所述电化学电池的电池组，以及形成所述组件、电化学电池和电池组的方法。所述集成的电极结构包括隔膜和至少一种电极活性材料。

Description

包含折叠的电极的电化学电池、其组件、包含所述电化学电池 的电池组及其制备方法
相关申请的交叉参考
本申请要求了2013年3月14日提交的美国专利申请第13/831,266号的优先权，该申请所公开的内容以不与本发明公开的内容相冲突的程度纳入。
技术领域
本发明一般涉及电化学电池和包含该电池的电池组。更具体的，本发明涉及：含有一个或多个折叠的电极的电化学电池、电化学电池组件、包含所述电化学电池的电池组、以及形成所述电化学电池、组件和电池组的方法。
背景技术
通常，电池组包括一个或多个电化学电池来储存电能。每个电化学电池包括阳极(电池放电过程中带负电荷的电极)、阴极(电池放电过程中带正电荷的电极)、阳极和阴极之间的电解质，通常电化学电池还包括在阳极和阴极之间的隔膜等，以保持阳极和阴极不会相互接触。
电化学电池能储存的电荷量与电化学系统有关，所述电化学系统是反应材料和非反应材料、可用于电化学反应的一定量的电极材料和/或电解质材料的组合。通常，可用的电极和/或电解质材料的量越大，电荷容量越大。此外，较大的电极表面积降低了电池的内部电阻，且可改善扩散过程，扩散过程的改善可在相对大的电流下对电池放电和充电并改善电池的其它充放电性质。提供带有额外电极表面的电化学电池并由此改善了电池性能的技术包括：将电池的层卷绕成圆柱形或扁平形以形成卷绕电池，并将电池的多个层一层一层叠加到另一层的上面以形成层叠电池。
卷绕的电化学电池通常通过以下步骤形成：将阳极层、隔膜层和阴极层相互相邻分层放置，例如由各层的连续卷分层放置，随后将这些层卷绕以形成圆柱形结构。圆柱形结构可以展平，形成扁平的紧实结构(pack structure)，该结构可以更好地符合使用包含所述电池的电池组的器件的构造设计。由于卷绕电池可以通过材料的连续卷制得，因此制造卷绕电化学电池是相对便宜的制备具有相对高电荷容量和其它所需性质的电化学电池的方法。不过，卷绕电化学电池和包含该电池的电池组可能会经历在电池的充放电过程中由电池部分的体积改变所引起的压力和力的不均匀分布；当将卷绕电池压制成扁平紧实结构时尤其如此。压力的这种改变可能会降低电池组的性能，电池组的安全性，和/或电池组的寿命。
通过以垂直层叠的方式放置多个结构形成层叠的电池，每个结构包括阳极层、隔膜层和阴极层。与卷绕电池相比，层叠的电池制造相对较贵，因为预切割的或形成的阳极层、隔膜层和阴极层的片材必须分别形成，随后再一层一层叠加到另一层上，这需要耗时的层与层之间的精确操作和对齐。此外，精确放置每层所需的设备也是相对昂贵的。不过，采用此技术制备的电池和电池组在电池的充放电过程中任何电池体积改变所引起的力分布相对均匀。因此，与采用卷绕电池技术制备的相似电池相比，这样的电池可具有增强的性能、寿命和安全性。
另一种用于制备电化学电池的技术包括：采用z形折叠或手风琴状折叠电化学电池的一层或多层。采用z形折叠的技术与卷绕的电池层相比是有益的，因为折叠技术可在电池内允许更均匀的压力和力分布；不过，折叠电池层所需的设备和时间通常比卷绕电池层更大更长。折叠技术可优于层叠方法，因为至少电池的一些层可通过连续或半连续的片材得到，而层叠电池的所有层都是预切割的；不过，包括折叠层的电池中的压力分布可能没有层叠电池中的均匀。
2012年8月16日公布的，Schaefer等人的美国专利公开第2012/0208066A1号，公开了一种用于制备电化学电池的电极叠层的z形折叠技术。所公开的方法包括z形折叠的隔膜材料的连续层，以及插入在z形折叠隔膜材料层之间的阴极板和阳极板。虽然在Schaefer等的专利中所公开的电化学电池相对于单纯层叠的电化学电池而言具有一些优势，但Schaefer等的电池仍然需要对电池的阳极和阴极板进行精确的成形和对齐。
2009年6月25日公开的，LG化学有限公司(LG CHEM.,LTD)的PCT公开第WO 2009/078632 A2号，公开了一种包括多个重叠的电化学电池的电池组，其中每个电池包括阴极、阳极和隔膜，在重叠的电化学电池之间放置有连续的隔膜片。虽然所公开的电池具有被隔膜材料的连续片包围的优势，但所述电池仍然需要对在隔膜材料的连续片顶部的阴极板、隔膜板和阳极板精确成形和对齐。
1997年1月17日公开的，Kazuhiro所著的日本专利公开第09017441 A号，公开了一种具有z形折叠的阳极层和z形折叠的阴极层的方形电池，其中用隔膜材料的连续涂层直接涂覆阴极层。所述电池还包括垂直和水平延伸的集流体(current collector)以防止极性片位移。据称所述集流体具有不需要电极上凸出部的优势。不过，Kazuhiro所公开的集流体显著增加了电池的重量和体积。此外，在Kazuhiro公开的电池中显然没有包括相对于正电极的负电极的任何叠放，这样可使电池相对不安全。
虽然已经开发了用于电化学电池中多层的z形折叠或手风琴状折叠技术，该技术仍然包括额外的步骤，对齐多个板，相对困难的制造步骤(，和/或额外增加电池的体积和重量。因此，需要改善的电化学电池、其组件、包含所述改善的电化学电池的电池组以及形成所述电池、组件和电池组的方法。
发明内容
本发明公开的内容一般涉及电化学电池、其组件、包含所述电池的电池组，以及形成所述电池和电池组的方法。更具体的，公开的多个实施方式涉及电化学电池，所述电化学电池包含第一电极(例如阳极或阴极)、第二电极(例如阴极或阳极)和在第一电极和第二电极之间的隔膜，其中两个或多个所述第一电极、隔膜和第二电极形成集成的结构层，所述集成的结构层和任选的其它电极层包括z形折叠或手风琴状折叠；并涉及上述电化学电池的组件；涉及包含所述电池的电池组；以及涉及制备所述组件、电池和电池组的方法。集成的折叠层的使用使得电池的制造相对简单且便宜，电池的制造采用的原料以例如连续或半连续的卷、带或网的形式存在并支持互连的或连接的生产工艺。
例如，根据多个实施方式的示例性的电池包括以第一方向折叠的z形折叠的电极(阳极或阴极)/隔膜结构层，和板状的或以第二方向z形折叠的第二电极层，所述第二方向与第一方向正交。或者，示例性的电化学电池可包括折叠的集成的第一电极/隔膜/第二电极结构层。如下文更详细的表述，本发明公开的电化学电池和电池组相对于现有技术具有优势，包括相对简单和低成本的制造、高的能量密度和安全性。
根据公开的各个实施方式，集成的电极/隔膜结构层包含隔膜层、覆盖所述隔膜层的一层或多层保护层、以及覆盖所述一层或多层保护层的电极活性材料，其中所述隔膜层、一层或多层保护层和电极活性材料形成了集成的结构。可将所述集成的电极/隔膜结构层折叠以形成在电化学电池中的层。根据这些实施方式的各方面，集成的电极/隔膜结构层包括插入在一层或多层保护层和隔膜层之间的凝胶层。根据其它方面，所述集成的电极/隔膜结构层包括覆盖所述电极活性材料的集流体层。根据这些实施方式的其它方面，所述电极活性材料包括活性阳极材料。
根据公开内容的其它实施方式，一种形成集成的电极/隔膜层的方法包括以下步骤：提供隔膜层，任选地在所述隔膜层上形成凝胶层，在所述隔膜层上面形成一层或多层保护层，并在一层或多层保护层上沉积电极活性材料。所述凝胶层可通过例如辊到辊的施涂、缝模涂布(slit coating)和刮涂或其它施涂和沉积方法形成。所述凝胶施涂可湿的或干燥地进行。在后一种情况下，所述施涂可用电解质溶胀以形成凝胶。根据这些实施方式的各方面，所述方法还包括将集流体材料沉积在电极活性材料上的步骤。所述方法可还包括电极结构的图案化。根据这些实施方式的其它方面，形成一层或多层保护层的步骤包括形成一层或多层单离子导电层和形成一层或多层聚合物层的子步骤。可用任何合适的薄膜技术沉积各层，例如真空沉积或湿涂技术。
根据本发明的其它示例性的实施方式，一种电化学电池包括集成的电极/隔膜结构层和第二电极层。根据这些实施方式的各方面，所述集成的电极/隔膜层和第二电极层相互之间相对正交折叠。根据其它方面，所述集成的电极/隔膜层在其自身上以第一方向折叠返回，以形成第一集成的电极/隔膜层部分和第二集成的电极/隔膜层部分，所述第二电极层在第二集成的电极/隔膜层部分的上方以第二方向折叠。根据其它方面，所述第二电极层包括一个或多个板，所述板被放置在由第一集成的电极/隔膜层部分和第二集成的电极/隔膜层部分形成的开口中。
根据公开内容的其它实施方式，一种形成电化学电池的方法包括以下步骤：形成如本文所述的集成的电极/隔膜层，将所述集成的电极/隔膜层在其自身上折叠返回以形成第一集成的电极/隔膜层部分、第二集成的电极/隔膜层部分和在两部分之间的第一开口；以及将包含第二电极材料的第一片材或板放置在所述开口中。根据这些实施方式的各方面，所述方法包括以下步骤：形成一种电化学电池，其含有大于2个的以下各组件：电极/隔膜层部分和第二电极部分或板。这些步骤可重复用于所需数量的电极/隔膜层部分和第二电极部分，以获得所需的电化学电池或电池性质。根据其它方面，所述方法可包括在电池的顶部和/或底部提供隔膜部分的步骤。根据其它方面，所述方法可包括与第一和/或第二电极层或板形成接触的过程。
根据本发明的其它实施方式，一种形成电化学电池的方法包括以下步骤：形成如本文所述的集成的电极/隔膜层；在所述集成的电极/隔膜层上面放置第二电极层的第一部分；在所述第二电极层的第一部分上方折叠所述集成的电极/隔膜层，以形成第一电极/隔膜层部分和第二电极/隔膜层部分；以及，在所述第二电极/隔膜层部分上方折叠所述第二电极层，以形成在所述第二集成的电极/隔膜层部分上面的第二个第二电极部分。根据这些实施方式的各方面，所述方法包括形成大于2个的以下各组件：第一电极/隔膜层部分和第二电极部分。这些步骤可重复用于所需数量的第一电极/隔膜层部分和第二电极部分，以获得所需的电化学电池或电池性质。根据其它方面，所述方法还包括提供包含基材和在基材上面的任选的活性材料的间歇部分的第二电极层的步骤，所述基材任选地包括一个或多个接触区域或部位，所述接触区域或部位至少部分没有被活性材料涂覆。根据其它方面，所述方法可包括在电化学电池的底部和/或顶部提供隔膜材料的步骤。以及，根据其它部分，所述方法包括与所述第一电极层(例如集成的电极/隔膜结构层)和/或第二电极层形成接触。
根据本发明的其它示例性的实施方式，第一电极/隔膜/第二电极结构层包括隔膜层、在所述隔膜层表面的第一部分上形成的一层或多层保护层、覆盖所述一层或多层保护层的第一电极活性材料、以及在所述隔膜层表面的第二部分上形成的第二电极活性材料。所述第一电极/隔膜/第二电极结构层任选地包括在所述隔膜层和一层或多层保护层之间的凝胶层。根据这些实施方式的各方面，所述第一电极/隔膜/第二电极结构层还包括在第一电极活性材料的至少一部分上形成的集流体。根据这些实施方式的其它方面，所述第一电极/隔膜/第二电极结构层还包括在第二电极活性材料的至少一部分上形成的集流体。
根据本发明的其它实施方式，一种形成第一电极/隔膜/第二电极结构层的方法包括：提供隔膜层；任选地，在所述隔膜层表面的第一部分上形成凝胶层；在所述第一部分上形成一层或多层保护层；在所述一层或多层保护层上沉积第一电极活性材料；以及在所述隔膜层表面的第二部分上沉积第二电极活性材料。根据这些实施方式的各方面，所述方法还包括在所述第一部分上形成第一电极结构的步骤。根据其它方面，所述方法包括在所述第二部分上形成第二电极结构的步骤。
根据公开的其它示例性的实施方式，一种形成电化学电池的方法包括将集成的第一电极/隔膜/第二电极结构层如本文所述地折叠的步骤。所述折叠步骤可重复用于所需数量的第一电极和第二电极结构，以获得所需的电化学电池或电池组性质。所述方法可包括在电化学电池的顶部或底部提供隔膜材料的步骤。所述方法还可包括与电化学电池的第一电极和/或第二电极形成接触的步骤。
根据本发明的其它实施方式，一种电化学电池包含如本文所述的第一电极/隔膜/第二电极结构层，其可被折叠。
根据公开的其它实施方式，一种电池组包含了一个或多个本文公开的电化学电池。所述电池组还可包括外壳和接线端子。
以及，根据其它实施方式，一种形成电池组的方法包括文本所述的形成电化学电池的方法。所述方法还可包括以下步骤：向一个或多个电化学电池提供接线端子，并将所述一个或多个电化学电池包入。
前面的概括性描述和下面的详细描述都只是示例和说明，不构成对本公开内容或要求保护的发明的限制。
附图简要描述
结合附图进一步描述本发明的示例性实施方式，附图中：
图1说明了根据公开的示例性的实施方式的集成的电极/隔膜结构层。
图2说明了根据公开的示例性的实施方式的形成集成的电极/隔膜结构层的方法。
图3说明根据本公开内容的示例性实施方式的电化学电池的一部分。
图4说明根据本公开内容的示例性实施方式的形成电化学电池的方法。
图5说明根据本公开内容的示例性实施方式的形成电化学电池的另一种方法。
图6说明了根据公开的示例性的实施方式的第一电极/隔膜/第二电极结构层。
图7说明了根据公开的示例性的实施方式的形成第一电极/隔膜/第二电极结构层的方法。
应理解，这些图不必按比例绘制。例如，附图中某些要素的尺寸可以相对其它要素放大，有助于更好地理解本发明的这些说明性实施方式。
本发明优选实施方式详述
下面提供的本发明内容的示例性实施方式的描述只是示例性的，且只用于举例说明；下面的描述无意于限制本文公开的发明的范围。
如下文所示的详细说明，示例性的电化学电池和包含本文公开的电池的电池组优于那些包含卷绕或层叠电池的电化学电池。本文所述的电化学电池与其它含有一层或多层z形折叠层的电化学电池相比，制造相对简单，具有相对高的能量密度，并且安全。下文所述的电化学电池可与各种电化学电池技术一起使用，包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍金属氢化物电池、锂硫电池、锂空气电池、锂氧电池等等。
如下文更详细的描述，示例性的电池包括集成的电极/隔膜层，而不是用于电极层的隔膜载体层。与包含额外载体层的电池相比，不使用隔膜载体层简化了形成电化学电池的方法，并使得电池具有增加的能量密度。当采用传统的载体层(例如用于阳极)时，典型的方法需要将载体层脱层以及重新层压(relaminating)并引入隔膜层。采用本文所述的技术可避免这些额外的步骤。
图1说明了根据公开的示例性的实施方式的集成的电极/隔膜结构层100的一部分。集成的电极/隔膜结构层100包含隔膜层102、任选的在隔膜层102上面的一层或多层保护层104、以及在一层或多层保护层104上面的电极活性材料106。如图所示，集成的电极/隔膜结构层100还可包括插入在一层或多层保护层104和隔膜层102之间的凝胶层108，和/或任选的在电极活性材料106上面的集流体。
可用适用于作为电化学电池隔膜的任何材料形成隔膜层102。例如，层104可包括固体不导电或绝缘材料以将阳极和阴极相互之间分隔或绝缘。所述隔膜可含有孔，其可部分或基本被电解质填充。
本领域已知多种隔膜材料。合适的固体多孔隔膜材料的示例包括但不限于，聚烯烃，例如，聚乙烯和聚丙烯、玻璃纤维滤纸，和陶瓷材料。适用于本文所述的电池的隔膜和隔膜材料的其它例子是包含多微孔干凝胶(xerogel)层(例如，多微孔假勃姆石层)的那些，其可作为自立式薄膜的形式或通过直接涂覆施涂至电极之一上来提供。固体电解质除了其允许离子在阳极和阴极之间传输的电解质功能以外，还可作为隔膜。具体的例子中，隔膜层102由高度化学和温度稳定的材料制得，所述材料例如Kapton的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。
一层或多层保护层104可包括用于形成电化学电池电极的材料。例如，一层或多层保护层104可包含多层结构，包括一层或多层单离子导电层和聚合物层。例如，一层或多层保护层104可包含三层或更多层，其中所述三层或更多层各自含有选自单离子导电层和聚合物层的层。示例性的单离子导电层包括选自下组的玻璃：硅酸锂、硼酸锂、铝酸锂、磷酸锂、锂磷的氧氮化物(lithium phosphorus oxynitride)、锂的硅硫化物(lithiumsilicosulfide)，锂锗硫化物(lithium germanosulfide)、锂镧氧化物、锂钽氧化物、锂铌氧化物、锂钛氧化物、锂硼硫化物、锂铝硫化物(lithium aluminosulfide)，和锂磷硫化物(lithium phosphosulfide)及其组合。示例性的聚合物层包括电学导电聚合物、离子性导电聚合物、磺化聚合物和烃类聚合物。在一个实施方式中，聚合物层包含交联的聚合物。在一个实施方式中，多层结构的聚合物层包含由一种或多种丙烯酸酯单体聚合而成的聚合物层，所述丙烯酸酯单体选自下组：丙烯酸烷基酯、二醇丙烯酸酯和聚二醇丙烯酸酯。一层或多层保护层还可包括金属合金层(例如包括选自下组的金属：Zn、Mg、Sn和Al)，其可被插入到多层结构的其它层之间或可形成所述结构的外层。各种合适的保护层描述于2010年8月10日公告的Affinito等人的，名为《在水性或非水性电化学电池(包括可充电的锂电池)中的电极保护(Electrode Protection in Both Aqueous and Non-AqueousElectrochemical Cells,Including Rechargeable Lithium Batteries)》的美国专利第7,771,870号，以及2012年6月12日公告的Skotheim等人的，名为《用于电化学电池的锂阳极(Lithium Anodes for Electrochemical Cells)》的美国专利第8,197,971号的公开内容中，两篇文献的内容通过引用以不与本发明公开的内容相冲突的程度纳入本文。
电极活性材料106可包括任何合适的阳极或阴极活性材料。合适的活性阳极材料包括锂金属和锂合金，例如锂-铝合金和锂-锡合金。示例性的合适的活性阴极材料包括：电活性过度金属硫属化物、电活性导电聚合物和电活性含硫材料，以及它们的组合。各种活性材料还可包括粘合剂、填料和导电材料。例如，电极活性材料包括锂金属。
凝胶层108可包括固体聚合物(例如固体聚合物电解质)、玻璃状聚合物或聚合物凝胶。相关聚合物的具体例子包括但不限于：聚合氧化物、聚(烷基氧化物)、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇缩甲醛、乙酸乙烯酯-乙烯醇共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、和乙烯醇-甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚硅氧烷和氟化的聚合物。
集流体层110可由金属(例如铜或镍)形成。或者，集流体110可由导电聚合物形成。
一层或多层保护层104、电极活性材料106、凝胶层108和集流体110可在隔膜层102的第一表面上形成或在隔膜层102的第一和第二表面上一起形成。
图2说明了根据公开的示例性的实施方式的形成集成的电极/隔膜结构层的方法200。方法200包括以下步骤：提供隔膜层(步骤202)，任选地在所述隔膜层上形成凝胶层(步骤204)，在所述隔膜层上形成一层或多层保护层(步骤206)，在所述一层或多层保护层上沉积电极活性材料(步骤208)，以及任选的，在所述电极活性材料上沉积集流体材料(步骤210)。
步骤202可包括提供上述与隔膜层102有关的任何隔膜材料。例如，步骤202包括从连续或半连续源提供隔膜材料。
任选步骤204包括在所述隔膜层上沉积凝胶材料。所述凝胶层可通过例如辊到辊的施涂、缝模涂布和刮涂或其它施涂和沉积方法形成。所述凝胶施涂可湿的或干燥地进行。在后一种情况下，所述施涂可用电解质溶胀以形成凝胶。
一层或多层保护层可在步骤206中使用任何合适的方法被沉积，所述方法例如但不限于物理沉积方法、化学气相沉积方法、挤出和电镀。沉积可在真空或惰性气体环境下进行。例如单离子导电层可通过选自下组的方法沉积：溅射法、电子束蒸发、真空热蒸发、激光烧蚀、化学气相沉积、热蒸发、等离子强化的化学真空沉积、激光强化的化学气相沉积、和喷射气相沉积。以及，聚合物层可通过选自下组的方法沉积：电子束蒸发、真空热蒸发、激光烧蚀、化学气相沉积、热蒸发、等离子辅助的化学真空沉积、激光强化的化学气相沉积、喷气气相沉积和挤出。所述聚合物层还可通过旋涂方法或闪蒸方法沉积。闪蒸方法特别适用于交联聚合物层的沉积。特别用于交联聚合物层沉积的方法是闪蒸方法，例如1990年9月4日公开的，Yializis所著的名为《单体液体的闪蒸(Flash Evaporation of Monomer Fluids)》的美国专利第4,954,371号中所述的方法。用于包含锂盐的交联聚合物层沉积的方法是闪蒸方法，例如1997年10月28日公告的，Affinito等人的名为《真空闪蒸的聚合物组合物(Vacuum Flash Evaporated Polymer Composites)》的美国专利第5,681,615号中所述的方法。
在步骤208中，将电极活性材料沉积在一层或多层保护层上。所述电极活性材料可采用任何合适的薄膜或其它沉积或涂覆技术和层叠到基材的方法沉积，所述方法例如热蒸发、溅射、喷射气相沉积和激光烧蚀。在一个实施方式中，通过热蒸发沉积电极活性材料。
相似的，在步骤210中，可采用任何合适的薄膜技术沉积任选的集流体材料，所述技术例如镀覆或真空沉积，例如热或等离子化学气相沉积、物理气相沉积、脉冲激光沉积等。本文所述的任何膜也可用刮涂或丝网印刷技术沉积。
现在看图3，说明了电化学电池300的一部分，包括集成的电极/隔膜结构层，例如集成的电极/隔膜结构层100。电池300包括集成的电极/隔膜结构层302，包括隔膜层312、电极活性材料314和接触部位320，以及第二电极层304。集成的电极/隔膜结构层302和第二电极层304是相互正交z形折叠的，因此集成的电极/隔膜结构层302与第二电极层304是正交的。如本文中所用的，术语正交是指90度或基本为90度，所述第一电极层和隔膜层可以相互z形折叠。
虽然没有说明，但电化学电池还可包括合适的电解质，和/或与集成的电极/隔膜结构层302和/或第二电极层304的接触。此外，本文所述的电化学电池或其部分可包括图中没有说明的额外电极和隔膜层。电池300的所有层是折叠的，且可源自连续源或半连续源。因此，电池300的制造相对简单且便宜。此外，由于所有层都折叠，所述电池较少有可能在电池内经历非均匀压力分布，因此所述电池与相似的扁平紧实电池相比相对安全。
第二电极层304可包括上述与电极活性材料相关的任何材料。层304可以是固体材料或可含有涂覆在基材上的电极活性材料。例如，层304可包括基材306(例如集流体)，且用活性材料308在所述基材的一边或两边(如图所示)间歇涂覆。层304还可包括接触区域或部位310，其可至少部分没有涂覆活性材料，因此可与区域310的未涂覆部分形成接触。如上所述以及图3所说明的，隔膜层312可覆盖在电极活性材料314上以提供额外的保护，例如避免电池300的短路。根据其它实施方式，电池可包括一个或多个第二电极板，而不是第二电极层304，所述第二电极板可在一边或两边全部或部分涂覆。
在说明的实施例中，电池300包括第一集成的电极/隔膜结构层部分316和覆盖第一集成的电极/隔膜结构层部分316的第二电极层304。将第二电极层304以与第一集成的电极/隔膜结构层部分316正交的方向放置，所述第一集成的电极/隔膜结构层部分316在其自身上折叠返回以形成与所述第一集成的电极/隔膜结构层部分316相邻的第二集成的电极/隔膜结构层部分318。集成的电极/隔膜结构层302的折叠形成了两个相邻的集成的电极/隔膜结构层302部分。不过，电池结构使得集成的电极/隔膜结构层302和第二电极304材料的连续源从例如各自材料的卷、带或网得到，这使得电池300的制造相对简单和便宜，而不需要电极材料的单独片材的精确放置或切割。或者，如上所述，第二电极层可包括插入的一个或多个板，而不是连续或半连续源的第二电极层材料，所述的插入例如在第一集成的电极/隔膜结构层部分316和第二集成的电极/隔膜结构层部分318间形成的开口之间。
电池300可包括在电极/隔膜结构层302内与第一电极层的接触以及相似的与第二电极层304的接触(例如在区域310)。在电极/隔膜结构层302内与第一电极层的接触以及与第二电极层304的接触(例如在区域310)可包括任何合适的形式，例如由焊接、粘合和/或机械渗透形成的接触。
图4说明了一种形成例如电池300的电化学电池的方法400。方法400包括以下步骤：形成集成的电极/隔膜层(步骤402)，在集成的电极/隔膜层上面放置第二电极层的第一部分(步骤404)，在第二电极层的第一部分上方折叠集成的电极/隔膜层并在自身上返回以形成第一电极/隔膜层部分和第二电极/隔膜层部分(步骤406)以及在第二电极/隔膜层部分上方折叠第二电极层(步骤408)。所述折叠步骤可重复，以形成所需数量的电极/隔膜层部分和第二电极部分。一旦折叠完成，方法400可任选地包括与第一电极(例如集成的电极/隔膜结构层的第一电极)形成接触(步骤410)和/或与第二电极层形成接触(步骤412)。
步骤402包括形成集成的电极/隔膜层，例如上述与图1相关的层100。步骤402可包括上述与图2相关的方法。
在步骤404中，将第二电极层的第一部分放置在集成的电极/隔膜层上面。
在步骤406中，在第二电极层的第一部分上方折叠集成的电极/隔膜层并在自身上返回以形成第一电极/隔膜层部分和第二电极/隔膜层部分。本文所述的任何折叠的层可使用例如移动辊、刀或其它器件折叠。层的驱动和移动机理可用例如凸轮控制(cam-control)和/或线性机械、电气化或磁力驱动器来进行。
随后，在步骤408中，在第二电极/隔膜层部分上方折叠第二电极层以在第二集成的电极/隔膜层部分上面形成第二个第二电极部分。
步骤402-408可重复进行直到形成所需数量的电极/隔膜层部分和第二电极部分。随后可将所述电池压扁以减少电池的体积并形成扁平的部位(例如部位310和320)。
方法400还可包括在电化学电池的底部和/或顶部提供隔膜材料的步骤。在电池的顶部和/或底部提供隔膜材料可为电池与其它电池和/或电池组件提供额外的隔离。
方法400还可任选地包括以下步骤：与第一电极形成接触(步骤410)和/或与第二电极层形成接触(步骤412)。在步骤410中，与第一电极的接触可在集成的电极/隔膜结构层302的折叠的部位320处形成，所述接触可通过例如使用渗透装置以产生贯通层的孔随后通过该孔形成导电接触、焊接或导电粘合技术来形成。在步骤412中，与第二电极的接触可通过例如焊接、粘合和/或机械渗透技术在第二电极材料板的接触区域或部位320上形成。
图5说明根据本公开内容的示例性实施方式的形成电化学电池的另一种方法500。方法500与方法400相似，不同之处在于方法500包括使用第二电极板，而不是折叠的电极。方法500包括以下步骤：形成集成的电极/隔膜结构层(步骤502)，将集成的电极/隔膜层在其自身上折叠返回以形成第一集成的电极/隔膜层部分、第二集成的电极/隔膜层部分和在两部分之间的第一开口(步骤504)，以及将含有第二电极材料的第一板放置在所述开口中(步骤506)。
在步骤502中，形成集成的电极/隔膜结构层，例如采用上述与图2相关的方法。在步骤504中，集成的电极/隔膜结构层形成后，将所述层在其自身上折叠返回以形成第一集成的电极/隔膜结构层部分和第二集成的电极/隔膜结构层部分。接下来，与将第二电极正交折叠成折叠的集成的电极/隔膜结构层不同，将第二电极材料的板放置在第一集成的电极/隔膜结构层部分和第二集成的电极/隔膜结构层部分之间的开口中。步骤506可在步骤504之前或之后进行。所述折叠步骤可重复，以形成所需数量的电极/隔膜层部分和第二电极部分。一旦折叠完成，方法500可任选地包括与第一电极形成接触(步骤508)和/或与第二电极层形成接触(步骤510)，这可与步骤410-412相同或相似。
图6说明了根据本发明其它实施方式的折叠的第一电极/隔膜/第二电极结构层600。第一电极/隔膜/第二电极结构层600与集成的电极/隔膜结构层100相似，不同之处在于，第一电极/隔膜/第二电极结构层600还包括在所述隔膜的表面上形成的第二电极结构。如图所示，结构600包括隔膜层602、一层或多层保护层604、电极活性材料606、任选的凝胶层608、任选的含有接触区域612的第一电极集流体610，以及第二电极活性材料614，和任选的含有接触区域618的第二电极集流体616。
层602-610可与上述与图1相关的层102-110相同或相似。在说明的实施例中，电极活性材料606仅覆盖了一层或多层保护层604的一部分，第一电极集流体610仅覆盖了电极活性材料606的一部分。
第二电极活性材料614可包括任何本文所述的电极活性材料。例如，第二电极活性材料614可包括阴极电极活性材料，例如硫和额外的材料，例如粘合剂和额外的导电材料。第二电极集流体616可包括上述与集流体110有关的任何材料。在说明的实施例中，第二电极集流体616覆盖了至少一部分第二电极活性材料614和一部分隔膜层602的表面。
图7说明了根据公开的示例性的实施方式的形成第一电极/隔膜/第二电极结构层的方法700。方法700可以是方法200的继续，即根据方法200第一电极结构可在隔膜层表面上形成，随后方法700的其它步骤可用于在所述隔膜层上形成第二电极结构。
方法700包括以下步骤：提供隔膜层(步骤702)，任选地在所述隔膜层表面的第一部分形成凝胶层(步骤704)，在所述表面的第一部分上形成一层或多层保护层(步骤706)，在一层或多层保护层上沉积第一电极活性材料(步骤708)，任选地将第一电极集流体材料沉积在第一电极活性材料上(步骤710)，在隔膜层表面的第二部分上沉积第二电极活性材料(步骤712)以及任选地将第二电极集流体材料沉积在第二电极活性材料上(步骤714)。方法700还可包括以下步骤：与第一电极形成接触(步骤716)和与第二电极形成接触(步骤718)。步骤702-710可与步骤202-210相同或相似。
在步骤712中，将第二电极活性材料沉积在隔膜层表面的第二部分上。所述第二电极活性材料可使用上述与步骤208相关的任何技术沉积。相似的，将第二电极集流体材料沉积在第二电极活性材料上(步骤714)可包括上述与步骤210相关的任何技术。步骤716-718可包括上述与步骤410-412和508-510相关的相同的或相似的步骤。如图6所示，各层可在沉积过程中使用掩模、使用沉积和蚀刻或选择性沉积材料来图案化，以形成第一电极结构620和第二电极结构622。
当所述电极活性材料包括阴极活性材料时，第一或第二电极结构可采用施涂刮刀的移动或施涂辊、遮蔽和/或使用沉积与蚀刻技术来形成。相似地，当所述电极活性材料包括阳极活性材料时，电极结构可采用例如真空沉积和剥离(lift-off)、选择性沉积、印刷或其它合适的技术来形成。
电化学电池可通过以下方法形成：将根据方法700形成的第一电极/隔膜/第二电极结构层在其自身上折叠返回，以形成交替的第一电极结构620和第二电极结构622。电化学电池可包括任何所需数量的第一电极结构和第二电极结构，且可在电池的顶部和/或底部包含隔膜材料。
通过引用多个示例性实施方式和实施例，在上文描述了本发明。应理解，本文所示和所述的具体实施方式用于说明本发明的示例性实施方式，并不意在限制本发明的范围。应认识到，可对本文所述的实施方式做出变化和修改而不偏离本发明的范围。这些和其它变化和修改都意在包括在本发明的范围之内。

Claims (46)

1.一种集成的电极/隔膜结构层，所述结构层包括：
隔膜层；
沉积在所述隔膜层上的一层或多层保护层，所述的保护层包括包含单离子导电层和聚合物层的结构；以及
在所述一层或多层保护层上的电极活性材料，
其中，所述隔膜层、一层或多层保护层和电极活性材料形成了集成的结构，所述一层或多层保护层位于电极活性材料和隔膜层之间，且
所述集成的结构包含一个或多个z形折叠。
2.如权利要求1所述的集成的电极/隔膜结构层，其特征在于，所述结构层还包括介于所述一层或多层保护层和隔膜层之间的凝胶层。
3.如权利要求1所述的集成的电极/隔膜结构层，其特征在于，所述结构层还包括在电极活性材料上的集流体层，所述电极活性材料位于集流体层和一层或多层保护层之间。
4.如权利要求1所述的集成的电极/隔膜结构层，其特征在于，将所述集成的电极/隔膜层折叠以形成电化学电池的多个集成的电极/隔膜结构层部分。
5.一种形成集成的电极/隔膜层的方法，所述方法包括以下步骤：
提供隔膜层；
任选地在所述隔膜层上形成凝胶层；
在所述隔膜层上沉积形成一层或多层保护层，所述的一层或多层保护层包括包含单离子导电层和聚合物层的结构，所述一层或多层保护层位于电极活性材料和隔膜层之间；以及
在所述一层或多层保护层上沉积电极活性材料。
6.如权利要求5所述的形成集成的电极/隔膜层的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电极活性材料上沉积集流体的步骤。
7.如权利要求6所述的形成集成的电极/隔膜层的方法，其特征在于，所述方法还包括图案化所述集流体材料的步骤。
8.如权利要求5所述的形成集成的电极/隔膜层的方法，其特征在于，所述形成凝胶层的步骤包括辊到辊的施涂、缝模涂布和刮涂或施加干层并用电解质溶胀所述干层。
9.如权利要求5所述的形成集成的电极/隔膜层的方法，其特征在于，所述形成一层或多层保护层的步骤包括：
形成多层单离子导电层；以及
形成多层聚合物层。
10.如权利要求5所述的形成集成的电极/隔膜层的方法，其特征在于，所述沉积电极活性材料的步骤包括选自湿涂和真空沉积的技术。
11.一种电化学电池，其包括:
如权利要求1所述的集成的电极/隔膜结构层；以及
第二电极层。
12.如权利要求11所述的电化学电池，其特征在于，所述集成的电极/隔膜层和第二电极层相互之间正交折叠。
13.如权利要求11所述的电化学电池，其特征在于，所述集成的电极/隔膜层在其自身上以第一方向折叠返回，所述第二电极层在集成的电极/隔膜层的一部分上以第二方向折叠。
14.如权利要求11所述的电化学电池，其特征在于，所述第二电极层包括板。
15.一种形成电化学电池的方法，所述方法包括以下步骤：
形成集成的电极/隔膜结构层，包含以下步骤：提供隔膜层，任选地在所述隔膜层上形成凝胶层，在所述隔膜层上沉积形成一层或多层保护层，以及在所述一层或多层保护层上沉积电极活性材料，其中，所述的保护层包括包含单离子导电层和聚合物层的结构，所述一层或多层保护层位于电极活性材料和隔膜层之间；
将所述集成的电极/隔膜层在其自身上折叠返回，以形成第一集成的电极/隔膜层部分、第二集成的电极/隔膜层部分和在所述两部分之间的第一开口；以及
将包括第二电极材料的第一板放置在所述开口中。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：形成一种电化学电池，其包含大于2个的以下各组件：集成的电极/隔膜结构层部分和板。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电化学电池的底部提供隔膜部分的步骤。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电化学电池的顶部提供隔膜部分的步骤。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在集成的电极/隔膜结构层的折叠部分与第一电极层形成接触的步骤。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在板的接触区域与第二电极层形成接触的步骤。
21.一种形成电化学电池的方法，所述方法包括以下步骤：
形成集成的电极/隔膜层，包含以下步骤：提供隔膜层，任选地在所述隔膜层上形成凝胶层，在所述隔膜层上沉积形成一层或多层保护层，以及在所述一层或多层保护层上沉积电极活性材料，其中，所述的保护层包括包含单离子导电层和聚合物层的结构，所述一层或多层保护层位于电极活性材料和隔膜层之间；
在所述集成的电极/隔膜层上放置第二电极层的第一部分；
在第二电极层的第一部分上方折叠集成的电极/隔膜层并在自身上返回以形成第一电极/隔膜层部分和第二电极/隔膜层部分；以及
在第二电极/隔膜层部分上方折叠第二电极层以在第二集成的电极/隔膜层部分上面形成第二个第二电极部分。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：形成一种电化学电池，其包含大于2个的以下各组件：电极/隔膜层部分和第二电极部分。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电化学电池的底部提供隔膜材料的步骤。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电化学电池的顶部提供隔膜材料的步骤。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述放置步骤包括提供含有基材和在基材上面的电极活性材料的间歇部分的第二电极层。
26.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述放置步骤包括提供包含含有一个或多个接触区域的基材的第二电极层。
27.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与所述第二电极层形成接触的步骤。
28.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与所述第一电极层形成接触的步骤。
29.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在集成的电极/隔膜结构层的折叠部分与第一电极层形成接触的步骤。
30.第一电极/隔膜/第二电极结构层，其包括：
隔膜层；
在所述隔膜层表面的第一部分上形成的一层或多层保护层，所述的保护层包括包含单离子导电层和聚合物层的结构；
在所述一层或多层保护层上的第一电极活性材料，所述一层或多层保护层位于所述隔膜层和第一电极活性材料之间；以及
在所述隔膜层表面的第二部分上形成的第二电极活性材料。
31.如权利要求30所述的第一电极/隔膜/第二电极结构层，其特征在于，所述结构层还包括在所述第一电极活性材料的至少一部分上形成的集流体。
32.如权利要求30所述的第一电极/隔膜/第二电极结构层，其特征在于，所述结构层还包括在所述第二电极活性材料的至少一部分上形成的集流体。
33.如权利要求30所述的第一的电极/隔膜/第二电极结构层，其特征在于，所述结构层还包括介于一层或多层保护层和隔膜层之间的凝胶层。
34.如权利要求30所述的第一的电极/隔膜/第二电极结构层，其特征在于，所述第一电极活性材料包含活性阳极材料，所述第二电极活性材料包含活性阴极材料。
35.一种包含如权利要求30所述的第一电极/隔膜/第二电极结构层的电化学电池。
36.一种形成集成的第一电极/隔膜/第二电极结构层的方法，所述方法包括以下步骤：
提供隔膜层；
任选地，在所述隔膜层表面的第一部分上形成凝胶层；
在所述第一部分上形成一层或多层保护层，所述的保护层包括包含单离子导电层和聚合物层的结构；
在所述一层或多层保护层上沉积第一电极活性材料，所述一层或多层保护层位于所述隔膜层和第一电极活性材料之间；以及
在所述隔膜层表面的第二部分上沉积第二电极活性材料。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第一部分上形成第一电极结构的步骤。
38.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述第二部分上形成第二电极结构的步骤。
39.一种形成电化学电池的方法，所述方法包括折叠根据如权利要求36所述的方法形成的集成的第一电极/隔膜/第二电极结构层的步骤。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电化学电池的顶部提供隔膜材料的步骤。
41.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与所述第二电极层形成接触的步骤。
42.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述方法还包括与所述第一电极层形成接触的步骤。
43.一种包含如权利要求11所述的电化学电池的电池组。
44.一种包含如权利要求35所述的电化学电池的电池组。
45.一种形成电池组的方法，其包含如权利要求15所述的方法。
46.一种形成电池组的方法，其包含如权利要求39所述的方法。
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