CN107591516A - 用于制造阴极的方法、阴极和电池组电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造电池组电池的阴极的方法，其中阴极的活性材料相和电解质相借助喷墨打印施加到阴极的集电体的表面上，其中阴极的活性材料相以活性材料薄层形式施加到阴极的集电体的表面上，并且电解质相以电解质薄层形式施加到阴极的集电体的表面上，使得所述薄层与阴极的集电体的表面至少近似成直角地定向。本发明还涉及一种用于电池组电池的阴极，其包括集电体、阴极的活性材料相和电解质相，其中阴极的活性材料相以活性材料薄层形式施加到阴极的集电体的表面上，并且电解质相以电解质薄层形式施加到阴极的集电体的表面上，并且所述薄层与阴极的集电体的表面至少近似成直角地定向。本发明还涉及一种电池组电池，其包括根据本发明的阴极。

Description

用于制造阴极的方法、阴极和电池组电池

技术领域

本发明涉及一种用于制造电池组电池的阴极的方法，其中阴极的活性材料相和电解质相借助喷墨打印施加到集电体的表面上。本发明还涉及一种用于电池组电池的阴极，该阴极包括集电体、阴极的活性材料相和电解质相。本发明还涉及一种电池组电池，其包括至少一个根据本发明的阴极。

背景技术

电能能够借助电池组来存储。电池组将化学反应能转化为电能。在此区分一次电池组和二次电池组。一次电池组仅仅是一次功能能力的，而也被称为蓄电池的二次电池组可重复充电。电池组在此包括一个或多个电池组电池。

在蓄电池中特别是使用基于锂的电池组电池、特别是锂离子电池组电池。所述锂离子电池组电池的特征特别是在于高的能量密度、好的热稳定性和极小的自放电。在此，锂离子电池组电池特别是应用在机动车中，特别是应用在电动车辆（Electric Vehicle，EV）、混合动力车辆（Hybride Electric Vehicle，HEV）以及插电式混合动力车辆（Plug-In-Hybride Electric Vehicle，PHEV）中。

这样的基于锂的电池组电池具有也被称为阴极的正电极和也被称为阳极的负电极以及在阳极和阴极之间的隔离物。阴极和阳极分别包括导电的集电体，分别将电极层施加到该集电体上。具有活性材料、必要时粘合剂和导电添加剂以及电解质和其他辅助物质的电极层例如可以借助喷墨打印施加到集电体上。

阴极的活性材料例如是一种或多种锂换入的金属氧化物、例如镍和/或钴和/或锰氧化物、例如氧化镍钴锰（NMC），或硫聚丙烯腈复合物或含硫的材料。阳极的活性材料例如是有锂换入能力的材料、例如石墨和/或有锂合金能力的材料、例如硅和/或金属锂。

锂原子换入到阳极的活性材料中。在运行电池组电池中、即扎起放电过程中，电子在外部电流回路中从阳极流向阴极。在此，阳极上的含锂的活性材料被氧化。在电池组电池之内，锂离子在放电过程中从阳极迁移至阴极。在电池组电池的充电过程中，锂离子从阴极迁移至阳极。

在CN 105098227中公开了一种具有所属的制造方法的锂离子电池组。在此，活性材料层借助喷墨打印施加到集电体上并且电解质层施加到活性材料层上。

从US 2013/0129914已知一种用于锂离子电池组的电极以及一种所属的制造方法。在此，多个活性材料层借助喷墨打印施加到集电体上。各个活性材料层在此具有不同厚度的活性材料。电解质层施加到活性材料层上。

在IEEE，2012，第316页至319页中的文章“Printing sub-micrometer linesbased on Electrohydrodynamics”中描述一种用于在喷墨打印中实现小于一微米的分辨率的方法。

发明内容

提出一种用于制造电池组电池、特别是基于锂的电池组电池的阴极的方法，其中阴极的活性材料相和电解质相借助喷墨打印施加到集电体的表面上。

阴极的活性材料相在此以活性材料薄层的形式施加到集电体的表面上并且电解质相以电解质薄层的形式施加到集电体的表面上。阴极的活性材料相和电解质相施加到集电体的表面上，使得活性材料薄层以及电解质薄层与集电体的表面至少近似成直角地定向。与集电体的表面成直角的方向在下文中也被称为垂直方向。

阴极的活性材料相例如由活性材料、必要时粘合剂、必要时导电添加剂、必要时电解质和必要时其他辅助物质（特别是用于改进粘性）构成。

根据本发明的一种优选的实施方式，阴极的活性材料相和电解质相沿水平方向交替地施加到集电体的表面上。水平方向在此平行于集电体的表面延伸。

优选地，阴极的活性材料相和电解质相沿水平方向以具有1μm（微米）和25μm之间的范围内的宽度的条带形式交替地并且分别彼此直接相邻地施加到集电体的表面上。

根据本发明的一种有利的设计方案，阴极的活性材料相和电解质相以多个相继的层施加到集电体的表面上。在此，每个所施加的层在施加随后的层之前部分地或完全地例如通过红外照射来烘干。

还提出一种用于电池组电池、特别是用于基于锂的电池组电池的阴极，该阴极包括集电体、阴极的活性材料相和电解质相。

根据本发明，阴极的活性材料相在此以活性材料薄层的形式施加到集电体的表面上，并且电解质相以电解质薄层的形式施加到集电体的表面上。阴极的活性材料薄层和电解质薄层在此与集电体的表面至少近似成直角地定向。与集电体的表面成直角的方向在下文中也被称为垂直方向。

根据本发明的一种优选的实施方式，活性材料薄层和电解质薄层沿水平方向交替地施加到阴极的集电体的表面上。水平方向在此平行于集电体的表面延伸。

优选地，活性材料薄层具有1μm和25μm之间的范围内的水平伸展。活性材料薄层的水平伸展在此是活性材料薄层沿水平方向的伸展。

优选地，电解质薄层具有1μm和25μm之间的范围内的水平伸展。电解质薄层的水平伸展在此是电解质薄层沿水平方向的伸展。

根据本发明的一种有利的设计方案，阴极的活性材料薄层具有10μm和150μm之间的范围内的垂直伸展。活性材料薄层的垂直伸展在此是活性材料薄层沿垂直方向的伸展。

根据本发明的一种有利的设计方案，阴极的电解质薄层也具有10μm和150μm之间的范围内的垂直伸展。电解质薄层的垂直伸展在此是电解质薄层沿垂直方向的伸展。

还提出一种电池组电池，其包括至少一个根据本发明的阴极。根据本发明的电池组电池在此优选地还包括阳极以及隔离物，该隔离物将阴极与阳极隔离。

根据本发明的电池组电池有利地应用在电动车辆（EV）、混合动力车辆（HEV）以及插电式混合动力车辆（PHEV）或消费者电子产品中。但也可以设想其他应用。

本发明的优点

根据本发明的方法使阴极的制造能够以相对小的周期时间和相对低的成本实现。此外，阴极的活性材料以及电解质的组成可以在需要时灵活地改变和匹配于特别的要求。

通过将阴极的活性材料和电解质借助喷墨打印施加到集电体上，可以预先给定在阴极中的薄层的微结构。于是，这导致离子传输路径在垂直方向上的缩短。由此实现电解质中的导电盐的更高的有效导电能力和扩散率。于是，由此可以实现在电池组电池的充电和放电中的更高的速率，以及由于减少阴极中的电解质份额而实现更高的能量密度。另一个优点是节省导电添加剂以及粘合剂，因为所述导电添加剂以及粘合剂优选地仅用在活性材料相中。

附图说明

本发明的实施方式借助附图和以下描述来详细解释。

其中：

图1示出电池组电池的示意图，

图2示出用于制造阴极的喷墨打印过程的示意图，和

图3示出在制造过程之后的阴极的示意图。

具体实施方式

在本发明的实施方式的随后描述中，相同或相似元件利用相同的附图标记来表示，其中在个别情况下放弃对这些元件的重复描述。附图仅仅示意性示出本发明的主题。

电池组电池2在图1中示意性示出。电池组电池2包括棱柱形、当前方形地构造的电池壳体3。电池组电池2包括负端子11和正端子12。通过端子11、12可以截取由电池组电池2提供的电压。此外，电池组电池2也可以通过端子11、12充电。

在电池组电池2的电池壳体3之内布置有电极绕组，该电极绕组具有两个电极、即阳极21和阴极22。阳极21和阴极22分别薄膜状地实施并且在中间放置隔离物23的情况下缠绕成电极绕组。替代地，阳极21和阴极22也可以在中间放置隔离物23的情况下堆叠成电极堆。

阳极21和阴极22因此通过隔离物23彼此隔离。隔离物23薄膜状地构造。隔离物23电绝缘地构造，但是是离子导通的、即对于锂离子是可通过的。隔离物23例如由多孔聚合物和具有溶剂和锂盐和必要时其他辅助物质的液体电解质构成和/或由陶瓷锂离子导体和/或固体导体构成，该固体导体由聚合物（例如聚氧化乙烯（PEO）、聚苯乙烯-聚氧化乙烯嵌段共聚物（PS-b-PEO））和锂盐和必要时其他辅助物质构成。

阳极21包括阳极的电极层41和集电体31，所述阳极的电极层41和集电体31彼此平面敷设和相互连接。阳极21的集电体31导电地实施并且由金属、例如由铜制成，并且与电池组电池2的负端子11电连接。

阴极22包括集电体32、阴极的活性材料相42和电解质相15。阴极22的集电体32导电地实施并且由金属、例如由铝制成。阴极22的集电体32也可以由其他材料、例如由碳制成。阴极22的集电体32与电池组电池2的负端子12电连接。电解质相15和阴极的活性材料相42与阴极22的集电体32连接。

图2示出用于制造电池组电池2的阴极22的喷墨打印过程的示意图。

在打印头50上并排布置多个电解质喷嘴51和多个活性材料喷嘴52。打印头50以距阴极22的集电体32的所定义的间距来布置，并且电解质喷嘴51和活性材料喷嘴52指向阴极22的集电体32的表面。

由活性材料喷嘴52将特别是包含活性材料的活性材料墨水喷射到阴极22的集电体32上。活性材料墨水在此还可以包含其他在溶剂中溶解或分散的组分。例如活性材料墨水包括以下组分（关于干燥的活性材料相，以重量百分比说明）：

活性材料：50-95%

固体电解质：0-40%

导电添加剂：0-10%

粘合剂：0-10%

必要时其他辅助物质：0-10%。

活性材料例如是硫-聚丙烯腈复合物（SPAN）、锂镍钴铝氧化物（NCA）、锂镍钴锰氧化物（NCM）、过锂化的过渡金属氧化物、高伏特尖晶石或磷酸锂铁（LFP）。活性材料以活性材料颗粒的形式存在，所述活性材料颗粒分别具有0.5μm（微米）和5μm之间的范围内的有效直径。

固体电解质优选地是聚合物和/或无机固体电解质，例如聚氧化乙烯（PEO）。含锂的导电盐溶解在聚合的固体电解质中或与聚合的固体电解质混合，例如双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)。

导电添加剂优选地是炭黑、烟灰和/或石墨和/或碳纤维。

可选的粘合剂例如是聚偏二氟乙烯（PVDF）。特别是当在活性材料墨水中包含相对高份额的活性材料时，粘合剂用于改进阴极的活性材料相42中的接触以及机械稳定性。

活性材料墨水还包含溶剂或分散剂，所述组分在该溶剂或分散剂中溶解和/或分散。借助溶剂或分散剂以及必要时其他辅助物质可以调节活性材料墨水的粘性以及干燥速率。

由电解质喷嘴51将特别是包含电解质的电解质墨水喷射到阴极22的集电体32上。电解质墨水在此还可以包含其他在溶剂中溶解和/或分散的组分。例如电解质墨水包括以下组分（关于干燥的电解质相15，以重量百分比说明）：

固体电解质：80-100%

导电添加剂：0-10%

粘合剂：0-10%

必要时其他辅助物质：0-10%

然而优选地，电解质墨水没有导电添加剂以及没有粘合剂。

固体电解质优选地是聚合物和/或无机固体电解质，例如聚氧化乙烯（PEO）。含锂的导电盐溶解在聚合的固体电解质中或与聚合的固体电解质混合，例如双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)。

可选的导电添加剂优选地是炭黑、烟灰和/或石墨和/或碳纤维。

可选的粘合剂例如是聚偏二氟乙烯（PVDF）。粘合剂用于改进特别是与阴极的活性材料相42的界面处的接触。

电解质墨水还包含溶剂或分散剂，所述组分在该溶剂或分散剂中溶解和/或分散。借助溶剂或分散剂可以调节电解质墨水的粘性以及干燥速率。

具有阴极的活性材料的活性材料墨水借助喷墨打印施加到阴极22的集电体32的表面上。同样，具有电解质的电解质墨水借助喷墨打印施加到阴极22的集电体32的表面上。

具有阴极的活性材料的活性材料墨水和具有电解质的电解质墨水在此在水平方向上交替地施加到阴极22的集电体32的表面上。阴极的活性材料相42和电解质相15在水平方向上以具有当前大约10μm的宽度的条带形式分别直接彼此相邻地施加到阴极22的集电体32的表面上。该宽度在此对应于打印头50上的各电解质喷嘴51与相邻活性材料喷嘴52的间距。

具有阴极的活性材料的活性材料墨水和具有电解质的电解质墨水以多个相继的层施加到阴极22的集电体32的表面上。在此，每个所施加的层在施加随后的层之前部分地或完全地例如通过红外照射来烘干。由此避免活性材料墨水与电解质墨水的混合。

图3示出在制造过程之后的阴极22的示意图。

通过将具有阴极的活性材料的活性材料墨水施加到阴极22的集电体32上而形成活性材料薄层45，所述活性材料薄层与阴极22的集电体32的表面成直角地定向。通过将具有电解质的电解质墨水施加到阴极22的集电体32上而形成电解质薄层25，所述电解质薄层同样与阴极22的集电体32的表面成直角地定向。

活性材料薄层45和电解质薄层25在水平方向上交替地施加到阴极22的集电体32的表面上。活性材料薄层45具有大约10μm的水平伸展D2。电解质薄层25具有大约10μm的水平伸展D1。活性材料薄层45和电解质薄层25分别具有10μm和150μm之间的范围内的垂直伸展L。

在阴极22的一种替代的设计方式中，分别在活性材料薄层45和电解质薄层25之间附加地引入在此未示出的中间薄层。中间薄层在此具有与活性材料薄层45和电解质薄层25相同的垂直伸展L。

在该情况下，在打印头50上分别在电解质喷嘴51和活性材料喷嘴52之间设置中间喷嘴。在此，由中间喷嘴将中间材料墨水喷射到阴极22的集电体32的表面上。

中间材料墨水在此包含在溶剂中溶解和/或分散的多个组分。例如中间材料墨水包括以下组分（关于干燥的中间材料相，以重量百分比说明）：

活性材料：0-40%

固体电解质：0-40%

导电添加剂：0-10%

粘合剂：0-10%

必要时其他辅助物质：0-10%。

活性材料例如是硫-聚丙烯腈复合物（SPAN）、锂镍钴铝氧化物（NCA）、锂镍钴锰氧化物（NCM）、过锂化的过渡金属氧化物、高伏特尖晶石或磷酸锂铁（LFP）。活性材料以活性材料颗粒的形式存在，所述活性材料颗粒分别具有0.5μm（微米）和5μm之间的范围内的有效直径。

固体电解质优选地是聚合物和/或无机固体电解质，例如聚氧化乙烯（PEO）。含锂的导电盐溶解在聚合的固体电解质中或与聚合的固体电解质混合，例如双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)。

导电添加剂优选地是炭黑、烟灰和/或石墨和/或碳纤维。

可选的粘合剂例如是聚偏二氟乙烯（PVDF）。特别是当在中间材料墨水中包含相对高份额的活性材料时，粘合剂用于改进中间材料墨水中的接触以及机械稳定性。

这样制造的阴极22可以用于制造电池组电池2。在此，首先将隔离物23施加到阴极22上。随后将阳极21施加到隔离物23上。然后将阴极22、阳极21和隔离物23缠绕成电极绕组，该电极绕组然后被插入到电池组电池2的电池壳体3中。

本发明不限于在此描述的实施例和其中强调的方面。更确切地说，在通过权利要求说明的范围内可以实现多种变型，所述变型处于本领域技术人员处理的范围内。

Claims (10)

1.用于制造电池组电池（2）的阴极（22）的方法，其中

阴极的活性材料相（42）和电解质相（15）借助喷墨打印施加到阴极（22）的集电体（32）的表面上，其中

所述阴极的活性材料相（42）以活性材料薄层（45）的形式施加到阴极（22）的集电体（32）的表面上，并且

所述电解质相（15）以电解质薄层（25）的形式施加到阴极（22）的集电体（32）的表面上，

使得所述薄层（25、45）与阴极（22）的集电体（32）的表面至少近似成直角地定向。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

所述阴极的活性材料相（42）和所述电解质相（15）在水平方向上交替地施加到阴极（22）的集电体（32）的表面上。

3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中

所述阴极的活性材料相（42）和所述电解质相（15）在水平方向上以具有1μm和25μm之间的宽度的条带形式分别直接彼此相邻地施加到阴极（22）的集电体（32）的表面上。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中

所述阴极的活性材料相（42）和所述电解质相（15）以多个相继的层施加到阴极（22）的集电体（32）的表面上，其中每个所施加的层在施加随后的层之前部分地或完全地烘干。

5.一种用于电池组电池（2）的阴极（22），包括：

集电体（32）、阴极的活性材料相（42）和电解质相（15），

其特征在于，

所述阴极的活性材料相（42）以活性材料薄层（45）的形式施加到阴极（22）的集电体（32）的表面上，并且

所述电解质相（15）以电解质薄层（25）的形式施加到阴极（22）的集电体（32）的表面上，并且

所述薄层（25、45）与阴极（22）的集电体（32）的表面至少近似成直角地定向。

6.根据权利要求5所述的阴极（22），其特征在于，所述活性材料薄层（45）和所述电解质薄层（25）在水平方向上交替地施加到阴极（22）的集电体（32）的表面上。

7.根据权利要求5至6之一所述的阴极（22），其特征在于，所述活性材料薄层（45）和/或所述电解质薄层（25）具有1μm和25μm之间的范围内的水平伸展（D1、D2）。

8.根据权利要求5至7之一所述的阴极（22），其特征在于，所述活性材料薄层（45）和所述电解质薄层（25）具有10μm和150μm之间的范围内的垂直伸展（L）。

9.一种电池组电池（2），其包括至少一个根据权利要求5至8之一所述的阴极（22）。

10.根据权利要求9的电池组电池（2）在电动车辆（EV）、混合动力车辆（HEV）以及插电式混合动力车辆（PHEV）或消费者电子产品中的应用。