CN108075089A

CN108075089A - 用于形成双金属结构和由其制成的并入双极性集电器的电池的金属沉积方法及其应用

Info

Publication number: CN108075089A
Application number: CN201711091883.1A
Authority: CN
Inventors: M·H·阿卜戴尔哈米德; 戴放; A·M·戴利; M·蔡
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2017-11-08
Publication date: 2018-05-25
Also published as: US20180138513A1; DE102017126265B4; DE102017126265A1; US10714756B2

Abstract

在某些方面，提供电解沉积和无电置换沉积方法来形成可以用作电池或基底中的双极性集电器以形成石墨烯片的双金属结构。在其他方面，提供用于基于锂离子的电化学电池的双极性集电器。双金属集电器可以具有含铝表面和连续铜涂层。在其他方面，柔性基底可以涂覆有一种或多种导电材料，比如镍、铜、石墨烯、铝、合金及其组合。对柔性基底进行折叠以形成双极性集电器。还提供用于并入有这样的双极性集电器的锂离子基电池的新型堆叠组件，该新型堆叠组件可以具有无突片和/或无焊缝设计的单元。

Description

用于形成双金属结构和由其制成的并入双极性集电器的电池的金属沉积方法及其应用

技术领域

本发明涉及包括用于电池的双金属集电器的双极性膜或片，以及因此包括金属沉积工艺的形成这种双极性集电器的方法。

背景技术

本节提供与本发明相关的背景信息，其并不一定是现有技术。

高能量密度电化学电池(比如锂离子电池)可用于各种应用，包括用于消费产品(比如电子产品、电动工具、草坪和园艺装备、电动轮椅、玩具)以及用于运输。在运输方面的示例性用途包括车辆，诸如混合动力电动车辆(HEV)和电动车辆(EV)的车辆。典型的锂离子电池包括第一电极(例如，正极或阴极)、第二电极(例如，负极或阳极)、电解质材料和隔膜。通常，堆叠的锂离子电池单元电连接以增加总输出。传统的锂离子电池通过在负极与正极之间可逆地传递锂离子而工作。在负极和正极之间设置隔膜和电解质。电解质适用于传导锂离子，并且可以是固体或液体形式。在电池充电期间，锂离子从阴极(正极)向阳极(负极)移动，并且在电池放电时以相反方向移动。为了方便起见，负极将与阳极同义使用，尽管如本领域技术人员认识到的，在锂离子循环的某些阶段期间，阳极功能可以与正极而不是负极相关联(例如，负极可以是放电时的阳极和充电时的阴极)。同样，正极也将与阴极同义使用，虽然情况是一样的。

阳极和阴极材料与电解质的接触可以在电极之间产生电势。当在电极之间的外部电路中产生电子电流时，通过电池单元内的电化学反应来维持电势。堆叠内的负极和正极中的每一个都连接至集电器(由金属形成，例如阳极为铜或镍，以及阴极为铝)。该堆叠还具有与每个终端上的端子电极相邻设置的第一和第二端子端板。堆叠内的每个集电器通常都具有从其延伸的导电突片。在堆叠中存在多个正极集电器和负极集电器的情况下，正极集电器突片并联连接在一起，并且负极集电器突片同样并联连接在一起。多个突片通常(例如，通过超声波焊接)焊接在一起。在电池使用期间，与每个电极相关联的集电器通过外部电路连接，该外部电路允许由电子产生的电流在电极之间通过以补偿锂离子的输送。然而，随着时间的推移，在电池使用期间，焊接集电器突片可以通过热循环或体积循环而变弱。

因此，期望通过潜在地消除用于每个集电器的多个集电器突片来增强电池单元堆叠的鲁棒性，以便长期使用。此外，通过减少各种集电器部件的重量并提高电池性能，期望提高诸如高功率锂离子电池等电池的比能和能量密度(每单位体积和质量的充电容量)。

发明内容

本节提供本发明的总体概述，并不是其全部范围或其全部特征的全面公开。

在某些方面，本发明涉及形成双金属结构(例如，膜或片)的方法。双金属结构可以用作电池中的双极性集电器。该方法可以包括在基底表面上沉积导电金属以形成连续的金属涂层。该方法可以包括通过选自由电解沉积、无电置换沉积及其组合组成的组中的一种工艺，在包括铝的表面上沉积导电金属以形成连续的金属涂层。导电金属可以选自由铜、镍及其组合组成的组。以这种方式，形成了平均厚度小于或等于大约25μm的双金属集电器。

该方法还可以包括包含铝的表面在选自由塑料、石墨烯、铝箔及其组合组成的组中的基底上。

该方法还可以包含包括铝(铝箔基底)的表面。

该方法还可以包括在包括水和以下之一的液体介质中进行的电解沉积工艺：(i)选自由硫酸铜、亚氯酸铜、氰化铜、四亚乙基五胺铜、氨硫酸铜、焦磷酸铜、氨基氯化铜、氨型苯三甲酸铜MOF(Cu-BTC)溶液、氨型NOTT-116溶液、氨铜NOTT-100溶液、氨铜MOF74溶液及其组合组成的组中的含铜化合物，或(ii)选自由硫酸镍、氯化镍、氟硼酸镍及其组合组成的组中的含镍化合物。含铜化合物可以以大于或等于大约40至小于或等于大约250g/L的量存在于液体介质中，或者含镍化合物可以以大于或等于大约150g/L至小于或等于大约300g/L的量存在于液体介质中。电解沉积任选地以大于或等于大约0.005A/cm²至小于或等于大约0.5A/cm²的电流密度进行，液体介质的温度任选地大于或等于大约20℃至小于或等于大约60℃。

该方法还可以包括通过使表面上的铝与锌酸盐反应形成包括锌的预处理层。

该方法还可以包括在包括螯合物的介质中进行的无电置换沉积工艺。螯合物可以包括铜金属有机框架(Cu-MOF)。在其他方面，螯合物选自由氨型苯三甲酸铜MOF(Cu-BTC)溶液、氨型NOTT-116溶液、氨铜NOTT-100溶液、氨铜MOF74溶液及其组合组成的组。

该方法还可以形成连续金属涂层，其是具有大于或等于大约2个单层且小于或等于大约1μm的厚度的铜涂层。

该方法还可以进一步包括在连续金属涂层上沉积石墨烯。

在其他方面，本发明涉及形成用于电池的双极性集电器的方法。该方法可以包括在柔性基底的第一表面上沉积选自由铜、镍、铝、石墨烯、合金及其组合组成的组中的导电材料。然后，柔性基底可以被折叠，使得第一表面暴露并且限定第一侧、折叠区域和第二侧。第一侧限定具有第一极性的第一集电器，并且第二侧限定具有与第一极性相反的第二极性的第二集电器，以便形成双极性集电器。

该方法还可以包括在第一表面的第一部分上沉积选自由镍、铜、石墨烯、合金及其组合组成的组中的第一材料以形成第一涂层，以及在第一表面的第二部分上沉积不同于选自由镍、铜、石墨烯、合金及其组合组成的组中的第一材料的第二材料以形成第二涂层。第一部分和第二部分是第一表面的不同区域，使得第一涂层限定第一侧，并且第二涂层在折叠之后限定第二侧。

该方法还可以包括柔性基底选自由塑料、石墨烯、铝箔及其组合组成的组中。

该方法还可以包括导电材料包括镍或铜。沉积工艺可以选自由电解沉积、无电置换沉积及其组合组成的组中，以形成平均厚度小于或等于大约25μm的材料涂层。

在另外的方面，本发明涉及用于锂离子电池的堆叠组件。电池可以包括具有第一极性的第一电极和具有与第一极性相反的第二极性的第二电极。电池还包括设置在第一电极与第二电极之间的第一隔膜。第一电极、第二电极和第一隔膜限定了其中设置有电解质的第一单元。具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的双极性集电器也设置在堆叠组件中。双极性集电器的平均厚度小于或等于大约25μm。第一侧被设置成与第一电极相邻并与其电连通。

堆叠组件还可以包括具有设置在堆叠的第一终端处的第一突片的第一端子端板以及具有设置在堆叠的第二终端处的第二突片的第二端子端板。第一单元设置在第一端子端板与第二端子端板之间，并且第一单元是既无突片也无焊缝的。

堆叠组件还可以包括双极性集电器的第一侧(其具有包括选自由镍、铜、合金及其组合组成的组中的材料的连续涂层)，以及包括含铝材料的双极性集电器的第二侧。

堆叠组件还可以包括双极性集电器，其包括选自由塑料、石墨烯、铝箔及其组合组成的组中的折叠的柔性基底。折叠的柔性基底的暴露表面包括选自由镍、铜、石墨烯、铝、合金及其组合组成的组中的材料。

堆叠组件还可包括限定了第一侧和第二侧的折叠的柔性基底的暴露表面。该材料可以是设置在第一侧上的第一材料。第一材料任选地选自由镍、铜、石墨烯、铝、合金及其组合组成的组中。第二侧包括与选自由镍、铜、石墨烯、铝合金及其组合组成的组中的第一材料不同的第二材料。

其他适用范围将从本文提供的描述中变得显而易见。本发明内容的描述和具体实施例仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。

附图说明

这里描述的附图仅用于所示实施例的说明性目的，而不是所有可能的实现，并不意图限制本发明的范围。

图1是用于说明目的的示例性电化学电池单元的示意图。

图2示出了多个电池单元的示例性堆叠组件；

图3示出了根据本发明的某些方面制备的具有导电材料涂层的双极性集电器的侧视图。

图4示出了根据本发明的某些方面制备的具有柔性基底和导电材料涂层的双极性集电器的侧视图。

图5示出了根据本发明的某些方面制备的具有两个不同的导电材料涂层的双极性集电器的平面图。

图6示出了根据本发明的某些方面制备的具有柔性基底和两个不同导电材料涂层的双极性集电器的侧视图。

图7示出了根据本发明的某些方面形成的具有多个单元和多个双极性集电器的锂基电池的堆叠组件的无突片构造。

图8是示出根据本发明的某些方面形成的双极集电体的电流的示意图。

图9是示出两个不同的双极性集电器的电流的示意图。

图10示出了用于锂基电池的堆叠组件的示例性无突片设计的侧视图，所述锂基电池包括根据本发明的某些方面形成的多个单元层和多个双极性集电器。

图11示出了用于锂基电池的堆叠组件的另一示例性设计的侧视图，该锂基电池包括根据本发明的某些方面形成的多个不含任何突片的多个单元层和多个双极性集电器，其中，突片仅设置于每个终端集电器上。

图12示出了用于锂基电池的堆叠组件的另一个示例性设计的侧视图，该锂基电池包括根据本发明的某些方面形成的多个不含任何突片的单元层和多个薄型双极性集电器，其中堆叠组件中的多个单元是既无突片也无焊缝的。

图13示出了用于锂基电池的堆叠组件的另一个示例性设计的侧视图，该锂基电池包括根据本发明的某些方面形成的多个不含任何突片的单元层和多个薄型折叠双金属双极性集电器，其中堆叠组件中的多个单元是无焊缝的。

图14示出了用于锂基电池的堆叠组件的另一个示例性设计的侧视图，该锂基电池包括根据本发明的某些方面形成的具有单一导电材料的多个不含任何突片的单元层和多个薄型折叠双极性集电器，其中堆叠组件中的多个单元是无焊缝的。

在所有的附图中，相应的附图标记表示相应的部分。

具体实施方式

提供了示例性实施例，使得本发明将是全面的，并且将把本发明的范围充分传达给本领域技术人员。阐述许多具体细节，例如特定组合物、组件、设备和方法的实例，以提供对本发明的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施例可以以许多不同的形式实施，而不应被解释为限制本发明的范围。在一些示例性实施例中，未详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知技术。

本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以包括复数形式，除非上下文另有明确指出。术语“包含”、“包含有”、“包括”和“具有”是包含性的，因此指定所述特征、元件、组成、步骤、整体、操作和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。虽然开放式术语“包括”应被理解为用于描述和声明本文阐述的各种实施例的非限制性术语，但是在某些方面，该术语可以替代地被理解为更具限制性和大约束性的术语，例如“由...组成”或“基本上由...组成”。因此，对所用组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤的任何给定实施例，本发明还具体包括由，或基本上由这些所列举的组合物、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤组成的实施例。在“由...组成”的情况下，替代实施例不包括任何附加组合物、材料、组分、元件、特征、整体、操作和/或方法步骤，而在“基本上由...组成”的情况下，这些实施例中不包括任何实质上影响必要特征和新颖性的材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤的添加，但是任何实质上不影响必要特征和新颖性的组成、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤可以包括在实施例中。

本文所述的任何方法步骤、工艺和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行，除非被特别地确定为执行顺序。还应当理解，除非另有说明，否则可以采用额外的或替代的步骤。

当部件、元件或层被称为“在......上”、“接合到”、“连接到”或“耦接到”另一个元件或层时，其可以直接在其上、接合、连接或耦接到另一个部件、元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在......上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦接到”另一个元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他单词应该以类似的方式来解释(例如，“在......之间“与”直接在......之间“、”相邻“与”直接相邻“等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部分应当不受这些术语的限制，除非另有说明。这些术语可能仅用于将一个步骤、元件、部件、区域、层或部分与另一个步骤、元件、部件、区域、层或部分区分开来。诸如“第一”、“第二”等术语在本文中使用时并不意味着序列或顺序，除非上下文清楚地表示。因此，下面讨论的第一步骤、元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部分，而不脱离示例性实施例的教导。

空间或时间上的相对术语，例如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“以下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等可以在本文中用于描述如图所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系以便于描述。除了附图中所示的方位之外，空间或时间上的相对术语可以旨在包括使用或操作中的设备或系统的不同取向。

贯穿本发明，数值表示对包括与给定值的微小偏差的范围的近似测量或限制，以及具有所提及的值以及那些具有所提及具体值的实施例。除了在详细描述结尾提供的工作实例中，在本说明书中包括所附权利要求的参数(例如，数量或条件)的所有数值都被理解为在所有情况下被修改为术语关于“关于”是否实际出现在数值之前。“关于”表示所述数值允许略微不精确(通过某种方法确定价值的准确性；大约或合理地接近价值；几乎)。如果“大约”提供的不精确性在本领域中没有以这种普通含义来理解，则本文所用的“大约”至少表示通过测量和使用这些参数的普通方法可能产生的变化。例如，“大约”可以包含小于或等于5％、任选地小于或等于4％、任选地小于或等于3％、任选地小于或等于2％、任选地小于或等于1％、任选地小于或等于0.5％，并且在某些方面，任选地小于或等于0.1％的变化。

此外，范围的公开包括在整个范围内的所有值和进一步的分割范围的公开，包括为范围给出的端点和子范围。

现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。

如本文所用，术语“组合物”和“材料”可互换使用，用于广义地表示含有至少优选化学化合物的物质，但也可包含另外的物质或化合物，包括杂质。

现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。

本发明的技术涉及可用于车辆应用中的改进的电化学电池，特别是锂离子电池。作为背景，图1中示出了单个单元锂离子电池20的示例性示意图。锂离子电池20的示例性示意图在图1中示出。锂离子电池20包括负极22、正极24和设置在两个电极22、24之间的隔膜26(例如，微孔聚合物隔膜)。隔膜26包括电解质30，电解质30也可以存在于负极22和正极24中。负极集电器32可以设置在负极22处或靠近负极22，正极集电体34可以设置在正极24处或靠近正极24，使得它们能够电连通。负极集电器32和正极集电器34分别从外部电路36收集自由电子以及将自由电子向外部电路36移动。可中断的外部电路36和负载38将负极22(通过其集电器32)和正极24(通过其集电器34)连接。负极22、正极24和隔膜26中的每一个还可以包括能够传导锂离子的电解质30。隔膜26通过被夹在负极22和正极24之间作为电绝缘体和机械支撑体而工作，以防止物理接触，从而防止发生短路。隔膜26除了在两个电极22、24之间提供物理屏障之外，还可以提供用于锂离子(和相关阴离子)的内部通道的最小电阻路径，从而促进锂离子电池20的功能。

锂离子电池20在放电期间可以通过在外部电路36闭合(以将负极22和正极24连接)且负极22含有相对较大量的插层锂时发生的可逆电化学反应而产生电流。正极24与负极22之间的化学电势差驱动由负极22上的插层锂氧化所产生的电子通过外部电路36向正极24运动。同时，锂离子(在负极22处还产生锂离子)通过电解质30和隔膜26向正极24传递。电子流过外部电路36，并且锂离子迁移穿过电解质30中的隔膜26，以在正电极24处形成插层锂。通过外部电路18的电流可以被利用并引导通过负载设备38，直到负极22中的插层锂被耗尽并且锂离子电池20的电量减小。

可以在任何时候通过将外部电源连接到锂离子电池20来对锂离子电池20进行充电或重新供电，以逆转在电池放电期间发生的电化学反应。外部电源与锂离子电池20的连接促进了在正极24处的插层锂的其他非自发氧化，以产生电子和锂离子。通过外部电路36流回负极22的电子，和由电解质30携带的穿过隔膜26返回负极22的锂离子，在负极22处重新团聚，并在下一次电池放电循环期间对消耗的插层锂进行补充。可以用于对锂离子电池20充电的外部电源可以根据锂离子电池20的尺寸、结构和特定的最终用途而变化。一些显著和示例性的外部电源包括但不限于AC壁式插座和机动车辆交流发电机。在许多锂离子电池构造中，负极集电器32、负极22、隔膜26、正极24和正极集电器34中的每一个都被制备为相对薄型层(例如，厚度为几μm或1mm或更小)并且以层叠的方式组装成以电并联设置连接的堆叠(通过连接至连接于每个相应集电器的外部突片)的不同电池，以提供合适的能量封装。

在锂离子电池20中可以使用任何能够在负极22和正极24之间传导锂离子的固体形式或溶液的适当的电解质30。在某些方面，电解质溶液可以是包括溶解于有机溶剂中的锂盐或有机溶剂的混合物的非水电解液。在锂离子电池20中可以使用许多常规的非水电解液30溶液。可以溶解于有机溶剂中以形成非水电解液的锂盐的非限制性列表包括LiPF₆、LiClO₄、LiAlCl₄、LiI、LiBr、LiSCN、LiBF₄、LiB(C₆H₅)₄、LiAsF₆、LiCF₃SO₃、LiN(CF₃SO₂)₂及其组合。这些和其他类似的锂盐可以溶解于各种有机溶剂中，包括但不限于各种烷基碳酸酯，例如环状碳酸酯(碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC))、非环状碳酸酯(碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC))、脂肪族羧酸酯(甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯)、γ-内酯(γ-丁内酯、γ-戊内酯)、链结构醚(1-2-二甲氧基乙烷、1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷)、环醚(四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃)及其混合物。

在一个实施例中，隔膜30可包括包含聚烯烃的微孔聚合物隔膜。聚烯烃可以是均聚物(衍生自单个单体组分)或异源聚合物(衍生自多于一个单体组分)，其可以是直链或支链的。如果异源聚合物衍生自两种单体组分，则聚烯烃可以呈现任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的共聚物链排列。类似地，如果聚烯烃是衍生自多于两种单元成分的杂聚物，则同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，聚烯烃可以是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或PE和PP的共混物。

当隔膜30为微孔聚合物隔膜时，其可以是可由干法或湿法制备的单层或多层层压体。例如，在一个实施例中，单层聚烯烃可形成整个微孔聚合物隔膜30。在其他方面，例如，隔膜30可以是具有大量在相对表面之间延伸的孔的纤维膜，并且可具有小于一mm的厚度。然而，作为另一实例，可以组装相似或不相似的聚烯烃的多个离散层以形成微孔聚合物隔膜30。微孔聚合物隔膜30还可包括除聚烯烃外的其他聚合物，诸如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)和/或聚酰胺。聚烯烃层和任何其他可选的聚合物层可作为纤维层进一步包含在微孔聚合物隔膜30中，以有助于为微孔聚合物隔膜30提供适当的结构和孔隙率特性。可以考虑用于形成隔膜30的各种常规可用的聚合物和商业产品，以及可用于生产这种微孔聚合物隔膜30的许多制造方法。

正极24可由能够充分进行锂嵌入和脱嵌，同时用作锂离子电池20的正极端子的任何锂基活性材料形成。正极24可包括聚合物粘合剂材料，以在结构上强化锂基活性材料。正极24还可包括导电材料或颗粒，诸如炭黑或石墨，其可以加入以改善电子传输。

可用于形成正极24的一种示例性常见的已知活性材料是层状锂过渡金属氧化物。例如，正极24可包括至少一种尖晶石，比如锂锰氧化物(Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄)，其中0≤x≤1，其中x通常小于0.15，包括LiMn₂O₄；锂锰镍氧化物(LiMn_(2-x)NixO₄)，其中0≤x≤1，例如LiMn_1.5Ni_0.5O₄；锂钴氧化物(LiCoO₂)；锂锰氧化物(LiMn₂O₄)；锂镍氧化物(LiNiO₂)；锂镍锰钴氧化物(Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂)，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，并且x+y+z＝1；锂镍钴金属氧化物LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂(其中0<x<1，y<1，并且M可以是Al、Mn等)；锂过渡金属氧化物或混合氧化物锂铁磷酸盐，或锂铁聚阴离子氧化物，诸如锂金属磷酸盐(例如LiFePO₄)或锂金属氟磷酸盐(例如Li₂FePO₄F)。还可使用各种其他已知的锂基活性材料。作为非限制性实例，可选择的活性材料可包括锂镍氧化物(LiNiO₂)、锂铝锰氧化物(Li_xAl_yMn_(1-y)O₂)和锂钒氧化物(LiV₂O₅)。在某些变型中，正极24包括至少一种尖晶石，诸如锂锰氧化物(Li_(1+x)Mn_(2-x)O₄)、锂锰镍氧化物(LiMn_(2-x)NixO₄)，其中0≤x≤1，以及锂锰镍钴氧化物(例如LiMn_1/3Ni_1/3Co_1/ ₃O₂)或锂铁磷酸盐(LiFePO₆)。这种活性材料可与至少一种聚合物粘合剂混合，例如通过用如聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯丙烯二烯单元(EPDM)橡胶或羧甲基纤维素(CMC)等粘合剂对电活性材料进行浆料浇注。正极集电器34可由铝、石墨烯、镍或本领域技术人员已知的任何其他适当的导电材料形成。正极集电器34可以连接到外部集电器突片。

在各个方面，负极22包括作为锂基质材料的电活性材料，该锂基质材料能够用作锂离子电池的负极端子。负极22还可包括另一导电材料，以及一种或多种聚合物粘合剂材料，以在结构上将锂基质材料保持在一起。例如，在某些实施例中，负极22可包括石墨、钛酸锂氧化物Li₄Ti₅O₁₂(LTO)、硅、含硅合金、含锡合金及其组合。

石墨通常用于形成负极22，因为其表现出有利的锂嵌入和脱嵌特性，在电化学电池环境中相对无反应性，并且可以以提供相对高能量密度的量存储锂。作为非限制性实例，可用于制造负极22的石墨和其他石墨烯材料的商业形式可从瑞士Bodio的TimcalGraphite and Carbon、瑞士巴塞尔的Lonza Group，或美利坚合众国芝加哥的SuperiorGraphite获得。其他材料也可以用于形成负极22，包括例如锂硅及含硅二元和三元合金和/或含锡合金，诸如Si-Sn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo、SnO₂等。在某些可选择的实施例中，可以考虑锂钛阳极材料，诸如Li_4+xTi₅O₁₂，其中0≤x≤3，包括钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)(LTO)。任何这些负电活性材料当然可以与其他电活性材料组合。

负极可包括大于或等于大约50％至小于或等于大约90％的电活性材料(例如石墨颗粒)、可选地大于或等于大约5％至小于或等于大约30％的导电材料，以及余量粘合剂。合适的电活性材料包括前面讨论的那些，并且可与导电材料相同，诸如石墨。导电材料还包括炭黑、镍粉、金属颗粒、导电聚合物或其任何组合。可用的粘合剂可包括适于形成结合的多孔复合物的聚合物材料和可提取的增塑剂，诸如卤代烃聚合物(诸如聚(偏氯乙烯)和聚((二氯-1，4-亚苯基)乙烯)、氟化聚氨酯、氟化环氧化物、氟化丙烯酸类、卤代烃聚合物的共聚物、环氧化物、乙烯丙烯二胺三元单元(EPDM)、乙烯丙烯二胺三元单元(EPDM)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、六氟丙烯(HFP)、乙烯丙烯酸共聚物(EAA)、乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、EAA/EVA共聚物、PVDF/HFP共聚物，及其混合物。

负极集电器32可由铜、石墨、镍或本领域技术人员已知的任何其他适当的导电材料形成。负极集电器32可以是金属箔，其可以是开放网栅或薄膜的形式。集电器可以连接到外部集电器突片。

因此，电池可以组装在层压单元结构中，包括阳极层、阴极层以及阳极层和阴极层之间的电解质/隔膜。阳极层和阴极层各自包括分别与其电连通的相邻集电器。

例如，在某些变型中，诸如阳极膜的电极膜包括分散于集电器上聚合物粘合剂基体中的电极活性材料(例如石墨)。然后可以将隔膜定位在负极元件上方，该负极元件由正极膜覆盖，该正极膜包括聚合物粘合剂基体中细分散的锂插入化合物的组合物。诸如铝集电器箔或栅格的正极集电器完成组装。集电器元件的突片形成电池的各端子。保护外壳覆盖单元并防止空气和水分渗入。在该外壳中，电解质注入适于锂离子传输的隔膜(并且也可被吸入正极和/或负极中)。在某些方面，层压电池在使用前进一步气密密封。

再次参考图1，锂离子电池20可以包括这里未示出但本领域技术人员已知的各种其他组件。例如，锂离子电池20可包括壳体、垫片、端子端板、端子盖以及可位于电池20内(作为非限制性实例，包括负极22、正极24和/或隔膜26之间或周围)的任何其他常规组件或材料。

锂离子电池20可以向能够可操作地连接到外部电路36的负载设备38产生电流。当锂离子电池20放电时，负载装置38可完全或部分地通过流过外部电路36的电流供电。如上所述，锂离子电池20的尺寸和形状可根据其设计的具体应用而变化。例如，电池供电车辆和手持式消费电子设备是锂离子电池20最有可能设计为不同尺寸、容量和功率输出规格的两个实例。负载设备38可以是任何数量的已知电动设备，而功耗负载设备的一些具体实例，作为非限制性实例，包括用于混合动力车辆或全电动车辆的电动机、笔记本电脑、平板电脑、蜂窝电话和无绳电动工具或电器。负载设备38也可以是为了存储能量而对锂离子电池20充电的发电装置。

若负载设备38需要，锂离子电池20还可与其他相似的锂离子电池或电池组串联或并联连接以产生更大的电压输出和功率密度。作为图2中的实例，示出了电池堆叠组件39，其包含作为包括负极集电器32、负极22、隔膜26、正极24以及正极集电器34的第一单元或层的锂离子电池20。堆叠组件39进一步包括相邻的第二单元40，其包括各个第二负极集电器52、第二负极42、第二隔膜46、第二正极44，以及第二正极集电器54。虽然未示出，但第二单元40也具有电解质。堆叠组件39进一步包括第三单元60，其包括各个第三负极集电器72、第三负极62、第三隔膜66、第三正极64，以及第三正极集电器74。虽然未示出，但第三单元60也具有电解质。各个负极集电器32、第二负极集电器52和第三负极集电器72都具有外部突片76，以通过导管78彼此并联地电连接。各个正极集电器34、第二正极集电器54和第三正极集电器74都具有外部突片80，以通过导管82彼此并联地电连接。如本领域技术人员所理解的，三个以上的多个单元可堆叠形成单个堆叠组件。此外，多个堆叠组件可一起使用。

电池可由可热封的柔性箔形成，将柔性箔密封以封闭堆叠组件39的至少一部分。因此，任何数量的单元可彼此相邻堆叠或以其他方式放置以形成单元堆叠，其也可以称为锂基二次电化学电池模块。此外，尽管图2中未示出，但附加层诸如但不限于框架、冷却层或两者兼有也可位于独立单元之间的空间中。不同单元的数量随每个电池模块所需的电压输出而变化，仅例如，可以使用堆叠中的大于20个单元，可选地大于30个单元，作为非限制性实例。同样，互连的电池模块的数量可以变化，以产生具体应用必需的总输出电压。

锂基电化学电池模块可以用作插电式混合动力电动车辆(PHEV)。此外，多个电池模块可以组合以形成锂基二次电池组。作为实例，电池模块可具有足够的尺寸以提供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)等供电必需的电压，例如，大约300至400伏或更高，这取决于所需的应用。

尽管未示出，锂基电池可设置为具有扁平端子的柔软、扁平袋状物，该扁平端子与需要电力的设备主体平齐，诸如手机电池或具有大端子(例如以铝片和铜片的形式)的塑料壳体中，诸如用于车辆的电池组。通常，锂基电池可连接在电路中，以通过存在于电路中的负载对锂基电池进行放电，或者通过连接到外部电源对锂基电池进行充电。

在各个方面，本发明提供了薄型双极性集电器，其通过减小整个单元堆叠的重量同时增加电池模块的比能量和能量密度(每单位体积和质量的充电容量)，可用于改善电化学电池性能。在某些方面，本发明考虑了用于形成这种双极性集电器结构的方法。此外，根据本发明某些方面制造的双极性集电器提供了用于无突片高压锂电池的新电化学电池设计。

在某些方面，用于锂基电化学电池或电池组的双极性集电器可以是双金属集电器。形成这种双金属集电器的方法包括在导电表面上沉积导电材料(例如金属)以形成导电金属的连续且薄型涂层。导电金属涂层在由不同材料形成的导电表面上形成，由此形成双金属双极性膜。在某些变型中，导电金属选自铜、镍、合金及其组合组成的组。在其他变型中，本发明考虑了一种方法，其包括在包含铝的表面上沉积铜以形成连续的铜涂层。“连续”是指下面基底的大于或等于大约99％的表面积具有涂覆其的材料，诸如铜。平滑可以理解为大于或等于大约0.01μm至小于或等于大约0.1μm的平均表面粗糙度(粗糙度平均值或RA)。

在某些变型中，沉积诸如铜或镍等导电材料的工艺可以选自电解沉积、无电置换沉积及其组合组成的组。在使用这种工艺时，双金属双极性集电器形成，其具有小于或等于大约25μm的平均厚度。因此，涂覆区域的合并平均厚度，包括下面基底和沉积涂层的厚度，小于或等于大约25μm，可选地小于或等于大约20μm，可选地小于或等于大约15μm，并且在某些变型中可选地小于或等于大约10μm。

沉积材料涂层(例如，铜涂层)的平均厚度可大于或等于大约2单层(例如，铜0.5nm)至小于或等于大约25μm，例如，可选地大于或等于大约1nm至小于或等于大约20μm、可选地大于或等于大约2nm至小于或等于大约15μm、可选地大于或等于大约3nm至小于或等于大约10μm，并且在某些变型中可选地大于或等于大约4nm至小于或等于大约1μm。

在某些变型中，基底选自塑料、石墨烯涂覆的塑料、金属箔及其组合组成的组。因此，基底本身可包括铝(例如铝箔基底)，或者基底具有包括铝的暴露表面涂层。如下面将进一步描述，基底可以是柔性的，并且在某些变型中可以在预定区域中折叠或弯曲。基底的平均厚度可以小于或等于大约25μm，例如，可选地小于或等于大约20μm、可选地小于或等于大约15μm，并且在某些变型中可选地小于或等于大约10μm。

“电解”是指在沉积工艺中，通常在将表面浸入具有电解质的液体介质中时，将涂层在施加了电压或电势的情况下涂布于基底表面。相反，“无电”是指在沉积期间，也即表面与液体介质接触时，涂层在不使用施加的电压或电势的无电工艺中涂布于基底表面。无电镀覆通常是指化学施加的金属基涂层，其中金属材料的沉积通过自催化或置换沉积反应发生，而不是由电流或电势的存在驱动。无电沉积工艺可以提供具有连续表面覆盖的薄型高度受控均匀密度涂层。电解沉积工艺可以在沉积涂层的密度和覆盖上变化。下面进一步描述的根据本发明的电解或无电沉积工艺提供了平滑且连续的涂层，而涂层厚度可以控制并且非常薄，并且进一步实现了涂层材料和下面基底之间的机械接触改善。

虽然双层金属结构已经通过包覆法或接合法形成，但这种双层金属结构不能容易地结合到电池中。例如，在包覆法中，铝箔包覆在铜箔上，然后双层膜通过辊。为了包覆在一起并轧制，这种箔/膜具有相对较大的厚度以提供足够的扩散厚度并承受轧制的机械应力。因此，这种组件相对较厚并且具有较差的机械完整性，包括分层倾向。此外，当结合到电池中时，较大的厚度使得组件过重和/或体积较大。类似地，接合法通常在两个薄膜间设置粘结剂，例如，带有导电粘结剂的铜箔可以接合到薄铝箔上，然后通过加热滚筒辊来固化粘结剂。除了更厚以允许轧制外，由于粘合剂以及双极性膜的改性机械性质，接合的双层结构可能会性能下降。

在一个变型中，工艺为诸如铜或镍的金属的电解沉积，以将包含铜或镍的层电镀到包含铝的表面上。在这种变型中，电解工艺可包括用包含含铜化合物或含镍化合物的液体介质或电解质处理或接触表面。在一个变型中，含铜化合物可以是复合铜盐溶液形式。合适的复合铜盐可包括：硫酸铜、亚氯酸铜、氰化铜、四乙烯五胺铜、氨硫酸铜、焦磷酸铜、氨氯化铜、铜MOF氨溶液，包括氨型苯三甲酸铜MOF(Cu-BTC)溶液、氨型NOTT-116溶液、氨铜NOTT-100溶液、氨铜MOF74溶液及其组合。在另一变型中，含镍化合物可选自硫酸镍、氯化镍、氟硼酸镍及其组合组成的组。可添加到液体介质(例如电镀浴)中的其他可选添加剂包括硫酸、氯化亚锡、硫酸镉、硼酸、氟化钠、氯化钠、过硫酸钾及其组合。在某些方面，复合铜盐的合适浓度可大于或等于大约40至小于或等于大约250g/L，并且对于镍盐则大于或等于大约150g/L至小于或等于至大约300g/L。液体介质可以是水性的并且可以包括水或其他溶剂/载体。液体介质可作为待涂覆表面浸入或接触的浴提供。

基底可附接到具有第一极性的触点以产生工作电极。导电基底或工作电极接触或浸入液体介质，其可以是包括一种或多种复合铜盐和水的电解质。对电极可放置为与电势源电连通，以具有与第一极性相反的第二极性。对电极和工作电极通常浸入相同的液体介质(例如，电解质溶液)。对电极可由铜或镍形成，这取决于所沉积的元件。在液体介质中接触或浸入导电基底后，施加相对于对电极的负电压。电流通过这种溶液的过程伴随着电极处的化学变化，驱动金属(例如，铜)沉积到用作工作电极的基底的表面上，以在其上形成薄型连续平滑涂层。在某些变型中，施加电压的电流密度可大于或等于大约0.005A/cm²至小于或等于大约0.5A/cm²。液体介质的温度可大于或等于大约20℃至小于或等于大约60℃。压力可处于环境条件下。镀覆时间取决于所需的沉积材料厚度。

在其他变型中，沉积诸如铜的材料的工艺可以是无电置换沉积工艺。无电沉积工艺可包括用包含含铜配体化合物的液体介质来处理或接触表面，例如含铜配体，诸如浓缩氨溶液体系中的铜盐或铜金属有机框架(Cu-MOF)。一种合适的Cu-MOF如苯三甲酸盐MOF(Cu-BTC)。当反应性差的金属(诸如铜)的离子接触反应性更强的表面(诸如铝)时，发生置换沉积。铝溶解并且铜离子直接沉积在铝表面的表面上。例如，含铜配体中的铜离子允许在铝上形成连续的铜薄膜。

合适的含铜配体化合物可包括：苯三甲酸盐MOF(Cu-BTC)的氨溶液、氯化铜的氨溶液、硫酸铜的氨溶液及其组合。在某些方面，试剂为铜MOF化合物。铜MOF化合物的合适实例包括：Cu-BTC、NOTT-116、NOTT-100、MOF74(Cu)及其组合。在液体介质中，含铜配体化合物的合适浓度可大于或等于大约15g/L至小于或等于大约140g/L。液体介质可以是水性的并且可以包括水或其他溶剂/载体。液体介质可作为待涂覆表面浸入或接触的浴提供。

待涂覆基底的表面可接触或浸入无电液体介质。液体介质的温度可大于或等于大约20℃至小于或等于大约80℃，例如在某些变型中大约60℃。压力可处于环境条件下。作为实例，无电沉积可以进行大于或等于大约1分钟至小于或等于大约30分钟。在一个非限制性实例中，铝样品浸入包含氨水Cu(BTC)MOF的液体介质中，浓度为15g/L，在60℃下15分钟。

在某些变型中，待涂覆基底的表面可以预处理以进一步促进涂层的形成。因此，方法可包括形成包含锌的预处理层，其通过使表面上的铝与锌酸盐反应而形成。锌酸盐预处理可以改善沉积在铝上的铜或镍的粘附性。锌酸盐处理用薄锌层替代了铝上的钝化膜，该薄锌层随后在镀覆过程中可以容易地被铜替代，从而提供与铝基底的良好粘附性。这种含锌预处理层特别适合在无电置换沉积工艺之前使用。应当注意，预处理选择为与电解和/或无电工艺相容，使得铝基底表面上的金属能够最初置换氧化铝，而且还可溶解以允许比如铜或镍的金属沉积在铝表面上。合适的锌酸盐溶液包括氧化锌和氢氧化钠作为主要成分。氧化锌的浓度可以大于或等于大约5g/L至小于或等于大约100g/L，而氢氧化钠的浓度可以大于或等于大约50g/L至小于或等于大约525g/L。加入诸如氯化铁、酒石酸钾钠、硝酸钠的其他添加剂以提高铝表面锌沉积物的均匀性。该工艺通常在室温下进行少于30秒。

如图3所示，双极性集电器84因此通过根据本发明的这种技术形成。双极性集电器84具有设置在导电基底88上的导电材料薄型平滑且连续的涂层86。在一个变型中，导电基底88可以是具有大约10μm厚度的铝片或箔，而导电连续涂层86可以是具有小于或等于大约2μm厚度的铜涂层，使得双极性集电器84的总厚度小于大约15μm。

在某些变型中，在铝上平滑且连续的铜(或其他导电材料比如镍)涂层通过这种方法形成。与通过包覆或粘附两种预成型材料形成的机械接合相比，铜和铝之间的机械接触由于使用电解工艺的涂层的电镀性质而得到增强。此外，铜涂层厚度可以非常薄，同时高度受控。铝上的这种铜或镍涂层坚固、高度导电且薄，使其特别有利于结合到电池中。另外，具有铜涂层的铝基底，例如，将铝的低密度与铜的高热导率和电导率相结合，以获得用于能量存储应用热管理的成本有效的散热器。

在其他方面，本公开提出了一种形成包用于含选自由镍、铜、铝、石墨烯、合金及其组合组成的组的材料的电池的双极性集电器的方法。柔性基底能够弯曲至少180°，不会断裂或受损。柔性基底可以由聚合物或塑料材料形成，例如聚酯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯等等。与金属基底相比，塑料膜减小了重量和厚度，同时提供良好的机械完整性和强度。在某些方面，基底可以是聚合物材料，该聚合物材料进一步涂覆有用作基底的暴露表面的镍、铜、铝、石墨烯等的薄层。在其他变型中，柔性基底可以是金属箔(例如，铝箔)或膜或片(例如，石墨烯涂覆的片)。

石墨烯可以通过物理或化学气相沉积工艺沉积在聚合物基底上，且可以保持完好或从基底上分离形成独立的片。石墨烯能在含铜材料上沉积“通常是在厚铜箔上”，以便于沉积工艺中的形态控制。溶解铜箔后，石墨烯可以转移到柔性聚合物基底。然而，厚铜箔的溶解和转移过程引入了额外更长的处理步骤，以形成最终的石墨烯涂覆的塑料片。根据本公开的某些方面，按上述形成的金属涂覆的基底可以用作用于形成石墨烯的基底。因此，在一个方面，上面具有薄铜涂层的薄铝箔可以用作用于形成石墨烯的基底。可以使用化学气相沉积(CVD)技术将石墨烯沉积在铝箔上的铜涂层上，以形成使用相同的CVD过程所期望的石墨烯特性。然而，具有铜涂层的更薄型铝箔能更容易溶解，并且石墨烯能转移到塑料载体上。在某些变型中，柔性基底，例如在当涂层是由石墨烯形成时可以是透明的。石墨烯涂覆的片的重量减轻且厚度降低，同时提供良好的导电性。此外，可以在连续卷绕式生产过程中对柔性基底进行处理。

在某些变型中，可以对柔性基底进行折叠，使得第一表面暴露并限定第一侧、折叠区域和第二侧。第一侧限定具有第一极性的第一集电器、第二侧限定第二集电器，该第二集电器具有与第一极性相反的第二极性。通过这样的方法，形成双极性集电器。双极性集电器具有无接缝或无焊缝设计。

例如，在一个变型中，双极性集电器可以在呈铝箔或片形式的柔性基底上形成，该铝箔或片上面具有含铜涂层(或含镍涂层)，其中第一侧可以用作阴极的集电器(例如，铝侧)、第二侧可以用作阳极的集电器(例如，含铜涂层或含镍涂层)。在某些方面，这样的双极性双金属集电器的优点在于：它通过在铝上沉积薄铜层而使用更少的铜，除了在提高能量密度的同时减小总组/堆叠电阻，还允许整个组件的重量和体积减小。在其他变型中，双极性集电器可以在柔性基底上形成，该柔性基底在暴露的第一表面上具有导电材料，并在折叠之后限定第一侧、折叠区域和第二侧。作为示例，这种导电材料可以是石墨烯或镍。因此，第一侧限定具有第一极性的第一集电器，第二侧限定具有与第一极性相反的第二极性的第二集电器。

图4示出了通过这样的种方法所形成的一个变型的双极性集电器90。柔性基底92在第一表面96上形成有涂层94。在这样的实施例中，涂层可以由导电材料形成，当并入到电池单元中时该导电材料既能用作正极集电器又能用作负极集电器。例如，既能用作正极集电器又能用作负极集电器的合适的导电材料包括镍和石墨烯。对柔性基底92进行折叠并形成折叠弯曲区域98，使得具有涂层94的第一表面96在双极性集电器90的两侧上暴露。在某些变型中，涂层94可以是石墨烯涂层或镍涂层，以及柔性基底92可以是前述讨论的聚合物材料中的任一种。

图5和图6中示出了另一种变型的双极性集电器100。双极性集电器100由柔性基底102形成。用于形成双极性集电器100的方法可以包含在柔性基底102的第一表面112上沉积第一材料以形成第一涂层104。第一材料任选地选自由镍、铜、铝、石墨烯、合金及其组合组成的组。然后，将与第一材料不同的第二材料沉积在柔性基底102的选择部分上，以形成设置在第一涂层104上的第二涂层106。第二材料与第一材料不同，可以选自自由镍、铜、铝、石墨烯、铝合金及其组合组成的组。在柔性基底102自身折叠起来之后，形成折叠弯曲区域108。

因此，第一表面112限定使第一涂层104暴露的第一部分110。第一表面112还限定使第二涂层106暴露的第二部分114。值得注意的是，第二涂层还延伸过折叠弯曲区域108。第一表面112的第一部分110和第二部分114是不同的区域，使得第一涂层104限定双极性集电器100的第一侧120，第二涂层106在折叠之后限定第二侧122。弯曲的集电器因此产生在单元之间共享并与不同极性的电极相邻的双极性结构，这潜在地减轻了总重量并提高了能量密度和比能量密度。

在一个变型中，第一涂层104可以是铝涂层，第二涂层106可以是铜涂层，柔性基底102可以是前述聚合物材料中的任一种。在另一个变型中，第一涂层104可以是铝涂层、第二涂层106可以是镍涂层、柔性基底102可以是前述聚合物材料中的任一种。在第二涂层106包含镍或铜的情况下，沉积任选地选自由电解沉积、无电置换沉积及其组合组成的组。如前所述，这样的工艺形成双极性集电器，该双极集电体的总厚度小于或等于大约25μm。

在其他方面，本公开提出了一种新型锂基电化学电池单元或电池结构，并入了这种按照本公开的方法形成的双极性集电器。示出了用于锂离子电池的电池单元130的堆叠。相同极性的每个集电器132具有外部突片136。值得注意的是，未示出相同电池单元中相反极性的集电器，但它们具有相同的外部突片并以本文所述的方式进行处理。多个突片136被强制向下并通常被焊接(例如，通过超声波焊接)到端子导电突片140。突片136附连对于锂电极来说难以处理，可能在最大高电流耐受上受到限制，在某些方面，在某些条件况下在某些电池系统中潜在地可能因膨胀过程中的张力而断裂。

并入根据本公开的某些方面而制备的双极性集电器提供了一种新型的电池设计，在该设计中去掉了用于内部单元的突片。图7示出了用于电池的示例性堆叠组件150。该堆叠组件150可以包括具有第一极性的第一电极152和具有与第一极性相反的第二极性的第二电极154。第一隔膜156设置在第一电极152与第二电极154之间，其中第一电极152、第二电极154和第一隔膜156限定其中设置有电解液(未示出)的第一单元158。双极性集电器160也是堆叠组件150的一部分。双极性集电器160具有第一侧162和与第一侧162相对的第二侧164，其中第一侧162设置成与第一电极152相邻并与第一电极152电连通。在某些变型中，双极性集电器160可以是双金属集电器，该双金属集电器通过在薄导电基底上沉积薄型连续导电材料而形成，例如，具有铜涂层的铝片，其中双极性集电器160的总厚度小于或等于大约25μm。

堆叠组件150还包括具有第三极性的第三电极172和具有与第三极性相反的第四极性的第四电极174。第二隔膜176设置在第三电极172与第四电极174之间，其中第三电极172、第四电极174和第二隔膜176限定其中设置电解液的第二单元178。双极性集电器160的第二侧164设置成与第三电极172相邻并与第三电极172电连通。值得注意的是，第一极性和第三极性彼此相反。

在某些方面，堆叠组件150进一步包含第一端子端板190和第二端子端板196、第一端子端板190设置在堆叠的第一终端194、第二端子端板196设置在堆叠组件150的第二终端200。如下文将进一步讨论的，第一单元158和第二单元178设置在第一端子端板190与第二端子端板196之间，第一单元158和第二单元178既无突片也无焊缝。

图8和图9示出了不同双极性集电器设计的示意图。在图8中，第一电极210具有第一负极性、第二电极212具有相反的第二正极性，与图7的堆叠组件150中电极的取向类似。双极性集电器板220设置在第一电极210与第二电极212之间，电流沿箭头所示的方向流动。按照这种方式，电流沿所指的方向流动。

图9示出了通常在堆叠组件中出现的成对构造中彼此相邻的两种不同集电器。第一集电器230具有负极性。与第一集电器230相邻的第二集电器232同样具有负极性。因此，第一电极240是与第一集电器230相邻的负电极，而第二电极242也是与第二集电器232相邻的负电极。箭头示出了电流流动的方向。

重新参照图7，具有附加第一电极、第二电极和隔膜的附加单元可以包括在堆叠组件150中，并通过按照本公开某些方面制备的不同的双极性集电器而分隔。在图7中，双极性集电器160可以是第一双极性集电器，并且堆叠组件150进一步包含第二双极性集电器270、第二双极性集电器270具有第一侧272和与第一侧272相对的第二侧274。除了第一单元158和第二单元178，设置至少一个附加第三单元280。第三单元280设置在第一端子端板190与第二端子端板192之间，与第二双极性集电器270的第一侧272相邻并与其电连通。第三单元280包含第五电极290和第六电极292，第五电极290具有第五极性、第六电极292具有与第五极性相反的第六极性。第三隔膜294设置在第五电极290与第六电极292之间，其中第五电极290、第六电极292和第三隔膜294限定其中设置有电解液的第三单元(未示出)。在某些方面，像第一单元158和第二单元178一样，第三单元280也没有突片。新型设计不需要突片附连过程，这给电池带来许多好处，例如增加能量密度和更高的速率公差。这样的设计还基于内部串联连接设计为单个单元提供高电压。

单元和双极性集电器可以由前述材料中的任一种制成，在某些变型中包括由选自由塑料、石墨烯、铝箔以及它们的组合组成的组形成的双极性集电器，其中折叠的柔性基底的暴露表面包含导电材料，该导电材料选自由镍、铜、石墨烯、合金以及它们的组合组成的组。如图所示的，三个以上不同单元和双极性集电器包括在堆叠组件150中，为了说明的目的，提供五种不同的单元。然而，应当注意的是，堆叠组件并不受限于所示层和单元的数量或者所示的堆叠构造。

如图10所示，示出了用于电池的第一种无突片堆叠组件设计，其中无需突片和焊接。这样的无突片堆叠组件设计可以并入像图8中的双极性集电器那样的双极性集电器。第一端子端板250和第二端子端板252将多个单元254夹在中间。在此设计中，第一端子端板250和第二端子端板252可以无需使用任何突片而与外部电路电连接。

在图11中，示出了替代的变型，其中第一端子端板260与第二端子端板262将多个单元264夹在中间。在此设计中，第一端子端板260可以具有第一突片266，其可以与外部电路电连接。虽然未示出，但第二端子端板262也可以具有第二突片。

图12示出了用于高电压锂离子电池的既无突片也无焊缝的堆叠组件300，其包括多个单元310。每个单元300包括具有第一极性的第一电极312和具有与第一极性相反的第二极性的第二电极314。第一隔膜316设置在第一电极312与第二电极314之间。每个单元中还可以有电解液(未示出)。双极性集电器320也是堆叠组件300的一部分。双极性集电器320在由导电材料(例如，用于负极集电器侧的铜)形成的第一侧上具有第一层330，在与第一侧相对的第二侧上具有第二层332，其可以由正极集电器材料(例如，铝)形成。第一层330设置成与单元310的第二电极314相邻并电连通。在某些变型中，双极性集电器320可以是双金属集电器，该双金属集电器通过在薄型导电基底上沉积薄型连续导电材料而形成，例如，具有铜涂层的铝片，其中双极性集电器320的总厚度小于或等于大约25μm。

堆叠组件300还包括第一端子导电层340和在堆叠组件300相对端的第二端子导电层342。第一端子导电层340可以由具有第一极性的材料形成，例如，负极集电器材料，比如铜。第二端子导电层342可以具有与第一端子导电层340的第一极性相反的第二极性，例如，正极集电器材料，比如铝。第一端板集电器344设置成与第一端子导电层340相邻。第二端板集电器346类似地设置成与第二端子导电层342相邻。第一端板集电器344和第二端板集电器346可以附连到各自的外部导线。堆叠组件300的单元310中的每一个串联连接，不具有单独的突片，因此单元310中的每一个都是无突片的。此外，堆叠组件300可以是无焊缝的。值得注意的是，如前所述，设计和极性可以相反，堆叠组件可以包括其他部件。

图13示出了用于高电压锂离子电池的无焊缝堆叠组件350，其包括多个单元360。每个单元360包括具有第一极性的第一电极362和具有与第一极性相反的第二极性的第二电极364。第一隔膜366设置在第一电极362与第二电极364之间。每个单元360还可以在其中设置有电解液(未示出)。双极性集电器370还可以是设置在单元360之间堆叠组件350的一部分。

如前面结合图4～6所述的，作为示例，对双极性集电器370进行折叠，限定涂覆有第一导电材料(例如，用于负极集电器侧的铜)的第一侧380和与第一侧相对的第二侧382，其可以由正极集电器材料制成或涂覆有正极集电器材料(例如，铝)。在某些变型中，双极性集电器370可以是双金属集电器，该双金属集电器通过在薄型导电基底上沉积薄型连续导电材料而形成，例如，具有铜涂层的铝片，其中双极性集电器370的总厚度小于或等于大约25μm。在其他变型中，塑料基底可以在第一侧380上具有铜或镍涂层，在第二侧382上具有铝。双极性集电器370还包括折叠接头区域384，该折叠接头区域384具有相同导电材料(例如，铜)的暴露表面。第一侧380设置成与单元360的第二电极364相邻并与其电连通。第二侧382设置成在相对侧上与第一电极362相邻。

堆叠组件350还包括第一端板集电器392和在堆叠组件350的相对端的第二端板集电器394，各自设置成与单元360相邻。第一端板集电器392可以由具有第一极性的材料形成，例如，正极集电器材料，比如铝。第二端板集电器394可以具有与第一端板集电器392的第一极性相反的第二极性，例如，负极集电器材料，比如铜或镍。第一端板集电器392和第二端板集电器394可以附连到各自的外部导线。折叠接头区域384在各单元360之间突出，并用作单元310中每一个的突片。因此，双极性集电器370的每个折叠接头区域384可以附连到外部导线。在使用折叠的双极性集电器370设计时，堆叠组件350可以是无焊缝的。值得注意的是，如前所述，设计和极性可以相反，堆叠组件可以包括其他部件。

图14示出了有一个用于高电压锂离子电池的无焊缝堆叠组件400，其包括多个单元410。每个单元410包括具有第一极性的第一电极412和具有与第一极性相反的第二极性的第二电极414。第一隔膜416设置在第一电极4122与第二电极414之间。每个单元410还可以在其中设置有电解液(未示出)。双极性集电器420还可以是设置在单元410之间堆叠组件400的一部分。

对双极性集电器420进行折叠，并限定第一侧430和与第一侧相对的第二侧432。第一侧430用作具有第一极性的集电器，以及第二侧432用作具有相反的第二极性的集电器。在该变型中，双极性集电器420可以是通过在薄型导电基底上沉积薄型连续导电材料(例如，石墨烯或具沉积在柔性聚合物基底上的镍)而形成的双极性集电器，其中双极性集电器420的总厚度小于或等于大约25μm。在这样的变型中，相同的导电材料可以用作集电器用于既有第一极性又有第二极性的侧。双极性集电器420还包括折叠接头区域422，该折叠接头区域422具有相同导电材料(例如，石墨烯或镍)的暴露表面。第一侧430设置成与单元410的第二电极414相邻并与其电连通。第二侧432设置成与双极性集电器420的相对侧上不同单元410的第一电极412相邻。

堆叠组件400还包括第一端板集电器440和在堆叠组件400的相对端的第二端板集电器442，各自设置成与单元410相邻。第一端板集电器440可以由具有第一极性的材料形成，例如，正极集电器材料，比如铝。第二端板集电器442可以具有与第一端板集电器442的第一极性相反的第二极性，例如，负极集电器材料，比如铜或镍。第一端板集电器440和第二端板集电器442可以附连到各自的外部导线。折叠接头区域422从堆叠突出，并用作单元410中每一个的突片。在使用折叠的双极性集电器420设计时，堆叠组件400可以是无焊缝的。值得注意的是，如前所述，设计和极性可以相反，堆叠组件可以包括其他部件。

因此，本公开在某些变型中提出用于在另一金属层上沉积金属层以形成双极性膜的方法。如上所述，一方面，用于沉积金属层的方法可以是电化学沉积法，而在另一方面，用于沉积金属层的方法可以是置换沉积法。从这样的方法获得的双极性膜结构可以用作用于锂离子电池的集电器。在某些变型中，这样的双极性集电器可以并入到高电压锂离子电池以形成串联连接设计，该串联连接设计具有无突片的单元。

在其他方面，从这样的方法获得的双极性膜可以用作基底，该基底用于沉积或其他材料的施用以制造复合膜。在一方面，非金属基底例如塑料膜被用于制造层压膜。在另一方面，导电性非金属基底(例如，石墨烯)被用于形成层压膜。因此，在改进的石墨烯片形成工艺中，目前用于CVD生产石墨烯片的厚铜膜可以利用双极性膜结构的使用来代替。

为了说明和描述的目的，提供了实施例的上述描述。其并不意在穷举或对本公开进行限制。特定实施例的单个元件或特征通常并不局限于该特定实施例，而是，在适用的情况下，即使没有被具体示出或描述，也是可互换并可用于所选择的实施例的。同样可以以许多方式进行变型。这样的变型不应视为偏离本公开，并且所有这样的修改均意在被包括在本公开的范围之内。

Claims

1.一种用于形成双金属膜或片的方法，所述方法包含：

通过选自由电解沉积、无电置换沉积及其组合组成的组的工艺在包含铝的表面上沉积导电金属以形成连续金属涂层，其中所述导电金属选自由铜、镍及其组合组成的组，以便形成平均厚度小于或等于大约25μm的双金属集电器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述包含铝的表面在选自由塑料、石墨烯、铝箔及其组合组成的组的基底上。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述工艺包含在包含水和以下之一的液体介质中进行的电解沉积工艺：(i)选自由硫酸铜、亚氯酸铜、氰化铜、四亚乙基五胺铜、氨硫酸铜、焦磷酸铜、氨基氯化铜、氨型苯三甲酸铜MOF(Cu-BTC)溶液、氨型NOTT-116溶液、氨铜NOTT-100溶液、氨铜MOF74溶液及其组合组成的组中的含铜化合物，或(ii)选自由硫酸镍、氯化镍、氟硼酸镍及其组合组成的组中的含镍化合物。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述含铜化合物在所述液体介质中大于或等于大约40g/L至小于或等于大约250g/L，或者所述含镍化合物在所述液体介质中大于或等于大约150g/L至小于或等于大约300g/L，所述电解沉积在大于或等于大约0.005A/cm²至小于或等于大约0.5A/cm²的电流密度下进行，所述液体介质的温度大于或等于大约20℃至小于或等于大约60℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其中通过在所述表面上将所述铝与锌酸盐反应形成包含锌的预处理层。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述过程包含在含螯合物的介质中进行的无电置换沉积。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述螯合物包含铜金属有机框架(Cu-MOF)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述螯合物选自由氨型苯三甲酸铜MOF(Cu-BTC)溶液、氨型NOTT-116溶液、氨铜NOTT-100溶液、氨铜MOF74溶液及其组合组成的组。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述连续金属涂层是具有大于或等于大约2个单层且小于或等于大约1μm的厚度的铜涂层。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包含在所述连续金属涂层上沉积石墨烯。