CN109802071B - 直接涂覆的隔离体和形成过程 - Google Patents

Abstract

本发明题为“直接涂覆的隔离体和形成过程”。储能设备，电池单元和电池可包括由方法产生的电池单元部件，所述方法包括在电极材料上方沉积第一隔离体层，其中第一隔离体层包括陶瓷材料。所述方法可包括在该第一隔离体层上方沉积第二隔离体层，其中该第二隔离体层包括粘合剂材料。所述方法还可包括干燥所述第二隔离体层以形成所述电池单元部件。

Description

直接涂覆的隔离体和形成过程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年2月28日提交的美国非临时申请15/907,762 的优先权，该美国非临时申请要求于2017年11月16日提交的美国临时申请62/587,300的优先权，这两个申请的公开内容全文以引用方式并入本文用于所有目的。

技术领域

本发明技术涉及电池和电池部件。更具体地讲，本发明技术涉及用于储能设备的改善的电池隔离体设计和构型。

背景技术

在可再充电电池设计中，隔离体允许离子传输进行充电和放电，同时防止电极材料之间的电接触。由于电池设计利用不同的材料，并且体积密度方面继续增大，所以在循环期间可进一步对隔离体加压。

发明内容

储能设备，电池单元和电池可包括由方法产生的电池单元部件，所述方法包括在电极材料上方沉积第一隔离体层，其中第一隔离体层包括陶瓷材料。所述方法可包括在该第一隔离体层上方沉积第二隔离体层，其中该第二隔离体层包括粘合剂材料。所述方法还可包括干燥所述第二隔离体层以形成所述电池单元部件。

在一些实施方案中，所述方法可以包括在第一隔离体层上方润湿形成第二隔离体层。第一隔离体层可包括致孔剂。所述方法还可包括在沉积第二隔离体层之前干燥第一隔离体层。所述方法还可包括将所述第一隔离体层暴露于能量源以溶解所述致孔剂的至少一部分。能量源可为紫外线源、电子束源或热。该电极材料可形成在集电器上方。第一隔离体层或第二隔离体层中的至少一者可延伸超过电极材料的横向边缘以接触集电器。所述方法可包括对电池单元部件进行切割。这种切割可以形成集电体的接片区域，并且接片区域可以部分地涂覆在具有第一隔离体层或第二隔离体层中的至少一者的一个或多个表面上。陶瓷材料可为或包括化合物，所述化合物包括包含选自下列元素的元素：铝、硼、镁、硅、钛、钇或锆。粘合剂材料可以是或包括丙烯酸酯或聚偏二氟乙烯(“PVDF”)。电极材料可以是阳极电极材料。

本发明技术还包括用于制造电池单元部件的附加方法。所述方法可包括在集电器上施加电极材料。可不连续施加电极材料以保持跨集电器的横向间隙，其中集电器的表面保持暴露在横向间隙内。所述方法还可包括施加覆盖电极材料的隔离体材料。隔离体材料可在跨集电器的横向间隙内延伸。可不连续地施加隔离体材料以保持集电器的表面的一部分暴露于跨集电器的横向间隙内。

在一些实施方案中，所述方法还可包括切割集电器以形成电池单元电极。切割的电池单元电极可包括电极接片，使得集电器的一部分暴露于跨集电器的横向间隙内。施加该隔离体材料可包括在电极材料上方沉积包括陶瓷材料的第一隔离体层。施加隔离体层还可包括在所述第一隔离体层上方沉积包括粘合剂材料的第二隔离体层。第一隔离体层可包括致孔剂，并且所述方法还可包括将所述第一隔离体层暴露于能量源以至少部分地溶解所述致孔剂。

本发明技术的实施方案还涵盖电池单元。所述电池单元可以包括第一集电器。阴极活性材料可沿着第一集电器设置。电池单元还可包括第二集电器。阳极活性材料可沿着第二集电器设置。所述电池单元还可以包括设置在阴极活性材料与阳极活性材料之间的隔离体。在一些实施方案中，隔离体可包括与阳极活性材料相邻的第一隔离体层。第一隔离体层可包括陶瓷材料。隔离体还可包括与阴极活性材料相邻的第二隔离体层。第二隔离体层可包括粘合剂材料。

在一些实施方案中，第一隔离体层可通过小于约20μm的厚度来表征。陶瓷材料可包括化合物，所述化合物包括选自下列的元素：铝、硼、镁、硅、钛、钇或锆。第一隔离体层可包括贯穿第一隔离体层设置的微胶囊化材料。该微胶囊化材料可以包括封装在第二材料内的第一材料，并且第二材料可通过高于约100℃的击穿温度来表征。当第二材料暴露于击穿温度下足够长的时间时，第一材料可在第一隔离体层内流动并且填充第一隔离体层的孔，从而导致电池单元关闭。

本技术可以提供优于常规技术的诸多优势。例如，本发明的隔离体可比常规设计在减小的外形厚度方面具有改善的机械完整性。另外，隔离体可通过减少产生的电池单元的拐角中的应力来表征，并且隔离体可提供免受切割毛刺的保护。这些和其他实施方案，以及其许多优点和特征，结合以下描述和附图更加以更详细地描述。

附图说明

可通过参考说明书和附图的其余部分来实现所公开的实施方案的特点和优点的进一步理解。

图1示出了根据本技术的实施方案的储能设备的层的示意图。

图2示出了根据本技术的一些实施方案的示例性隔离体的示意图。

图3示出了根据本技术的一些实施方案的叠层电池的横截面示意图。

图4示出了根据本技术的一些实施方案的叠层电池的横截面示意图。

图5示出了根据本技术的一些实施方案的用于制造隔离体的制造工艺的示意图。

图6示出了根据本技术的一些实施方案的产生的电池单元部件片材的示意性平面图。

图7示出了根据本技术的一些实施方案的产生的电池单元部件的示意性横截面图。

这些附图中的几个附图作为示意图包含在内。应当理解，附图仅用于示例性目的，并且除非具体表明按比例，否则不应被视为按比例。另外，作为示意图，提供附图以帮助理解，并且可不包括与实际表示相比的所有方面或信息，并且可包括用于示例性目的的放大材料。

在附图中，类似的部件或特征部可以具有相同数字的参考标号。此外，相同类型的各种部件可以通过在参考标号后用在相似部件和/或特征部之间区分的字母来区分。如果在说明书中仅使用第一数字参考标号，则该描述适用于具有相同第一数字参考标号的任何一个类似部件和/或特征部，而与字母后缀无关。

具体实施方式

电池隔离体在电池单元内提供多种功能。除了支持在阴极和阳极之间的离子传输，该材料限定两个部件的电接触以防止阴极和阳极材料之间的电短路。电池隔离体可通过平衡部件的若干特征来配制。例如，电池隔离体可包括基于与电极材料或电解质材料的兼容性，电化学稳定性，热稳定性，柔韧性和其他因素而选择的材料。电池隔离体也可包括部件的组合。例如，由于提供的多孔性，所以织造聚合物隔离体有时用于电池设计。然而，织造聚合物隔离体的问题在于它们可能不太热稳定，并且在操作期间或在滥用条件期间可能会收缩，这可能导致短路。更热稳定的设计可包括非织造聚合物和/或陶瓷隔离体。然而，这些设计可能失去机械灵活性和降低磁导率，并且可能需要由于制造限制增加的厚度。例如，具有小于几十微米厚度的陶瓷隔离体可表现出降低处理能力的易碎结构。陶瓷隔离体可能还缺少允许隔离体限制或减少滥用条件下电极之间的离子传输的关断能力。

常规技术被限制为利用具有允许增加厚度的技术的陶瓷隔离体。例如，许多常规的移动设备可能不包括陶瓷隔离体，这是由于对隔离体厚度的约束，可能是陶瓷独立隔离体需要的厚度的一半。由于许多电极组件操作利用卷绕式或缠绕工艺，所以陶瓷隔离体可能不能缠绕，除非在厚度上保持超过几十微米。另外，致密陶瓷结构可通过降低透气率和降低离子传输速率来表征，这可能影响所产生的电池的操作。陶瓷隔离体还可通过借助电极活性材料的有限粘合性来表征。没有足够的粘合性，在操作期间活性材料可能膨胀或产生树突，影响产生的电池的循环寿命。

本发明技术可通过形成隔离体来克服这些问题，所述隔离体包括具有陶瓷材料的第一层和包括粘合剂的第二层。层可以直接在其它另外单元材料上形成，它可以作为陶瓷材料的支撑部。这可产生可卷绕的电池单元部件，而通过优于常规材料的减小厚度来表征。根据本技术的一些实施方案的隔离体也可能包括另外特征部，包括致孔剂或微胶囊化材料，提供优于传统材料的另外改进。因此，本技术提供了通过比传统设计改进的热稳定性和其他操作特性表征的隔离体。

虽然说明书的剩余部分将经常参考锂离子电池，本领域技术人员将容易理解本技术并不限于此。本发明的设计可与任何数量的电池或储能设备一起使用，包括其他可再充电和一次，或不可再充电电池类型以及电化学电容器，也称为超级电容器或超电容器。此外，本技术可适用于可用于任何多种技术中的电池和储能设备，任何多种技术可包括但不限于电话和移动设备，手持式电子设备，膝上型计算机和其他计算机，器具，重型机械，运输设备，包括汽车，水蒸汽船，航空旅行设备和空间旅行设备以及可使用电池或受益于所讨论的设计的任何其他设备。因此，本公开和权利要求书不应视为限于任何具体讨论的示例，而是可以与任意数量的设备广泛利用，任意数量的设备可能表现出所讨论的示例的电气或化学特性中的一些或全部。

图1示出了根据本技术的一些实施方案的示例性储能设备100的横截面图。在实施方案中，储能设备100可以是电池，电池单元，或一些其他储能设备。示例性储能设备100包括第一集电器105和第二集电器 110，其中一个可为阳极，并且另一个为储能设备的阴极侧。集电器 105和110可由任何已知的收集器材料制成，诸如铝，铜，镍，不锈钢，或能够在电池环境中操作阴极和阳极电势的多种其它材料。

储能设备100包括设置在集电器110上的电极活性材料115和设置在集电器105上的电极活性材料120。同样，在示例性设计中，电极活性材料115，120中的任一者可为阳极或阴极材料。在一些示例中，电极活性材料115为阳极材料，并且包括含碳化合物诸如石墨或含锂化合物诸如钛酸锂。任何其他阳极材料可类似地与本技术一起使用。另外，例如，在此类设备中使用的其它已知的锂化合物中，电极活性材料120为包括含锂材料诸如锂钴氧化物或磷酸锂的阴极材料。电极活性材料120还可包括镍，锰，钴，铝，以及可理解为由本技术涵盖的多种其它材料。实际上，下文将描述可用于包括隔离体的电池中的任何可能的阳极和阴极材料适用于本发明的设计，并且将理解为被本技术涵盖。隔离体125设置在电极活性材料115，120之间，并且可包括多种材料，所述材料允许锂离子穿过隔离体结构，而不会以其他方式导电。

图2示出了根据本技术的一些实施方案的示例性隔离体200的示意图。隔离体200可以被包括在电池单元，诸如先前描述的电池单元100 中。在实施方案中，隔离体可定位在阳极和阴极的活性材料之间，并且可直接形成在电极活性材料205上方。示例性隔离体200通过第一隔离体层210和第二隔离体层260来表征。

在一些实施方案中，第一隔离体层210包括具有陶瓷材料的一种或多种材料。将陶瓷材料掺入隔离体结构中可提供尺寸稳定性以及减少的热收缩性。当其作为颗粒材料结合时，陶瓷可包括血小板结构，这可能增加曲折穿过隔离体结构，或减少孔隙率。孔尺寸和孔结构两者均与诸如锂离子的离子，可通过隔离体结构的容易程度有关。通过该结构的路径越曲折，越可降低循环速率能力。因此，在一些实施方案中，第一隔离体层210不完全由陶瓷材料构成，或可包括允许在第一隔离体层210内调整孔隙率的附加材料。

在一些实施方案中，粘结剂包括在具有陶瓷材料的第一隔离体层中，提供针对隔离体保持特定离子吞吐量特征的结构。如图所示，在未指定的间距225内，粘结剂材料220可在陶瓷颗粒215之间形成聚合物链。在一些实施方案中，陶瓷颗粒215和粘结剂220是组成第一隔离体层的材料，当然在一些实施方案中，附加材料也可以包括在第一隔离体层210中。当陶瓷颗粒和粘结剂基本上构成第一隔离体层时，陶瓷颗粒可包含第一隔离体层的大于或约40重量％，并且在实施方案中，陶瓷颗粒可包含第一隔离体层的大于或约50重量％，大于或约60重量％，大于或约70重量％，大于或约80重量％，大于或约为90重量％，大于或约95重量％，或更多，其余部分为粘结剂材料和/或第一隔离体层的另外成分，如果包括的话。

例如，在实施方案中，粘结剂包含第一隔离体层的小于或约60重量％。在一些实施方案中，粘结剂可包含第一隔离体层的小于或约50 重量％，小于或约40重量％，小于或约30重量％，小于或约20重量％，小于或约10重量％，其余部分为陶瓷颗粒，和/或可包括在第一隔离体层中的任何附加成分。

与本技术一起使用的粘结剂可通过高于电池单元的操作温度的玻璃化转变温度来表征。在实施方案中，通过利用具有较高玻璃化转变温度的粘结剂，根据本发明技术的隔离体通过改善的热稳定性和尺寸稳定性来表征，并且随着电池寿命或在滥用条件下较不易收缩，或者可收缩至比包括通过较低玻璃化转变温度表征的粘结剂的隔离体更小的程度。在一些实施方案中，包括用于第一隔离体层中的所有粘结剂的一个或多个可通过大于或约为100℃的玻璃化转变温度来表征。

在一些实施方案中，材料的组合，材料的量和材料特征本身可产生由超过100℃的任何特定范围内或在较小范围内的任何温度范围内的玻璃化转变温度来表征的粘结剂，诸如介于约190℃和约300℃或更小之间。通过利用通过较高玻璃化转变温度来表征的粘结剂，生成的第一隔离体层可通过相比借助其它粘结剂制成的层降低的柔韧性或延展性来表征。然而，粘结剂的量和类型可被更改，官能化或调节以限制与延展性相关的裂化或其它问题，同时仍保持所需的热稳定性和尺寸稳定性特征。

多种材料可用作根据本发明技术的粘结剂。粘结剂可包括可通过任何前述的玻璃化转变温度，与陶瓷颗粒的相容性，或与可在电池单元内使用的电解质材料的化学或电化学稳定性来表征的任何聚合物材料。可与本技术的粘结剂一起使用或包括的示例性材料可包括聚酰亚胺。聚酰亚胺可为直链或包括芳族部分，并且可包括半芳族聚酰亚胺。还可修改示例性聚酰亚胺以掺入例如包括羧酸根部分的附加官能团部分。粘结剂材料还可包括聚酰胺，其还可以是脂族，半芳族或以其他方式包括芳族部分。示例性材料可包括无定形聚合物，诸如聚酰胺酰亚胺，或如上文所述的玻璃化转变温度来表征，并且表现出适用于根据本技术的电池单元的其它特性的其它聚合物材料。

可与用于第一隔离体层210的粘结剂结合的陶瓷材料可包括可为隔离体设计提供额外尺寸稳定性的任何陶瓷。陶瓷材料可包括许多材料的氧化物，氮化物，碳化物，氢氧化物和钛酸盐。这些化合物的示例性元素可为或包括钡，锶，硼，铁，铅，锆，镁，硅，铝，钛，钇或锌。例如，示例性陶瓷材料可包括氮化铝，氧化铝，包括α和γ类，氮化硼，包括六方晶形，氢氧化镁，氮化硅，硅铝氧化物或Sialon以及任何其它陶瓷材料或组合。

通过制造根据本技术的实施方案的隔离体，与常规陶瓷隔离体相比可产生厚度减小的隔离体。例如，虽然常规的独立陶瓷隔离体的厚度可限制为大于或约20μm，但本技术可产生包括小于或约30μm的隔离体层210和260 中之一或两者的隔离体，并且在实施方案中可通过小于或约25μm，小于或约20μm，小于或约18μm，小于或约16μm，小于或约15μm，小于或约14μm，小于或约13μm，小于或约12μm，小于或约11μm，小于或约10μm，小于或约9μm，小于或约8μm，小于或约7μm，小于或约6μm，小于或约5μm，小于或约4μm，或更小的厚度来表征。另外，如下文进一步所述，通过直接在电极材料或集电器上方形成隔离体层，根据本技术的实施方案的隔离体可卷绕为成卷材料，所述成卷材料可随后被加工成特定的电池形状因素和构型。当陶瓷隔离体在衬垫(诸如对于常规设备)上形成时，通常将厚度限制在几十微米以上的最小值，以允许充分处理所产生的隔离体。一旦衬垫被移除，然后将隔离体置于电池中。本发明的技术不限制于此方面，因为陶瓷层直接形成在电极活性材料上方，这也可提供使复合产品在制造过程中被卷绕的有益效果。

示例性第一隔离体层210 还可包括一个或多个附加部件，诸如致孔剂240或微胶囊化材料250。致孔剂240可被包括在层内以允许在制造过程中产生额外的孔隙度。例如，致孔剂240可包括可在暴露于能量源诸如紫外光，电子束或热源时蒸发的低分子量聚合物或单体。通过调节能量源的波长或强度，可以溶解更多或更少的致孔剂，这可调节通过隔离体层的孔隙度和曲折度。因此，可保持孔隙率和透气性，以有利于通过本技术的示例性电池单元隔离体进行离子运输。在一些实施方案中，可不结合致孔剂。例如，取决于所利用的陶瓷材料，诸如γ氧化铝作为一个非限制性示例，穿过隔离体层的孔隙率可能足够，并且可不执行穿过隔离体层的额外孔隙率，尽管在一些实施方案中，可执行致孔剂或较小的内含物的结合。

根据本技术的示例性隔离体可通过大于或大约15％的孔隙率来表征，并且可通过大于或大约20％，大于或约为30％，大于或约为 40％，大于或约为50％，大于或约为60％，大于或约为70％，大于或约80％，或更大的孔隙率来表征，虽然孔隙率可能保持低于或约85％，低于或约80％，低于或约75％，低于或约70％，低于或约 65％，或低于或约60％，以在跨隔离体转移时提供足够的控制。孔隙率也可保持在这些范围中任一个所涵盖的任何范围内或在任何两个所指出或涵盖的百分比之间。

如前所述，透气率可与跨隔离体厚度的孔隙率和孔隙曲折度相关，这可影响电池单元中操作期间跨隔离体的离子转移。透气率可以以秒为单位来测量，以使100立方厘米的空气穿过隔离体。根据本发明的技术的隔离体可通过跨隔离体的小于或约400秒/100立方厘米的透气率来表征。在一些实施方案中，隔离体可通过小于或约350秒/100立方厘米，小于或约300秒/100立方厘米，小于或约250秒/100立方厘米，小于或约200秒/100立方厘米，小于或约150秒/100立方厘米，小于或约100秒/100立方厘米，小于或约50秒/100立方厘米，或更小的透气率来表征。透气率数值中的任一个可涉及任何数量的隔离体部件或层以及隔离体或各个层的任何厚度。

在一些实施方案中，第一隔离体层210还包括微胶囊化材料250。分散在整个第一隔离体层210，微囊化材料250可提供其他特征以使得滥用事件期间离子转移关断。由于陶瓷材料可通过高热稳定性来表征，因此隔离体可在这些事件期间保持功能性。微胶囊化材料250可操作以填充第一隔离体层210的孔，这可减小，限制或停止跨隔离体的离子转移。例如，微胶囊化材料250可包括容纳在第二材料254内的第一材料252。第二材料254可形成关于第一材料252的壳体，第一材料可为可流动材料。第二材料254可通过击穿温度来表征，所述击穿温度在一些实施方案中可为熔融温度，尽管击穿温度也可为第一材料252可由第二材料254表示的温度。

一些实施方案中，击穿温度可基于电池操作温度。例如，对于被配置为在低于100℃的温度下操作的电池设计，击穿温度可大于 100℃。击穿温度也可能是对电池工作温度的相对温度，诸如至少高于电池操作温度约10℃以上，至少高于电池操作温度约20℃以上，至少高于电池操作温度约30℃以上，至少高于电池操作温度约40℃以上，至少高于电池操作温度约50℃以上，或更高的温度。一旦第一材料 252从第二材料254中被释放，第一材料可以在第一隔离体层210内流动，以填充结构内的多孔，并阻止跨隔离体的离子运动。

第二隔离体层260可沿着与电极材料205相对的第一隔离体层210 包括在内。根据本技术的隔离体中利用的粘结剂可提供对电池中使用的电极活性材料的减小的粘附性。在电池循环期间，由于活性材料可能溶胀，在隔离体和电极之间不存在适合粘附性的情况下界面问题可能延伸。这可允许进一步溶胀，其可影响电池单元的容量或其他能力。通过包含其他粘性材料，可能为第二隔离体层260或包括在该层中，本技术可以克服涉及通过改进的热稳定性表征的粘结剂的问题。

示例性粘合剂包括各种粘合剂材料，可与隔离体的第一隔离体层 210以及相邻的电极活性材料两者耦接或粘合。合适的粘合剂可包括多种粘合剂材料，包括聚合物材料。示例性聚合物材料包括材料，包括乙酸乙烯酯，丙烯酸酯，乙烯基基团，苯乙烯，或可根据本技术使用的任何其它材料。例如，示例性粘合剂可包括丙烯酸酯和聚偏二氟乙烯(“PVDF”)，其形态可被控制以限制孔隙率的减少。例如，粘合剂可在卵形或球形段中提供，这允许粘合剂颗粒之间的额外间距。在一些实施方案中，第二隔离体层260也可跨第一隔离体层210 的表面不连续施加。

示例性粘合剂颗粒在实施方案中可通过小于或约为1微米的直径来表征，并且可通过小于或约为900纳米，小于或约为800纳米，小于或约为700纳米，小于或约为600纳米，小于或约为500纳米，小于或约为400纳米，小于或约为300纳米，小于或约为200纳米，小于或约为 100纳米，或更小的直径来表征。另外，可施加粘合剂以进一步限制孔隙率或透气率的影响。例如，第二隔离体层260可以沿着第一隔离体层 210的表面交错，或贴片涂覆。在非限制性实施方案中，第二隔离体层可以是在第一隔离体层的表面上形成的颗粒，线条或其他形状的粘合剂颗粒。

当沿着隔离体的表面施加另外的粘合剂时，粘合剂可阻挡或以其他方式影响穿过隔离体的孔。这可能会影响透气性，这可能是与其中设置隔离体的电池单元的速率能力有关。通过利用任何数目的不连续涂层的形式，粘合剂可被结合以减少孔隙率和磁导率的影响，同时提供对电极活性材料的足够粘附性。此外，当粘合剂颗粒包括圆形的，卵形，或球形形状，间隙可以被保持围绕包括在粘合剂层的颗粒。这可允许根据本技术的实施方案的隔离体保持先前所述的任何孔隙度或透气特性。

图3示出了根据本技术的一些实施方案的叠层电池300的横截面示意图。叠层电池300可包括多个电极，包括根据本技术的实施方案的阳极电极305和阴极电极350，并且可以包括一个或更多的先前讨论的部件或材料。如图所示，隔离体可沿着阳极活性材料形成，尽管这并非旨在进行限制。例如，在许多电池单元设计中，在阳极内使用石墨材料，阳极可通过大于对应的含锂阴极材料的尺寸来表征，以匹配电极的操作功能。因此，由于在一些实施方案中阳极可大于阴极，因此隔离体可沿着阳极形成，以提供两个电极的活性材料之间的完全覆盖。应当理解，在其他实施方案中，隔离体层可形成在阴极活性材料上方。

如图所示，阳极电极305可以包括阳极集电器310，可以是铜或者任何前面提到的材料。在相对表面上，可形成阳极活性材料312， 314。应当理解，其他电池设计类似地也由本发明技术涵盖，诸如卷绕电池单元，其中活性材料，以及隔离体材料，可以形成在这两个集电器表面上或只在集电器的一个表面上。第一隔离体层320，322可形成在相应阳极活性材料层312，314中的每一个上，如下文将描述的。第二隔离体层325，327可形成于相应第一隔离体层320，322的每一个上方。

阴极电极350可以包括阴极集电器355，可以是铝或可能作为阴极集电器的任何其它材料。在阴极集电器355的相对表面上可以是阴极活性材料360，362。阳极电极305和阴极电极350随后可堆叠在如图所示的交替层中以产生叠层电池300。第二隔离体层325，327可将阳极电极305与阴极电极350耦接。以此方式，第一隔离体层320，322可邻近阳极活性材料312，314定位或相接触，而第二隔离体层325，327 可邻近阴极活性材料360，362定位或相接触。当隔离体形成在阴极电极上时，应当理解，单独的隔离体层可与另选的活性材料接触。

图4示出了根据本技术的一些实施方案的叠层电池400的横截面示意图。叠层电池400可包括类似于叠层电池300的电池，并且可包括如上所述的类似材料。叠层电池400可示出隔离体材料的另选的布置，其中可延伸超出电极活性材料的横向尺寸，并且可至少部分地接触一个或多个集电器。同样，叠层电池400示出阳极电极405上方形成的隔离体，当然应当理解在其他实施方案中隔离体可形成于阴极电极上方。如图所示，第一隔离体层420，422可延伸超过阳极活性材料412，414 的一个或两个横向边缘。第一隔离体层420，422可接触集电器的相对表面上的集电器410。此类构型还可限制在活性材料或集电器之间接触的可能性，这种接触可引起叠层电池或卷绕电池设计的电池内的短路。

图4仅示出了延伸超过阳极活性材料412，414的横向边缘并接触集电器410的第一隔离体层420，422。应当理解，在另选构型中，第二隔离体层425，427或两个隔离体层可延伸超过阳极活性材料的横向边缘。然而，如前所述，在一些实施方案中，第二隔离体层425，427可能不是完整的涂层，并且在电极的表面上可为不连续的。因此，此类不连续的涂层可能不能提供第一隔离体层420，422的封装，这可能跨阳极活性材料412，414的表面是完整的。

图5示出了根据本技术的一些实施方案的用于制造隔离体的制造工艺500的示意图。制造工艺500可被执行为卷绕式工艺，可以执行以产生电池单元部件的绕组，可能稍后制作操作中进一步加工绕组。制造过程500可以是在预成形材料的基底上执行的中线工艺，诸如先前设置在集电器上的电极活性材料。衬底可以直接从之前的操作提供，诸如在集电器上沉积电极活性材料，或集电器上的一卷电极活性材料可退绕到制造过程500中。相似地，处理之后，形成隔离体的基底可缠绕到线轴中以供稍后处理，或可递送至待进一步加工的附加设备。在一些实施方案中，由制造过程500形成的材料可直接用于卷绕电池应用中，或用于叠层单元构型。

如所指出的，制造过程500可将基底505递送至一组辊515，或用于通过制造过程500移动衬底的一些其他设备。衬底505可包括电极活性材料可设置在其上的集电器510。电极活性材料可设置在集电器的一个或两个相对表面上。如图所示，电极活性材料512，514形成在集电器510上方，并且被递送到制造过程中。如前所述，在不同实施方案中，电极活性材料512，514可为阳极活性材料或阴极活性材料。制造过程500可包括在电极活性材料512上沉积第一隔离体层520，以及当在衬底505的相对侧上形成时，在电极活性材料514上沉积第一隔离体层522。第一隔离体层520可以是或包括先前针对第一隔离体层所讨论的任何材料，并且在一些实施方案中，第一隔离体层520和522包括陶瓷材料。可通过任何数量的方式施加或沉积第一隔离体层，包括通过凹版涂布，槽模涂布，刮粉刀涂布或可在整个电极活性材料512，514 上提供完整和均匀覆盖的其他涂覆技术。示出代表性施加器555，557 来表示这些可能的沉积技术中的任一个。

制造过程500还可包括在第一隔离体层520上沉积第二隔离体层 525，以及当在衬底505的相对侧上形成时，在第一隔离体层522上沉积第二隔离体层527。第二隔离体层525，527可以是或包括先前针对第二隔离体层所讨论的任何材料，并且在一些实施方案中，第二隔离体层525，527为或包括粘合剂材料。如先前指出，在一些实施方案中，第二隔离体层525，527可以是连续涂层或可以是不连续涂层。可通过任何数量的方式施加或沉积第二隔离体层，包括通过凹版涂布，槽模涂布，刮粉刀涂布，喷涂或可在整个第一隔离体层520，522上提供完整且均匀的覆盖或不连续覆盖的其他涂覆技术。示出代表性施加器570，572来表示这些可能的沉积技术中的任一个。在第一实施方案中，沉积第二隔离体层之后，衬底505可通过或穿过干燥器575，577 来干燥第二隔离体层以形成电池单元部件，其可包括电极和隔离体结构。

在一些实施方案中，形成的隔离体的孔隙率可足以用于操作，因此制造过程500可为润湿过程。第一隔离体层可包括在第二隔离体层 525，527被形成覆盖第一隔离体层520，522时可保持的一种或多种溶剂。干燥第二隔离体层的操作可包括干燥第一隔离体层以及移除剩余的溶剂。

在其他实施方案中，第一隔离体层520，522可包括如前所述的致孔剂，其可暴露于能量源以溶解一些致孔剂并增加所形成的隔离体层的孔隙率。当将致孔剂包括在沉积在电极活性材料上的第一隔离体层 520，522中时，制造过程可包括附加操作。如图所示，第一隔离体层 520，522可在沉积之后，以及在形成第二隔离体层525，527之前在干燥器560，562下干燥。通过干燥第一隔离体层520，522，可以设置陶瓷材料，并且可限制在暴露之后的层的进一步流动，这可以另外方式关闭通过溶解致孔剂而形成的孔。干燥过程可通过温度，路径长度和穿过干燥器560，562的时间来控制，在一些实施方案中，干燥过程可包括多组干燥器。然而，由于在一些实施方案中，第一隔离体层520， 522在厚度上可小于20μm，因此可沿着制造工艺相对容易地进行干燥过程。

在第一隔离体层520，522已被干燥之后，可将层暴露于能量源以溶解包含在第一隔离体层内的致孔剂的至少一部分。能量源可为可溶解第一隔离体层内的一些或所有致孔剂的任何源而不损害陶瓷材料或粘结剂。在一些实施方案中，可执行紫外线暴露，电子束暴露或热暴露来溶解致孔剂的至少一部分以产生多孔结构。在实施方案中，示例性能量源565，567可提供能量以溶解致孔剂的至少一部分。相位反转是额外工艺，通过该额外工艺可在材料层内形成孔隙率。然而，由于第一隔离体层直接形成覆盖电池单元部件的电极活性材料，因此在一些实施方案中，相位反转可能不适用于制造过程500。

转到图6，示出了根据本技术的一些实施方案的产生的电池单元部件片材600的示意性平面图。片材600可以是制造工艺500执行之后以在电极活性材料上形成隔离体材料的衬底505。制造过程500被描述为沿着移动衬底执行的连续过程。片材600示出了如何通过不连续地施加第一隔离体材料和第二隔离体材料来执行制造过程500，以允许形成所形成的电池部件的电极接片部分。在实施方案中，片材600可用于可垂直设置材料层的叠层电池形成中。可从制造过程500中形成的材料或从其他形成技术来使用该材料。

在许多电池单元中，电极集电器包括允许在操作期间将电流递送到电池单元或从电池单元接收电流的接片部分。集电器的接片部分通常在沉积电极活性材料之后从集电器形成或切割而成。该切割过程可在集电器上产生毛刺，其可为金属材料。这些毛刺可刺穿设置在集电器和活性材料上方的隔离体，这可导致形成的电池单元的层之间短路。本技术可在电极切割之前通过在集电器上方形成隔离体层来减小切割毛刺的形成或效果。

如图6所示，可在制造操作期间提供集电器605。虽然隐藏在例示性的隔离体层下，但在本技术的一些实施方案中，电极活性材料可沿着集电器605不连续地施加。电极活性材料可被施加以跨集电器，以及沿着电极段之间的衬底保持横向间隙607。集电器605可保持暴露在横向间隙607内。然后可通过前述技术中的任一种将第一隔离体材料610 和第二隔离体材料615形成覆盖电极活性材料。类似于电极活性材料，第一隔离体材料610和第二隔离体材料615可在衬底上不连续地施加。第一隔离体材料和第二隔离体材料(诸如所示的第一隔离体材料610) 中的至少一者可被沉积以在横向间隙607内部分横向延伸穿过集电器605。应用可能不完全延伸通过该横向间隙607，其中可维持底层集电器605的一部分暴露在横向间隙607内。暴露的集电器605的该部分可形成电极接片。

在形成电极和隔离体材料层之后，可执行切割操作以将衬底分成多个电池单元部件，诸如包括隔离体材料的电极。可执行切割以产生多个电极形状部件620，诸如如图所示的部件620a，620b，620c。切割的电池单元电极可包括电极接片625，该接片包括暴露于跨集电器衬底的横向间隙607内的集电器605的一部分。接片625也被部分地涂覆有第一隔离体层610或第二隔离体层615中至少一个。虽然示出了三个此类电池部件620，但应当理解，可根据衬底的横向尺寸，被切割的部件的尺寸以及产生的废物量来形成任何数量的部件，这可基于切割的效率和精确度。

图7示出了根据本技术的一些实施方案的产生的电池单元部件700 的示意性横截面图。在上文讨论的切割之后，可形成包括形成于集电器705上方的第一隔离体材料710和第二隔离体材料715的单个部件 700。如图所示，第一隔离体材料可延伸到集电器705的接片部分中，并且可延伸超过电极活性材料707。因此，当进行切割时，延伸到集电器705上的第一隔离体层710的一部分可防止可能形成的毛刺。由于在切割之前可能存在第一隔离体层710，所以产生的任何毛刺可能包含在第一隔离体层内，其在毛刺形成时可将其封装。

在电极活性材料和集电器上方形成隔离体材料可提供优于常规设计的附加优点。例如，在具有非矩形形状的电池设计中，诸如L形或T 形单元，例如，常规的形成可产生与隔离体材料的粘附问题。例如，在许多常规制造技术中，切割集电器，然后施加隔离体，随后切割成尺寸。该过程然后可以包括将热或压力施加到材料以允许隔离体和电极活性材料发生粘附。然而，该过程可导致在与中心区域相比进行切割的拐角处增大应力，这可导致隔离体沿着拐角或边缘分层。类似地，Z形折叠过程和双单元叠层可沿着隔离体的界面产生类似的不一致应力问题。诸如所述的直接涂覆过程通过在切割之前形成和层压隔离体来克服这些问题，这在边缘区域可提供改善的粘附性和减小的分层。

在先前描述中，为了说明的目的，讨论许多特定细节以便提供对本技术的实施方案的理解。然而，对本领域的技术人员而言显而易见的是，可以在不存在这些具体细节中某些细节，或者具有另外细节的情况下实践某些实施方案。

公开了几个实施方案，本领域的技术人员能够认识到，可使用多种修改，另选结构，和等价物而不背离实施方案的精神。此外，许多公知的过程和元素没有描述以避免不必要地模糊本技术。因此，不应将上述描述视为限制本技术的范围。

如果提供了一系列值，则应当理解，除非上下文另有明确规定，也具体公开了在该范围的上限和下限之间所述下限的单元的最小部分的每个居间值。涵盖了所述范围中的任何所述值或未说明居间值以及所述范围中任何其他所述或居间值之间的任何较窄范围。这些较小范围的上限和下限可独立地包括在所述范围内或被排除在外，并且任何限制，没有一个限制或两者包括在较小范围内的每个范围也涵盖在所述技术范围内，但受所述范围内的任何具体排除的限制。在所述范围包括一个或两个限制范围的情况下，也包括排除那些包括的限制中的一者或两者的范围。如果列表中提供了多个值，则类似地具体公开了涵盖或基于任何这些值的任何范围。

如本文和所附权利要求中所使用，单数形式“一”，“一个”，和“该”包括复数引用除非上下文明确地另有规定。因此，例如，提及“材料”包括多个此类材料，并且提及“单元”包括提及本领域技术人员已知的一个或多个单元及其等同物等等。

另外，词语“包括”，“包含”和“含有”，当用于本说明书和以下权利要求书中时，旨在指定所述特征，整数，部件或操作的存在，但它们不排除存在或添加一个或多个其他特征，整数，部件，操作，行为或分组。

Claims (20)

1.一种用于制造电池单元部件的方法，所述方法包括：

在电极材料上方沉积第一隔离体层，其中所述第一隔离体层包括陶瓷材料；

在所述第一隔离体层上方沉积第二隔离体层，其中所述第二隔离体层 包括粘合剂材料；以及

干燥所述第二隔离体层以形成所述电池单元部件，并且

其中所述第一隔离体层还包括贯穿所述第一隔离体层设置的微胶囊化材料，并且所述微胶囊化材料包括封装在第二材料内的第一材料，以及

其中所述第一材料是可流动材料并且操作为填充所述第一隔离体层的孔。

2.根据权利要求1所述的用于制造电池单元部件的方法，其中所述方法为在所述第一隔离体层上方润湿形成所述第二隔离体层。

3.根据权利要求1所述的用于制造电池单元部件的方法，其中所述第一隔离体层包括致孔剂。

4.根据权利要求3所述的用于制造电池单元部件的方法，还包括在沉积所述第二隔离体层之前干燥所述第一隔离体层。

5.根据权利要求4所述的用于制造电池单元部件的方法，还包括将所述第一隔离体层暴露于能量源以溶解所述致孔剂的至少一部分。

6.根据权利要求5所述的用于制造电池单元部件的方法，其中所述能量源包括紫外线源、电子束源或热源。

7.根据权利要求1所述的用于制造电池单元部件的方法，其中所述电极材料形成在集电器上，并且其中所述第一隔离体层或所述第二隔离体层中的至少一者延伸超过所述电极材料的横向边缘以接触所述集电器。

8.根据权利要求7所述的用于制造电池单元部件的方法，还包括对所述电池单元部件进行切割，其中所述切割形成所述集电器的接片区域，并且其中所述接片区域部分地涂覆在具有所述第一隔离体层或所述第二隔离体层中的至少一者的一个或多个表面上。

9.根据权利要求1所述的用于制造电池单元部件的方法，其中所述陶瓷材料包括包含选自下列元素的化合物：铝、硼、镁、硅、钛、钇和锆。

10.根据权利要求1所述的制造电池单元部件的方法，其中所述粘合剂材料包括丙烯酸酯或聚偏二氟乙烯(“PVDF”)。

11.根据权利要求1所述的用于制造电池单元部件的方法，其中所述电极材料包括阳极电极材料。

12.一种用于制造电池单元部件的方法，所述方法包括：

在集电器上施加电极材料，其中不连续地施加所述电极材料以保持跨所述集电器的多个横向间隙，其中所述集电器的表面保持暴露在所述多个横向间隙内；以及

覆盖所述电极材料施加隔离体材料，其中所述隔离体材料在跨所述集电器的所述多个横向间隙内延伸，并且其中不连续地施加所述隔离体材料以保持所述集电器的所述表面的一部分暴露在跨所述集电器的所述多个横向间隙内，

其中所述隔离体材料包括微胶囊化材料，所述微胶囊化材料包括封装在第二材料内的第一材料，以及

其中所述第一材料是可流动材料并且操作为填充第一隔离体层的孔。

13.根据权利要求12所述的用于制造电池单元部件的方法，还包括切割所述集电器以形成电池单元电极，其中所切割的所述电池单元电极包括电极接片，所述电极接片包括暴露于跨所述集电器的所述多个横向间隙内的所述集电器的一部分。

14.根据权利要求12所述的用于制造电池单元部件的方法，其中施加所述隔离体材料包括：

在所述电极材料上方沉积包括陶瓷材料的第一隔离体层；以及

在所述第一隔离体层上方沉积包括粘合剂材料的第二隔离体层。

15.根据权利要求14所述的用于制造电池单元部件的方法，其中所述第一隔离体层包括致孔剂，并且其中所述方法还包括将所述第一隔离体层暴露于能量源以至少部分地溶解所述致孔剂。

16.一种电池单元，所述电池单元包括：

第一集电器；

阴极活性材料，所述阴极活性材料沿着所述第一集电器设置；

第二集电器；

阳极活性材料，所述阳极活性材料沿着所述第二集电器设置；和

隔离体，所述隔离体设置在所述阴极活性材料与所述阳极活性材料之间，其中所述隔离体包括：

第一隔离体层，所述第一隔离体层与所述阳极活性材料相邻，其中所述第一隔离体层包括陶瓷材料，和

第二隔离体层，所述第二隔离体层与所述阴极活性材料相邻，其中所述第二隔离体层包括粘合剂材料，并且

其中所述第一隔离体层还包括贯穿所述第一隔离体层设置的微胶囊化材料，并且所述微胶囊化材料包括封装在第二材料内的第一材料，以及

其中所述第一材料是可流动材料并且操作为填充所述第一隔离体层的孔。

17.根据权利要求16所述的电池单元，其中所述第一隔离体层通过小于约20μm的厚度来表征。

18.根据权利要求16所述的电池单元，其中所述陶瓷材料包括包含选自下列元素的化合物：铝、硼、镁、硅、钛、钇和锆。

19.根据权利要求16所述的电池单元，其中所述第二材料通过高于约100℃的击穿温度来表征。

20.根据权利要求19所述的电池单元，其中当所述第二材料暴露于所述击穿温度足够长的时间段时，所述第一材料在所述第一隔离体层内流动并且填充所述第一隔离体层的孔，从而导致所述电池单元关闭。

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