CN111542903A - 电极组件、包括电极组件的能量存储设备及制造电极组件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种电极组件，一种包括所述电极组件的能量存储设备以及一种用于生产所述电极组件的方法，该电极组件包括：扇形弯折多层，该扇形弯折多层包含作为内层的间隔物、作为外层的集电器和位于间隔物的两个侧面和集电器之间的电极材料；以及第一端子和第二端子，该第一端子附接到扇形弯折多层的向上弯折部，该第二端子附接到扇形弯折多层的向下弯折部。
Description
本发明涉及一种电极组件、一种包括该电极组件的能量存储设备以及一种用于制造该电极组件的方法。
电极组件是能量存储设备的部件，诸如电池、二次电池和电容器。在现有技术中，在所述能量存储设备中使用的通常有两种类型的电极组件。存在螺旋卷绕式电极组件，其中放在另一个之上的两个连续电极卷绕成圆柱构型。另一方面，存在堆叠的多板电极组件，其中各个电极板彼此平行堆叠。最近，已经开发了堆叠电极组件，其中使用连续长度的材料来形成平行的堆叠电极组件。使用连续长度的材料的优点在于减少了单个部件的数量和电极之间所需的机械连接的数量，因此简化了组装过程。
根据现有技术，使用连续长度的材料的这些堆叠电极组件的缺点在于，从电极或至少从一些电极或至少从电极的一些点到端子或到端子的连接到包括电极组件的能量存储设备的导电表面的点存在很大的距离。因此，电极组件具有大的内阻。此外，根据现有技术的这些电极组件的生产过程相当复杂。例如，通常需要在进一步的处理过程期间去除已经施加的电极材料，或者在集电器中引入非导电部分。
因此，本发明的一个目的是提供一种电极组件，该电极组件具有从电极的任意点到相应端子的外表面的短距离，并且在两个相对的电极之间具有限定且短的距离。
已经发现，当提供如下配置的电极组件时可以解决上述缺点：该电极组件包括扇形弯折多层(fan-folded multilayer)，该扇形弯折多层包含作为内层的间隔物、作为外层的集电器以及位于间隔物的两个侧面和集电器之间的电极材料；以及第一端子和第二端子，该第一端子附接到扇形弯折多层的向上弯折部(upward folds)，该第二端子附接到扇形弯折多层的向下弯折部(downward folds)。
扇形弯折多层包括作为内层的间隔物和作为外层的集电器，该间隔物的两个侧面至少部分地被电极材料覆盖，该集电器覆盖至少部分被覆盖的间隔物的两个侧面。因此，多层提供了集电器/电极材料/间隔物/电极材料/集电器的五层结构。在间隔物未被电极材料覆盖的部分处，多层仅包括集电器/间隔物/集电器的三层结构。优选地，具有五层结构的所有部分的长度相等。优选地，具有三层结构的所有部分的长度相等。在优选实施例中，每个三层部分直接布置在两个五层部分之间。
扇形弯折多层是具有扇形弯折(即，根据弯折或锯齿形)构型的多层。扇形弯折多层包括多个节段，每个节段由一弯折部分开。在压缩状态下，这些节段相互平行堆叠。优选地，多层被精确地弯折，使得弯折部之间的节段都具有相同的长度，使得所有向上弯折部都在一个水平上且所有向下弯折部都在一个水平上。
间隔物将两个相对的电极隔开，以防止短路。此外，间隔物为涂覆在其上的电极材料提供了基础。间隔物最好尽可能薄，需要是离子可渗透的，并且对其它部件应该是化学惰性的。例如，纸材料、聚合物材料、编织玻璃纤维、编织陶瓷纤维以及无纺材料可以用作间隔物。优选地，这些连续长度的材料用作间隔物。根据本发明的间隔物优选具有在5-50μm的范围内的厚度，更优选具有在10-40μm，特别是在15-30μm的范围内的厚度。
优选地，间隔物用电解液浸泡，该电解液是包含正离子和负离子的导电溶剂。电解液在被间隔物隔开的两个相对电极之间提供导电连接。优选地，电解液对其它部件是化学惰性的，提供低粘度和高自分解电压。
间隔物和集电器之间的电极材料形成电极。电极材料可以是导电且具有大表面积的任何材料或材料的混合物。优选地，电极材料包括多孔碳、石墨烯、碳纳米管、包含钌、铱、铁和锰的过渡金属的氧化物、锂金属氧化物、包括硫化钛的硫化物或其混合物，更优选地，电极材料包括多孔碳、石墨烯、碳纳米管或其混合物。更优选地，电极材料由多孔碳、石墨烯、碳纳米管或其混合物组成。电极材料还可以包括粘合剂。粘合剂优选以小于电极材料的20％单位重量的量存在，优选小于10％单位重量，更优选小于5％单位重量。粘合剂优选是热塑性聚合物，例如聚偏二氟乙烯。在一个实施例中，所有电极具有相同的组分。在另一个实施例中，电极具有不同的组分。根据本发明的电极优选具有1-100μm的范围中的厚度，优选具有在5-50μm，更优选在10-40μm，特别是在15-30μm的范围中的厚度。
形成扇形弯折多层的外层的集电器覆盖间隔物的包含电极材料的两个侧面。集电器是导电层，优选金属导电层，更优选铝层。优选地，这些连续长度的层用作集电器。两个集电器将电极连接到端子，从而在电极和端子之间提供导电。
第一端子覆盖扇形弯折多层的向上弯折部，第二端子覆盖扇形弯折多层的向下弯折部。因此，本发明的电极组件允许电流从电极直接流过集电器的厚度和端子的厚度到达其外表面。
优选地，第一端子和/或第二端子在弯折部的整个长度上附接到弯折部。因此，第一端子直接附接到向上弯折部，第二端子直接附接到向下弯折部。优选地，第一端子直接附接到每个向上弯折部，并且第二端子直接附接到每个向下弯折部。在弯折部的整个长度上，端子到弯折部的连接提供了更大的接触面积。因此，通过最小化从电极的任何一点到端子的外表面的距离来提高电流。为此目的，端子可以是本领域技术人员已知的任何导电材料。
在优选实施例中，第一端子和/或第二端子具有板的形式，优选为矩形板。在平面图和底视图中，处于压缩状态的扇形弯折多层形成了显示向上弯折部和向下弯折部的矩形区域，使得矩形板可以完全覆盖所有弯折部。
优选地，间隔物的两个侧面直接涂覆有电极材料。根据现有技术，集电器通常在组装之前涂有电极材料。这导致了这样的缺点，即根据现有技术的电极组件不能在由间隔物分开的两个相对电极之间提供均匀的距离，和/或两个相对电极彼此之间具有大的距离。在根据本发明的组件中，其中电极材料直接涂覆在间隔物上，克服了这些缺点。
本领域技术人员已知的用电极材料涂覆间隔物材料的任何方法都可以用于间隔物的涂覆。在优选实施例中，电极材料例如使用碳墨印刷在间隔物上。在更优选的实施例中，通过用电极材料干法涂覆间隔物的方法来涂覆间隔物，该方法包括对间隔物进行静电充电以及将电极材料涂覆在带静电的间隔物上的步骤。优选地，对间隔物进行静电充电的步骤是通过使间隔物与带电物体接触来进行的，优选地与带电辊接触。带电物体包括至少一个带电区域和至少一个不带电区域。带电区域和不带电区域的图案被转印到间隔物，使得电极材料仅被施加到间隔物的带电区域。电极材料优选由材料转印辊施加。间隔物可以在没有涂覆电极材料的区域处弯折，而不需要从间隔物上去除已经涂覆的电极材料。
优选地，间隔物在弯折部处没有涂覆电极材料。这确保了由弯折引起的薄的间隔物的可能损坏不会导致短路。然而，优选的是，如果间隔物在两个相邻的弯折部之间完全涂覆有电极材料，以提供大的电极表面积。
扇形弯折多层优选地还包括在所述电极材料和所述集电器之间的导电材料，优选包括铝的导电材料。与集电器接触的电极材料的外表面在微观水平上是粗糙的，特别是如果电极材料包括碳纳米管的话。为了甚至在微观水平上都获得平滑的表面，可以在电极材料上另外施加导电材料。导电材料优选包括铝粉，更优选具有不同颗粒尺寸的铝粉。导电材料还可以包括粘合剂。粘合剂优选以小于电极材料的20％单位重量的量存在，优选小于10％单位重量，更优选小于5％单位重量。粘合剂优选是热塑性聚合物。
本发明还涉及一种包括根据本发明的电极组件的能量存储设备。根据本发明的能量存储设备是能够捕获一次产生的能量以供以后使用的任何设备，诸如电池、二次电池和电容器。
能量存储设备还可以包括壳体，该壳体可以是本领域技术人员为此目的所知的任何壳体。这种壳体包括导电表面和不导电表面。在优选实施例中，能量存储设备还包括具有导电表面和不导电表面的壳体，其中，所述电极组件的第一端子和第二端子的外表面是壳体的导电表面。优选地，这些导电表面是壳体的外表面的部分，使得两个或更多个能量存储设备可以堆叠，由此第一能量存储设备的导电表面与第二能量存储设备的导电表面接触。
根据优选实施例，能量存储设备是电容器，优选是双电层电容器(electricdouble-layer capacitor)。双电层电容器是一种高容量电容器，其主要实现电极的表面和电解液之间的界面处的亥姆霍兹电偶层(Helmholtz double layer)中的电荷分离。
本发明还涉及一种用于生产根据本发明的扇形弯折电极组件的方法，该方法包括以下步骤：在间隔物的第一侧面和第二侧面上施加电极材料，在涂覆的间隔物上施加电解液，将集电器与所获得的间隔物连接使得集电器形成外层，将所获得的多层电极组件弯折成扇形弯折结构，并将第一端子附接到向上弯折部上，将第二端子附接到向下弯折部上。电极材料优选通过在间隔物的两个侧面上干法涂覆电极材料来施加。优选地，本发明的方法以所示的顺序进行。
在优选实施例中，在该间隔物的第一侧面上和第二侧面上施加电极材料的步骤被周期性地中断，以形成彼此均匀隔开的电极材料的节段，其中该间隔物的第一侧面的电极材料的节段与该间隔物的第二侧面的电极材料的节段直接相对。在平面图中，间隔物的一个侧面的电极材料的节段在弯折之前正好与间隔物的另一侧面的电极材料的节段重叠。类似地，间隔物的两个侧面的电极材料的节段之间的间隙在平面图中弯折之前正好重叠。优选地，多层在每个间隙处弯折，使得扇形弯折多层由弯折部之间的五个层和弯折部处的三个层组成。
在优选实施例中，该方法还包括以下步骤：在将涂覆的间隔物与该集电器连接之前，确定电极材料的节段的位置和/或该节段之间的间隙的位置，并且可选地，调节该弯折设备以确保该多层电极组件在间隙处被弯折。在集电器覆盖间隔物的两个侧面之后，几乎不可能确定电极材料的节段和间隙的位置。根据本发明，这些位置因此在集电器与间隔物连接之前被确定。间隙的位置被传送到控制设备，该控制设备能够调节弯折设备以确保多层在间隙处被弯折。
优选地，本发明的方法还包括压缩弯折多层电极组件使被该弯折部分开的节段彼此平行堆叠的步骤。因此，与电极组件的基底面积有关的容量得到增强。
优选地，该方法还包括切割所获得的扇形弯折多层电极组件的步骤。切割步骤可选地包括对弯折部进行计数并在预定数量的弯折部之后切割扇形弯折多层的步骤。
如下将参照附图来描述本发明的优选实施例。
图1示出了根据本发明的电极组件的扇形弯折多层的截面视图。
图2示出了根据本发明的电极组件的截面视图。
图3示出了根据本发明的电极组件的扇形弯折多层的生产过程。
图1示出了包括作为内层的间隔物2和作为外层的集电器3、4的扇形弯折多层。间隔物2的两个侧面至少部分地涂覆有电极材料5、6。更准确地说，间隔物2在两个弯折部7、8之间的节段处涂覆有电极材料5、6，而间隔物2在弯折部7、8处没有被涂覆。扇形弯折多层提供向上弯折部7和向下弯折部8。
图2示出了根据本发明的电极组件1，该电极组件1包括图1中所示的扇形弯折多层。电极组件还包括第一端子9和第二端子10，它们分别附接到向上弯折部7和向下弯折部8。在根据本发明的能量设备中，第一端子9的外表面和第二端子10的外表面是壳体的导电表面。
图3示出了作为根据本发明的电极组件的部件的扇形弯折多层的生产过程。间隔物2的两个侧面相继地首先涂覆有电极材料5、6的节段(未示出)，然后涂覆有另一导电材料。涂覆由包括输送装置11、带电辊12、材料转印辊13和加热辊14的干式涂覆设备15进行。涂覆的间隔物2被传送通过间隙确定设备16，其中检测电极材料5、6的两个节段之间的间隙。在电解液已经通过电解液喷嘴17施加到涂覆的间隔物上之后，两个集电器3、4与间隔物2连接，集电器3、4形成多层的外层。在弯折设备18中弯折所获得的多层，以获得扇形弯折多层，其中弯折部7、8之间的节段(未示出)彼此平行布置。第一端子9和第二端子10(未示出)到向上弯折部7和向下弯折部8(未示出)的附接提供了根据本发明的电极组件1。
Claims (15)
1.一种电极组件，包括：
扇形弯折多层，其包含：
作为内层的间隔物，
作为外层的集电器，以及
在所述间隔物的两个侧面和所述集电器之间的电极材料；以及
第一端子和第二端子，所述第一端子附接到所述扇形弯折多层的向上弯折部，所述第二端子附接到所述扇形弯折多层的向下弯折部。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一端子和/或所述第二端子在所述弯折部的整个长度上附接到所述弯折部。
3.根据权利要求1或2所述的电极组件，其中，所述第一端子和/或所述第二端子具有板的形式，优选矩形板。
4.根据权利要求1-3中任一项的电极组件，其中，所述间隔物的两个侧面直接涂覆有所述电极材料。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电极组件，其中，所述间隔物在所述弯折部处没有涂覆所述电极材料。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电极组件，其中，所述间隔物在两个相邻的弯折部之间完全涂覆所述电极材料。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的电极组件，其中，所述扇形弯折多层还包括在所述电极材料和所述集电器之间的导电材料，优选包括铝的导电材料。
8.一种包括根据权利要求1至7中任一项所述的电极组件的能量存储设备。
9.根据权利要求8所述的能量存储设备，还包括具有导电表面和不导电表面的壳体，其中，所述电极组件的所述第一端子和所述第二端子的外表面是所述导电表面。
10.根据权利要求8或9所述的能量存储设备，其中，所述能量存储设备是电容器，优选是双电层电容器。
11.一种用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的扇形弯折电极组件的方法，包括以下步骤：
在间隔物的第一侧面上和第二侧面上施加电极材料，
将电解液施加到涂覆的间隔物上，
将集电器与获得的间隔物连接，使得所述集电器形成所述外层，
将所获得的多层电极组件弯折成扇形弯折构型，以及
将第一端子附接到所述向上弯折部，并且将第二端子附接到所述向下弯折部。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述间隔物的所述第一侧面上和所述第二侧面上施加电极材料的步骤被周期性地中断，以形成彼此均匀隔开的所述电极材料的节段，其中所述间隔物的所述第一侧面的所述电极材料的节段与所述间隔物的所述第二侧面的所述电极材料的节段直接相对。
13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括以下步骤：在将所述涂覆的间隔物与所述集电器连接之前，确定所述电极材料的节段的位置和/或所述节段之间的间隙的位置，并且可选地，调节弯折设备以确保所述多层电极组件在所述间隙处被弯折。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，还包括压缩弯折的多层电极组件使被所述弯折部分开的节段彼此平行堆叠的步骤。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，还包括切割所获得的弯折多层电极组件的步骤。
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