CN111937188A - 大功率锂离子电池及其制备方法 - Google Patents

大功率锂离子电池及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111937188A
CN111937188A CN201880009326.7A CN201880009326A CN111937188A CN 111937188 A CN111937188 A CN 111937188A CN 201880009326 A CN201880009326 A CN 201880009326A CN 111937188 A CN111937188 A CN 111937188A
Authority
CN
China
Prior art keywords
current collector
vertical structures
vertical
microns
lithium battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201880009326.7A
Other languages
English (en)
Inventor
李卫民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of CN111937188A publication Critical patent/CN111937188A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404—Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0436—Small-sized flat cells or batteries for portable equipment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0414—Methods of deposition of the material by screen printing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H01M4/0419—Methods of deposition of the material involving spraying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027—Negative electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028—Positive electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池及制备电极的方法。锂离子电池可包含阳极、阴极、分离器。阳极可包含负极材料和负极集流体。阴极可包含正极材料和正极集流体。负极或正极材料在负极或正极集流体上形成连续负极或正极材料层。分离器可分离阳极和阴极。至少一种连续电极材料层可包括多个垂直结构。侧壁可限定多个垂直结构。所述多个垂直结构可以配置成阵列。

Description

大功率锂离子电池及其制备方法
相关申请
本申请要求2017年2月2日提交的美国临时申请号62/453,675的优先权，并将其全文引入本申请。
技术领域
本发明公开了一种电池，特别涉及一种大功率的锂电池及其制备方法。
背景技术
轻量、便携、无线的消费产品，如CD播放机、移动电话、笔记本电脑和摄像机的市场不断增长，使得高密度电池的需求不断增加，尤其是需要非常薄且有弹性的电池。为了使得电池易于携带，所述电池应以尽可能最小的重量和体积提供所必要的能量。然而，电池越薄，施加维持电池各部件之间充分接触所需的压力就越困难。
锂是用于需要高能量密度电池的非常有利的材料。锂是所有金属中最轻的，这保证了金属锂具有极高的理论能量密度。在负电池电极材料领域，锂是最主要的材料，因为它具有较大的负热力学势。并且，使用锂不会对环境造成负面影响。因此，锂电池是非常有前途的，特别是在重量是重要因素的情况下使用的前景优良。
根据电极结构不同，锂电池大致分类为胶卷式(绕组型)锂电池和栈类式(层迭型)锂电池。胶卷式电极是将用作集流体的金属箔涂上电极活性材料、干燥并压制将电极切割成具有所需宽度和长度的带状，然后通过利用分离器分离阴极和阳极，并将形成的产品以螺旋形缠绕制得。胶卷式电极适合于圆柱状电池。然而，当用于棱柱型或软包型胶电池时，胶卷式电极存在问题，比如，电极活性材料脱落和空间利用率低。栈类式电极具有多个阴极和阳极单元依次叠加的结构，可以容易地获得棱柱型，这是其优势，但是其也存在缺陷即制备方法麻烦，以及当其遭遇撞击时会挤推电极，引起短回路。
为了解决上述问题，电极可具有这样一种结构：其中，由阴极/分离器/阳极构成的预定大小的燃料电池结构，或者由阴极(阳极)/分离器/阳极(阴极)/分离器/阴极(阳极)依次堆叠构成的预定大小的双电池结构，以保证阴极和阳极在处理长时间连续分离膜的状态下能够相对。
快速充电锂离子电池由于充电时间短，可与燃气动力汽车的加油一样快，因而具有巨大的市场需求量。。然而，高速率的充电会急剧发热，这给具有高成本金属锂阳极的大功率电池和新的大容量阳极材料带来着火风险。
因此，需要快速且安全充电的锂离子电池。
发明内容
首先，本发明提供了一种锂离子电池，其包含阳极、阴极、分离器。阳极可包含负极电极材料和负极集流体。阴极可包含正极电极材料和正极集流体。负极或正极电极材料在负极或正极集流体上形成连续的负极或正极电极材料层。分离器可分离阳极和阴极。至少一种连续的电极材料层可包括多个垂直结构。垂直结构朝着集流体的方向延伸。侧壁可限定多层垂直结构。多个垂直结构可以配置成阵列。
进一步地，阵列可能是六边形。
进一步地，连续的负极或正极电极材料层可具有约50微米至约300微米的厚度。
进一步地，连续的负极或正极电极材料层可具有约80微米至约300微米的厚度。
进一步地，连续的负极或正极电极材料层可具有约100微米至约300微米的厚度。
进一步地，连续的负极或正极电极材料层可具有约150微米至约300微米的厚度。
进一步地，垂直结构的深度可从约25微米到约250微米。
进一步地，垂直结构的深度约为100微米。
进一步地，垂直结构的间距可从约50微米到约500微米。
进一步地，垂直结构的间距可从约100微米到约400微米。
进一步地，垂直结构的间距可从约200微米到约300微米。
进一步地，以6C的充电速率，锂离子电池具有180Wh/kg的大功率容量。
本发明还提供了一种制备电极的方法，包括以下述步骤：提供集流体；混合活性材料、粘合剂和传导材料，以形成混合物；将混合物过筛；在集流体的一侧涂上过筛的混合物以形成涂层集流体；干燥涂层集流体，以形成干燥涂层集流体；和将干燥涂层的集流体切割成预定尺寸。
进一步地，筛子可具有多个孔洞。
进一步地，所述多个孔洞可以配置成列阵，并可由多个侧壁环绕。
进一步地，侧壁可具有约25微米至约250微米的高度。
进一步地，侧壁可具有约50微米至约200微米的高度。
进一步地，侧壁可具有约100微米至约150微米的高度。
进一步地，侧壁可具有约100微米的高度。
进一步地，可将孔洞以大约50微米至大约500微米间隔。
在一些方面，孔洞的间距可从约100微米到约400微米。
进一步地，孔洞的间距可从约200微米到约300微米。
本发明提供了另一种制备电极的方法，可包括以下述步骤：提供集流体；混合活性材料、粘合剂和传导材料，以形成混合物；在集流体一侧涂上混合物，以形成涂层集流体；在涂层集流体上形成多个垂直结构，其中多个垂直结构朝着集流体的方向延伸，将多个垂直结构配置成列阵；并且将涂层集流体切割成预定尺寸。
进一步地，侧壁可具有约25微米至约250微米的高度。
进一步地，侧壁可具有约50微米至约200微米的高度。
进一步地，侧壁可具有约100微米至约150微米的高度。
进一步地，侧壁可具有约100微米的高度。
进一步地，多个垂直结构的间距可从约50微米到约500微米。
进一步地，多个垂直结构的间距可从约100微米到约400微米。
进一步地，多个垂直结构的间距可从约200微米到约300微米。
进一步地，形成多个垂直结构之前，该方法可还包括干燥涂层集流体。
进一步地，形成多个垂直结构之后，该方法可还包括干燥涂层集流体。
进一步地，钻孔可包括喷射钻孔或激光钻孔。
从第四方面来看，制备电极的方法可通过以下述步骤实现：提供集流体；混合活性材料、粘合剂和传导材料，以形成混合物；使混合物通过喷嘴阵列，并让混合物置于集流体的一侧，以形成在涂层集流体上有多个垂直结构的涂层集流体；形成多个垂直结构，将其配置成阵列；并将涂层集流体切割成预定尺寸。
附图说明
本发明技术内容何效果可根据下述内容和附图更容易地理解，其中：
图1为本发明提供的一种锂离子电池的典型的多层结构的透视图。
图2为本发明提供的一种锂离子电池的结构的横截面图。
图3是电极厚度的容量模型。
图4a-4b是经半径得到的容积模型和垂直钻孔结构的间隔的模型。
图5a是在2C速率情况下，具有垂直结构的电极比无垂直结构的电极要高30％的容量图。
图5b是说明根据一实施例的电极的扫描电子显微镜图片。
图6是说明根据一实施例制备电极的方法的流程图。
图7是说明通过利用孔洞制备电极的方法。
图8是说明根据一实施例制备电极的方法的流程图。
图9是说明根据另一实施例制备电极的方法的流程图。
具体实施方式
下文将参考附图，描述本发明的优选实施例。在下文的描述中，众所周知的函数或构造未进行详细描述，。本发明应适用于以下术语和定义。
在本说明书中，“一个实施例”意指根据该实施例描述的具体特性、结构或特征包括于所要求主题的至少一个实施例中。因此，本说明书各个地方的短语“在一个实施例中”或“一实施例”的出现不一定都指同一实施例。此外，特定构造、结构或特征可组合于一个或多个实施例中。
本文中所用的术语垂直的和水平的指互相垂直的图形的特定方向，并且所述术语不限于文中所述的特定实施例。
此外，在根据附图、说明书和权利要求书记载的内容，本领域技术人员可以理解和实现公开的实施例的变形。在权利要求书中，“包含”一词不排除其他元素或步骤，“一个”或“一种”不排除复数。仅仅在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的事实并不能表明这些措施的组合不能使优势突出。
并且，可同时或者部分同时地执行两个或多个步骤。此外，所述方法的步骤可以不同于已公开的顺序。所述变化将取决于选择的硬件系统和设计者的选择。所有所述变化均在本发明的范围内。另外，尽管已参考其具体示例性实施例来描述本发明，但仍然还有一些本领域技术人员显而易见的变化、修改。
本发明实施例包括锂离子电池及其制备方法。更具体地讲，本发明公开了一种新颖的电池电极结构，所述电极结构具有一个呈六边形排列的连续的垂直结构，该垂直结构从电极表面朝向集流体的方向，但未到达集流体。如果采用较厚的电极，制得的电池可在6C的条件下下提供180Wh/kg的贮备能量。
如图1所示，锂离子电池100可包含阳极110、分离器120和阴极130。阳极110可包含负极电极材料和负极集流体112，例如Cu。阴极130可包含正极材料和正极集集流体132，例如Al。在一实施例中，负极材料可在负极集流体112上形成连续的负极材料层116。正极材料可在正极集流体132上形成连续的正极材料层136。分离器120可分离阳极110和阴极130。在一实施例中，连续负极或正极材料层116或136的厚度可约50微米至300微米。在另一实施例中，连续负极或正极材料层116或136的厚度可约80微米至300微米。在另一实施例中，连续负极或正极材料层的厚度可约100微米至300微米，优选约150微米至约300微米。在一实施例中，垂直结构的深度可约25微米至250微米。在另一实施例中，垂直结构的深度可约100微米。
在一实施例中，至少一种连续电极材料层，例如连续负极材料层116或正极集集流体132，可包括多个垂直结构150。
如图2所示，阴极130的连续正极材料层136上的多个垂直结构150的深度220可至正极集流器。多个垂直结构150还可包括侧壁280，用于将垂直结构150分为多个。多个垂直结构150可以以间隔260和直径230配置成阵列。在一实施例中，可将垂直结构以约50微米至约500微米间隔。在另一实施例中，可将垂直结构以约100微米至约400微米间隔，优选约200微米至约300微米。
垂直结构150可垂直延伸至连续电极层136。在一些实施例中，阴极130的垂直结构150可具有至少一端基本垂直延伸至集流体132的主表面132a，如图2所示。“基本垂直”(或者“基本平行”)意指大约0-10°范围内。例如，垂直管状结构150可为柱形，集流体并且整个柱形垂直结构可基本朝着垂直延伸至集流体132的主表面132a的方向延伸，如图2所示。
或者，垂直结构150可为各种形状，这些形状可能不与集流体132的主表面132A基本垂直集流体。
电池的能量容量可由电池中的电极材料总量决定。各电极层的厚度210，例如阴极130，包括集流体132和连续电极材料层136，通常是50-100微米集流体。考虑到电池体积的限制，可能需要更厚电极有两种原因：首先，电极层越厚，所需层数越少；分离器120的数量越少，电极材料的体积百分比越大。
其次，同一生产设备，电极越厚，同一设备输出的电池容量越高。因此，增加电极的厚度可通过生产能力的增加而显著减少生产成本。
然而，目前锂离子电池厚度约50-100微米。对于电极厚度的限制，存在两个主要原因：首先，干燥电极可能需要很长时间，因为大多数电极涂层设备的封装都需要干燥。制备的电极越厚，会使干燥过程越长，或者可能永远无法实现完全干燥；其次，随着填充电极颗粒物，由于毛细管作用，电解质无法渗入超过50-100微米的电极，电解质的通路会变长，在没有电解质运输离子，或者离子需要很长的时间通过电极，电池充电或放电会花费很长的时间，这可能会使电池功率大大降低。
更具体地讲，随着充电速率增加，由于弯曲(表面深度250)，锂离子(Li+)可仅穿透较薄一层的电极。以较高的充电速率贮存的能量可从总容量中减少。假设一个50微米厚的电极(对于一个典型的最先进的电池)，6C处的表面深度大约为35微米。
在图2所示的示例性实施例中，电解质可运输锂离子直达接近集流体132的垂直结构的底部。锂离子可从侧壁280和底部270扩散至电极中。因为电解质中锂离子的导电率约为10-2S.cm-1，与在电极膜内的传输相比，锂离子在垂直结构150中的传输几乎是瞬时的。增加电极的厚度可有助于在快速充电的情况下获得更高的能量容量。
锂离子电池的电池总容量和大功率容量可造模为电极厚度的函数，如图3所示。25μm大功率表面深度可用于6C或更高的充电速率。可以假设典型的重复叠加，例如阴极(阳极)/分离器/阳极(阴极)/分离器/阴极(阳极)，可以假定在18650个单元限制中依次叠加。50μm标准电极和200Wh/kg总容量可用于表示最先进的锂离子电池性能(图3上左边的星形)。对于标准电极，垂直结构直径设定为25μm，间距设定为100μm。当标准电极的大功率容量随着厚度的增加而减少时，电极结构具有更大的功率容量。在6C(右边的星形)下，180Wh/kg可用140μm厚度的电极实现。
较厚的电极可能意味着固定的电池几何结构中较少数量的重复叠加，从而消除了部分分离器和集流体。通过较高的活性材料与非活性材料比例，用140μm电极的总容量可达到214Wh/kg，比最先进的电池高7％。研究已显示通过将电极厚度加倍，可显著降低费用/kWh，这主要是因为非活性材料成本较低，而Wh/涂层面积/时间测量的电极处理成本较高。
当前，电极膜可被模拟为具有均匀半径R的紧密填充型球形颗粒。较小的传导性碳添加剂是具有半径r(r<<R)的球形颗粒。虽然如此，所述小颗粒存在于大颗粒之间，可增加电极膜的弯曲度，并且使电解质更难以完全充满。
如果将电极材料包装成致密膜，用圆柱形垂直结构通过电极膜，垂直结构之间的距离可为50微米。在所述情况下，电解质在整个薄膜中有一条直线路径。尽管整个电极厚度明显更厚，但电解质的有效渗透深度可能仅有50微米。因此，非常厚的电极电池可能具有相同的功率。
一个半径为r的紧密填充球的立方体，体积百分比是：
Figure BDA0002149333670000071
对于宽度为W、长度为L、厚度为50微米的电池电极，电极材料的体积是50x WL x74.05％＝37WL。
具有横切半径R的紧密填充圆柱体，横切表面积百分比
Figure BDA0002149333670000072
对于宽度为W、长度为L、厚度为50微米的电池电极，电极材料的体积是：50x(WL x90.69％)＝45.35％。如果各圆柱由单一球柱构成，体积百分比将是45WL x 52％＝23.5WL。如果圆柱由紧密填充的球构成，体积百分比＝45WL x 74％＝33.3％。
然而，如果其是等效于通过紧密填充的电极冲压半径为1微米的垂直结构，则垂直结构在50微米处呈六边形间隔。那么得到的体积将是面积百分比，相当于2个半径为1的圆，以及边长为50＝2πr2(7500sin60)的六边形。如果r＝5微米，得到的面积大约为2.5％。如果r＝10微米，得到的面积大约为10％。下表是垂直结构直径/垂直结构间隔与体积百分比的关系表：
Figure BDA0002149333670000081
为了确保到垂直结构的另外的点约为50微米，可存在两种设计类型，如图4a和4b所示。
对于图4a所示的设计，
Figure BDA0002149333670000082
对于图4b所示的设计，
Figure BDA0002149333670000083
直径/间距(微米) 非垂直结构 10/50图4a 10/110图4b
体积百分比 74％ 72.76％ 73.45％
本发明的示例性实施例可在6C时达到180Wh/kg。
如图5a所示，在循环2C时，具有垂直结构电极的电池比无垂直结构的显示多30％的容量。
如图5b所示，电极厚度约为200微米，垂直结构的方形阵列直径约为100微米，深度约为100微米。垂直结构的间距约为300微米。
如图6所示，在一实施例中，制备电极的方法600可通过下述步骤完成：即在步骤610中提供集流体，在步骤620中将活性材料、粘合剂和导电材料混合形成混合物，比如，将活性材料例如电极颗粒与粘合剂混合，再与含有有机导电材料NMP混合。方法600还进一步包括步骤630：将混合物过筛。由于重力作用，混合物可以流过孔洞710。如图7所示，方法600还可进一步通过在集流体132的一侧涂上过筛的混合物来实施，以形成带涂层的集流体。可将干燥的带涂层集流体切成预定尺寸。
如图7所示，过筛700可具有多个孔洞710。多个孔洞710可以配置成阵列，并由多个侧壁720环绕。例如，在一实施例中，孔洞的间距可约100微米至约400微米。在另一实施例中，例如，孔洞的间距可约200微米至大300微米。在一实施例中，例如，多个侧壁的高度可约25微米至约250微米。多个侧壁的高度可约50微米至约200微米。在进一步实施例中，多个侧壁的高度可约100微米至约150微米。在又一实施例中，多个侧壁可具有约100微米的高度。
如图8所示，制备电极的方法800可通过下述步骤完成：步骤810提供集流体；在步骤820中混合活性材料、粘合剂和传导材料，以形成混合物。本方法还进一步通过步骤830在集流体的一侧涂上混合物，以形成带涂层的集流体；通过冲压或钻孔在带涂层的集流体上形成多个垂直结构，其中多个垂直结构朝着集流体的方向延伸，在步骤840中将多个垂直结构配置成阵列；在步骤850中将带涂层的集流体切成预定尺寸。
在一实施例中，钻孔可包含喷射钻孔或激光钻孔。可将激光束置于电极涂层线的不同位置。在一实施例中，可在形成多个垂直结构之前，进行干燥带涂层的集流体。在另一实施例中，可在形成多个垂直结构之后，制备干燥带涂层的集流体。此外，在各设备或工艺无显著改变的情况下，可将激光束或印记添加至电池的批量生产线上。
如图9所示，制备电极的方法900可通过下述步骤完成：步骤910中提供集流体；在步骤920中混合活性材料、粘合剂和传导材料，以形成混合物。方法900还进一步包括在步骤930中将混合物通过喷嘴阵列，并将混合物放置在具有混合物的集流体一侧，以形成具有多个垂直结构的涂层集流体。多个垂直结构朝着集流体的方向延伸。方法900还进一步通过在步骤940中将多个垂直结构配置成阵列来实施；以及在步骤950中，将带涂层的集流体切成预定尺寸。
在一实施例中，多个垂直结构的阵列可以是六边形。在一实施例中，例如，深度可约25微米至约250微米。在另一实施例中，例如，深度可约50微米至约200微米。在另一实施例中，例如，深度可约100微米至约150微米。还在另一实施例中，例如，深度可约为100微米。
在一实施例中，例如，多个垂直结构可以有约50微米至约500微米的间距。在另一实施例中，例如，多个垂直结构可以有约100微米至约400微米的间距。还在另一实施例中，例如，多个垂直结构可以有约200微米至约300微米的间距。
将上述专利和专利申请以其全部引入本文中作为参考。尽管参考其具体部件布置、特征等的各种实施例的描述，但这些并非旨在用尽所有可能的具体部件或特征上，实际上，本领域技术人员可确定许多其他实施例、修改和变化。因此，应该理解：本发明可除上文具体所述之外去实施。

Claims (46)

1.一种锂电池，其特征在于，它包括：阳极、阴极、用于分离正负极的分离器；所述阳极包含了负极电极材料和负极集流体；
所述阴极包含了正极电极材料和正极集流体；其中，所述的正极或负极材料在正极或负极集流体上形成具有连续的正极材料层或负极材料层；
有至少一个连续电极的材料层包含了多个具有多层垂直结构，垂直结构朝着集流体的方向延伸，所述的多个垂直结构被配置成阵列。
2.根据权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述多个垂直结构的阵列为六边形。
3.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述连续的正极材料层或负极材料层的厚度约为50～300μm。
4.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述连续的正极材料层或负极材料层的厚度约为80～300μm。
5.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述连续的正极材料层或负极材料层的厚度约为100～300μm。
6.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述连续的正极材料层或负极材料层的厚度约为150～300μm。
7.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述垂直结构垂直的深度约为25～250μm。
8.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述垂直结构的深度约为100μm。
9.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述垂直结构的间隔约为50～500μm。
10.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述垂直结构的间隔约为100～400μm。
11.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述垂直结构的间隔200～300μm。
12.权利要求1所述的锂电池，其特征在于：所述锂电池充电率为6C，功率容量为180Wh/kg。
13.一种制备电极的方法，它包括：
准备一个集流体；
将活性材料、粘合剂以及传导材料混合，制成混合物；
将混合物过筛，其中筛网的孔洞细密，且皆被配置成阵列，由多个侧壁环绕；
在集流体的一侧涂上过筛的混合物，制成带涂层的集流体；
挤压并加热带涂层的集流体，使之变干燥，再将其切割成合适的尺寸。
14.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述阵列是六边形的。
15.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述侧壁的高度约为25～250μm。
16.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述侧壁的高度约为50～200μm。
17.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述侧壁的高度约为100～150μm。
18.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述侧壁的高度约为100μm。
19.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述筛网的孔洞之间的间隔约为50～500μm。
20.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述筛网的孔洞之间的间隔约为100～400μm。
21.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述筛网的孔洞之间的间隔约为200～300μm。
22.一种制备电极的方法，它包括：
准备一个集流体；
将活性材料、粘合剂以及导体材料混合，制成混合物；
将混合物过筛，其中筛网的孔洞细密，且皆被配置成阵列，由多个侧壁环绕；
在集流体的一侧涂上过筛的混合物，制成带涂层的集流体；
通过冲压或钻孔，在带涂层的集流体上形成多个垂直结构，其中，所述多个垂直结构追至结构被配置成阵列，垂直结构朝着集流体的方向延伸；将带涂层的集流体切割成预设尺寸。
23.权利要求22所述的方法，其特征在于：所述阵列为六边形。
24.权利要求22所述的方法，其特征在于：所述垂直结构的深度约为25～250μm。
25.权利要求22所述的方法，其特征在于：所述垂直结构的深度约为50～200μm。
26.权利要求22所述的方法，其特征在于：所述垂直结构的深度约为100～150μm。
27.权利要求22所述的方法，其特征在于：所述垂直结构的深度约为100μm。
28.权利要求22所述的方法，其特征在于：所述多个垂直结构间的间隔距离约为50～500μm。
29.权利要求22所述的方法，其特征在于：所述多个垂直结构间的间隔距离约为100～400μm。
30.权利要求22所述的方法，其特征在于：所述多个垂直结构间的间隔距离约为200～300μm。
31.权利要求22所述的方法，其特征在于：在制出多个垂直结构前，应先加热带涂层的集流体。
32.权利要求22所述的方法，其特征在于：在制出多个垂直结构后，应再次加热带涂层的集流体。
33.权利要求22所述的方法，其特征在于：在制作多个垂直结构时，应再次加热带涂层的集流体。
34.权利要求22所述的方法，其特征在于：在制出多个垂直结构前，应先冲压带涂层的集流体。
35.权利要求22所述的方法，其特征在于：在制出多个垂直结构后，应先冲压带涂层的集流体。
36.权利要求22所述的方法，其特征在于：在制作多个垂直结构时，应先冲压带涂层的集流体。
37.权利要求22所述的方法，其特征在于：钻孔包含了喷射钻孔和激光钻孔两种方式。
38.一种制备电极的方法，它包括：
准备一个集流体；
将活性材料、粘合剂以及导体材料混合，制成混合物；
将混合物通过一排管口，并于有混合物的集流体一侧，在有涂层的集流体上制出一个带有多个垂直结构的带涂层集流体，其中多个垂直结构朝着集流体的方向延伸；
制出多个垂直结构，并将之配置成阵列；而后将带涂层的集流体切割成预设大小。
39.权利要求38所述的方法，其特征在于：阵列为六边形。
40.权利要求38所述的方法，其特征在于：垂直结构的深度约为25～250μm。
41.权利要求38所述的方法，其特征在于：垂直结构的深度约为50～200μm。
42.权利要求38所述的方法，其特征在于：垂直结构的深度约为100～150μm。
43.权利要求38所述的方法，其特征在于：垂直结构的深度约为100μm。
44.权利要求38所述的方法，其特征在于：多个垂直结构间的间隔距离约为50～500μm。
45.权利要求38所述的方法，其特征在于：多个垂直结构间的间隔距离约为100～400μm。
46.权利要求38所述的方法，其特征在于：多个垂直结构间的间隔距离约为200～300μm。
CN201880009326.7A 2017-02-02 2018-02-02 大功率锂离子电池及其制备方法 Pending CN111937188A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762453675P 2017-02-02 2017-02-02
US62/453,675 2017-02-02
PCT/US2018/016580 WO2018144808A1 (en) 2017-02-02 2018-02-02 High power lithium ion battery and the method to form

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111937188A true CN111937188A (zh) 2020-11-13

Family

ID=61599084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880009326.7A Pending CN111937188A (zh) 2017-02-02 2018-02-02 大功率锂离子电池及其制备方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20200212477A1 (zh)
CN (1) CN111937188A (zh)
WO (1) WO2018144808A1 (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050026037A1 (en) * 2002-07-26 2005-02-03 A123 Systems, Inc. Bipolar articles and related methods
JP2005116248A (ja) * 2003-10-06 2005-04-28 Nissan Motor Co Ltd 電池およびこの電池を搭載する車両
US20080153000A1 (en) * 2006-12-21 2008-06-26 Commissariat A L'energie Atomique Lithium storage battery comprising a current-electrode collector assembly with expansion cavities and method for producing same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100296741B1 (ko) * 1999-05-11 2001-07-12 박호군 트렌치 구조를 갖는 전지 및 그 제조방법
JP4454948B2 (ja) * 2002-04-12 2010-04-21 株式会社東芝 非水電解液二次電池
JP5572974B2 (ja) * 2009-03-24 2014-08-20 セイコーエプソン株式会社 固体二次電池の製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050026037A1 (en) * 2002-07-26 2005-02-03 A123 Systems, Inc. Bipolar articles and related methods
JP2005116248A (ja) * 2003-10-06 2005-04-28 Nissan Motor Co Ltd 電池およびこの電池を搭載する車両
US20080153000A1 (en) * 2006-12-21 2008-06-26 Commissariat A L'energie Atomique Lithium storage battery comprising a current-electrode collector assembly with expansion cavities and method for producing same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018144808A1 (en) 2018-08-09
US20200212477A1 (en) 2020-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6567491B2 (ja) 折り重ねた電極とセパレーターを有する電気化学電池、この電池を含むバッテリー、およびこれらを形成する方法
WO2016039263A1 (ja) リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池
KR20170052592A (ko) 리튬 이온 이차 전지용 정극 및 리튬 이온 이차 전지
KR100861705B1 (ko) 구조적 안정성과 전해액의 젖음성이 우수한 전극조립체 및이를 포함하는 이차전지
US6461762B1 (en) Rechargeable battery structure having a stacked structure of sequentially folded cells
CN104466229A (zh) 一种柔性锂二次电池及其制备方法
US20210050599A1 (en) High loading electrodes having high areal capacity and energy storage devices including the same
CN106848272B (zh) 一种多孔锡箔负极及其制备方法和钠离子二次电池
KR20160023038A (ko) 냉각 성능이 개선된 전지셀
KR20140110860A (ko) 층 시스템을 포함하는 리튬-황 전지 캐소드
KR20140016180A (ko) 적층 구조 전지
JP6674885B2 (ja) 二次電池、及び二次電池の製造方法
JP2000268813A (ja) 電池及びキャパシタの電極構造、並びに電極の製造方法
KR20160027364A (ko) 이차전지용 전극조립체
WO2016039264A1 (ja) リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池
EP3367486B1 (en) Aluminum nonwoven fiber member for collector of power storage device, method for manufacturing same, electrode in which aforementioned aluminum nonwoven fiber member is used, and method for manufacturing same
CN111937188A (zh) 大功率锂离子电池及其制备方法
US6399240B1 (en) Stack battery structure
JP7077000B2 (ja) 電池セルのための電極スタックを製造する方法、及び、電池セル
KR20120066916A (ko) 우수한 제조 공정성과 안전성의 이차전지
CN114613937A (zh) 电化学装置及电子装置
KR102245123B1 (ko) 이차전지용 전극 및 그 제조방법
US20180076441A1 (en) Electrode having local porosity differences, method for manufacturing such an electrode and for the use thereof
JP2020145052A (ja) 積層型電池、積層型電池の製造方法
KR20200065948A (ko) 압전 소자 및 열전 소자를 포함하는 원통형 이차 전지

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20201113

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication