CN112189267A - 具有一个或多个多层电极的电化学电池 - Google Patents

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Abstract

本公开的电化学电池可以包括一个或多个多层电极。每个多层电极可以被配置为使得最接近集流体的层中的活性材料具有较低的每摩尔锂化能量、较高的每摩尔脱锂能量、不同的固态扩散率，和/或不同的平均粒度。这种布置抵消了例如标准锂离子电池中存在的自然梯度场和不期望的极化。

Description

具有一个或多个多层电极的电化学电池
技术领域
本公开涉及用于包括复合多孔电极的电化学装置的系统和方法。更具体地，所公开的实施方案涉及用于电池的多层电极。
背景技术
随着对化石燃料的依赖越来越不合乎期望，环境友好的能源变得越来越重要。诸如太阳能、风能等的大多数非化石燃料能源都需要某种储能部件以最大限度地发挥作用。因此，电池技术已经成为未来能量生产和分配的重要方面。与本公开最相关的是，对二次(即，可充电)电池的需求已在增加。在这些类型的电池中使用了电极材料和电解质的各种组合，例如铅酸、镍镉(nickel cadmium，NiCad)、镍金属氢化物(nickel metal hydride，NiMH)、锂离子(Li-ion)和锂离子聚合物(Li-ion聚合物)。
发明内容
本公开提供了与改善的电化学电池及其电极有关的系统、装置和方法。在一些实施方案中，电化学电池可包括第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；以及电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化自由能；第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化自由能；其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一锂化自由能小于所述第二锂化自由能。
在一些实施方案中，电化学电池可包括第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；以及电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔脱锂自由能；第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔脱锂自由能；其中所述第一固态扩散率低于所述第二固态扩散率，并且所述第一脱锂自由能大于所述第二脱锂自由能。
在一些实施方案中，电极可包括集流体衬底；以及活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述衬底上，其中所述活性材料复合物包括：第一层，所述第一层与所述集流体衬底相邻并包括多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化能量；第二层，所述第二层与所述第一层相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化能量；其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一每摩尔锂化能量小于所述第二每摩尔锂化能量。
各特征、功能和优点可以在本公开的各种实施方案中独立地实现，或者可以在另一些实施方案中组合，其更多细节可以参考以下描述和附图来看到。
附图说明
图1是说明性电化学电池的示意性截面图。
图2是具有第一说明性多层电极的电化学电池的一部分的示意性截面图，描绘了在锂化过程中接受锂离子。
图3是具有第二说明性多层电极的电化学电池的一部分的示意性截面图，描绘了在脱锂过程中释放锂离子。
图4是根据本公开多个方面的具有一个多层电极和一个均质电极的说明性电化学电池的示意性截面图。
图5是根据本公开多个方面的具有一个多层电极和一个均质电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。
图6是根据本公开多个方面的具有一个多层电极和一个均质电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。
图7是根据本公开多个方面的具有一个多层电极和一个均质电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。
图8是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的说明性电化学电池的示意性截面图。
图9是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。
图10是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。
图11是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的另一说明性电化学电池的示意性截面图。
图12是根据本公开多个方面的具有两个多层电极的另一说明性电化学电池的说明性截面图。
图13是描绘了用于制造本公开的电极和电化学电池的说明性方法的步骤的流程图。
图14是适于执行图13所述的制造方法的步骤的说明性制造系统的示意图。
具体实施方式
下文中描述并在相关附图中示出了包括具有多个层的电极的电化学电池的多个方面和示例以及相关方法。除非另有说明，否则本文描述的包括具有多个层的电极的电化学电池和/或其多个部件(但并非必须)可包含本文描述、示出和/或结合的结构、部件、功能和/或变型中的至少一个。此外，除非明确地排除，否则结合本教导而在本文中描述、示出和/或结合的工艺步骤、结构、部件、功能和/或变型可被包括在其他类似的装置和方法中，包括在所公开的实施方案之间可互换。以下多个示例的描述本质上仅是说明性的，绝不旨在限制本公开、其应用或用途。另外，以下描述的示例和实施方案提供的优点本质上是说明性的，并且并非所有示例和实施方案都提供相同的优点或相同程度的优点。
该具体实施方式包括紧接的以下章节：(1)定义；(2)概述；(3)示例、部件和替选方案；(4)说明性组合和附加示例；以及(5)结论。该示例、部件和替选方案部分进一步分为子章节A至子章节E，每个子章节均已相应标记。
定义
除非另外指出，否则以下定义在本文中适用。
“基本上/基本(substantially)”是指或多或少地符合由所述术语修饰的特定尺寸、范围、形状、概念或其他方面，使得特征或部件不需要精确地符合。例如，“基本上圆柱形”的对象是指所述对象类似于圆柱体，但可能与真正圆柱体有一个或多个偏差。
“包括”、“包含”和“具有”可互换使用，以表示包括但不必限于此，并且是开放式的术语，并不旨在排除其他未叙述的要素或方法步骤。
诸如“第一”、“第二”和“第三”之类的术语用于区分或识别组中的多个成员，并不旨在示出序列或序号限制。
“AKA”表示“也称为”，并且可以用于指示一个或多个给定要素的别称或对应术语。
“联接(coupled)”是指直接地或通过中间部件间接地、永久地或可释放地连接。
“活性材料分数(active material fraction)”是指活性材料的质量除以电极(或电池)的总质量。
“活性体积分数(active volume fraction)”是指活性材料的体积除以电极(或电池)的总体积。
“NCA”是指锂镍钴铝氧化物(Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide，LiNiCoAlO2)。
“NMC”或”NCM”是指锂镍钴锰氧化物(Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide，LiNiCoMnO2)。
“LFP”是指磷酸铁锂(Lithium Iron Phosphate，LiFePO4)。
“LMO”是指锂锰氧化物(Lithium Manganese Oxide，LiMn2O4)。
“LNMO”是指锂镍锰尖晶石(Lithium Nickel Manganese Spinel，LiNi0.5Mn1.5O4)。
“LCO”是指锂钴氧化物(Lithium Cobalt Oxide，LiCoO2)。
“LTO”是指钛酸锂(Lithium Titanate，Li2TiO3)。
“NMO”是指锂镍锰氧化物(Lithium Nickel Manganese Oxide，Li(Ni0.5Mn0.5)O2)。
“Li”是指锂。
“Li+”或“Li离子”是指锂离子。
概述
本公开描述了与已知设计相比具有改善特征的特定电极和双极电化学电池(例如，电池、氧化还原超级电容器等)。本教导可包括适合用于锂离子电池的电极。
如本文所述，电极可以被构造为具有多个层，该多个层包含具有不同锂化能量和/或固态扩散系数的选定活性材料。这有助于在锂化(lithiation)或脱锂(delithiation)时提高整个电极块体的倍率性能(rate capability)。在非平衡条件下，例如在电池充电或放电时，自然形成梯度场(例如，电解质内的浓度梯度)。当这种充电或放电是以增加的速率进行时，尤其如此。这些梯度场导致了电池内的极化。尽管这在任何锂离子电池中都是不可避免的现象，但过度极化对性能有害。例如，过度极化可能在达到阈值截止电压之前导致低容量利用率。在另一些示例中，过度极化可能导致阳极表面上发生不希望的锂电镀反应。这种电镀会严重损害性能并带来安全隐患。
因此，为了抵消传统电池电极中形成的自然梯度场，本公开的电极有策略地包括在电极块体的厚度内空间定向的活性材料。在一些示例中，电极可具有更接近集流体、需要较少能量锂化的第一活性材料以及更接近分隔体、需要较多能量锂化的第二活性材料。这种布置使电极能够以“回填(backfill)”的方式锂化。换句话说，电极具有从集流体向分隔体前进的反应面(front)，而相反方向上与此相反(在非优化电极中)。
一个这样的示例是阳极，其具有位于更接近集流体的锂化电压(相对于Li/Li+)较高的第一活性材料和位于更接近分隔体的锂化电压(相对于Li/Li+)较低的第二活性材料。在此示例中，优化阳极以改善锂化特性(例如，在锂离子电池充电时)，从而以增加的充电速率接受锂离子。
相似的概念是说明性阴极形式，其中阴极包括设置得更接近集流体的锂化电压(相对于Li/Li+)较低的的第一活性材料和更接近分隔体的锂化电压(相对于Li/Li+)较高的第二活性材料。在此示例中，优化阴极以改善锂化特性(例如，在锂离子电池放电时)，从而以增加的放电速率接受锂离子。
改善电极的锂化速率能力的其他方式包括将(a)具有增加的固态扩散系数的和/或(b)包含粒度较小的活性材料颗粒的活性材料置于更接近于集流体的位置，以抵消自然形成的梯度场。
具有多个层的电极可以分别具有锂离子接受能力较低和较高的区域，从而与具有相同负载、厚度和/或化学性质的均质电极相比，整个电极具有增加的锂接受能力。另外，具有多个层的电极可以具有锂离子给予能力分别较低和较高的区域，从而与具有相同负载、厚度和/或化学性质的均质电极相比，整个电极具有增加的锂给予能力。通过在电化学电池中包括具有多个层的电极，电池可在充电或放电时表现出增加的功率密度，这取决于哪个或哪些电极(即阴极、阳极或两者)以多层为特征，以及取决于如何配置电极中的多个层。
可以使用数种方法中的一种或多种来区分电极内的各层。前两种方法基于所使用的活性材料。第三种方法基于这些活性材料的粒度。第一，每一层可以具有不同的锂化或脱锂能量。第二，每一层可以具有不同的固态扩散系数。第三，每一层可以具有不同的粒度分布。
电极可具有沿与电极所联接集流体的平面垂直的方向上测得的从集流体至相对的电极主表面的距离所定义的厚度。相对的主表面(AKA“上”表面)可以基本为平面的。当电极包括在电池中时，电极的上表面可以与分隔体、凝胶电解质或固体电解质配合。在一些示例中，本文描述的和具有多个层的电极的厚度可以为大约10μm至大约200μm。电极的每一层也可以具有在与电极的厚度方向相同的方向上所测得的该层的相对面之间的厚度。
示例、部件和替选方案
以下各章节描述了示例性电极和电化学电池以及相关系统和/或方法的选定方面。这些章节中的示例旨在说明，而不应解释为限制本公开的范围。每个章节可以包括一个或多个不同的实施方案或示例，以及上下文或相关的信息、功能和/或结构。
A.说明性电极和电池
如图1至图3所示，本章节描述了根据本公开多个方面的说明性电极和电化学电池。图1是说明性电化学电池的示意性截面图，图2和图3是适于在电化学电池中使用的两种不同类型的说明性多层电极的示意性截面图。
现在参考图1，以锂离子电池的形式示出了电化学电池100。电化学电池100包括正电极和负电极，即阴极102和阳极104。阴极和阳极夹在一对集流体106、108之间，该集流体可以包括金属箔或其他合适的衬底。集流体106电联接至阴极102，集流体108电联接至阳极104。集流体使电子流动，从而使电流流入和流出每个电极。遍及电极设置的电解质110使得离子能够在阴极102和阳极104之间传输。在本示例中，电解质110包括液体溶剂和溶解离子溶质。电解质110促进阴极102和阳极104之间的离子连接。
电解质110由分隔体112辅助，分隔体112物理地分隔开阴极102和阳极104之间的空间。分隔体112是液体可渗透的，并且能够使离子在电解质110内、并在两个电极中的每一个之间移动(流动)。在一些实施方案中，电解质110包括聚合物凝胶或固体离子导体，以增强或替代分隔体112(并执行分隔体112的功能)。
阴极102和阳极104是复合结构，其包括活性材料颗粒、黏合剂、导电添加剂和电解质110可渗入的孔(空隙空间)。电极的构成部分的布置被称为微结构，或更具体地，称为电极微结构。
在一些示例中，黏合剂是聚合物，例如聚偏二氟乙烯(polyvinylidenedifluoride，PVdF)，并且导电添加剂通常包括纳米级碳，例如炭黑或石墨。在一些示例中，黏合剂是羧甲基纤维素(carboxyl-methyl cellulose，CMC)和丁苯橡胶(styrene-butadiene rubber，SBR)的混合物。在一些示例中，导电添加剂包括科琴黑(ketjenblack)、石墨碳、低维碳(例如碳纳米管)和/或碳纤维。
在一些示例中，活性材料颗粒的化学性质在阴极102和阳极104之间有所不同。例如，阳极104可以包括石墨(人造的或天然的)、硬碳、钛酸盐、二氧化钛、过渡金属系(transition metals in general)、第14族中的元素(例如碳、硅、锡、锗等)、氧化物、硫化物、过渡金属、卤化物和硫族化物(chalcogenide)。另一方面，阴极102可以包括过渡金属(例如，镍、钴、锰、铜、锌、钒、铬、铁)及其氧化物、磷酸盐、亚磷酸盐和硅酸盐。阴极还可包括碱金属及碱土金属、铝、氧化铝和磷酸铝，以及卤化物和硫族化物。在电化学装置中，活性材料与工作离子共同参与电化学反应或过程，以存储或释放能量。例如，在锂离子电池中，工作离子是锂离子。
电化学电池100可以包括包装(未示出)。例如，包装(例如，棱形罐、不锈钢管、聚合物袋等)可用于约束和定位阴极102、阳极104、集流体106和108、电解质110和分隔体112。
为了使电化学电池100适当地具备二次电池的功能，阴极102和阳极104中的活性材料颗粒必须能够通过称为锂化和脱锂的相应过程来存储和释放锂离子。一些活性材料(例如，层状氧化物材料或石墨碳)通过在晶体层之间嵌入锂离子以实现此功能。另一些活性材料可具有替选的锂化和脱锂机制(例如，合金化、转化)。
当电化学电池100被充电时，阳极104接受锂离子，而阴极102给予锂离子。当电池被放电时，阳极104给予锂离子，而阴极102接受锂离子。每个复合电极(即阴极102和阳极104)给予或接受锂离子的速率取决于电极的外在特性(例如，流经每个电极的电流、电解质110的电导率)以及电极的内在特性(例如，电极中活性材料颗粒的固态扩散常数、电极的微结构或曲折因子、锂离子从溶于电解质变为嵌入电极活性材料颗粒时的电荷转移速率等)。
在任何一种操作模式(充电或放电)期间，阳极104或阴极102都可以以限制速率(limiting rate)给予或接受锂离子，其中速率定义为单位时间、单位电流中的锂离子。例如，在充电期间，阳极104可以以第一速率接受锂，而阴极102可以以第二速率给予锂。当第二速率小于第一速率时，阴极的第二速率将是限制速率。在一些示例中，速率的差异可能非常巨大以至于限制了锂离子电池(例如，电池100)的整体性能。速率差异的原因可能取决于：单位质量的活性材料颗粒锂化或脱锂一定数量的锂离子所需的能量；活性材料颗粒中锂离子的固态扩散系数；和/或活性材料在复合电极内的粒度分布。在一些示例中，另外或替选的因素可有助于电极微结构并影响这些速率。
转到图2，描绘了电化学电池200的一部分的示意性截面图。电池200具有多层电极202，示出了在锂化过程中接受锂离子220和222。电池200是图1的电化学电池100的示例，并且包括分隔体212、电解质210和集流体206。电极202可以为阴极或阳极，并且包括第一层230和第二层232。第一层230与集流体206相邻；第二层232与所述第一层和分隔体212相邻(介于两者中间)。为了保持一致，本公开的所有示例都遵循类似的约定，其中“第一”层被定义为与集流体相邻，“第二”层被定义为与分隔体相邻。第一层230和第二层232均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体206的方向测量的。
在本示例中，电极202被描绘为例如在恒定电势或恒定电流下接受锂，由此诱导锂离子220和222与存在于第一层230和第二层232内的活性材料发生反应(例如，嵌入)。锂离子220和222在扩散场和电场作用下向集流体206迁移。在此示例中，离子220沿着电解质210内的路径224，穿过分隔体212、第二层232以及第一层230的一部分，直到使第一层230内的活性材料颗粒锂化。相反，锂离子222沿着电解质210内的路径226，穿过分隔体212以及第二层232的一部分，直到使第二层232内的活性材料颗粒锂化。
大体上，离子从分隔体行进至第一层内的活性材料的路径224将会长于离子从分隔体行进至第二层内的活性材料的路径226。另外，路径224上的离子在第二层232中的行进距离长于路径226上的离子。
在标准电极中，路径224和226长度存在差异导致的一个结果是，对于给定的锂离子，其在第二层中的停留时间很可能大于在第一层中的停留时间。路径224和226长度存在差异导致的另一个结果是，与第一层230相比，进入电极202的锂离子更可能与第二层232内的活性材料颗粒反应。因此，在此类电极中可能会产生梯度反应场，这可能会对电池性能造成以下负面影响：(1)电解质210中的极化超电势导致电化学电池内的寄生能量损失；以及(2)与第二层232的活性材料相比，第一层230的活性材料未得到充分利用(例如，导致较低的表观锂离子电池容量和/或电极202在较低功率下耗费较长的时间竞争锂的接受)。
然而，在本示例中，通过具有第一层230中包括的第一活性材料和第二层232中包括的第二活性材料的电极202，至少部分地缓解了路径长度的差异和所导致的梯度反应场。第一活性材料被配置为不同于第二活性材料，使得以下中的至少一项成立：
(i)第一活性材料在化学性质上不同于第二活性材料，并且锂化第一活性材料的每摩尔自由能(AKA锂化自由能，或FEL(free energy to lithiate))低于锂化第二活性材料的自由能；
(ii)第一活性材料的固态扩散(solid state diffusion，SSD)系数大于第二活性材料的固态扩散系数；和/或
(iii)第一活性材料的粒度分布包括显著小于第二活性材料的粒度分布的颗粒。
在第(i)项(即第一层中的FEL较低)成立时，该较长路径通过顺序反应时间线得到缓解，其中第一层230的锂化优先在第二层232的锂化之前开始。此外，在第(ii)项(第一层中的SSD系数较大)和/或第(iii)项(第一层中的粒度较小)中的任一个或两个均成立的示例中，通过在第二层232的活性材料开始锂化之前(因此在具有相关劣势的梯度反应场开始之前)增加第一层230的活性材料的利用率，进一步提升了顺序反应时间线的优势。
在此示例中，第二层232的厚度被选择为等于或小于选定的最大厚度。最大厚度由第二层232的微观结构确定，即，由在三维空间中以特定方式布置的具有不同形状和尺寸的活性材料颗粒确定。描述这种微观结构的因素包括第二层内活性材料颗粒的尺寸分布、孔隙率和曲折因子。如果第二层232的厚度大于最大厚度，则穿过第二层至第一层的传输可能变得如此曲折，以至于上述特性(i)、(ii)和(iii)的益处变得无效。
在电极202是电池阳极的示例中，第一层230的锂化优先在第二层232的锂化之前开始。这样至少部分地缓解了梯度场和锂离子所必须贯穿整个电极202行进的路径长度间存在的差异。与具有贯穿其整个厚度具有基本均质的微结构的典型阳极的常规锂离子电池相比，阳极具有与电极202类似的层状构造的锂离子电池能够表现出增加的充电速率接受度(charge rate acceptance)。与阳极具有与电极202反向的层状构造的锂离子电池相比，这种电池也能够表现出增加的充电速率接受度。反向构造的充电接受性能也很可能低于具有典型的均质阳极微结构的常规锂离子电池。这一阳极设计的考虑可用于设计能够以增加的速率充电的锂离子电池。缓解阳极上显著的梯度反应场的发生还有助于防止充电时由于过度极化导致的金属锂沉积(即，锂电镀)。
可以使用任何合适的材料将电极202构造为阳极，该材料被配置为产生在第一层中具有比第二层中更低的锂化自由能和更高的固态扩散率的阳极。回想一下，第一层被定义为与集流体相邻，第二层被定义为与分隔体相邻。在一些示例中，第一层的第一活性材料包括硬碳(或其他非石墨碳)、一氧化硅、其他硅氧化物、二氧化钛、钛酸盐、石墨烯和合金材料(例如，锡、硅、锗等)中的一种或多种，第二层的第二活性材料包括石墨碳。在一些示例中，第一层的第一活性材料包括二氧化钛或钛酸盐，第二层的第二活性材料包括硬碳(或其他非石墨碳)、石墨碳、一氧化硅、其他硅氧化物、石墨烯和合金材料(例如，锡、硅、锗等)中的一种或多种。
在电极202是电池阴极的示例中，第一层230的锂化在第二层232的锂化之前开始。这样至少部分地缓解了梯度场和锂离子所必须贯穿整个电极202行进的路径长度间存在的差异。与具有贯穿其整个厚度具有基本均质的微结构的典型阴极的常规锂离子电池相比，阴极具有与电极202类似的层状构造的锂离子电池能够表现出增加的放电倍率性能。与阴极具有与电极202反向的层状构造的锂离子电池相比，这种电池也能够表现出增加的放电倍率性能。反向构造的放电倍率性能也很可能低于具有典型的均质阴极微结构的常规锂离子电池。这一阴极设计的考虑可用于设计能够以增加的速率放电的锂离子电池。
可以使用任何合适的材料将电极202构造为阴极，该材料被配置为产生在第一层中具有比第二层中更低的锂化自由能和更高的固态扩散率的阳极。再次回想一下，第一层被定义为与集流体相邻，第二层被定义为与分隔体相邻。在一些示例中，第一层的第一活性材料包括LFP，第二层的第二活性材料包括NMC、NCA、LCO和LMO中的一种或多种。在一些示例中，第一层的第一活性材料包括NMC和NCA中的一种或多种，第二层的第二活性材料包括LMO和/或LCO。
现在转到图3，描绘了电化学电池300的一部分的示意性截面图。电池300具有多层电极302，示出了在脱锂过程中给予锂离子320和322。电池300是图1的电化学电池100的示例。电化学电池包括分隔体312、电解质310和集流体306。电极302可以为阴极或阳极，并且包括第一层330和第二层332。根据上述约定，第一层330与集流体306相邻，第二层332与第一层和分隔体312相邻设置(介于两者中间)。第一层330和第二层332均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体306的方向测量的。
在本示例中，电极302被描绘为例如在恒定电势或恒定电流下给予锂，由此诱导锂离子320和322与存在于第一层330和第二层332内的活性材料发生反应(例如，脱嵌)并从存在于第一层330和第二层332内的活性材料中释放。锂离子320和322在扩散场和电场作用下向分隔体312迁移。示出了锂离子320从第一层330内的活性材料颗粒脱锂(释放)，随后沿着电解质310内的路径324行进通过第一层330的一部分、第二层332和分隔体312。相反，示出了锂离子322从第二层332内的活性材料颗粒脱锂，随后沿着电解质310内的路径326行进通过第二层332的一部分和分隔体312。
大体上，锂离子320从第一层330内行进至分隔体312的路径324将会长于锂离子322从第二层332内流动到分隔体312的路径326。另外，路径324的起点与分隔体之间的第一距离大于路径326的起点与分隔体之间的第二距离。
在标准电极中，路径324和326之间存在这些差异所导致的一个结果是，锂离子320受到锂离子322的电荷排斥作用，从而抑制了锂离子320行进至分隔体，导致电极内电荷累积(build-up)。因此，可能会产生梯度反应场，对电池性能造成以下负面影响：(1)电解质中的极化超电势导致电池内的寄生能量损失；以及(2)电解质中锂离子的饥饿(starvation)(例如，导致较低的表观锂离子电池容量和/或电极在较低功率下耗费较长的时间完成锂的释放)。
然而，在本示例中，通过具有第一层330中包括的第一活性材料和第二层332中包括的第二活性材料的电极302，至少部分地缓解了路径长度的差异和所导致的梯度反应场。第一活性材料被配置为不同于第二活性材料，使得以下中的至少一项成立：
(i)第一活性材料在化学性质上不同于第二活性材料，并且脱锂第一活性材料的每摩尔自由能(AKA脱锂自由能，或FED(free energy to delithiate))高于脱锂第二活性材料的自由能；
(ii)第二活性材料的固态扩散(SSD)系数大于第一活性材料的固态扩散系数；和/或
(iii)第一活性材料的粒度分布包括显著大于第二活性材料的粒度分布的颗粒。
在第(i)项(即第一层中的FED较大)成立时，该较长路径(分隔体中间的锂离子的电荷排斥)通过顺序反应时间线得到缓解，其中第二层的脱锂在第一层的脱锂之前开始。此外，在第(ii)项(第二层中的SSD系数较大)和/或第(iii)项(即第二层中的粒度较小)中的任一个或两个均成立的示例中，通过在第一层330的活性材料开始脱锂之前(因此在具有相关劣势的梯度反应场开始之前)最大程度地消耗第二层332的活性材料，进一步提升了顺序反应时间线的优势。
在此示例中，第二层332的厚度被选择为等于或小于选定的最大厚度。最大厚度由第二层332的微观结构确定，即，由在三维空间中以特定方式布置的具有不同形状和尺寸的活性材料颗粒确定。描述这种微观结构的因素包括第二层内活性材料颗粒的尺寸分布、孔隙率和曲折因子。如果第二层332的厚度大于最大厚度，则穿过第二层至分隔体的传输可能变得如此曲折，以至于上述特性(i)、(ii)和(iii)的益处变得无效。
在电极302是电池阳极的示例中，第二层332的脱锂在第一层330的脱锂之前开始。这样至少部分地缓解了梯度场和锂离子所必须贯穿整个电极302行进的路径长度间存在的差异。与具有贯穿其整个厚度具有基本均质微结构的典型阳极的常规锂离子电池相比，阳极具有与电极302类似的层状构造的锂离子电池能够表现出增加的放电倍率性能。与阳极具有与电极302反向的层状构造的锂离子电池相比，这种电池也能够表现出增加的放电倍率性能。反向构造的放电倍率性能也很可能低于具有其微结构基本是均质的典型阳极的常规锂离子电池。这一阳极设计的考虑可用于设计能够以增加的速率放电的锂离子电池。
可以使用任何合适的材料将电极302构造为阳极，该材料被配置为产生在第一层中具有比第二层中更高的脱锂自由能和更低的固态扩散率的阳极。回想一下，第一层被定义为与集流体相邻，第二层被定义为与分隔体相邻。在一些示例中，第一层的第一活性材料包括石墨碳，第二层的第二活性材料包括硬碳(或其他非石墨碳)、一氧化硅、其他硅氧化物、石墨烯、二氧化钛、钛酸盐和合金材料(例如，锡、硅、锗等)中的一种或多种。在一些示例中，第一层的第一活性材料包括硬碳(或其他非石墨碳)、石墨碳、一氧化硅、其他硅氧化物和合金材料(例如，锡、硅、锗等)中的一种或多种，第二层的第二活性材料包括二氧化钛或钛酸盐中的一种或多种。
在电极302是电池阴极的示例中，第二层332的脱锂在第一层330的脱锂之前开始。这样至少部分地缓解了梯度场和锂离子所必须贯穿整个电极302行进的路径长度间存在的差异。与具有贯穿其整个厚度具有基本均质微结构的典型阴极的常规锂离子电池相比，阴极具有与电极302类似的层状构造的锂离子电池能够表现出增加的充电倍率性能。与阴极具有与电极302反向的构造的锂离子电池相比，这种电池也能够表现出增加的充电速率接受度。反向构造的充电倍率性能也很可能低于具有其微结构基本是均质的典型阴极的常规锂离子电池。这一阴极设计的考虑可用于设计能够以增加的速率充电的锂离子电池。
可以使用任何合适的材料将电极302构造为阴极，该材料被配置为产生在第一层中具有比第二层中更高的脱锂自由能和更高的固态扩散率的阳极。再次回想一下，第一层被定义为与集流体相邻，第二层被定义为与分隔体相邻。在一些示例中，第一层的第一活性材料包括NMC、NCA、LCO和LMO中的一种或多种，第二层的第二活性材料包括LFP。在一些示例中，第一层的第一活性材料包括LMO或LCO，第二层的第二活性材料包括NMC和NCA中的一种或多种。
关于图2的电极，无论其为阳极或是阴极，第一层的第一活性材料颗粒的第一尺寸分布(例如，按体积计)可以小于第二层的第二活性材料颗粒的第二尺寸分布(例如，按体积计)。在一些示例中，通过使第一分布的中值粒度(例如，按体积计)小于第二分布的中值粒度(例如，按体积计)，第一分布可以小于第二分布。在一些示例中，通过使第一分布的平均粒度(例如，按体积计)小于第二分布的平均粒度(例如，按体积计)，第一分布可以小于第二分布。在一些示例中，通过使第一分布的一个或多个粒度众数(例如，按体积计)小于第二分布的最低粒度众数(例如，按体积计)，第一分布可以小于第二分布。在一些示例中，通过使第一分布的第十百分位数小于第二分布的第十百分位数，第一分布可以小于第二分布。
关于图3的电极，无论其为阳极还是阴极，第一层的第一活性材料颗粒的第一尺寸分布(例如，按体积计)可以大于第二层的第二活性材料颗粒的第二尺寸分布(例如，按体积计)。在一些示例中，通过使第一分布的中值粒度(例如，按体积计)大于第二分布的中值粒度(例如，按体积计)，第一分布可以大于第二分布。在一些示例中，通过使第一分布的平均粒度(例如，按体积计)大于第二分布的平均粒度(例如，按体积计)，第一分布可以大于第二分布。在一些示例中，通过使第一分布的一个或多个粒度众数(例如，按体积计)大于第二分布的最低粒度众数(例如，按体积计)，第一分布可以大于第二分布。在一些示例中，通过使第一分布的第十百分位数大于第二分布的第十百分位数，第一分布可以大于第二分布。
B.具有一个均质电极和一个多层电极的说明性电池
如图4至图7所示，本章节描述了根据本公开多个方面的具有一个均质电极和一个多层电极的说明性电化学电池。
图4是具有均质阴极402和多层阳极404的说明性电化学电池400的示意性截面图。电化学电池400是图1的电化学电池100的示例，阳极404是图2的电极202的示例。电池400包括分隔体412、电解质410以及集流体406和408。电解质410使得离子能够在阴极402和阳极404之间传输，液体可渗透的聚合物分隔体412使电极彼此分隔开并且彼此电绝缘。
均质阴极402包括与集流体406和分隔体412相邻的单层。换句话说，均质阴极402被形成为从集流体406延伸至分隔体412的单层。将阴极402涂覆在集流体406上，使得在电极复合物的体积内电极的所有部分在其化学性质(例如，活性材料颗粒、黏合剂、导电添加剂等)和微结构(例如，活性质量分数、孔隙率、曲折因子等)方面基本相似。阴极402可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体406的方向测量的。第一层440和第二层442均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体408的方向测量的。
如上所述，多层阳极404是电极202的示例。因此，阳极404的部件和特征与上文关于电极202所述的相应元件和特征基本相同。多层阳极404包括第一层440和第二层442。第一层440与集流体408相邻，第二层442与第一层和分隔体412相邻设置并介于两者中间。
第一层440包括第一活性材料颗粒，第二层442包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层440的第一活性材料具有大于第二层442的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层440的活性材料具有低于第二层442的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阳极404的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极202所描述的相同。相应地，锂化第一层440的第一活性材料的自由能可低于锂化第二层442的第二活性材料的自由能。此外，第一层440的第一活性材料的固态扩散率可大于第二层442的第二活性材料的固态扩散率。
图5是具有均质阴极502和多层阳极504的说明性电化学电池500的示意性截面图。电化学电池500是图1的电化学电池100的示例，阳极504是图3的电极302的示例。电池500包括分隔体512、电解质510以及集流体506和508。电解质510使得离子能够在阴极502和阳极504之间传输，液体可渗透的聚合物分隔体512使电极彼此分隔开并且彼此电绝缘。
均质阴极502包括与集流体506和分隔体512相邻的单层。换句话说，均质阴极502被形成为从集流体506延伸至分隔体512的单层。将阴极502涂覆在集流体506上，使得在电极复合物的体积内电极的所有部分在其化学性质(例如，活性材料颗粒、黏合剂、导电添加剂等)和微结构(例如，活性质量分数、孔隙率、曲折因子等)方面基本相似。阴极502可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体506的方向测量的。
如上所述，多层阳极504是电极302的示例。因此，阳极504的部件和特征与上文关于电极302所述的相应元件和特征基本相同。多层阳极504包括第一层540和第二层542。第一层540与集流体508相邻，第二层542与第一层和分隔体512相邻(并介于两者中间)。第一层540和第二层542均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体508的方向测量的。
第一层540包括第一活性材料颗粒，第二层542包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层540的第一活性材料具有大于第二层542的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层540的活性材料具有低于第二层542的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阳极504的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极302所描述的相同。相应地，脱锂第一层540的第一活性材料的自由能可高于脱锂第二层542的第二活性材料的自由能。此外，第一层540的第一活性材料的固态扩散率可小于第二层542的第二活性材料的固态扩散率。
图6是具有多层阴极602和均质阳极604的说明性电化学电池600的示意性截面图。电化学电池600是图1的电化学电池100的示例，阴极602是图2的电极202的示例。电池600包括分隔体612、电解质610以及集流体606和608。电解质610使得离子能够在电极之间传输，液体可渗透的聚合物分隔体612使电极彼此分隔开并且彼此电绝缘。
均质阳极604包括与集流体608和分隔体612相邻的单层。换句话说，均质阳极604被形成为从集流体608延伸至分隔体612的单层。将阳极604涂覆在集流体608上，使得在电极复合物的体积内电极的所有部分在其化学性质(例如，活性材料颗粒、黏合剂、导电添加剂等)和微结构(例如，活性质量分数、孔隙率、曲折因子等)方面基本相似。阳极604可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体608的方向测量的。
如上所述，多层阴极602是电极202的示例。因此，阴极602的部件和特征与电极202的相应部件和特征基本相同。多层阴极602包括第一层630和第二层632。第一层630与集流体606相邻，第二层632与第一层和分隔体612相邻(并介于两者中间)。第一层630和第二层632均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体606的方向测量的。
第一层630包括第一活性材料颗粒，第二层632包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层630的第一活性材料具有大于第二层632的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层630的活性材料具有低于第二层632的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阴极602的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极202所描述的相同。相应地，锂化第一层630的第一活性材料的自由能可低于锂化第二层632的第二活性材料的自由能。此外，第一层630的第一活性材料的固态扩散率可大于第二层632的第二活性材料的固态扩散率。
图7是具有多层阴极702和均质阳极704的说明性电化学电池700的示意性截面图。电化学电池700是图1的电化学电池100的示例，阴极702是图3的电极302的示例。电池700包括分隔体712、电解质710以及集流体706和708。电解质710使得离子能够在电极之间传输，液体可渗透的聚合物分隔体712使电极彼此分隔开并且彼此电绝缘。
均质阳极704包括与集流体708和分隔体712相邻的单层。换句话说，均质阳极704被形成为从集流体708延伸至分隔体712的单层。将阳极704涂覆在集流体708上，使得在电极复合物的体积内电极的所有部分在其化学性质(例如，活性材料颗粒、黏合剂、导电添加剂等)和微结构(例如，活性质量分数、孔隙率、曲折因子等)方面基本相似。阳极704可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体708的方向测量的。
如上所述，多层阴极702是电极302的示例。因此，阴极702的部件和特征与电极302的相应部件和特征基本相同。多层阴极702包括第一层730和第二层732。在本示例中，第一层730与集流体706相邻，第二层732与第一层和分隔体712相邻(并介于两者中间)。第一层730和第二层732均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体706的方向测量的。
在本实施方案中，第一层730包括第一活性材料颗粒，第二层732包括第二活性材料颗粒。在一个示例中，第一层730的第一活性材料具有大于第二层732的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在另一个示例中，第一层730的活性材料具有低于第二层732的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阴极702的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极302所描述的相同。相应地，脱锂第一层730的第一活性材料的自由能可大于脱锂第二层732的第二活性材料的自由能。此外，这样一来，第一层730的第一活性材料的固态扩散率可小于第二层732的第二活性材料的固态扩散率。
C.具有两个多层电极的说明性电池
如图8至图12所示，本章节描述了数种说明性电化学电池，其中两个电极均具有多个层，其被配置为提供超过已知电池设计的显著优点。
图8是具有多层阴极802和多层阳极804的说明性电化学电池800的示意性截面图。电化学电池800是图1的电化学电池100的示例，阴极802和阳极804均是图2的电极202的示例。电池800包括分隔体812、电解质810以及集流体806和808。电解质810使得离子能够在电极之间传输，液体可渗透的聚合物分隔体812使电极彼此分隔开并且彼此电绝缘。
如上所述，多层阴极802和多层阳极804的每一个均是电极202的示例。因此，阴极802和阳极804的部件和特征与上文关于电极202所述的相应元件和特征基本相同。
阴极802包括第一层830和第二层832。第一层830与集流体806相邻，第二层832与第一层和分隔体812相邻(并介于两者中间)。第一层830和第二层832的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体806的方向测量的。
第一层830包括第一活性材料颗粒，第二层832包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层830的第一活性材料具有大于第二层832的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层830的活性材料具有低于第二层832的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阴极802的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极202所描述的相同。相应地，锂化第一层830的第一活性材料的自由能可低于锂化第二层832的第二活性材料的自由能。此外，第一层830的第一活性材料的固态扩散率可大于第二层832的第二活性材料的固态扩散率。
阳极804包括第一层840和第二层842。第一层840与集流体808相邻，第二层842与第一层和分隔体812相邻(并介于两者中间)。第一层840和第二层842的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体808的方向测量的。
第一层840包括第一活性材料颗粒，第二层842包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层840的第一活性材料具有大于第二层842的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层840的活性材料具有低于第二层842的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阳极804的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极202所描述的相同。相应地，锂化第一层840的第一活性材料的自由能可低于锂化第二层842的第二活性材料的自由能。此外，第一层840的第一活性材料的固态扩散率可大于第二层842的第二活性材料的固态扩散率。
图9是具有多层阴极902和多层阳极904的说明性电化学电池900的示意性截面图。电化学电池900是图1的电化学电池100的示例，阴极902和阳极904均是图3的电极302的示例。电池900包括分隔体912、电解质910以及集流体906和908。电解质910使得离子能够在电极之间传输，液体可渗透的聚合物分隔体912使电极彼此分隔开并且彼此电绝缘。
如上所述，多层阴极902和多层阳极904的每一个均是电极302的示例。因此，阴极902和阳极904的部件和特征与上文关于电极302所述的相应元件和特征基本相同。
阴极902包括第一层930和第二层932。第一层930与集流体906相邻，第二层932与第一层和分隔体912相邻(并介于两者中间)。第一层930和第二层932的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体906的方向测量的。
第一层930包括第一活性材料颗粒，第二层932包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层930的第一活性材料具有大于第二层932的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层930的活性材料具有低于第二层932的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阴极902的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极302所描述的相同。相应地，脱锂第一层930的第一活性材料的自由能可大于脱锂第二层932的第二活性材料的自由能。此外，第一层930的第一活性材料的固态扩散率可小于第二层932的第二活性材料的固态扩散率。
阳极904包括第一层940和第二层942。第一层940与集流体908相邻，第二层942与第一层和分隔体912相邻(并介于两者中间)。第一层940和第二层942的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体908的方向测量的。
第一层940包括第一活性材料颗粒，第二层942包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层940的第一活性材料具有大于第二层942的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层940的活性材料具有低于第二层942的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阳极904的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极302所描述的相同。相应地，脱锂第一层940的第一活性材料的自由能可大于脱锂第二层942的第二活性材料的自由能。此外，第一层940的第一活性材料的固态扩散率可小于第二层942的第二活性材料的固态扩散率。
图10是具有多层阴极1002和多层阳极1004的说明性电化学电池1000的示意性截面图。电化学电池1000是图1的电化学电池100的示例，多层阴极1002是图2的电极202的示例，多层阳极1004是图3的电极302的示例。电池1000包括分隔体1012、电解质1010以及集流体1006和1008。电解质1010使得离子能够在电极之间传输，液体可渗透的聚合物分隔体1012使电极彼此分隔开并且彼此电绝缘。
如上所述，多层阴极1002是电极202的示例，多层阳极1004是电极302的示例。因此，阴极1002的部件和特征与上文关于电极202所述的相应元件和特征基本相同，阳极1004的部件和特征与上文关于电极302所述的相应元件和特征基本相同。
阴极1002包括第一层1030和第二层1032。第一层1030与集流体1006相邻，第二层1032与第一层和分隔体1012相邻(并介于两者中间)。第一层1030和第二层1032的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体1006的方向测量的。
第一层1030包括第一活性材料颗粒，第二层1032包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层1030的第一活性材料具有大于第二层1032的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层1030的活性材料具有低于第二层1032的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阴极1002的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极202所描述的相同。相应地，锂化第一层1030的第一活性材料的自由能可低于锂化第二层1032的第二活性材料的自由能。此外，第一层1030的第一活性材料的固态扩散率可大于第二层1032的第二活性材料的固态扩散率。
阳极1004包括第一层1040和第二层1042。第一层1040与集流体1008相邻，第二层1042与第一层和分隔体1012相邻(并介于两者中间)。第一层1040和第二层1042的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体1008的方向测量的。
第一层1040包括第一活性材料颗粒，第二层1042包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层1040的第一活性材料具有大于第二层1042的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层1040的活性材料具有低于第二层1042的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阳极1004的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极302所描述的相同。相应地，脱锂第一层1040的第一活性材料的自由能可大于脱锂第二层1042的第二活性材料的自由能。此外，第一层1040的第一活性材料的固态扩散率可小于第二层1042的第二活性材料的固态扩散率。
图11是具有多层阴极1102和多层阳极1104的说明性电化学电池1100的示意性截面图。电化学电池1100是图1的电化学电池100的示例，多层阴极1102是图3的电极302的示例，多层阳极1104是图2的电极202的示例。电池1100包括分隔体1112、电解质1110以及集流体1106和1108。电解质1110使得离子能够在电极之间传输，液体可渗透的聚合物分隔体1112使电极彼此分隔开并且彼此电绝缘。
如上所述，多层阴极1102是电极302的示例，多层阳极1104是电极202的示例。因此，阴极1102的部件和特征与上文关于电极302所述的相应元件和特征基本相同，阳极1104的部件和特征与上文关于电极202所述的相应元件和特征基本相同。
阴极1102包括第一层1130和第二层1132。第一层1130与集流体1106相邻，第二层1132与第一层和分隔体1112相邻(并介于两者中间)。第一层1130和第二层1132的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体1106的方向测量的。
第一层1130包括第一活性材料颗粒，第二层1132包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层1130的第一活性材料具有大于第二层1132的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层1130的活性材料具有低于第二层1132的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阴极1102的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极302所描述的相同。相应地，脱锂第一层1130的第一活性材料的自由能可大于脱锂第二层1132的第二活性材料的自由能。此外，第一层1130的第一活性材料的固态扩散率可小于第二层1132的第二活性材料的固态扩散率。
阳极1104包括第一层1140和第二层1142。第一层1140与集流体1108相邻，第二层1142与第一层和分隔体1112相邻(并介于两者中间)。第一层1140和第二层1142的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体1108的方向测量的。
第一层1140包括第一活性材料颗粒，第二层1142包括第二活性材料颗粒。在一些示例中，第一层1140的第一活性材料具有大于第二层1142的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。在一些示例中，第一层1140的活性材料具有低于第二层1142的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。
关于阳极1104的各层的材料组成和尺寸分布的特征基本与关于电极202所描述的相同。相应地，锂化第一层1140的第一活性材料的自由能可低于锂化第二层1142的第二活性材料的自由能。此外，第一层1140的第一活性材料的固态扩散率可大于第二层1142的第二活性材料的固态扩散率。
图12是具有多层阴极1202和多层阳极1204的说明性电化学电池1200的示意性截面图。电化学电池1200是图1的电化学电池100的示例，阴极1202是图3的电极302的示例，阳极1204是图2的电极202的示例。电池1200也是图11的电化学电池1100的示例(见上文)。电池1200包括分隔体1212、电解质1210以及集流体1206和1208。电解质1210使得离子能够在电极之间传输，液体可渗透的聚合物分隔体1212使电极彼此分隔开并且彼此电绝缘。
如上所述，多层阴极1202是电极302的示例，多层阳极1204是电极202的示例。因此，阴极1202的部件和特征与上文关于电极302所述的相应元件和特征基本相同，阳极1204的部件和特征与上文关于电极202所述的相应元件和特征基本相同。
阴极1202包括第一层1230和第二层1232。第一层1230与集流体1206相邻，第二层1232与第一层和分隔体1212相邻(并介于两者中间)。第一层1230和第二层1232的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体1206的方向测量的。
第一层1230包括第一活性材料颗粒，第二层1232包括第二活性材料颗粒。在本示例中，第一层1230的第一活性材料具有小于第二层1232的活性材料的活性体积分数和/或活性质量分数。另外，第一层1230的第一活性材料颗粒的第一尺寸分布小于第二层1232的第二活性材料颗粒的第二尺寸分布。通过使第一分布的中值粒度小于第二分布的中值粒度，第一分布可以小于第二分布。
在此示例中，第一层1230的第一活性材料基本上由LMO组成，第二层1232的第二活性材料基本上由NMC组成。因此，脱锂第一层1230的第一活性材料的自由能(约3.9V，相对于Li/Li+)大于脱锂第二层1232的第二活性材料的自由能(约3.8V，相对于Li/Li+)。另外，第一层1230的第一活性材料的固态扩散率大于第二层1232的第二活性材料的固态扩散率。
阳极1204包括第一层1240和第二层1242。第一层1240与集流体1208相邻，第二层1242与第一层和分隔体1212相邻(并介于两者中间)。第一层1240和第二层1242的每一个均可以基本为平面的，其厚度是相对垂直于集流体1208的方向测量的。
第一层1240包括第一活性材料颗粒，第二层1242包括第二活性材料颗粒。在本示例中，第一层1240的第一活性材料的活性体积分数大约等于第二层1242的活性材料的活性体积分数。另外，第一层1240的第一活性材料颗粒的第一尺寸分布小于第二层1242的第二活性材料颗粒的第二尺寸分布。
此示例中，第一层1240的第一活性材料包括硬碳(例如，非石墨碳)和一氧化硅中的一种或多种，第二层1242的第二活性材料包括石墨碳。因此，锂化第一层1240的第一活性材料的自由能低于锂化第二层1242的第二活性材料的自由能。此外，第一层1240的第一活性材料的固态扩散率大于第二层1242的第二活性材料的固态扩散率。
D.用于制造多层电极的说明性方法和装置
本章节描述了用于形成包括多个层的电极的说明性方法1300的步骤，见图13至图14。
本文描述的电极和制造装置的各方面可以在以下描述的方法步骤中利用。在合适的情况下，可以参考在执行每个步骤时可以使用的部件和系统。这些参考仅用于说明，而不旨在限制实施该方法的任何特定步骤的可能方式。
图13是示出了在说明性方法中执行的步骤的流程图，并且可能未列举该方法的完整过程或所有步骤。尽管在下文描述并在图13中描绘了方法1300的多个步骤，但是这些步骤不必须全部执行，并且在某些情况下可以同时执行，或者以与所示顺序不同的顺序执行。
方法1300的步骤1302包括提供衬底。在一些示例中，衬底包括集流体，例如上述集流体206、306(及其他集流体)。在一些示例中，衬底包括金属箔。
方法1300接下来包括多个步骤，其中衬底的至少一部分涂覆有活性材料复合物。这可以通过使衬底移动经过如下所述对衬底进行涂覆的活性材料复合物分配器(反之亦然)来完成。可以选择每个活性材料复合物层中的活性材料颗粒的组成以获得本文所述的益处、特征和结果。
方法1300的步骤1304包括在衬底的第一侧上涂覆复合电极第一层。在一些示例中，第一层可以包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一颗粒，第一颗粒具有第一平均粒度(或其他第一颗粒分布)。
步骤1304的涂覆过程可以包括任何合适的涂覆方法，诸如槽压模(slot die)、刮刀涂覆(blade coating)、基于喷涂的涂覆(spray-based coating)、静电喷射涂覆(electrostatic jet coating)等。在一些示例中，第一层被涂覆以湿溶剂浆料，例如水或NMP(N-甲基-2-吡咯烷酮)、黏合剂、导电添加剂和活性材料。在一些示例中，第一层被干涂以活性材料及黏合剂和/或导电添加剂。步骤1304可以可选地包括对复合电极第一层进行干燥。
方法1300的步骤1306包括在衬底的第一侧上将复合电极第二层涂覆至第一层上，形成多层(例如，分层的)结构。第二层可包括通过第二黏合剂黏在一起的多个第二颗粒，第二颗粒具有第二平均粒度(或其他第二颗粒分布)。
在一些示例中，步骤1304和1306可以基本同时执行。例如，两种活性材料浆料可以同时通过其各自的孔口挤出。这形成了两层的浆料珠并在移动的衬底上进行涂覆。在一些示例中，可以对在第一活性材料浆料和第二活性材料浆料之间的黏度差异、表面张力差异、密度差异、固体含量差异和/或所使用的不同溶剂进行定制，以在两个活性材料复合物层之间的边界处产生互穿指状结构。在一些实施方案中，黏度、表面张力、密度、固体含量和/或溶剂可以基本相似。可以通过在第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的湿界面处的湍流来促进互穿结构的产生，从而产生两种活性材料电极浆料的部分互混。
为了确保干燥过程中的适当固化，第一层(最接近集流体)可以被配置为先于第二层(离集流体较远)干燥溶剂，以避免在所得的干燥涂层中产生成膜(skin-over)效应和起泡。
方法1300可以可选地包括在步骤1308中干燥复合电极，和/或在步骤1310中压延复合电极。在这些可选步骤中，第一层和第二层可以作为组合结构经历干燥过程和压延过程。在一些示例中，步骤1308和1310可以相结合(例如，在热轧过程中)。在一些示例中，干燥步骤1308包括加热形式和接近和离开电极的能量传输形式(例如，对流、传导、辐射)，以加快干燥过程。在一些示例中，压延步骤1310被另一压缩、压制或压实过程代替。在一些示例中，可以通过将组合的第一层和第二层压制在衬底上来压延电极，使得电极密度以不均匀的方式提高，其中第一层具有第一孔隙率，第二层具有较低的第二孔隙率。
转到图14，现在将描述适合与方法1300一起使用的说明性系统1400。在一些示例中，可使用具有至少两个流体槽、流体腔、流体管线和流体泵的槽压模涂覆头来制造以多个活性材料复合物层为特征的电池电极。系统1400包括被配置为制造具有两层的电极的双腔槽压模涂覆头。在一些示例中，可以使用另外的腔来产生另外的层。
系统1400是一种制造系统，其中箔衬底1402(例如，集流体衬底206、306等)由旋转的背衬辊1404传输通过固定的分配器装置1406。分配器装置1406可以包括被配置为将一层或多层活性材料浆料均匀地涂覆至衬底上的任何合适的分配器，如方法1300的步骤1304和1306所述。在一些示例中，当分配器头移动时，衬底可以保持静止。在一些示例中，两者都可以移动。
分配器装置1406可以包括例如双室槽压模涂覆装置，其具有带有两个孔口1410和1412的涂覆头1408。浆料输送系统在压力下将两种不同的活性材料浆料供应至涂覆头。由于背衬辊1404的旋转特性，离开下部孔口或槽1410的材料将在离开上孔口或槽1412的材料之前接触衬底1402。因此，第一层1414将被施加至衬底，并且第二层1416将被施加至第一层的顶部。
因此，方法1300的相应步骤可以具有如下特征。使集流体衬底和活性材料复合物分配器相对彼此移动，并使用分配器在衬底的至少一部分上涂覆活性材料复合物。在这种情况下，涂覆包括：使用分配器的第一孔口或槽将第一层浆料施加至衬底上，并使用分配器的第二孔口或槽将第二层不同的浆料施加至第一层上。
E.说明性组合和另外的示例
本章节描述了具有一个或多个多层电极的电化学电池的另一些方面和特征，无限制地将这些特征呈现为一系列段落，为了清楚和高效，可用字母数字表示其中的一些或全部段落。这些段落中的每一个可以以任何合适的方式与一个或多个其他段落组合，和/或与本申请中其他地方的公开内容相结合。下面的某些段落明确地引用并进一步限定另一些段落，以无限制地提供一些合适组合的示例。
A0.一种电化学电池，包括：
第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；和
电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；
所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：
第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化自由能；
第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化自由能；
其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一锂化自由能小于所述第二锂化自由能。
A1.根据A0所述的电化学电池，其中，所述第二电极为基本均质的，使得所述第二电极包括被形成为从所述分隔体延伸至第二集流体衬底的单层的活性材料复合物。
A2.根据段落A0或A1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极。
A3.根据A2所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。
A4.根据A2所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳和一氧化硅组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。
A5.根据A2所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由钛酸锂组成。A6.根据A0或A1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阴极。
A7.根据A6所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由磷酸铁锂组成。
A8.根据A7所述的电化学电池，其中，所述第二活性材料颗粒包括氧化物。
A9.根据段落A0至A8中任一项所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒的第一平均体积尺寸小于所述第二活性材料颗粒的第二平均体积尺寸。
B0.一种电化学电池，包括：
第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；和
电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；
所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：
第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔脱锂自由能；
第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔脱锂自由能；
其中所述第一固态扩散率低于所述第二固态扩散率，并且所述第一脱锂自由能大于所述第二脱锂自由能。
B1.根据B0所述的电化学电池，其中，所述第二电极为基本均质的，使得所述第二电极包括被形成为从所述分隔体延伸至第二集流体衬底的单层的活性材料复合物。
B2.根据B0或B1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极。
B3.根据B2所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。
B4.根据B2所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由钛酸锂组成。
B5.根据B0或B1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阴极。
B6.根据B5所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由氧化锂锰组成，并且所述第二活性材料颗粒包括镍。
B7.根据B6所述的电化学电池，其中，所述第二活性材料颗粒基本上由锂镍钴铝氧化物组成。
B8.根据B0所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒的第一平均体积尺寸小于所述第二活性材料颗粒的第二平均体积尺寸。
C0.一种电极，包括：
集流体衬底；和
活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述衬底上，其中所述活性材料复合物包括：
第一层，所述第一层与所述集流体衬底相邻并包括多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化能量；
第二层，所述第二层与所述第一层相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化能量；
其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一每摩尔锂化能量小于所述第二每摩尔锂化能量。
C1.根据C0所述的电极，其中，所述电极为阳极。
C2.根据C1所述的电极，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。
C3.根据C1所述的电极，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳和一氧化硅组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。
C4.根据C1所述的电极，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由钛酸锂组成。
C5.根据C0所述的电极，其中，所述电极为阴极。
C6.根据C5所述的电极，其中，所述第一活性材料颗粒基本上由磷酸铁锂组成。
C7.根据C6所述的电极，其中，所述第二活性材料颗粒包括氧化物。
C8.根据段落C0、C1或C5所述的电极，其中，所述第一活性材料颗粒的第一平均体积尺寸小于所述第二活性材料颗粒的第二平均体积尺寸。
结论
上文阐述的公开内容可涵盖具有独立效用的多个不同的示例。尽管已经以其优选形式公开了每一个示例，但是本文公开和示出的其特定实施方案不应被认为是限制性的，因为可以进行多种变型。在本公开内使用的章节标题方面，此类标题仅用于组织目的。本公开的主题包括本文公开的多种要素、特征、功能和/或特性的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。以下权利要求特别指出了被认为是新颖且非显而易见的某些组合和子组合。各特征、功能、要素和/或特性的其他组合和子组合可在要求本申请或相关申请优先权的申请中要求保护。这样的权利要求，无论在范围上与原始权利要求相比更宽、更窄、相同或不同，都被认为包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种电化学电池，包括：
第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；和
电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；
所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：
第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化自由能；
第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化自由能；
其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一锂化自由能小于所述第二锂化自由能。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第二电极为基本均质的。
3.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。
4.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳和一氧化硅组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。
5.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极，并且所述第一活性材料颗粒基本上由钛酸锂组成。
6.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阴极，并且所述第一活性材料颗粒基本上由磷酸铁锂组成。
7.根据权利要求6所述的电化学电池，其中，所述第二活性材料颗粒包括氧化物。
8.根据权利要求1所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒的第一平均体积尺寸小于所述第二活性材料颗粒的第二平均体积尺寸。
9.一种电化学电池，包括：
第一电极，所述第一电极与第二电极通过液体可渗透分隔体分隔开；和
电解质，所述电解质大体遍及所述第一和第二电极设置；
所述第一电极包括第一集流体衬底和活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述第一集流体衬底上，其中所述活性材料复合物包括：
第一层，所述第一层与所述第一集流体衬底相邻并包括通过第一黏合剂黏在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔脱锂自由能；
第二层，所述第二层与所述液体可渗透分隔体相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔脱锂自由能；
其中所述第一固态扩散率低于所述第二固态扩散率，并且所述第一脱锂自由能大于所述第二脱锂自由能。
10.根据权利要求9所述的电化学电池，其中，所述第二电极为基本均质的。
11.根据权利要求9所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极，并且所述第一活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。
12.根据权利要求9所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阳极，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由钛酸锂组成。
13.根据权利要求9所述的电化学电池，其中，所述第一电极为阴极，所述第一活性材料颗粒基本上由氧化锂锰组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由镍组成。
14.根据权利要求9所述的电化学电池，其中，所述第一活性材料颗粒的第一平均体积尺寸小于所述第二活性材料颗粒的第二平均体积尺寸。
15.一种电极，包括：
集流体衬底；和
活性材料复合物，所述活性材料复合物层铺在所述衬底上，其中所述活性材料复合物包括：
第一层，所述第一层与所述集流体衬底相邻并包括多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒被配置为具有第一固态扩散率和第一每摩尔锂化能量；
第二层，所述第二层与所述第一层相邻并包括多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒被配置为具有第二固态扩散率和第二每摩尔锂化能量；
其中所述第一固态扩散率大于所述第二固态扩散率，并且所述第一每摩尔锂化能量小于所述第二每摩尔锂化能量。
16.根据权利要求15所述的电极，其中，所述电极为阳极，所述第一活性材料颗粒包括硬碳，并且所述第二活性材料颗粒包括石墨碳。
17.根据权利要求15所述的电极，其中，所述电极为阳极，所述第一活性材料颗粒基本上由硬碳和一氧化硅组成，并且所述第二活性材料颗粒基本上由石墨碳组成。
18.根据权利要求15所述的电极，其中，所述电极为阴极，并且所述第一活性材料颗粒基本上由磷酸铁锂组成。
19.根据权利要求18所述的电极，其中，所述第二活性材料颗粒包括氧化物。
20.根据权利要求15所述的电极，其中，所述第一活性材料颗粒的第一平均体积尺寸小于所述第二活性材料颗粒的第二平均体积尺寸。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023193562A1 (zh) * 2022-04-07 2023-10-12 珠海冠宇电池股份有限公司 负极片及锂离子电池

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113544874A (zh) * 2018-11-15 2021-10-22 美商映能量公司 具有高速顶层的分层电极
JP7340780B2 (ja) * 2019-01-30 2023-09-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 角形非水電解質二次電池
CN112701258A (zh) * 2019-10-23 2021-04-23 美商映能量公司 具有镍梯度的多层阴极
CN113113568A (zh) * 2020-08-07 2021-07-13 昆山宝创新能源科技有限公司 梯度电势分布的负电极、锂离子电池及其制备方法和应用
CN113113567A (zh) * 2020-08-07 2021-07-13 昆山宝创新能源科技有限公司 梯度电势分布的正电极、锂离子电池及其制备方法和应用
US20220149340A1 (en) * 2020-11-12 2022-05-12 EnPower, Inc. Anode having high top layer sphericity
CN112652736A (zh) * 2020-12-28 2021-04-13 蜂巢能源科技有限公司 一种负极极片及其制备方法和应用
US20220352504A1 (en) * 2021-04-29 2022-11-03 EnPower, Inc. Layered electrode with high rate top layer
WO2023278318A1 (en) * 2021-07-02 2023-01-05 Sion Power Corporation Solid-state electrochemical cell components and related systems and methods
SE2250159A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-17 Northvolt Ab Multi-layered electrode
SE2250158A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-17 Northvolt Ab Single-layer anode
SE2250160A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-17 Northvolt Ab Secondary cell with a lithium ion storage layer

Citations (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5451477A (en) * 1993-06-03 1995-09-19 Sony Corporation Non-aqueous liquid electrolyte secondary battery
KR20010025881A (ko) * 1999-09-01 2001-04-06 김순택 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조 방법
US20030054249A1 (en) * 2001-03-27 2003-03-20 Nec Corporation Anode for secondary battery and secondary battery therewith
US20070281214A1 (en) * 2006-06-02 2007-12-06 Hidesato Saruwatari Nonaqueous electrolyte battery, battery pack and rechargeable vacuum cleaner
US20080057401A1 (en) * 2006-09-01 2008-03-06 Sony Corporation Negative electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same
US20090061314A1 (en) * 2007-08-30 2009-03-05 Ming Dong Method of Processing Active Materials For Use In Secondary Electrochemical Cells
CN101542786A (zh) * 2006-09-13 2009-09-23 威伦斯技术公司 二次电化学电池用活性材料的制备方法
US20100086857A1 (en) * 2005-12-27 2010-04-08 Hiroshi Higuchi Electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery using same
JP2010238426A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Nissan Motor Co Ltd リチウムイオン二次電池用負極およびこれを用いたリチウムイオン二次電池
US20110168550A1 (en) * 2010-01-13 2011-07-14 Applied Materials, Inc. Graded electrode technologies for high energy lithium-ion batteries
US20120183842A1 (en) * 2009-09-29 2012-07-19 Nec Corporation Secondary battery
US20130052489A1 (en) * 2011-08-30 2013-02-28 Aruna Zhamu Surface-mediated lithium ion-exchanging energy storage device
US20130126053A1 (en) * 2011-11-22 2013-05-23 Chung Yuan Christian University Sn-Sb-Ni Ternary Compound And Method For Forming the same
CN103160224A (zh) * 2011-12-15 2013-06-19 埃纳德尔公司 使用水基粘结剂浆料涂覆无序碳活性材料
US20130260246A1 (en) * 2012-04-02 2013-10-03 Guorong Chen Lithium-ion cell having a high energy density and high power density
US20140162118A1 (en) * 2012-12-10 2014-06-12 Industrial Technology Research Institute Electrode structure of lithium ion battery
US20140170476A1 (en) * 2012-12-19 2014-06-19 Imra America, Inc. Negative electrode active material for energy storage devices and method for making the same
US20140287316A1 (en) * 2013-01-25 2014-09-25 Lg Chem, Ltd. Anode for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same
US20150194678A1 (en) * 2014-01-06 2015-07-09 Lg Chem, Ltd. Anode for secondary battery and lithium secondary battery including same
US20150246816A1 (en) * 2014-02-28 2015-09-03 GM Global Technology Operations LLC Methods for making hollow carbon materials and active materials for electrodes
CN104919632A (zh) * 2013-06-20 2015-09-16 株式会社Lg化学 锂二次电池用高容量电极活性材料和使用其的锂二次电池
CN105514351A (zh) * 2014-10-10 2016-04-20 三星电子株式会社 柔性电极组件和具有该电极组件的电化学装置
DE102014221279A1 (de) * 2014-10-21 2016-04-21 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kompositelektrode und diese umfassende Lithiumionenbatterie sowie Verwendung der Lithiumionenbatterie in einem Kraftfahrzeug
US20170294687A1 (en) * 2016-04-07 2017-10-12 StoreDot Ltd. Buffering zone for preventing lithium metallization on the anode of lithium ion batteries

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9673447B2 (en) * 2012-04-12 2017-06-06 Nanotek Instruments, Inc. Method of operating a lithium-ion cell having a high-capacity cathode
EP2973800B1 (en) * 2013-03-13 2023-09-27 QuantumScape Battery, Inc. Iron, fluorine, sulfur compounds for cathodes
US10388983B2 (en) * 2015-08-24 2019-08-20 Nanotek Instruments, Inc. Rechargeable lithium batteries having an ultra-high volumetric energy density and required production process

Patent Citations (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5451477A (en) * 1993-06-03 1995-09-19 Sony Corporation Non-aqueous liquid electrolyte secondary battery
KR20010025881A (ko) * 1999-09-01 2001-04-06 김순택 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조 방법
US20030054249A1 (en) * 2001-03-27 2003-03-20 Nec Corporation Anode for secondary battery and secondary battery therewith
US20100086857A1 (en) * 2005-12-27 2010-04-08 Hiroshi Higuchi Electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery using same
US20070281214A1 (en) * 2006-06-02 2007-12-06 Hidesato Saruwatari Nonaqueous electrolyte battery, battery pack and rechargeable vacuum cleaner
US20080057401A1 (en) * 2006-09-01 2008-03-06 Sony Corporation Negative electrode, and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same
CN101542786A (zh) * 2006-09-13 2009-09-23 威伦斯技术公司 二次电化学电池用活性材料的制备方法
US20090061314A1 (en) * 2007-08-30 2009-03-05 Ming Dong Method of Processing Active Materials For Use In Secondary Electrochemical Cells
JP2010238426A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Nissan Motor Co Ltd リチウムイオン二次電池用負極およびこれを用いたリチウムイオン二次電池
US20120183842A1 (en) * 2009-09-29 2012-07-19 Nec Corporation Secondary battery
US20110168550A1 (en) * 2010-01-13 2011-07-14 Applied Materials, Inc. Graded electrode technologies for high energy lithium-ion batteries
US20130052489A1 (en) * 2011-08-30 2013-02-28 Aruna Zhamu Surface-mediated lithium ion-exchanging energy storage device
US20130126053A1 (en) * 2011-11-22 2013-05-23 Chung Yuan Christian University Sn-Sb-Ni Ternary Compound And Method For Forming the same
CN103160224A (zh) * 2011-12-15 2013-06-19 埃纳德尔公司 使用水基粘结剂浆料涂覆无序碳活性材料
US20130260246A1 (en) * 2012-04-02 2013-10-03 Guorong Chen Lithium-ion cell having a high energy density and high power density
US20140162118A1 (en) * 2012-12-10 2014-06-12 Industrial Technology Research Institute Electrode structure of lithium ion battery
US20140170476A1 (en) * 2012-12-19 2014-06-19 Imra America, Inc. Negative electrode active material for energy storage devices and method for making the same
US20140287316A1 (en) * 2013-01-25 2014-09-25 Lg Chem, Ltd. Anode for lithium secondary battery and lithium secondary battery including the same
CN104919632A (zh) * 2013-06-20 2015-09-16 株式会社Lg化学 锂二次电池用高容量电极活性材料和使用其的锂二次电池
US20150194678A1 (en) * 2014-01-06 2015-07-09 Lg Chem, Ltd. Anode for secondary battery and lithium secondary battery including same
US20150246816A1 (en) * 2014-02-28 2015-09-03 GM Global Technology Operations LLC Methods for making hollow carbon materials and active materials for electrodes
CN105514351A (zh) * 2014-10-10 2016-04-20 三星电子株式会社 柔性电极组件和具有该电极组件的电化学装置
DE102014221279A1 (de) * 2014-10-21 2016-04-21 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kompositelektrode und diese umfassende Lithiumionenbatterie sowie Verwendung der Lithiumionenbatterie in einem Kraftfahrzeug
US20170294687A1 (en) * 2016-04-07 2017-10-12 StoreDot Ltd. Buffering zone for preventing lithium metallization on the anode of lithium ion batteries

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023193562A1 (zh) * 2022-04-07 2023-10-12 珠海冠宇电池股份有限公司 负极片及锂离子电池

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US20190296332A1 (en) 2019-09-26
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