CN112640184A - 用集流体基底上的隔膜材料制造电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于制造电池单元部件的方法，该方法包括提供集流体箔并将隔膜以隔开的间隔放置在集流体箔上。本发明还提供了电池单元部件、电池以及电动或混合动力车辆。
Description
本发明总体上涉及电池，并且更具体地涉及用于电动车辆的电池。
背景技术
典型的锂离子电池组(堆)将具有阳极、隔膜、阴极和集流体。美国专利公开号No.2017/0012264公开了电极涂层，其可被涂覆在隔膜层的整个表面上、以通道或条带涂覆在隔膜层上、或以贴片或矩形成型件涂覆在隔膜层上。电池组还包括集流体，该集流体可为与电极层相邻的一个或多个集流层。集流体可包括例如单个导电金属层或涂层，例如烧结金属颗粒层。可用作集流体的示例性导电金属层是包括镍的烧结金属颗粒的层，其也可用于阳极层或阴极层两者。在本发明的其他实施方式中，导电金属层可包括铝，例如铝箔，其可用作正电极或阴极层的集流体和基底。在其他实施方式中，导电金属层可包括铜，例如铜箔，其可用作负电极或阳极层的集流体和基底。
发明内容
本发明力求使工具、器件和机器的数量最小化，以缩短制造时间并降低投资和生产成本。
本发明提供一种用于制造电池单元部件的方法，该方法包括：
提供集流体箔；和
将隔膜以隔开的间隔(或以一定的间隔)放置在所述集流体箔上。
通常由聚合物箔制成的隔膜由于其稳定性而典型地在制造过程中形成基底。然而，本发明使用集流体箔来支撑隔膜，其尽管在某些方面由于该集流体箔而从制造的角度来看更敏感，但可减少生产时间并降低投资和生产成本。可将箔从卷展开，并在将隔膜放在所述箔上的同时进行移动。
隔膜可作为涂层放置，或优选周期性地作为独立的隔膜或作为隔膜电解质单元放置在集流体的一侧或两侧上，因此可形成所谓的隔膜电解质集流体单元(SE集流体(SE-collector))。
集流体可为具有1至50μm的厚度并且由铜、铝、镍、涂覆在铝或石墨上的镍组成的箔。
能够将锂离子从一侧传导至另一侧并返回的隔膜在本文中被称为“sepolyte”。sepolyte可为浸有液体电解质或凝胶电解质的聚合物隔膜、固体聚合物隔膜/电解质如基于PEO的隔膜或者固态电解质例如氧化锂或硫化物玻璃或玻璃陶瓷或陶瓷。
如果集流体的仅一侧具有隔膜或sepolyte，则另一侧可周期性地涂覆有阴极的活性材料或阳极材料。在一侧上是隔膜或sepolyte，以及在另一侧上是由阴极或阳极材料制成的电极，它们周期性地直接粘结在集流体上并形成所谓的SEEL集流体单元(隔膜-电解质-电极-集流体单元)。
根据隔膜/sepolyte的性质，可将润滑层放置在隔膜/sepolyte与集流体之间。该润滑层是软的，并且允许在电池单元的制造和充电/放电过程中滑动并减少隔膜/sepolyte与集流体之间的摩擦。润滑层相对于集流体更软，以最小化施加到sepolyte上的物理应力，并具有良好的电导率。
集流体上的润滑层可由诸如石墨的软材料或包括钠、钾、镁或钙的软的轻金属制成，或者由诸如锡、铅、铋或镉的软的重金属制成，或者由诸如伍德金属的合金或诸如锡铅焊料、软焊料和低锑软焊料的合金制成。润滑层300的厚度可为0.05至500μm、优选0.07至100μm、并且最优选0.1至5μm。
如果使用润滑层，则集流体将在一侧或两侧上涂覆有润滑层，并形成润滑集流体(current-lubrication collector)，即所谓的CULUB集流体。可将隔膜或sepolyte周期性地放到CULUB集流体的一侧或两侧上，或者直接地在CULUB集流体的一侧或两侧上制造。
如果CULUB集流体的仅一侧具有隔膜或sepolyte，则另一侧可周期性地涂覆有阴极或阳极活性材料的电极。整个单元可以卷对卷工艺进行处理，并形成所谓的SELUEL集流体单元(隔膜-电解质-润滑层-电极-集流体单元)或SEDLUEL集流体单元(隔膜-电解质-双润滑层-电极-集流体单元)。
隔膜或sepolyte以及用于阴极或阳极的电极被固定并结合至集流体或CULUB集流体。该单元可容易地进行后续步骤。
然后将连续连接的sepolyte-集流体-电极的单元切割成单个的sepolyte-集流体-电极的单元或sepolyte-CULUB集流体-电极单元。为了更好地和更快地制造这些单元，可使用聚合物框架来制造聚合物框架支撑的sepolyte-集流体-电极或sepolyte-CULUB集流体-电极单元。
可将框架支撑的单元堆叠以形成单个SELU-集流体单元或SELUEL-集流体单元的堆栈。
本发明还提供根据上述方法制造的电池单元部件，以及包括该电池单元部件的电动或混合动力车辆。还提供用于电动或混合动力车辆的电池，包括：附接至第一聚合物框架的第一集流体；延伸穿过所述第一聚合物框架的附接至所述第一集流体的第一电极；和与所述第一电极相对的第一隔膜；附接至第二聚合物框架的第二集流体；延伸穿过所述第二聚合物框架的附接至所述第二集流体的第二电极；和与所述第二电极相对的第二隔膜；被连接的第一电极和第二隔膜。还提供包括所述电池的电动或混合动力车辆。
附图说明
如下所述，将针对根据本发明的电池单元部件的不同示例性实施方式来详细地描述本发明，其中：
图1示出了将隔膜材料放置在集流体箔上以形成SE-集流器单元的示意图；
图2示出了图1的侧视图；
图3示出了附接至SEEL集流体单元的电极材料；
图4示出了图3的侧视图；
图5示出了第二实施方式，其中在第一侧上存在润滑层以形成具有隔膜材料的CULUB集流体；
图6示出了图5的侧视图；
图7示出了图6的第二实施方式，其中电极材料在CULUB集流体的相对的第二侧上；
图8示出了图7的侧视图；
图9示出了另一实施方式的侧视图，其中润滑层在CULUB集流体的相对的第二侧上。
图10示出了图7的实施方式的俯视图，其被切成单独的作为分别支撑在聚合物框架中的SELUEL集流体单元的电池部件；
图11示出了图10的实施方式的侧视图，其中电极材料延伸穿过聚合物框架中的窗口；
图12示出了四个堆叠的单独的SELUEL集流体单元，每个单元被单独地支撑在具有单个窗口的聚合物框架中；和
图13示出了具有封装的壳体的电池部件；
图14示出了类似于图13的电池部件，但是其中双面润滑层在集流体箔上；
图15示出了带框的(framed)电池部件中的图3的SEEL集流体单元；和
图16示意性地示出了具有由本发明的部件制成的电池的电动车辆。
具体实施方式
图1和图2示出了将隔膜100、101放置在集流体箔200上以形成所谓的SE集流体单元的示意图。集流体箔可从卷中展开，并且隔膜可作为独立的隔膜或作为隔膜-电解质单元被周期性地放置。集流体可为具有1至50μm的厚度并且由铜、铝、镍、涂覆在铝或石墨上的镍组成的箔。隔膜100、101可为sepolyte例如浸有液体电解质或凝胶电解质的聚合物隔膜、固体聚合物隔膜/电解质如基于PEO的隔膜或者固态电解质例如氧化锂或硫化物玻璃或玻璃陶瓷或陶瓷。然而，首先，放置在图1中的隔膜100、101可简单地为聚合物基的隔膜材料，该材料随后可用凝胶或电解质浸泡以形成隔膜100、101，因此本文中使用的术语“隔膜”是更宽泛的术语，其包括能够传递锂或类似的电池材料离子的隔膜基础材料和隔膜，而术语sepolyte仅包括能够传递锂或类似的电池材料离子的隔膜。
可对隔膜100、101进行预处理，并在有或没有粘合剂的情况下将其放置在集流体上。
然后，可在隔膜材料之间将SE集流体单元切割成单个单元，以进行进一步处理，或者将其附接至聚合物框架，以形成带窗口的聚合物箔的“连续的(endless)”卷。因此，单个SE集流体单元位于带有用于电极的窗口的长聚合物箔上，可被再次卷起，以便以后进行进一步处理。
图3和图4示出了由阴极或阳极材料、优选阴极材料制成的电极400，该电极400周期性地直接结合(或粘合)至集流体200以形成SEEL集流体单元。电极材料可为包含粘合剂的阴极或阳极浆料。浆料可通过狭缝式模头被间歇地涂覆至集流体箔的底侧，或者被预处理，并且已经呈待利用其他粘合剂固定至集流体200的形状。常规的锂基材料可用于电极400的阳极或阴极材料。
取决于隔膜/sepolyte的性质，可将润滑层300放置在隔膜100、101和集流体200之间，如图5和图6中所示。润滑层300是软的，并且允许在电池单元的制造和充电/放电过程中滑动并减少隔膜100、101与集流体200之间的摩擦。润滑层300相对于集流体200更软，以最小化施加到隔膜或sepolyte上的物理应力，并具有良好的电导率。
集流体200上的润滑层300可由诸如石墨的软材料或包括钠、钾、镁或钙的软的轻金属制成，或者由诸如锡、铅、铋或镉的软的重金属制成，或者由诸如伍德金属的合金或诸如锡铅焊料、软焊料和低锑软焊料的合金制成。润滑层300的厚度可为0.05至500μm、优选0.07至100μm、并且最优选0.1至5μm。
可将隔膜100、101周期性地放到CULUB集流体上，或者直接地在CULUB集流体上制造。
如果CULUB集流体的仅一侧具有隔膜或sepolyte，则另一侧可周期性地涂覆有阴极或阳极活性材料的电极400，如图7和8中所示。整个单元可以卷对卷工艺进行处理，并形成所谓的SELUEL集流体单元(隔膜-电解质-润滑层-电极-集流体单元)。隔膜100、101、优选地sepolyte以及电极400由此被固定并结合(粘合)至集流体200或CULUB集流体。
图9示出了SEDLUEL集流体单元(隔膜-电解质-双润滑层-电极-集流体单元)，其中第二润滑层301类似于在集流体200和电极400之间的润滑层300。
然后，将如上所述的连续连接的单元切割成单个的sepolyte-集流体-电极的单元或sepolyte-CULUB集流体-电极单元。为了更好地和更快地制造这些单元，可使用具有至少一个窗口的聚合物框架来制造聚合物框架支撑的sepolyte-集流体-电极或sepolyte-CULUB集流体-电极单元。2017年02月14日提交的美国专利申请No.15/432,401号例如描述了这种聚合物框架，并且通过引用将其并入本文中。
图10和11例如示出了图7的实施方式的俯视图，其被切成单独的作为分别支撑在具有两个窗口的聚合物框架500中的SELUEL集流体单元的电池部件，电极400延伸穿过所示窗口。集流体200可围绕所述窗口被结合、固定、安装、胶合、焊接、层压、热粘合或用胶带粘至聚合物框架500，聚合物框架500优选地由聚乙烯、聚丙烯或混合物或聚乙烯/聚丙烯制成。
图12示出了如图7中的四个堆叠的单独的SELUEL集流体单元2001、2002、2003、2004，每个单元被单独地支撑在具有单个窗口的聚合物框架500中。
图13示出了如图12中的电池部件，该电池部件具有带侧壁700的密封壳体。形成单独的隔室600，其可保护电池材料，例如免受其中的空气和湿气的影响。
图14示出了类似于图13的电池部件，但是其中润滑层300、301在集流体200的两侧上，其中润滑层301附接至聚合物框架500。作为替代的第二种可能性是将聚合物框架安装在集流体箔上。在那种情况下，润滑层301不覆盖集流体箔的表面的100％，而在集流体上留下未涂覆的表面，该未涂覆的表面可用于将聚合物框架直接安装至集流体，润滑和电极层然后穿过聚合物框架窗口。
图15示出了在具有壁700和成形隔室600a的带框电池部件中的图3的SEEL集流体单元。
上面描述的电池部件可被连接并用于形成例如用于混合动力或电动车辆的电池。
图16示意性地示出了具有电池1000的电动车辆1002，所述电池1000由本发明的部件制成，用于为电动机1001提供动力。
Claims (20)
1.用于制造电池单元部件的方法，包括：
提供集流体箔；和
将隔膜以隔开的间隔放置在所述集流体箔上。
2.如权利要求1中所述的方法，其中在将所述隔膜放置在所述集流体箔上的同时，移动所述集流体箔。
3.如权利要求1中所述的方法，其中所述隔膜是sepolyte。
4.如权利要求1中所述的方法，其中所述集流体箔的厚度为1至50μm。
5.如权利要求1中所述的方法，其中所述集流体箔由铜、铝、镍、涂覆在铝或石墨上的镍制成。
6.如权利要求1中所述的方法，进一步包括将电极放置在与所述隔膜相对的集流体箔上。
7.如权利要求6中所述的方法，其中所述电极是阴极。
8.如权利要求1中所述的方法，进一步包括向所述集流体箔提供润滑层，所述隔膜被放置在所述润滑层上。
9.如权利要求8中所述的方法，其中所述润滑层的厚度为0.1至5μm。
10.如权利要求8中所述的方法，其中所述润滑层由以下之一制成：石墨、钠、钾、镁、钙、锡、铅、铋、镉、伍德金属和锡铅焊料。
11.如权利要求8中所述的方法，进一步包括在与所述润滑层相对的一侧上向所述集流体箔提供另外的润滑层。
12.如权利要求11中所述的方法，进一步包括将电极放置在与所述隔膜相对的另外的润滑层上。
13.如权利要求1中所述的方法，进一步包括在所述隔膜之间切割集流体箔以形成隔膜-集流体单元。
14.如权利要求13中所述的方法，进一步包括将每个隔膜-集流体单元附接至聚合物框架，以形成框架支撑的隔膜-集流体单元。
15.如权利要求14中所述的方法，进一步包括堆叠框架支撑的集流体单元。
16.如权利要求15中所述的方法，进一步包括将侧壁附接至所述框架支撑的集流体单元的聚合物框架。
17.根据权利要求1中所述的方法制造的电池单元部件。
18.电动或混合动力车辆，其包括根据权利要求17中所述的电池单元部件。
19.用于电动或混合动力车辆的电池，包括：
附接至第一聚合物框架的第一集流体；
延伸穿过所述第一聚合物框架的附接至所述第一集流体的第一电极；和
与所述第一电极相对的第一隔膜；
附接至第二聚合物框架的第二集流体；
延伸穿过所述第二聚合物框架的附接至所述第二集流体的第二电极；和
与所述第二电极相对的第二隔膜；
所述第一电极和所述第二隔膜被连接。
20.电动或混合动力车辆，其包括根据权利要求19中所述的电池。
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