CN117712279A - 包括多孔集流体的锂离子电池组电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了包括多孔集流体的锂离子电池组电极。描述了用于循环锂离子的电化学电池的电池组电极，该电池组电极包括：第一隔离件层，其包括第一侧和第二侧；位于所述第一隔离件层的第一侧上的第一导电多孔层；以及活性材料层，以循环锂离子，其包括第一侧和第二侧，其中所述活性材料层的第一侧与所述第一导电多孔层接触。

Description

包括多孔集流体的锂离子电池组电极
技术领域
本公开涉及电池组，更具体地，涉及锂离子电池组。
背景技术
本节中提供的信息是为了一般性地呈现本公开的背景的目的。在本节中对其进行描述的程度上，当前署名的发明人的工作，以及在提交时可能不以其它方式构成现有技术的描述的各方面，既不明示地也不暗示地被认为是相对于本公开的现有技术。
本公开涉及电池组，更具体地，涉及锂离子电池组。
具有发动机的车辆包括用于起动发动机并支持附属负载的电池组。电动车辆(EV)，例如纯电动车辆(battery electric vehicles，BEV)、混合动力车辆和/或燃料电池车辆，包括一个或多个电机和电池组系统，该电池组系统包括一个或多个电池组电池、模块和/或电池包(packs)以提供推进功率。功率控制系统用于在充电、推进和/或再生期间控制进/出电池组系统的功率。
锂离子电池组(LIB)具有高功率密度，并且用于EV和非EV应用。LIB包括阳极电极、阴极电极和隔离件。阳极电极包括布置在集流体的相对侧上的活性材料。阴极电极包括布置在集流体的相对侧上的阴极活性材料。集流体通常具有在8μm至25μm范围内的厚度。
发明内容
在一个特征中，描述了一种用于循环锂离子的电化学电池的电池组电极，该电池组电极包括：第一隔离件层，其包括第一侧和第二侧；位于所述第一隔离件层的第一侧上的第一导电多孔层；以及活性材料层，以循环锂离子，其包括第一侧和第二侧，其中所述活性材料层的第一侧与所述第一导电多孔层接触。
在进一步的特征中，活性材料层包含选自石墨、硅(Si)、锂氧化物(LiOx)、Li金属或其组合的阳极活性材料。
在进一步的特征中，活性材料层包含选自磷酸锰铁锂(LMFP)、锂锰氧化物(LMO)、镍锰钴(NMC)、镍锰钴铝(NCMA)、磷酸铁锂(LFP)或其组合的阴极活性材料。
在进一步的特征中：第二隔离件层包括第一侧和第二侧；第二导电多孔层位于所述第二隔离件层的第一侧上，其中所述活性材料层的第二侧与所述第二导电多孔层接触。
在进一步的特征中：活性材料层包括阳极活性材料层，并且活性材料层包括一个或多个导电多孔层，所述一个或多个导电多孔层布置在位于活性材料层的第一侧和第二侧之间的阳极活性材料层的子层之间。
在进一步的特征中：活性材料层包括阳极活性材料层，并且所述阳极活性材料层包括：第二隔离件层，其包括第一侧和第二侧；第二导电多孔层，其布置在所述第二隔离件层的第一侧上；第三导电多孔层，其布置在所述第二隔离件层的第二侧上；第一阳极活性材料子层，其布置在所述第一导电多孔层的一侧上；以及第二阳极活性材料子层，其布置在所述第二导电多孔层的一侧上。
在进一步的特征中，第一导电多孔层包含选自铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)、铁(Fe)、碳(C)、铝(Al)或其组合的材料。
在进一步的特征中，第一导电多孔层具有小于、等于或大于1μm的厚度。
在进一步的特征中，活性材料层具有在10μm至100μm的预定范围内的厚度。
在进一步的特征中，隔离件包含二氧化硅(SiO2)。
在一个特征中，一种用于制造用于循环锂离子的电化学电池的电池组电极的方法包括：提供包括第一侧和第二侧的第一隔离件层；在所述第一隔离件层的第一侧上形成第一导电多孔层；以及在所述第一导电多孔层上涂布包括第一侧和第二侧的活性材料层以促进锂离子的循环。
在进一步的特征中，活性材料层包含选自石墨、硅(Si)、锂氧化物(LiOx)、Li金属或其组合的阳极活性材料。
在进一步的特征中，活性材料层包含选自磷酸锰铁锂(LMFP)、锂锰氧化物(LMO)、镍锰钴(NMC)、镍锰钴铝(NCMA)、磷酸铁锂(LFP)或其组合的阴极活性材料。
在进一步的特征中，该方法还包括：提供包括第一侧和第二侧的第二隔离件层；在所述第二隔离件层的第一侧上形成第二导电多孔层；以及将所述活性材料层的第二侧布置成与所述第二导电多孔层接触。
在进一步的特征中：活性材料层包括阳极活性材料层，并且活性材料层包括一个或多个导电多孔层，所述一个或多个导电多孔层布置在位于活性材料层的第一侧和第二侧之间的阳极活性材料层的子层之间。
在进一步的特征中，活性材料层包括阳极活性材料层，并且其中形成活性材料层进一步包括：提供包括第一侧和第二侧的第二隔离件层；在所述第二隔离件层的第一侧上形成第二导电多孔层；在所述第二隔离件层的第二侧上形成第三导电多孔层；在所述第一导电多孔层的一侧上形成第一阳极活性材料子层；以及在所述第二导电多孔层的一侧上形成第二阳极活性材料子层。
在进一步的特征中，第一导电多孔层包含选自铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)、铁(Fe)、碳(C)、铝(Al)或其组合的材料。
在进一步的特征中，第一导电多孔层具有小于、等于或大于1μm的厚度。
在进一步的特征中，活性材料层具有在10μm至100μm的预定范围内的厚度。
在进一步的特征中，隔离件包含二氧化硅(SiO2)。
本发明公开了以下实施方案：
方案1.用于循环锂离子的电化学电池的电池组电极，包括：
第一隔离件层，其包括第一侧和第二侧；
位于所述第一隔离件层的第一侧上的第一导电多孔层；以及
活性材料层，以循环锂离子，其包括第一侧和第二侧，
其中所述活性材料层的第一侧与所述第一导电多孔层接触。
方案2.根据方案1所述的电池组电极，其中所述活性材料层包含选自石墨、硅(Si)、锂氧化物(LiOx)、Li金属或其组合的阳极活性材料。
方案3.根据方案1所述的电池组电极，其中所述活性材料层包含选自磷酸锰铁锂(LMFP)、锂锰氧化物(LMO)、镍锰钴(NMC)、镍锰钴铝(NCMA)、磷酸铁锂(LFP)或其组合的阴极活性材料。
方案4.根据方案1所述的电池组电极，还包括：
第二隔离件层，其包括第一侧和第二侧；以及
位于所述第二隔离件层的第一侧上的第二导电多孔层，
其中所述活性材料层的第二侧与所述第二导电多孔层接触。
方案5.根据方案1所述的电池组电极，其中：
所述活性材料层包括阳极活性材料层，和
所述活性材料层包括一个或多个导电多孔层，所述一个或多个导电多孔层布置在位于所述活性材料层的第一侧和第二侧之间的阳极活性材料层的子层之间。
方案6.根据方案1所述的电池组电极，其中：
所述活性材料层包括阳极活性材料层，和
所述阳极活性材料层包括：
第二隔离件层，其包括第一侧和第二侧；
第二导电多孔层，其布置在所述第二隔离件层的第一侧上；
第三导电多孔层，其布置在所述第二隔离件层的第二侧上；
第一阳极活性材料子层，其布置在所述第一导电多孔层的一侧上；以及
第二阳极活性材料子层，其布置在所述第二导电多孔层的一侧上。
方案7.根据方案1所述的电池组电极，其中所述第一导电多孔层包含选自铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)、铁(Fe)、碳(C)、铝(Al)或其组合的材料。
方案8.根据方案1所述的电池组电极，其中所述第一导电多孔层具有小于、等于或大于1μm的厚度。
方案9.根据方案1所述的电池组电极，其中所述活性材料层具有在10μm至100μm的预定范围内的厚度。
方案10.根据方案1所述的电池组电极，其中所述隔离件包含二氧化硅(SiO2)。
方案11.用于制造用于循环锂离子的电化学电池的电池组电极的方法，包括：
提供包括第一侧和第二侧的第一隔离件层；
在所述第一隔离件层的第一侧上形成第一导电多孔层；以及
在所述第一导电多孔层上涂布包括第一侧和第二侧的活性材料层以促进锂离子的循环。
方案12.根据方案11所述的方法，其中所述活性材料层包含选自石墨、硅(Si)、锂氧化物(LiOx)、Li金属或其组合的阳极活性材料。
方案13.根据方案11所述的方法，其中所述活性材料层包含选自磷酸锰铁锂(LMFP)、锂锰氧化物(LMO)、镍锰钴(NMC)、镍锰钴铝(NCMA)、磷酸铁锂(LFP)或其组合的阴极活性材料。
方案14.根据方案11所述的方法，还包括：
提供包括第一侧和第二侧的第二隔离件层；
在所述第二隔离件层的第一侧上形成第二导电多孔层；以及
将所述活性材料层的第二侧布置成与所述第二导电多孔层接触。
方案15.根据方案11所述的方法，其中：
所述活性材料层包括阳极活性材料层，和
所述活性材料层包括一个或多个导电多孔层，所述一个或多个导电多孔层布置在位于所述活性材料层的第一侧和第二侧之间的阳极活性材料层的子层之间。
方案16.根据方案11所述的方法，其中所述活性材料层包括阳极活性材料层，并且其中形成所述活性材料层还包括：
提供包括第一侧和第二侧的第二隔离件层；
在所述第二隔离件层的第一侧上形成第二导电多孔层；
在所述第二隔离件层的第二侧上形成第三导电多孔层；
在所述第一导电多孔层的一侧上形成第一阳极活性材料子层；以及
在所述第二导电多孔层的一侧上形成第二阳极活性材料子层。
方案17.根据方案11所述的方法，其中所述第一导电多孔层包含选自铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)、铁(Fe)、碳(C)、铝(Al)或其组合的材料。
方案18.根据方案11所述的方法，其中所述第一导电多孔层具有小于、等于或大于1μm的厚度。
方案19.根据方案11所述的方法，其中所述活性材料层具有在10μm至100μm的预定范围内的厚度。
方案20.根据方案11所述的方法，其中所述隔离件包含二氧化硅(SiO2)。
从具体实施方式、权利要求和附图中，本公开的进一步的应用领域将变得显而易见。具体实施方式和具体实例仅旨在用于说明的目的，而非旨在限制本公开的范围。
附图说明
从具体实施方式和附图中将更充分地理解本公开，其中：
图1是包括阳极电极和阴极电极的电池组电池的侧剖视图；
图2是根据本公开的包括具有多孔表面集流体的阳极电极和阴极电极的电池组电池的一个实例的侧剖视图；
图3是根据本公开的包括具有多孔表面集流体的阳极电极和阴极电极的电池组电池的另一实例的侧剖视图；
图4是根据本公开的包括具有多孔表面集流体的阳极电极和阴极电极的电池组电池的另一实例的侧剖视图；
图5是根据本公开的包括具有多孔表面集流体的阳极电极和阴极电极的电池组电池的另一实例的侧剖视图；以及
图6是根据本公开的用于制造电池组电池的方法的实例的功能框图。
在附图中，可以重复使用附图标记来标识类似和/或相同的元件。
具体实施方式
虽然本文在车辆应用中描述了电池组电池，但是电池组电池可以用于其它非车辆应用中。
根据本公开的电池组电池包括阳极电极和/或阴极电极，其中内部集流体被布置在隔离件的表面上的多孔集流体代替。多孔集流体允许Li离子的传输。
通过利用隔离件作为支撑结构获得多孔集流体的机械性质和孔隙率。在一些实例中，使用物理气相沉积(PVD)、电镀、热烧结、增材制造、湿浇铸、去合金化、喷墨印刷、电烧结、无电沉积和/或模板合成，在隔离件的外表面上形成多孔集流体。使用当前的电池组制造方法将电极活性材料直接施加至经涂布的隔离件。
现在参考图1，电池组电池100包括A个阳极电极110(例如，示出的阳极电极110-1和110-2)和C个阴极电极130(例如，示出的阴极电极130-1)，其中A和C是大于一的整数。
阳极电极110-1包括集流体114、与集流体114的相对侧相邻布置的阳极活性材料118-1A和118-1B。隔离件120-1A与阳极活性材料118-1A相邻布置。隔离件120-1B布置在阳极活性材料118-1B上。
阴极电极130-1包括集流体134和布置在集流体134的相对侧上的阴极活性材料138-1A和阴极活性材料138-1B。集流体114和134具有在8μm至25μm范围内的预定厚度。集流体114和134的厚度占LIB的质量、体积和成本的大约10％。由于电极处理所需的性质的损失，减小集流体114和134的厚度是困难的。
现在参考图2，根据本公开的电池组电池200包括A个阳极电极210(例如，示出的阳极电极210-1和210-2)和C个阴极电极230(例如，示出的阴极电极230-1)，其中A和C是大于一的整数。A个阳极电极210与C个阴极电极230交替。
阳极电极210-1不包括图1所示类型的集流体。阳极电极210-1包括阳极活性材料层214-1和外部极耳224，阳极活性材料层214-1包括第一侧和第二侧。在一些实例中，外部极耳224包括具有与阳极活性材料层214-1相同厚度的第一部分225。第二部分227从第一部分225延伸并比其薄。第二部分227从电池组电池200向外延伸以允许与其外部连接。
隔离件220-1A包括多孔集流体218-1A，其布置在与阳极活性材料214-1的一侧相邻的第一侧上。隔离件220-1B包括多孔集流体218-1B，其布置在与阳极活性材料214-1的另一侧相邻的第一侧上。换言之，多孔集流体218-1A和218-1B布置在隔离件220-1A和隔离件220-1B的面对阳极活性材料214-1的表面上。多孔集流体218-1A和218-1B与外部极耳224-1的侧面电接触。
阴极电极230-1包括集流体234-1、布置在集流体234-1的相对侧上的阴极活性材料238-1A和阴极活性材料238-1B。
现在参考图3，电池组电池300包括A个阳极电极210和C个阴极电极310(例如，示出了阴极电极310-1)，其中A和C是大于一的整数。在该实例中，C个阴极电极310不包括图1所示类型的集流体。阴极电极310-1包括阴极活性材料层314-1。多孔集流体318-1A和318-1B布置在与阴极活性材料层314-1的相对侧相邻的隔离件220-1B和220-2A上。阴极电极310-1包括外部极耳320。在一些实例中，外部极耳320包括具有与阴极活性材料层314-1相同厚度的第一部分325和比第一部分325薄并从电池组电池300向外延伸的第二部分327。
现在参考图4，电池组电池400包括A个阳极电极410(例如，示出了阳极电极410-1和410-2)和C个阴极电极230，其中A和C是大于一的整数。
阳极电极410-1包括阳极活性材料414-1。隔离件420-1A包括与阳极活性材料414-1的一侧相邻布置的多孔集流体418-1A。隔离件420-1B包括与阳极活性材料414-1的相对侧相邻布置的多孔集流体418-1B。换言之，多孔集流体418-1A和418-1B布置在隔离件420-1A和420-1B的面对阳极活性材料414-1的表面上。此外，阳极活性材料414-1包括一个或多个导电路径419-1(每个包括多孔导电层)，其平行于多孔集流体418-1A和418-1B并与其隔开布置在阳极活性材料414-1中。
可以通过将阳极活性材料层414-1的第一子层涂布到多孔集流体418-1A上、用多孔导电层涂布第一子层以形成导电路径419-1中的第一个、涂布阳极活性材料层414-1的第二子层、用多孔导电层涂布第二子层以形成导电路径419-1中的第二个、涂布阳极活性材料层414-1的第三子层等来制造一个或多个导电路径419-1。虽然示出了两个导电路径419-1，但是可以使用一个或多个导电路径419-1。
阴极电极230-1包括集流体234-1、布置在集流体234-1的相对侧上的阴极活性材料238-1A和阴极活性材料238-1B。或者，可以使用具有类似于图3的多孔集流体的阴极。或者，可以使用具有类似于图3的多孔集流体和类似于419-1的导电路径的阴极。
现在参考图5，电池组电池500包括A个阳极电极510(例如，示出了阳极电极510-1和510-2)和C个阴极电极230，其中A和C是大于一的整数。
电池组电池500包括具有隔离件层514-1的阳极电极510-1，隔离件层514-1包括布置在其相对侧上的第一和第二多孔集流体516-1A和516-1B。阳极电极510-1还包括分别布置在多孔集流体516-1A和516-1B上的阳极活性材料子层518-1A和518-1B。具有多孔集流体522-1A和522-1B的隔离件520-1A和520-1B布置在电极510-1的相对侧上。
在一些实例中，外部极耳530包括第一部分532，其具有与阳极活性材料子层518-1A和518-1B、隔离件层514-1以及多孔集流体516-1A和516-1B的组合厚度相同的厚度。第二部分534比第一部分532薄，并从电池组电池500向外延伸以允许外部连接。
隔离件520-1A包括在其一侧上的多孔集流体522-1A，其布置成与阳极活性材料518-1的一侧相邻。隔离件520-1B包括在其一侧上的多孔集流体522-1B，其布置成与阳极活性材料518-1的相对侧相邻。换言之，多孔集流体522-1A和522-1B布置在隔离件520-1A和520-1B的面对阳极活性材料518-1的表面上。在一些实例中，隔离件514-1以及第一和第二多孔集流体516-1A和516-1B比隔离件520-1A和520-1B薄。
阴极电极230-1包括集流体234-1、布置在集流体234-1的相对侧上的阴极活性材料238-1A和阴极活性材料238-1B。或者，可以使用具有类似于图3的多孔集流体的阴极。
现在参考图6，示出了用于制造电池组电池(例如电池组电池200)的方法。辊610供应隔离件层614。多孔金属涂布器618在隔离件层614上施加多孔集流体层622。
在一些实例中，在涂布阳极活性材料层之前，将外部极耳涂布、胶合或印刷在隔离件层614上的空间位置(对应于电池宽度)中。电极涂布器630包括可以施加张力、压力和/或热的辊638和640。活性材料供应器632在辊638和640之间供应活性材料634。将活性材料层644添加到布置在隔离件层614上的多孔集流体层622的上面。
辊650将隔离件层654供应至多孔金属涂布器658。多孔金属涂布器658在隔离件层654上施加多孔集流体层659。辊660将多孔集流体层659、隔离件层654、活性材料层644、多孔集流体层622和隔离件层614组合，如图6所示。辊670储存电极卷。可以以类似的方式制造其它电极。
在一些实例中，多孔表面集流体和/或多孔导电路径包含选自铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)、铁(Fe)、碳(C)、铝(Al)或其组合的导电材料。在一些实例中，导电多孔层具有小于1μm的厚度。在一些实例中，使用PVD、电镀、烧结、增材制造、湿浇铸、去合金化、喷墨印刷、电烧结、无电沉积和模板合成将导电多孔层沉积在隔离件上。
在一些实例中，阳极活性材料层选自石墨、硅(Si)、锂氧化物(LiOx)、Li金属或其组合。在一些实例中，活性材料层具有在10μm至100μm范围内的厚度。在一些实例中，阴极活性材料层选自磷酸锰铁锂(LMFP)、锂锰氧化物(LMO)、镍锰钴(NMC)、镍锰钴铝(NCMA)、磷酸铁锂(LFP)或其组合。在一些实例中，隔离件包含二氧化硅(SiO2)。
在一些实例中，将阴极活性材料层或阳极活性材料层浆料涂布到多孔导电层上。在一些实例中，将阴极活性材料层或阳极活性材料层层合在导电层上。
前述描述本质上仅是说明性的，并且决不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实施。因此，尽管本公开包括特定实例，但是本公开的真实范围不应受此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求书之后，其它修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，可以以不同的顺序(或同时)执行方法内的一个或多个步骤。此外，尽管上文将实施方案中的每一者描述为具有某些特征，但是关于本发明的任何实施方案描述的那些特征中的任何一个或多个可以以其它实施方案中的任一者的特征实施和/或与其它实施方案中的任一者的特征组合，即使并未明确地描述该组合。换言之，所描述的实施方案不是相互排他的，并且一个或多个实施方案与彼此的置换仍在本公开的范围内。
使用各种术语描述元件之间(例如，模块、电路元件、半导体层等之间)的空间和功能关系，所述术语包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧邻”、“在顶部上”、“上方”、“下方”和“设置”。除非明确地描述为“直接的”，否则当在上述公开中描述第一和第二元件之间的关系时，该关系可以是在第一和第二元件之间不存在其它中间元件的直接关系，但是也可以是在第一和第二元件之间(在空间上或功能上)存在一个或多个中间元件的间接关系。如本文所用的，短语A、B和C中的至少一者应该被解释为表示使用非排他逻辑OR的逻辑(AOR B OR C)，并且不应该被解释为表示“A中的至少一者、B中的至少一者和C中的至少一者”。
在附图中，箭头的方向，如箭头所指示的方向，通常表示与图示相关的信息(例如数据或指令)的流动。例如，当元件A和元件B交换各种信息，但是从元件A传输到元件B的信息与图示相关时，箭头可以从元件A指向元件B。该单向箭头并不暗示没有其它信息从元件B传输到元件A。此外，对于从元件A发送到元件B的信息，元件B可以向元件A发送对该信息的请求或对该信息的接收确认。

Claims (10)

1.用于循环锂离子的电化学电池的电池组电极，包括：
第一隔离件层，其包括第一侧和第二侧；
位于所述第一隔离件层的第一侧上的第一导电多孔层；以及
活性材料层，以循环锂离子，其包括第一侧和第二侧，
其中所述活性材料层的第一侧与所述第一导电多孔层接触。
2.根据权利要求1所述的电池组电极，其中所述活性材料层包含选自石墨、硅(Si)、锂氧化物(LiOx)、Li金属或其组合的阳极活性材料。
3.根据权利要求1所述的电池组电极，其中所述活性材料层包含选自磷酸锰铁锂(LMFP)、锂锰氧化物(LMO)、镍锰钴(NMC)、镍锰钴铝(NCMA)、磷酸铁锂(LFP)或其组合的阴极活性材料。
4.根据权利要求1所述的电池组电极，还包括：
第二隔离件层，其包括第一侧和第二侧；以及
位于所述第二隔离件层的第一侧上的第二导电多孔层，
其中所述活性材料层的第二侧与所述第二导电多孔层接触。
5.根据权利要求1所述的电池组电极，其中：
所述活性材料层包括阳极活性材料层，和
所述活性材料层包括一个或多个导电多孔层，所述一个或多个导电多孔层布置在位于所述活性材料层的第一侧和第二侧之间的阳极活性材料层的子层之间。
6.根据权利要求1所述的电池组电极，其中：
所述活性材料层包括阳极活性材料层，和
所述阳极活性材料层包括：
第二隔离件层，其包括第一侧和第二侧；
第二导电多孔层，其布置在所述第二隔离件层的第一侧上；
第三导电多孔层，其布置在所述第二隔离件层的第二侧上；
第一阳极活性材料子层，其布置在所述第一导电多孔层的一侧上；以及
第二阳极活性材料子层，其布置在所述第二导电多孔层的一侧上。
7.根据权利要求1所述的电池组电极，其中所述第一导电多孔层包含选自铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)、铁(Fe)、碳(C)、铝(Al)或其组合的材料。
8.根据权利要求1所述的电池组电极，其中所述第一导电多孔层具有小于、等于或大于1μm的厚度。
9.根据权利要求1所述的电池组电极，其中所述活性材料层具有在10μm至100μm的预定范围内的厚度。
10.根据权利要求1所述的电池组电极，其中所述隔离件包含二氧化硅(SiO2)。
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