TW201921778A - 具有相間結構的電極 - Google Patents

具有相間結構的電極

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謝爾 威廉 施羅德
艾德里安 姚
尼蘭 辛格
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Abstract

本發明提供一種用於在諸如二次電池組之裝置中使用之電極，其可包括具有由黏合劑黏附在一起之第一活性粒子的第一層、具有由黏合劑黏附在一起之第二活性粒子的第二層及插入於該第一層與該第二層之間的相間層。在一些實例中，該相間層可包括相互滲透的該等第一粒子與該等第二粒子，使得該第一層之實質上離散之指狀物與該第二層之實質上離散之指狀物互鎖。

Description

具有相間結構的電極
本發明係關於用於包括複合多孔電極之電化學裝置之裝置及方法。更具體言之，揭示之具體實例係關於用於電池組之多層電極。
隨著對化石燃料之相依性變得不太合乎需要，對環境友好的能量來源已變得日益重要。諸如太陽能、風力及類似者之多數非化石燃料能源需要某種能量儲存組件以使有用性最大化。因此，電池組技術已變為能量生產及分配之未來重要態樣。最與本發明相關的，對二次(亦即，可再充電)電池組之需求已增加。電極材料與電解液之各種組合用於此等類型之電池組中，諸如，鉛酸、鎳鎘(NiCad)、鎳金屬氫化物(NiMH)、鋰離子及鋰離子聚合物。
本發明提供關於具有相間結構之電極的系統、裝置及方法，其適合於與諸如超級電容器、混合電池組電容器及二次電池組之電化學能量儲存裝置一起使用。二次電池組包括當前商業化之技術(例如，鎳鎘、鋰離子電池)及發展中之技術(例如，氟化物離子、鎂離子、鈉離子、鋁離子)。在一些具體實例中，一種根據本發明之態樣的電極可包括：集電器基板；及分層至該基板上之活性材料複合物，其中該活性材料複合物包含：第一層，其包括具有第一粒徑分佈之複數個第一活性材料粒子；第二層，其包括具有第二粒徑分佈之 複數個第二活性材料粒子；及相間層，其將該第一層黏附至該第二層，該相間層包括該第一層與該第二層之非平面互滲透，其中該第一層之第一指狀物與該第二層之第二指狀物互鎖。
在一些具體實例中，一種根據本發明之態樣的電極可包括：集電器基板；及分層至該基板上之活性材料複合物，其中該活性材料複合物包含：第一層，其包括由第一黏合劑黏附在一起之複數個第一活性材料粒子，該第一活性材料粒子具有第一平均粒徑；第二層，其包括由第二黏合劑黏附在一起之複數個第二活性材料粒子，該第二活性材料粒子具有第二平均粒徑；相間層，其將該第一層黏附至該第二層，該相間層包括在該第一層與該第二層之間的非平面邊界，使得該第一層與該第二層互滲透，且該相間層具有第三平均粒徑，其量值在該第一平均粒徑與該第二平均粒徑之間。
在一些具體實例中，一種根據本發明之態樣的製造電極之方法可包括使集電器基板與活性材料複合物施配器相對於彼此移動；及使用該施配器，用活性材料複合物塗佈該基板之至少一部分，其中塗佈包括：使用該施配器之第一孔口將第一層塗覆至該基板，該第一層包括具有複數個第一粒子與第一黏合劑之第一活性材料複合物漿料，該等第一粒子具有第一平均粒徑及第一黏度；使用該施配器之第二孔口將第二層塗覆至該第一層，該第二層包括具有複數個第二粒子與第二黏合劑之第二活性材料複合物漿料，該等第二粒子具有第二平均粒徑及第二黏度；及形成將該第一層黏附至該第二層之相間層，該相間層包括相互滲透的該第一層與該第二層之，其中該第一層之第一指狀物與該第二層之第二指狀物互鎖。
特徵、功能及優點可在本發明之各種具體實例中獨立地達成，或可在另外其他具體實例中組合，參考以下描述及圖式可看出該等特徵、功能及優點之另外細節。
圖1為例示性電化學電池之示意性剖視圖。
圖2為圖1之電池之一部分之放大圖。
圖3為根據本發明之態樣的一例示性電極部分之示意性側視圖。
圖4為根據本發明之態樣的另一例示性電極部分之示意性側視圖。
圖5為根據本發明之態樣的另一例示性電極部分之示意性側視圖。
圖6為根據本發明之態樣的另一例示性電極部分之示意性側視圖。
圖7為在實質上平坦邊界上具有中間外皮層(crust layer)之例示性電極部分之剖視圖。
圖8為根據本教示內容的具有相間層之例示性電極部分之剖視圖。
圖9為根據本發明之態樣的具有互鎖指狀物之另一例示性電極部分之示意性側視圖。
圖10為根據本發明之態樣的具有互鎖指狀物之另一例示性電極部分之示意性側視圖。
圖11為根據本教示內容的具互鎖指狀物之具有相間層之例示性電極部分之剖視圖。
圖12為描繪根據本發明之態樣的用於製造具有相間層之電極之例示性方法的步驟之流程圖。
圖13為適合於在圖12之方法中使用的裝置之示意圖。
以下描述且在相關聯之圖式中說明具有一相間層的電極以及有 關裝置及方法之各種態樣及實例。除非另有指定，否則具有如本文中所描述之相間結構及/或其各種組件的電極可(但並不需要)含有本文中描述、說明及/或併有的結構、組件、功能性及/或變化中之至少一者。此外，除非特定地排除，否則關於本教示內容在本文中描述、說明及/或併有的過程步驟、結構、組件、功能性及/或變化可包括在其他類似裝置及方法中，包括在所揭示之具體實例之間可互換。對各種實例之以下描述在本質上僅為例示性且決不意欲限制本發明、其應用或使用。另外，由以下所描述之實例及具體實例提供之優點在本質上為例示性的，且並非所有實例及具體實例皆提供相同優點或相同程度之優點。
定義
除非另有指示，否則以下定義在本文中適用。
「實質上(substantially)」意謂或多或少地遵照由該術語修飾之特定尺寸、範圍、形狀、概念或其他態樣，使得一特徵或組件不需要精確遵照。舉例而言，「實質上圓柱形(substantially cylindrical)」物體意謂該物體類似一圓柱體，但可具有與真實圓柱體之一或多個偏差。
「包括(comprising)」、「包含(including)」及「具有(having)」(及其詞形變化形式)可互換使用以意謂包括但未必限於，且為開放式術語，並不意欲排除額外的未列出之元件或方法步驟。
諸如「第一(first)」、「第二(second)」及「第三(third)」之術語用以區分或識別群組之不同成員或類似者，且不意欲展示順序或數字限制。
「聯結(coupled)」意謂永久地或可釋放地連接，不管是直接地或經由插入組件間接地。
「二次電池組(secondary battery)」意謂可再充電電池組，例如，可充電、由負荷放電及多次再充電的一類型之電池組。
綜述
一般而言，具有本文中描述之相間結構的電極可包括用於在雙極裝置(例如，鋰離子電池組)中使用之電極，該雙極裝置包括具有不同微觀結構之至少兩個區或層。在一些實例中，該等層具有不同孔隙率、不同材料化學性及/或不同活性材料粒徑。在一些實例中，該電極具有至少一個層，在該至少一個層內的為活性材料化學反應之梯度、粒徑之梯度及/或活性材料粒徑之多峰分佈。如下文進一步描述，兩個層可經由相間黏附在一起，該相間可包含在兩個層之間的非平面過渡區。在一些實例中，該相間包括較高濃度之黏合劑分子。
具有多於一個區或層之電極可具有低及高孔隙率之區域，使得如與等效負載或厚度之均質電極相比，總電極具有增大之能量密度。藉由包括該相間，該電極可維持功率密度及耐久性(例如，在電極之膨脹及收縮期間維持機械完整性)、電子滲濾(亦即，電子連接)、離子導電、對固體電解質相間(SEI)堆積之抗性及製造成本有效性。
電極可具有在電極黏附至之集電器與電極之對置表面之間的量測為垂直於集電器之平面的距離之厚度。對置表面(亦叫作上表面)可為實質上平坦的。當電極包括於電池中時，電極之此上表面可與分離器、凝膠電解質或固體電解質配合。在一些實例中，包括本發明之相間的電極可具有在20μm與1mm之間的厚度。
實例、組件及替代方案
以下章節描述具有具相間結構之電極的例示性裝置以及有關系統及/或方法之選定態樣。此等章節中之該等實例意欲用於說明，且不應被解釋為限制本發明之全部範圍。每一章節可包括一或多個截然不同之具體實例或實例，及/或情境或有關資訊、功能及/或結構。
A.例示性電池組
本教示內容揭示一種新型雙極電化學裝置(例如，電池組或電化學電池)及其中包括之電極。舉例而言，本文中揭示之具體實例可包括或適合用於在鋰離子電池組電池中使用。
現參看圖1，說明鋰離子電池組電池100，其包括負電極(亦稱為陽極102)及正電極(亦稱為陰極104)等兩個電極。可包含金屬箔或其他合適基板之集電器106、108電耦接至兩個電極。集電器實現電子及藉此電流流入及流出每一電極。電解質110實現離子在電極102、104之間的輸送。在本實例中，電解質110為具有溶解離子之液體，其有助於電極102與104之間的離子連接。
電解質110典型地受到分離器112輔助，分離器在實體上分割陰極與陽極之間的空間，同時液體可滲透且實現離子在電解質110內及在每一電極之間的流動。在一些具體實例中，聚合物凝膠或固體離子導體擴增或代替分離器(執行分離器之功能)。
電極自身為複合結構，其包含活性材料粒子、黏合劑、導電性添加劑及用於電解質穿透之孔(空隙)。電極之構成部分之配置被稱作微結構，或更具體言之，被稱作電極微結構。
黏合劑典型地為聚合物，例如，聚偏二氟乙烯(PVdF)，且導電性添加劑典型地包括奈米大小之碳，例如，碳黑或石墨。在一些實例中，黏合劑為羧基-甲基纖維素(CMC)與苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)之混合物。在一些實例中，導電性添加劑包括科琴黑(ketjen black)、石墨碳、低尺寸碳(例如，碳奈米管)或碳纖維。
活性材料粒子之化學性在陽極102與陰極104之間不同。舉例而言，陽極可包括石墨、鈦酸鹽、二氧化鈦、過渡金屬(通常，在第14族中之元素，例如，碳、矽、錫、鍺等)、氧化物、硫化物、過渡金屬、鹵化物及硫族化物(chalcogenide)。陰極可包括過渡金屬(例如，鎳、鈷、錳、銅、鋅、釩、 鉻、鐵)，及其氧化物、磷酸鹽、亞磷酸鹽及矽酸鹽。陰極亦可包括鹼性及鹼土金屬、鋁、氧化鋁及磷酸鋁，以及鹵化物及硫族化物。在電化學裝置中，活性材料參與與工作離子(在鋰離子電池組中，鋰離子為工作離子)之電化學反應或過程，以儲存或釋放能量。
在本實例中，在鋰離子電池組之操作期間，鋰離子在包括於活性材料粒子中與溶劑化於電解質中之間移動。活性材料之質量除以電極(或電池)之總質量被稱為活性材料分率。活性材料之體積除以電極(或電池)之總體積被稱為活性體積分率。
圖2展示電池100之一放大部分。在此實例(在其他此等電池組中，情況並非如此)中，電極經分層，具有第一層114、第二層116及中間相間層118。以下進一步詳細地描述此等結構中之每一者。
B.例示性電極層結構
電池組技術中存在三個難題：實現具有與當前可用之裝置相比的以下特性之裝置：(1)較高能量密度，(2)較高功率密度，及(3)較低成本。電化學電池之能量密度及功率密度為電池之物理及電化學性質(包括電極、分離器、集電器及電解質之電化學及物理性質)之複雜相互作用之結果。
電極為電化學能量儲存裝置(例如，鋰離子電池組或超電容器)之能量儲存組件，且常常為如上所述的由內嵌於聚合黏合劑基質中之活性材料粒子及導電粒子製成之複合結構。
判定電極之電及電化學效能之物理性質包括：活性材料粒子之平均大小(例如，體積)及大小分佈、活性粒子之形狀及形態、電極孔隙率、電極厚度、活性質量分率及當前收集之方法及功效(在電極內且自電極至外部電路)。此等參數可廣泛地經修裁以減小電極阻抗且增大電池效能。
影響電極之(及因此電化學能量儲存裝置之)能量密度之一主要 因素為電極活性質量負載。電極之活性質量負載愈大，則電極之能量儲存容量越高。因此，改良裝置能量密度之第一策略為使用高活性質量負載(亦即，高容量)電極。此第一策略之有效性在於，藉由與非活性組件(例如，集電器、分離器)之質量(或體積)相比增大活性材料之質量(或體積)來增大電池之能量密度。可以此方式達成封裝電池之活性質量分率(或等效地，活性體積分率)之增大。此外，較高活性質量負載電極導致每單位能量的電池成本之減小。改良能量密度之第二策略為藉由活性材料粒子之密集型包裝(例如，按一給定體積)來增大活性材料分率。
然而，此等策略兩者可具有限制電池效能之其他態樣之不當後果。舉例而言，活性質量負載之增大(不增大密度)增大了電極之厚度。增大電極之厚度可不利地影響功率效能。典型地，藉由在集電器基板上塗佈均勻之單層漿料來製造電池組電極。隨著電極之厚度增大，距集電器最遠之活性材料粒子與集電器自身之間的距離增大。結果是，電子必須選用以到達距集電器最遠之活性材料粒子的路徑之長度增大。另一結果是，離子必須自在電極外之一位置行進至位置靠近集電器之活性材料粒子之路徑亦增大。因此，增大電極厚度導致跨電極之厚度上歐姆電阻增大及離子導電性減小。由於電極之功率密度與電極與電解質之間的離子及電子輸送有關，因此此等導電率之降低減小功率密度，從而導致電極厚度與電池組之功率密度之間的反向關係。
類似地，當活性材料粒子之堆積密度增大時，觀測到不利影響。舉例而言，堆積密度之增大可減小電極中之空隙，從而導致連接程度較低之空隙網路。因此，離子必須選用以到達給定活性材料粒子之表面的路徑之長度，對比離子可在更多孔電極中選用的路徑之長度來說，更加地曲折(且因此，更長)。以此方式，增大堆積密度可降低電極內之離子導電性，從而不利地影響功率密度。
另外，在一典型實例中，活性材料之密度及微結構之孔隙率貫穿電極為均勻的。藉由將活性材料粒子緊密地充填在一起及/或使電極非常厚，當以快的速率操作裝置(例如，快速充電或放電)時，鋰離子之濃度梯度可在複合電極孔內累積。此現象被稱為偏振且限制裝置中之速率效能(及因此，功率密度)。基於所有此等考慮，典型地，在設計電池時，存在能量密度與功率密度之間的明確權衡(trade-off)。
對於最新之應用，電池組電極之最大厚度通常限於100微米。將此最大厚度增大至200微米或更大應理解為將體積及重力能量密度增大多達35%。
增大電極厚度及/或電極之密度亦理解為在自消費型電子裝置至運輸及網格儲存之多個應用中對電池組製造之經濟、包裝及最終用途具有主要影響。設計具有減輕或克服能量密度與功率之間權衡之結構的電極將高度有利。
已作出了顯著進展，但現有解決方案在解決此等問題時存在不足。為了至少部分解決此等難題，因此提出了具有非均勻微結構之電極。在一個實例中，電極包括具有不同微結構(例如，不同活性材料、孔隙率、粒徑分佈)之至少兩個層。此等層可進一步包括層上的微結構之連續變化。然而，很大程度上忽略了涉及相間之形成及性質之解決方案。
在電極之能力的限制下，在嚴苛之條件下，能量儲存裝置之操作需要適應由在電池組電極之充電及放電期間的膨脹(脹大)及收縮誘發之應力。此導致四個相關難題。在第一種情況中，必須維持電極之機械完整性(相干性)使得第一電極層與第二電極層保持相互黏附(亦即，機械穩定)。在第二種情況中，第一層及第二層必須保持電子連接(滲濾)，從而實現電子自第一層至第二層之流動，且反之亦然。在第三種情況中，該等層之間的界面不應阻擋或抑制離子流，此將創造該等層之間的電解質偏振。在第四種情況中，具體言之， 對於陽極，該等層之間的界面不應創造增大之密集化的區域，從而導致在該等層之間的界面處的固體電解質相間(SEI)堆積，其隨後阻擋孔且誘發鋰電鍍。此等問題在藉由控制兩個離散層之間的配合來製造具有高效能之多層電極時呈現出主要難題。
本發明提供用於達成非均勻(例如，梯度)電極微結構及因此增大之能量密度而無減小之功率密度的結構及裝置。圖3示意性地描繪包含兩個活性材料複合物區或層302及304之例示性電極部分300。活性材料複合物層可為鄰近層，其中每一者處於大體平行於電極黏附至之集電器的平面中。垂直於集電器之平面可處於在320處指示之方向上，使得活性材料複合物層302、304大體平行於第二方向322以及進入及離開圖式之頁面的方向。
在本實例中，第一活性材料複合物層302更遠離集電器，且更靠近分離器，且第二活性材料複合物層304更靠近集電器且更遠離分離器。第一活性材料複合物層302包括複數個第一活性材料粒子340、黏合劑342及導電性添加劑。第二活性材料複合物層304包括複數個第二活性材料粒子350、黏合劑352及導電性添加劑。黏合劑342及352在類型上或在濃度上可相同或不同。第一與第二導電性添加劑在類型上及/或在濃度上可相同或不同。
相間310使兩個活性材料複合物層302及304相互滲透且結合。第一活性材料粒子340包括具有形成第一大小分佈之不同體積的許多粒子。第二活性材料粒子350包括具有形成第二大小分佈之不同體積的許多粒子。第一與第二分佈可實質上相同或不同。一個或兩個分佈可為單峰或多峰。第一與第二活性材料粒子可具有實質上相同或不同之平均表面積，或可具有具實質上相同或不同之模式的表面積之分佈。一般而言，第一複數個活性材料粒子340與第二複數個活性材料粒子350可在化學組成、類型或形態上相同或不同。
相間310可包括具有增大濃度之第一活性材料粒子的第一與第二 活性材料粒子之混合物，或其可包括增大濃度之第二活性材料粒子。相間310可具有與第一層或第二層相同之組成物，或可具有為第一層組成物與第二層組成物之混合物的組成物。
與第一複合物區302及/或第二複合物區304相比，本實例中之相間310包括增大濃度之黏合劑分子312。在一些實例中，與第一複合物區302及/或第二複合物區304相比，相間310包括增大濃度之導電性添加劑分子及導電性添加劑粒子。舉例而言，相間310可包含碳黑、石墨碳、非晶形碳、低尺寸奈米碳結構(諸如，石墨烯)、單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、巴克球、過渡金屬及類金屬粒子及錯合物及/或類似物。
另外，此等添加劑可包括傳導鋰以改良第一區302與第二區304之間的離子導電之化學基團、官能基、部分或殘基。此等添加劑可包括傳導電子以改良第一區與第二區之間的電子導電之化學基團、官能基、部分或殘基。在另外實例中，第一活性材料粒子之第一功函數可與第二活性材料粒子之第二功函數實質上不同。
在此實例中，相間310可包括具有在第一功函數與第二功函數之間的第三功函數的導電性添加劑。因此，相間310可減小第一複數個與第二複數個之間的電阻抗。在一些實例中，與第一複合物區302及/或第二複合物區304相比，相間310包括增大濃度之黏合劑及增大濃度之導電性添加劑。出於本發明之目的，黏合劑可包括此項技術中典型地已知之黏合劑(例如，PVdF、CMC、SBR)及額外長鏈聚合化學物質，以及聚合物與其他長鏈分子，及/或類似物之組合及排列。
在一個實例中，電極部分300為鋰離子電池中包括的陰極之一部分。在此實例中，在鋰離子電池之充電期間，第一活性材料粒子340及第二活性材料粒子350去鋰化(delithiate)。在此過程期間，活性材料粒子可收縮，從而使電 極部分300(以及電極整體)收縮。相比之下，在電池之放電期間，活性材料粒子鋰化且脹大，從而使電極部分300及電極整體脹大。
在一替代實例中，電極部分300為鋰離子電池中包括的陽極之一部分。在此實例中，在鋰離子電池之充電期間，第一活性材料粒子340及第二活性材料粒子350鋰化。在此過程期間，活性材料粒子可脹大，從而使電極部分300(以及電極整體)脹大。相比之下，在電池之放電期間，活性材料粒子340及350去鋰化且收縮，從而引起電極之收縮。
在此等實例中之任一者中，在脹大及收縮期間，電極部分300可保持相干，且第一電極區及第二電極區保持受相間310結合一般而言，相對於第一電極區302及/或第二電極區304中的黏合劑及/或導電性添加劑之濃度，增大濃度之此等成分用以將兩個區黏附在一起。
在一些實例中，相間310可包括電解質緩衝層。在一個實例中，黏合劑或添加劑分子包括於具有多孔結構之相間310中，使得其容易吸附電解質溶劑及/或離子。在另一實例中，大量官能化分子(諸如黏合劑或添加劑)包括於相間310中，其中功能化分子包括基團、部分或殘基，其與電解質溶劑或離子相互反應以改良電解質至第一區302、第二區304或相間310中之至少一者內或離開第一區302、第二區304或相間310中之至少一者的輸送。
圖4示意性地描繪另一例示性電極部分400。在本實例中，第一區或層402中之複數個第一粒子440具有一體積分佈，其具有比第二區或層404中之複數個第二粒子450之平均體積小的平均值(亦即，較小平均尺寸)。在一些實例中，第一粒子440具有共同表面積，其大於第二粒子450之共同表面積。大體上，垂直於集電器之平面可處於方向420上，使得平行於集電器之平面包括平行於第二方向422之線，以及平行於進入及離開圖式之頁面的方向之線。
在一些實例中，第一粒子440可更遠離集電器且更靠近分離器， 且第二粒子450可更靠近集電器且更遠離分離器。在其他實例中，情況則相反。兩個複數個粒子440與450在相間層410中相互滲透且結合在一起。
在本實例中，由於第一粒子與第二粒子之間的體積之差，在相間410內之第一粒子440與第二粒子450之間出現機械互鎖。機械互鎖增強電極部分400之黏著。以此方式，相間410在活性材料粒子440及450之鋰化及去鋰化期間使電極部分400(及電極整體)機械穩定。
圖5示意性地描繪另一例示性電極部分500。圖5之視圖為橫截面，使得方向520實質上垂直於集電器及/或分離器，且方向522實質上平行於集電器及/或分離器。電極部分500包括在第一區或層502中之複數個第一活性粒子540及在第二區或層504中之複數個第二活性粒子550，也包含相間510。相間510可具有在方向520上小於8微米之厚度512。在額外實例中，厚度512可為：小於10微米；小於20微米；小於40微米；小於60微米；及/或小於80微米。
在本實例中，粒子550之間的平均距離552(在方向522上)在更接近第一粒子540(沿著方向520)處比更遠離第一粒子設置之彼等第二粒子550之間的平均距離558大。另外，第二粒子之間的平均距離554(在方向522上)在朝向第一粒子(沿著方向520)處比更遠離第一粒子設置之彼等第二粒子之間的平均距離556大。在本實例中，第一粒子540之間的平均距離542實質上類似於平均距離552。
本實例之結構可自形成電極之方法(類似於以下關於圖12論述之方法)產生，所述方法包括將第二複合物層塗佈至第一複合物層上。在此實例中，在第二層之塗佈之前，該第一層就其孔隙率而言為實質上均質的。由於塗佈了第二層，來自第二層塗層之溶劑與第一層相互滲透，且引起第一層內之脹大。結果，對於最靠近第二層設置之部分活性材料粒子，包含於第一層內之複數個活性材料粒子之間的平均距離增大。
圖6示意性地描繪另一例示性電極部分600。如同以上實例，電極部分600包括在第一區或層602中之複數個第一活性粒子640及在第二區或層604中之複數個第二活性粒子650，也包含相間610。在此實例中，電極部分600亦包括複數個第三活性材料粒子660。粒子660為第二粒子之子集。此處，粒子660已經壓縮，例如，在壓延製程期間，且與第二粒子650中之其餘相比，具有失真之形狀。此經擠壓或壓平之活性材料層形成平坦邊界，且可被稱作「外皮(crust)」。在許多情形中，此邊界可為不合需要的。舉例而言，該外皮可減少兩個粒子類型之相互滲透或互混，使得相間層不太有效。圖7為存在兩個此等外皮的電極700之剖視圖。在處於底部處之集電器710與處於頂部處之分離器712之間，電極700包括具有第一粒子704之第一層702及具有第二粒子708之第二層706。如圖7中所描繪，第二粒子708已經按壓或壓延，從而在兩個層之間的清晰平坦邊界處形成一外皮714。在第一粒子與分離器之間的邊界處存在第二外皮716，其中在準備黏附至分離器時，將電極層整體壓延。如貫穿本發明所解釋，此類型之電極可不夠充分地承受兩個活性材料複合物層之間的機械完整性、電子滲濾、離子導電及SEI堆積之難題。
圖8為類似於電極部分400或500的例示性電極部分800之剖視圖。在此實例中，活性材料802已經分層至集電器基板804上。活性材料包含第一層806，其包括由第一黏合劑黏附在一起之複數個第一活性材料粒子808。該等第一粒子具有第一平均粒徑。活性材料802進一步包含第二層810，其包括由第二黏合劑黏附在一起之複數個第二活性材料粒子812。該等第二粒子具有不同於第一者之第二平均粒徑。在此實例中，第二粒子小於第一粒子。
電極部分800亦包括將第一層806黏附至第二層810之相間層814。在本實例中，相間814可具有實質上類似於第一層806、第二層810或該兩個層之實體混合之組成。另外，在本實例中，相間814可具有實質上類似於第一 層806、第二層810或該兩個層之實體混合之黏合劑組成物及濃度。再另外，在本實例中，相間814可具有實質上類似於第一層806、第二層810或該兩個層之實體混合之導電性添加劑組成物及濃度。相間層814包括第一粒子與第二粒子之互混或相互滲透，使得相間層具有小於第一平均粒徑且大於第二平均粒徑之第三平均粒徑。換言之，相間層814包含自第一層806之第一粒子至第二層810之第二粒子的逐漸過渡。分離器816黏附至第二層810。
圖9示意性地描繪包含兩個活性材料複合物層902及904之另一例示性電極部分900。該等活性材料複合物層可為鄰近層，其中每一者大體上處於平行於電極黏附至之集電器的平面中。垂直於集電器之平面可處於在920處指示之方向上，使得活性材料複合物層902、904大體平行於第二方向922以及進入及離開圖式之頁面的方向。
在本實例中，第一活性材料複合物層902更遠離集電器，且更靠近分離器，且第二活性材料複合物層904更靠近集電器且更遠離分離器。第一活性材料複合物層902包括複數個第一活性材料粒子940、黏合劑及導電性添加劑。第二活性材料複合物層904包括複數個第二活性材料粒子950、黏合劑及導電性添加劑。
相間910使兩個活性材料複合物層902及904相互滲透且結合。第一活性材料粒子902包括具有形成第一大小分佈之不同體積的許多粒子。第二活性材料粒子904包括具有形成第二大小分佈之不同體積的許多粒子。第一與第二分佈可實質上相同或不同。一個或兩個分佈可為單峰或多峰。第一與第二活性材料粒子可具有實質上相同或不同之平均表面積，或可具有具實質上相同或不同之模式的表面積之分佈。
本實例中之相間910包括在第一活性材料複合物層902與第二活性材料複合物層904之間的非平面邊界。第一活性材料複合物層902及第二活性 材料複合物層904具有與兩個活性材料複合物層互鎖在一起(從而形成能夠承受歸因於電極膨脹及收縮之應力的機械穩固相間)之各別三維相互滲透之指狀物914及916。另外，由第一指狀物914及第二指狀物916界定之非平面表面表示相間邊界之增大總表面積，其提供第一活性材料複合物層與第二活性材料複合物層之間的更多結合位點。指狀物914及916可被稱作指狀物、突起、延伸部、突出部及/或類似物。此外，可將指狀物914與916之間的關係描述為互鎖、相互滲透、相互嚙合、相互齒合、互連、互連結及/或類似者。
指狀物914及指狀物916為複數個實質上離散互滲透，其中指狀物914通常由第一活性材料粒子940組成，且指狀物916通常由第二活性材料粒子950組成。指狀物經三維互齒合，類似於樂高(Lego)塊之柱管構造之不規則形式。因此，指狀物914及916典型地不在任何方向上跨越電極，使得垂直於圖9之方向的橫截面亦將展示非平面、起伏邊界，類似於圖9中展示之邊界。雖然指狀物914及916在大小或形狀上可能並不均勻，但該等指狀物可具有平均或典型長度918。在一些實例中，指狀物914及916之長度918可落在第一活性材料複合物層或第二活性材料複合物層(無論哪一者較小)之平均活性材料粒徑之2倍與5倍之間的範圍中。在一些實例中，指狀物914、916之長度918可落在第一活性材料複合物層或第二活性材料複合物層(無論哪一者較小)之平均活性材料粒徑之6倍與10倍之間的範圍中。在一些實例中，指狀物914及916之長度918可落在第一活性材料複合物層或第二活性材料複合物層(無論哪一者較小)之平均活性材料粒徑之11倍與50倍之間的範圍中。在一些實例中，指狀物914及916之長度918可大於第一活性材料複合物層或第二活性材料複合物層(無論哪一者較小)之平均活性材料粒徑之50倍。
在一些實例中，指狀物914及916之長度918可落在大致2個μm至大致5個μm之範圍中。在一些實例中，指狀物914及916之長度918可落在大致6 個μm與大致10個μm之間的範圍中。在另一實例中，指狀物914及916之長度918可落在大致11個μm與大致50個μm之間的範圍中。在另一實例中，指狀物914及916之長度918可大於大致50個μm。
在本實例中，相間區域910之總厚度924由兩個活性材料複合物層之間的相互滲透等級界定。下限926可由第一活性材料複合物層902到達(亦即，由指狀物914)之最低點界定。上限928可由第二活性材料複合物層904到達(亦即，由指狀物916)之最高點界定。可將相間區域910之總厚度924定義為極限926與928之間的分隔或距離。在一些實例中，相間區域910之總厚度可屬於各種相對範圍中之一或多者，諸如，在第一活性材料複合物層或第二活性材料複合物層(無論哪一者較小)之平均活性材料粒徑之大致200%(2×)與大致500%(5×)之間，在大致500%(5×)與大致1000%(10×)之間，在大致1000%(10×)與大致5000%(50×)之間，及/或大於大致5000%(50×)。
在一些實例中，相間區域910之總厚度924可落在各種絕對範圍中之一或多者，諸如，在大致3個μm與大致10個μm之間，在大致10個μm與大致50個μm之間，在大致50個μm與大致100μm之間，在大致100μm與大致150μm之間，及/或大於大致150μm。
在本實例中，在第一活性材料複合物層902中之第一活性材料粒子940具有一體積分佈，其具有比第二活性材料複合物層904中之第二活性材料粒子950之平均體積大的平均值，亦即，較大平均尺寸。在一些實例中，第一活性材料粒子940具有共同表面積，其小於第二活性材料粒子950之共同表面積。在其他實例中，情況則相反。第一活性材料粒子940具有一體積分佈，其具有比第二活性材料粒子950之平均體積小的平均值，亦即，較小平均尺寸。在一些實例中，第一活性材料粒子940具有共同表面積，其大於第二活性材料粒子950之共同表面積。
在本實例中，第一活性材料粒子940及第二活性材料粒子950在粒子形態上為實質上球形。在其他實例中，在任一活性材料複合物層中的複數個活性材料粒子中之一或兩者可具有為以下各者之粒子形態：薄片狀、小板狀、不規則、馬鈴薯形、長方形、斷裂狀、較小粒子類型之聚結及/或以上之組合。
當電極部分900之粒子在鋰化或去鋰化時(如上關於電極300所解釋)(亦即，在脹大及收縮期間)，電極部分900保持相干，且第一活性材料複合物層及第二活性材料複合物層保持受到相間910結合。一般而言，指狀物914與916之相互齒合或相互滲透以及相間邊界之增大的表面積用以將兩個區黏附在一起。
圖10示意性地描繪包含形成具有互鎖指狀物1014及1016之相間1010的兩個活性材料複合物層1002及1004之另一例示性電極部分1000。該等活性材料複合物層可為鄰近層，其中每一者大體上處於平行於電極黏附至之集電器的平面中。垂直於集電器之平面可處於在1020處指示之方向上，使得活性材料複合物層1002、1004大體上平行於第二方向1022以及進入及離開圖式之頁面的方向。
在本實例中，第一活性材料複合物層1002更遠離集電器，且更靠近分離器，且第二活性材料複合物層1004更靠近集電器且更遠離分離器。第一活性材料複合物層1002包括複數個第一活性材料粒子1040、黏合劑及導電性添加劑。第二活性材料複合物層1004包括複數個第二活性材料粒子1050、黏合劑及導電性添加劑。
電極1000實質上類似於電極900，且一般而言，可按類似術語來描述。然而，在圖10之實例中，第一活性材料複合物層1002中之第一活性材料粒子1040在粒子形態上為實質上球形，而第二活性材料複合物層1004中之第二活性材料粒子1050在粒子形態上為球形、薄片狀、小板狀、不規則、馬鈴薯形、 長方形、斷裂狀、較小粒子類型之聚結或以上之組合。在其他實例中，情況則相反。
圖11為類似於電極部分900及1000之例示性電極部分1100之剖視圖。在此實例中，活性材料粒子1102已分層至集電器基板1104上。該等活性材料包含第一活性材料複合物層1106，其包括藉由第一黏合劑黏附在一起之複數個第一活性材料粒子1108。第一活性材料粒子1108具有第一平均粒徑1118。活性材料粒子1102進一步包含第二活性材料複合物層1110，其包括由第二黏合劑黏附在一起之複數個第二活性材料粒子1112。第二活性材料粒子1112具有不同於第一平均粒徑之第二平均粒徑1120。在此實例中，第二活性材料粒子1112小於第一活性材料粒子1108。在其他實例中，情況則相反。
實質上非平面相間邊界1114設置於第一活性材料複合物層1106與第二活性材料複合物層1110之間。第一活性材料複合物層具有延伸至第二活性材料複合物層內之指狀物1122，且第二活性材料複合物層具有延伸至第一活性材料複合物層內之指狀物1124。相間區域之下限1126及上限1128分別由第一指狀物1122到達之最低點及第二指狀物1124到達之最高點來界定。
圖9至圖11之結構可自形成電極之方法(諸如，以下關於圖12論述之方法)產生，該方法包括將第二活性材料複合物漿料塗佈至第一活性材料複合物漿料層上。由於塗佈了兩個層，來自第一活性材料複合物漿料與第二活性材料複合物漿料之溶劑在有限程度上互混，從而使相互滲透之指狀物結構形成。
雖然以上之各種電極部分經展示及描述為具有由相間聯結之兩個活性材料複合物層，但根據本發明之電極可包括額外層，諸如，一共3個或4個活性材料複合物層。該等額外層中之每一者可由各別相間(實質上如本文中所描述)黏附至鄰近層。在一些實例中，該等相間層中之每一者可屬於同一類 型。在一些實例中，不同相間類型可存在於同一電極內(亦即，在不同成對之活性材料複合物層之間)。
以上論述之實例及具體實例並不意謂以任何方式限制，且可按許多排列及組合一起考慮。以上給出之實例包括鋰離子電池組，然而，額外實例及具體實例可用於具有液體/固體界面、氣體/固體界面或固體/固體界面之任一電化學或雙極裝置，其中電解介質相互滲透微米或奈米結構化之電極。
C.例示性方法
此章節描述用於形成包括相間之電極的例示性方法1200之步驟；見圖12。本文中描述的電極及製造裝置之態樣可用於以下描述之方法步驟中。在適當時，可對可在進行每一步驟時使用之組件及系統進行參考。此等參考係用於說明，且並非意欲限制進行該方法之任何特定步驟的可能方式。
圖12為說明在例示性方法中執行之步驟的流程圖，且可能並未列舉該方法之完整過程或所有步驟。雖然以下描述且在圖12中描繪方法1200之各種步驟，但該等步驟未必皆被執行，且在一些情況下，可同時或與所展示之次序不同之順序執行。
方法1200之步驟1202包括提供基板。在一些實例中，該基板包含一集電器，諸如，以上描述之集電器106、108(及其他)。在一些實例中，該基板包含金屬箔。
方法1200接下來包括複數個步驟，其中用活性材料複合物塗佈基板之至少一部分。此可藉由使基板移動經過如下所述的塗佈基板之活性材料複合物施配器(或反之亦然)來進行。
方法1200之步驟1204包括將複合電極之第一層塗佈於基板之第一側上。在一些實例中，第一層可包括由第一黏合劑黏附在一起之複數個第一粒子，該等第一粒子具有第一平均粒徑。
步驟1204之塗佈過程可包括任何合適之塗佈法，諸如，槽模、刮塗、基於噴霧之塗佈、靜電噴射塗佈等。在一些實例中，將第一層塗佈為溶劑(水或NMP)、黏合劑、導電性添加劑及活性材料之濕漿料。在一些實例中，第一層經乾塗，作為具有黏合劑及/或導電性添加劑之活性材料。步驟1204可視情況包括乾燥複合電極之第一層。
方法1200之步驟1206包括在基板之第一側上將複合電極之第二層塗佈至該第一層上，從而形成多層(例如，分層)之結構。第二層可包括由第二黏合劑黏附在一起之複數個第二粒子，該等第二粒子具有第二平均粒徑。
方法1200之步驟1208包括形成將第一層黏附至第二層之相間層。形成此相間層可藉由使用第二層至第一層內之相互滲透來進行。此可導致黏合劑及/或導電性添加劑之增大或減小之濃度。在第一層與第二層含有不同粒徑之情況下，相間層包括第一粒子與第二粒子之互混，使得存在第一層之第一粒子與第二層之第二粒子互鎖。
在一些實例中，步驟1208與步驟1206同時或緊隨其後發生。當此等實例包括乾燥複合電極之第一層時，第一層之再潤濕在步驟1206(將第二層塗佈至第一層上)期間發生。第一層之再潤濕導致第一層內之活性材料粒子及/或相間內之活性材料粒子之間的孔隙率之梯度。替代地，藉由來自第二層之溶劑再潤濕第一層重新溶劑化第一層中之黏合劑以創造第一活性材料粒子與第二活性材料粒子之互混，從而導致相互滲透指狀物之形成。
在一些實例中，在步驟1208中形成相間包含在第二層之塗佈前，額外沉積或塗佈材料至第一層上。舉例而言，可將第三類型之黏合劑沉積至第一層上。
在一些實例中，步驟1204及1206可實質上同時執行，使得步驟1208之相間形成為相互滲透指狀物(例如，指狀物914、916)。此等指狀物係 藉由同時擠壓兩種活性材料漿料穿過其各別孔口來形成。此在移動基板上形成兩層漿料珠粒及塗層。黏度之差異、表面張力之差異、密度之差異、固體含量之差異及/或在該活性材料漿料與第二活性材料漿料之間使用的不同溶劑可經修裁以造成在兩個活性材料複合物層之間的邊界處之相互滲透指狀物結構。在一些具體實例中，黏度、表面張力、密度、固體含量及/或溶劑可實質上類似。相互滲透結構之創造受到在第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的濕界面處之擾流促進，從而創造兩種活性材料電極漿料之部分互混。
兩種活性材料電極漿料之間的過多互混可導致在所得乾燥電極複合物中的功能梯度之損失，然而兩種活性材料電極漿料之間的過少互混可導致不太較佳、實質上平坦相間邊界。另外，為了確保乾燥過程中之恰當固化，第一層(最靠近集電器)配置以在第二層(進一步自集電器)前自溶劑乾燥，以便避免在所得乾燥塗層中創造皮膚覆蓋效應及水泡。
一般而言，第一活性材料複合物漿料將具有第一黏度，且第二活性材料複合物漿料將具有與第一黏度不同之第二黏度。在一些實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的黏度差目標為100至1,000厘泊(cP)。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的黏度差目標為2,000cP至5,000cP。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的黏度差目標為6,000cP至10,000cP。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的黏度差目標為大於10,000cP。
在一些實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的表面張力差目標為0.5達因/公分至1達因/公分。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的表面張力差目標為1達因/公分至5達因/公分。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之 間的表面張力差目標為6達因/公分至10達因/公分。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的表面張力差目標為大於10達因/公分。
在一些實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的密度差目標為0.01g/cc至0.1g/cc。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的密度差目標為0.2g/cc至0.5g/cc。在一些實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的密度差目標為0.5g/cc至1g/cc。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的密度差目標為大於1g/cc。
在一些實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的固體含量之差目標為0.25%至1%。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的固體含量之差目標為2%至5%。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的固體含量之差目標為6%至10%。在其他實例中，第一活性材料電極漿料與第二活性材料電極漿料之間的固體含量之差目標為大於10%。
在一些實例中，在第一或第二活性材料電極漿料中使用之溶劑可由來自由以下各者組成之群組的一或多種溶劑組成：水、二甲基甲醯胺、乙醇、丙醇、丙-2-醇、丁醇、2-甲基丙-1-醇、N-甲基-2-吡咯啶酮、二甲基甲醯胺、乙醚、甲醚及甲基乙基醚。
方法1200可視情況包括在步驟1210中乾燥複合電極，及在步驟1212中壓延複合電極。在此等可選步驟中，第一層及第二層皆可作為組合結構，並經歷乾燥製程及壓延製程。在一些實例中，步驟1210與1212可組合(例如，在熱軋製程中)。在一些實例中，烘乾步驟1210包括加熱及往返電極之能量輸送之形式(例如，對流、導電、輻射)以加快乾燥製程。在一些實例中，壓延 步驟1212用另一壓縮、按壓或壓實製程替換。在一些實例中，可藉由抵靠基板按壓組合之第一層與第二層來執行壓延電極，使得電極密度以不均勻方式增大，其中第一層具有第一孔隙率且第二層具有較低第二孔隙率。
D.例示性施配器裝置
此章節描述適合於與方法1200一起使用之例示性系統1300。在一些實例中，具有至少兩個流體槽、流體腔、流體線及流體泵之狹縫型擠壓式塗佈頭(slot-die coating head)可用以製造特徵為在活性材料複合物層之間的至少一個相互滲透邊界層之電池組電極。在一些實例中，雙腔狹縫型擠壓式塗佈頭用以製造特徵為在兩個活性材料複合物層之間的一個相互滲透邊界層之電池組電極。在一些實例中，三腔狹縫型擠壓式塗佈頭用以製造特徵為設置於三個活性材料複合物層之間的兩個相互滲透邊界層之電池組電極。在其他實例中，使用額外腔來創造額外層。系統1300包括雙腔狹縫型擠壓式塗佈頭。
系統1300為製造系統，其中箔基板1302(例如，集電器基板804)由繞轉之支承輥1304輸送經過固定施配器裝置1306。施配器裝置1306可包括經組態以將一或多個活性材料漿料層均勻地塗佈至基板上之任何合適之施配器，如關於方法1200之步驟1204及1206所描述。在一些實例中，當施配器頭移動時，可將基板保持固定。在一些實例中，兩者皆可在運動中。
施配器裝置1306可(例如)包括雙腔槽模塗佈裝置，其具有一具有兩個孔口1310及1312之塗佈頭1308。漿料遞送系統在壓力下將兩種不同活性材料漿料供應至塗佈頭。歸因於支承輥1304之繞轉本質，退出下部孔口或槽1310之材料將在材料退出上部孔口或槽1312前接觸基板1302。
因此，第一層1314將經塗覆至基板，且第二層1316將經塗覆於第一層之上。
因此，方法1200之對應步驟可特性化如下。使集電器基板及活性 材料複合物施配器相對於彼此移動，及使用該施配器用活性材料複合物塗佈基板之至少一部分。在此情況下，塗佈包括：使用施配器之第一孔口或槽將第一漿料層塗覆至基板，及使用施配器之第二孔口或槽將不同漿料之第二層塗覆至第一層。此等步驟使相間層形成，藉此將第一層黏附至第二層。如上所述，基於兩種漿料之間的不同特性，相間層可包括第一層與第二層之相互滲透，其中第一層之第一指狀物與第二層之第二指狀物互鎖。
E.額外實例及例示性組合
此章節描述不限於作為一系列段落提出的具有相間結構之電極及有關方法之額外態樣及特徵，為了明確性及效率，其中之一些或全部可以文數字方式指明。此等段落中之每一者可按任何合適之方式與一或多個其他段落及/或與來自本申請案中其他處之揭示內容組合。以下段落中之一些明確地提及且進一步限制其他段落，提供(不限於)合適組合中之一些之實例。
A0.一種電極，其包含：集電器基板；及活性材料複合物，其分層至該基板上，其中該活性材料複合物包含：第一層，其包括由第一黏合劑黏附在一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子具有第一平均粒徑；第二層，其包括由第二黏合劑黏附在一起之複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子具有第二平均粒徑；及相間層，其將該第一層黏附至該第二層，該相間層包括該等第一活性材料粒子與該等第二活性材料粒子之一互混，使得該相間層具有第三平均粒徑，其量值在該第一平均活性材料粒徑與該第二平均活性材料粒徑之間。
A1.如A0所述之電極，其中該相間進一步包含將該等第一活性材料粒子黏附至該等第二活性材料粒子之第三黏合劑，其中該第三黏合劑具有比該第一黏合 劑及該第二黏合劑高之濃度。
A2.如A0所述之電極，其中該活性材料複合物包含與該集電器基板直接接觸之第一面及與該第一面相對之第二面，該第二面與分離器接觸。
A3.如A0所述之電極，其中該相間層包含該等第一活性材料粒子與該等第二活性材料粒子之一互混，使得該相間層包含自該第一層轉變之該等第一活性材料粒子至該第二層之該第二活性材料粒子之一逐漸轉變。
A4.如A0所述之電極，其中該相間層包含至少部分由該等第一活性材料粒子及該等第二活性材料粒子界定之複數個流體通道。
A5.如A4所述之電極，其中該複數個流體通道進一步由複數個導電性添加劑粒子界定。
A6.一種二次電池組，其包含如A0所述之電極。
A7.如A0所述之電極，其中該電極為一陽極，且該等第一粒子包含石墨碳。
A8.如A7所述之電極，其中該等第二粒子包含碳。
B0.一種電極，其包含：集電器基板；及活性材料複合物，其分層至該基板上，其中該活性材料複合物包含：第一層，其包括由第一黏合劑黏附在一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子具有第一平均粒徑；第二層，其包括由第二黏合劑黏附在一起之複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子具有第二平均粒徑；及相間層，其將該第一層黏附至該第二層，該相間層包括該等第一活性材料粒子與該等第二活性材料粒子之一互混，使得該相間層包含自該第一層之該等第一活性材料粒子至該第二層之該等第二活性材料粒子之一逐漸轉變。
B1.如B0所述之電極，其中該相間進一步包含將該等第一活性材料粒子黏附 至該等第二活性材料粒子之第三黏合劑。
B2.如B0所述之電極，其中該活性材料複合物包含與該集電器基板直接接觸之第一面及與該第一面相對之第二面，該第二面與分離器接觸。
B3.如B0所述之電極，其中該相間層包含該等第一活性材料粒子與該等第二活性材料粒子之一互混，使得該相間層具有在該第一平均活性材料粒徑與該第二平均活性材料粒徑中間之第三平均活性材料粒徑。
B4.如B0所述之電極，其中該相間層包含至少部分由該等第一活性材料粒子及該等第二活性材料粒子界定之複數個流體通道。
B5.如B4所述之電極，其中該複數個流體通道進一步由複數個導電性添加劑粒子界定。
C0.一種製造一電極之方法，該方法包含：使集電器基板與活性材料複合物施配器相對於彼此移動；及使用該施配器，用活性材料複合物塗佈該基板之至少一部分，其中塗佈包括：使用該施配器之第一孔口將第一層塗覆至該基板，該第一層包括複數個第一活性材料粒子及第一黏合劑，該等第一活性材料粒子具有第一平均粒徑；使用該施配器之第二孔口將一第二層塗覆至該第一層，該第二層包括複數個第二活性材料粒子及第二黏合劑，該等第二活性材料粒子具有第二平均粒徑；及形成將該第一層黏附至該第二層之相間層，該相間層包括該等第一活性材料粒子與該等第二活性材料粒子之一互混，使得該相間層包含自該第一層之該等第一活性材料粒子至該第二層之該等第二活性材料粒子之一逐漸轉變。
C1.如C0所述之方法，其中該相間層包含該等第一活性材料粒子與該等第二活性材料粒子之一互混，使得該相間層具有大小在該第一平均活性材料粒徑與 該第二平均活性材料粒徑之間的第三平均活性材料粒徑。
C2.如C0所述之方法，其中使該基板與該施配器相對於彼此移動包含使用支承輥移動該基板。
C3.如C0所述之方法，其中該施配器包含雙腔槽模塗佈頭，使得該第一孔口為該塗佈頭之第一槽，且該第二孔口為該塗佈頭之第二槽。
C4.如C0所述之方法，其進一步包含在塗覆該第二層前乾燥該第一層。
C5.如C0所述之方法，其進一步包含：藉由抵靠該基板按壓該等組合之第一層與第二層來壓延該電極，從而增大該電極之總密度及減小該電極之總孔隙率。
D0.一種電極，其包含：集電器基板；及活性材料複合物，其分層至該基板上，其中該活性材料複合物包含：第一層，其包括由第一黏合劑黏附在一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子具有第一平均粒徑；第二層，其包括由第二黏合劑黏附在一起之複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子具有第二平均粒徑；及相間層，其將該第一層黏附至該第二層，該相間層包括該第一層與該第二層之間的非平面邊界，使得該第一層與該第二層相互滲透，且該相間層具有第三平均粒徑，其量值在該第一平均粒徑與該第二平均粒徑之間。
D1.如D0所述之電極，該非平面邊界包含與該等第二活性材料粒子之複數個實質上離散之第二指狀物互鎖的該等第一活性材料粒子之複數個實質上離散之第一指狀物。
D2.如D1所述之電極，其中該等第一指狀物各具有大於該第一平均粒徑及該第二平均粒徑中之較小者大致兩倍的長度。
D3.如D0所述之電極，其中該第一層包含與該集電器基板直接接觸之第一面，且該第二層具有與分離器直接接觸之第二面(例如，該第二面在該活性材料複合物之與該第一面相對之一側上)。
D4.如D0所述之電極，其中該相間層包含至少部分由該等第一活性材料粒子及該等第二活性材料粒子界定之複數個流體通道。
D5.如D4所述之電極，其中該複數個流體通道進一步由複數個導電性添加劑粒子界定。
D6.一種二次電池組，其包含如D0所述之電極。
D7.如D0所述之電極，其中該電極為陽極，且該等第一活性材料粒子包含碳。
E0.一種電極，其包含：集電器基板；及活性材料複合物，其分層至該基板上，其中該活性材料複合物包含：第一層，其包括具有第一粒徑分佈之複數個第一活性材料粒子；第二層，其包括具有第二粒徑分佈之複數個第二活性材料粒子；及相間層，其將該第一層黏附至該第二層，該相間層包括該第一層與該第二層之非平面相互滲透，其中該第一層之第一指狀物與該第二層之第二指狀物互鎖。
E1.如E0所述之電極，其中該等第一指狀物各具有大於大致兩微米之長度。
E2.如E0所述之電極，其中該第一層具有與該集電器基板直接接觸之第一面，且該第二層具有與分離器直接接觸之第二面(例如，該第二面與該第一面在該活性材料複合物之對置側上)。
E3.如E0所述之電極，其中該第一層具有第一孔隙率，該第二層具有不同的第二孔隙率，且該相間層具有在該第一孔隙率與該第二孔隙率中間之第三孔隙率。
E4.如E0所述之電極，其中該相間層包含至少部分由該等第一粒子及該等第二粒子界定之複數個流體通道。
E5.一種二次電池組，其包含如E0所述之電極。
F0.一種製造電極之方法，該方法包含：使集電器基板與活性材料複合物施配器相對於彼此移動；及使用該施配器，用活性材料複合物塗佈該基板之至少一部分，其中塗佈包括：使用該施配器之第一孔口將第一層塗覆至該基板，該第一層包括具有複數個第一活性材料粒子及第一黏合劑之第一活性材料複合物，該等第一活性材料粒子具有第一平均粒徑及第一黏度；使用該施配器之第二孔口將第二層塗覆至該第一層，該第二層包括具有複數個第二活性材料粒子及第二黏合劑之第二活性材料複合物，該等第二活性材料粒子具有第二平均粒徑及第二黏度；及形成將該第一層黏附至該第二層之相間層，該相間層包括相互滲透的該第一層與該第二層，其中該第一層之第一指狀物與該第二層之第二指狀物互鎖。
F1.如F0所述之方法，其中該相間層具有在該第一平均活性材料粒徑與該第二平均活性材料粒徑之間的第三平均活性材料粒徑。
F2.如F0所述之方法，其中使該基板與該施配器相對於彼此移動包含使用支承輥移動該基板。
F3.如F0所述之方法，其中該施配器包含雙腔槽模塗佈頭，使得該第一孔口為該塗佈頭之第一槽，且該第二孔口為該塗佈頭之第二槽。
F4.如F0所述之方法，其中該第一黏度與該第二黏度相差至少100厘泊(cP)。
F5.如F0所述之方法，其進一步包含： 藉由抵靠該基板按壓該等組合之第一層與第二層來壓延該電極，使得電極密度以不均勻方式增大，該第一層具有第一孔隙率且該第二層具有小於該第一孔隙率之第二孔隙率。
G0.如D0、E0或F0所述之電極，包括指狀物，該等指狀物包含與第二粒子之域(domain)互鎖的第一粒子之域。
G1.如D0、E0或F0所述之電極，其中該相間之該邊界具有位在該第一層與該第二層之間的實質上平坦邊界將有之表面積至少兩倍大之表面積。
G2.如D0、E0或F0所述之電極，其中該第一層包含具有第一孔隙率之第一均質結構，且該第二層包含具有不同於該第一孔隙率之第二孔隙率之第二均質結構。
優點、特徵、益處
本文中描述的電極結構及有關方法之不同具體實例及實例提供較之已知解決方案之若干優點。舉例而言，本文中描述之例示性具體實例及實例較之具有實質上平坦層間邊界之實例，有助於改良之離子通信。本發明之相間層提供改良之機械完整性、電連通、離子導電及對SEI堆積之抗性，因為活性材料複合物層之相互滲透及互鎖減小兩個層之間的阻抗。
另外，且在各益處中，本文中描述之例示性具體實例及實例具有相間層，該等相間層包含由活性材料粒子、黏合劑及/或碳添加劑界定的流體通道之一網路。此等流體通道並不受在粒子之機械或形態狀態中的壓延誘發之改變妨礙。相比之下，在後續壓延後，實質上平坦邊界常與外皮層之形成相關聯。此外皮層對於電子滲濾係不利的(如上所述)，且亦用以顯著阻礙經由相間區域之離子導電。此增大總體電極之扭曲度，因為當離子穿越電極之厚度時其面向電極複合物內之障壁，從而使電池組之功率密度顯著受損。此外，此外皮層亦表示有效地導致減小之孔隙體積的活性材料粒子之局部化壓實；此可為對於 陽極電極的特定重要性之問題。另外，在陽極電極之情況下，在活性材料粒子上之SEI薄膜堆積以較快速率堵塞孔，從而導致增大之電池偏振及鋰電鍍，從而最終導致不良循環壽命及受損害之安全性。
另外，且在各益處中，本文中描述之例示性具體實例及實例提供改良之電連通，因為活性材料及導電性添加劑之相互滲透或互混降低兩個層之間的阻抗。
另外，且在各益處中，本文中描述之例示性具體實例及實例允許電極的改良之機械相干性。剝落強度使得兩個層在相間處不優先分離。
另外，且在各益處中，本文中描述之例示性具體實例及實例提供電極結構之改良的機械完整性，其足以適應當組裝至電池組時由在充電和放電過程期間之體積膨脹及收縮誘發之應力，從而改良電池組之循環壽命。
另外，且在各益處中，本文中描述之例示性具體實例及實例提供兩個活性材料複合物層之間的非平面邊界，使得第一活性材料複合物層之活性材料粒子將具有與第二活性材料複合物層之活性材料粒子的改良之電子滲濾，且反之亦然，從而導致總體電極及電池之減小的阻抗。
無已知系統或裝置可執行此等功能。然而，並非本文中描述之所有具體實例及實例皆提供相同優點或相同程度之優點。
結論
以上闡明之揭示內容可涵蓋具有獨立效用之多個相異實例。儘管已按其較佳形式揭示此等實例中之每一者，但如本文中所揭示及說明之特定具體實例不應按限制性意義來考慮，此係因為眾多變化係可能的。就在本發明內使用各章節標題而言，此類標題僅出於組織性目的。本發明之標的包括本文中揭示之各種元件、特徵、功能及/或性質之所有新穎及非顯而易見的組合及子組合。以下申請專利範圍特定地指出被視為新穎且非顯而易見之某些組合及子組 合。可在主張此申請案或相關申請案之優先權的申請案中主張特徵、功能、元件及/或性質之其他組合及子組合。此等申請專利範圍，無論在範圍上與原始申請專利範圍相比係更寬廣、更狹窄、相等還是不同，亦被視為包括在本發明之主題內。

Claims (20)

  1. 一種電極，其包含：集電器基板；及活性材料複合物，其分層至該基板上，其中該活性材料複合物包含：第一層，其包括由第一黏合劑黏附在一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子具有第一平均粒徑；第二層，其包括由第二黏合劑黏附在一起之複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子具有第二平均粒徑；及相間層，其將該第一層黏附至該第二層，該相間層包括在該第一層與該第二層之間的非平面邊界，使得該第一層與該第二層互滲透且該相間層具有在該第一平均粒徑與該第二平均粒徑之間的第三平均粒徑。
  2. 如請求項1所述之電極，其中該非平面邊界包含與該等第一活性材料粒子之複數個實質上離散之第一指狀物互鎖的該等第二活性材料粒子之複數個實質上離散之第二指狀物。
  3. 如請求項2所述之電極，其中該等第一指狀物各具有長度大於該第一平均粒徑及該第二平均粒徑中之較小者大致兩倍的。
  4. 如請求項1所述之電極，其中該第一層具有與該集電器基板直接接觸之第一面，且該第二層具有與分離器直接接觸之第二面。
  5. 如請求項1所述之電極，其中該相間層包含至少部分由該等第一活性材料粒子及該等第二活性材料粒子界定之複數個流體通道。
  6. 如請求項5所述之電極，其中該複數個流體通道進一步由複數個導電性添加劑粒子界定。
  7. 一種二次電池組，其包含如請求項1所述之電極。
  8. 如請求項1所述之電極，其中該電極為陽極，且該等第一活性材 料粒子包含碳。
  9. 一種電極，其包含：集電器基板；及活性材料複合物，其分層至該基板上，其中該活性材料複合物包含：第一層，其包括具有第一粒徑分佈之複數個第一活性材料粒子；第二層，其包括具有第二粒徑分佈之複數個第二活性材料粒子；及相間層，其將該第一層黏附至該第二層，該相間層包括該第一層與該第二層之非平面互滲透，其中該第一層之第一指狀物與該第二層之第二指狀物互鎖。
  10. 如請求項9所述之電極，其中該等第一指狀物各具有大於大致兩微米之長度。
  11. 如請求項9所述之電極，其中該第一層具有與該集電器基板直接接觸之第一面，且該第二層具有與分離器直接接觸之第二面。
  12. 如請求項9所述之電極，其中該第一層具有第一孔隙率，該第二層具有不同的第二孔隙率，且該相間層具有在該第一孔隙率與該第二孔隙率中間之第三孔隙率。
  13. 如請求項9所述之電極，其中該相間層包含至少部分由該等第一粒子及該等第二粒子界定之複數個流體通道。
  14. 一種製造電極之方法，該方法包含下列步驟：使集電器基板與活性材料複合物施配器相對於彼此移動；及使用該施配器，用活性材料複合物塗佈該基板之至少一部分，其中該塗佈包括：使用該施配器之第一孔口將第一層塗覆至該基板，該第一層包括具有複數個第一活性材料粒子及第一黏合劑之第一活性材料複合物漿料，該等第一 活性材料粒子具有第一平均粒徑及第一黏度；使用該施配器之第二孔口將第二層塗覆至該第一層，該第二層包括具有複數個第二活性材料粒子及第二黏合劑之第二活性材料複合物漿料，該等第二活性材料粒子具有第二平均粒徑及第二黏度；及形成將該第一層黏附至該第二層之相間層，該相間層包括相互滲透的該第一層與該第二層，其中該第一層之第一指狀物與該第二層之第二指狀物互鎖。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該相間層具有在該第一平均活性材料粒徑與該第二平均活性材料粒徑之間的第三平均活性材料粒徑。
  16. 如請求項14所述之方法，其中該使該集電器基板與該活性材料複合物施配器相對於彼此移動的步驟包含使用支承輥移動該基板。
  17. 如請求項14所述之方法，其中該施配器包含雙腔槽模塗佈頭，使得該第一孔口為該塗佈頭之第一槽，且該第二孔口為該塗佈頭之第二槽。
  18. 如請求項14所述之方法，其中該第一黏度與該第二黏度相差至少一百厘泊(cP)。
  19. 如請求項14所述之方法，其進一步包含：藉由抵靠該基板按壓組合之第一層與第二層來壓延該電極，使得電極密度以不均勻方式增大，該第一層具有第一孔隙率且該第二層具有小於該第一孔隙率之第二孔隙率。
  20. 如請求項19所述之方法，其中該電極精確地包括外皮層(crust layer)。
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