TW201941478A - 具有一或多個多層電極的電化學電池 - Google Patents

具有一或多個多層電極的電化學電池 Download PDF

Info

Publication number
TW201941478A
TW201941478A TW108110337A TW108110337A TW201941478A TW 201941478 A TW201941478 A TW 201941478A TW 108110337 A TW108110337 A TW 108110337A TW 108110337 A TW108110337 A TW 108110337A TW 201941478 A TW201941478 A TW 201941478A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
active material
layer
electrode
material particles
electrochemical cell
Prior art date
Application number
TW108110337A
Other languages
English (en)
Inventor
艾德里安 姚
謝爾 威廉 施羅德
尼蘭 辛格
Original Assignee
美商映能量公司
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 美商映能量公司 filed Critical 美商映能量公司
Publication of TW201941478A publication Critical patent/TW201941478A/zh

Links

Classifications

    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • 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
    • 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
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131—Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • 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
    • H01M4/133—Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/366—Composites as layered products
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • 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
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • 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
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本發明之電化學電池可包括一或多個多層電極。各多層電極可經組態以使得最接近集電體之層的活性材料具有較低的每莫耳鋰化能量、較高的每莫耳去鋰化能量、不同的固態擴散率及/或不同的平均粒度。此配置抵消例如標準鋰離子電池中所發現的梯度場及不合需要的極化。

Description

具有一或多個多層電極的電化學電池
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。更特定言之，所揭示具體實例係關於用於電池組之多層電極。
隨著對化石燃料之依賴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、風力及其類似物之大多數非化石燃料能源需要某種能量儲存組件以使有用性達最大化。因此，電池組技術已變為能量生產及分配之未來重要態樣。最與本發明相關的是，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（Li-離子）及鋰離子聚合物（Li-離子聚合物）。
本發明提供與具有電化學電池及其電極相關之系統、裝置及方法。在一些具體實例中，電化學電池可包括藉由液體可滲透隔板隔開的第一電極與第二電極；及電解質，其大致安置於整個第一及第二電極中；第一電極包含第一集電體基板及在第一集電體基板上分層之活性材料複合物，其中活性材料複合物包含：第一層，其與第一集電體基板相鄰且包括藉由第一黏合劑黏著於一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子經組態以具有第一固態擴散率及第一每莫耳鋰化自由能；第二層，其與液體可滲透隔板相鄰且包括複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子經組態以具有第二固態擴散率及第二每莫耳鋰化自由能；其中第一固態擴散率大於第二固態擴散率，且第一鋰化自由能小於第二鋰化自由能。
在一些具體實例中，電化學電池可包括藉由液體可滲透隔板隔開的第一電極與第二電極；及電解質，其大致安置於整個第一及第二電極中；第一電極包含第一集電體基板及在第一集電體基板上分層之活性材料複合物，其中活性材料複合物包含：第一層，其與第一集電體基板相鄰且包括藉由第一黏合劑黏著於一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子經組態以具有第一固態擴散率及第一每莫耳鋰化自由能；第二層，其與液體可滲透隔板相鄰且包括複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子經組態以具有第二固態擴散率及第二每莫耳鋰化自由能；其中第一固態擴散率低於第二固態擴散率，且第一鋰化自由能大於第二鋰化自由能。
在一些具體實例中，電極可包括集電體基板；及在基板上分層之活性材料複合物，其中活性材料複合物包含：第一層，其與集電體基板相鄰且包括複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子經組態以具有第一固態擴散率及第一每莫耳鋰化能量；第二層，其與第一層相鄰且包括複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子經組態以具有第二固態擴散率及第二每莫耳鋰化能量；其中第一固態擴散率大於第二固態擴散率，且第一每莫耳鋰化能量小於第二每莫耳鋰化能量。
特徵、功能及優點可在本發明之各種具體實例中獨立地實現，或可在其他具體實例中組合，參考以下描述及圖式可見該等特徵、功能及優點之另外細節。
具有有多個層之電極之電化學電池以及相關方法的各種態樣及實施例在下文加以描述且說明於相關圖式中。除非另外規定，否則如本文所述之具有有多個層之電極之電化學電池及/或其各種組件可（但並非必須）含有描述、說明及/或併入於本文中之結構、組件、功能及/或變化形式中之至少一者。此外，除非特定地排除，否則結合本發明教示內容描述、說明及/或併入於本文中之程序步驟、結構、組件、功能及/或變化形式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。以下對各種實施例之描述在性質上僅為說明性且不預期以任何方式限制本發明、其應用或用途。另外，由下文所述之實施例及具體實例提供之優點在性質上為說明性的，且並非所有實施例及具體實例提供相同優點或相同程度之優點。
此實施方式包括以下章節，其直接遵循以下：（1）定義；（2）概述；（3）實施例、組件及替代例；（4）說明性組合及額外實施例；及（5）結論。實施例、組件及替代例章節進一步分成子章節A及E，相應地標記其各者。

定義
除非另外指明，否則以下定義在本文中適用。
「實質上（substantially）」意謂或多或少地符合由該術語修飾之特定尺寸、範圍、形狀、概念或其他態樣，使得特徵或組件不需要精確符合。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含但不一定限於，且其為開放式術語，並不預期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各種構件或類似者，且不意欲展示順序或數字限制性。
「AKA」意謂「亦稱為（also known as）」且可用以指示一或多個既定元件之替代或對應術語。
「耦接（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連接。
「活性材料分率（active material fraction）」意謂活性材料之質量除以電極（或電池）之總質量。
「活性體積分率（active volume fraction）」意謂活性材料之體積除以電極（或電池）之總體積。
「NCA」意謂氧化鋰鎳鈷鋁（LiNiCoAIO2 ）。
「NMC」或「NCM」意謂氧化鋰鎳鈷錳（LiNiCoMnO2 ）。
「LFP」意謂磷酸鋰鐵（LiFePO4 ）。
「LMO」意謂氧化鋰錳（LiMn2 O4 ）。
「LNMO」意謂鋰鎳錳尖晶石（LiNi0.5 Mn1.5 O4 ）。
「LCO」意謂氧化鋰鈷（LiCoO2 ）。
「LTO」」意謂鈦酸鋰（Li2 TiO3 ）。
「NMO」意謂氧化鋰鎳錳（Li(Ni0.5 Mn0.5 )O2 ）。
「Li」意謂鋰。
「Li+」或「Li-離子」意謂鋰離子。

概述
本發明描述與已知設計相比特徵改良之特定電極及雙極性電化學電池（例如電池組、氧化還原超級電容器或其類似物）。本發明教示內容可包括適用於鋰離子電池組電池之電極。
如本文所述，電極可經構造以具有多個層，該等層含有具有不同鋰化能量及/或固態擴散係數之所選活性材料。此情況有助於在鋰化或去鋰化時改良整個電極主體之速率容量。梯度場（例如電解質內之濃度梯度）在非平衡條件下，諸如在電池充電或放電時天然形成。此情況尤其為此類充電或放電以提高之速率進行時之情況。此等梯度場之結果為電池內之極化。儘管此情況為任何Li-離子電池組中必然發生的現象，但過量極化對效能不利。舉例而言，過量極化可在達至閾值截止電壓之前導致低容量利用率。在其他實施例中，過量極化可在陽極表面上產生不合需要之鋰電鍍反應。此類型之電鍍嚴重削弱效能且造成安全性風險。
因此，為抵消傳統電池組電極中原本形成之天然梯度場，本發明之電極包含以策略性方式在電極主體之厚度內空間取向之活性材料。在一些實施例中，電極可具有更接近集電體之需要較少鋰化能量的第一活性材料及更接近隔板之需要較多鋰化能量的第二活性材料。此配置使得電極以「回充」方式鋰化。換言之，電極具有由集電體行進至隔板之反應前端，與周圍相反路徑（在非最佳化電極中）相反。
一個此類實施例為具有位於更接近集電體處之具有較高鋰化電壓（相對於Li/Li+）之第一活性材料，及位於更接近隔板處之具有較低鋰化電壓（相對於Li/Li+）之第二活性材料的陽極。在此實施例中，使陽極針對改良之鋰化特性（例如在Li-離子電池充電時）達最佳以在提高的充電速率下接受Li-離子。
類似概念為說明性陰極版本，其中陰極包含安置於更接近集電體處之具有較低鋰化電壓（相對於Li/Li+）之第一活性材料及位於更接近隔板處之具有較高鋰化電壓（相對於Li/Li+）之第二活性材料。在此實施例中，使陰極針對改良之鋰化特性（例如在Li-離子電池充電時）達最佳以在提高的放電速率下接受Li-離子。
改良電極之鋰化速率容量之其他方式包括使（a）具有提高的固態擴散係數及/或（b）具有粒度較小之活性材料粒子的活性材料位於更接近集電體處以便抵消天然形成之梯度場。
具有多個層之電極可具有鋰離子接受能力較低及較高之區域，以使得總體電極與等效負載量、厚度及/或化學物質之均質電極相比具有提高的鋰接受能力。另外，具有多個層之電極可具有鋰供給能力較低及較高之區域，以使得總體電極與等效負載量、厚度及/或化學物質之均質電極相比具有提高的鋰供給能力。藉由在電化學電池中具有有多個層之電極，電池可在充電或放電時視哪個電極（亦即陰極、陽極或兩者）之特徵為多個層而定且視電極中之多個層如何組態而定展現提高的功率密度。
電極內之層可使用若干方法中之一或多者區分。前兩者根據所用活性材料。第三者根據彼等活性材料之粒度。首先，各層可具有不同鋰化或去鋰化能量。其次，各層可具有不同固態擴散係數。第三，各層可具有不同粒度分佈。
電極可具有定義為沿垂直於耦接電極之集電體之平面的方向由集電體至電極之相反主表面量測之距離之厚度。相反表面（亦稱為「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隔板、凝膠電解質或固體電解質配合。在一些實施例中，本文所述且具有多個層之電極可具有大致10 μm與大致200 μm之間的厚度。電極之各層亦可具有以與電極相同的方向定義且在層之相反表面之間量測的厚度。

實施例、組件及替代例
以下章節描述例示性電極及電化學電池之所選態樣以及相關系統及/或方法。此等章節中之實施例意欲用於說明，且不應解釋為限制本發明之範疇。各章節可包括一或多個不同的具體實例或實施例，以及情境或相關資訊、功能及/或結構。

A. 說明性電極及電池
如圖1至3中所示，此章節描述根據本發明之態樣之說明性電極及電化學電池。圖1為說明性電化學電池之示意性截面圖，且圖2及3為適用於電化學電池之兩種不同類型之說明性多層電極之示意性截面圖。
現參看圖1，以鋰離子電池組形式說明電化學電池100。電化學電池100包括正電極及負電極，亦即陰極102及陽極104。陰極及陽極夾在一對集電器106、108之間，其可包含金屬箔或其他適合基板。集電體106電耦接至陰極102，且集電體108電耦接至陽極104。集電體使得電子及由此使得電流能夠流入及流出各電極。安置於整個電極中之電解質110使得離子能夠在陰極102與陽極104之間輸送。在本實施例中，電解質110包括液體溶劑及溶解離子之溶質。電解質110有助於陰極102與陽極104之間的離子連接。
電解質110藉由隔板112輔助，其以物理方式分割陰極102與陽極104之間的空間。隔板112為液體可滲透的，且使得離子能夠在電解質110內及在各電極之間之移動（流動）。在一些具體實例中，電解質110包括聚合物凝膠或固體離子導體，加強或替換隔板112（且起隔板112之作用）。
陰極102及陽極104為複合結構，其包含活性材料粒子、黏合劑、導電添加劑及電解質110可向其中滲透之孔隙（空隙)。電極之構成部分之配置稱為微觀結構，或更特定言之極微觀結構。
在一些實施例中，黏合劑為聚合物，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。在一些實施例中，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。在一些實施例中，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）及/或碳纖維。
在一些實施例中，活性材料粒子之化學物質在陰極102與陽極104之間不同。舉例而言，陽極104可包括石墨（人造或天然的）、硬碳、鈦酸鹽、二氧化鈦、過渡金屬（一般而言第14族中之元素（例如碳、矽、錫、鍺等））、氧化物、硫化物、過渡金屬、鹵化物及硫屬化物。另一方面，陰極102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屬化物。在電化學裝置中，活性材料參與作用離子之電化學反應或製程以儲存或釋放能量。舉例而言，在鋰離子電池組中，作用離子為鋰離子。
電化學電池100可包括封裝（圖中未示）。舉例而言，封裝（例如稜柱形罐、不鏽鋼管、聚合物袋等）可用於限制及定位陰極102、陽極104、集電體106及108、電解質110及隔板112。
對於恰當地充當二次電池組之電化學電池100，陰極102與陽極104中之活性材料粒子必須能夠經由稱為鋰化及去鋰化之各別方法來儲存及釋放鋰離子。一些活性材料（例如分層氧化物材料或石墨碳）藉由將鋰離子插入於晶體層之間而滿足此功能。其他活性材料可具有替代鋰化及去鋰化機制（例如合金化、轉化）。
當電化學電池100充電時，陽極104接受鋰離子，而陰極102供給鋰離子。當電池放電時，陽極104供給鋰離子，而陰極102接受鋰離子。各複合電極（亦即陰極102及陽極104）具有其供給或接受鋰離子之速率，其視電極外部之特性（例如穿過各電極之電流、電解質110之導電性）以及電極內部之特性（例如電極中活性材料粒子之固態擴散常數；電極微觀結構或扭曲度；鋰離子自溶劑化於電解質中變為插入電極之活性材料粒子中之電荷轉移速率；等）而定。
在任一操作模式（充電或放電）期間，陽極104或陰極102可以限制速率供給或接受鋰離子，其中速率定義為每單位時間每單位電流之鋰離子。舉例而言，在充電期間，陽極104可以第一速率接受鋰，且陰極102可以第二速率供給鋰。當第二速率低於第一速率時，陰極之第二速率將為限制速率。在一些實施例中，速率之差異可為顯著的，以便限制鋰離子電池組（例如電池100）之總體效能。速率差異之原因可視以下而定：所要之鋰化或去鋰化能量、每單位質量活性材料粒子之鋰離子量；活性材料粒子中鋰離子之固態擴散係數；及/或複合電極內活性材料之粒度分佈。在一些實施例中，額外或替代因素可有助於電極微觀結構且影響此等速率。
轉而參看圖2，描繪一部分電化學電池200之示意性剖視圖。電池200具有多層電極202，展示在鋰化製程期間接受鋰離子220及222。電池200為圖1之電化學電池100之實施例，且包括隔板212、電解質210及集電體206。電極202可為陰極或陽極，且包括第一層230及第二層232。第一層230與集電體206相鄰；第二層232位於與第一層及隔板212相鄰處（在中間）。為了一致，本發明之所有實施例遵循類似約定，其中「首先（first）」層界定為與集電體相鄰，且「第二（second）」層界定為與隔板相鄰。第一層230及第二層232各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體206之方向量測之厚度。
在本實施例中，電極202描繪為例如在恆定電位或恆定電流下接受鋰，由此誘導鋰離子220及222與第一層230及第二層232內存在之活性材料反應（例如插入有其）。鋰離子220及222在擴散及電場效應下向集電體206遷移。在此實施例中，離子220遵循電解質210內之路徑224，穿過隔板212、第二層232及一部分第一層230，直至其鋰化第一層230內之活性材料粒子。相反，鋰離子222遵循電解質210內之路徑226，穿過隔板212及一部分第二層232，直至其鋰化第二層232內之活性材料粒子。
一般而言，離子穿過隔板向第一層內之活性材料行進之路徑224長於離子穿過隔板向第二層內之活性材料行進之路徑226。另外，而在第二層232中，路徑224上之離子比路徑226上之離子行進更長的距離。
在標準電極中，路徑長度224及226不一致之一個結果為既定鋰離子在第二層中之滯留時間可能大於在第一層中之滯留時間。路徑長度224及226不一致之另一結果為進入電極202中之鋰離子與第一層230相比更可能與第二層232內之活性材料粒子反應。因此，在此類電極中可產生梯度反應場，其可藉由以下不利地影響電池效能：（1）導致電化學電池內之寄生能量損失之電解質210中之極化過電位；及（2）與第二層232之活性材料相比第一層230之活性材料之未充分利用（導致例如較低視鋰離子電池組容量及/或較長的電極202在較低功率下完成鋰接受之時間）。
然而，在本實施例中，路徑長度不一致及所得梯度反應場至少部分藉由具有包括在第一層230中之第一活性材料及包括在第二層232中之第二活性材料的電極202緩和。第一活性材料經組態不同於第二活性材料，以使得以下中之至少一者成立：
（i）第一活性材料化學上不同於第二活性材料，且第一活性材料之每莫耳鋰化自由能（亦稱為鋰化自由能或FEL）低於第二活性材料之鋰化自由能；
（ii）第一活性材料之固態擴散（SSD）係數大於第二活性材料之固態擴散係數；及/或
（iii）第一活性材料之粒度分佈包括實質上小於第二活性材料之粒度分佈的粒子。
在條目（i）成立（亦即第一層中之FEL較低）之情況下，較長路徑藉由連續反應時刻表緩和，其中第一層230之鋰化較佳在第二層232鋰化之前的時間即開始。此外，在條目（ii）（第一層中之SSD係數較大）及/或（iii）（第一層中之粒度較小）中之任一者或兩者亦成立的實施例中，連續反應時刻表之優點藉由在第二層232之活性材料鋰化開始之前（且因此在具有其相關缺點之梯度反應場開始之前）逐漸增加第一層230之活性材料之利用而進一步改良。
在此實施例中，第二層232之厚度經選擇等於或小於所選最大厚度。最大厚度藉由第二層232（亦即在三維空間中以特定路徑配置之具有不同形狀及尺寸之活性材料粒子）之顯微架構來測定。描述此顯微架構之因素包括第二層內之活性材料粒度之分佈、孔隙度及扭曲度。若第二層232具有大於最大厚度之厚度，則穿過第二層向第一層之輸送可變得扭曲使得不符合以上特性（i）、（ii）及（iii）之益處。
在電極202為電池內之陽極之實施例中，第一層230之鋰化較佳在第二層232鋰化之前的時間開始。此情況至少部分緩和梯度場及路徑長度不一致，鋰離子必須在整個電極202中行進。與具有有在整個其厚度中實質上均質的微觀結構之典型陽極之習知鋰離子電池組相比，具有有與電極202類似之分層組態之陽極之鋰離子電池組能夠展現提高的充電速率接受能力。與具有有與電極202相反之分層組態之陽極之鋰離子電池組相比，此類電池組亦能夠展現提高的充電速率接受能力。相反組態亦可具有不如具有典型均質陽極微觀結構之習知鋰離子電池組的充電接受效能。此陽極設計考慮因素適用於設計能夠在提高的速率下充電之鋰離子電池組。緩和陽極上之明顯梯度反應場之開始亦有助於防止歸因於充電時之過極化之金屬鋰沈積（亦即鋰電鍍）。
電極202可使用任何適合的材料構建為陽極，該等材料經組態以在第一層中產生與第二層中相比具有較低鋰化自由能及較高固態擴散率之陽極。前已述及，第一層界定為與集電體相鄰且第二層界定為與隔板相鄰。在一些實施例中，第一層之第一活性材料包含以下中之一或多者：硬碳（或額外非石墨碳）、一氧化矽、其他氧化矽、二氧化鈦、鈦酸鹽、石墨烯及合金材料（例如錫、矽、鍺或其類似物），且第二層之第二活性材料包含石墨碳。在一些實施例中，第一層之第一活性材料包含二氧化鈦或鈦酸鹽，且第二層之第二活性材料包含以下中之一或多者：硬碳（或額外非石墨碳）、石墨碳、一氧化矽、其他氧化矽及合金材料（例如錫、矽、鍺或其類似物）。
在電極202為電池內之陰極之實施例中，第一層230之鋰化在第二層232鋰化之前的時間開始。此情況至少部分緩和梯度場及路徑長度不一致，鋰離子必須在整個電極202中行進。與具有有在整個其厚度中實質上均質的微觀結構之典型陰極之習知鋰離子電池組相比，具有有與電極202類似之分層組態之陰極之鋰離子電池組能夠展現提高的放電速率容量。與具有有與電極202相反之分層組態之陰極之鋰離子電池組相比，此類電池組亦能夠展現提高的放電速率效能。相反組態亦可具有不如具有典型均質陰極微觀結構之習知鋰離子電池組的放電速率效能。此陰極設計考慮因素適用於設計能夠在提高的速率下放電之鋰離子電池組。
電極202可使用任何適合的材料構建為陰極，該等材料經組態以在第一層中產生與第二層中相比具有較低鋰化自由能及較高固態擴散率之陽極。另外，前已述及，第一層界定為與集電體相鄰且第二層界定為與隔板相鄰。在一些實施例中，第一層之第一活性材料包含LFP，且第二層之第二活性材料包含以下中之一或多者：NMC、NCA、LCO及LMO。在一些實施例中，第一層之第一活性材料包含NMC及NCA中之一或多者，且第二層之第二活性材料包含LMO及/或LCO。
現轉而參看圖3，描繪一部分電化學電池300之示意性剖視圖。電池300具有多層電極302，展示在鋰化製程期間供給鋰離子320及322。電池300為圖1之電化學電池100之實施例。電化學電池包括隔板312、電解質310及集電體306。電極302可為陰極或陽極，且包括第一層330及第二層332。根據上文所述之約定，第一層330與集電體306相鄰，第二層332安置於與第一層及隔板312相鄰處（在中間）。第一層330及第二層332各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體306之方向量測之厚度。
在本實施例中，電極302描繪例如在恆定電位或恆定電流下供給鋰，由此誘導鋰離子320及322與第一層330及第二層332內存在之活性材料反應（例如插入有其）且自其釋放。鋰離子320及322在擴散及電場效應下向隔板312遷移。鋰離子320展示自第一層330內之活性材料粒子去鋰化（釋放），接著遵循電解質310內之路徑324穿過一部分第一層330、第二層332及隔板312。相反，鋰離子322展示自第二層332內之活性材料粒子去鋰化，接著遵循電解質310內之路徑326穿過一部分第二層332及隔板312。
一般而言，鋰離子320由第一層330內向隔板312行進之路徑324將長於鋰離子322由第二層332內向隔板312行進之路徑326。此外，路徑324之開始點與隔板之間的第一距離大於路徑326之開始點與隔板之間的第二距離。
在標準電極中，路徑324及326之此等差異之一個結果為鋰離子320經歷與鋰離子322之電荷排斥效應，由此抑制鋰離子320向隔板行進，導致電荷堆積在電極內。因此，可產生梯度反應場，其藉由以下不利地影響效能：（1）導致電化學電池內之寄生能量損失之電解質中之極化過電位；及（2）電解質中鋰離子之不足（導致例如較低視鋰離子電池組容量及/或較長的電極在較低功率下完成鋰釋放之時間）。
然而，在本實施例中，路徑長度不一致及所得梯度反應場至少部分藉由具有包括在第一層330中之第一活性材料及包括在第二層332中之第二活性材料的電極302緩和。第一活性材料經組態不同於第二活性材料，以使得以下中之至少一者成立：
（i）第一活性材料化學上不同於第二活性材料，且第一活性材料之每莫耳去鋰化自由能（亦稱為去鋰化自由能或FED）高於第二活性材料之去鋰化自由能；
（ii）第二活性材料之固態擴散（SSD）係數大於第一活性材料之固態擴散係數；及/或
（iii）第一活性材料之粒度分佈包括實質上大於第二活性材料之粒度分佈的粒子。
在條目（i）成立（亦即第一層中之FED較低）之情況下，較長路徑（隔板中間之鋰離子之電荷排斥）藉由連續反應時刻表緩和，其中第二層之去鋰化在第一層去鋰化之前的時間即開始。此外，在條目（ii）（第二層中之SSD係數較大）及/或（iii）（第二層中之粒度較小）中之任一者或兩者亦成立的實施例中，連續反應時刻表之優點藉由在第一層330之活性材料去鋰化開始之前（且因此在具有其相關缺點之梯度反應場開始之前）最大消耗第二層332之活性材料而進一步改良。
在此實施例中，第二層332之厚度經選擇等於或小於所選最大厚度。最大厚度藉由第二層332（亦即在三維空間中以特定路徑配置之具有不同形狀及尺寸之活性材料粒子）之顯微架構來測定。描述此顯微架構之因素包括第二層內之活性材料粒度之分佈、孔隙度及扭曲度。若第二層332具有大於最大厚度之厚度，則穿過第二層向隔板之輸送可變得扭曲使得不符合以上特性（i）、（ii）及（iii）之益處。
在電極302為電池內之陽極之實施例中，第二層332之去鋰化在第一層330去鋰化之前的時間開始。此情況至少部分緩和梯度場及路徑長度不一致，鋰離子必須在整個電極302中行進。與具有在整個其厚度中有實質上均質的微觀結構之典型陽極之習知鋰離子電池組相比，具有與電極302類似之有分層組態之陽極之鋰離子電池組能夠展現提高的放電速率容量。與具有有與電極302相反之分層組態之陽極之鋰離子電池組相比，此類電池組亦能夠展現提高的放電速率容量。相反組態亦可具有不如具有有實質上均質的微觀結構之典型陽極之習知鋰離子電池組的放電速率效能。此陽極設計考慮因素適用於設計能夠在提高的速率下放電之鋰離子電池組。
電極302可使用任何適合的材料構建為陽極，該等材料經組態以在第一層中產生與第二層中相比具有較高去鋰化自由能及較低固態擴散率之陽極。前已述及，第一層界定為與集電體相鄰且第二層界定為與隔板相鄰。在一些實施例中，第一層之第一活性材料包含石墨碳，且第二層之第二活性材料包含以下中之一或多者：硬碳（或額外非石墨碳）、一氧化矽、其他氧化矽、石墨烯、二氧化鈦、鈦酸鹽及合金材料（例如錫、矽、鍺或其類似物）。在一些實施例中，第一層之第一活性材料包含以下中之一或多者：硬碳（或額外非石墨碳）、石墨碳、一氧化矽、其他氧化矽及合金材料（例如錫、矽、鍺或其類似物），且第二層之第二活性材料包含二氧化鈦或鈦酸鹽中之一或多者。
在電極302為電池內之陰極之實施例中，第二層332之去鋰化在第一層330去鋰化之前的時間開始。此情況至少部分緩和梯度場及路徑長度不一致，鋰離子必須在整個電極302中行進。與具有有在整個其厚度中實質上均質的微觀結構之典型陰極之習知鋰離子電池組相比，具有有與電極302類似之分層組態之陰極之鋰離子電池組能夠展現提高的充電速率容量。與具有有與電極302相反之組態之陰極之鋰離子電池組相比，此類電池組亦能夠展現提高的充電速率接受能力。相反組態亦可具有不如具有有實質上均質的微觀結構之典型陰極之習知鋰離子電池組的充電速率效能。此陰極電極設計考慮因素適用於設計能夠在提高的速率下充電之鋰離子電池組。
電極302可使用任何適合的材料構建為陰極，該等材料經組態以在第一層中產生與第二層中相比具有較高去鋰化自由能及較高固態擴散率之陽極。另外，前已述及，第一層界定為與集電體相鄰且第二層界定為與隔板相鄰。在一些實施例中，第一層之第一活性材料包含以下中之一或多者：NMC、NCA、LCO及LMO，且第二層之第二活性材料包含LFP。在一些實施例中，第一層之第一活性材料包含LMO或LCO，且第二層之第二活性材料包含NMC及NCA中之一或多者。
就圖2之電極而言，不論為陽極或陰極，第一層之第一活性材料粒子可具有小於第二層之第二活性材料粒子之第二尺寸分佈（例如以體積計）的第一尺寸分佈（例如以體積計）。在一些實施例中，第一分佈可藉由中值粒度（例如以體積計）小於第二分佈之中值粒度（例如以體積計）而小於第二分佈。在一些實施例中，第一分佈可藉由平均粒度（例如以體積計）小於第二分佈之平均粒度（例如以體積計）而小於第二分佈。在一些實施例中，第一分佈可藉由一或多個粒度峰（例如以體積計）小於第二分佈之最低粒度峰（例如以體積計）而小於第二分佈。在一些實施例中，第一分佈可藉由第一分佈之10%小於第二分佈之10%而小於第二分佈。
就圖3之電極而言，不論為陽極或陰極，第一層之第一活性材料粒子可具有大於第二層之第二活性材料粒子之第二尺寸分佈（例如以體積計）的第一尺寸分佈（例如以體積計）。在一些實施例中，第一分佈可藉由中值粒度（例如以體積計）大於第二分佈之中值粒度（例如以體積計）而大於第二分佈。在一些實施例中，第一分佈可藉由平均粒度（例如以體積計）大於第二分佈之平均粒度（例如以體積計）而大於第二分佈。在一些實施例中，第一分佈可藉由一或多個粒度峰（例如以體積計）大於第二分佈之最低粒度峰（例如以體積計）而大於第二分佈。在一些實施例中，第一分佈可藉由第一分佈之10%大於第二分佈之10%而大於第二分佈。

B. 具有一個均質電極及一個多層電極之說明性電池
如圖4至7中所示，此章節描述根據本發明之態樣之具有一個均質電極及一個多層電極之說明性電化學電池。
圖4為具有均質陰極402及多層陽極404之說明性電化學電池400之示意性截面視圖。電化學電池400為圖1之電化學電池100之實施例，且陽極404為圖2之電極202之實施例。電池400包括隔板412、電解質410及集電體406及408。電解質410使得離子能夠在陰極402與陽極404之間輸送，且液體可滲透聚合物隔板412使電極彼此隔開且電絕緣。
均質陰極402包括與集電體406及隔板412相鄰之單層。換言之，均質陰極402形成為由集電體406向隔板412延伸之單層。將陰極402以一定方式塗佈於集電體406上，以使得電極之所有部分就其化學物質（例如活性材料粒子、黏合劑、導電添加劑等）及電極複合物之體積內之微觀結構（例如活性質量分率、孔隙度、扭曲度等）而言實質上類似。陰極402可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體406之方向量測之厚度。第一層440及第二層442各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體408之方向量測之厚度。
如上文所提及，多層陽極404為電極202之實施例。因此，陽極404之組件及特徵與上文關於電極202所述之對應元件及特徵實質上相同。多層陽極404包括第一層440及第二層442。第一層440與集電體408相鄰，且第二層442安置於與第一層及隔板412相鄰處且在中間。
第一層440包括第一活性材料粒子且第二層442包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層440之第一活性材料具有與第二層442之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層440之活性材料具有與第二層442之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陽極404之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極202所描述。隨後，鋰化第一層440之第一活性材料之自由能可低於鋰化第二層442之第二活性材料之自由能。此外，第一層440之第一活性材料之固態擴散率可大於第二層442之第二活性材料之固態擴散率。
圖5為具有均質陰極502及多層陽極504之說明性電化學電池500之示意性截面視圖。電化學電池500為圖1之電化學電池100之實施例，且陽極504為圖3之電極302之實施例。電池500包括隔板512、電解質510及集電體506及508。電解質510使得離子能夠在陰極502與陽極504之間輸送，且液體可滲透聚合物隔板512使電極彼此分隔且電絕緣。
均質陰極502包括與集電體506及隔板512相鄰之單層。換言之，均質陰極502形成為由集電體506向隔板512延伸之單層。將陰極502以一定方式塗佈於集電體506上，以使得電極之所有部分就其化學物質（例如活性材料粒子、黏合劑、導電添加劑等之化學性質）及電極複合物之體積內之微觀結構（例如活性質量分率、孔隙度、扭曲度等）而言實質上類似。陰極502可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體506之方向量測之厚度。
如上文所提及，多層陽極504為電極302之實施例。因此，陽極504之組件及特徵與上文關於電極302所述之對應元件及特徵實質上相同。多層陽極504包括第一層540及第二層542。第一層540與集電體508相鄰，且第二層542位於與第一層及隔板512相鄰處（在中間）。第一層540及第二層542各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體508之方向量測之厚度。
第一層540包括第一活性材料粒子且第二層542包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層540之第一活性材料具有與第二層542之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層540之活性材料具有與第二層542之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陽極504之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極302所描述。隨後，去鋰化第一層540之第一活性材料之自由能可高於去鋰化第二層542之第二活性材料之自由能。此外，第一層540之第一活性材料之固態擴散率可小於第二層542之第二活性材料之固態擴散率。
圖6為具有多層陰極602及均質陽極604之說明性電化學電池600之示意性截面視圖。電化學電池600為圖1之電化學電池100之實施例，且陽極602為圖2之電極202之實施例。電池600包括隔板612、電解質610及集電體606及608。電解質610使得離子能夠在電極之間輸送，且液體可滲透聚合物隔板612使電極彼此分隔且電絕緣。
均質陽極604包括與集電體608及隔板612相鄰之單層。換言之，均質陽極604形成為由集電體608向隔板612延伸之單層。將陽極604以一定方式塗佈於集電體608上，以使得電極之所有部分就其化學物質（例如活性材料粒子、黏合劑、導電添加劑等）及電極複合物之體積內之微觀結構（例如活性質量分率、孔隙度、扭曲度等）而言實質上類似。陽極604可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體608之方向量測之厚度。
如上文所提及，多層陰極602為電極202之實施例。因此，陰極602之組件及特徵與上文關於電極202所述之對應組件及特徵實質上相同。多層陽極602包括第一層630及第二層632。第一層630與集電體606相鄰，且第二層632位於與第一層及隔板612相鄰處（在中間）。第一層630及第二層632各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體606之方向量測之厚度。
第一層630包括第一活性材料粒子且第二層632包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層630之第一活性材料具有與第二層632之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層630之活性材料具有與第二層632之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陰極602之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極202所描述。隨後，鋰化第一層630之第一活性材料之自由能可低於鋰化第二層632之第二活性材料之自由能。此外，第一層630之第一活性材料之固態擴散率可大於第二層632之第二活性材料之固態擴散率。
圖7為具有多層陰極702及均質陽極704之說明性電化學電池700之示意性截面視圖。電化學電池700為圖1之電化學電池100之實施例，且陰極702為圖3之電極302之實施例。電池700包括隔板712、電解質710及集電體706及708。電解質710使得離子能夠在電極之間輸送，且液體可滲透聚合物隔板712使電極彼此分隔且電絕緣。
均質陽極704包括與集電體708及隔板712相鄰之單層。換言之，均質陽極704形成為由集電體708向隔板712延伸之單層。將陽極704以一定方式塗佈於集電體708上，以使得電極之所有部分就其化學物質（例如活性材料粒子、黏合劑、導電添加劑等）及電極複合物之體積內之微觀結構（例如活性質量分率、孔隙度、扭曲度等）而言實質上類似。陽極704可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體708之方向量測之厚度。
如上文所提及，多層陰極702為電極302之實施例。因此，陰極702之組件及特徵與上文關於電極302所述之對應組件及特徵實質上相同。多層陰極702包括第一層730及第二層732。本實施例中之第一層730與集電體706相鄰，且第二層732位於與第一層及隔板712相鄰處（在中間）。第一層730及第二層732各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體706之方向量測之厚度。
在本具體實例中，第一層730包括第一活性材料粒子且第二層732包括第二活性材料粒子。在一個實施例中，第一層730之第一活性材料具有與第二層732之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在另一實施例中，第一層730之活性材料具有與第二層732之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陰極702之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極302所描述。隨後，去鋰化第一層730之第一活性材料之自由能可大於去鋰化第二層732之第二活性材料之自由能。另外，以此方式，第一層730之第一活性材料之固態擴散率可小於第二層732之第二活性材料之固態擴散率。

C. 具有兩個多層電極之說明性電池
如圖8至12中所示，此章節描述若干說明性電化學電池，其中兩個電極具有經組態以提供優於已知電池設計之實質性優點的多個層。
圖8為具有多層陰極802及多層陽極804之說明性電化學電池800之示意性截面視圖。電化學電池800為圖1之電化學電池100之實施例，且陰極802與陽極804為圖2之電極202之實施例。電池800包括隔板812、電解質810及集電體806及808。電解質810使得離子能夠在電極之間輸送，且液體可滲透聚合物隔板812使電極彼此分隔且電絕緣。
如上文所提及，多層陰極802及多層陽極804各為電極202之實施例。因此，陰極802及陽極804之組件及特徵與上文關於電極202所述之對應元件及特徵實質上相同。
陰極802包括第一層830及第二層832。第一層830與集電體806相鄰，且第二層832位於與第一層及隔板812相鄰處（在中間）。第一層830及第二層832各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體806之方向量測之厚度。
第一層830包括第一活性材料粒子且第二層832包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層830之第一活性材料具有與第二層832之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層830之活性材料具有與第二層832之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陰極802之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極202所描述。隨後，鋰化第一層830之第一活性材料之自由能可低於鋰化第二層832之第二活性材料之自由能。此外，第一層830之第一活性材料之固態擴散率可大於第二層832之第二活性材料之固態擴散率。
陽極804包括第一層840及第二層842。第一層840與集電體808相鄰，且第二層842與第一層及隔板812相鄰（在中間）。第一層840及第二層842各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體808之方向量測之厚度。
第一層840包括第一活性材料粒子且第二層842包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層840之第一活性材料具有與第二層842之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層840之活性材料具有與第二層842之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陽極804之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極202所描述。隨後，鋰化第一層840之第一活性材料之自由能可小於鋰化第二層842之第二活性材料之自由能。此外，第一層840之第一活性材料之固態擴散率可大於第二層842之第二活性材料之固態擴散率。
圖9為具有多層陰極902及多層陽極904之說明性電化學電池900之示意性截面視圖。電化學電池900為圖1之電化學電池100之實施例，且陰極902與陽極904為圖3之電極302之實施例。電池900包括隔板912、電解質910及集電體906及908。電解質910使得離子能夠在電極之間輸送，且液體可滲透聚合物隔板912使電極彼此分隔且電絕緣。
如上文所提及，多層陰極902及多層陽極904各為電極302之實施例。因此，陰極902及陽極904之組件及特徵與上文關於電極302所述之對應元件及特徵實質上相同。
陰極902包括第一層930及第二層932。第一層930與集電體906相鄰，且第二層932與第一層及隔板912相鄰（在中間）。第一層930及第二層932各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體906之方向量測之厚度。
第一層930包括第一活性材料粒子且第二層932包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層930之第一活性材料具有與第二層932之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層930之活性材料具有與第二層932之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陰極902之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極302所描述。隨後，去鋰化第一層930之第一活性材料之自由能可大於去鋰化第二層932之第二活性材料之自由能。此外，第一層930之第一活性材料之固態擴散率可小於第二層932之第二活性材料之固態擴散率。
陽極904包括第一層940及第二層942。第一層940與集電體908相鄰，且第二層942與第一層及隔板912相鄰（在中間）。第一層940及第二層942各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體908之方向量測之厚度。
第一層940包括第一活性材料粒子且第二層942包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層940之第一活性材料具有與第二層942之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層940之活性材料具有與第二層942之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陽極904之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極302所描述。隨後，去鋰化第一層940之第一活性材料之自由能可大於去鋰化第二層942之第二活性材料之自由能。此外，第一層940之第一活性材料之固態擴散率可小於第二層942之第二活性材料之固態擴散率。
圖10為具有多層陰極1002及多層陽極1004之說明性電化學電池1000之示意性截面視圖。電化學電池1000為圖1之電化學電池100之實施例，多層陰極1002為圖2之電極202之實施例，且多層陽極1004為圖3之電極302之實施例。電池1000包括隔板1012、電解質1010及集電體1006及1008。電解質1010使得離子能夠在電極之間輸送，且液體可滲透聚合物隔板1012使電極彼此分隔且電絕緣。
如上文所提及，多層陰極1002為電極202之實施例，且多層陽極1004為電極302之實施例。因此，陰極1002之組件及特徵與上文關於電極202所述之對應元件及特徵實質上相同，且陽極1004之組件及特徵與上文關於電極302所述之對應元件及特徵實質上相同。
陰極1002包括第一層1030及第二層1032。第一層1030與集電體1006相鄰，且第二層1032與第一層及隔板1012相鄰（在中間）。第一層1030及第二層1032各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體1006之方向量測之厚度。
第一層1030包括第一活性材料粒子且第二層1032包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層1030之第一活性材料具有與第二層1032之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層1030之活性材料具有與第二層1032之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陰極1002之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極202所描述。隨後，鋰化第一層1030之第一活性材料之自由能可低於鋰化第二層1032之第二活性材料之自由能。此外，第一層1030之第一活性材料之固態擴散率可大於第二層1032之第二活性材料之固態擴散率。
陽極1004包括第一層1040及第二層1042。第一層1040與集電體1008相鄰，且第二層1042與第一層及隔板1012相鄰（在中間）。第一層1040及第二層1042各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體1008之方向量測之厚度。
第一層1040包括第一活性材料粒子且第二層1042包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層1040之第一活性材料具有與第二層1042之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層1040之活性材料具有與第二層1042之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陽極1004之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極302所描述。隨後，去鋰化第一層1040之第一活性材料之自由能可大於去鋰化第二層1042之第二活性材料之自由能。此外，第一層1040之第一活性材料之固態擴散率可小於第二層1042之第二活性材料之固態擴散率。
圖11為具有多層陰極1102及多層陽極1104之說明性電化學電池1100之示意性截面視圖。電化學電池1100為圖1之電化學電池100之實施例，多層陰極1102為圖3之電極302之實施例，且多層陽極1104為圖2之電極202之實施例。電池1100包括隔板1112、電解質1110及集電體1106及1108。電解質1110使得離子能夠在電極之間輸送，且液體可滲透聚合物隔板1112使電極彼此分隔且電絕緣。
如上文所提及，多層陰極1102為電極302之實施例，且多層陽極1104為電極202之實施例。因此，陰極1102之組件及特徵與上文關於電極302所述之對應元件及特徵實質上相同，且陽極1104之組件及特徵與上文關於電極202所述之對應元件及特徵實質上相同。
陰極1102包括第一層1130及第二層1132。第一層1130與集電體1106相鄰，且第二層1132與第一層及隔板1112相鄰（在中間）。第一層1130及第二層1132各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體1106之方向量測之厚度。
第一層1130包括第一活性材料粒子且第二層1132包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層1130之活性材料具有與第二層1132之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層1130之活性材料具有與第二層1132之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陰極1102之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極302所描述。隨後，去鋰化第一層1130之第一活性材料之自由能可大於去鋰化第二層1132之第二活性材料之自由能。此外，第一層1130之第一活性材料之固態擴散率可小於第二層1132之第二活性材料之固態擴散率。
陽極1104包括第一層1140及第二層1142。第一層1140與集電體1108相鄰，且第二層1142與第一層及隔板1112相鄰（在中間）。第一層1140及第二層1142各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體1108之方向量測之厚度。
第一層1140包括第一活性材料粒子且第二層1142包括第二活性材料粒子。在一些實施例中，第一層1140之第一活性材料具有與第二層1142之活性材料相比較大的活性體積分率及/或活性質量分率。在一些實施例中，第一層1140之活性材料具有與第二層1142之活性材料相比較低的活性體積分率及/或活性質量分率。
關於陽極1104之各層之材料組成及尺寸分佈的特徵實質上如關於電極202所描述。隨後，鋰化第一層1140之第一活性材料之自由能可低於鋰化第二層1142之第二活性材料之自由能。此外，第一層1140之第一活性材料之固態擴散率可大於第二層1142之第二活性材料之固態擴散率。
圖12為具有多層陰極1202及多層陽極1204之說明性電化學電池1200之示意性截面視圖。電化學電池1200為圖1之電化學電池100之實施例，陰極1202為圖3之電極302之實施例，且陽極1204為圖2之電極202之實施例。電池1200亦為圖11之電化學電池1100之實施例（參見上文）。電池1200包括隔板1212、電解質1210及集電體1206及1208。電解質1210使得離子能夠在電極之間輸送，且液體可滲透聚合物隔板1212使電極彼此分隔且電絕緣。
如上文所提及，多層陰極1202為電極302之實施例，且多層陽極1204為電極202之實施例。因此，陰極1202之組件及特徵與上文關於電極302所述之對應元件及特徵實質上相同，且陽極1204之組件及特徵與上文關於電極202所述之對應元件及特徵實質上相同。
陰極1202包括第一層1230及第二層1232。第一層1230與集電體1206相鄰，且第二層1232與第一層及隔板1212相鄰（在中間）。第一層1230及第二層1232各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體1206之方向量測之厚度。
第一層1230包括第一活性材料粒子且第二層1232包括第二活性材料粒子。在本實施例中，第一層1230之第一活性材料具有與第二層1232之活性材料相比較小的活性體積分率及/或活性質量分率。另外，第一層1230之第一活性材料粒子具有小於第二層1232之第二活性材料粒子之第二尺寸分佈的第一尺寸分佈。第一分佈可藉由中值粒度小於第二分佈之中值粒度而小於第二分佈。
在此實施例中，第一層1230之第一活性材料基本上由LMO組成，且第二層1232之第二活性材料基本上由NMC組成。因此，去鋰化第一層1230之第一活性材料之自由能（在約3.9 V下，相對於Li/Li+）大於去鋰化第二層1232之第二活性材料之自由能（在約3.8 V下，相對於Li/Li+）。另外，第一層1230之第一活性材料之固態擴散率大於第二層1232之第二活性材料之固態擴散率。
陽極1204包括第一層1240及第二層1242。第一層1240與集電體1208相鄰，且第二層1242與第一層及隔板1212相鄰（在中間）。第一層1240及第二層1242各可為實質上平坦的，其具有相對於垂直於集電體1208之方向量測之厚度。
第一層1240包括第一活性材料粒子且第二層1242包括第二活性材料粒子。在本實施例中，第一層1240之第一活性材料具有大致等於第二層1242之活性體積分率的活性體積分率。另外，第一層1240之第一活性材料粒子具有小於第二層1242之第二活性材料粒子之第二尺寸分佈的第一尺寸分佈。
在此實施例中，第一層1240之第一活性材料包括硬碳（例如非石墨碳）及一氧化矽中之一或多者，且第二層1242之第二活性材料包括石墨碳。因此，鋰化第一層1240之第一活性材料之自由能可低於鋰化第二層1242之第二活性材料之自由能。此外，第一層1240之第一活性材料之固態擴散率大於第二層1242之第二活性材料之固態擴散率。

D. 用於製造多層電極之說明性方法及裝置
此章節描述用於形成包括多個層之電極的說明性方法1300之步驟；參見圖13至14。
電極及製造本文所述裝置之態樣可用於下文所述方法步驟中。適當時，可參考可在進行各步驟時使用之組件及系統。此等參考係用於說明的，且並非意欲限制執行該方法之任何特定步驟的可能方式。
圖13為說明在說明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。儘管下文描述且在圖13中描繪方法1300之各種步驟，但該等步驟未必皆得以執行，且在一些情況下，可同時或按與所展示之次序不同之次序執行。
方法1300之步驟1302包括提供基板。在一些實施例中，基板包含集電體，諸如上文所述之集電體206、306（及其他）。在一些實施例中，基板包含金屬箔。
方法1300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。此舉可藉由使基板移動經過如下所述之塗佈基板之活性材料複合物施配器（或反之亦然）來進行。各活性材料複合物層中之活性材料粒子之組成可經選擇以實現本文中所述之益處、特徵及結果。
方法1300之步驟1304包括將第一層複合電極塗佈於基板之第一側上。在一些實施例中，第一層可包括藉由第一黏合劑黏著於一起之複數個第一粒子，該等第一粒子具有第一平均粒徑（或其他第一粒子分佈）。
步驟1304之塗佈過程可包括任何合適的塗佈方法，諸如槽模、刮塗、基於噴霧之塗佈、靜電噴射塗佈等。在一些實施例中，第一層以溶劑（例如水或NMP（N- 甲基-2-吡咯啶酮））、黏合劑、導電添加劑及活性材料之潤濕漿料進行塗佈。在一些實施例中，第一層以具有黏合劑及/或導電添加劑之活性材料進行乾燥塗佈。步驟1304可視情況包括乾燥第一層複合電極。
方法1300之步驟1306包括將第二層複合電極塗佈於基板之第一側上之第一層上，從而形成多層（例如分層）結構。第二層可包括藉由第二黏合劑黏著於一起之複數個第二粒子，該等第二粒子具有第二平均粒徑（或其他第二粒子分佈）。
在一些實施例中，步驟1304及1306可實質上同時執行。舉例而言，兩種活性材料漿料皆可經由其各別孔口同時擠出。此舉在移動基板上形成兩層漿料珠粒及塗層。在一些實施例中，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/或在第一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調整以引起在兩個活性材料複合物層之間的邊界處互滲透指狀物結構。在一些具體實例中，黏度、表面張力、密度、固體含量及/或溶劑可為實質上類似的。互滲透結構之產生可由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，從而產生兩種活性材料電極漿料之部分互混。
為確保乾燥過程中之恰當固化，第一層（最靠近集電體）可經組態以在第二層（進一步自集電體）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。
方法1300可視情況包括步驟1308中之乾燥複合電極，及/或步驟1310中之壓延複合電極。在此等可選步驟中，第一與第二層可以組合結構經歷乾燥製程及壓延製程。在一些實施例中，步驟1308及1310可組合（例如在熱軋製程中）。在一些實施例中，乾燥步驟1308包括加熱及向電極及自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。在一些實施例中，壓延步驟1310用另一壓縮、按壓或壓實製程替換。在一些實施例中，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。
轉而參看圖14，現將描述適合於與方法1300一起使用之說明性系統1400。在一些實例中，具有至少兩個流體狹槽、流體空腔、流體管線及流體泵之槽模塗佈頭可用於製造具有多個活性材料複合物層之電池組電極。系統1400包括經組態以製造具有兩個層之電極的雙空腔槽模塗佈頭。在一些實施例中，可使用額外空腔來產生額外層。
系統1400為製造系統，其中箔基板1402（例如集電體基板206、306等）藉由旋轉背襯輥1404傳輸通過固定施配器裝置1406。分配器裝置1406可包括任何適合的施配器，其經組態以均勻塗佈一或多個活性材料漿料層於基板上，如關於方法1300之步驟1304及1306所描述。在一些實施例中，可將基板保持固定同時移動施配器頭。在一些實例中，兩者皆可處於運動中。
施配器裝置1406可例如包括具有有兩個孔口1410及1412之塗佈頭1408之雙腔槽模塗佈裝置。漿料遞送系統在壓力下向塗佈頭供應兩種不同活性材料漿料。由於背襯輥1404之繞轉性質，離開下部孔口或狹槽1410之材料將在材料離開上部孔口或狹槽1412前接觸基板1402。因此，第一層1414將塗覆至基板，且第二層1416將塗覆於第一層之上。
因此，方法1300之對應步驟之特徵可如下。使集電體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狹槽將第一層漿料塗覆至基板，及使用施配器之第二孔口或狹槽將第二層不同的漿料塗覆至第一層。

E. 說明性組合及額外實施例
此章節描述不限於作為一系列段落提出的具有一或多個多層電極之電化學電池之額外態樣及特徵，為了清晰性及效率，其中之一些或全部可以字數方式指明。此等段落中之各者可以任何適合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，提供但不限於適合組合中之一些之實施例。
A0. 一種電化學電池，其包含：
第一電極，其藉由液體可滲透隔板與第二電極隔開；及
電解質，其大致安置於整個該等第一及第二電極中；
該第一電極包含第一集電體基板及在該第一集電體基板上分層之活性材料複合物，其中該活性材料複合物包含：
第一層，其與該第一集電體基板相鄰且包括藉由第一黏合劑黏著於一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子經組態以具有第一固態擴散率及第一每莫耳鋰化自由能；
第二層，其與該液體可滲透隔板相鄰且包括複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子經組態以具有第二固態擴散率及第二每莫耳鋰化自由能；
其中該第一固態擴散率大於該第二固態擴散率，且該第一鋰化自由能小於該第二鋰化自由能。
A1. 如A0所述之電化學電池，其中該第二電極為實質上均質的，以使得該第二電極包括形成為由該隔板向第二集電體基板延伸之單層的活性材料複合物。
A2. 如段落A0或A1所述之電化學電池，其中該第一電極為陽極。
A3. 如A2所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子基本上由硬碳組成，且該等第二活性材料粒子基本上由石墨碳組成。
A4. 如A2所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子基本上由硬碳及一氧化矽組成，且該等第二活性材料粒子基本上由石墨碳組成。
A5. 如A2所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子基本上由鈦酸鋰組成。
A6. 如A0或A1所述之電化學電池，其中該第一電極為陰極。
A7. 如A6所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子基本上由磷酸鋰鐵組成。
A8. 如A7所述之電化學電池，其中該等第二活性材料粒子包含氧化物。
A9. 如段落A0至A8中之任一者所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子之第一平均體積尺寸小於該等第二活性材料粒子之第二平均體積尺寸。
B0. 一種電化學電池，其包含：
第一電極，其藉由液體可滲透隔板與第二電極隔開；及
電解質，其大致安置於整個該等第一及第二電極中；
該第一電極包含第一集電體基板及在該第一集電體基板上分層之活性材料複合物，其中該活性材料複合物包含：
第一層，其與該第一集電體基板相鄰且包括藉由第一黏合劑黏著於一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子經組態以具有第一固態擴散率及第一每莫耳去鋰化自由能；
第二層，其與該液體可滲透隔板相鄰且包括複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子經組態以具有第二固態擴散率及第二每莫耳去鋰化自由能；
其中該第一固態擴散率低於該第二固態擴散率，且該第一去鋰化自由能大於該第二去鋰化自由能。
B1. 如B0所述之電化學電池，其中該第二電極為實質上均質的，以使得該第二電極包括形成為由該隔板向第二集電體基板延伸之單層的活性材料複合物。
B2. 如B0或B1所述之電化學電池，其中該第一電極為陽極。
B3. 如B2所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子基本上由石墨碳組成。
B4. 如B2所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子基本上由硬碳組成，且該等第二活性材料粒子基本上由鈦酸鋰組成。
B5. 如B0或B1所述之電化學電池，其中該第一電極為陰極。
B6. 如B5所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子基本上由氧化鋰錳組成，且該等第二活性材料粒子包括鎳。
B7. 如B6所述之電化學電池，其中該等第二活性材料粒子基本上由氧化鋰鎳鈷鋁組成。
B8. 如B0所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子之第一平均體積尺寸小於該等第二活性材料粒子之第二平均體積尺寸。
C0. 一種電極，其包含：
集電體基板；及
在該基板上分層之活性材料複合物，其中該活性材料複合物包含：
第一層，其與該集電體基板相鄰且包括複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子經組態以具有第一固態擴散率及第一每莫耳鋰化能量；
第二層，其與該第一層相鄰且包括複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子經組態以具有第二固態擴散率及第二每莫耳鋰化能量；
其中該第一固態擴散率大於該第二固態擴散率，且該第一每莫耳鋰化能量小於該第二每莫耳鋰化能量。
C1. 如C0所述之電極，其中該電極為陽極。
C2. 如C1所述之電極，其中該等第一活性材料粒子基本上由硬碳組成，且該等第二活性材料粒子基本上由石墨碳組成。
C3. 如C1所述之電極，其中該等第一活性材料粒子基本上由硬碳及一氧化矽組成，且該等第二活性材料粒子基本上由石墨碳組成。
C4. 如C1所述之電極，其中該等第一活性材料粒子基本上由鈦酸鋰組成。
C5. 如C0所述之電極，其中該電極為陰極。
C6. 如C5所述之電極，其中該等第一活性材料粒子基本上由磷酸鋰鐵組成。
C7. 如C6所述之電極，其中該等第二活性材料粒子包含氧化物。
C8. 如段落C0、C1或C5所述之電極，其中該等第一活性材料粒子之第一平均體積尺寸小於該等第二活性材料粒子之第二平均體積尺寸。

結論
上述之揭示內容可涵蓋具有獨立效用之多個相異實施例。儘管已經以較佳形式揭示此等實施例中之各者，但如本文中所揭示且說明之特定具體實例不應被認為具有限制性意義，此係因為許多變化形式係可能的。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。本發明之主題包括本文所揭示之各種元件、特徵、功能及/或特性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別地指出被視為新穎及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/或特性之其他組合及子組合。此類申請專利範圍，無論在範疇上與原始申請專利範圍相比係更寬廣、更狹窄、相同抑或不同的，亦被視為包含在本發明之主題內。
100‧‧‧電化學電池
102‧‧‧陰極
104‧‧‧陽極
106‧‧‧集電體
108‧‧‧集電體
110‧‧‧電解質
112‧‧‧隔板
200‧‧‧電化學電池
202‧‧‧電極
206‧‧‧集電體
210‧‧‧電解質
212‧‧‧隔板
220‧‧‧鋰離子
222‧‧‧鋰離子
224‧‧‧路徑
226‧‧‧路徑
230‧‧‧第一層
232‧‧‧第二層
300‧‧‧電化學電池
302‧‧‧電極
306‧‧‧集電體
310‧‧‧電解質
312‧‧‧隔板
320‧‧‧鋰離子
322‧‧‧鋰離子
324‧‧‧路徑
326‧‧‧路徑
330‧‧‧第一層
332‧‧‧第二層
400‧‧‧電化學電池
402‧‧‧陰極
404‧‧‧陽極
406‧‧‧集電體
408‧‧‧集電體
410‧‧‧電解質
412‧‧‧隔板
440‧‧‧第一層
442‧‧‧第二層
500‧‧‧電化學電池
502‧‧‧陰極
504‧‧‧陽極
506‧‧‧集電體
508‧‧‧集電體
510‧‧‧電解質
512‧‧‧隔板
540‧‧‧第一層
542‧‧‧第二層
600‧‧‧電化學電池
602‧‧‧陰極
604‧‧‧陽極
606‧‧‧集電體
608‧‧‧集電體
610‧‧‧電解質
612‧‧‧隔板
630‧‧‧第一層
632‧‧‧第二層
700‧‧‧電化學電池
702‧‧‧陰極
704‧‧‧陽極
706‧‧‧集電體
708‧‧‧集電體
710‧‧‧電解質
712‧‧‧隔板
730‧‧‧第一層
732‧‧‧第二層
800‧‧‧電化學電池
802‧‧‧陰極
804‧‧‧陽極
806‧‧‧集電體
808‧‧‧集電體
810‧‧‧電解質
812‧‧‧隔板
830‧‧‧第一層
832‧‧‧第二層
840‧‧‧第一層
842‧‧‧第二層
900‧‧‧電化學電池
902‧‧‧陰極
904‧‧‧陽極
906‧‧‧集電體
908‧‧‧集電體
910‧‧‧電解質
912‧‧‧隔板
930‧‧‧第一層
932‧‧‧第二層
940‧‧‧第一層
942‧‧‧第二層
1000‧‧‧電化學電池
1002‧‧‧陰極
1004‧‧‧陽極
1006‧‧‧集電體
1008‧‧‧集電體
1010‧‧‧電解質
1012‧‧‧隔板
1030‧‧‧第一層
1032‧‧‧第二層
1040‧‧‧第一層
1042‧‧‧第二層
1100‧‧‧電化學電池
1102‧‧‧陰極
1104‧‧‧陽極
1106‧‧‧集電體
1108‧‧‧集電體
1110‧‧‧電解質
1112‧‧‧隔板
1130‧‧‧第一層
1132‧‧‧第二層
1140‧‧‧第一層
1142‧‧‧第二層
1200‧‧‧電化學電池
1202‧‧‧陰極
1204‧‧‧陽極
1206‧‧‧集電體
1208‧‧‧集電體
1210‧‧‧電解質
1212‧‧‧隔板
1230‧‧‧第一層
1232‧‧‧第二層
1240‧‧‧第一層
1242‧‧‧第二層
1300‧‧‧方法
1302‧‧‧步驟
1304‧‧‧步驟
1304‧‧‧步驟
1306‧‧‧步驟
1308‧‧‧步驟
1308‧‧‧步驟
1310‧‧‧步驟
1400‧‧‧系統
1402‧‧‧基板
1404‧‧‧背襯輥
1406‧‧‧施配器裝置
1408‧‧‧塗佈頭
1410‧‧‧狹槽
1412‧‧‧狹槽
1414‧‧‧第一層
1416‧‧‧第二層
圖1為說明性電化學電池之示意性截面視圖。
圖2為具有第一說明性多層電極之一部分電化學電池之示意性截面視圖，其描繪鋰化製程中之接受鋰離子。
圖3為具有第二說明性多層電極之一部分電化學電池之示意性截面視圖，其描繪去鋰化製程中之釋放鋰離子。
圖4為根據本發明之態樣之具有一個多層電極及一個均質電極之說明性電化學電池之示意性截面視圖。
圖5為根據本發明之態樣之具有一個多層電極及一個均質電極之另一說明性電化學電池之示意性截面視圖。＜
圖6為根據本發明之態樣之具有一個多層電極及一個均質電極之另一說明性電化學電池之示意性截面視圖。
圖7為根據本發明之態樣之具有一個多層電極及一個均質電極之另一說明性電化學電池之示意性截面視圖。＜
圖8為根據本發明之態樣之具有兩個多層電極之說明性電化學電池之示意性截面視圖。
圖9為根據本發明之態樣之具有兩個多層電極之另一說明性電化學電池之示意性截面視圖。
圖10為根據本發明之態樣之具有兩個多層電極之另一說明性電化學電池之示意性截面視圖。
圖11為根據本發明之態樣之具有兩個多層電極之另一說明性電化學電池之示意性截面視圖。
圖12為根據本發明之態樣之具有兩個多層電極之另一說明性電化學電池之說明性截面視圖。
圖13為描繪用於製造本發明之電極及電化學電池之說明性方法之步驟的流程圖。
圖14為適用於實施圖13之製造方法之步驟的說明性製造系統之示意圖。

Claims (20)

  1. 一種電化學電池，其包含： 藉由液體可滲透隔板隔開的第一電極與第二電極；及 電解質，其大致安置於整個該等第一及第二電極中； 該第一電極包含第一集電體基板及在該第一集電體基板上分層之活性材料複合物，其中該活性材料複合物包含： 第一層，其與該第一集電體基板相鄰且包括藉由第一黏合劑黏著於一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子經組態以具有第一固態擴散率及第一每莫耳鋰化自由能； 第二層，其與該液體可滲透隔板相鄰且包括複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子經組態以具有第二固態擴散率及第二每莫耳鋰化自由能； 其中該第一固態擴散率大於該第二固態擴散率，且該第一鋰化自由能小於該第二鋰化自由能。
  2. 如請求項1所述之電化學電池，其中該第二電極為實質上均質的。
  3. 如請求項1所述之電化學電池，其中該第一電極為陽極，該等第一活性材料粒子基本上由硬碳組成，且該等第二活性材料粒子基本上由石墨碳組成。
  4. 如請求項1所述之電化學電池，其中該第一電極為陽極，該等第一活性材料粒子基本上由硬碳及一氧化矽組成，且該等第二活性材料粒子基本上由石墨碳組成。
  5. 如請求項1所述之電化學電池，其中該第一電極為陽極，且該等第一活性材料粒子基本上由鈦酸鋰組成。
  6. 如請求項1所述之電化學電池，其中該第一電極為陰極，且該等第一活性材料粒子基本上由磷酸鋰鐵組成。
  7. 如請求項6所述之電化學電池，其中該等第二活性材料粒子包含氧化物。
  8. 如請求項1所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子之第一平均體積尺寸小於該等第二活性材料粒子之第二平均體積尺寸。
  9. 一種電化學電池，其包含： 藉由液體可滲透隔板隔開的第一電極與第二電極；及 電解質，其大致安置於整個該等第一及第二電極中； 該第一電極包含第一集電體基板及在該第一集電體基板上分層之活性材料複合物，其中該活性材料複合物包含： 第一層，其與該第一集電體基板相鄰且包括藉由第一黏合劑黏著於一起之複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子經組態以具有第一固態擴散率及第一每莫耳去鋰化自由能； 第二層，其與該液體可滲透隔板相鄰且包括複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子經組態以具有第二固態擴散率及第二每莫耳去鋰化自由能； 其中該第一固態擴散率低於該第二固態擴散率，且該第一去鋰化自由能大於該第二去鋰化自由能。
  10. 如請求項9所述之電化學電池，其中該第二電極為實質上均質的。
  11. 如請求項9所述之電化學電池，其中該第一電極為陽極，且該等第一活性材料粒子基本上由石墨碳組成。
  12. 如請求項9所述之電化學電池，其中該第一電極為陽極，該等第一活性材料粒子基本上由硬碳組成，且該等第二活性材料粒子基本上由鈦酸鋰組成。
  13. 如請求項9所述之電化學電池，其中該第一電極為陰極，該等第一活性材料粒子基本上由氧化鋰錳組成，且該等第二活性材料粒子基本上由鎳組成。
  14. 如請求項9所述之電化學電池，其中該等第一活性材料粒子之第一平均體積尺寸小於該等第二活性材料粒子之第二平均體積尺寸。
  15. 一種電極，其包含： 集電體基板；及 在該基板上分層之活性材料複合物，其中該活性材料複合物包含： 第一層，其與該集電體基板相鄰且包括複數個第一活性材料粒子，該等第一活性材料粒子經組態以具有第一固態擴散率及第一每莫耳鋰化能量； 第二層，其與該第一層相鄰且包括複數個第二活性材料粒子，該等第二活性材料粒子經組態以具有第二固態擴散率及第二每莫耳鋰化能量； 其中該第一固態擴散率大於該第二固態擴散率，且該第一每莫耳鋰化能量小於該第二每莫耳鋰化能量。
  16. 如請求項15所述之電極，其中該電極為陽極，該等第一活性材料粒子包括硬碳，且該等第二活性材料粒子包括石墨碳。
  17. 如請求項15所述之電極，其中該電極為陽極，該等第一活性材料粒子基本上由硬碳及一氧化矽組成，且該等第二活性材料粒子基本上由石墨碳組成。
  18. 如請求項15所述之電極，其中該電極為陰極且該等第一活性材料粒子基本上由磷酸鋰鐵組成。
  19. 如請求項18所述之電極，其中該等第二活性材料粒子包含氧化物。
  20. 如請求項15所述之電極，其中該等第一活性材料粒子之第一平均體積尺寸小於該等第二活性材料粒子之第二平均體積尺寸。
TW108110337A 2018-03-23 2019-03-25 具有一或多個多層電極的電化學電池 TW201941478A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862647300P 2018-03-23 2018-03-23
US62/647,300 2018-03-23
US15/975,695 2018-05-09
US15/975,695 US20190296332A1 (en) 2018-03-23 2018-05-09 Electrochemical cells having one or more multilayer electrodes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
TW201941478A true TW201941478A (zh) 2019-10-16

Family

ID=67985716

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW108110337A TW201941478A (zh) 2018-03-23 2019-03-25 具有一或多個多層電極的電化學電池

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20190296332A1 (zh)
CN (1) CN112189267A (zh)
TW (1) TW201941478A (zh)
WO (1) WO2019183613A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Families Citing this family (11)

* 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
EP3920276A4 (en) * 2019-01-30 2022-03-23 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. PRISMATIC SECONDARY BATTERY WITH ANHYDROUS ELECTROLYTE
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
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
SE2250160A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-17 Northvolt Ab Secondary cell with a lithium ion storage layer
SE2250158A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-17 Northvolt Ab Single-layer anode
CN114649505A (zh) * 2022-04-07 2022-06-21 珠海冠宇电池股份有限公司 负极片及锂离子电池

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69422854T2 (de) * 1993-06-03 2000-10-19 Sony Corp Sekundärbatterie mit flüssigem nicht-wässerigen Elektrolyten
KR100312695B1 (ko) * 1999-09-01 2001-11-03 김순택 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그의 제조 방법
JP3520921B2 (ja) * 2001-03-27 2004-04-19 日本電気株式会社 二次電池用負極およびそれを用いた二次電池
US8080337B2 (en) * 2005-12-27 2011-12-20 Panasonic Corporation Electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery using same
JP4580949B2 (ja) * 2006-06-02 2010-11-17 株式会社東芝 非水電解質電池、電池パック及び充電式掃除機
JP2008059999A (ja) * 2006-09-01 2008-03-13 Sony Corp 負極およびそれを用いた非水電解質二次電池
CA2559657A1 (en) * 2006-09-13 2008-03-13 Valence Technology, Inc. Method of processing active materials for use in secondary electrochemical cells
US20090061314A1 (en) * 2007-08-30 2009-03-05 Ming Dong Method of Processing Active Materials For Use In Secondary Electrochemical Cells
JP5481904B2 (ja) * 2009-03-30 2014-04-23 日産自動車株式会社 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
JP5704633B2 (ja) * 2009-09-29 2015-04-22 Ｎｅｃエナジーデバイス株式会社 二次電池
US20110168550A1 (en) * 2010-01-13 2011-07-14 Applied Materials, Inc. Graded electrode technologies for high energy lithium-ion batteries
US8889298B2 (en) * 2011-08-30 2014-11-18 Nanotek Instruments, Inc. Surface-mediated lithium ion-exchanging energy storage device
TWI452142B (zh) * 2011-11-22 2014-09-11 中原大學 Tin and antimony ternary compounds and their application and forming methods
US20130157136A1 (en) * 2011-12-15 2013-06-20 Enerdel, Inc. Coating of disordered carbon active material using water-based binder slurry
US8765303B2 (en) * 2012-04-02 2014-07-01 Nanotek Instruments, Inc. Lithium-ion cell having a high energy density and high power density
US9673447B2 (en) * 2012-04-12 2017-06-06 Nanotek Instruments, Inc. Method of operating a lithium-ion cell having a high-capacity cathode
TWI473330B (zh) * 2012-12-10 2015-02-11 Ind Tech Res Inst 鋰電池之電極結構
CN104956521B (zh) * 2012-12-19 2018-06-29 亿目朗美国股份有限公司 用于能量存储的负电极活性材料
WO2014116029A1 (ko) * 2013-01-25 2014-07-31 주식회사 엘지화학 리튬 이차 전지용 음극 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
US9786905B2 (en) * 2013-03-13 2017-10-10 Quantumscape Corporation Iron, fluorine, sulfur compounds for battery cell cathodes
KR20140147779A (ko) * 2013-06-20 2014-12-30 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 고용량 전극 활물질 및 이를 사용한 리튬 이차전지
JP6098852B2 (ja) * 2014-01-06 2017-03-22 エルジー・ケム・リミテッド 二次電池用負極及びこれを含むリチウム二次電池
US9302914B2 (en) * 2014-02-28 2016-04-05 GM Global Technology Operations LLC Methods for making hollow carbon materials and active materials for electrodes
US9768421B2 (en) * 2014-10-10 2017-09-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Flexible electrode assembly and electrochemical device having the electrode assembly
DE102014221279A1 (de) * 2014-10-21 2016-04-21 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kompositelektrode und diese umfassende Lithiumionenbatterie sowie Verwendung der Lithiumionenbatterie in einem Kraftfahrzeug
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
US10680289B2 (en) * 2016-04-07 2020-06-09 StoreDot Ltd. Buffering zone for preventing lithium metallization on the anode of lithium ion batteries

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Also Published As

Publication number Publication date
CN112189267A (zh) 2021-01-05
WO2019183613A1 (en) 2019-09-26
US20190296332A1 (en) 2019-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW201941478A (zh) 具有一或多個多層電極的電化學電池
US11211609B2 (en) Electrode having an interphase structure
US20200251726A1 (en) Multilayered electrodes having high charge and discharge rates
US11876218B2 (en) Electrochemical cells having one or more multilayer electrodes
US20200161628A1 (en) Layered electrode with high rate top layer
CN109075381B (zh) 用于锂离子二次电池的隔板和包括该隔板的锂离子二次电池
JP2016510941A (ja) より厚い電極製造を可能にするための多層電池電極設計
US11271196B2 (en) Electrochemical cells having improved ionic conductivity
US11769882B2 (en) Multi-layered coated electrode for lithium-ion battery
US20220278424A1 (en) Electrode with integrated ceramic separator
US20210135237A1 (en) Electrochemical cell with integrated ceramic separator
US20220149340A1 (en) Anode having high top layer sphericity
US10790505B2 (en) Electrochemical cells having improved ionic conductivity
CN112701258A (zh) 具有镍梯度的多层阴极
US20220352504A1 (en) Layered electrode with high rate top layer
US11469408B2 (en) Electrode and secondary battery
US20200303741A1 (en) Isotropic self-assembly of graphite particles for li-ion anode
TW201946317A (zh) 間隙部分多層電極輪廓
US20220278315A1 (en) Secondary battery electrode and method for producing the electrode