[发明专利]通过共挤出印刷而制得的先进高功率和高能量的电池电极

说明书

背景技术

电池电极设计通常必须在能量密度与功率密度之间获得权衡。能量密度通常被认为是每单位质量在给定系统或空间区域中所储存的能量的量。功率密度为材料传导电流的能力的量度。通常，具有高能量密度(即高储存容量)的装置不快速放电，这意味着它们同时不具有高功率。

在供电应用中强烈需要增加的体积能量密度的锂离子(Li离子)电池。在多处存在所述需要，如用于可远程驾驶的电动车辆(EV)、混合EV和无线电动工具。具体对于EV，可使用Li离子驱动的EV的距离与体积能量密度直接相关。目前的Li离子电池对于功率要求满足或超过美国先进电池联盟(USABC)的目标，但对于体积能量密度仅满足他们推荐目标的60％。为了增加Li离子电池的体积能量密度，重要的是降低Li离子电池中的非活性组分的体积。

图1显示了典型的Li离子电池10，其中活性材料由用于阴极18的氧化钴锂(LiCoO₂)和用于阳极部分的石墨20组成。非活性部件由电解质、粘结剂、碳、分离器14和正负集电器12和16组成。图2显示了在放电过程中Li离子如何通过图1中的液体电解质的部分20从阳极传输至阴极电极。使用导电致密电极，可发生液体电解质24中的离子的局部消耗。该现象限制了临界电流密度，在电流进一步增加时这可导致放电容量减小。具有更短的Li离子扩散长度22的大约100微米的更薄的电极可用于常规Li离子电池中以减小该效应。

对于目前的EV应用，通过堆叠许多常规薄电极的层而制得大的电池。这导致在这些电池中大比例的非活性组分。降低昂贵的分离器和沉重的集电器的量将大大降低费用和存在的非活性材料的量。图4显示，使用更厚的电极(如36)的Li离子传输路径38提供了一种直接实际的解决方法，所述解决方法以增加活性材料与非活性材料的比例的方式增加Li离子电池的体积能量密度。然而，图4显示了使用更厚的电极(如36)的问题。由于更长的扩散路径(如38)，电解质消耗由于在扩散路径中在复杂微结构中的较差的Li离子电导率而增加。目前的工业制造过程限制了电极构造可获得的改进。

附图说明

图1和2显示了常规锂离子电池的现有技术构造。

图3和4显示了使用厚电极增加锂离子电池的体积能量密度的现有技术构造。

图5显示了具有包括直线孔穴通道的厚的高能量密度电极的电池的一个实施例。

图6显示了具有提供快速锂离子路径的直线孔穴通道的电极的一个实施例的更详细的视图。

图7和8显示了在充电和放电过程中具有直线孔穴通道的电极的扩散路径。

图9显示了制造电池电极的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

图5显示了具有不同类型的电极的电池的一个实施例。电池50具有集电器52和56、阴极58、与所述阴极相邻的分离器54和与所述阴极相对的与分离器相邻的阳极60。在该实施例中，阴极58由交指型材料条组成。

这些类型的电池电极的例子描述于美国专利7,765,949、7,780,812、7,922,471和美国专利公布20120156364和20120153211中。美国专利7,765,949公开了一种用于在基材上挤出和分配材料的装置，所述装置具有用于接收材料的至少两个通道和用于将材料挤出至基材上的出口端口。美国专利7,780,812公开了具有平面化边缘表面的另一个这种装置。美国专利7,922,471公开了用于挤出材料的另一个这种装置，所述材料具有在沉积于基材上之后不沉淀的平衡形状。美国专利公布20120156364和20120153211公开了一种共挤出头，所述共挤出头将两种或更多种材料的流合并成在基材上的交指型结构，其中存在所述材料的多个条。

图5中的电池50具有阴极，所述阴极具有交指型的材料条。这些条可由公开于如上专利和公布中的共挤出装置(其也可称为印刷头)形成。该结构可由其他类型的装置形成。另外，可使用本文公开的实施例形成其他类型的结构。电池电极由所公开的材料和实施例的用途的仅一个例子组成。

常规挤出方法无法通过将多个粘性的填充粒子的糊剂进料至印刷头而产生导电触点和间隔的交指型条，所述印刷头允许分开的流体流动以交替聚集。由于在如上微共挤出印刷头中的层状流动，因此两种材料通常不混合。图6显示了图5的交指型结构的部分70的分解图。