[发明专利]三维共挤出的电池电极

说明书

本发明提供了一种三维电极结构，其具有在第一方向上取向的交指型材料条的第一层和在第二方向上取向的交指型材料条的第二层，所述交指型材料条的第二层位于所述交指型材料条的第一层上。本发明也提供了一种制造三维电极结构的方法，其包括在第一方向上在基材上沉积活性材料和中间材料的交指型条的第一层，和在与所述第一方向正交的第二方向上在所述第一层上沉积活性材料和中间材料的交指型条的第二层。

背景技术

便携式电源需求已驱动了电池技术的发展以获得高能量密度和良好的功率性能。发展的一个领域包括通过将导电材料共挤出至基材上而制造电极。电池发展的两个方面涉及优化材料密度和离子传输。高密度意味着更高的材料堆积，这产生更高的能量储存。在锂离子电池的情况中，致密性较低的材料产生填充体积的更多的电解质，这能够在电解质中更快传输锂离子。

共挤出方法已在数个美国专利和美国专利申请中讨论。这些类型的电池电极的例子在美国专利7,765,949、7,780,812、7,922,471和美国专利公布20070279839、20120156364和20120153211中讨论。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20070279839公开了一种使用蜂窝状结构的共挤出技术。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，其中存在材料的多个条。

除了共挤出材料的发展之外，三维结构的发展已开始。这些三维结构通过再构造目前在均匀单片电池中使用的电极材料而实现了改进的电池性能。已实现多种三维结构，如图1所示。一个例子10具有交指型圆柱状阴极和阳极。另一个例子12具有交指型阴极和阳极，所述交指型阴极和阳极具有矩形横截面。另一个例子14显示涂布有离子导电电解质的薄层的圆柱形阳极的阵列，剩余的自由体积由阴极材料填充。最后的例子16显示了所谓的‘非周期性海绵（aperiodic sponge）’结构，其中海绵的固体网络充当涂布有离子导电电解质的超薄层的充电插入阴极（charge insertion cathode），且剩余自由体积填充互穿连续阳极。

这些结构的确具有改进的性能，但难以制造。仅在可以以成本有效的方式制造结构时才可发生改进的实现。

附图说明

图1显示了数个三维电池结构的例子。

图2显示了由共挤出装置形成的三维电极结构的一个实施例。

图3显示了由共挤出装置形成的三维电极结构的另一实施例。

图4显示了三维电池电极的电池性能的图。

图5显示了共挤出印刷头的一个例子。

图6显示了具有正交层的电池的一个实施例，所述正交层具有对称条分布。

图7显示了具有正交层的电池的一个实施例，所述正交层具有不对称条分布。

图8显示了具有三个正交层的电池的一个实施例，所述三个正交层具有对称条分布。

图9显示了三维电池半电池的放电性能的图。

具体实施方式

图2显示了电池的三维电极结构20的一个实施例。应注意，尽管该电极结构在本文作为电池的部分讨论，但其可为用于除了电池之外的许多结构（如超电容器或燃料电池）的电极。此外，电极可为电池的阴极或阳极。