[发明专利]三维电池的电极结构

说明书

发明领域

本发明总体而言涉及在储能装置中使用的结构、包含这样的结构的储能装置、以及制造这样的结构和能量装置的方法。

发明背景

摇椅或插入式二次电池单元是一种储能装置，其中诸如锂、钠、钾、钙或镁离子的载流离子通过电解质在正电极和负电极之间移动。二次电池可以包括单个电池单体、或两个以上的被电耦合以形成电池的电池单体，其中每个电池单体包括正电极、负电极、微孔隔板和电解质

在摇椅电池单体中，正电极和负电极二者都包括这样的材料，载流离子在其中插入和抽出。当电池单体被放电时，载流离子从负电极被抽出并被插入到正电极中。当电池单体被充电时，发生相反的过程，载流离子从正电极被抽出并被插入到负电极中。

图1示出了诸如非水锂离子电池的现有的储能装置的电化学叠层(stack)的横截面图。电化学叠层1包括正电极集电体12，正电极活性材料层13被装配在正电极集电体12的顶部。该层被微孔隔板(separator)14覆盖，在微孔隔板14上放置有负电极集电体15和负电极活性材料层16的组件。该叠层有时被位于负电极集电体15上方的另一隔板层(未示出)覆盖，被卷绕和填塞成罐状，并用非水电解质填充以组装成二次电池。

正电极集电体和负电极集电体共用来自各个活性电化学电极的电流，并使得电流能够传送到电池外部的环境。负电极集电体的一部分与负电极活性材料物理接触，而正电极集电体的一部分与正电极活性材料物理接触。集电体不参与电化学反应，因此被限制为在用于阳极和阴极的各自的电化学电势范围内电化学稳定的材料。

为了使得集电体将电流带到电池外部的环境，负电极集电体和正电极集电体被典型地各自连接到电极母线(electrode bus)、接头(tab)、终端(tag)、封装馈通(package feed-through)或壳馈通(housing feed-through)(典型地，其被统称为接触部(contact)。接触部的一端被连接到一个或多个集电体，而另一端穿过电池封装，以电连接到电池外部的环境。通过焊接、压接、或超声波粘合或用导电胶被粘结在适当的位置，负电极接触部被连接到负电极集电体，而正电极接触部被连接到正电极集电体。

常规的缠绕式电池(参见，例如，美国专利第6,090,505号和第6,235,427号)典型地含有被涂覆到单个箔上并在电池单体组装之前被压缩的电极材料(活性材料、粘合剂、导电助剂)。其上涂覆由电极的箔典型地是集电路径的一部分。在单个卷芯式电池中，如18650或棱柱形电池单体中，集电体箔被超声波地焊接到电极母线、接头、终端等，其将电流从活性材料通过集电体箔和接头带到电池的外部。根据设计，在沿单一的卷芯的多个位置中、或者沿所述集电体箔的一端或两端中的一个位置存在接头。常规的层叠电池袋装电池单元具有活性材料的多块板(或箔)，其中每个箔的顶部区域随后被收集并被一起焊接至接头；然后所述接头将电流带到电池袋的外部(参见，例如，美国专利公开第2005/0008939号)。

再次参考图1，在充电过程中，锂离开正电极阴极层13并作为锂离子穿过隔板14进入负电极活性材料层16中。根据所用的负电极活性材料，锂离子插入(例如，位于所述负电极活性材料的基质(matrix)中而不形成合金)或形成合金。在放电过程中，锂离开负电极活性材料层16，穿过隔板14，并进入正电极活性材料层13。集电体将电子从电池接触部(未示出)传导至电极，或反之亦然。

现有的储能装置，例如电池、燃料电池单体和电化学电容器，典型地具有如图1所示的二维层压结构(例如平面或螺旋缠绕压层)。，其中每个压层的表面积大致等于其几何足迹(footprint)(忽略孔隙率和表面粗糙度)。

在文献中已提出了三维电池，作为改善电池容量和活性材料利用率的手段。已提出相比于二维层压电池结构，三维结构可以被用来提供更大的表面积和更高的能量。由于从较小的几何区域可获得的增加的能量，制造三维储能装置有益处。参见例如Rust等人的WO2008/089110和Long等人的"Three-Dimensional Battery Architectures,"Chemical Reviews,(2004),104,4463-4492。

尽管有最新取得的进展，但仍然需要具有提高的能量密度的二次电池和其他储能装置。

发明内容