[发明专利]制作用于电池和电容器的槽路电极

说明书

输送锂或者输送钠的电化学电池单元或者电容器单元的阳极和/或阴极是由小(微米级)电极材料颗粒形成，小(微米级)电极材料颗粒具有延伸通过基本上每个电极颗粒的一个或多个沟槽。在从前体材料形成电极颗粒时，通槽形成在该电极颗粒中。当形成电极颗粒时，使沟槽形成纤维与电极前体材料进行混合，并且从所形成的电极颗粒中移除沟槽形成材料以便在颗粒中留下通槽，随后能够通过用于电解池的电解质来浸润该通槽。

技术领域

用于锂电池或电容器或者钠电池或电容器的活性电极材料的颗粒形成有延伸通过其微粒形状的沟槽，以便增加其表面积并且进一步增加其与液体电解质的接触面积，其与液体电解质一起被输注到组装的电池或者电容器中。

背景技术

在本说明书的该章节中以背景信息进行呈现的材料不必是现有技术。

在当前的发展下存在多种不同类型的电池和电容器，这些电池和电容器使用包含锂离子或者包含钠离子的液体或者固体电解质来进行操作。这种电池包括：锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、钠硫电池、锂离子或者钠离子电容器、以及使用锂或者钠的固态电池。在许多这些电化学装置中，电极材料(即，阳极和阴极活性材料)被制备为呈一种组合物的微米级固体颗粒的形式，其将锂离子或者钠离子嵌入到合适的电解质材料中并且将锂离子或者钠离子从该合适的电解质材料上解嵌。

例如，锂离子电池适应于应用在电力驱动的机动车辆中以及应用在使用内燃机和电动机两者来给车辆提供动力的混合车辆中。其它非车辆应用也使用各种电极材料的组合的锂电池或电容器或者钠电池或电容器来提供电力。

在锂离子电池(或者锂离子电容器)的电解池的常用设计中，电极是由在多孔层中粘合至薄导电金属箔的一侧或者两侧的活性阳极材料或者活性阴极材料的微米级颗粒形成。该金属箔用作电极材料的集电器。在一组电池结构中，电极被形成为相对较薄的矩形构件。相似大小的阳极和阴极在微粒阳极和阴极材料的每组面朝多孔层之间交替地组装有薄多孔隔板层。每个隔板层和每层电极材料的孔隙填充有溶解在无水溶剂中的锂盐的电解质溶液。每个电解池的直流(DC)电势通常在约二伏特至四伏特的范围内。电解池的电流产生能量(Wh)很大程度上取决于在每个电极的制备和运行中能够容纳的电极材料的组合物、形状、以及数量。对于能够在较低成本下提供增加的电能和功率的锂电池和电容器(以及钠电池和电容器)的电极材料，这是一个持续的需求。

发明内容

本发明的实践可适用于为如下电池制作包含沟槽的微粒电极材料：锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、钠硫电池、锂离子电容器和钠离子电容器、以及使用锂或者钠作为电极和电解质组合物的固态电池。但为了图示特定示例的目的，将结合用在锂离子电解池和电池中的包含沟槽的微粒阳极和阴极材料的制备来详细地描述本发明的实践。

用于锂离子电池的阳极和阴极的选择组合物通常被制作为单个固体颗粒的形状，该单个固体颗粒具有例如在约0.5至30微米的范围内的直径或者最大尺寸。单个颗粒分别呈现出相对于其三维形状可感知的表面积以与包含锂离子的液体电解质接触。一组这种颗粒通常与较小部分的导电材料颗粒(诸如，炭黑或者其它导电碳颗粒)进行混合并且作为大体上均匀厚度的多孔微粒层(例如，利用相对较小数量的合适的聚合物粘合剂材料)粘合至金属箔集电器的平坦主要表面。阳极材料和阴极材料的具有插入的隔板材料薄多孔层的交替多孔微粒层被堆叠或者滚制以形成锂离子电池的电解池。电极材料层和介入隔板层利用包含锂离子的液体电解质来浸润，该包含锂离子的液体电解质通常是由无水溶剂中的锂盐的溶液形成。电解池或者成组电解池的电化学效率部分地取决于液体电解质中的锂离子与阳极材料的颗粒和阴极材料的颗粒的相应表面之间的良好接触。

根据本发明的实践，阴极材料的颗粒初始地形成有延伸通过基本上每个颗粒的一个或多个沟槽；每个沟槽具有在一个表面位置处的开口并且以大体上的直线形式延伸至在第二表面位置处的开口。并且阳极颗粒也形成有堪比的通槽，该通槽延伸通过基本上每个阳极颗粒。在各个阳极材料颗粒中和各个阴极材料颗粒中的这种通槽的贡献在于增加每个颗粒与电解质液体的可接近接触面积并且在于增加在相应电极颗粒中且通过相应电极颗粒层的电解质离子的输送。