[发明专利]电化学储能装置的电极构造及其制造方法

说明书

本发明提供一种电化学储能装置的电极构造及其制造方法，包括：一集电器；涂布于集电器的表面的电极材料，所述电极材料是一种电活性材料；以及至少一穿孔，穿孔穿透所述的电极材料和集电器。本发明通过电极构造的穿孔结构，增强电化学储能装置中的电解质在各个方向的离子传递能力，可以提高不同充电和放电速率下的充电和放电效率。另一方面，通过上述的穿孔结合涂布在集电器的电极材料能够在高电流密度充电和放电期间提高与电解质离子的反应以获得高功率密度。

技术领域

本发明涉及一种电化学储能装置的构造，特别是一种电化学储能装置的电极构造及其制造方法。

背景技术

近年来，电化学储能装置(EESDs)，如锂离子电池(LIBs)、锂-硫(Li-S)电池和超级电容器(SCs)已经广泛应用于电动车辆(electric vehicles，EVs)，混合动力电动车辆(hybrid electric vehicles，HEVs)，插电式混合动力电动车辆(plug-in hybridelectric vehicles，PHEVs)，无线电动工具，无线电源供应和其它的电力储存系统。电化学储能装置经过多年来研究和改良虽然取得了重大进展，但是它的能源密度(energydensity)、功率密度(power density)和使用寿命仍然难以满足要求。随着可穿戴式电子设备的快速发展，迫切需要研发灵活、轻便、高能量密度的电化学储能装置。

锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔离膜构成。通常，电极包括两个部分：电极材料和集电器(current collector)。电极材料是电化学储能装置充放电时的主要反应堆，在电化学反应过程中它们可以通过集电器传输电子因此，集电器是用于完成电流回路的材料的基本附件。电解质对电池体系性能的影响很大，它要具有较宽的电化学窗口、良好的化学稳定性以及较高的离子电导。

电化学反应(electrochemical reaction)是电子通过金属-电解质溶液界面时所发生的化学变化，当电解质嵌入电极材料时，锂离子电池的功率密度受到电化学反应的阻碍。在此步骤中，库伦效率(coulombic efficiency)同时衰减。此外，阻力增加并且常伴随导致温度升高的热量。基于电化学反应的原理，电极与电解质之间的界面需要增强，以减少不必要的电化学反应，同时也提高效率。

锂离子电池的能量密度主要取决于它的输出电压和比容量，而电压和比容量的高低是由电极材料和电解质的电化学性能决定的，尤其是电极材料的选择方面，已有无数的研究人员投入了大量的精力用于开发先进的电极材料。

已公开的美国专利20040191632A1提出了一种具有石墨泡的集电器(BATTERYINCLUDING CARBON FOAM CURRENT COLLECTORS)，所述具有石墨泡的集电器包括孔隙网格，可以提供大量的表面积。这种增强会影响铅酸蓄电池系统的能量密度，功率密度和寿命。所述的集电器包括薄的矩形主体和拉环(tab)除了孔隙网格之外，碳泡沫包括为碳泡沫提供支撑的结构组件的网。

已公开的美国专利20130065122A1提出了一种具有多孔集流体的半固体电极电池及其制造方法(SEMI-SOLID ELECTRODE CELL HAVING A POROUS CURRENT COLLECTOR ANDMETHOD OF MANUFACTURE)。其中提出的多孔集流体可以形成金属丝网并且可以是包括金属和非金属材料的任何合适的材料。这种多孔集流体增强了电化学电池的能量密度和功率密度。

已公开的美国专利第20130252091A1号提出一种锂离子电池的电极及其制造方法(LITHIUM ION BATTERY ELECTRODE AND ITS FABRICATION METHOD)，应用于锂离子电池中的具有多孔三维网络的集电器。集电器提高了电极活性材料的利用率并获得了高面积密度和低电极阻抗。