[发明专利]用于制造多孔电极的方法和包含这种电极的电池

说明书

一种用于制造电化学装置的方法，所述电化学装置选自由以下组成的组：容量大于1mAh的锂离子电池、电容器、超级电容器、电阻器、电感器、晶体管、光伏电池、燃料电池，实施用于制造多孔电极的方法，该多孔电极包括沉积在基板上的多孔层，所述层具有按体积计介于20％和60％之间的孔隙度和平均直径小于50nm的孔，所述用于制造所述多孔电极的所述方法其特征在于：(a)提供基板和胶体悬浮液，该胶体悬浮液包括活性电极材料的单分散初级纳米颗粒的聚集体或附聚物，该活性电极材料具有包括在2nm至60nm之间的平均初级直径D₅₀，所述聚集体或附聚物具有包括在50nm至300nm之间的平均直径D₅₀；(b)通过选自由以下技术形成的组的技术由所述胶体悬浮液在所述基板上沉积层：电泳、印刷技术和涂布技术；(c)干燥所述层，并且通过挤压和/或加热使其固结，以获得介孔层；以及(d)在所述层的孔上和孔内沉积电子导电材料涂层。或者实施能够通过所述用于制造多孔电极的方法得到的多孔电极。

技术领域

本发明涉及电化学领域，更具体地涉及电化学系统。更具体地，本发明涉及可用于诸如容量大于1mAh的大功率电池(含锂离子电池)、钠离子电池、锂空气电池、燃料电池、光伏电池等电化学装置中的电极。本发明适用于负电极和正电极。本发明涉及可以浸渍有不含液相的固体电解质或液体电解质的多孔电极。

本发明还涉及实施电极材料的纳米颗粒的用于制备这种多孔电极的方法以及由此获得的电极。本发明还涉及用于制造包括这些电极中的至少一个的电化学装置的方法以及由此获得的装置；这些装置优选为锂离子电池。

背景技术

为自主电气设备(例如：便携式电话和计算机、便携式工具、自主传感器)或电动车辆牵引提供动力的理想电池应具有较长的使用寿命，能够储存大量的能量和电力，并且不会有过热甚至爆炸的风险。

目前，这些电子设备主要由锂离子电池供电，锂离子电池在已提出的不同存储技术中具有最好的能量密度。存在各种架构和化学电极组成来生产这些电池。用于制造锂离子电池的方法在许多论文和专利中提出；详细目录在2002年出版的书籍“Advances inLithium-ion batteries”(编辑W.van Schalkwijk和B.Scrosati)(KlueverAcademic/Plenum出版社)中给出。

锂离子电池的电极可使用涂布技术、特别是通过辊式涂布、刮刀涂布、流延成型、槽模(slot-die)涂布来制造。利用这些方法，将由粉末形式的活性材料的颗粒构成的油墨沉积在基板的表面上；构成该粉末的颗粒具有直径通常在5μm至15μm之间的平均粒度。

这些技术允许产生厚度包括在约50μm至约400μm之间的层。电池的功率和能量可以通过调整层的厚度和孔隙度以及构成层的活性颗粒的大小来调节。

沉积以形成电极的油墨(或糊剂)包含活性材料颗粒，而且还包含(有机)粘结剂、允许确保颗粒之间的电接触的碳粉以及在干燥电极的步骤期间蒸发的溶剂。为了改善颗粒之间的电接触质量并压实沉积层，在电极上执行压延步骤。在该压缩步骤之后，电极的活性颗粒占据沉积物体积的约50％-70％，这意味着在颗粒之间通常存在约30％-50％的孔隙度。

为了最佳优化用常规制造方法生产的锂离子电池的体积能量密度，降低电极的孔隙度可以是非常有用的；由此，每电极体积单位的活性成分的量增加。这可以以许多方式完成。

在极端情况下，可以使用完全致密的没有孔隙度的层；由此，电极的体积能量密度最大。这种致密层可以使用真空沉积技术(例如通过物理气相沉积(缩写为PVD))来产生。然而，由于这些没有孔的层(称为“完全实心层”的层)不能包含促进离子输送的液体电解质或促进电荷输送的电子导电填料，因此它们在电池中的厚度必须保持限制在几微米，因为否则它们将变得电阻太大。这些沉积技术可以用于制造微型电池。