[發明專利]三維共擠出的電池電極

有效

• 申請號: 201310706917.9
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN103972468B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: C·L·科布;C-J·貝
• 申請（專利權）人: 帕洛阿爾托研究中心公司
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01G9/04;H01M4/36;H01M4/525;H01M4/04;H01M4/88;B29C48/18;B28B3/20;B28B11/24
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐予紅;湯春龍

本發明提供了一種三維電極結構，其具有在第一方向上取向的交指型材料條的第一層和在第二方向上取向的交指型材料條的第二層，所述交指型材料條的第二層位于所述交指型材料條的第一層上。本發明也提供了一種制造三維電極結構的方法，其包括在第一方向上在基材上沉積活性材料和中間材料的交指型條的第一層，和在與所述第一方向正交的第二方向上在所述第一層上沉積活性材料和中間材料的交指型條的第二層。

背景技術

便攜式電源需求已驅動了電池技術的發展以獲得高能量密度和良好的功率性能。發展的一個領域包括通過將導電材料共擠出至基材上而制造電極。電池發展的兩個方面涉及優化材料密度和離子傳輸。高密度意味著更高的材料堆積，這產生更高的能量儲存。在鋰離子電池的情況中，致密性較低的材料產生填充體積的更多的電解質，這能夠在電解質中更快傳輸鋰離子。

共擠出方法已在數個美國專利和美國專利申請中討論。這些類型的電池電極的例子在美國專利7,765,949、7,780,812、7,922,471和美國專利公布20070279839、20120156364和20120153211中討論。美國專利7,765,949公開了一種用于在基材上擠出和分配材料的裝置，所述裝置具有用于接收材料的至少兩個通道和用于將材料擠出至基材上的出口端口。美國專利7,780,812公開了具有平面邊緣表面的另一個這種裝置。美國專利7,922,471公開了用于擠出材料的另一個這種裝置，所述材料具有在沉積于基材上之后不沉淀的平衡形狀。美國專利公布20070279839公開了一種使用蜂窩狀結構的共擠出技術。美國專利公布20120156364和20120153211公開了一種共擠出頭，所述共擠出頭將兩種或更多種材料的流合并成在基材上的交指型結構，其中存在材料的多個條。

除了共擠出材料的發展之外，三維結構的發展已開始。這些三維結構通過再構造目前在均勻單片電池中使用的電極材料而實現了改進的電池性能。已實現多種三維結構，如圖1所示。一個例子10具有交指型圓柱狀陰極和陽極。另一個例子12具有交指型陰極和陽極，所述交指型陰極和陽極具有矩形橫截面。另一個例子14顯示涂布有離子導電電解質的薄層的圓柱形陽極的陣列，剩余的自由體積由陰極材料填充。最后的例子16顯示了所謂的‘非周期性海綿（aperiodic sponge）’結構，其中海綿的固體網絡充當涂布有離子導電電解質的超薄層的充電插入陰極（charge insertion cathode），且剩余自由體積填充互穿連續陽極。

這些結構的確具有改進的性能，但難以制造。僅在可以以成本有效的方式制造結構時才可發生改進的實現。

附圖說明

圖1顯示了數個三維電池結構的例子。

圖2顯示了由共擠出裝置形成的三維電極結構的一個實施例。

圖3顯示了由共擠出裝置形成的三維電極結構的另一實施例。

圖4顯示了三維電池電極的電池性能的圖。

圖5顯示了共擠出印刷頭的一個例子。

圖6顯示了具有正交層的電池的一個實施例，所述正交層具有對稱條分布。

圖7顯示了具有正交層的電池的一個實施例，所述正交層具有不對稱條分布。

圖8顯示了具有三個正交層的電池的一個實施例，所述三個正交層具有對稱條分布。

圖9顯示了三維電池半電池的放電性能的圖。

具體實施方式

圖2顯示了電池的三維電極結構20的一個實施例。應注意，盡管該電極結構在本文作為電池的部分討論，但其可為用于除了電池之外的許多結構（如超電容器或燃料電池）的電極。此外，電極可為電池的陰極或陽極。