[發明專利]微結構化電極結構

有效

• 申請號: 201380006585.1
• 申請日: 2013-01-24
• 公開（公告）號: CN104094451B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: A·拉希里;R·思博尼茨;N·沙阿;M·拉馬蘇布拉馬尼亞;H·J·魯斯特三世;J·D·威爾科克斯;M·J·阿姆斯特朗;B·布魯斯卡;C·卡斯特勒蒂內;L·J·勞克蘭
• 申請（專利權）人: 艾諾維克斯公司
• 主分類號: H01M4/02
• 分類號: H01M4/02;H01M4/13;H01M4/38;H01M4/134;H01M10/05
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所11247
• 代理人: 賀月嬌,楊曉光

技術領域

本發明一般涉及在儲能裝置中使用的結構、包含該結構的儲能裝置、以及制造該結構和能量設備的方法。

背景技術

搖椅或插入式二次電池是一種儲能裝置，其中諸如鋰、鈉或鉀離子的載體離子(carrier ion)通過電解質在陽極和陰極之間移動。二次電池可包括單個電池單體(battery cell)，或者兩個以上的被電耦合以形成電池的電池單體，其中每個電池單體包括陽極、陰極和電解質。

在搖椅電池單體中，陽極和陰極二者都包括這樣的材料，載體離子在其中插入和抽出。當電池單體被放電時，載體離子從陽極被抽出并被插入到陰極中。當電池單體被充電時，發生相反的過程：載體離子從陰極被抽出并被插入到陽極中。

圖1示出了諸如非水鋰離子電池的現有儲能裝置的電化學疊層(electrochemical stack)的橫截面圖。電化學疊層1包括陰極集電體2，陰極層3被裝配在陰極集電體2的頂上。該陰極層被微孔分隔體(microporous separator)4覆蓋，在微孔分隔體4上放置有陽極集電體5和陽極層6的組合。該疊層有時候被位于陽極集電體5上方的另一個分隔體層(未示出)覆蓋，被卷繞和填塞成罐狀，并用非水電解質填充以組裝成二次電池。

陽極和陰極集電體共用來自各個活性電化學電極的電流，并使得電流能夠傳輸到電池外面的環境。陽極集電體的一部分與陽極活性材料物理接觸，而陰極集電體的一部分與陰極活性材料接觸。集電體不參與電化學反應，且因此被限制為在用于陽極和陰極的各自的電化學電位范圍內電化學性穩定的材料。

為了使得集電體將電流帶到電池外面的環境，其被典型地連接到接頭(tab)、終端(tag)、封裝饋通(feed-through)或外殼饋通(典型地被統稱為接觸(contact))。接觸部的一端連接到一個或多個集電體，而另一端穿過電池封裝，以電連接到電池外部的環境。通過焊接、壓接(crimp)或超聲波接合，或者用導電膠在適當的位置粘合，陽極接觸部被連接到陽極集電體，而陰極接觸部被連接到陰極集電體。

在充電過程中，鋰離開陰極層3，并且作為鋰離子穿過分隔體4而進入到陽極層6中。根據所使用的陽極材料，鋰離子插入(例如，位于陽極材料的基質中而不形成合金)或形成合金。在放電過程中，鋰離開陽極層6，穿過分隔體4，并進入到陰極層3。集電體將電子從電池接觸部(未示出)傳導到電極，或反之亦然。

現有的儲能裝置，例如電池、燃料電池單體和電化學電容器，典型地具有如圖1所示例的二維層壓結構(例如平面或螺旋卷繞壓層)，其中每個壓層的表面積大致等于其幾何足跡(footprint)(忽略孔隙率和表面粗糙度)。

在文獻中已提出了三維電池，作為改善電池容量和活性材料利用率的手段。已提出相比于二維層壓電池結構，三維結構可被用來提供更大的表面積和更高的能量。由于從較小的幾何區域可獲得的增加的能量，制造三維儲能裝置有益處。參見例如Rust等人的WO2008/089110以及Long等人的“Three-Dimensional Battery Architectures”,Chemical Reviews,(2004),104,4463-4492。

也已提出了新的陽極和陰極材料，作為改善能量密度、安全性、充電/放電率以及二次電池循環壽命的手段。一些這樣的新的高容量材料——例如鋰電池中的硅、鋰或錫陽極——具有顯著的體積膨脹，其在鋰插入和抽出期間引起現有的電子集電體的分解和剝落。已提出了例如硅陽極用作含碳電極的替代物，因為硅陽極具有為鋰電池應用提供顯著更大的每單位體積基質材料的能量的能力。參見例如Konishiike等人的美國專利公開No.2009/006856以及Kasavajjula等人的“Nano-and Bulk-Silicon-Based Insertion Anodes for Lithium-Ion Secondary Cells,”Journal of Power Sources163(2007)1003-1039。鋰被插入到陽極中時硅化鋰的形成導致了顯著的體積變化，這會導致陽極的裂紋形成和粉碎。結果，隨著電池被反復充放電，電池容量會降低。