[发明专利]电池电极和包括此类电极的电池

说明书

发明背景

一般来讲，锂电池和锂离子电池使用相对薄的沉积在金属箔或膨胀金 属网格上的电极来制造。通常这些电极的厚度范围为约0.1mm至 0.25mm，并且用分隔体膜卷绕成圆柱形或棱柱形组合件，通常称为“果冻 卷”。

与相当尺寸的使用筒管构造的碱性电池相比，这种卷绕电池的构造较 为复杂且昂贵。由于由集流体、分隔体、以及其它非活性组件占据的非活 性体积按比例来讲较大，因此包括这些薄电极的电池也趋于具有相对低的 能量密度。然而，使用呈“果冻卷”构造的薄电极的原因是，在电极和电 解质中存在电子和离子导电性限制条件。

用于沉积到金属箔或膨胀金属网格上的电极制剂通常是基于溶剂相、 活性材料、导电添加剂、以及有机聚合物粘合剂。在溶剂蒸发之后，粘合 剂可粘合颗粒材料并且提供机械强度和粘附性。然而，由于聚合物的绝缘 性质的缘故，仅可使用有限的量才不会影响电极的电化学性能，因此限制 了可获得的电极强度。因此，电极的厚度一般限于小于约0.25mm以防止 断裂和/或分层。

发明概述

常规的卷绕布置诸如“果冻卷”布置一般包括会占据电池的显著体积 的大体积的集流体和分隔体材料。减少所用的集流体和分隔体材料的量允 许将附加活性材料添加到电池中。通过将常规的布置替换成筒管电池构 造，可将最多额外25％的活性材料用于AA或AAA型电池中，从而导致显 著的能量密度的增加。使用本文所述的较厚电极可构造出简单的低成本筒 管锂电池，所述电池在充电条件和放电条件下均具有足够的额定容量。这 也可提供其它类型的较高密度电池的构造，诸如棱柱形构造。本文所述的 较厚电极能够产生利用锂系的高能量密度的一系列新式电池布置。

在一个方面，本发明公开了一种电池，所述电池包括外壳、外壳内的 阴极、以及外壳内的阳极。阴极包括锂离子活性阴极材料和活性阴极材料 内的导电金属材料网络。在一些具体实施中，阴极可具有至少1mm的厚 度。

在一些具体实施中，导电金属材料网络包括开孔金属泡沫。导电金属 材料可包括铝。

在一些具体实施中，导电金属材料网络包括金属填料。金属填料可包 括粉末、薄片、纤丝、纤维、或它们的组合。可将金属填料压紧或烧结在 适当位置以形成贯穿活性阴极材料的连续网络。

在一些具体实施中，导电金属材料网络包括在充电或放电时会膨胀或 收缩的金属合金。

在一些具体实施中，阳极包括活性阳极材料和活性阳极材料内的导电 材料阳极网络。活性阳极材料可包括中间相碳微球(MCMB)、Li₄Ti₅O₁₂、 或它们的组合。导电材料阳极网络可包括开孔金属泡沫。导电材料阳极网 络可包括铜。在一些具体实施中，导电材料阳极网络可包括金属填料。金 属填料可包括粉末、薄片、纤丝、纤维、或它们的组合。可将金属填料压 紧或烧结在适当位置以形成贯穿活性阳极材料的连续网络。

在一些具体实施中，电池也包括阴极和阳极之间的分隔体。分隔体可 包括多孔聚烯烃。在一些具体实施中，分隔体可包括陶瓷或玻璃。

在一些具体实施中，导电金属材料网络包括不含活性阴极材料的孔的 表面层。在一些具体实施中，不含活性阴极材料的孔的表面层可为被氧化 的。在一些具体实施中，不含活性阴极材料的孔的表面层可足够厚以用作 阴极和阳极之间的分隔体。

在一些具体实施中，活性阴极材料包括Li[Ni_0.33Co_0.33Mn_0.33]O₂、 LiFePO₄、LiCoO₂、LiMn₂O₄或它们的组合。在一些具体实施中，阴极可具 有介于约2mm至约10mm之间的厚度。在一些具体实施中，阴极包括介于 约5％重量和约15％重量之间的导电材料。

在一些具体实施中，该电池可为二次电池。

在一些具体实施中，该电池可被构造为堆叠层棱柱形构造。在其它具 体实施中，该电池可具有筒管电池构造。在一些具体实施中，该电池包括 多个堆叠盘，每个堆叠盘均具有至少一个阴极区和至少一个阳极区。

在一些具体实施中，该电池具有至少约1.5mA/cm²的额定容量。