[发明专利]小型电池及用于其的电极

说明书

相关申请

本申请要求Marinis等在2008年2月12日提交的题为“SmallScale Batteries and Electrodes For Use Thereof”的美国临时专利申请序列No.61/027,842和Marinis等在2008年11月26日提交的题为“Small Scale Batteries and Electrodes For Use Thereof”的美国临时专利申请序列No.61/118,122的权益。将这些中的每一个通过引用并入本文。

发明领域

本发明主要涉及电池或其它电化学装置，以及用于这些的系统和材料，包括新的电极材料和设计。在一些实施方案中，本发明涉及小型电池或微电池。

背景技术

自从伏打时期，电池和其它电化学装置通过关键部件的手工组装来制造。需要非常小且能量密度高的电源的分布式和自治式电子器件的出现，以及对低成本能源和动力的较大电池的持续需求，已产生对电池等的全新制造方法的需要。电流装置的长度为从微米厚的薄膜电池到基于卷绕层合膜的可再充电锂电池，再到用于普通碱性电池和铅酸电池的大组件。然而，随着动力装置的尺度不断缩小，存在对于对等尺度的分布式高能量密度电源的逐渐增加的需要。然而，目前高能量密度电池(例如锂离子电池)的层合构造技术，现已达到它们的设计极限，具有低效率的质量和体积利用率，仅30％-40％的有效装置体积用于离子贮存。尝试提高功率密度，例如通过使用较薄的电极，这典型地是以牺牲能量密度为代价的。

发明概述

本发明主要涉及电池或其它电化学装置，以及用于这些的系统和材料，包括新的电极材料和设计。在一些实施方案中，本发明涉及小型电池或微电池。本发明的主题在一些情形中涉及相关产品，对特定问题的替代性解决方案，和/或一种或多种系统和/或制品的多种不同用途。

在一方面，本发明涉及制品。在一组实施方案中，该制品包括包含整个阳极、电解质和整个阴极的电池，其中该电池具有不大于约5mm³的体积和至少约400W h/l的能量密度。在另一组实施方案中，该制品包括能量密度为至少约1000W h/l的可再充电电池。

在又一组实施方案中，该制品包括由烧结陶瓷形成的电极，其中该电极具有不大于约50％的孔隙率。在一些情形中，该电极的至少一些孔隙填充有电解质即液体、聚合物。在再一组实施方案中，该制品包括由烧结陶瓷形成的电极，该电极在至少6次C/20倍率下的充电-放电循环后能够保持其初始储存容量的至少约50％。

在一组实施方案中，该制品包括由包含LiCoO₂的烧结陶瓷形成的微加工(micromachine)电极。在另一组实施方案中，该制品包括由多孔烧结陶瓷形成的微加工电极。在又一组实施方案中，该制品包括由烧结陶瓷形成的微加工电极，所述陶瓷具有小于约2％的线性应变差别。

根据另一组实施方案，该制品包括电极，该电极具有基底(base)和多个从电极基底延伸至少约50微米的突出体(protrusion)，其中至少一些突出体包含LiCoO₂，并且其中基本上所有突出体具有表面和主体(bulk)，并且进行尺寸调节(size)使得基本上所有主体距离所述表面不大于约25微米。该制品还可以包括位于突出体表面上的无孔电解质。

根据另一组实施方案，该制品包括电极，该电极包含基底和多个从该基底延伸的突出体、以及从该基底延伸且包围所述多个突出体的壁。在一些情形中，突出体和壁由单一材料形成。在另一组实施方案中，该制品包括电极，该电极包含在一个表面上的多个突出体和包围所述多个突出体的壁。在一些情形中，可使用激光微加工形成该电极。

在一组实施方案中，该制品包括具有多个突出体的电极。在一些情形中，所述突出体具有至少约3∶1的长径比和至少约2∶1的斜度。在一个实施方案中，使用激光微加工形成该电极。在另一个实施方案中，该电极由单一材料形成。

根据另一组实施方案，该制品包括锂金属电极、与该锂金属电极接触的无孔电解质和与该锂金属电极接触的多孔烧结电极。