[发明专利]电池

说明书

技术领域

本发明涉及新颖的电池和用于其制造的有关方法。

背景技术

目前存在各种电池技术。然而，存在对提供非常高性能的电池的相当大的需求。特别是，较高的能量密度和/或给定能量密度的较高可用功率是期望的。可按照每单位体积能量、每单位质量能量和每单位面积能量表示能量密度。不同的产品应用不同地优先考虑这些表示方法中的每个。

当前的电池技术可被描述为平面的或基本上是2D的。在图1中示出当前技术的锂离子电池的示意图。锂离子从一个电极行进到另一电极。行进的方向根据电池是正在充电还是正在放电而改变。阴极电极10由以颗粒12的形式的锂插入材料，例如锂锰氧化物构成。这些颗粒与增强导电性的基于碳的颗粒14混合，且使用聚合物粘合剂粘合颗粒混合物。

为了锂离子从阳极18行进到阴极10，其必须首先从碳颗粒扩散出并穿过阳极的碳颗粒中的间隙，然后穿越～25μm电解质间隙/分离器20的间隙，接着穿过碳颗粒和锂锰氧化物颗粒的混合物，然后实际上插入锂锰氧化物颗粒中。电极可高达100μm厚。因此，锂离子必须穿过混合物行进高达100μm，然后进入氧化物颗粒中1-3μm。

锂离子传输对电池的操作至关重要。传输越难，内阻就越高。这个电阻会通过减小充电/放电速率并增加热来限制性能。

电子传输也是关键的。在图1中，电子必须移动进和移动出锂锰氧化物的颗粒，锂锰氧化物是活性电极材料。这样的材料可能具有差的电子导电性。电子必须接着穿过锂锰氧化物的颗粒和碳颗粒的弯曲的、不连续的路径移动。这个电阻也会通过减小充电/放电速率并增加热来限制性能。

已经提出所谓的3D电极和3D电池作为规避与平面技术相关的问题以提供较高性能的方法。在图2中示出3D电极。在这个图中，锂离子可穿过电解质在整个电极厚度内自由地移动，即，没有使它们蜿蜒穿过的颗粒混合物。锂插入材料，例如锂锰氧化物作为非常薄的涂层（例如，100nm）存在于导电纳米圆柱体32上。因此，锂离子必须插入锂锰氧化物中的最大距离仅仅是涂层的厚度。此外，导电路径是连续的，并提供用于电子迁移的更好路线。穿过锂锰氧化物的电子移动也被最小化。

使用图3所示的完整的3D电池来进一步发展这个概念。3D电池具有互连的3D电极，其为由电解质38的非常薄的膜分开的阳极34和阴极36。这使锂离子必须行进的距离最小化，进一步降低了内阻。

3D电池已证实难以构造。对于电极通常使用的方法是使用从电极生长成多孔模板（图4A中示出）以形成填充模板（图4B）的圆柱体。模板被去除以留下圆柱体（图4C）。这个过程是困难的且难以调整，且存在去除模板同时保持圆柱体完好无缺的问题。此外，为了实现足够的表面积，圆柱体应非常薄。因为电池电极通常相对较厚（～100μm），圆柱体会具有非常高的纵横比。高纵横比的薄纤维已知会导致石棉肺。

制造3D电极的另一方法是首先制造纳米线，然后割断它们并以某种方法（例如，导电粘合剂、热）组合以形成电极。这种方法仍然有对纳米线的以前安全顾虑，且也会难以大规模地制造纳米线。

其它方法涉及将活性材料的涂层涂覆到导电金属网。所谓活性材料，指的是能够在充电和放电状态之间转换的材料。材料可经受的充电/放电转换的数量越高，材料的稳定性越高。Thackeray等人的美国专利申请2010/0035153A1描述了通过将各种锡合金电沉积到铜网上而制成的电池阳极材料。这样的网材料是非常粗糙的结构，并具有极其低的表面积。低表面积材料的缺点是，必须涂覆较厚的涂层，以便实现合理的能量容量。较厚的涂层与较薄的涂层相比较具有减小的速率特性。所谓速率特性，指的是以高速率充电和放电的能力。具有良好的速率特性的材料能以高速率充电和放电，而没有过多的电阻效应，例如热积聚和损耗。金属网是衬底的示例，衬底本身是导电的。因此，涂层本身不需要提供连续的导电路径，然而对于较厚的涂层，合理的导电性会是期望的。

其它方法包括充满或填充诸如“反蛋白石”结构的聚合物球或聚合物球的阵列之间的空隙。然而，这些方法也是昂贵和困难的方法，且通常不提供高表面积结构。

另外的方法包括用金属涂覆聚合物泡沫材料，然后去除聚合物以产生金属泡沫，然后用活性材料涂覆金属泡沫。然而，这样的金属泡沫是昂贵的，它们通常相当厚（>1mm）且具有低表面积。