[发明专利]用于热涂布锂离子电池的电极的设备和方法

说明书

本申请中的美国政府的权利

本发明是依据DOE(美国能源部)授予的DE-AR0000063通过美国政府的支持所制作。美国政府拥有本发明中的某些权利。

发明背景

发明领域

本发明的实施例一般涉及高电容量能量存储元件和用于制造高电容量能量存储装置的设备和方法。

相关技术的描述

诸如超级电容器和锂离子(Li-ion)电池之类的快速充电、高电容量的能量存储装置用于愈来愈多应用中，这些应用包括便携式电子设备、药物、输送、并网(grid-connected)大型能量存储装置、可再生能量存储装置和不断电电源供应器(UPS)。

现代的、次级的、且可再充电的能量存储装置一般包括阳极电极、阴极电极、定位在阳极电极与阴极电极之间的分隔件、以及至少一个集电器。电极的集电器部件一般由金属箔制成。用于正集电器(阴极)的材料的范例一般包括铝(Al)、不锈钢(SST)和镍(Ni)。用于负集电器(阳极)的材料的范例一般包括铜(Cu)，但也可使用不锈钢(SST)和镍(Ni)。

锂离子电池的活性正阴极电极材料一般是选自种类繁多的锂过渡金属氧化物。范例包括具尖晶石结构的氧化物(LiMn₂O₄(LMO)、LiNi_0.5Mn_1.5O₄(LMNO)等)、层状结构(LiCoO₂、镍锰钴(NMC)、镍钴铝(NCA)等)、橄榄石结构(LiFePO₄等)和前述材料的组合。预先形成的阴极电极材料一般是昂贵的。这些粒子可与导电粒子和粘合剂混合，所述导电粒子诸如是纳米碳(碳黑等)与石墨。

活性负阳极电极材料一般是碳基(石墨基或硬碳基)，且具有大约5-15μm的粒径。目前正开发硅(Si)基和锡(Sn)基的活性材料作为下一代的阳极材料。这两者具有比碳基的材料显著更高的电容量。Li₁₅Si₄具有约3,580mAh/g的电容量，然而石墨具有低于372mAh/g的电容量。锡基阳极可达到超过900mAh/g的电容量，此电容量远高于下一代阴极材料所能达到电容量。因此，期望阴极将持续比阳极厚。

目前，活性材料只占电池单元(battery cell)的整体成分不到50wt％。制造含有更多活性材料的更厚电极的能力将会通过减少来自非活性元素的百分比贡献而显著减少电池单元的生产成本。但是，电极厚度目前被目前所用的材料的运用和机械性质二者所限制。

一种用于制造能量存储装置的方法主要是基于：将阴极活性或阳极活性的材料的粘性粉末浆料混合物狭缝涂布至导电的集电器上，之后延长加热以形成干燥的铸片(cast sheet)且防止破裂。干燥(将溶剂蒸发)之后的电极厚度最后是由压缩或轧光而决定，所述的压缩或轧光调整最终层的密度和孔隙度。狭缝涂布粘性浆料是已高度开发的制造技术，此技术极度依赖浆料的调配、形成、与均质化。所形成的活性层对干燥工艺的速率与热细节相当敏感。

此技术的其他问题与限制中，还有这样的问题与限制：需要大的占地面积(例如，长达50米)的缓慢且昂贵的干燥部件。

因此，本领域中需要更快速充电、更高电容量的能量存储装置，且此装置更小、更轻、且能够以高生产速率以节省成本的方式制造。

发明概述

本发明的实施例一般涉及高电容量能量存储装置和用于制造高电容量能量存储装置的方法。在一个实施例中，提供一种用于制造能量存储电极的沉积系统。该沉积系统包括：传送机构，用于传送基板；活性材料供应组件，具有多个分配组件，所述分配组件用于同时从电极形成混合物沉积多种不同的电极形成材料于该基板上；和热源，用于在该电极形成混合物沉积至该基板上时，同时干燥该电极形成混合物。

在另一实施例中，提供一种电极结构。该电极结构包括集电器和多个多功能电极层，所述多功能电极层相对于该集电器垂直定位，其中所述多功能电极层的每一者的一部分接触该集电器。

在又一实施例中，提供一种电极结构。该电极结构包括集电器和多个多功能电极层，所述多功能电极层相对于该集电器水平定位。

附图简要说明