[发明专利]电极结构及其制造方法

说明书

一种电极结构，其包括：导电基板或集流片；以及第一层，其包括第一电化学活性材料，第一活性材料的特征在于具有一种或多种第一电化学特性。第二层包括第二电化学活性材料，第二活性材料的特征在于具有一种或多种第二电化学特性，所述一种或多种第二电化学特性中的至少一种不同于所述一种或多种第一电化学特性。基于第一电化学活性材料和第二电化学活性材料各自的第一电化学特性和第二电化学特性，将第一层和第二层设置在电极结构内的预定位置，以使第一层和第二层中的每一个的性能最大化。还提供了制造这种电极结构的方法。

技术领域

本发明涉及用于诸如电池(例如，锂离子电池、超级电容器以及燃料电池)的电化学储能装置的电极结构的制造。

本发明还涉及诸如电池(特别是锂离子电池、超级电容器和燃料电池)的电化学储能装置的制造。

本发明还涉及用于诸如电池(例如，锂离子电池、超级电容器以及燃料电池)的电化学储能装置的电极结构。此外，本发明涉及诸如电池(特别是锂离子电池、超级电容器和燃料电池)的电化学储能装置。

背景技术

电池(例如锂离子(Li离子)电池)由于其低成本和有益的高能量密度(即，存储能量的良好能力)被广泛用作存储装置。然而，电池具有低功率密度，这意味着它们每单位时间提供的能量是有限的。相比之下，超级电容器具有较低的能量密度和高功率密度，这意味着它们可以快速充电，并且不会随时间而丧失其存储能力，但是它们可以存储的每单位重量的能量的量相对较低。另外，由于它们可存储的每单位重量的能量的量，它们每单位能量的制造成本通常较高。超级电容器和电池可以在混合动力系统中一起使用，相互补充以满足峰值功率需求。然而，由于有限数量的移动离子及其低迁移率(其导致慢充电/放电动力学)，固态超导体的功率密度被削弱。

已知使用浆料浇注来制造诸如电池的存储装置的电极。浆料浇注是完善的、成熟的、稳定的和自动化的用于大规模生产的制造方法。通过浆料浇注制造的电极是单片的。它们旨在具有(并且通常具有)点到点相同的微观结构。一般来说，它们还具有均匀的多孔性(电极必须具有一定的多孔性，以便在应用中允许电解质渗透电极)。目前的浆料浇注生产方式已经优化以用于工业应用，但是为定制或设计电极的贯穿厚度、微观结构或介观(meso)结构提供了非常受限的范围：在所有地方基本相同。

众所周知的是，Li离子电池、其它类型的电池以及超级电容器中的电极由具有整体一致的成分(即，在部件中的所有位置处的局部成分相同)的材料的混合物形成。例如，Li离子电池的负极通常使用锂主体金属氧化物、粘合剂和导电碳质材料的混合物。这些成分的各馏分(fraction)以及局部孔隙率在部件中各处是实质上恒定的。

作为以上的发展，WO2014/147419(其全部内容通过引用并入本文)提供了制造具有不均匀的微观结构或介观结构的电极的方法，包括：提供包含第一电极材料的第一悬浮液以及包含第二电极材料的第二悬浮液；将第一悬浮液和第二悬浮液输送至喷射装置；将喷射装置操作一段时间，以将第一悬浮液和第二悬浮液喷射到距离喷射装置一定距离的基板上；以及控制流至喷射装置和/或流过喷射装置的第一电极材料和/或第二电极材料的质量流率，使所述质量流率在所述一段时间的至少一部分内作为时间的函数。这使得能够制造出具有不均匀的微观结构或介观结构的电极。

因为通过电极的锂离子扩散速率会变化，所以在一些区域(特别是距离阳极和阴极之间的分隔膜最远的区域)中，锂主体金属氧化物可能无法有效利用。这在更厚的电极上甚至更为显著。这导致电极或装置的每重量或每单位体积的功率相对较低，并且是对昂贵材料的浪费。实现锂离子的更均匀分布的策略将是有益的。

因此目前可用的诸如电池和超级电容器的储能装置具有若干缺点和局限性。本发明是考虑到上述内容而设计的。

发明内容