[发明专利]具有改进的粘合剂、结构和性能的高容量电池电极

说明书

本发明提供一种用于金属离子电池的阳极材料成分，该阳极材料成分包括活性材料涂层、导电电流收集器和将活性材料涂层耦合到电流收集器的导电中间层。活性材料涂层可具有至少2mAh/cm²的容量加载量并且包括活性材料颗粒，所述活性材料颗粒在第一次充电放电循环期间表现出的体积膨胀在约8vol.％至约160vol.％范围内以及在一个或多个后续充电放电循环期间表现出的体积膨胀在约4vol.％至约50vol.％范围内。

根据35U.S.C.§119要求的优先权

本专利申请要求享有2016年11月28日提交的标题为“具有改进的粘合剂、结构和性能的高容量电池电极”的美国临时申请No.62/426,977的权益，上述申请的全部内容在此通过引用明确地并入本申请中。

背景技术

技术领域

本申请总体上涉及能量存储装置，并且更具体地涉及电池技术等。

背景技术

大量的消费电器、电动交通工具、存储电网和其他重要的应用设备都期望使用高级可充电电池，部分原因是它们的能量密度相对较高、比能相对较高、重量较轻并且潜在寿命较长。

然而，尽管电池在商业应用方面日益普及，但是这些电池还需要进一步的开发，尤其是在低排放或零排放方面的潜在应用、混合电动或纯电动交通工具、消费电器、节能货轮和机车、航空航天领域和电网。具体地，期望对各种可充电电池作进一步改进，例如可充电金属和金属离子电池(例如可充电Li和Li离子电池、可充电Na和Na离子电池、可充电Mg和Mg离子电池等)、可充电含水电池、可充电碱性电池、可充电金属氢化物电池和铅酸电池等。

很多活性(电荷存储)材料、很多聚合物粘合剂、很多导电添加剂和各种混合配制可用在电池电极的结构中。然而，为了改善电极性能(低且稳定的电阻、高循环稳定性、高倍率性能等)，需要针对特定类型和特定尺寸的活性颗粒仔细选择粘合剂、添加剂和混合方案。在许多情况下，这些选择并非微不足道，并且可能违反直觉。

在许多不同类型的可充电电池中，电荷存储材料可以生产成具有高容量(纳米)复合粉末，其在第一次充电放电循环期间表现出适度大的体积变化(例如，体积增加8％-160％)以及在后续充电放电循环期间表现出适度的体积变化(例如，5-50vol.％(体积百分比))。这种电荷存储颗粒的子集包括平均尺寸在约0.2至约20微米范围内的颗粒。这类电荷存储颗粒为大规模制造以及实现高电池级能量密度和其他电极性能特性提供了巨大的希望。然而，这种颗粒相对较新，并且使用常规的粘合剂、导电添加剂和混合方案将它们形成电极可能导致电极性能特征差和循环稳定性有限。当电极容量加载量变得适度(例如，2-4mAh/cm²)时电极性能可能变得特别差，或者当电极容量加载量变高(例如，4-10mAh/cm²)时情况可能更糟。然而，通常需要更高的容量加载量来增加电池能量密度和降低电池制造成本。