[发明专利]一种夹层结构电极

说明书

本发明提供了一种夹层结构电极，包括集流体以及以夹层结构形式沉积于所述集流体上的电极组合物，电极组合物包括正/负极活性材料、粘结剂和导电剂，所述夹层结构由靠近集流体的电极底层和远离集流体的电极表层，和夹在电极底层和电极表层中间的电极中间层组成，孔隙率由所述电极中间层分别向所述电极底层和所述电极表层两端逐渐增大。本发明利用在厚度范围内具有不同孔隙率的各涂层组成夹层结构电极，较高孔隙率的电极底层保障电极靠近集流体侧的电解液保持能力，有利于提高厚电极的循环性能，增加电极表层孔隙率可以提高电解液对整个电极的浸润能力，而电极中间层孔隙率较低，保证电极整体具有较好的能量密度。

技术领域

本发明属于大容量蓄电器件技术领域，涉及一种夹层结构电极，该电极可 以应用于高能量密度和高功率的锂离子电池、超级电容器和燃料电池中。

背景技术

随着新能源汽车保有量的增加，用户对新能源汽车的要求也进一步对标传 统燃油汽车，使得单车续航里程要求也越来越高，同时补贴政策也推动着新能 源汽车动力电池能量密度的升高。

当前各国都把发展高能量密度的动力电池作为电动汽车领域的 技术突破点，我国新能源汽车动力电池发展路线规划为2020年实现 单体比能量超过300Wh/kg，2030年实现单体电池比能量超过 500Wh/kg；美国JCESR/DOE提出到2022年开发出可装车用的350Wh/kg锂离子动力电池，同时也与2016年投资5000万美元成立 Battery 500联盟，旨在研究500Wh/kg动力电池体系；日本NEDO也 计划到2030年开发出500Wh/kg的电池。这些都是把高电压或高容 量的电极材料开发作为实现高能量密度动力电池的最直接和有效的 方法。尽管如此，高镍正极材料、层状富锂材料和硅基负极材料或锂 金属负极材料等新型电极材料组成的电池化学体系尚不具备大规模 产业化推广的条件，从而使得在当前规模化推广的磷酸铁锂/石墨和 三元材料/石墨的体系下，从工程角度对电极结构的优化与新型电极 材料的开发同等重要，开发电池电极工艺、导入更薄的或多孔的金属 箔材集流体以及放大电池尺寸来降低壳体等辅材重量，这些都是当前 提高电池能量密度的有效途径，其中提高电极活性物质涂层厚度是当 前提高动力电池能量密度最有潜力的方法。

电极厚度对锂离子电池电化学性能的影响是多方面的，电极内部高曲折度 和电极低孔隙率使得电极内部超长锂离子传输路径和高扩散阻力，严重影响锂 离子电导率和电极比容量。电极设计要求电极具有适度增强的电子电导性和离 子电导性，以达到与薄电极相同的充放电倍率。近年来，采用在电极内部锂离 子传输方向上构筑定向排列的微通道的微结构设计，被证明是实现电极快速电 荷传输的低曲折结构设计，实现锂离子快速传导扩散的有效策略，如采用仿生 木材和冰的模板法、采用外加磁场诱导电极活性材料定向排列形成微通道的磁 场诱导法等电极结构设计技术(Advanced Energy Materials,2019,9,1901457)， 用这些方法制成的电极组装成电池的倍率性能都能明显提升，为未来电极材料和电极结构设计提供了很好的思路，但与当前锂离子电池的合浆涂布制造工艺 技术不兼容。

美国应用材料公司的中国发明专利ZL201480010713.4、中国发明专利申 请CN201080060707.1、东莞新能源公司的中国发明专利ZL201110247550.X以 及中科院苏州纳米所的中国发明专利申请CN201810008217.5都是提出一种孔 隙率沿着逐渐远离集流体的方向增加的多层结构电极，以实现电解液对电极的 高质量浸润，提高电极的离子电导率；相反，英国奥克斯能源公司的中国发明 专利ZL200580027135.6则提出孔隙率沿着逐渐远离集流体的方向减小的多层 结构电极。与传统单层电极相比，渐变孔隙率的多层结构电极性能都较优，但 两者各有优缺点。孔隙率沿着逐渐远离集流体的方向增加的多层结构电极可以 有效的确保电解液对电极的浸润，而忽略了靠近集流体侧电极的电解消耗较快，会导致电极涂层与集流体分开的电池失效行为；孔隙率沿着逐渐远离集流体的 方向减小的多层结构电极，会因电极表面的孔隙率较小不利于电解液的浸润。