制作电极、隔膜和电化学能量存储设备的方法技术

一种制作具有非均匀微观结构或介观结构的电极的方法，包括：提供含有第一电极材料的第一悬浮液和含有第二电极材料的第二悬浮液；将所述第一和第二悬浮液递送至喷雾装置；操作所述喷雾装置持续一段时间以将所述第一和第二悬浮液喷雾至定位在距离所述喷雾装置一定距离的基底上；和控制到达和/或通过所述喷雾装置的所述第一电极材料和/或所述第二电极材料的所述质量流动速率作为所述时间段的至少一部分的时间函数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及制作用于电化学能量存储设备如电池，例如锂离子电池，和超级电容器的电极和/或隔膜(separator)和制作燃料电池膜。本专利技术还涉及制作电化学能量存储设备如电池，具体而言锂离子电池，超级电容器和燃料电池。本专利技术还涉及用于电化学能量存储设备如电池，例如锂离子电池，和超级电容器的电极和/或隔膜和燃料电池膜。另外，本专利技术涉及电化学能量存储设备如电池，具体而言锂离子电池，超级电容器和燃料电池。
技术介绍
使用料浆浇铸制作电池的电极是已知的。料浆浇铸对于大批量制作(largevolume manufacture)是良好建立的，成熟的，稳定的和自动化的生产方法。料楽饶铸是生产性的和可放大的并能够用于生产阳极和阴极。每年大约三十亿个电池会使用料浆浇铸制作。料浆浇铸通常包含混合各种组分，例如电化学活性粉末，导电率增强剂(conductivity enhancer)，粘合剂和散逸性(fugitive)载体的步骤，以形成楽料。然后所述楽料沉积至基底(substrate)上。在电池制作中，所述基底包含导电集电体(conductingcurrent collector)，通常是招或铜的片或箔，其可以提供于棍上或从棍上解绕。所述楽料用刮刀(doctor blade)涂布于所述基底上，以便以基本均匀的厚层料浆覆盖所述基底。然后将浆料干燥。在干燥后，通过辊乳(压延)施加压力来压制所述电极，并增加其密度。然后将隔膜插入三辊研磨器(three-roll mill)中的阳极和阴极之间。然后将所述电极和隔膜封装在具有电解质的受控环境中以产生成品电池。在锂离子电池的情况下，所述包含于负极中的电化学活性材料通常可以是LiCo02。所述正极中包含的电化学活性材料通常可以是石墨。含LiCoO2的负极通常需要在干燥室中制作。通过料浆浇铸制作的电极是单片的(monolithic)。其目的是，并通常具有，从一点至1J另一点的相同微观结构(microstructure)。通常，它们还具有均勾的孔隙率。所述电极必须具有一些孔隙率以允许在使用中电解质渗透到所述电极，并在所述料浆浇铸制作途径中，这种孔隙率和因此所述电极的总密度通过使用各种其它材料或添加剂如聚合物，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)，或通过控制粒径和粒径分布，以及通过辊乳(“延压”)来压制所述电极并由此提高其密度的铸造后施加压力进行控制。如果所述电极不足够致密，每单位质量的电极和每单位面积的电极的能量存储将相对较低；如果电极太致密，电解质将不会对其完全渗透且离子在电解质中的迀移会受到限制，使得所述电极的部分对于离子(能量)存储利用不良。目前的料浆浇铸制造路线已经进行了工业应用优化，但对于调节(tailor)或设计所述电极的贯穿厚度的微观(micro)或介观(meso)结构提供非常限制性的范围:它本质上在所有地方是相同的。
技术实现思路
本专利技术的第一方面提供了制作具有非均匀微观结构或介观结构的电极的方法，包括:提供含有第一电极材料的第一悬浮液和含有第二电极材料的第二溶液； 将所述第一和第二悬浮液递送至喷雾装置；操作所述喷雾装置持续一段时间以将所述第一和第二悬浮液喷雾至定位在距离所述喷雾装置一定距离的基底上；和控制到达和/或通过所述喷雾装置的所述第一电极材料和/或所述第二电极材料的质量流动速率作为所述时间段的至少一部分的时间函数。通过控制到达和/或通过所述喷雾装置的一种或多种所述电极材料的质量流动速率作为时间函数，能够生产具有非均匀微观结构或介观结构的电极。到达和/或通过所述喷雾装置的所述第一电极材料和所述第二电极材料的每一种的质量流动速率可以独立地或同时地控制为时间函数。所述电极可以是结构化的，分级的或网状的电极。所述电极可以具有非均匀贯穿厚度的微观结构或介观结构。所述电极可以包含孔隙率的空间变化。所述电极在仅仅一维上可以具有非均匀微观结构或介观结构。所述非均匀微观结构或介观结构可以，例如通过所指电极性能的理论模型和/或经验数据预先确定。例如，所述微观结构或介观结构可以包含孔隙率的预定空间变化。所述方法可以包含设计具有非均匀微观结构或介观结构的电极的预备步骤。所述一种或多种电极材料的质量流动速率可以根据预定程序控制为时间函数。所述方法可以是连续的和/或自动的。所述方法可以包括在喷雾期间和/或之后，例如通过喷雾干燥效应和/或在所述基底上干燥所述悬浮液。在一个实施方式中，所述干燥条件可以经过选择和/或控制使得所述干燥速率基本上匹配所述电极材料的沉积速率。所述基底可以，例如在所述基底下面通过可加热的平台进行加热，以便控制所述干燥速率。另外地或可替代地，基底可以定位在可加热区室中。在一个实施方式中，所述方法可以包括相对于所述喷雾装置移动所述基底。相对移动可以在一维或多维上提供，例如在所述X-和/或y_和/或Z-维。在一些实施方式中，所述方法可以包括相对于所述喷雾装置在所述X-和1-维上移动所述基底。所述基底相对于所述喷雾装置可以进行旋转。所述喷雾装置和所述基底之间的距离可以是可变的和/或可控的。所述方法可以包括提供多于两种包含电极材料的悬浮液。所述方法可以包括在将所述悬浮液递送于所述喷雾装置之前将两种或更多种悬浮液混合至一起的步骤。所述喷雾装置可以包括一个或多个喷雾头或喷嘴或雾化器。在一个实施方式中，每种悬浮液可以递送至单独的喷雾装置，例如喷雾头，喷嘴或雾化器。在一个实施方式中，所述第一电极材料和/或所述第二电极材料可以是电化学活性材料。所述电化学活性材料可以包括碳，例如，石墨或LiCo02。在一个实施方式中，所述第二电极材料可以包括与所述第一电极材料相同的化学物质，但可选地具有不同粒径分布。在一个实施方式中，所述第一和/或第二电极材料可以包括一维材料，其可以是或可以不是电化学惰性的。例如，所述第二电极材料可以包括纳米线或纳米管。在一个实施方式中，孔隙率的空间变化可以通过以下获得:改变两种或更多种化学相同或不同的电极材料(例如，电化学活性材料)的局部比例，所述两种或更多种电极材料具有不同的平均粒径，和/或改变较高长宽比材料(如条棒，纤维，丝或管)的局部比例和/或长宽比，这在使用中通过保持所述局部微观结构或介观结构至少部分开放提供物理手段以提高局部孔隙率。所述较高长宽比材料可以是电化学惰性或活性的。方便的是，所述孔隙率的空间变化可以是预定的。所述悬浮液可以使用栗递送至所述喷雾装置。所述栗可以是注射栗或蠕动栗或任何其它栗送设备。在一个实施方式中，所述基底可以包含金属片或箔，例如，铝或铜片或箔。在一个实施方式中，所述方法可以进一步包括制备一种或多种所述悬浮液。制备一种或多种所述悬浮液可以包括:以粉末形式提供所述电极材料并将所述粉末添加于液体载体中。可选地，所述粉可以，例如，使用球磨机进行研磨，之后将其加入到所述液体载体中。在一个实施方式中，所述溶液可以进行搅拌以确保所述粉末在将其喷雾之前悬浮于所述液体载体中和/或不从所述悬浮液中沉降或沉淀。每种悬浮液，当将其递送至所述喷雾装置时，可以进行搅拌，例如可以继续搅拌。在一个实施方式中，所述电极可以具有不大于100 μm，不大于50 μm，不大于30 μ m，不大于10 μ m或不大于I μ m的厚度。在一个实施方式中，所述电极可以具有至少20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作具有非均匀微观结构或介观结构的电极的方法，包括：提供含有第一电极材料的第一悬浮液和含有第二电极材料的第二悬浮液；将所述第一悬浮液和第二悬浮液递送至喷雾装置；操作所述喷雾装置持续一段时间以将所述第一悬浮液和第二悬浮液喷雾至定位在距离所述喷雾装置一定距离的基底上；和控制到达和/或通过所述喷雾装置的所述第一电极材料和/或所述第二电极材料的质量流动速率作为所述时间段的至少一部分的时间函数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕特里克·格兰特，
申请(专利权)人：ISIS创新有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB