电极制造方法及相关制品技术

一般性地描述了硫基电极和相关体系及其制造方法。某些实施方案涉及具有光滑外表面的硫基电极。根据一些实施方案，在制造过程期间可将相对大的力施加于制备硫基电极的组合物。在一些这类实施方案中，甚至在相对大的力施加于它们以后，组合物可保持相对高孔隙率。还描述了在电极制造过程期间使用液体的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求2014年5月1日提交且标题为“Electrode Fabrication Methods and Associated Systems and Articles”的美国临时专利申请序列号61/987,271在35U.S.C.§119(e)下的优先权，通过引用将其关于所有目的的内容全部结合到本文中。
一般性地描述了电极的制造及相关体系和制品。背景锂-硫电化学电池通常包括硫基电极和锂基电极，其参与电化学反应以产生电流。一般而言，锂-硫电化学反应由电解质促进，所述电解质可包含游离离子并且可作为离子导电介质行为。与制造用于锂-硫电池的硫基电极有关的一个挑战是赋予电极足够的导电性使得电流在电池的电化学操作期间可有效地从硫基电极中输送出来。制造硫基电极的许多先前方法通过将导电碳基材料—其具有比电极活性硫基材料实质上更高的导电性—加入电极配制剂中而解决了该问题。例如，用于锂-硫电化学电池的许多先前硫基电极通过浇铸硫基电极活性材料、碳基导电材料和粘合剂的悬浮液以形成层，随后将其干燥以形成最终电极而制备。由于大量原因，这类电极对结合到某些类型的锂-硫电化学电池中而言可能是有挑战性的。因此，想要制造硫基电极的改进方法。概述一般性地描述了电极和相关体系及其制造方法。在一些情况下，本专利技术的主题涉及相关的产物、特定问题的备选解决方法和/或一种或多种体系和/或制品的多种不同用途。在一个方面中，描述了制备电极的方法。在一些实施方案中，制备电极的方法包括将至少约590N/cm2的压力施加于包含颗粒导电材料、电极活性材料、粘合剂和液体润湿剂的组合物以形成电极。根据某些实施方案，制备电极的方法包括将至少约1765N/cm2的压力施加于包含颗粒导电材料、电极活性材料和粘合剂的组合物以形成电极，其中在压力施加于组合物以后，电极具有至少约40％的孔隙率。在一个方面中，描述了电极。在一些实施方案中，电极包含颗粒导电材料；电极活性材料；和粘合剂，其中电极具有至少约40％的孔隙率，且电极的外部几何表面具有在至少约10,000平方微米的几何表面积上小于约15μm的均方根表面粗糙度。在连同附图考虑时，本专利技术的其它优点和新特征从以下各个本专利技术非限定性实施方案的详细描述中获悉。如果本说明书和通过引用结合的文件包括相矛盾和/或不一致的公开内容，则应对照本说明书。附图简述本专利技术的非限定性实施方案通过参考附图描述，所述附图为示意性且不意欲按比例绘出。在图中，所述各个相同或几乎相同的组件由单个数字表示。为了清楚，在每个图中没有标记出每个组件，也没有显示本专利技术各个实施方案的每个组件，其中该阐述使本领域技术人员理解本专利技术不是必须的。在图中：图1A-1D为阐述根据某些实施方案的电极制造的横截面示意图；图2为根据一些实施方案的电化学电池的横截面示意图；图3为根据某些实施方案，对于包含经受湿压缩步骤的阴极的电化学电池，作为循环数目的函数，比放电容量的图；图4为根据一些实施方案，对于包含未经受压缩步骤的阴极的电化学电池，作为循环数目的函数，比放电容量的图；图5为根据一些实施方案，对于包含经受干压缩步骤的阴极的电化学电池，作为循环数目的函数，比放电容量的图；和图6为对于包含含有无定形炭黑(具有有限粒内孔隙率)作为导电材料的阴极的电化学电池，作为循环数目的函数，比放电容量的图详述一般性地描述了电极和相关体系及其制造方法。某些实施方案涉及具有光滑外表面的包含颗粒导电材料的电极(例如包括但不限于硫基电极)。根据一些实施方案，在电极制造过程期间可将相对大的力应用于制备电极的前体组合物。在一些这类实施方案中，甚至在制造过程期间将相对大的力施加于它们以后，组合物保持相对高孔隙率。还描述了在电极制造过程期间(以及特别是在施加相对高压力期间)使用液体的方法。显示出在锂基电化学电池的充电和/或放电期间力的施加(与上述电化学电池的电极形成期间力的施加相反)增强电池性能。作为一个实例，2009年8月4日提交的，标题为“Application of Force in Electrochemical Cells”的美国专利公开No.2010/0035128，Scordilis-Kelley等人描述了在充电和/或放电期间在电化学电池中力的施加用于改进电极化学、形态和/或其它特性，这可改进性能。一些电化学电池可经历充电/放电循环，其涉及金属的汽提和沉积到电极的表面上(锂金属的汽提和沉积到锂阳极的表面上)。在一些情况下，汽提和沉积可通过电极表面上金属与其它电池组分如电解质组分的寄生反应实现。当电化学电池经历重复充电/放电循环时，电极的一个或多个表面可变得不均匀，这通常是由于溶于电解质中的离子的不均匀再沉积。电极的一个或多个表面的糙化可产生日益差的电池性能。对抗电极活性材料不均匀再沉积的不利影响的一种方法是在充电和/或放电期间施加各向异性力至影响的电极。然而，在某些情况下，将各向异性力施加于电化学电池可能不利地影响电化学电池隔片的性能。例如，如果在充电和放电期间足够的力施加于电化学电池，且电化学电池中的一个或两个电极具有相对粗糙的外表面，则粗糙的电极可渗透阳极与阴极之间的电绝缘隔片(例如聚合物隔片)，导致电池短路。另一方面，如果电化学电池内的电极为光滑的，则通常可在充电和/或放电期间将各向异性力施加于电池，而不破坏隔片，因此不会不利地影响电池性能。如上所述，包含某些电极活性材料(包括具有相对低电子传导率的电极活性材料，例如硫)的电极的性能可通过包含颗粒导电添加剂例如碳增强。使这类电极为光滑的，同时保持足够的电极孔隙率以容许电化学电池内的电极活性材料与电解质之间相互作用可能是有挑战性的。本文所述某些方面涉及可用于生产包含颗粒导电材料的光滑电极的体系和方法。根据某些实施方案，这类体系和方法可容许技术人员使用相对不导电电极活性材料(例如硫)制造电极，同时保持足够的光滑性以确保电池在操作期间产生有用量的电流(并且不会由于隔片失效而失效)。根据某些实施方案，出乎意料地发现非常光滑的电极可通过在电极制造过程期间将大压缩力施加于电极组合物而生产。预期电极制造期间该力的施加例如通过将多孔材料压碎或者结构上折衷使得所得电极组合物的孔隙率极大地降低或消除而极大地降低(或者消除)所得电极组合物的孔隙率。孔隙率的降低或消除对电化学电池内所得电极的性能是有害的，因为它不容许电解质与电极活性材料之间充分相互作用。然而，出乎意料地发现，当使用具有特定性能的颗粒导电材料时，可保持电极孔隙率，同时实现所需光滑度。某些方面涉及制备电极的方法。图1A-1D为对示例电极制造方法的横截面示意性阐述。在某些实施方案中，方法包括在电极制造过程期间将压力施加于包含颗粒导电材料和电极活性材料的组合物。参考图1A，可提供组合物102。组合物102可包含电极活性材料和颗粒导电材料。组合物102也可包含粘合剂，例如聚合物粘合剂。根据某些实施方案，在将相对大的压缩力施加于组合物以形成电极以前，可在基质上形成(例如浇铸或者沉积到集电器上)用于形成电极的组合物。例如，在将压缩力施加于组合物以形成电极(如图1B-1C中阐述和下文更详细地描述)以前，首先在基质103(其可以为集电器)上形成图1A中的组合物1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备电极的方法，其包括：将至少约590N/cm2的压力施加于包含颗粒导电材料、电极活性材料、粘合剂和液体润湿剂的组合物以形成电极。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.01 US 61/987,2711.一种制备电极的方法，其包括：将至少约590N/cm2的压力施加于包含颗粒导电材料、电极活性材料、粘合剂和液体润湿剂的组合物以形成电极。2.根据权利要求1的方法，其中在压力施加于组合物以后，电极具有至少约40％的孔隙率。3.根据权利要求1-2中任一项的方法，其中液体润湿剂包含有机溶剂和/或水。4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其包括将至少约590N/cm2且至多约6000N/cm2的压力施加于组合物。5.根据权利要求1-3中任一项的方法，其包括将至少约750N/cm2的压力施加于组合物。6.根据权利要求1-3中任一项的方法，其包括将至少约1000N/cm2的压力施加于组合物。7.一种制备电极的方法，其包括：将至少约1765N/cm2的压力施加于包含颗粒导电材料、电极活性材料和粘合剂的组合物以形成电极，其中在压力施加于组合物以后，电极具有至少约40％的孔隙率。8.根据权利要求7的方法，其包括将至少约1765N/cm2且至多约6000N/cm2的压力施加于组合物。9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其中颗粒导电材料包含碳。10.根据权利要求9的方法，其中颗粒导电材料包含炭黑。11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其中颗粒导电材料具有在20℃下小于约10-3Ω-m的体积电阻率。12.根据权利要求1-11中任一项的方法，其中电极活性材料包含硫。13.根据权利要求12的方法，其中电极活性材料包含单质硫。14.根据权利要求1-13中任一项的方法，其中粘合剂包含聚合物粘合剂。15.根据权利要求14的方法，其中聚合物粘合剂包含聚乙烯醇。16.根据权利要求1-15中任一项的方法，其中在压力施加于组合物以后，电极具有至少约40％且至多约70％的孔隙率。17.根据权利要求1-16中任一项的方法，其中电极的厚度为小于或等于约1mm。18.根据权利要求17的方法，其中电极的厚度为至...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·施密特，H·施奈德，K·莱特纳，J·库利施，T·E·凯利，S·伯恩赛德朱伯特，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，锡安能量公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE