具有电流收集多阵列的电极制造技术

本发明专利技术涉及一种用于储能可再充电装置的电极，包括多个电极材料层(5、5')和多个多孔电流收集器层(1、1')，所述电极材料层和电流收集器层以特定方式布置，还涉及一种包括所述电极的储能可再充电装置以及所述电极的用途。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有电流收集多阵列的电极
本专利技术涉及一种用于可再充电储能装置的电极，电极包括多个电极材料层和多个多孔电流收集器层，所述电极材料和电流收集器层以特定方式布置，涉及一种包括所述电极的可再充电储能装置，以及涉及所述电极的用途。本专利技术通常但非独占地应用于需要增加能量密度而不降低功率的可再充电电化学储能装置。
技术介绍
在固定的和便携式的应用中(例如便携式电子设备、电气或机械设备)中，电化学蓄电池已成为必不可少的部件。它们也被广泛研究以用于电动车辆以及储能领域。技术和变型众多(铅酸、镍镉、镍金属氢化物、锂、钠硫、锌空气、锌镍等)。直到80年代末，市场上广泛使用的两种主要技术是铅蓄电池(用于车辆启动系统、电话交换机的应急电源、工业或消费类应用，其中质量和体积不是必不可少的标准……)以及镍镉蓄电池(用于便携式工具、玩具、应急照明……)。铅技术(重、易碎、使用腐蚀性液体)和镍镉技术(镉毒性)中观察到的缺点导致了其他容量更高(放电时释放的电量更高)、更环保、更经济并且包括大量原材料的碱性蓄电池(例如包括锌负电极的碱性蓄电池(例如，锌空气电池、锌镍电池))的发展。但是，这样的系统也可与锂离子系统竞争，主要是因为它们的循环寿命(cyclinglifetime)短或循环性(cyclability)短(即，在每次新充电时蓄电池可以释放相同能量水平的次数小)。特别地，这些系统遭受不可忽略的容量损失，这主要由锌电极的形态变化引起，或者甚至由于由树枝状或粉末状沉积物的形成引起的短路而引起。特别地，树枝状类型的沉积物迅速导致锌的生长贯穿隔离物并且导致由于两个相反极性的电极之间的接触引起的短路。关于粉末状类型的沉积物，由于活性材料对支撑物(support)的粘附力不足，因此它们通常不可能允许适于令人满意的操作的电极重构。此外，在充电期间在阳极处的氧化物、氢氧化物和锌酸盐还原为锌的特征在于所述电极的形态变化。实际上，根据蓄电池的操作模式，观察到了由于在其形成期间的不均匀的锌再分布现象的，阳极的不同类型的形态改变。为了补救树枝状生长和/或不均匀的锌再分布，已经提出了几种解决方案，例如添加添加剂，无论这些添加剂是掺入电解质中还是掺入阳极活性材料中，尤其旨在限制锌酸盐的溶解度；使用机械方法，旨在减少树枝状突起的形成并避免粉末状沉积物(分散形式的电解质和/或锌电极的循环)；控制充电参数(强度、电压等)以及使用脉冲电流；或使用抗树枝状突起的形成的隔离物，尤其是微多孔类型的，或使用交换膜。特别地，专利申请EP0028879公开了一种镍锌电池，其中，锌电极包括呈导电格栅形式的电流收集器和沉积在该电流收集器上的电极材料，该电极材料包括锌基活性材料、天然纤维素纤维或能够限制锌酸盐的溶解度的添加剂。然而，已经证明这些各种技术不足以提高能量密度。并行地，专利申请US5993999公开了一种电池，该电池包括电极，该电极依次包括电流收集器层、阳极材料层、潜在地在吸收层(多孔聚丙烯)和电流收集器层中选择的层、阳极材料层和电流收集器层。然而，该电极的结构可能导致在与电解质直接接触的外部电流收集器表面上形成树枝状突起或其他锌沉积物，这些沉积物已知对电化学性能具有负面影响。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是补偿现有技术的缺点，并且特别是提供一种用于可再充电储能装置的电极，该电极使得可以增加能量密度和/或获得良好的循环寿命而无需降低所述装置的功率。因此，对于主题，本专利技术具有一种用于可再充电储能装置的电极，其特征在于，它包括两个外层和被插入在两个外层之间的多个内层，所述内层和外层包括多个电极材料层ME和多个多孔电流收集器层CC，所述电极材料ME和电流收集器CC层根据重复模式–[CC–ME]–(或–[ME–CC]–)交替，并且电极的两个外层中的至少一个是电极材料层ME。当外层之一是多孔电流收集器层CC时，由于电池的构造/组装，后者不与电解质直接接触。因此，由于使用了分布在电极中的多个多孔电流收集器层，并且电极的两个外层中的至少一个是电极材料层ME，所以形成了电流收集多阵列(currentcollectionmultiplearray)，并允许提高所述电极的能量密度，同时避免在再充电期间由于树枝状突起的形成而引起的短路。特别地，内部电流场得到改善，因此允许在电极内更好的电流分布和更均匀的锌再分布。此外，改善了电极的可逆性。此外，本申请的专利技术人惊奇地发现，当电极材料中的活性材料的电导率低(即＜10-1Scm-1，和/或该装置内的电极的厚度不是限制因素(例如，固定应用)时，上述限定的电极结构特别适用。它还适用于其中电解质中材料和电荷的运输不受限制的装置(例如，超级电容器)。特别地，该电极旨在被布置在包括该电极、对置电极(counter-electrode)和电解质的可再充电储能装置中，外电极材料层ME旨在面向对置层(counter-layer)的外层并且旨在与电解质直接接触。根据本专利技术的实施例，该电极的厚度可以在约50μm至4mm之间变化，并且优选地在约500μm至2mm之间变化。多孔电流收集器层CC的至少一部分或每一个可以是格栅、穿孔片、毡、网(meshing)、织物、泡沫(优选为开孔泡沫)的形式。该电极的每个多孔电流收集器层CC优选为格栅形式。因此，这可以在确保最小重量的同时获得最佳的有源电极体积。多孔电流收集器层CC优选选自电导率良好(即>102Scm-1)的材料。因此，根据优选的实施例，多孔电流收集器层CC，相同或不同的，是导电材料层。可以在非金属多孔层(导电碳毡型)中或在金属多孔层中选择多孔电流收集器层CC。当多孔电流收集器层CC，相同或不同的，是金属层时，它们特别是金属导电材料层，例如还包括选自铝、铜、镍及其混合物之一的金属M的碳纤维织物。以不同的多孔电流收集器层CC举例来说，电极可包括包括金属M1(或由其组成)的多孔电流收集器层CC1和包括金属M1'(或由其组成)的多孔电流收集器层CC1'，M1和M1'不同并且具有与M相同的定义。多孔电流收集器层CC的厚度可以相同或不同。多孔电流收集器层CC的整个表面可以覆盖有金属保护层。特别地，金属保护层，相同或不同的，包括选自铅、银、锡及其混合物之一的金属M'(或由其组成)。金属保护层允许保护多孔电流收集器层CC免受潜在腐蚀，特别是当该装置的电解质是基础水电解质(basicaqueouselectrolyte)时。根据本专利技术，“外层”是指不构成电极的内层的层，特别是既不构成插入两个多孔电流收集器层CC之间的电极材料层ME，也不构成插入两个电极材料层ME之间的多孔电流收集器层CC。作为电极材料层ME的电极的外层优选地旨在与该装置的电解质接触。允许通过离子位移使电流通过的任何液体或固体物质被认为是电解质。多孔电流收集器层CC旨在确保电极与外部电路的电连接。根据本专利技术的第一变型，电极包括作为电极材料层ME的外层和作为多孔电流收集器层CC的外层。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于可再充电储能装置的电极，其特征在于，所述电极包括两个外层和被插入在所述两个外层之间的多个内层，所述内层和所述外层包括多个电极材料层ME和多个多孔电流收集器层CC，所述电极材料ME层和电流收集器CC层根据重复模式–[CC–ME]–交替，并且所述电极的所述两个外层中的至少一个层是电极材料层ME。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170830 FR 17580121.一种用于可再充电储能装置的电极，其特征在于，所述电极包括两个外层和被插入在所述两个外层之间的多个内层，所述内层和所述外层包括多个电极材料层ME和多个多孔电流收集器层CC，所述电极材料ME层和电流收集器CC层根据重复模式–[CC–ME]–交替，并且所述电极的所述两个外层中的至少一个层是电极材料层ME。


2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极的厚度从50μm至4mm变化。


3.根据权利要求1或2所述的电极，其特征在于，所述多孔电流收集器层CC的至少一部分或每一个采用格栅、穿孔片、毡、网、织物或泡沫的形式。


4.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其特征在于，所述多孔电流收集器层CC，相同或不同的，是导电材料层。


5.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其特征在于，所述电极包括是电极材料层ME的外层和是多孔电流收集器层CC的外层，并且所述电极采用具有以下结构的连续层组件的形式：[CC–ME]n，其中，ME为电极材料层，CC为多孔电流收集器层，且2≤n≤8。


6.根据权利要求1至4中任一项所述的电极，其特征在于，所述电极的另一个外层是电极材料层ME，并且所述电极采用具有以下结构的连续层组件的形式：ME–[CC–ME]p-1，其中，ME为电极材料层，CC为多孔电流收集器层，且2≤p≤8。


7.根据前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·卡尔德拉，L·杜堡，M·查特内，
申请(专利权)人：科学研究国家中心，格勒诺布尔国立理工学院，
类型：发明
国别省市：法国;FR