用于电池的烧结电极及其制造方法技术

本文公开了用于电池的烧结电极的实施方式。该烧结电极具有经布置成面向集电器布置的第一表面和经布置成面向电解质层布置的第二表面。该烧结电极包括硫属化物的化合物，该化合物具有碱金属或碱土金属中的至少一者。该烧结电极具有在第一表面和第二表面之间的厚度及第一表面和第二表面的截面积，该厚度为5μm至200μm，该截面积至少为3cm2。此外，烧结电极的孔隙率为从0.1％至30％。本文也公开了一种制造烧结电极的方法以及并有该烧结电极的电池，该方法涉及流延成形和快速烧结浆料。该方法涉及流延成形和快速烧结浆料。该方法涉及流延成形和快速烧结浆料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池的烧结电极及其制造方法
[0001]背景
[0002]本申请依照35 U.S.C.
§
119，主张2019年2月19日提交的美国临时申请系列第62/807,355号的优先权权益，本申请以该申请的内容为基础并将该申请的内容全文以引用形式并入本文。
[0003]本公开一般涉及一种用于电池的电极及制备该电极的方法。存在各种类型的电池化学。锂离子电池目前是用于各种应用的普遍化学。例如，基于液体碳酸盐电解质和嵌入(intercalation)电极的锂离子电池技术用在多种小型电子装置，例如手机、笔记本电脑和无线电动工具，也用于更大型的应用，例如混合式及全电力车辆，并在高需求的时期稳定地方和国家层级的电网。尽管锂离子电池受到广泛地采用及使用，但是仍然需要能量密度更高、尺寸更小、重量更轻且成本更低的电池。
[0004]再者，液体电解质常促进不可逆反应，导致容量衰减。此外，具有液体电解质的锂电池的操作和充电的温度范围受到限制。过热会损害电池单元(cell)的寿命，并且为了防范过热，锂离子电池运用保护电路以降低电流消耗或充电率。在诸如电动车之类的应用中对温度进行主动管理，在这些应用中，电池密集地封装，以使体积最小化。
[0005]更进一步地，快速充电的能力在消费电子器件中受到重视，并且许多近期制造的装置能够在不到一小时的时间内充电达到80％的容量，尽管这有可能会损耗电池寿命。对于电动汽车而言，快速充电的期待更加迫切。即使典型的充电时间为45分钟左右，但期待的是，电动汽车的电池能够在与汽油动力车的5分钟左右的加油时间相当的时间内充满电。

技术实现思路

[0006]在一个方面中，本公开内容的实施方式是关于用于电池的烧结电极的实施方式。该烧结电极具有经构造以布置成面向集电器的第一表面和经构造以布置成面向电解质层的第二表面。该烧结电极包括硫属化物的化合物(chalcogenide compound)，该化合物具有碱金属或碱土金属中的至少一者。该烧结电极具有在第一表面和第二表面之间的厚度及第一表面和第二表面的截面积，该厚度为5μm至100μm，该截面积至少为3cm2。此外，烧结电极的孔隙率为从0.1％至30％。
[0007]在另一方面中，本公开内容的实施方式关于一种制备用于电池的烧结电极的方法。在该方法中，提供浆料或糊料。浆料糊料包括40重量％至75重量％的粉末组分，该粉末组分包括硫属化物和至少一种碱金属或碱土金属；1重量％至10重量％的粘合剂；以及30重量％至50重量％的溶剂。此外，在该方法中，将浆料形成为厚度为5μm至100μm的生坯带(green tape)。将生坯带干燥，使得生坯带含有至多10重量％的有机材料，并且在500℃至1350℃的温度烧结生坯带并持续不超过60分钟的时间，从而形成烧结带。
[0008]在另一方面中，本公开内容的实施方式关于一种电池。该电池包括阴极、电解质区域、和阳极。阴极或阳极中的至少一者是烧结电极，该烧结电极具有第一表面和第二表面。该烧结电极包括硫属化物的化合物，该硫属化物的化合物包括碱金属或碱土金属中的至少一者。烧结电极具有5μm至100μm的第一表面和第二表面之间的厚度及至少为3cm2的第一表
面和第二表面的截面积。
[0009]在以下的详细描述中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言是容易理解的，或通过实施书面说明书和其权利要求书以及附图中所述的实施方式而被认识。
[0010]应理解，上文的一般性描述和下文的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。
[0011]附图简单说明
[0012]所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各个实施方式的原理和操作。
[0013]图1是描绘了根据示例性实施方式所述的具有烧结阴极的锂离子电池的示意性剖面图。
[0014]图2是常规锂离子电池的示意性剖面图。
[0015]图3是图1的电池的充电容量相比于图2的电池的充电容量的图表。
[0016]图4描绘了烧结的生坯带，并且说明了根据常规烧结过程的可燃性问题。
[0017]图5描绘了DSC曲线的图表，说明了在干燥/烧结期间与温度呈函数相关的热释放。
[0018]图6A和图6B分别描绘了于1100℃的均热温度达20分钟的时间进行快速脱粘和烧结的LCO带的图像以及于1100℃的均热温度达1.25分钟的时间进行快速脱粘和烧结的LCO带的图像。
[0019]图7描绘了连续且快速烧结的带的示例性实施方式。
[0020]图8是与原样的LCO粉末相比的烧结的LCO带的XRD光谱的比较。
[0021]图9是在1050℃烧结40分钟的刚烧制(as
‑
fired)的LCO带的SEM图像。
[0022]图10A和10B是根据示例性实施方式的具有烧结阴极的电化学电池单元的图片。
[0023]图11描绘了针对图10A和图10B的电化学电池单元的充电容量根据充电/放电循环数而变化的图表。
[0024]图12描绘了图10A与图10B的电化学单元相比于具有不同孔隙率和厚度的其他阴极材料的充电容量的图表。
[0025]图13A和13B分别描绘了刚烧结之后和充电
‑
放电循环之后的LCO微结构的SEM图像。
[0026]实施方式
[0027]大致参考附图，公开了包括硫属化物或氟化物以及至少一种碱金属或碱土金属的烧结电极的各种实施方式。烧结电极的厚度为5μm至100μm，并且截面积为至少3cm2。与常规电极材料相比，该烧结电极能够制作得比典型的薄膜形成电极大得多并且自支撑，且与其他烧结电极相比，无须任何额外的精整技术(例如研磨或抛光)即可以使用。所公开的烧结电极能够通过带制造过程实现这些优点，该制造过程使得“中等”厚度的电极材料具有必须更快的制造速度，其中处理速度与电极厚度无关。即，能够将电极制作得比通过薄膜技术制造的常规电极更厚，且比必须被研磨成可用尺寸的其他烧结电极更薄。再者，比起当前用于制造电极材料的过程，能够以更经济的过程对电极进行快速烧结。实际上，常规过程一般是利用薄膜技术，该技术构建厚的层会慢得多且更是困难。以此方式，本公开内容的相对较厚的烧结电极不仅消除了诸如机械支撑件之类的非活性部件，而且还增加了电池的充电容
量。此外，电极的厚度和流延成形制造过程允许以卷到卷形式制造电极材料。
[0028]设想本文公开的烧结电极适用于多种电池化学，包括锂离子、钠离子、及镁离子电池，以及使用固态或液体电解质的电池。本文公开了烧结电极、制造过程和锂离子电池的各种实施方式。通过示例而非限制的方式提供了此类实施方式。
[0029]如所提及，烧结电极的各种实施方式由包括碱金属或碱土金属中的至少一者的硫属化物的化合物构成。如本文所用，硫属化物的化合物是指氧化物、硫化物、或硒化物的化合物。在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电池的烧结电极，所述烧结电极具有被配置成面向集电器布置的第一表面和被配置成面向电解质层布置的第二表面，其中，烧结电极包括：硫属化物的化合物，其包含碱金属或碱土金属中的至少一种；其中，所述烧结电极具有5μm至100μm的在第一表面与第二表面之间的厚度，以及第一表面的截面积及第二表面的截面积，所述截面积为至少3cm2；并且其中，烧结电极的孔隙率为0.1％至30％。2.如权利要求1所述的烧结电极，其中，硫属化物的化合物还包括过渡金属。3.如权利要求2所述的烧结电极，其中，所述过渡金属包含钴、锰、镍、铌、钽、钒、钛、铜、铬、钨、钼、锡、锗、锑、铋或铁中的至少一种。4.如权利要求1
‑
3中任一项所述的烧结电极，其中，硫属化物的化合物包含锂。5.如权利要求4所述的烧结电极，其中，硫属化物的化合物包含锂辉钴矿、锂锰尖晶石、锂镍钴铝酸盐、锂铁磷酸盐、锂钴磷酸盐、钛酸锂、锂铌钨酸盐或锂钛硫化物中的至少一种。6.如权利要求1
‑
3中任一项所述的烧结电极，其中，硫属化物的化合物包含钠。7.如权利要求6所述的烧结电极，其中，硫属化物的化合物包含NaVPO4F、Na
2/3
Mn1‑
y
Mg
y
O2(其中0<y<0.1)、Na2Li2Ti5O
12
或Na2Ti3O7中的至少一种。8.如权利要求1
‑
3中任一项所述的烧结电极，其中，硫属化物的化合物包含镁。9.如权利要求8所述的烧结电极，其中，硫属化物的化合物包含MgCr2O4或MgMn2O4中的至少一种。10.如权利要求1
‑
9中任一项所述的烧结电极，其中，硫属化物的化合物包含烧结电极的固体相，其中，孔隙构成孔相，并且其中，所述孔相在固体相中是连续的。11.如权利要求10所述的烧结电极，其中，孔相包含沿着垂直于第一表面和第二表面的轴线基本上对齐的孔。12.如权利要求10所述的烧结电极，其中，孔相提供了从第一表面到第二表面的流体连通。13.如权利要求1
‑
12中任一项所述的烧结电极，其包括晶粒，所述晶粒的平均尺寸为10nm至50μm。14.如权利要求1
‑
13中任一项所述的烧结电极，其中，硫属化物的化合物包含烧结电极的第一相，并且其中，烧结电极包含与第一相混杂的第二相。15.如权利要求14所述的烧结电极，其中，第二相包含混合的离子
‑
电子导体。16.如权利要求15所述的烧结电极，其中，第二相包含锂石榴石。17.如权利要求15所述的烧结电极，其中，第二相包含尖晶石。18.如权利要求14所述的烧结电极，其中，第二相包含离子导体。19.如权利要求14所述的烧结电极，其中，第二相包含导电相。20.一种制备用于电池的烧结电极的方法，所述方法包括以下步骤：提供浆料或糊料，所述浆料或糊料包含：40重量％至75重量％的粉末组分，所述粉末组分包含硫属化物和至少一种碱金属或碱土金属；1重量％至10重量％的粘合剂；和30重量％至50重量％的溶剂；
将浆料或糊料形成为生坯带，所述生坯带的厚度为5μm至100μm；干燥生坯带，以使得生坯带包含最多10重量％的有机材料；在500℃至1350℃的温度下烧结生坯带并持续不超过60分钟以形成烧结带。21.如权利要求20所述的方法，其中，形成的步骤包括将浆料或带流延成形为生坯带。22.如权利要求20所述的方法，其中，形成的步骤包括将浆料或带挤出成生坯带。23.如权利要求20
‑
22中任一项所述的方法，其中，所述浆料或糊料还包括抗氧化剂。24.如权利要求23所述的方法，其中，抗氧化剂包括丁基化羟基甲苯或烷基化二苯基胺中的至少一种。25.如权利要求23所述的方法，其中，粉末组分包括无机化合物，所述无机化合物在150℃至300℃的温度下经历吸热反应。26.如权利要求25所述的方法，其中，无机化合物包含碳酸钴、碳酸锰或碳酸锂中的至少一种。27.如权利要求20
‑
26中任一项所述的方法，其中，在合并浆料中的粉末组分和溶剂时，溶剂吸收小于1ng/L的至少一种碱金属或碱土金属。28.如权利要求20
‑
27中任一项所述的方法，其中，所述溶剂为非极性溶剂。29.如权利要求20
‑
28中任一项所述的方法，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：