專利名稱：多孔電極以及相關(guān)聯(lián)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電極、電化學(xué)電池以及相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
典型的電化學(xué)電池具有在電池的工作期間參與電化學(xué)反應(yīng)的陰極和陽極。電極可 包含電活性材料，其可以與一個(gè)或多個(gè)電池部件相互作用以促進(jìn)電極之間離子的傳導(dǎo)?？赏ㄟ^用電活性材料涂覆包括多孔導(dǎo)電基板的導(dǎo)電基板來形成一些電極，通常在 粘結(jié)劑材料的參與下，以增強(qiáng)電活性材料到電極的附著力和結(jié)合力。然而，用于使用粘結(jié)劑 材料制作電極的當(dāng)前方法通常無法實(shí)現(xiàn)電活性材料的高裝載而不在完成的電極中產(chǎn)生明 顯機(jī)械問題。例如，可使用包含電活性材料和不可溶粘結(jié)劑材料的漿涂覆導(dǎo)電基板，不可溶 粘結(jié)劑材料通常引起快速的漿凝結(jié)，并且可能限制在電極中實(shí)現(xiàn)的電活性材料裝載的量。 替選地，可溶粘結(jié)劑溶液可以使?jié){穩(wěn)定，并且可以便利涂覆工藝。然而，得到的電極結(jié)構(gòu)的 部分經(jīng)常被沉積材料阻擋，并且可致使在電池的工作期間難以接近電活性物質(zhì)。這會(huì)導(dǎo)致 具有降低的倍率性能(rate capability)和電活性材料利用率的電池。因此，需要改善的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了形成電極的方法，其包括在多孔材料的第一部分上形成填充材料， 其中多孔材料包括碳；在多孔材料的至少第二部分上形成電極材料，其中電極材料包括活 性電極物質(zhì)和粘結(jié)劑材料；以及從多孔材料去除至少部分填充材料，從而形成電極。本發(fā)明還提供了形成電極的方法，其包括將包括碳的多孔材料與包括填充材料 的填充溶液接觸，使得填充材料在多孔材料的第一部分上形成涂層，產(chǎn)生第一涂覆的多孔 材料；將第一涂覆的多孔材料與包括活性電極物質(zhì)和粘結(jié)劑材料的電極材料接觸，使得電 極材料在多孔材料的至少第二部分上形成涂層，產(chǎn)生第二涂覆的多孔材料；以及從第二涂 覆的多孔材料去除至少部分填充材料，從而形成電極。本發(fā)明還提供了形成電極的方法，其包括將包括碳的多孔材料與包括活性電極 物質(zhì)、流體載體、以及相對(duì)于多孔材料的至少5wt %的粘結(jié)劑材料的電極組合物接觸，使得 電極組合物在至少部分多孔材料上形成涂層，產(chǎn)生涂覆的多孔材料；以及從涂覆的多孔材 料去除至少部分流體載體，從而形成電極，其中，電極包括至少1. 6mg/cm2的活性電極物質(zhì) 裝載和至少50%的孔隙率。本發(fā)明還涉及電化學(xué)電池，其包括陰極，其包括活性電極物質(zhì)、包括碳的多孔材 料以及粘結(jié)劑材料，其中，粘結(jié)劑材料在流體載體中至少部分可溶，活性電極物質(zhì)和多孔材 料在流體載體中不顯著可溶；陽極；以及電解質(zhì)，其與陰極和陽極電化學(xué)通信，其中電化學(xué) 電池具有活性材料理論容量的至少60%的活性材料容量。本發(fā)明還提供了形成電極的方法，其包括形成電化學(xué)活性電極前體，其包括基于 碳的電傳導(dǎo)材料和活性電極物質(zhì)；從電極前體基本上均勻地去除材料，從而增加基于碳的電傳導(dǎo)材料、活性電極物質(zhì)、或它們兩者的表面面積，以形成電極，在電極的使用期間，表面 面積暴露于電解質(zhì)。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電化學(xué)電池。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的粘結(jié)劑材料的示例。圖3示出了作為溫度的函數(shù)的碳酸氫銨的汽壓的圖。圖4示出了(a)作為溫度的函數(shù)的碳酸氫銨在水中的溶解度以及(b)碳酸氫銨在 水中的熱循環(huán)圖的圖。圖5示出了(a)己烷和(b)碳酸氫銨的汽壓的阿列紐斯(Arrhenius)圖。圖6示出了對(duì)于兩個(gè)電化學(xué)電池的作為循環(huán)數(shù)的函數(shù)的比容量(special capacity)圖7示出了作為循環(huán)數(shù)的函數(shù)的比容量的圖，其中對(duì)于使用辛烷作為液體填充物 制備的電化學(xué)電池，在放電電流(a)500mA、(b)2.2A以及(c)4. 4A，而對(duì)于不使用辛烷作為 液體填充物制備的基本相同的電化學(xué)電池，在放電電流(d) 500mA、(e)2. 2A以及(f)4.4A。當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，根據(jù)以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它方面、實(shí)施例以及特征將變 得明顯。附圖是示意性的，并且不旨在依比例畫出。為了清晰，在每個(gè)圖中沒有對(duì)每個(gè)部件 進(jìn)行標(biāo)記，在對(duì)于使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員理解本發(fā)明不是必要說明的地方，沒有示出 本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的每個(gè)部件。這里通過引用合并的所有專利申請(qǐng)和專利，通過引用將 它們的全文合并。在沖突的情況下，本說明(包括定義)將控制。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及電化學(xué)電池、電極以及相關(guān)方法。通常，本發(fā)明涉及在電化學(xué)電池、或其部件的制作期間使用可去除填充材料(例 如，犧牲材料)，以產(chǎn)生具有改善的電池性能和倍率性能的電化學(xué)裝置。例如，本發(fā)明可提供 如下電化學(xué)電池其在工作期間呈現(xiàn)電化學(xué)電池內(nèi)電活性物質(zhì)的增強(qiáng)的利用率和/或電活 性物質(zhì)的提高的可接近性。在一些情況下，本發(fā)明可提供有利地具有電活性物質(zhì)的高裝載 (例如，大于1.5mg/cm2)和良好的附著力和結(jié)合力性質(zhì)的電極。本發(fā)明的一些電化學(xué)電池 (例如，可充電蓄電池)可包括多孔電極，其包括諸如電活性含硫材料的一個(gè)或多個(gè)電活性 材料和粘結(jié)劑材料。本發(fā)明的一個(gè)方面是如下發(fā)現(xiàn)在電極的制作中使用填充材料(例如，犧牲材料) 可以提供若干優(yōu)點(diǎn)。在一些情況下，在基板(例如，多孔碳材料)內(nèi)加入填充材料、以及隨 后去除至少部分填充材料以暴露部分基板，可提供基板表面區(qū)域?qū)﹄姵氐钠渌考母纳?的可接近性。例如，填充材料可用于維持電極材料的孔隙率，使得在電池工作期間，電解質(zhì) 可接觸電極的內(nèi)部(例如，孔隙)。本發(fā)明的另一個(gè)有利特征是實(shí)現(xiàn)活性電極物質(zhì)的高裝載 以及活性電極物質(zhì)的改善的利用率/可接近性的能力，同時(shí)還維持電極的穩(wěn)定性和良好的 機(jī)械性質(zhì)。雖然本發(fā)明可以在廣泛種類的電化學(xué)裝置中找到使用，但是在圖1中提供了一個(gè) 這樣裝置的示例僅用于說明目的。在圖1中，電化學(xué)電池的一般實(shí)施例可以包括陰極、陽極以及與兩個(gè)電極接觸的電解質(zhì)層?？裳b配部件使得電解質(zhì)以堆疊的配置置于陰極與陽極之 間。圖1示出了本發(fā)明的電化學(xué)電池。在示出的實(shí)施例中，電池10包括陰極30，其可以在 基板20的基本平坦的表面上形成。多孔分隔材料40可以相鄰于陰極30形成，并且可以沉 積到陰極30中。陽極層50可以相鄰于多孔分隔材料40形成，并且可與陰極30電通信。陽 極50還可在位于陰極30上的電解質(zhì)層上形成。當(dāng)然，可以改變部件的定位，并且應(yīng)該理解 的是，存在其它實(shí)施例，其中改變層的定位使得例如首先在基板上形成陽極層或電解質(zhì)層。 任選地，可存在另外的層(沒有示出)，諸如保護(hù)電活性材料(例如，電極)免受電解質(zhì)影響 的多層結(jié)構(gòu)，如在如下專利申請(qǐng)中更詳細(xì)描述的那樣頒發(fā)給AfTinito等人的、在2006年 4 月 6 日提交的、題為"Rechargeable Lithium/Water, Lithium/Air Batteries” 的美國專 利申請(qǐng)第11/400，781號(hào)，在此通過引用將其全部內(nèi)容合并于此。另外，非平面布置、具有不 同于示出的材料比例的布置以及其它替選布置可與本發(fā)明結(jié)合使用。典型的電化學(xué)電池當(dāng) 然還將包括集電器、外部電路、外殼結(jié)構(gòu)等。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員完全知道可以以如圖1 所示并在這里描述的一般示意性布置利用的許多布置。如上所述，可在制作工藝中使用填充材料，以形成電化學(xué)電池的部件(例如，電 極)。如這里使用的術(shù)語“填充材料”指的是在一序列制作步驟中被采用作為機(jī)械占位者 (place holder)的材料或犧牲材料，其中，在所述一序列制作步驟中，處理多個(gè)材料以產(chǎn)生 期望的結(jié)構(gòu)，諸如電化學(xué)結(jié)構(gòu)。一旦形成了結(jié)構(gòu)的相關(guān)材料，則可去除至少部分填充材料， 同時(shí)維持其它材料在原位，從而產(chǎn)生期望的結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，在多孔電極的制作期間 填充材料的使用可有利地維持電極的孔隙率。在一些情況下，在多孔電極的制作期間填充 材料的使用通過增加在多孔電極的外表面上而不是在多孔電極的內(nèi)部孔隙的表面上形成 的活性電極物質(zhì)的量，還可增強(qiáng)在電池的工作期間活性電極物質(zhì)的可接近性。因此，在一些實(shí)施例中，本發(fā)明提供了用于形成電極的方法。在一些實(shí)施例中，可 在材料(例如，多孔材料)的第一部分上形成填充材料，并且可在材料的至少第二部分上形 成電極材料。電極材料可包括活性電極物質(zhì)和諸如可溶粘結(jié)劑材料的粘結(jié)劑材料。然后， 隨后從材料去除至少部分填充材料可產(chǎn)生期望的電極結(jié)構(gòu)。在一些情況下，該方法包括在至少部分多孔材料(例如，包括碳的多孔材料)上形 成填充材料，使得部分多孔材料表面由填充材料涂覆和/或至少部分孔隙由填充材料“填 充”。例如，該方法可涉及將多孔材料與包括填充材料的填充溶液接觸，使得填充材料在多 孔材料的第一部分上形成涂層，產(chǎn)生涂覆的多孔材料。填充溶液可包括填充材料和其中填 充材料顯著可溶的至少一個(gè)流體載體。經(jīng)由蒸發(fā)或加熱去除至少部分流體載體例如可導(dǎo)致 在多孔材料的表面上形成填充材料。在一些實(shí)施例中，填充材料是固體。在一些實(shí)施例中， 填充材料是流體(例如，辛烷)。填充材料的一些示例包括但不限于碳酸氫銨和水。然而， 應(yīng)該理解的是，如以下更全面地描述的那樣，在本發(fā)明的上下文中可使用其它填充材料。在一些情況下，經(jīng)由具有正溫度溶解度梯度的材料(即，溶解度隨著溫度增加而 增加的材料)的熱循環(huán)，可在多孔基板的內(nèi)部里面沉積填充材料。在說明性的實(shí)施例中，可 通過將多孔材料與包括填充材料和流體載體的填充溶液在第一溫度接觸，在多孔材料上形 成填充材料，其中，在第一溫度，填充材料在流體載體中基本溶解。然后，可將填充溶液和/ 或多孔材料的溫度降到第二較低溫度，其可使得填充材料在多孔材料的孔隙內(nèi)沉淀?？芍?復(fù)(例如，循環(huán))該過程，直到在多孔材料的孔隙內(nèi)形成足夠量的填充材料。
在一些情況下，可經(jīng)由各種飽和方法在多孔材料上形成填充材料，其中，多孔材料 可暴露于填充材料蒸汽。例如，可使用惰性氣體飽和方法，其中，多孔材料被置于封閉的容 器中，通過其以標(biāo)準(zhǔn)的(measured)流速清除惰性干燥氣體(例如，氮、氬)。以蒸汽形式的 填充材料流可獨(dú)自或與惰性氣體流結(jié)合被引入容器中。在一些情況下，包含小珠子的器皿 可流體地附著到入口惰性氣體管線，并且可使得填充材料流體(例如，辛烷)的細(xì)流滴到小 珠子的表面上。然后，可將填充材料流體蒸發(fā)成惰性氣體流以形成飽和的惰性氣體，其可被 允許接觸(例如，通過)碳材料然后離開容器。然后，當(dāng)填充材料接觸(例如，通過)多孔材料時(shí)，通過交替地加熱和冷卻填充蒸 汽若干個(gè)循環(huán)，可在多孔基板上形成填充材料。在一些情況下，可使用渦旋管生成熱惰性氣 體。在一些實(shí)施例中，可使用周圍環(huán)境飽和方法，其中，多孔材料被置于封閉的器皿中，并且 懸浮(例如，通過金屬絲布)在器皿底部的填充材料的溶液上。替選地，可使用球磨罐利用 填充材料來使多孔基板飽和。例如，可利用干燥惰性氣體清除球磨罐，并且可向球磨罐添加 多孔基板?？商砑犹畛洳牧险羝?，并且可翻滾多孔基板和填充材料蒸汽直到很好地混合。在 一些實(shí)施例中，可在飽和之前干燥多孔材料?？梢砸赃m合特定應(yīng)用的任何量在多孔材料上形成填充材料。例如，在期望多孔材 料的大部分接觸或可接近(例如，暴露于)電池的其它部件(例如，電解質(zhì))的應(yīng)用中，在 制作期間，可在多孔材料表面的相對(duì)大部分上形成填充材料，并且稍后可去除或部分去除 填充材料，以暴露期望量的多孔材料。替選地，在期望多孔材料的小部分接觸或可接近電池 的其它部件的應(yīng)用中，在制作期間，可在多孔材料表面的相對(duì)小部分上形成填充材料。在一 些情況下，當(dāng)在多孔材料上形成填充材料時(shí)，多孔材料可包括相對(duì)于多孔材料(例如，多孔 碳材料)的大約5-95wt%的填充材料。在一些情況下，多孔材料可包括相對(duì)于多孔材料的 大約15-85wt %,25-75wt %、35_65wt %的填充材料，或者在一些情況下大約45_55wt %的 填充材料。在一組實(shí)施例中，多孔材料可包括相對(duì)于多孔材料(例如，多孔碳材料)的大約 50wt%的填充材料。本發(fā)明的方法可包括在至少部分多孔材料上形成電極材料或電極組 合物，其中所述多孔材料包括如下部分包括填充材料的部分和/或沒有填充材料的部分。 在一些情況下，可利用包括活性電極物質(zhì)(例如，硫)和粘結(jié)劑材料的電極材料來處理(例 如，接觸、涂覆)多孔材料。另外的材料、流體載體、其它添加劑和/或其組合也可與電極材 料結(jié)合被施加到多孔基板。在一些情況下，可將粘結(jié)劑材料和活性電極物質(zhì)從包括粘結(jié)劑材料、活性電極物 質(zhì)以及至少一個(gè)流體載體的混合物(例如，電極組合物)施加到多孔材料。然后，至少部分 流體載體的去除(例如，蒸發(fā)或干燥)可在多孔材料的表面上形成電極材料。在一些情況 下，混合物可提供作為均質(zhì)溶液、非均質(zhì)分散或漿等。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠選擇粘 結(jié)劑材料、活性電極物質(zhì)以及流體載體的適當(dāng)組合，以產(chǎn)生期望的混合物。例如，可通過簡 單地組合少量混合物成分(例如，粘結(jié)劑材料、活性電極物質(zhì)、流體載體等)來進(jìn)行簡單的 篩選測試，以確定是否形成溶液或漿。在一些情況下，可在施加到多孔基板之前進(jìn)一步處理 (例如，加熱、攪拌、經(jīng)聲波處理、碾磨等)混合物。可處理混合物，以提供均勻混合物、防止 凝聚或者給予混合物其它期望的特性。在一個(gè)實(shí)施例中，可在施加到多孔基板之前碾磨混 合物。在一些實(shí)施例中，電極組合物包括活性電極物質(zhì)(例如，硫)、流體載體、以及相對(duì)于多孔材料的至少5wt%、至少IOwt %、至少15wt%、至少20wt%、至少25wt%、至少 30wt %或在一些情況下更大的粘結(jié)劑材料。如這里所描述的那樣，可溶粘結(jié)劑材料的使用可簡化涂覆工藝，并且可以允許使 用混合物內(nèi)增加的活性電極材料的量，生成具有高裝載電活性物質(zhì)的電極。在一些實(shí)施例 中，粘結(jié)劑材料可在電極組合物的流體載體中至少部分可溶。在一些情況下，粘結(jié)劑材料可 在流體載體中至少部分可溶，其中在該流體載體中，活性電極物質(zhì)、多孔材料和/或填充材 料不顯著可溶。在一些情況下，混合物可以是包括活性電極物質(zhì)、粘結(jié)劑材料以及流體載體 的漿，在該流體載體中，粘結(jié)劑材料至少部分可溶，并且活性電極物質(zhì)和多孔材料不顯著可 溶。在一些情況下，電極組合物(例如，漿)相對(duì)于已知方法可有利地包括高固體裝 載。例如，使用在前的方法，將包括高固體裝載的混合物施加到多孔碳基板可導(dǎo)致碳基板對(duì) 流體載體的不期望的吸收，這可使混合物不穩(wěn)定和/或引起混合物內(nèi)粘結(jié)劑材料的沉淀。 然而，使用本發(fā)明的方法，可容易地將具有高固體裝載的混合物施加到包括填充材料的碳 基板。在一些情況下，填充材料可以阻塞多孔碳基板的孔隙，以最小化或者防止多孔碳基 板對(duì)流體載體的吸收。在一些實(shí)施例中，電極可包括至少1. 6mg/cm2的活性電極物質(zhì)裝載。 術(shù)語“活性電極物質(zhì)裝載”或“電活性物質(zhì)裝載”指的是在電極上形成或“裝載”的活性電 極物質(zhì)的量。在一些實(shí)施例中，混合物可具有至少IOwt %、至少20wt%、至少30wt%、至少 40wt%或更大的固體含量(例如，活性電極物質(zhì)含量)。混合物還可包括其它添加劑，諸如 增塑劑和/或結(jié)晶調(diào)節(jié)劑。在一些實(shí)施例中，可選擇添加劑以與漿的其它成分相容(例如， 不起化學(xué)作用、易混合)，使得添加劑不負(fù)面影響電池的性能。添加劑的示例包括但不限于 碳酸乙烯酯、碳酸丙烯、聚乙二醇以及聚丙二醇。在一些實(shí)施例中，在多孔材料上形成電極材料之前，可處理至少部分基板(例如， 多孔材料)，以改變(例如，增強(qiáng))多孔材料對(duì)于填充材料、活性電極物質(zhì)、粘結(jié)劑材料或與 制作工藝相關(guān)聯(lián)的其他成分的親和力。例如，可利用修改多孔材料的親水性、疏水性或其它 特性的適當(dāng)化學(xué)物質(zhì)來處理多孔材料。在一些情況下，可在多孔材料上形成填充材料之前， 在多孔材料或其部分上形成聚合材料，以增強(qiáng)多孔材料與填充材料之間的相互作用。在一 些實(shí)施例中，聚合材料可以是聚(乙烯乙二醇)，其可提高基板對(duì)于諸如水的親水性填充材 料的親和力。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)物質(zhì)，其可將期望的特性(例 如，親水性、疏水性)給予多孔材料的表面。在一些實(shí)施例中，可處理基板以產(chǎn)生基本無水的或干燥的材料。例如，未處理過的 多孔碳材料可在它的孔隙內(nèi)包括水，這會(huì)妨礙要使用這里描述的方法處理的它的性能和/ 或能力。在一些情況下，可期望從碳基板去除水，以提供可在其上形成材料(例如，填充材 料、粘結(jié)劑材料)的適合表面。可使用各種方法(包括熱惰性氣體循環(huán)或干燥劑干燥)從 基板至少部分去除水。熱惰性氣體循環(huán)通常涉及將基板置于惰性干燥氣體(例如，氮、氬) 通過的密封的容器中。惰性氣體可被允許通過碳材料然后離開容器?？山惶娴丶訜岷屠鋮s 惰性氣體若干循環(huán)，從而加熱并冷卻基板，并且在最后循環(huán)之后，可在惰性氣體下密封容器 用于存儲(chǔ)。干燥劑干燥涉及將基板置于包括吸水珠的干燥器中，以從基板的表面去除水蒸 氣?？赏ㄟ^各種方法從多孔材料去除填充材料或其部分。例如，可通過加熱基板來去除至 少部分填充材料。在其它實(shí)施例中，可通過將基板與流體載體或其它化學(xué)物質(zhì)接觸(例如，沖洗)來至少部分去除填充材料。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠選擇用于去除特定填充材 料的適當(dāng)方法。例如，可經(jīng)由加熱至少部分去除沸點(diǎn)低于電極的其它成分的分解溫度的填 充材料。在另一個(gè)示例中，填充材料可在流體載體中基本可溶，其中電極的其它成分在該流 體載體中不顯著可溶，使得可經(jīng)由利用流體載體沖洗來至少部分去除填充材料。取決于期 望的應(yīng)用，可在制作工藝期間或之后的任何點(diǎn)去除填充材料。在一些情況下，可在電極材料 的形成期間從多孔材料去除填充材料。然后，可選擇性地去除填充材料或其部分，以顯露部分下面的多孔材料，使得得到 的多孔材料具有如下表面其包括位于選定位置的電極材料(包括活性電極物質(zhì)和粘結(jié)劑 材料)和在表面上其它位置暴露的導(dǎo)電基板材料。如這里所描述的那樣，選擇性地去除至 少部分填充材料的能力可有利地提高電池的其它成分可接近的多孔材料表面區(qū)域的量，同 時(shí)維持電極的其它材料(例如，活性電極物質(zhì)、粘結(jié)劑材料)在電極表面上或在電極表面 內(nèi)?？赏ㄟ^電極的孔隙率確定多孔材料表面區(qū)域的量。S卩，電極的孔隙率的增加可 表示電極的多孔材料表面區(qū)域的量的增加。在一些實(shí)施例中，電極可具有至少50%、至少 60 %、至少70 %、至少80 %、至少90 %或更大的孔隙率?？墒褂弥T如BET (希朗諾爾、埃米特 和泰勒方法)測量的已知方法來確定電極的孔隙率。在說明性的實(shí)施例中，可利用聚(乙烯乙二醇)來處理(例如，涂覆)多孔碳材料， 以增加多孔碳材料對(duì)于含水流體載體的親和力。然后，可使多孔碳材料暴露于(例如，接 觸)諸如水的液體填充材料，其可以填充多孔碳材料的至少部分孔隙。接下來，可向多孔碳 材料施加包括存在己烷作為流體載體的電極材料的漿。電極材料可包括作為活性電極物質(zhì) 的硫和諸如聚(乙烯-co-丙烯-co-5-亞甲基-2-冰片烯)的聚合可溶粘結(jié)劑。然后，可 以以第一溫度加熱多孔碳材料以去除己烷，導(dǎo)致在多孔碳材料的表面上形成電極材料。然 后，可通過以更高的第二溫度加熱多孔碳材料來去除水(例如，填充材料)，以產(chǎn)生電極。在一組實(shí)施例中，可提供電化學(xué)活性電極前體，其包括基于碳的電傳導(dǎo)材料和活 性電極物質(zhì)。例如，電極前體可包括多孔碳基板和在基板上形成的活性電極物質(zhì)(例如， 硫)?？蓮碾姌O前體基本上均勻地去除材料，以形成電極。如這里使用的那樣，從電極前體 “基本上均勻地”去除材料意思是遍及大部分電極前體均勻地去除材料。例如，從電極前體 “基本上均勻地”去除材料可以不是指的經(jīng)由例如蝕刻去除電極材料的離散部分。在一些情 況下，可從電極前體去除至少部分填充材料。材料的去除可增加在電極的使用期間暴露于 或可暴露于電解質(zhì)的基于碳的電傳導(dǎo)材料、活性電極物質(zhì)或兩者的表面面積。在一些情況 下，從電極前體去除材料可產(chǎn)生具有相對(duì)活性材料理論容量的至少60%的活性材料容量的 電極。可使用如這里所描述的方法來制備電極，并且可將其并入電化學(xué)裝置內(nèi)。因此，本 發(fā)明的一些實(shí)施例還提供電化學(xué)電池。電化學(xué)電池可包括陰極、陽極以及與陰極和陽極電 化學(xué)通信的電解質(zhì)。在一些實(shí)施例中，陰極可包括活性電極物質(zhì)、包括碳的多孔材料、以及 粘結(jié)劑材料(例如，可溶粘結(jié)劑材料)。在一些情況下，陰極包括硫作為電極活性材料。如 這里所描述的那樣，使用本發(fā)明的方法制作的電極相對(duì)于已知電池可具有高載硫量。在一 些實(shí)施例中，電極具有至少1. 5mg/cm2(例如，1. 6mg/cm2)、至少2. 5mg/cm2、至少5. Omg/cm2 或在一些情況下更大的載硫量。
在說明性的實(shí)施例中，電極可具有4. 3mg/cm2的載硫量和大約190微米的電極材
料厚度。在一些實(shí)施例中，電化學(xué)電池可呈現(xiàn)高活性電極物質(zhì)利用率，即，電極活性材料可 以是很容易接近的，并且在工作期間可與電池內(nèi)的其它成分或物質(zhì)相互作用，使得增強(qiáng)電 池性能。在一些情況下，活性材料容量可以是活性材料理論容量的至少60%、至少70%、至 少80%、或者在一些情況下至少90%。可使用以下公式計(jì)算特定材料的“活性材料理論容
里 Q = l/3600*n*F/M其中Q =理論容量Ah/g(安培小時(shí)每克)，3600 =—小時(shí)中的秒數(shù)，η =材料的每一個(gè)分子參與電化學(xué)過程的電子的數(shù)目，F(xiàn)=法拉第常數(shù)，96485C/mol，以及M =材料分子質(zhì)量，克。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠計(jì)算活性材料理論容量，并且將它與特定材料的實(shí) 驗(yàn)活性材料容量進(jìn)行比較，以確定實(shí)驗(yàn)容量是否是理論容量的至少60%或更大。如這里所 描述的那樣，廣泛范圍的材料可適合用作填充材料。在一些情況下，可選擇填充材料使得它 對(duì)于諸如碳基板的特定基板具有親和力。在一些情況下，可選擇填充材料使得在電極材料 的形成期間它可以是穩(wěn)定的(例如，不分解、剝離、起反應(yīng)、溶解等)，并且當(dāng)形成電極材料 時(shí)，可容易地分解成一個(gè)或多個(gè)氣體或蒸汽，便于快速和完全的去除。通過例如考慮給定溫 度時(shí)的填充材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、或可溶性、揮發(fā)性和/或汽壓，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠 識(shí)別并選擇呈現(xiàn)該行為的材料。在說明性的實(shí)施例中，圖3示出了作為溫度函數(shù)的碳酸氫 銨的汽壓圖，表示可以以大約50-60°C或更高的溫度分解/去除它。在其它實(shí)施例中，可選擇填充材料使得對(duì)于在電極材料的形成期間施加到多孔材 料的電極組合物基本不可溶。可以使用簡單的篩選測試來確定在特定環(huán)境中填充材料是可 溶還是不可溶的，其中在處理期間合乎期望地維持它們的結(jié)構(gòu)?？梢栽诔Ｒ?guī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中 進(jìn)行的簡單測試僅涉及將填充材料暴露于多種候選處理溶劑以確定可溶性。當(dāng)以該方式識(shí) 別了一類填充材料為潛在適合在本發(fā)明中使用時(shí)，在實(shí)際處理環(huán)境中使用之前，可以篩選 該類的單獨(dú)成員以確定它們的功效。填充材料可以是液體、固體或其組合。合適的填充材料的示例包括但不限于有機(jī) 和無機(jī)鹽，諸如碳酸銨、碳酸氫銨和疊氮碳酰胺(azidocarbonamide)、碳酸氫鈉、碳酸氫鉀、 碳酸鈉以及硼氫化鈉。在一組實(shí)施例中，填充材料是碳酸銨或碳酸氫銨。在一些實(shí)施例中， 填充材料是液體，諸如水或碳?xì)浠衔?例如，辛烷)。在一些情況下，填充材料可與流體載體結(jié)合以形成填充溶液，其可被施加到多孔 基板。合適的流體載體包括含水流體載體、非水流體載體以及其組合。本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員將能夠選擇適當(dāng)?shù)牧黧w載體來形成填充溶液，并且可使用簡單的篩選測試確定填充材 料在流體載體中是否充分可溶，以促進(jìn)在多孔材料的表面上的填充材料的形成。例如，少量 的填充材料可與系列流體載體結(jié)合，以確定相容性。在一些實(shí)施例中，流體載體可具有相對(duì) 低的沸點(diǎn)，使得可以以中等溫度去除它，并且可具有低蒸發(fā)焓以提供高干燥速率。例如，流體載體可具有100°C或更少、90°C或更少、80°C或更少，或者在一些情況下更低的沸點(diǎn)。在一些實(shí)施例中，適合在填充溶液中使用的流體載體包括諸如二氯甲烷的鹵化或 部分鹵化的碳?xì)浠衔铮T如戊烷或己烷的碳?xì)浠衔?，諸如苯、甲苯或二甲苯的芳香族化 合物，諸如甲醇、乙醇、異丙醇的醇，諸如水的其它含水溶劑，其混合物等。如這里所描述的那樣，“粘結(jié)劑材料”指的是當(dāng)在電極內(nèi)存在時(shí)可增強(qiáng)活性電極物 質(zhì)對(duì)電極的附著力和結(jié)合力的任何材料。在一些情況下，可使用粘結(jié)劑材料的組合。本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員將能夠結(jié)合與這里描述的方法和電化學(xué)電池相關(guān)聯(lián)的其它材料，選擇適合 在本發(fā)明中使用的適當(dāng)粘結(jié)劑材料?？蛇x擇粘結(jié)劑材料使得它與電池的其它部件相容(例 如，對(duì)于電池的其它部件不起化學(xué)作用)，其中，所述電池的其它部件包括但不限于陰極、陽 極以及電解質(zhì)。例如，電化學(xué)電池可包括聚硫化物，并且可選擇粘結(jié)劑材料使得它不包含諸 如羰基組(例如，酯、酮、醛等)的特定功能組，其可在工作期間與電池內(nèi)的聚硫化物反應(yīng) 并且可用基本不可逆轉(zhuǎn)形成的副產(chǎn)品污染電池。還可選擇粘結(jié)劑材料，以呈現(xiàn)對(duì)多孔材料 (例如，多孔碳材料)的良好附著力和/或在處理期間或在電池工作期間不裂化或變得剝 離。在一些實(shí)施例中，可使用基本無毒的粘結(jié)劑材料。在一些情況下，可選擇粘結(jié)劑材料，以對(duì)于電解質(zhì)基本不可溶(即，粘結(jié)劑材料不 可由電解質(zhì)溶解)和/或?qū)τ诹黧w載體顯著可溶。粘結(jié)劑材料可被提供在粘結(jié)劑材料基本 可溶的溶劑中。在一些情況下，粘結(jié)劑材料可在非水流體載體中基本可溶。在一些情況下， 粘結(jié)劑材料可在含水流體載體中基本可溶。在一些實(shí)施例中，粘結(jié)劑材料可以是聚合材料。聚合物粘結(jié)劑材料的示例包括 但不限于基于聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物，諸如聚(偏二氟乙烯)(PVDF)以及它與如 下的共聚物和三元共聚物六氟乙烯、四氟乙烯、三氟氯乙烯、聚(氟化乙烯)、聚四氟乙烯 (PTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚丁二烯、氰乙基纖維素、羧甲基纖維素，以及它與 苯乙烯-丁二烯橡膠、聚丙烯腈、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)、 聚酰亞胺或乙烯_醋酸乙烯酯共聚物的混合。在一些情況下，粘結(jié)劑材料可在含水流體載 體中基本可溶，并且可包括但不限于纖維素衍生物、典型的甲基纖維素(MC)、羧甲基纖維素 (CMC)以及羥丙基甲基纖維素(HPMC)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸鹽、聚丙烯酰胺(PA)、聚乙 烯吡咯烷酮(PVP)或聚環(huán)氧乙烷(PEO)。在一組實(shí)施例中，粘結(jié)劑材料是聚(乙烯-co-丙烯-co-5-亞甲基-2-冰片烯) (EPMN)，其對(duì)于包括聚硫化物的電池成分可以是化學(xué)中性的(例如，惰性的)。圖2示出了 EPMN的化學(xué)結(jié)構(gòu)。EPMN還可提供對(duì)例如多孔碳材料或?qū)Πń饘倩?例如，鋁)的其它 基板材料的足夠的附著力。如上所述，在多孔材料上形成電極材料期間，除了諸如活性電極物質(zhì)的其它材料 之外，粘結(jié)劑材料還可與流體載體結(jié)合。在一些情況下，可使用粘結(jié)劑材料顯著可混合或可 溶的流體載體。在一些實(shí)施例中，可選擇流體載體使得填充材料對(duì)于流體載體不顯著可混 合或可溶，使得在多孔材料上形成的填充材料在電極材料的形成期間保持基本未受影響。在一些實(shí)施例中，可選擇流體載體使得活性電極物質(zhì)對(duì)于流體載體不顯著可混合 或可溶。在將電極材料選擇性地布置在多孔材料上的特定位置時(shí)，這可以是有利的。例如， 可期望主要在多孔材料的表面上形成電極材料，并且最小化或防止在多孔材料的內(nèi)部位置 (例如，孔隙)內(nèi)的形成。利用如下電極組合物對(duì)多孔材料的處理可導(dǎo)致多孔材料的孔隙內(nèi)的活性電極物質(zhì)的不希望的沉積或結(jié)晶其包括粘結(jié)劑材料、活性電極物質(zhì)以及粘結(jié)劑材 料和活性電極物質(zhì)均顯著可溶的流體載體。然而，利用如下電極組合物的處理可以導(dǎo)致活 性電極物質(zhì)主要在多孔材料的表面沉積，這可以提高電池工作期間的活性電極物質(zhì)的利用 率其包括粘結(jié)劑材料、活性電極物質(zhì)以及粘結(jié)劑材料顯著可溶而活性電極物質(zhì)不顯著可 溶的流體載體。在說明性的實(shí)施例中，在水和水溶粘結(jié)劑材料參與的情況下，可在多孔碳基板上 形成硫，其中硫在水中不顯著可溶。這可產(chǎn)生可在多孔碳材料的外部表面上而不是在孔隙 內(nèi)形成相對(duì)高載硫量的電極，導(dǎo)致在電池的工作期間硫的增強(qiáng)的可接近性。在一些情況下，可選擇在電極材料的形成期間使用的流體載體，使得它在低于填 充材料可分解的溫度的溫度呈現(xiàn)高蒸發(fā)速率，以最小化或防止填充材料過早的去除。即，可 選擇在電極材料形成期間使用的流體載體，使得在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，流體載體的汽壓高 于由填充材料形成的任何分解產(chǎn)品的汽壓。例如，流體載體可具有低于填充材料的分解溫 度或蒸發(fā)焓的沸點(diǎn)或蒸發(fā)焓。這可允許去除流體載體以形成電極材料，同時(shí)最小化或防止 填充材料的過早去除。任何流體載體可適合在電極組合物中使用，包括含水流體載體、非水流體載體或 其組合?？稍诒景l(fā)明的方法中使用的流體載體的示例包括溶劑，諸如苯、P-甲酚、甲苯、二 甲苯、二乙醚、乙二醇一甲醚或乙二醇二甲醚、石油醚、庚烷、己烷、戊烷、環(huán)己烷、二氯甲烷、 三氯甲烷、四氯化碳、二氧雜環(huán)乙烷、四氫呋喃(THF)、甲醇、乙醇、異丙醇、二甲基亞砜、二甲 基甲酰胺、六甲基磷酰三胺、水、乙酸乙酯、丙酮、吡啶、三乙胺、甲基吡啶、其混合物等。本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員將能夠選擇適合在特定應(yīng)用中使用的適當(dāng)流體載體。例如，可基于其與 其它材料的可溶性或可混和性、揮發(fā)性(例如，沸點(diǎn))等選擇流體載體。在說明性實(shí)施例中，多孔基板可包括碳酸氫銨作為填充材料，并且可在多孔材料 上形成電極材料期間使用己烷作為電極組合物流體載體。己烷具有68. 8°C的沸點(diǎn)和330J/ g的蒸發(fā)焓。圖5示出了(a)己烷和(b)碳酸氫銨的汽壓的阿列紐斯圖。如圖5中示出的 那樣，在低于50-60°C的溫度，己烷汽壓超過碳酸氫銨的汽壓。因此，可利用在己烷參與的 情況下的電極材料處理(例如，涂覆)包括碳酸氫銨作為填充材料的多孔材料，并且可以以 低于大約50-60°C的溫度去除己烷，以在多孔基板上形成電極材料，而填充材料保持未受影 響。當(dāng)己烷蒸發(fā)且電極材料形成時(shí)，可增加溫度到60°C以上，以去除(例如，分解)碳酸氫 銨并且暴露多孔基板的孔隙。如這里所描述的那樣，可基于諸如可溶性、汽壓、分解溫度等的性質(zhì)選擇填充材 料、粘結(jié)劑材料、流體載體以及與制作工藝相關(guān)聯(lián)的其它材料，以相對(duì)于彼此具有特定關(guān) 系，使得可執(zhí)行制作工藝以產(chǎn)生期望的電化學(xué)結(jié)構(gòu)。即，可選擇填充材料、粘結(jié)劑材料以及 其它材料，使得在制作工藝期間可在基板上合乎期望地形成和/或維持期望的材料，同時(shí) 減少或防止材料的分解或不期望損失。例如，可結(jié)合親水粘結(jié)劑材料使用疏水填充材料。在另一個(gè)示例中，可結(jié)合疏水粘 結(jié)劑材料使用親水填充材料。另外，可結(jié)合一個(gè)或多個(gè)流體載體選擇粘結(jié)劑和填充材料，使 得可在基板上形成粘結(jié)劑材料之后從基板(例如，電極)去除填充材料。在一些實(shí)施例中， 填充材料是親水材料，并且粘結(jié)劑材料在疏水溶劑中可溶。在一些實(shí)施例中，填充材料是疏 水材料，并且粘結(jié)劑材料在親水溶劑中可溶。在一些情況下，填充材料可在填充流體載體中呈現(xiàn)部分可溶性，并且可在粘結(jié)劑流體載體中基本不可溶。在一些情況下，粘結(jié)劑材料可在 粘結(jié)劑流體載體中呈現(xiàn)部分可溶性，并且可在填充流體載體中基本不可溶。如這里使用的那樣，“活性電極物質(zhì)”或“電活性物質(zhì)”指的是與在電池的工作期間 經(jīng)受電化學(xué)反應(yīng)的電極(例如，陰極、陽極)相關(guān)聯(lián)的物質(zhì)。例如，活性電極物質(zhì)可在電化 學(xué)電池的充電/放電期間經(jīng)受氧化或減少。在本發(fā)明的電化學(xué)電池的陰極中用作陰極活性材料的適合電活性材料包括但不 限于電活性過渡金屬硫族化合物、電活性導(dǎo)電聚合物、電活性含硫材料以及其組合。如這里 使用的那樣，術(shù)語“硫族化合物”有關(guān)包含氧、硫以及硒元素中的一個(gè)或多個(gè)的化合物。適 合的過渡金屬硫族化合物的示例包括但不限于從由Mn、V、Cr、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、 Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Os以及Ir組成的組選擇的過渡金屬的電活性氧化物、硫 化物以及硒化物。在一個(gè)實(shí)施例中，從由鎳、錳、鈷以及釩的電活性氧化物以及鐵的電活性 硫化物組成的組選擇過渡金屬硫族化合物。在一個(gè)實(shí)施例中，陰極包括一個(gè)或多個(gè)以下材 料二氧化錳、碘、鉻酸銀、氧化銀以及五氧化二釩、氧化銅、氧磷酸銅、硫化鉛、硫化銅、硫化 鐵、鉍酸鉛、三氧化二鉍、二氧化鈷、氯化銅、二氧化錳以及碳。在另一實(shí)施例中，陰極活性層 包括電活性導(dǎo)電聚合物。適合的電活性導(dǎo)電聚合物的示例包括但不限于從由聚吡咯、聚苯 胺、聚苯撐、聚噻吩以及聚乙炔組成的組中選擇的電活性和電傳導(dǎo)聚合物。導(dǎo)電聚合物的示 例包括聚吡咯、聚苯胺以及聚乙炔。在一些實(shí)施例中，用作這里描述的電化學(xué)電池中的陰極活性材料的電活性材料包 括電活性含硫材料。如這里使用的“電活性含硫材料”涉及以任何形式包括元素硫的陰極活 性材料，其中，電化學(xué)活動(dòng)涉及硫原子或一部分的氧化或減少。如在本領(lǐng)域中已知的那樣， 可用于本發(fā)明的實(shí)踐中的電活性含硫材料的性質(zhì)可廣泛變化。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，電活 性含硫材料包括元素硫。在另一實(shí)施例中，電活性含硫材料包括元素硫和含硫聚合物的混 合物。因此，適合的電活性含硫材料可包括但不限于元素硫和包括硫原子和碳原子的有機(jī) 材料，其可以是或可以不是聚合的。適合的有機(jī)材料包括此外包括雜原子、導(dǎo)電聚合物段、 合成物以及導(dǎo)電聚合物的那些材料。含硫聚合物的示例包括在如下中描述的那些頒發(fā)給Skotheim等人的美國專利 第5，601，947和5，690，702號(hào)；頒發(fā)給Skotheim等人的美國專利第5，529，860和6，117，590 號(hào)；2001年3月13日頒發(fā)給共同受讓人的Gorkovenko等人的美國專利第6，201，100號(hào)、和 PCT公開第WO 99/33130號(hào)。在以下中描述了包括聚硫化物鍵合的其它適合的電活性含硫 材料頒發(fā)給Skotheim等人的美國專利第5，441，831號(hào)；頒發(fā)給Perichaud等人的美國專 利第4，664，991號(hào)；以及頒發(fā)給Naoi等人的美國專利第5，723，230,5, 783，330,5, 792，575 以及5，882，819號(hào)。電活性含硫材料的此外示例包括如例如在以下中描述的包括二硫化 物組的那些材料頒發(fā)給Armand等人的美國專利第4，739，018號(hào)；頒發(fā)給De Jonghe等人 的美國專利第4，833，048和4，917，974號(hào)；頒發(fā)給Visco等人的美國專利第5，162，175和 5，516，598號(hào)；以及頒發(fā)給Oyama等人的美國專利第5，324，599號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，陰極活性層的電活性含硫材料包括按重量大于50%的硫。在另 一實(shí)施例中，電活性含硫材料包括按重量大于75%的硫。在又一實(shí)施例中，電活性含硫材料 包括按重量大于90%的硫。本發(fā)明的陰極活性層可包括按重量從大約20%到100%的電化學(xué)陰極材料(例如，如在從陰極活性層去除了適當(dāng)量的溶劑之后和/或在適當(dāng)固化了層之后測量的那樣)。 在一個(gè)實(shí)施例中，陰極活性層中的電活性含硫材料的量在按重量5% -30%的陰極活性層 的范圍中。在另一實(shí)施例中，陰極活性層中的電活性含硫材料的量在按重量20%到90%的 陰極活性層的范圍中。用于制備陰極(以及這里描述的電池的其它部件)的適合的液體介質(zhì)(例如，溶 劑)的非限制性示例包括含水液體、非水液體以及其混合物。在一些實(shí)施例中，可以使用諸 如例如水、甲醇、乙醇、異丙醇、丙醇、丁醇、四氫呋喃、乙二醇二甲醚、丙酮、甲苯、二甲苯、乙 腈、環(huán)己烷以及其混合物的液體。當(dāng)然，如需要還可以使用其它適合的溶劑?？赏ㄟ^本領(lǐng)域已知的方法制備正電極層。例如，一個(gè)適合的方法包括如下步驟 (a)如這里所描述的那樣，在液體介質(zhì)中分散或懸浮電活性含硫材料；(b)任選地向步驟 (a)的混合物中添加導(dǎo)電填充物和/或粘結(jié)劑；(c)混合從步驟(b)得到的組合物，以分散 電活性含硫材料；(d)將從步驟(c)得到的組合物澆鑄到適合的基板上；以及(e)從由步驟 (d)得到的組合物去除部分或全部液體，以提供陰極活性層。用于這里描述的陽極活性層的適合的負(fù)電極材料包括但不限于諸如在導(dǎo)電基板 上沉積的鋰箔和鋰的鋰金屬以及鋰合金(例如，鋰-鋁合金以及鋰_錫合金)。雖然這些是 優(yōu)選的負(fù)電極材料，但是也可利用其它電池化學(xué)物質(zhì)使用集電器。用于將負(fù)電極材料(例如，諸如鋰的堿金屬陽極)沉積在基板上的方法可包括諸 如熱蒸發(fā)、濺射、噴射蒸汽沉積以及激光燒蝕的方法。替選地，當(dāng)陽極包括鋰箔、或鋰箔和基 板時(shí)，這些可以由如本領(lǐng)域中已知的層壓工藝層壓在一起，以形成陽極。正和/或負(fù)電極可任選地包括與適合的電解質(zhì)順利地相互作用的一個(gè)或多個(gè)層， 諸如在由Mikhaylik等人在2006年12月4日提交的、題為“S印aration of Electrolytes，， 的美國臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/872，939中描述的那些，在此通過引用將其全文合并于此。在電化學(xué)或蓄電池組電池中使用的電解質(zhì)可起用于離子的存儲(chǔ)和傳輸?shù)慕橘|(zhì)的 作用，并且在固體電解質(zhì)和凝膠電解質(zhì)的特別情況下，這些材料可另外起陽極與陰極之間 的分隔的作用。只要材料對(duì)于陽極和陰極不發(fā)生電化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)并且材料促進(jìn)陽極與陰 極之間的離子(例如，鋰離子)的傳輸，那么可使用能夠存儲(chǔ)并傳輸離子的任何液體、固體 或凝膠材料。電解質(zhì)是不導(dǎo)電的，以防止陽極與陰極之間的短路。電解質(zhì)可以包括一個(gè)或多個(gè)離子的電解質(zhì)鹽以提供離子導(dǎo)電性、以及一種或多 種液體電解質(zhì)溶劑、凝膠聚合物材料或聚合物材料。適合的非水電解質(zhì)可包括有機(jī)電解 質(zhì)，其包括從由液體電解質(zhì)、凝膠聚合物電解質(zhì)以及固體聚合物電解質(zhì)組成的組中選擇的 一禾中或多禾中材料° 由 Dorniney 在 Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives，第4章，第137-165頁，Elsevier，阿姆斯特丹(1994)中描述了用于 鋰蓄電池的非水電解質(zhì)的示例。由Alamgir等人在Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives，第 3 章，第 93-136 頁，Elsevier，阿姆斯特丹(1994)中 描述了凝膠聚合物電解質(zhì)和固體聚合物電解質(zhì)的示例。在2006年12月4日提交的美國臨 時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/872，939中描述了可以在這里描述的蓄電池中使用的非均質(zhì)電解質(zhì)組合 物?？捎玫姆撬后w電解質(zhì)溶劑的示例包括但不限于非水有機(jī)溶劑，諸如例如N甲基 乙酰胺、乙腈、乙縮醛、酮縮醇、酯、碳酸鹽、砜、亞硫酸鹽、環(huán)丁砜、脂族醚、環(huán)醚、甘醇二甲醚、聚醚、磷酸酯、硅氧烷、二氧戊環(huán)、N-烷基吡咯烷酮、前述的替代形式以及其混合。前述 的氟化衍生物也可用作液體電解質(zhì)溶劑。在一些情況下，可以使用含水溶劑作為用于鋰電池的電解質(zhì)。含水溶劑可以包括 水，其可以包含諸如離子鹽的其它成分。如以上所指出的那樣，在一些實(shí)施例中，電解質(zhì)可 以包括諸如氫氧化鋰的物質(zhì)、或提供電解質(zhì)基礎(chǔ)的其它物質(zhì)，以便減小電解質(zhì)中氫離子的 濃度。液體電解質(zhì)溶劑還可以用作用于凝膠聚合物電解質(zhì)(即，包括形成半固體網(wǎng)絡(luò)的 一個(gè)或多個(gè)聚合物的電解質(zhì))的增塑劑?？捎玫哪z聚合物電解質(zhì)的示例包括但不限于 包括從由如下組成的組中選擇的一個(gè)或多個(gè)聚合物以及任選地一個(gè)或多個(gè)增塑劑的那些 電解質(zhì)聚環(huán)氧乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚丙烯腈、聚硅氧烷、聚酰亞胺、聚磷腈、聚醚、磺化聚酰 亞胺、全氟化膜(NAFI0N樹脂)、聚二乙烯基聚乙二醇、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二 甲基丙烯酸酯、前述的衍生物、前述的共聚物、前述的交聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和前述的混合。在一 些實(shí)施例中，凝膠聚合物電解質(zhì)包括按體積10% -20%之間、20% -40%,60% -70%之間、 70% -80%之間、80% -90%之間或90% -95%之間的非均質(zhì)電解質(zhì)。在一些實(shí)施例中，可以使用一個(gè)或多個(gè)固體聚合物來形成電解質(zhì)?？捎玫墓腆w聚 合物電解質(zhì)的示例包括但不限于包括從由如下組成的組中選擇的一個(gè)或多個(gè)聚合物的那 些電解質(zhì)聚醚、聚環(huán)氧乙烷、聚環(huán)氧丙烷、聚酰亞胺、聚磷腈、聚丙烯腈、聚硅氧烷、前述的 衍生物、前述的共聚物、前述的交聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及前述的混合。除了如在本領(lǐng)域中已知的用于形成電解質(zhì)的電解質(zhì)溶劑、凝膠劑以及聚合物之 外，還如在本領(lǐng)域中已知的那樣，電解質(zhì)可此外包括一個(gè)或多個(gè)離子電解質(zhì)鹽，以增加離子 導(dǎo)電性。用于在本發(fā)明的電解質(zhì)中使用的離子電解質(zhì)鹽的示例包括但不限于LiSCN、 LiBr、LiI、LiClO4, LiAsF6, LiS03CF3、LiS03CH3、LiBF4, LiB(Ph)4、LiPF6, LiC(SO2CF3)3 以及 LiN(SO2CF3) 2。可使用的其它電解質(zhì)鹽包括聚硫化鋰(Li2Sx)和有機(jī)離子聚硫化物的鋰鹽 (LiSxR)n,以及在頒發(fā)給Lee等人的美國專利第5，538，812號(hào)中公開的那些，其中，χ是從1 到20的整數(shù)，η是從1到3的整數(shù)，并且R是有機(jī)基。在一些實(shí)施例中，電化學(xué)電池還可包括插入在陰極與陽極之間的分隔。分隔可以 是固體非導(dǎo)電的或絕緣材料，其使陽極和陰極相互隔離或絕緣以防止短路，并且其允許離 子在陽極與陰極之間輸送。可利用電解質(zhì)部分或基本填充分隔的孔隙。分隔可被提供作為多孔自支撐(free standing)膜，其在電池的制作期間與陽極和陰極交錯(cuò)(interleave)。替選地，例如如在 頒發(fā)給Car 1 son等人的PCT公開第W099/33125號(hào)和頒發(fā)給Bagley等人的美國專利第 5，194，341號(hào)中描述的那樣，多孔分隔層可被直接施加到電極之一的表面上。在本領(lǐng)域中已知多種分隔材料。適合的固體多孔分隔材料的示例包括但不限于聚 烯烴(諸如聚乙烯和聚丙烯)、玻璃纖維過濾紙以及陶瓷材料。如在共同受讓人的Carlson 等人的美國專利第6，153，337和6，306，545號(hào)中所描述的那樣，適合在本發(fā)明中使用的分 隔和分隔材料的此外示例是包括微孔性干凝膠層(例如微孔性擬薄水鋁石層)的那些，其 可被提供作為自支撐膜或通過在電極之一上的直接涂覆應(yīng)用來提供。固體電解質(zhì)和凝膠電 解質(zhì)除了他們的電解質(zhì)功能之外還可起分隔的作用。
伴隨本公開的圖僅是示意性的，并且示出了基本平坦的蓄電池布置。將理解的是， 可以以任何配置、采用本發(fā)明的原理來構(gòu)造任何電化學(xué)電池布置。例如，在頒發(fā)給Affinito 等人的、2006 年 4 月 6 日提交的題為 “Electrode Protection in both Aqueous and Non-Aqueous Electrochemical Cells, including Rechargeable Lithium Batteries，，的 美國專利申請(qǐng)第11/400，025號(hào)中描述了另外的配置，在此通過引用將其全文合并于此。雖然這里描述并示出了本發(fā)明的若干實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易 預(yù)想到用于執(zhí)行功能和/或獲得這里描述的結(jié)果和/或一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)的多種其它裝置和 /或結(jié)構(gòu)，并且每個(gè)這樣的變化和/或修改被認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。更通常地，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員將容易意識(shí)到，這里描述的所有參數(shù)、尺寸、材料以及配置意思是示例性的，并 且實(shí)際參數(shù)、尺寸、材料和/或配置將取決于特定應(yīng)用或使用本發(fā)明的教導(dǎo)的應(yīng)用。本領(lǐng)域 的技術(shù)人員使用僅僅常規(guī)實(shí)驗(yàn)將認(rèn)識(shí)到或能夠確定這里描述的發(fā)明的特定實(shí)施例的許多 等同方案。因此，將理解的是，前述實(shí)施例僅作為示例被呈現(xiàn)，并且在所附權(quán)利要求和其等 同方案的范圍內(nèi)，可不同于如具體描述并請(qǐng)求保護(hù)的那樣來實(shí)踐本發(fā)明。本發(fā)明針對(duì)這里 描述的每個(gè)單獨(dú)特征、系統(tǒng)、物品、材料、工具和/或方法。另外，如果這樣的特征、系統(tǒng)、物 品、材料、工具和/或方法不相互矛盾，那么兩個(gè)或更多個(gè)這樣的特征、系統(tǒng)、物品、材料、工 具和/或方法的任何組合包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。除非明確相反地表示，否則如這里在說明書中和權(quán)利要求中使用的不定冠詞“一” 和“一個(gè)”應(yīng)該被理解為意思是“至少一個(gè)”。如這里在說明書中和權(quán)利要求中使用的短語“和/或”應(yīng)該被理解為意思是如此 結(jié)合的元素(即，在一些情況下聯(lián)合存在的元素而在其它情況下分離存在的元素)的“任一 或兩者”。除由“和/或”從句特別標(biāo)識(shí)的元素之外，其它元素可任選地存在，無論與具體標(biāo) 識(shí)的那些元素相關(guān)還是不相關(guān)，除非明確相反地表示。因此，作為非限制性示例，當(dāng)結(jié)合諸 如“包括”的開放式語言使用時(shí)，對(duì)“A和/或B”的提及在一個(gè)實(shí)施例中可以指的是A而沒 有B (任選地包括除B之外的元素)；在另一個(gè)實(shí)施例中指的是B而沒有A (任選地包括除A 之外的元素)；在又一實(shí)施例中指的是A和B兩者(任選地包括其它元素)；等等。如這里在說明書中和權(quán)利要求中使用的那樣，“或”應(yīng)該被理解為具有與以上定義 的“和/或”相同的含義。例如，當(dāng)分離列表中的項(xiàng)目時(shí)，“或”或者“和/或”將被解釋為是 包括在內(nèi)的，即，包括至少一個(gè)，并且還包括多個(gè)元素或元素列表以及任選地另外未列出的 項(xiàng)目的多于一個(gè)。僅明確相反表示的術(shù)語，諸如“僅之一”或“確切之一”或者在權(quán)利要求中 使用時(shí)的“由…組成”將指的是包括多個(gè)元素或元素列表的確切一個(gè)元素。通常，如這里使 用的術(shù)語“或”當(dāng)在其之前加上諸如“任一”、“之一”、“僅之一”或“確切之一”的排他性術(shù)語 時(shí)，將僅被解釋為表示排他性選項(xiàng)(即，“一個(gè)或另一個(gè)但不是兩者”)?！盎旧嫌伞M成” 當(dāng)在權(quán)利要求中使用時(shí)，將具有如它在專利法的領(lǐng)域中使用的通常含義。如這里在說明書中和權(quán)利要求中使用的那樣，提及一個(gè)或多個(gè)元素的列表時(shí)的短 語“至少一個(gè)”應(yīng)該被理解為意思是從元素列表中的任何一個(gè)或多個(gè)元素選擇的至少一個(gè) 元素，但不一定包括在元素列表內(nèi)具體列出的每個(gè)和各個(gè)元素的至少一個(gè)，并且不排除在 元素列表中的元素的任何組合。該定義還允許除短語“至少一個(gè)”所指的元素列表內(nèi)具體標(biāo) 識(shí)的元素之外，無論與具體標(biāo)識(shí)的那些元素相關(guān)還是不相關(guān)的元素都可任選地存在。因此， 作為非限制示例，“A和B的至少一個(gè)”(或者等效地，“A或B的至少一個(gè)”，或者等效地，“A和/或B的至少一個(gè)”)在一個(gè)實(shí)施例中可以指的是至少一個(gè)(任選地包括多于一個(gè))A，而 不存在B(并且任選地包括除B之外的元素)；在另一個(gè)實(shí)施例中，指的是至少一個(gè)(任選 地包括多于一個(gè))B，而不存在A (并且任選地包括除A之外的元素)；在又一實(shí)施例中，指的 是至少一個(gè)(任選地包括多于一個(gè))A以及至少一個(gè)(任選地包括多于一個(gè))B(并且任選 地包括其它元素)；等等。在權(quán)利要求中以及在以上的說明中，諸如“包括”、“包括有”、“帶有”、“具有”、“包 含”、“涉及”、“持有”等的所有過渡短語將被理解為開放式的，即，意思是包括但不限于。如 分別在美國專利局專利審查程序手冊，2111. 03節(jié)中闡述的那樣，僅過渡短語“由…組成”和 “基本上由…組成”將是封閉或半封閉過渡短語。示例示例 1以下示例描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的在多孔碳材料的孔隙內(nèi)的填充材料 的形成。通過熱循環(huán)在多孔碳材料上形成填充材料，以重復(fù)地在多孔碳材料的孔隙內(nèi)溶解 和沉淀填充材料。在該示例中，使用碳酸銨或碳酸氫銨作為填充材料，這是因?yàn)槊總€(gè)在水中 呈現(xiàn)正溫度溶解度梯度，即，碳酸銨或碳酸氫銨在水中的溶解度隨著溫度的增加而增加，并 且隨溫度的降低而降低。圖4示出了(a)作為溫度的函數(shù)的碳酸氫銨在水中的溶解度以及 (b)碳酸氫銨在水中的熱循環(huán)圖的圖。根據(jù)圖4B中的熱循環(huán)圖，碳酸銨或碳酸氫銨的含水溶液與多孔碳材料接觸，并且 被加熱到大約50°C，利用溶液填充碳孔隙。然后，將溶液溫度降到近0°C，使得填充材料在 碳孔隙內(nèi)沉淀。重復(fù)該過程2-3次，以在孔隙內(nèi)沉積期望量的填充材料。相對(duì)于多孔碳材 料，實(shí)現(xiàn)了按重量的近似75% -90%的填充含量。示例 2在以下示例中，如這里所描述的那樣，使用填充材料和可溶粘結(jié)劑材料來制備電 化學(xué)電池，并且估計(jì)它的硫比容量。通過在50°C或更高將XE2添加到碳酸氫銨的飽和溶液來制備包括XE2碳 (11. lwt% )和碳酸氫銨(88.9wt%)的合成物。然后，將混合物冷卻到0°C，并且使得 NH4HCO3在碳孔隙內(nèi)沉淀。濾除沉淀的NH4HCO3以提供XE2合成物，然后利用乙醇沖洗它。然 后，將合成物(21. 37g)與己烷中3wt% EPDMN粘結(jié)劑的33. 3g溶液和6. 63g硫粉混合。將 另外的35. 3g己烷添加到漿混合物，然后利用小瓶中的不銹鋼球碾磨其40分鐘。為了涂覆陰極，將碾磨后的漿混合物手繪到碳涂覆12微米的Al基板(AL Rexam 底層涂料)，并且在烤爐中以+70°C干燥涂覆的陰極1小時(shí)，以去除溶劑和填充材料。得到 的合成物包含硫(66. 3wt% )、ΧΕ2(23· 7wt% )以及EPDMN(10wt% )。陰極具有良好的附著 力和結(jié)合力。硫涂覆裝載是5. 18mg/cm2。然后，使用以上描述的涂覆的陰極和作為電極的6mil鋰箔(活性面積33cm2)、9m Tonen分隔以及1. 02g電解質(zhì)來裝配電化學(xué)電池。電解質(zhì)主要包含1，3-二氧戊環(huán)(DOL) 和1-甲氧基-2-乙氧基乙烷(MEE)，以及取決于特定實(shí)驗(yàn)的各種較少量的(CF3SO2)2NLi 和LiN03。在一個(gè)特定實(shí)驗(yàn)中，電解質(zhì)包含69. 16wt % D0L,21. 34wt % MEE、6. 72wt % (CF3SO2)2NLi以及2. 77wt% LiN03。以15mA放電至Ij 1.7V并且以15mA充電到2. 5V來循環(huán)電池。硫比容量在第5個(gè)循環(huán)是1048mAh/g并且在第40個(gè)循環(huán)是1011mAh/g。作為控制實(shí)驗(yàn)，除使用沒有填充物的純XE2替代XE2-碳酸氫銨合成物來制備漿并 涂覆陰極之外，如上所述制備相同的電化學(xué)電池。陰極涂覆對(duì)XE2基板具有非常差的附著 力和結(jié)合力。陰極具有2. 17mg/cm2的載硫量，并且如上所述將其裝配到電化學(xué)電池中。硫 比容量在第5個(gè)循環(huán)是937mAh/g并且在第40個(gè)循環(huán)是845mAh/g。示例 3在以下示例中，如這里所描述的那樣，使用填充材料和可溶粘結(jié)劑材料來制備電 化學(xué)電池，并且估計(jì)它的硫比容量。根據(jù)在示例2中描述的方法，制備具有15. 7襯％的XE2含量和84. 3%的碳酸氫 銨含量的XE2-碳酸銨(NH4)2CO3合成物。然后，將合成物與己烷中3wt% EPDMN粘結(jié)劑 的33. 3g溶液以及6. 63g的硫粉混合。然后，使用包含按重量的9. 97%的硫、22. 06%的 XE2- (NH4) 2C03合成物以及1. 5%的EPMN可溶粘結(jié)劑的碾磨后己烷漿混合物，如在示例2中 所述涂覆XE2-(NH4)2C03合成物。在烤爐中以+70°C干燥涂覆的陰極1小時(shí)，以去除溶劑和 填充材料。得到的合成物包含硫(66. 3wt% )、ΧΕ2(23· 7wt% ) ,EPDMN(1 Owt% )。陰極具有 良好的附著力和結(jié)合力。硫涂覆裝載是4.3mg/cm2。然后，與示例2類似，使用以上描述的涂覆的陰極來裝配電化學(xué)電池。以與示例2 類似的條件循環(huán)電池。第5個(gè)循環(huán)的硫比容量是1214mAh/g。作為控制實(shí)驗(yàn)，除使用沒有填充物的純XE2替代XE2-碳酸氫銨合成物來制備漿并 涂覆陰極之外，如上所述制備相同的電化學(xué)電池。與在示例2中描述的控制實(shí)驗(yàn)相似，陰極 涂覆具有低載硫量和對(duì)XE2基板非常差的附著力和結(jié)合力，并且，當(dāng)被裝配到電化學(xué)電池 中時(shí)，顯示較差的硫比容量。示例 4在以下示例中，如這里所描述的那樣，使用填充材料和可溶粘結(jié)劑材料來制備電 化學(xué)電池，并且估計(jì)它的硫比容量。通過將碳添加到沸騰的水、攪拌并冷卻到室溫，制備具有28. 5襯％的XE2含量和 71. 5wt %的水含量的XE2-水合成物。然后，使用碾磨后己烷漿混合物來涂覆XE2-H20合 成物，該碾磨后己烷漿混合物包含9. 97g的XE2-H20合成物、7. 96g硫、己烷中3wt% EPDMN 的40g溶液以及IOg己烷。在烤爐中以+70°C干燥涂覆的陰極1小時(shí)以去除溶劑，然后以 100°C干燥1小時(shí)以去除填充材料。得到的合成物包含硫(66. 3wt% XE2(23. 7wt% EPDMN(10wt% )0陰極具有良好的附著力和結(jié)合力。硫涂覆裝載是3.4mg/cm2。然后，與示例2類似地裝配并循環(huán)電化學(xué)電池。硫比容量在第5個(gè)循環(huán)是1070mAh/ g并且在第40個(gè)循環(huán)是947mAh/g。作為控制實(shí)驗(yàn)，除使用沒有填充物的純XE2替代XE2-水合成物來制備漿并涂覆陰 極之外，如上所述制備相同的電化學(xué)電池。與在示例2中描述的控制實(shí)驗(yàn)相似，陰極涂覆具 有低載硫量和對(duì)XE2基板非常差的附著力和結(jié)合力，并且，當(dāng)被裝配到電化學(xué)電池中時(shí)，顯 示較差的硫比容量。示例 5在以下示例中，研究了填充材料保護(hù)碳孔隙率和表面面積的能力。如在示例2中所描述的那樣，使用(1)在己烷中包含EPMN的漿(例如，沒有填充材料)或(2)在己烷中包含碳酸氫銨填充材料和EPMN的漿來涂覆多孔XE2碳。在室溫干 燥涂覆的XE2碳，然后加熱到70°C以去除溶劑和填充材料，產(chǎn)生具有按重量碳與粘結(jié)劑比 率為3 1的涂覆的XE2碳。對(duì)于干燥XE2碳樣本采取BET表面面積測量。利用不存在粘結(jié)劑的己烷處理的 XE2碳樣本具有977m2/g的表面面積，而利用粘結(jié)劑溶液處理的未保護(hù)的XE2碳樣本顯示了 96m2/g的減少的表面面積。利用粘結(jié)劑溶液處理的XE2-NH4HC03合成物材料保留319m2/g的 表面面積。這些測量表示填充材料用作XE2碳樣本的孔隙的保護(hù)材料。示例 6使用在示例3中描述的方法來制備兩個(gè)電化學(xué)電池A和B。以0.5mA/cm2的放 電電流密度和0. 5mA/cm2的充電電流密度循環(huán)電池Α。對(duì)于電池B，對(duì)于前5個(gè)循環(huán)，施加 0. 5mA/cm2的放電電流密度和0. 5mA/cm2的充電電流密度。對(duì)于電池B的接下來三個(gè)循環(huán)， 施加1. OmA/cm2的放電電流密度和0. 5mA/cm2的充電電流密度。圖6示出了對(duì)于電池A和電池B的作為循環(huán)數(shù)的函數(shù)的比容量。電池A對(duì)于前8 個(gè)循環(huán)放出1160-1260mAh/g的比容量或69% -75%的硫利用率。電池B在1. OmA/cm2的 放電電流密度放出940mAh/g的比容量或56%的硫利用率。示例 7在以下示例中，如這里所描述的那樣，使用利用存在于多孔基板上的液體填充材 料和可溶粘結(jié)劑材料制備的陰極，制備若干電化學(xué)電池。然后，將這些電化學(xué)電池與使用具 有多孔基板和可溶粘結(jié)劑材料的陰極(但是沒有向多孔基板施加液體填充材料)制備的基 本相似的電池進(jìn)行比較。在若干放電電流處比較這些電化學(xué)電池的比容量。在該示例中使 用的液體填充物是辛烷，并且使用與以上描述的技術(shù)類似的飽和方法來將填充物施加到多 孑L基板。將130g的Vulcan碳粉置于金屬篩中，其中篩孔足夠小以支撐碳粉而沒有材料通 過篩損失。然后，將該篩置于玻璃干燥器中，懸于若干克的干燥劑材料上。然后，通過使用 普通機(jī)械低真空泵來抽空器皿；通過該方法為器皿清除氣體若干分鐘。使碳粉整夜(大約 16小時(shí))置于抽空的器皿中。然后，在干燥空氣中打開干燥器，并且去除含碳的篩。在室溫 用70g的辛烷替換干燥劑，并且將磁攪拌棒置于器皿的底部。在干燥器中替換篩中的碳，并 且再次使用機(jī)械低真空泵抽空器皿若干分鐘。一旦抽空器皿，則將其放置在磁攪拌/加熱 板上，并且以最慢的設(shè)置攪拌辛烷。然后，留下碳以從空氣吸收辛烷兩天。在第三天，開啟 在攪拌/加熱板中的加熱元件，并且將器皿的溫度上升到80°C以增加從蒸汽吸收辛烷的速 度。一旦在干燥器的底部沒有可見的液體，則去除碳并迅速地將其用于制備陰極漿。將辛烷填充的碳與如下溶液混合包含47. 5wt%水的2156. 3g的溶劑、34. 4g的 PVOH以及研磨了 25分鐘的178. Sg的硫。一旦碳與該溶液混合，則一起研磨它們另外5分 鐘，以制作13. 75%的固體漿。使用空氣槽沖模涂布機(jī)將該漿涂覆到基板上，然后使用近 IOO0C的IR烤爐干燥其近似3分鐘。得到的干燥陰極含有52wt%的硫、38wt%的Vulcan碳 以及10wt%&PV0H。陰極的裝載是1.85mg/cm2。除使用Vulcan碳(從材料供應(yīng)者接收它 們)之外，如上制備控制陰極。為控制陰極制備的漿經(jīng)受如上所述的所有相同的碾磨、混合 以及涂覆工藝。
使用面向3mil鋰箔的上述兩個(gè)陰極并且采用9μπι Tonen分隔來制作電化學(xué)電 池。利用液體填充物制備部分電化學(xué)電池，并且不利用液體填充物制備部分電化學(xué)電池。進(jìn) 行了若干實(shí)驗(yàn)，其中使用不同組成的電解質(zhì)來制備各種電化學(xué)電池。利用如下的7. 6g電解 質(zhì)溶液填充每個(gè)電池其主要包含1，3 二氧戊環(huán)(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)，在不同特定 實(shí)驗(yàn)中具有有限和變化量的LiImide、LiN03、硝酸胍以及硝酸吡啶。如在下面的表中表示的 那樣，在六個(gè)組中測試了類似組成的三十個(gè)電化學(xué)電池。利用500mA、2.2A或4.4A的放電 電流從2. 5V到1. 7V、隨后以315mA充電到2. 5V來循環(huán)每組5個(gè)電池。表1.在示例7中測試的電化學(xué)電池
權(quán)利要求
一種形成電極的方法，其包括在多孔材料的第一部分上形成填充材料，其中，所述多孔材料包括碳；在所述多孔材料的至少第二部分上形成電極材料，其中，所述電極材料包括活性電極物質(zhì)和粘結(jié)劑材料；以及從所述多孔材料去除所述填充材料，從而形成所述電極。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，將所述粘結(jié)劑材料和所述活性電極物質(zhì)從包括所 述粘結(jié)劑材料、所述活性電極物質(zhì)以及流體載體的混合物施加到所述多孔材料，其中所述 粘結(jié)劑材料在所述流體載體中至少部分可溶。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是親水材料，并且所述粘結(jié)劑材料在 疏水溶劑中可溶。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是疏水材料，并且所述粘結(jié)劑材料在 親水溶劑中可溶。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述粘結(jié)劑材料被提供在所述粘結(jié)劑材料基本可 溶的溶劑中。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，去除的動(dòng)作包括加熱所述多孔材料。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在形成所述填充材料之前，處理至少部分所述多 孔材料的動(dòng)作。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，處理的動(dòng)作包括在至少部分所述多孔材料上形成 聚合材料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述聚合材料是聚乙烯乙二醇涂層。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是固體。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是液體。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述填充材料是辛烷、碳酸銨或碳酸氫銨。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述粘結(jié)劑材料是聚合材料。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述粘結(jié)劑材料是聚乙烯-co-丙烯-co-5-亞甲 基-2-冰片烯EPMN。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述活性電極物質(zhì)是硫。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述電極具有至少1.5mg/cm2的載硫量。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述電極具有至少2.5mg/cm2的載硫量。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述電極具有至少5.Omg/cm2的載硫量。
19.一種形成電極的方法，其包括將包括碳的多孔材料與包括填充材料的填充溶液接觸，使得所述填充材料在所述多孔 材料的第一部分上形成涂層，產(chǎn)生第一涂覆的多孔材料；將所述第一涂覆的多孔材料與包括活性電極物質(zhì)和粘結(jié)劑材料的電極材料接觸，使得 所述電極材料在所述多孔材料的至少第二部分上形成涂層，產(chǎn)生第二涂覆的多孔材料；以 及從所述第二涂覆的多孔材料去除至少部分所述填充材料，從而形成所述電極。
20.一種形成電極的方法，其包括將包括碳的多孔材料與包括活性電極物質(zhì)、流體載體、以及相對(duì)于所述多孔材料的至少5wt%的粘結(jié)劑材料的電極組合物接觸，使得所述電極組合物在至少部分所述多孔材料 上形成涂層，產(chǎn)生涂覆的多孔材料；以及從所述涂覆的多孔材料去除至少部分所述流體載體，從而形成所述電極，其中，所述電 極包括至少1. 6mg/cm2的活性電極物質(zhì)裝載和至少50%的孔隙率。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述電極組合物包括相對(duì)于所述多孔材料的至 少10wt%的所述粘結(jié)劑材料。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述電極組合物包括相對(duì)于所述多孔材料的至 少15wt%的所述粘結(jié)劑材料。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述電極組合物包括相對(duì)于所述多孔材料的至 少20wt%的所述粘結(jié)劑材料。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述電極組合物包括相對(duì)于所述多孔材料的至 少25wt%的所述粘結(jié)劑材料。
25.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述電極組合物包括相對(duì)于所述多孔材料的至 少30wt%的所述粘結(jié)劑材料。
26.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述流體載體是疏水性的。
27.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述流體載體是親水性的。
28.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述流體載體是水。
29.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述粘結(jié)劑材料是聚合材料。
30.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述粘結(jié)劑材料是聚乙烯-co-丙烯-co-5-亞甲 基-2-冰片烯EPMN。
31.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述活性電極物質(zhì)是硫。
32.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述電極具有至少1.5mg/cm2的載硫量。
33.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述電極具有至少2.5mg/cm2的載硫量。
34.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述電極具有至少5.Omg/cm2的載硫量。
35.一種電化學(xué)電池，其包括陰極，其包括活性電極物質(zhì)、包括碳的多孔材料以及粘結(jié)劑材料，其中，所述粘結(jié)劑材 料在流體載體中至少部分可溶，所述活性電極物質(zhì)和所述多孔材料在所述流體狀態(tài)中不顯 著可溶；陽極；以及電解質(zhì)，其與所述陰極和所述陽極電化學(xué)通信，其中，所述電化學(xué)電池具有活性材料理論容量的至少60%的活性材料容量。
36.如權(quán)利要求35所述的電化學(xué)電池，其中，所述電化學(xué)電池具有活性材料理論容量 的至少70%的活性材料容量。
37.如權(quán)利要求35所述的電化學(xué)電池，其中，所述電化學(xué)電池具有活性材料理論容量 的至少80%的活性材料容量。
38.如權(quán)利要求35所述的電化學(xué)電池，其中，所述電化學(xué)電池具有活性材料理論容量 的至少90%的活性材料容量。
39.如權(quán)利要求35所述的電化學(xué)電池，其中，所述活性電極物質(zhì)是硫。
40.如權(quán)利要求39所述的電化學(xué)電池，其中，所述電極具有至少1.5mg/cm2的載硫量。
41.如權(quán)利要求39所述的電化學(xué)電池，其中，所述電極具有至少2.5mg/cm2的載硫量。
42.如權(quán)利要求39所述的電化學(xué)電池，其中，所述電極具有至少5.Omg/cm2的載硫量。
43.一種形成電極的方法，其包括形成電化學(xué)活性電極前體，其包括基于碳的電傳導(dǎo)材料和活性電極物質(zhì)；以及 從所述電極前體基本均勻地去除材料，從而增加所述基于碳的電傳導(dǎo)材料、所述活性 電極物質(zhì)、或它們兩者的表面面積，以形成所述電極，在所述電極的使用期間，所述表面面 積暴露于電解質(zhì)。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中，所述電極具有相對(duì)活性材料理論容量的至少 60%的活性材料容量。
全文摘要
本發(fā)明涉及電化學(xué)電池、電極以及相關(guān)方法。在一些實(shí)施例中，在電化學(xué)電池、或其部件的制作期間可采用可去除填充材料，以產(chǎn)生具有改善的電池性能和倍率性能的電化學(xué)裝置。電化學(xué)電池可在工作期間呈現(xiàn)電化學(xué)電池內(nèi)電活性物質(zhì)的增強(qiáng)的利用率和/或電活性物質(zhì)的提高的可接近性。在一些情況下，本發(fā)明可提供有利地具有電活性物質(zhì)的高裝載(例如，大于1.5mg/cm2)同時(shí)還維持電極的穩(wěn)定性和良好機(jī)械性質(zhì)的電極。
文檔編號(hào)H01M4/139GK101939862SQ200980104676
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月8日
發(fā)明者克里斯多佛·T·S·坎貝爾, 威廉·F·維爾克寧, 尤里·V·米哈利克, 薩萬納·V·伯恩賽德 申請(qǐng)人:賽昂能源有限公司