具有含金屬纖維電極結(jié)構(gòu)體的電池及電極結(jié)構(gòu)體制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有含金屬纖維電極結(jié)構(gòu)體的電池及電極結(jié)構(gòu)體制備方法。本發(fā)明的一實施例的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法可以包含以下步驟：提供用于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的一個以上的金屬纖維的步驟；提供包含粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)的粒子組合物的步驟；混合上述金屬纖維與上述粒子組合物的步驟；以及對所混合的上述金屬纖維和上述粒子組合物進行壓接的步驟。
【專利說明】具有含金屬纖維電極結(jié)構(gòu)體的電池及電極結(jié)構(gòu)體制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電池技術(shù)，更詳細(xì)地，涉及具有利用金屬纖維的電極結(jié)構(gòu)體的電池及上述電極結(jié)構(gòu)體的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]最近，隨著半導(dǎo)體制備技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)達，便攜式電子裝置相關(guān)產(chǎn)業(yè)正在成長，并隨著環(huán)保意識和資源枯竭帶來的替代能源的開發(fā)需求尖銳化，而正活躍進行電池相關(guān)技術(shù)的研究。電池分為在規(guī)定壽命期間可以使用一次的一次電池和可以通過再充電來反復(fù)使用的二次電池。作為電池的原料，鋰由于在自然界熟知的金屬中最輕且標(biāo)準(zhǔn)還原電位最低，因而具有不僅在制備電池時能源密度高，而且可以得到高電壓的優(yōu)點。由此，關(guān)于利用上述鋰的一次電池及二次電池的研究正備受矚目。
[0003]鋰一次電池主要用于便攜式電子裝置的主電源或者備用電源，鋰二次電池從如手機、筆記本電腦、移動式播放器一樣的小型裝置用電池到適用于電動汽車及混合動力汽車的大中型電池，其適用領(lǐng)域正在逐漸擴大。
[0004]這些電池，基本上需要重量和體積小、能源密度高，不僅需要具有優(yōu)秀的充放電速度、充放電效率及循環(huán)特性，還需要具有高穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題
[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供如下的具有電極結(jié)構(gòu)的電池:不僅能源密度高，而且充放電效率、充放電速度及循環(huán)特性優(yōu)秀，進而易于變化形狀和調(diào)節(jié)容量。
[0007]本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題在于，提供能夠容易制備具有上述的優(yōu)點的電池的制備方法。
[0008]技術(shù)方案
[0009]為了達成上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一實施例的電池具有含如下的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和粒子組合物的電極結(jié)構(gòu)體:上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)由一個以上的金屬纖維形成；上述粒子組合物包含束縛于上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)。
[0010]在一些實施例中，上述金屬纖維可以隨機地僅以物理方式接觸而相互結(jié)合，上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以具有無紡布結(jié)構(gòu)。上述粒子組合物還可以包含導(dǎo)電材料、粘結(jié)材料及多孔性陶瓷粒子中的某一種或者全部。上述粘結(jié)材料能夠以點粘結(jié)形態(tài)提供于上述金屬纖維與第一電活性物質(zhì)之間、上述第一電活性物質(zhì)彼此之間。
[0011]上述金屬纖維的厚度可在Iiim至200 ilm范圍內(nèi)。優(yōu)選地，上述金屬纖維的厚度在211111至2011111范圍內(nèi)。上述金屬纖維可以包含不銹鋼、鋁、鎳、鈦及銅或者它們的合金中的某一種或者它們的組合。并且，在一些實施例中，電活性物質(zhì)的大小可以決定為使上述粒子形態(tài)的上述電活性物質(zhì)的平均大小s與上述金屬纖維的平均厚度d之比(s/d)為0.01至10。[0012]為了達成上述另一個技術(shù)問題，本發(fā)明一實施例的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法可以包含以下步驟:提供用于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的一個以上的金屬纖維的步驟；提供包含粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)的粒子組合物的步驟；混合上述金屬纖維和上述粒子組合物的步驟；以及對所混合的上述金屬纖維和上述粒子組合物進行壓接的步驟。
[0013]在一些實施例中，上述金屬纖維可以隨機排列并以具有無紡布結(jié)構(gòu)的纖維層形態(tài)提供。并且，在上述混合上述金屬纖維與上述粒子組合物的步驟中，上述粒子組合物能夠以無溶劑干粉狀提供于上述金屬纖維。并且，可以通過在上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)撒上述粒子組合物來完成上述混合上述金屬纖維與上述粒子組合物的步驟。
[0014]上述粒子組合物包含選自與上述粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)一起混合的粘結(jié)材料粒子、導(dǎo)電材料粒子及多孔性陶瓷粒子中的某一種或者它們的組合的多種外部添加劑，可以通過干式混合工序來完成上述外部添加劑與上述電活性物質(zhì)的混合。
[0015]在另一實施例中，上述提供一個以上的金屬纖維的步驟可以包含在上述金屬纖維的表面上預(yù)涂敷粘結(jié)材料的步驟。在此情況下，上述粒子組合物包含選自與上述粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)一同混合的導(dǎo)電材料粒子及多孔性陶瓷粒子中的某一種或者它們的組合的外部添加劑，可以通過干式混合工序來完成上述外部添加劑和上述電活性物質(zhì)的混合。
[0016]在另一實施例中，上述粒子組合物包含選自與上述粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)一同混合的導(dǎo)電材料粒子及多孔性陶瓷粒子中的某一種或者它們的組合的外部添加劑，在上述導(dǎo)電材料粒子及上述多孔性陶瓷粒子中的某一種或者在它們兩種的表面上預(yù)涂敷粘結(jié)材料，可以通過干式混合工序來完成上述外部添加劑與上述電活性物質(zhì)的混合。
[0017]上述電極結(jié)構(gòu)體的制備方法還可以包含與上述對所混合的上述金屬纖維和上述粒子組合物進行壓接的步驟同時執(zhí)行的進行加熱或者紫外線照射的步驟。
[0018]發(fā)明的效果
[0019]根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用既具有金屬的優(yōu)秀的電特性、機械特性及熱特性又兼?zhèn)淅w維的柔韌性和組織性的金屬纖維，從而具有集電結(jié)構(gòu)和電活性物質(zhì)之間的接觸電阻減少且接觸面積增加的效果，能夠提高電池的能源密度，改善充放電速度、充放電效率及電池的循環(huán)特性。并且，由于由上述金屬纖維形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以緩沖隨著充放電發(fā)生的電活性物質(zhì)的體積變化，因而也可以使用新一代高效率鋰嵌入(intercalation)物質(zhì)作為電活性物質(zhì)。并且，根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用如無紡布等的纖維結(jié)構(gòu)的集電體來代替現(xiàn)有的箔(Foil)形態(tài)的集電體，從而在層積(stack)電極來制備電池時能夠減少所需的分離膜的使用量。其結(jié)果，在相同電池體積內(nèi)可以加厚電極，從而能夠制備每單位體積的能源密度優(yōu)秀的電池。
[0020]并且，具有上述的優(yōu)點的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法中，除了粘結(jié)材料的預(yù)涂敷過程以外，在粒子組合物的形成工序和混合工序中不使用如水或者有機溶劑一樣的溶劑，從而對環(huán)境的負(fù)荷小。并且，使粒子組合物侵入導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)之后，不需要為了除去料漿內(nèi)溶劑而額外進行干燥工序，從而能夠?qū)崿F(xiàn)工序的簡單化、生產(chǎn)率的提高及設(shè)備的簡單化，在適用于料漿的粘結(jié)材料溶劑殘留于電活性物質(zhì)的情況下，電活性物質(zhì)可能會劣化，鑒于此，利用無溶劑干粉的上述混合工序可以提高收率。
【專利附圖】

【附圖說明】[0021]圖1a至圖1c表示本發(fā)明的多種實施例的電極結(jié)構(gòu)體。
[0022]圖2是與本發(fā)明的一實施例的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法相關(guān)的流程圖。
[0023]圖3a至圖3d是依次表示根據(jù)圖2的流程圖得到的結(jié)果物的圖。
[0024]圖4a及圖4b是表示本發(fā)明的其他實施例的多個電極結(jié)構(gòu)體的剖視圖。
[0025]圖5a是表示利用本發(fā)明的一實施例的電極結(jié)構(gòu)體的電池的分解圖，圖5b是簡要表示電極結(jié)構(gòu)體的層壓方法的剖視圖。
【具體實施方式】
[0026]以下，參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細(xì)說明。
[0027]本發(fā)明的多個實施例是為了向本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員更加完整地說明本發(fā)明而提供的，以下實施例可以變形為多種不同形態(tài)，且本發(fā)明的范圍并不局限于以下實施例。反而，這些實施例使本公開更加充實且完整，是為了將本發(fā)明的思想完整地傳達給本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員而提供的。
[0028]并且，在以下的附圖中，各層的厚度或尺寸有所放大，以確保說明的便利及明確性，在附圖中相同附圖標(biāo)記表示相同的組成部分。如在本說明書中使用，術(shù)語“和/或”包含所列出的相應(yīng)項目中的某一種及一種以上的所有組合。
[0029]在本說明書中使用的術(shù)語是為了說明特定實施例而使用的，并不用于限制本發(fā)明。如在說明書中使用的單數(shù)形態(tài)只要文脈上未明確指出其他情況，可以包含復(fù)數(shù)的形態(tài)。并且，在本說明書中使用的“包含(comprise)”和/或“包含的(comprising)”是用于特定提及的多種形狀、數(shù)字、步驟、動作、部件、器件和/或這些組合的存在，但并不排除一種以上的其他形狀、數(shù)字、動作、部件、器件和/或多個組合的存在或者附加。
[0030]在本說明書中，第一、第二等術(shù)語是為了說明多種部件、零件、區(qū)域、層和/或部分而使用的，但是，這些部件、零件、區(qū)域、層和/或部分不局限于這些術(shù)語是顯而易見的。這些術(shù)語僅僅是為了使一個部件、零件、區(qū)域、層或部分區(qū)別于其他區(qū)域、層或部分而使用的。因此，以下將詳細(xì)說明的第一部件、零件、區(qū)域、層或部分不脫離本發(fā)明的要旨也可以指稱第二部件、零件、區(qū)域、層或部分。
[0031]在本說明書中使用的金屬纖維作為由如不銹鋼、鋁、鎳、鈦及銅或者它們的合金一樣的金屬的纖維體，基本上是指在總長為Ium以上的范圍內(nèi)具有基本上均勻的厚度且連續(xù)延伸而形成一體化的金屬體。上述金屬纖維具有金屬具有的耐熱性、可塑性及導(dǎo)電性，同時具有纖維特有的可以進行織造及無紡布加工工序的優(yōu)點，本發(fā)明涉及將這樣的金屬纖維的優(yōu)點用于電池的電極結(jié)構(gòu)的多個特征及優(yōu)點。
[0032]上述金屬纖維可通過如下方法制備而成，S卩，在容器內(nèi)使金屬或者合金維持熔液狀態(tài)，利用如壓縮氣體或活塞一樣的加壓裝置通過容器的注射孔向大氣中噴出上述熔液，并進行快速冷卻使其凝固，從而制備出金屬纖維?；蛘撸鄠€金屬纖維可以通過公知的集束拉拔法制備而成?？刂粕鲜鲎⑸淇椎臄?shù)量、尺寸和/或注射的熔融金屬的噴射，從而可以控制多個金屬纖維的厚度、均勻度、如無紡布一樣的組織及其縱橫比。構(gòu)成本發(fā)明的電池的多個金屬纖維不僅包含通過上述制備方法制備而成的多個金屬纖維，而且還可以包含通過其他公知的制備方法制備而成的多個金屬纖維，并且本發(fā)明并不局限于此。
[0033]在本說明書中使用的術(shù)語“分離膜”包含使用和上述分離膜的親和性小的液體電解質(zhì)的液體電解質(zhì)電池一般通用的分離膜。并且，在本說明書中使用的“分離膜”包含因電解質(zhì)緊緊束縛于分離膜而被認(rèn)為電解質(zhì)和分離膜相同的全固態(tài)固體聚合物電解質(zhì)和/或凝膠固體聚合物電解質(zhì)。因此，上述分離膜應(yīng)根據(jù)在本說明書中定義的內(nèi)容來定義其意思。
[0034]圖1a至圖1c表示本發(fā)明多種實施例的多個電極結(jié)構(gòu)體100、200、300。
[0035]參照圖1a至圖lc，多個電極結(jié)構(gòu)體100、200、300包含一個以上的金屬纖維10及電活性物質(zhì)20。金屬纖維10可以根據(jù)金屬的軟性及展性而具有可塑性。并且，金屬纖維10可被分段化而成為多個，以具有適當(dāng)?shù)拈L度。金屬纖維10的數(shù)量可以根據(jù)電池的大小及容量而適當(dāng)選擇。
[0036]金屬纖維10的厚度可以在Iym至200 iim范圍內(nèi)。在金屬纖維10的厚度為Iym的情況下，不僅難以成型具有均勻的物理性質(zhì)的金屬纖維10，而且可能難以人為地排列用于形成如后述的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的金屬纖維10。并且，在金屬纖維10的厚度為200i!m以上的情況下，由于金屬纖維10的單位體積的表面積減少，因而難以通過表面積的增加帶來電池性能的提高，而且由于電活性物質(zhì)20的束縛效果減少，因而使用過程中會發(fā)生電活性物質(zhì)20從電極結(jié)構(gòu)體100、200、300脫落到電解液30的現(xiàn)象，其結(jié)果，電池的容量可能隨著使用而減少。優(yōu)選地，金屬纖維10的厚度可以為2pm至20pm。如果將此以每單位長度的表面積/體積之比(例如，具有圓形截面的情況，4/直徑)來換算，則相當(dāng)于4X IO5 (1/m)至2X IO6(1/m)。
[0037]一般，使用箔的現(xiàn)有的集電體的厚度為大約20 U m。如果相對于這種20 U m厚度的箔的現(xiàn)有的集電體，使用厚度為2 iim至20 iim的金屬纖維，表面積可增加約4倍到40倍。因此，為了相同重量的集電體，相比箔形態(tài)的集電體，使用金屬纖維形態(tài)的集電體時，可以將表面積極大化。如此，根據(jù)本實施例，可以通過調(diào)節(jié)金屬纖維的厚度，來容易調(diào)節(jié)集電體的表面積。集電體的表面積是指與電活性物質(zhì)20及電解液30分別形成反應(yīng)表面的金屬纖維10的單位電極體積的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的表面積，因此可以通過將集電體的表面積最大化，來形成能源密度非常大的電池。
[0038]在一些實施例中，金屬纖維10的平均長度可以在5mm至1000mm范圍內(nèi)，在此情況下，金屬纖維10的平均縱橫比為25至IO6范圍內(nèi)。根據(jù)需要，金屬纖維10可被分段化成具有5cm至8cm左右的長度后使用于電極結(jié)構(gòu)體?，F(xiàn)實中，使用非金屬材料的材料，很難得到縱橫比在IO3以上且具有柔韌性和優(yōu)秀的導(dǎo)電性的纖維結(jié)構(gòu)。例如，可以試圖利用導(dǎo)電性聚合物材料通過纖維化工序來獲得具有導(dǎo)電性的纖維結(jié)構(gòu)，但是如此獲得的導(dǎo)電性聚合物纖維的電阻高于金屬纖維的電阻，不僅難以提高電活性物質(zhì)的導(dǎo)電率，而且在機械穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性方面，可能隨著電池的使用而劣化。
[0039]關(guān)于上述熱特性，粘結(jié)于上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電活性物質(zhì)20可以通過熱處理被燒結(jié)，在此情況下，具有電活性物質(zhì)20能夠更加緊緊地與金屬纖維10結(jié)合的優(yōu)點。而這樣的燒結(jié)工序是無法在上述的利用導(dǎo)電性聚合物纖維的現(xiàn)有的電極結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的。
[0040]作為另一實施例，由金屬纖維形成的本發(fā)明的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以不具有由燒結(jié)引起的化學(xué)結(jié)合，而具有金屬纖維僅以物理方式接觸的結(jié)構(gòu)。據(jù)本發(fā)明人觀察，金屬纖維僅以物理方式接觸而未進行化學(xué)結(jié)合的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)因頻繁的充放電而引起的性能劣化更少?？赏茰y，這是由于與金屬纖維相互進行化學(xué)結(jié)合的情況相比，單純以物理方式接觸時，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以更靈活地應(yīng)對因充放電引起的體積膨脹。[0041]圖1a至圖1c所示的金屬纖維10的形狀大體上呈直線和彎曲的形態(tài)，但是作為本發(fā)明的另一實施例，金屬纖維10可以被成型為具有如卷卷的形狀或者螺旋模樣一樣的其他規(guī)則和/或不規(guī)則的形狀。具有直線、彎曲的形態(tài)或其他規(guī)則和/或不規(guī)則的形狀的上述金屬纖維10在電極結(jié)構(gòu)體100、200、300內(nèi)通過相互之間以物理方式接觸或進行化學(xué)結(jié)合來進行電連接，從而形成一個導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)由一個以上的金屬纖維10經(jīng)彎曲或折彎而相互纏在一起并接觸或結(jié)合而形成，因而在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部具有氣孔(porosity)的同時在機械方面堅固，并且由于纖維特性而可以具有柔韌性(flexible)。
[0042]金屬纖維10可以包含不銹鋼、鋁、鎳、鈦及銅或它們的合金中的某一種或者它們的組合。例如，負(fù)極(陽極)的情況下，金屬纖維10可以使用在高電位區(qū)域不會氧化的鋁或其合金。正極(陰極)的情況下，可以使用在低工作電位下電化學(xué)性為非活性的銅、不銹鋼、鎳或它們的合金。
[0043]上述的金屬都是例示性的，可以使用在各電極中穩(wěn)定而不會氧化及還原的其他適當(dāng)?shù)慕饘俨牧?。并且，如上所述，根?jù)需要可以分別由種類相互不同的兩種以上的金屬形成，并通過如熱處理或者燒結(jié)一樣的追加工序形成它們之間的金屬間化合物(intermetallic compound),由此達到金屬纖維之間的化學(xué)結(jié)合。
[0044]在由上述的金屬纖維10形成的上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)粘結(jié)電活性物質(zhì)20?？梢赃m當(dāng)調(diào)節(jié)金屬纖維10所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的氣孔的大小及氣孔率，以使電活性物質(zhì)20緊緊束縛于上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。上述氣孔的大小及氣孔率的調(diào)節(jié)，可以通過在整體電極結(jié)構(gòu)體100內(nèi)調(diào)節(jié)多個金屬纖維10與電活性物質(zhì)20的混合重量比來實現(xiàn)。
[0045]在一些實施例中，電極結(jié)構(gòu)體100內(nèi)的金屬纖維10的混合重量比可以根據(jù)增加金屬纖維10的數(shù)量或長度來調(diào)節(jié)?；蛘?，如下所述，可利用金屬纖維10的可塑性，利用如壓輥的加壓器來機械性地壓縮金屬纖維10與電活性物質(zhì)20的混合物，從而適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)電極結(jié)構(gòu)體100內(nèi)的氣孔的大小及氣孔率。通過這樣的壓縮工序，從機械上使具有無紡布結(jié)構(gòu)的上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加堅固，同時使電活性物質(zhì)20緊緊束縛于上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并增加電極的能源密度。
[0046]電活性物質(zhì)20可以是具有0.1 μ m至100 μ m的平均大小的多個粒子。電活性物質(zhì)20可以具有規(guī)定范圍的粒度分布，根據(jù)需要可以通過分級工序來控制這些電活性物質(zhì)20的粒度分布。在一些實施例中，電活性物質(zhì)20可以具有0.Ιμπι至15μπι的平均大小。如上所述，鑒于由厚度在I μ m至200 μ m范圍的金屬纖維10形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)選地，粘結(jié)于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的微細(xì)化的電活性物質(zhì)20的大小s應(yīng)與金屬纖維10的粗細(xì)d相應(yīng)。在此情況下，電活性物質(zhì)20可以良好地粘結(jié)于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。在一些實施例中，粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)20的平均大小s與金屬纖維10的厚度d之比(s/d)可以是0.01至10。在上述比為小于0.01的情況下，電活性物質(zhì)20容易脫落到電解液30內(nèi)，在上述比為10以上的情況下，可能會導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)緩和體積膨脹和改善導(dǎo)電性的效果弱化。
[0047]隨著電活性物質(zhì)20微細(xì)化為粒子形態(tài)，可以防止或者減少電池的氧化/還原循環(huán)時產(chǎn)生的電活性物質(zhì)，尤其正極用電活性物質(zhì)的應(yīng)力變化引起電池的劣化。并且，由于金屬纖維10經(jīng)過粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)20之間，因而多個電極結(jié)構(gòu)體100、200、300可以吸收由氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的機械應(yīng)力，可以通過緩和可能由此導(dǎo)致的充放電的不可逆性，來防止隨著電池的使用產(chǎn)生的容量的減少。并且，由于可以很好分散充放電時產(chǎn)生的熱，從而即使充放電次數(shù)增加也能夠防止由劣化導(dǎo)致的容量的減少。
[0048]具體地，就作為代表性的二次電池的鋰離子電池而言，根據(jù)用于形成高容量的正極的電活性物質(zhì)，進行鋰化反應(yīng)(Iithiation)時可發(fā)生100%以上的體積膨脹。在此情況下，在基于充放電的電化學(xué)循環(huán)期間，在正極反復(fù)膨脹和收縮，從而可導(dǎo)致正極的龜裂。在集電體上涂敷有活性物質(zhì)的現(xiàn)有的電極結(jié)構(gòu)中，由于這樣的龜裂致使電活性物質(zhì)不再與集電體進行電接觸，或者使電活性物質(zhì)彼此之間的導(dǎo)電率減少，而可能導(dǎo)致容量急劇減少，或者不可逆性增加，且引發(fā)穩(wěn)定性的問題。
[0049]但是，在電極結(jié)構(gòu)體100、200、300中，上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以起到與集電體相同的作用，由金屬纖維10和電活性物質(zhì)20形成的氣孔緩沖隨著充放電產(chǎn)生的電活性物質(zhì)20的體積的變化，因而在電活性物質(zhì)20中不產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象，而且粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)20仍然粘結(jié)于多個金屬纖維10，因此解決了因電活性物質(zhì)20相互分離而可能產(chǎn)生的導(dǎo)電率減少的問題，由此提高電池的充放電可逆性。
[0050]最近，為了應(yīng)對電池的充放電時的正極的體積變化引起的電極的龜裂現(xiàn)象，提出對體積變化和龜裂機制不太脆弱的納米級結(jié)構(gòu)，例如，如納米線、納米管或納米棒一樣的電極結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)僅僅適合應(yīng)用于本質(zhì)上容量小的電池結(jié)構(gòu)，難以適用于需要大體積的高容量電池，而且在制備時還需要催化反應(yīng)等復(fù)雜的制備工序。并且，為了在納米級的電極涂敷電活性物質(zhì)，而伴隨著如真空蒸敷工序一樣困難的工序。但是，根據(jù)本發(fā)明的實施例，相比上述的納米結(jié)構(gòu)容易進行規(guī)模的變化，不僅能夠提供小型電池，還能夠提供體積較大的高容量及大中型電池，具有通過如下所述的層壓或者混合工序能以低費用制備具有多種形態(tài)及功能的電池的優(yōu)點。
[0051]粘結(jié)于上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)20可以根據(jù)電極結(jié)構(gòu)體的極性和判斷是一次電池還是二次電池來適當(dāng)選擇。例如，正極用電活性物質(zhì)可以選自包含鋰、鎳、鈷、鉻、鎂、鍶、釩、鑭、鈰、鐵、鎘、鉛、鈦、鑰或錳在內(nèi)的二元金屬以上的氧化物(oxide)、磷酸鹽(phosphate)、硫化物(sulfide)、氟化物(fluoride)或者它們的組合。但是,這是例示性的，上述正極用電活性物質(zhì)可以由其他硫族化合物形成。優(yōu)選地，正極型電活性物質(zhì)包含適合用于鋰二次電池的鈷、銅、鎳、錳、鈦及鑰中的兩種以上，可以是包含從由0、F、S、P及它們的組合組成的組中選擇的一種以上的非金屬元素，例如，如Li[N1、Mn、CojO2 一樣的三元類以上的化合物。
[0052]負(fù)極用電活性物質(zhì)例如可以是如低結(jié)晶碳或者高結(jié)晶碳的碳類材料。上述低結(jié)晶性碳例如可以是軟碳(soft carbon)或者硬碳(hard carbon)。上述高結(jié)晶性碳例如可以是如天然石墨(natural graphite)、漂浮石墨(Kish graphite)、熱解碳(pyrolyticcarbon)、中間相浙青基碳纖維(mesophase pitch based carbon fiber)、中間相炭微球(meso-carbon microbeads)、中間相浙青(Mesophase pitches)、石油或者煤炭類焦炭(petroleum or coal tar pitch derived cokes)一樣的高溫塑性碳。這是例不性的，可以適用鉆石類及碳烯類的其他碳類材料。
[0053]在另一實施例中，上述負(fù)極用電活性物質(zhì)可包含作為非碳類活性物質(zhì)適于NaS電池的鈉或者其他氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物及碲化物中的至少一種，來代替以上例示的碳類材料，或者與碳類材料一同使用。或者，為了陰極的高容量化，可以使用鋰離子吸附及放出能力高的非碳類活性物質(zhì)，諸如，如硅、鍺、錫、鉛、銻、鉍、鋅、鋁、鐵及鎘一樣的單元子類、它們的金屬間化合物或者氧化物類材料。
[0054]在另一實施例中，借助上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)所提供的對于電活性物質(zhì)的體積變化的緩沖性，可以使用作為新一代高效率鋰嵌入(intercalation)物質(zhì)的、包含如娃(Si)、秘(Bi)、錫(Sn)、鋁(Al)或者它們的合金一樣的高容量、高體積變化量的金屬類或者它們的金屬間化合物的電活性物質(zhì)。
[0055]在一些實施例中，如圖1b所示的電極結(jié)構(gòu)體200，可以從外部添加粘結(jié)材料(binder) 40，以在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)緊緊束縛粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)20。上述粘結(jié)材料例如可以是如聚偏氟乙烯共聚六氟丙烯(PVdF-co-HFP)、聚偏氟乙烯(polyvinylidenef Iuoride,PVdF)、聚丙烯臆(polyacrylonitriIe)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)、丁 苯橡膠(styrenebutadiene rubber,SBR)、聚酰亞胺(polyimide)、聚氨酯類聚合物、聚酯類聚合物及乙烯-丙烯-二烯烴共聚物(ethylene-propylene-diene copolymer, EPDM) 一樣的聚合物類材料。根據(jù)需要，上述粘結(jié)材料可以是具有導(dǎo)電性的其他聚合物類材料、石油浙青、煤焦油。本發(fā)明并不局限于此，只要是不熔解于電解質(zhì)的同時在電化學(xué)環(huán)境下具有規(guī)定的結(jié)合力且具有穩(wěn)定性的材料，都可以使用。
[0056]相對于電活性物質(zhì)10與粘結(jié)材料40a、40b的總混合重量，可添加約0.5%至5%的重量比的粘結(jié)材料40a、40b。粘結(jié)材料40a、40b在制備工序方面一般使用有機溶劑或者水作為分散介質(zhì)，因此，需要用于干燥時間，并存在在干燥之后也殘留于電活性物質(zhì)而降低電池的循環(huán)特性的憂慮。并且，粘結(jié)材料40a、40b為非導(dǎo)體，因此，優(yōu)選地限制其使用。在本實施例的電極結(jié)構(gòu)體200內(nèi)，粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)20緊緊束縛于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，因此可以盡少使用粘結(jié)材料40。并且，在使用粘結(jié)材料40a、40b的情況下，由于上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的機械固定力，可以將粘結(jié)材料40a、40b的使用最少化。
[0057]如此，在限制粘結(jié)材料40a、40b的使用的情況下，粘結(jié)材料40能夠以點粘結(jié)形態(tài)存在于粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)20之間40a、電活性物質(zhì)20與多個金屬纖維10之間40b，上述點粘結(jié)可以將電極結(jié)構(gòu)體200的內(nèi)部電阻的增加最小化而優(yōu)選。有關(guān)用于引導(dǎo)上述點粘結(jié)的多種電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，將在后文中進行說明。
[0058]電活性物質(zhì)20尤其是正極用電活性物質(zhì)的情況下，如圖1c所示，在電極結(jié)構(gòu)體200中與電活性物質(zhì)20、上述的粘結(jié)材料40a、40b —同還可以從外部添加導(dǎo)電材料50。導(dǎo)電材料50可與電活性物質(zhì)20均勻混合并提供于電極結(jié)構(gòu)體200內(nèi)。相對于電活性物質(zhì)20和導(dǎo)電材料50的混合總量，可添加約1%至15%的重量比的導(dǎo)電材料50。
[0059]導(dǎo)電材料50例如可以是如碳黑、乙炔黑、科琴黑(Ketjen Black)及超微石墨粒子等精碳(fine carbon)、納米金屬粒子糊劑或氧化銦錫(ΙΤ0, indiumtin oxide)糊劑或碳納米管一樣的比表面積大且電阻低的納米結(jié)構(gòu)體。在本實施例的電極結(jié)構(gòu)體200中，由于具有與活性物質(zhì)20相應(yīng)的微細(xì)大小的金屬纖維10可以實現(xiàn)與導(dǎo)電材料50的作用相同的作用，因此具有可以防止隨著添加導(dǎo)電材料50導(dǎo)致制備費用上升的優(yōu)點。
[0060]作為另一實施例，雖未圖示，還可以在上述的電極結(jié)構(gòu)體內(nèi)從外部添加多孔性陶瓷粒子。上述多孔性陶瓷粒子例如可以包含多孔性二氧化硅。上述多孔性陶瓷粒子使電解液30容易浸潰于電極結(jié)構(gòu)體100、200、300內(nèi)。
[0061]如上所述，金屬纖維10不僅具有纖維的可加工性，而且還具有金屬所具有的機械強度、高導(dǎo)電性及熱穩(wěn)定性，因此，包含金屬纖維的電極結(jié)構(gòu)體可以具有提高的容量和能源密度及被改善的充放電效率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員從上述本發(fā)明的諸多優(yōu)點可以了解到，上述電極結(jié)構(gòu)體在汽車的啟動、照明及點火(starting、lighting and ignition, SLI)用電池或者如電動汽車及混合動力汽車的驅(qū)動用電池或者如用于綠色能源存儲的固定型電池等大容量且需要高充放電速度的電池的領(lǐng)域中具有更優(yōu)秀的效果。
[0062]并且，因上述電極結(jié)構(gòu)體所具有的纖維特征，即可撓性，可以利用上述電極結(jié)構(gòu)體來形成柔性電池。例如，可以使包含上述電極結(jié)構(gòu)體的電池與如衣物及包一樣具有柔性的產(chǎn)品形成一體化?；蛘?，可以在可撓性顯示基板的后面設(shè)置包含上述電極結(jié)構(gòu)體的電池，因而可以擴張用于配置電池的場所及空間的自由度。
[0063]圖2是與本發(fā)明的的一實施例的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法相關(guān)的流程圖，圖3a至圖3d是依次表示根據(jù)圖2的流程圖得到的結(jié)果物的圖。
[0064]參照圖2，準(zhǔn)備多個上述金屬纖維(步驟S100)。上述金屬纖維可被分段化而成為多個，以具有規(guī)定的長度。在一些實施例中，為了形成無紡布結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu)體，上述金屬纖維也可以被分段化為具有約5cm至8cm左右的長度。如圖3a所示，金屬纖維10可以隨機展開在適當(dāng)?shù)闹纹矫嫔?。在此情況下，金屬纖維10可以層壓為單層或者幾層至幾百層程度的厚度，可由此形成第一纖維層10U。
[0065]在一些實施例中，可以借助利用棍子敲打隨機展開的金屬纖維10的動作來使金屬纖維10變形，可以借助這樣的變形使金屬纖維10相互纏在一起而形成無紡布結(jié)構(gòu)。第一纖維層IOL1內(nèi)的金屬纖維10通過相互之間以物理方式接觸來形成多少有些稀疏的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。選擇性地，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以確保多個金屬纖維10間的化學(xué)結(jié)合。在此情況下，上述熱處理例如可以在100°C至1200°C溫度下進行。
[0066]在一些實施例中，也可以利用粘結(jié)材料先在金屬纖維10均勻地預(yù)涂敷(pre-coating)電活性物質(zhì)。為此,可利用適當(dāng)?shù)娜軇﹣硎贡晃⒓?xì)化的電活性物質(zhì)粒子及粘結(jié)材料的混合組合物分散之后，在其結(jié)果物中浸潰金屬纖維10，并通過干燥工序來除去上述溶劑，從而制備出涂敷有上述電活性物質(zhì)的金屬纖維。用于預(yù)涂敷的電活性物質(zhì)可與用于侵入導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電活性物質(zhì)20相同，或者可以是具有化學(xué)親和度的其他種類的活性物質(zhì)?；蛘?，為了防止電解液侵蝕多個金屬纖維10，上述預(yù)涂敷層還可以包含具有耐蝕性的其他金屬或者金屬氧化物涂敷體。
[0067]之后，準(zhǔn)備包含用于進行電池反應(yīng)的電活性物質(zhì)的粒子組合物(步驟S200)。上述電活性物質(zhì)為粒子形態(tài)，如上所述，電活性物質(zhì)20可以是大小為0.1 μ m至100 μ m的粒子。在上述粒子組合物內(nèi)，除了電活性物質(zhì)以外，可以包含從粘結(jié)材料、導(dǎo)電材料及多孔性陶瓷粒子的某一種或者兩種以上的組合選擇的外部添加劑。
[0068]在粒子組合物內(nèi)，作為上述外部添加劑，還包含粘結(jié)材料、導(dǎo)電材料及多孔性陶瓷粒子中的至少一種的情況下，上述粒子組合物可以借助如下的干式混合工序來提供。例如，首先利用攪拌機高速旋轉(zhuǎn)粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)和規(guī)定量的導(dǎo)電材料粒子，來形成中間混合粒子組合物。之后，向上述干式中間混合組合物添加固態(tài)粘結(jié)材料粒子之后，利用攪拌機高速旋轉(zhuǎn)，從而制備出上述粒子組合物。如此，通過混合工序制備而成的上述中間混合粒子組合物和最終的上述粒子組合物是未依賴于溶劑而混合的無溶劑干粉。
[0069]作為另一實施例，首先可以將粘結(jié)材料粒子與電活性物質(zhì)一同投入到攪拌機并高速旋轉(zhuǎn)，來形成中間混合粒子組合物。之后，向上述中間混合粒子組合物添加導(dǎo)電材料之后重新混合，來形成上述粒子組合物。作為另一實施例，可以將粘結(jié)材料粒子和導(dǎo)電材料粒子同時添加于電活性物質(zhì)，利用攪拌機高速旋轉(zhuǎn)，形成上述粒子組合物。同樣，在此情況下制備而成的上述中間混合粒子組合物和最終的上述粒子組合物也都是無溶劑干粉。
[0070]在將上述多孔性陶瓷粒子從外部添加于上述粒子組合物的情況下，上述多孔性陶瓷粒子可以與其他材料，即粘結(jié)材料粒子及導(dǎo)電材料中的某一種一同或者單獨與電活性物質(zhì)粒子進行混合。例如，可在混合電活性物質(zhì)粒子、粘結(jié)材料粒子及導(dǎo)電材料粒子來形成中間混合粒子組合物之后，向其結(jié)果物從外部添加上述多孔性陶瓷粒子并進行混合，從而形成最終粒子組合物。在此情況下，最終制備而成的粒子組合物是無溶劑干粉。
[0071]在上述實施例中，以粒子形態(tài)提供粘結(jié)材料。但是，在另一實施例中，選擇性地，上述粘結(jié)材料可以預(yù)涂敷在金屬纖維、導(dǎo)電材料粒子或多孔性陶瓷粒子中的至少某一種的表面上而提供。為此，可以在溶解或分散有上述粘結(jié)材料的熔液內(nèi)浸潰金屬纖維，經(jīng)過規(guī)定時間之后重新取出上述金屬纖維并利用干燥機等使上述溶劑干燥，從而獲得預(yù)涂敷有粘結(jié)材料的金屬纖維。在另一實施例中，可以在溶解或分散有上述粘結(jié)材料的熔液內(nèi)浸潰金屬纖維之后，攪拌上述熔液的同時使溶劑干燥，從而獲得預(yù)涂敷有粘結(jié)材料的金屬纖維。
[0072]同樣，向溶解或分散有粘結(jié)材料的熔液內(nèi)放入上述導(dǎo)電材料粒子及多孔性陶瓷粒子中的某一種或兩種，一邊攪拌上述熔液，一邊使上述溶劑干燥，從而可以獲得表面上預(yù)涂敷有粘結(jié)材料的導(dǎo)電材料粒子和/或多孔性陶瓷粒子。在這些實施例中，由于預(yù)涂敷粘結(jié)材料來使用，因此與在溶劑內(nèi)大量混合粘結(jié)材料和活性物質(zhì)來制備料漿的現(xiàn)有的制備工序相比，環(huán)境負(fù)荷小。
[0073]如上所述，在上述粘結(jié)材料預(yù)涂敷于金屬纖維、導(dǎo)電材料粒子或多孔性陶瓷粒子的表面上的情況下，可以在形成上述粒子組合物的工序中省略從外部添加粘結(jié)材料粒子的工序。如此，如果粘結(jié)材料預(yù)涂敷于如金屬纖維或?qū)щ姴牧狭Ｗ蛹岸嗫仔蕴沾闪Ｗ右粯拥耐獠刻砑觿┒峁?，則可以合理限制整體電極組合物內(nèi)的粘結(jié)材料的分布狀態(tài)和含量。另一方面，即使可以試圖在電活性物質(zhì)粒子上預(yù)涂敷粘結(jié)材料，但僅通過在后述的壓接工序中在用于熔融粘結(jié)材料的低溫下進行加熱，不能引起上述點粘結(jié)，并且由于上述粘結(jié)材料的添加量增加，而可能導(dǎo)致電池的電性劣化。因此，優(yōu)選地，僅在金屬纖維、導(dǎo)電材料粒子或多孔性陶瓷粒子的表面上執(zhí)行上述預(yù)涂敷工序，而不在電活性物質(zhì)粒子進行預(yù)涂敷。
[0074]如下所述，在可以熔融粘結(jié)材料的較低的溫度，例如，在50°C?400°C，優(yōu)選為150°C?300°C下進行電極形成工序，因此上述粘結(jié)材料可以大致維持在預(yù)涂敷的位置，并經(jīng)過借助在電極制備工序期間提供的微熱溶脹及收縮過程的同時，如圖1b所示，可以在多個金屬纖維10與電活性物質(zhì)20之間、電活性物質(zhì)20與導(dǎo)電材料50之間、甚至電活性物質(zhì)20之間引發(fā)點粘結(jié)40a、40b。上述粘結(jié)材料除了呈現(xiàn)出鋰離子傳導(dǎo)性以外，并不貢獻于電特性，如上所述，優(yōu)選地在電極結(jié)構(gòu)體內(nèi)最大限度地限制粘結(jié)材料的使用。
[0075]形成上述粒子組合物(步驟S200)之后，混合上述金屬纖維與上述粒子組合物(步驟S300)。在以第一纖維層IOL1的形態(tài)，優(yōu)選地以金屬無紡布形態(tài)提供金屬纖維10的情況下，如圖3b所示，將上述粒子組合物撒在第一纖維層IOL1上，從而可以對上述多個金屬纖維與上述粒子組合物進行混合。圖3b所示的結(jié)果物表示，粒子組合物20L侵入第一纖維層IOL1的內(nèi)部并溢出，而在第一纖維層IOL1上殘留粒子組合物的狀態(tài)。圖3b所示的這樣的結(jié)果物僅僅是例示性的，本發(fā)明并不局限于此。例如，上述粒子組合物的混合量可與完全侵入第一纖維層IOL1內(nèi)的量相當(dāng)。
[0076]在一些實施例中，在第一纖維層IOL1的上部側(cè)撒上述粒子組合物之后，并將此反過來后在露出的第一纖維層IOL1的底部側(cè)也撒上上述粒子組合物，從而可以提高侵入第一纖維層IOL1的粒子組合物的均勻度。根據(jù)需要，在執(zhí)行混合上述金屬纖維與上述粒子組合物的步驟(步驟S300)期間，為了促進上述粒子組合物均勻地侵入多個金屬纖維之間的氣孔之間，也可以施加具有適當(dāng)?shù)念l率和強度的振動。
[0077]在一些實施例中，如圖3c所示，還可以在上述結(jié)果物上形成第二纖維層10L2。第二纖維層IOL2例如能夠以與第一纖維層IOL1類似的方法形成。第二纖維層IOL2的厚度可以具有單層或者幾層至幾百層程度的大小。可以通過利用棍敲打隨機展開的金屬纖維10來使金屬纖維10變形，由此可使金屬纖維10相互纏在一起而形成無紡布結(jié)構(gòu)。
[0078]在一些實施例中，可以參照圖3a至圖3c來反復(fù)執(zhí)行上述工序。例如，如圖3d所示，可以多次交替執(zhí)行形成多個纖維層1l1Uol2Uol3的工序和在這些纖維層混合電活性物質(zhì)來形成電活性物質(zhì)層ZOL1JOL2的工序。在圖3d中，表示三個纖維層IOliUOl2UOl3和兩個電活性物質(zhì)層201^、201^交替層壓的狀態(tài)，但這僅僅是例示性的，本發(fā)明并不局限于此。例如，如3c所示，可以由兩個纖維層和一個電活性物質(zhì)層交替并層壓，也可以由四個以上的纖維層和三個以上的電活性物質(zhì)層交替并層壓。
[0079]再參照圖3d，一旦完成上述混合上述金屬纖維與上述粒子組合物的步驟(步驟S300),就對混合有上述金屬纖維和上述粒子組合物的結(jié)構(gòu)體400進行壓接(步驟S400)。借助壓接步驟(步驟S400)，結(jié)構(gòu)體400可以形成具有規(guī)定厚度的板狀結(jié)構(gòu)。上述壓接步驟(步驟S400河以利用壓輥來完成，提高電極的容量密度，并增加導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與電活性物質(zhì)之間的粘合性。
[0080]根據(jù)需要，例如，在上述結(jié)果物內(nèi)包含粘結(jié)材料粒子或者被預(yù)涂敷的粘結(jié)材料的情況下，在上述壓接步驟(步驟S400)期間，可以在上述結(jié)果物加入用于熔融上述粘結(jié)材料的能源。上述能源可以是熱和/`或紫外線照射。上述能源可以根據(jù)粘結(jié)材料的種類而適當(dāng)選擇，但是，通常加熱步驟可以在較低的溫度，例如50°C至400°C，優(yōu)選為150°C至300°C之間進行。
[0081]至于上述壓接步驟(步驟S400)，可以按箭頭方向?qū)Y(jié)構(gòu)體400的表面加壓來進行壓接，由此，屬于相鄰的纖維層例如第一纖維層IOL1與第二纖維層IOL2以及第二纖維層IOL2與第二纖維層IOL3的金屬纖維與其他層的纖維相互纏在一起并以物理方式接觸，從而導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以形成在結(jié)構(gòu)體400的整體。
[0082]與利用現(xiàn)有的金屬箔的集電體的現(xiàn)有的電極的制備方法不同，在參照圖2至圖3d進行上述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法中，粒子組合物僅以無溶劑干粉形態(tài)進行混合，而不是以料漿形態(tài)提供。即，在上述多個實施例中，電活性物質(zhì)以沒有溶劑的狀態(tài)干燥的粒子形態(tài)侵入金屬纖維的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。
[0083]由此，根據(jù)本發(fā)明的多個實施例，除了粘結(jié)材料的預(yù)涂敷過程，不使用如水或有機溶劑一樣的溶劑，因此對環(huán)境的負(fù)荷小。并且，在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)侵入粒子組合物之后，不需要進行用于除去料漿內(nèi)的溶劑的額外的干燥工序，可實現(xiàn)工序的簡單化、生產(chǎn)率的提高和設(shè)備的簡單化。并且，適用于料漿的粘結(jié)材料用溶劑殘留在電活性物質(zhì)的情況下，可能會劣化電活性物質(zhì)，因此上述的利用無溶劑干粉的混合工序改善收率。
[0084]圖4a及圖4b是表示本發(fā)明的其他實施例的電極結(jié)構(gòu)體400A、400B的剖視圖。
[0085]參照圖4a及圖4b，可以在通過上述制備方法制備而成的無紡布結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu)體100、200的一面形成導(dǎo)電層CL。由于無紡布結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu)體100、200內(nèi)的金屬纖維可以起到集電體的功能，因此導(dǎo)電層CL可以作為用于組裝電池的導(dǎo)電頭(tap)來應(yīng)用。
[0086]如圖4a所示，導(dǎo)電層CL可以利用導(dǎo)電性粘合層AL例如金屬糊劑來粘合在無紡布結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu)體100上?；蛘撸鐖D4b所示，導(dǎo)電層CL可以借助無紡布結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu)體200與導(dǎo)電層CL之間的化學(xué)結(jié)合、固溶的反應(yīng)層或者粘結(jié)層BL來與電極結(jié)構(gòu)體200結(jié)合。導(dǎo)電層CL可以是如不銹鋼、鋁及銅一樣的薄的金屬箔。
[0087]圖5a是表示利用本發(fā)明的一實施例的電極結(jié)構(gòu)體的電池1000的分解圖，圖5b是簡要表示電極結(jié)構(gòu)體的層壓方法的剖視圖。
[0088]參照圖5a，電池1000可以是一般的圓筒形電池。為了增加電池反應(yīng)面積，成為上述正極和負(fù)極的極性相互不同的電極結(jié)構(gòu)體IOOaUOOb可以具有交替并相互纏在一起的結(jié)構(gòu)?？梢栽陔姌O結(jié)構(gòu)體100a、IOOb的一端部分別結(jié)合如導(dǎo)電層CL (圖4a及圖4b)的導(dǎo)電頭100T。
[0089]與圖5a —同參照圖5b，為了相互不同極性的電極結(jié)構(gòu)體IOOaUOOb之間的絕緣，可以在電極結(jié)構(gòu)體100a、100b之間配置分離膜(separator) 500。如果在這些極性相互不同的電極結(jié)構(gòu)體IOOaUOOb中的至少一個或者兩個不涂敷如現(xiàn)有的金屬箔的集電體，則充放電時這些電極結(jié)構(gòu)體IOOaUOOb之間的離子交換可以雙向進行。例如，在鋰離子電池中，第一電極結(jié)構(gòu)體IOOa為陰極，第二電極結(jié)構(gòu)體IOOb為陽極，如果不在陽極結(jié)構(gòu)體IOOb適用現(xiàn)有的集電體，則相鄰的一對陰極結(jié)構(gòu)體IOOa可以共享夾在中間的陽極結(jié)構(gòu)體100b。由此，在電池1000放電的期間，陰極結(jié)構(gòu)體IOOa的鋰離子如箭頭Al、A2所示，會同時向陽極結(jié)構(gòu)體IOOb的兩側(cè)表面移動的同時放出能源。在充電的情況下，鋰離子也同時雙向移動的同時貢獻于電池化學(xué)反應(yīng)。
[0090]在金屬箔集電體和在其上涂敷有電活性物質(zhì)的現(xiàn)有的電極結(jié)構(gòu)中，電活性物質(zhì)層越厚，電容量越小。但是，在圖5b所示的結(jié)構(gòu)中，即使陽極集電體的厚度厚，例如即使厚度為現(xiàn)有的電極結(jié)構(gòu)所具有的電活性物質(zhì)層的厚度的兩倍，電池也可以具有相同或更大電容量。并且，相比使用現(xiàn)有的電極的情況可以減少所使用的分離膜的數(shù)量，具有可以形成能源密度大的電池的優(yōu)點。
[0091]適用于這樣的電池的分離膜500例如可以是聚合物類微多孔膜、紡布、無紡布、陶瓷、全固態(tài)固體高分子電解質(zhì)膜、凝膠固體高分子電解質(zhì)膜或者它們的組合。上述全固態(tài)固體高分子電解質(zhì)膜例如可以包含直鏈聚合物材料或交聯(lián)聚合物材料。上述凝膠高分子電解質(zhì)膜例如可以是包含鹽的含有增塑劑的聚合物、含有填充劑的聚合物或純聚合物中的某一種或者它們的組合。上述固體電解質(zhì)層例如可以包含具有聚乙烯、聚丙烯、聚酰亞胺、聚砜、聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氧化乙烯、聚氧化丙烯、聚丁二烯、纖維素、羥甲基纖維素、尼龍、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、偏氟乙烯及六氟丙烯的共聚物、偏氟乙烯和三氟乙烯的共聚物、偏氟乙烯和四氟乙烯的共聚物、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚乙酸乙烯酯及聚乙烯醇中的某一種或者它們的組合的高分子基質(zhì)、添加劑及電解液。關(guān)于上述分離膜500列舉的多個材料是例示性的，作為分離膜膜500可以選擇如下的材料，即，形狀變化容易、因機械強度優(yōu)秀而即使電極結(jié)構(gòu)體IOOaUOOb變形也不會撕開或者龜裂、且具有任意的適當(dāng)?shù)碾娮咏^緣性的同時具有優(yōu)秀的粒子傳導(dǎo)性的材料。
[0092]分離膜500可以是單層膜或多層膜，上述多層膜可以是相同單層膜的層壓體或者是由不同材料形成的單層膜的層壓體。例如，上述層壓體也可以具有在如聚烯烴的高分子電解質(zhì)膜的表面包含陶瓷涂敷膜的結(jié)構(gòu)。鑒于耐久性、關(guān)閉(shut down)功能及電池的安全性，分離膜500的厚度可以為10 μ m至300 μ m,優(yōu)選為10 μ m至40 μ m,更加優(yōu)選為10 μ m至 25 μ m。
[0093]電池1000通過分別與電極結(jié)構(gòu)體100a、IOOb相結(jié)合的導(dǎo)電頭100T與外部電極端子600、700進行電連接。在殼體900內(nèi)，包含如氫氧化鉀(Κ0Η)、溴化鉀(KBr)、氯化鉀(KCL)、氯化鋅(ZnCl2)及硫酸(H2SO4) —樣的鹽的適當(dāng)?shù)乃惦娊庖罕晃氲诫姌O結(jié)構(gòu)體100a、100b和/或分離膜500,從而可以完成電池1000。雖未圖示,但是可以追加結(jié)合用于在電池1000使用過程中控制穩(wěn)定性和/或供電特性的適當(dāng)?shù)碾姵毓芾硐到y(tǒng)(batterymanaging system)。
[0094]由上述金屬纖維形成的電極結(jié)構(gòu)體由于其纖維特性而形狀變化容易，由于活性物質(zhì)層和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在電極結(jié)構(gòu)體的總體積內(nèi)實質(zhì)上均勻混合，即使為了電池的容量調(diào)節(jié)而增加厚度，也不存在在金屬箔上涂敷活性物質(zhì)層來制備的現(xiàn)有的電池結(jié)構(gòu)中發(fā)生的電池性能劣化的現(xiàn)象，由此可知體積選擇性多樣。
[0095]并且，由于纖維狀的電極結(jié)構(gòu)體所具有的成型容易性，除了如圖5所示的卷繞類型以外，可以利用如層積、彎曲及卷繞等方法來三維地變形，并且可以具有非上述圓筒形電池的、與方型、小袋型或者如衣物和包一樣的纖維產(chǎn)品形成一體化的多種體積和形狀。并且，應(yīng)理解，上述電極結(jié)構(gòu)體在一個電池中可以適用于正極和負(fù)極電極中的某一種或者兩種。
[0096]以上說明的本發(fā)明并非局限于上述實施例及附圖，本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)可以進行多種替換、變形及變更。
[0097]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0098]根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用既具有金屬的優(yōu)秀的電特性、機械特性及熱特性又兼?zhèn)淅w維的柔韌性和組織性的金屬纖維，從而具有集電結(jié)構(gòu)和電活性物質(zhì)之間的接觸電阻減少且接觸面積增加的效果，能夠提高電池的能源密度，改善充放電速度、充放電效率及電池的循環(huán)特性。
[0099]并且，根據(jù)本發(fā)明的實施例，使用如無紡布等的纖維結(jié)構(gòu)的集電體來代替現(xiàn)有的箔形態(tài)的集電體，從而在層積(stack)電極來制備電池時能夠減少所需的分離膜的使用量。其結(jié)果，在相同電池體積內(nèi)可以加厚電極，從而能夠制備每單位體積的能源密度優(yōu)秀的電池。
【權(quán)利要求】
1.一種電池，其特征在于，具有含如下的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和粒子組合物的電極結(jié)構(gòu)體: 上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)由一個以上的金屬纖維形成； 上述粒子組合物包含束縛于上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，上述金屬纖維隨機地僅以物理方式接觸而相互結(jié)合，上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)具有無紡布結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，上述粒子組合物還包含導(dǎo)電材料、粘結(jié)材料及多孔性陶瓷粒子中的某一種或者全部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池，其特征在于，上述粘結(jié)材料以點粘結(jié)形態(tài)提供于上述金屬纖維與第一電活性物質(zhì)之間、上述第一電活性物質(zhì)彼此之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，上述金屬纖維的厚度在IU m至200 y m范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，上述金屬纖維的厚度在2y m至20 y m范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，上述金屬纖維包含不銹鋼、鋁、鎳、鈦及銅或者它們的合金中的某一種或者它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，上述粒子形態(tài)的上述電活性物質(zhì)的平均大小s與上述金屬纖維的平均厚度d之比s/d為0.01至10。
9.一種電極結(jié)構(gòu)體 的制備方法，其特征在于，包含以下步驟: 提供用于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的一個以上的金屬纖維的步驟； 提供包含粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)的粒子組合物的步驟； 混合上述金屬纖維與上述粒子組合物的步驟；以及 對所混合的上述金屬纖維和上述粒子組合物進行壓接的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，其特征在于，上述金屬纖維隨機排列并以具有無紡布結(jié)構(gòu)的纖維層形態(tài)提供。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，其特征在于，在上述混合上述金屬纖維與上述粒子組合物的步驟中，上述粒子組合物以無溶劑干粉狀提供于上述纖維層上。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，其特征在于，通過在上述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)撒上述粒子組合物來完成上述混合上述金屬纖維與上述粒子組合物的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，其特征在于， 上述粒子組合物包含選自與上述粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)一同混合的粘結(jié)材料粒子、導(dǎo)電材料粒子及多孔性陶瓷粒子中的某一種或者它們的組合的外部添加劑， 通過干式混合工序來完成上述外部添加劑與上述電活性物質(zhì)的混合。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，其特征在于，上述提供用于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的一個以上的金屬纖維的步驟包含以下步驟:在上述金屬纖維的表面上預(yù)涂敷粘結(jié)材料的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，其特征在于， 上述粒子組合物包含選自與上述粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)一同混合的導(dǎo)電材料粒子及多孔性陶瓷粒子中的某一種或者它們的組合的外部添加劑，通過干式混合工序來完成上述外部添加劑與上述電活性物質(zhì)的混合。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，其特征在于， 上述粒子組合物包含選自與上述粒子形態(tài)的電活性物質(zhì)一同混合的導(dǎo)電材料粒子及多孔性陶瓷粒子中的某一種或它們的組合的外部添加劑，在上述導(dǎo)電材料粒子及上述多孔性陶瓷粒子中的某一種或者它們兩種的表面上預(yù)涂敷粘結(jié)材料， 通過干式混合工序來完成上述外部添加劑與上述電活性物質(zhì)的混合。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，其特征在于，還包含與上述對所混合的上述金屬纖維和上述粒子組合物進行壓接的步驟同時執(zhí)行的進行加熱或者紫外線照射的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電極結(jié)構(gòu)體的制備方法，其特征在于，上述加熱在50°C至400°C溫度 下進行。
【文檔編號】H01M4/64GK103620828SQ201280017338
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月6日
【發(fā)明者】金昌炫, 申二賢, 金哲煥 申請人:(株)陽光