電極及其制備方法以及利用其的電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池技術(shù)，更詳細(xì)地涉及無紡布集電體、利用其的電池的制備方法及其的制備系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著過去20年之間半導(dǎo)體制備技術(shù)及通信技術(shù)飛躍發(fā)展，作為如移動(dòng)通信終端及筆記本電腦之類的便攜式電子裝置的電源，廣泛地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的研究和商用化。最近，為了應(yīng)對(duì)如能量枯竭和溫室效應(yīng)之類的環(huán)境問題，需要急劇增加節(jié)能技術(shù)，其結(jié)果，除了便攜式電子裝置相關(guān)產(chǎn)業(yè)之外，還活躍地進(jìn)行對(duì)可適用于電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力車或電網(wǎng)的中大型電池的關(guān)心和研究。作為這種用途的電池，主要研究鎳-金屬氫(N1-MH)電池和鋰二次電池。其中，由于鋰二次電池利用自然界中已知的金屬中最輕且標(biāo)準(zhǔn)還原電位最低的鋰，因而不僅能量密度高，還可制備高電壓和高功率的電池。
[0003]在實(shí)現(xiàn)這種電池性能的過程中，開發(fā)適當(dāng)?shù)募婓w很重要。為了提高電池性能，集電體需要改善內(nèi)部電阻和不可逆性。并且，為了具有制備經(jīng)濟(jì)性，上述集電體應(yīng)可得到高的收率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供集電體，上述集電體不僅能量密度高，而且充放電效率、充放電速度及循環(huán)特性優(yōu)秀，并達(dá)成高的收率，從而具有制備經(jīng)濟(jì)性。
[0006]并且，本發(fā)明要解決的再一技術(shù)問題在于，提供利用具有上述優(yōu)點(diǎn)的無紡布集電體，從而具有再現(xiàn)性和可靠性的電池的制備方法。
[0007]并且，本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題在于，提供具有上述優(yōu)點(diǎn)的電池的制備系統(tǒng)。
[0008]解決問題的手段
[0009]用于解決上述技術(shù)問題的本發(fā)明一實(shí)施例的電極包括導(dǎo)電無紡布片，上述導(dǎo)電無紡布片包括多個(gè)導(dǎo)電纖維的網(wǎng)狀物，并包括從上述導(dǎo)電無紡布片的主表面連通上述導(dǎo)電無紡布片的內(nèi)部的氣孔。在上述導(dǎo)電無紡布片的主表面上形成有無紡布集電體，上述無紡布集電體形成有部分閉塞上述氣孔的多個(gè)導(dǎo)電圖案。
[0010]在一部分實(shí)施例中，上述多個(gè)導(dǎo)電圖案可配置于電極封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部分。并且，上述多個(gè)導(dǎo)電圖案可與用于形成上述電極的上述無紡布集電體的移送方向平行。
[0011]在一部分實(shí)施例中，上述多個(gè)導(dǎo)電圖案可包括以規(guī)定間隔隔開的多個(gè)線條圖案。在此情況下，上述多個(gè)線條圖案以與電極封裝結(jié)構(gòu)的纏繞軸、折疊軸或彎曲軸平行的方式橫穿上述導(dǎo)電無紡布片的主表面。并且，上述多個(gè)導(dǎo)電圖案可向上述多個(gè)導(dǎo)電無紡布片的邊緣延伸。
[0012]用于解決上述再一技術(shù)問題的本發(fā)明一實(shí)施例的電極的制備方法包括如下步驟:準(zhǔn)備上述的無紡布集電體，并使上述無紡布集電體通過裝入有包含電活性物質(zhì)的前體或電活性物質(zhì)的分散溶劑的漿料的槽(bath)的內(nèi)部，來使上述電活性物質(zhì)浸漬于上述無紡布集電體的內(nèi)部的步驟。之后，可使向上述槽的外部露出的無紡布集電體干燥，并對(duì)浸漬有上述電活性物質(zhì)的無紡布集電體加壓。
[0013]使上述電活性物質(zhì)浸漬于上述無紡布集電體的內(nèi)部的步驟可由上述無紡布集電體通過配置于上述槽的內(nèi)部且具有間隙的處理輥的上述間隙來執(zhí)行。在一部分實(shí)施例中，上述處理輥的表面可具有包括凹凸的表面圖案。
[0014]在一部分實(shí)施例中，在使上述分散溶劑干燥的步驟之前，可掃除向上述槽的外部露出的上述無紡布集電體的表面上的剩余電活性物質(zhì)。并且，在使上述分散溶劑干燥的步驟之前，還可執(zhí)行對(duì)向上述槽的外部露出的上述無紡布集電體的表面加壓來調(diào)節(jié)上述電活性物質(zhì)的浸漬量的步驟。
[0015]在一部分實(shí)施例中，還可執(zhí)行將上述無紡布集電體的上述多個(gè)導(dǎo)電圖案中的至少一部分與電池標(biāo)簽或引線相結(jié)合的步驟。上述多個(gè)導(dǎo)電圖案配置于電極封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部分。并且，上述多個(gè)導(dǎo)電圖案可與用于形成上述電極的上述無紡布集電體的移送方向平行。在一部分實(shí)施例中，上述多個(gè)導(dǎo)電圖案可包括以規(guī)定間隔隔開的多個(gè)線條圖案。
[0016]用于解決上述另一技術(shù)問題的本發(fā)明一實(shí)施例的電池可以為包括負(fù)極、正極及上述負(fù)極和上述正極之間的分離膜的二次電池。上述負(fù)極及上述正極中的至少一個(gè)可包括電極，上述電極包括上述的無紡布集電體。在一部分實(shí)施例中，上述多個(gè)導(dǎo)電圖案可配置于上述電極的應(yīng)力集中部分。
[0017]發(fā)明的效果
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用具有多個(gè)導(dǎo)電纖維的網(wǎng)狀物的導(dǎo)電無紡布片，從而基于優(yōu)秀的電特性和纖維的柔韌性和組織性，通過集電體和電活性物質(zhì)之間的內(nèi)部電阻減少和界面增加效果，不僅可提高電池的能量密度，還可得到充放電速度、充放電效率及循環(huán)特性得到改善的電池。并且，在上述導(dǎo)電無紡布片上形成多個(gè)導(dǎo)電圖案來提高機(jī)械拉伸強(qiáng)度，從而防止當(dāng)進(jìn)行利用退繞裝置的連續(xù)工序或封裝如凝膠卷之類的電池時(shí)有可能發(fā)生的由無紡布集電體的變形引起的內(nèi)部電阻的增加，改善由降伏引起的不良來提高收率，并容易進(jìn)行電池標(biāo)簽或引線形成工序。
[0019]并且，根據(jù)本發(fā)明的再一實(shí)施例，可提供利用具有上述優(yōu)點(diǎn)的無紡布集電體的電池的制備方法。
[0020]并且，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，可提供利用具有上述優(yōu)點(diǎn)的無紡布集電體的電池的制備系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0021]圖la為圖示本發(fā)明一實(shí)施例的無紡布集電體的立體圖，圖lb為本發(fā)明再一實(shí)施例的無紡布集電體的部分圖，圖lc為圖示本發(fā)明另一實(shí)施例的無紡布集電體的立體圖。
[0022]圖2a及圖2b為圖示本發(fā)明其他多個(gè)實(shí)施例的多個(gè)無紡布集電體的多個(gè)立體圖。
[0023]圖3a及圖3b為依次圖示本發(fā)明一實(shí)施例的電極的制備方法的多個(gè)立體圖。
[0024]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的電極的制備系統(tǒng)。
[0025]圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例的包括無紡布集電體的電極的立體圖。
[0026]圖6a至圖6d為分別圖示本發(fā)明各種實(shí)施例的多個(gè)張力加強(qiáng)層的多個(gè)立體圖。
[0027]圖7圖示本發(fā)明再一實(shí)施例的電極的制備系統(tǒng)。
[0028]圖8a至圖8d為圖示本發(fā)明各種實(shí)施例的利用無紡布集電體的電池的電極組裝體的多個(gè)立體圖。
[0029]圖9為圖示本發(fā)明一實(shí)施例的包括利用無紡布集電體的電極的電池的分解立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0031]本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例用于使本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更加完整地理解本發(fā)明，以下實(shí)施例能夠以多種不同的方式變形，本發(fā)明的范圍不局限于以下實(shí)施例。反而，這些實(shí)施例使本公開內(nèi)容更充實(shí)、完整，用于向本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員傳達(dá)更完整的本發(fā)明思想。
[0032]并且，在以下的附圖中，各層的厚度或大小為了說明的便利及明確性而有所擴(kuò)張，在附圖中相同的附圖標(biāo)記指相同的要素。如在本說明書中使用，術(shù)語“和/或”包含所例舉的項(xiàng)目中的一個(gè)及一個(gè)以上的所有組合。
[0033]在本說明書中所使用的術(shù)語用于說明特定實(shí)施例，并不限制本發(fā)明。如在本說明書中所使用，單數(shù)形態(tài)只要不明確指出上下文上不同的情況，就可包括多個(gè)形態(tài)。并且，在用于本說明書的情況下，“包含(comprise) ”和/或“包含的(comprising) ”特定提及的多個(gè)形狀、數(shù)字、步驟、動(dòng)作、部件、因素和/或它們組的存在，并不排除一個(gè)以上的其他形狀、數(shù)字、動(dòng)作、部件、因素和/或多個(gè)組的存在或附加。
[0034]在本說明書中，“第一”、“第二”等術(shù)語用于說明各種部件、配件、區(qū)域、多個(gè)層和/或多個(gè)部分，但這些部件、配件、區(qū)域、多個(gè)層和/或多個(gè)部分不局限于這些術(shù)語，這是顯而易見的。這些術(shù)語只用于區(qū)別一個(gè)部件、配件、區(qū)域、層或部分與其他區(qū)域、多個(gè)層或多個(gè)部分。因此，以下說明的第一部件、配件、區(qū)域、層或部分在不超過本發(fā)明的教導(dǎo)的情況下，也可指第二部件、配件、區(qū)域、層或部分。
[0035]圖la為圖示本發(fā)明一實(shí)施例的無紡布集電體100的立體圖，圖lb為本發(fā)明再一實(shí)施例的無紡布集電體100’的部分圖，圖lc為圖示本發(fā)明另一實(shí)施例的無紡布集電體100”的立體圖。
[0036]參照?qǐng)Dla，無紡布集電體100包括導(dǎo)電無紡布片10。如部分放大圖Μ所示，導(dǎo)電無紡布片10可包括多個(gè)導(dǎo)電纖維10W。多個(gè)導(dǎo)電纖維10W起到電子的傳遞路徑的功能，導(dǎo)電無紡布片10與以往的二維金屬集電箔不同，可使用為由多個(gè)三維導(dǎo)電網(wǎng)狀物形成的集電體。由于導(dǎo)電無紡布片10本身具有集電體功能，因而可代替現(xiàn)有的金屬集電體箔。
[0037]多個(gè)導(dǎo)電纖維10W具有隨機(jī)相互纏繞的無紡布結(jié)構(gòu)。如部分放大圖Μ所示，多個(gè)導(dǎo)電纖維10W大體上呈彎曲的無規(guī)則的形態(tài)，且相互通過物理接觸來電連接，從而形成以遍及整個(gè)體積的方式通電的單一的導(dǎo)電網(wǎng)狀物。上述導(dǎo)電網(wǎng)狀物由于多個(gè)導(dǎo)電纖維10W彎曲或折彎，從而相互纏繞并接觸或結(jié)合而成，因而內(nèi)部具有氣孔，且可移動(dòng)，從而對(duì)于填充至內(nèi)部的電活性物質(zhì)充放電時(shí)的體積變化的適應(yīng)性大，且由于纖維特性，無紡布集電體100可具有可撓性(flexibility)。并且，通過上述多個(gè)氣孔，電解液容易浸濕，如用于電池化學(xué)反應(yīng)的鋰離子之類的陽離子的傳遞移動(dòng)率得到提高，從而可提高充放電效率。
[0038]多個(gè)導(dǎo)電纖維10W為多個(gè)金屬絲、涂敷有多個(gè)碳纖維、多個(gè)導(dǎo)電性聚合物纖維、金屬層或?qū)щ娦跃酆衔飳拥亩鄠€(gè)聚合物纖維(例如，涂敷有金屬的聚烯烴(polyolefin)纖維)或多個(gè)中空金屬纖維(例如，利用碳纖維或聚合物纖維來制備犧牲核心，并在上述犧牲核心上涂敷金屬層后，使上述犧牲核心氧化或燃燒來去除，從而殘留金屬層的多個(gè)纖維)，上述多個(gè)導(dǎo)電纖維10W優(yōu)選為多個(gè)金屬絲。
[0039]在一部分實(shí)施例中，為了減少多個(gè)導(dǎo)電纖維10W之間的接觸電阻，并提高結(jié)合力，在多個(gè)導(dǎo)電纖維10W上還可形成有金屬層或?qū)щ娦跃酆衔飳?。例如，在由多個(gè)碳纖維或多個(gè)金屬絲形成的多個(gè)導(dǎo)電纖維上還可涂敷有導(dǎo)電性聚合物層或金屬層。并且，在上述金屬層或?qū)щ娦跃酆衔飳雍投鄠€(gè)導(dǎo)電纖維10W的表面之間可形成有用于提高它們之間的接合力的適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)界面層或緩沖層。
[0040]上述多個(gè)金屬絲可以為銅、鈦、不銹鋼、鎳、鉑、金、銀、釕、鉭、鈮、鉿、鋯、釩、銦、鈷、鎢、錫、鋅、鈹、鉬或它們的合金、上述的電活性物質(zhì)或包括它們的固溶體的纖維體。例如，在正極的情況下，使用鋁絲，在負(fù)極的情況下，可使用銅或鎳絲。在另一實(shí)施例中，這種材料也可具有依次羅列上述多個(gè)金屬的層疊結(jié)構(gòu)，也可包含通過熱處理來部分氧化的層或插層化合物。并且，多個(gè)金屬絲由相互不同種類的金屬形成，可通過多個(gè)異種金屬絲來提供導(dǎo)電無紡布片10。
[0041]上述多個(gè)金屬絲的厚度可以在1 μπι至200 μπι的范圍內(nèi)。若上述多個(gè)金屬絲的厚度小于1 μ m，則難以成形具有均勻的物性，例如，均勻的電阻的多個(gè)金屬絲，并難以涂敷電活性物質(zhì)。并且，若多個(gè)金屬絲的厚度大于200 μ m，則多個(gè)金屬絲的每體積表面積減少，從而難以提高根據(jù)表面積增加的電池性能，不僅減少能量密度，而且還降低浸漬于無紡布集電體100內(nèi)部的電活性物質(zhì)的束縛效果，導(dǎo)致在反復(fù)進(jìn)行充放電的過程中，電活性物質(zhì)從導(dǎo)電絲脫落，從而有可能使電池的循環(huán)特性劣化。
[0042]在一部分實(shí)施例中，優(yōu)選地，金屬絲的厚度可以為2 μπι至20 μπι。若將其換算為每單位長(zhǎng)度的表面積/體積比(例如，在具有圓形截面的情況下，4/直徑)，則相當(dāng)于4X105(l/m)至2X106(l/m)。一般，使用金屬箔的現(xiàn)有的集電體的厚度大致為20 μ m。相對(duì)于使用厚度為20 μπι的箔的以往的集電體，厚度為2 μπι至20 μπι的金屬絲具有增加約4倍至40倍的表面積。集電體的表面積是指分別與電活性物質(zhì)及電解質(zhì)液形成反應(yīng)界面的多個(gè)金屬絲10W的每電極體積導(dǎo)電網(wǎng)狀物的表面積，通過將其最大化，可得到能量密度飛躍提尚的電池。
[0043]在一部分實(shí)施例中，多個(gè)金屬絲的平均長(zhǎng)度可以為5mm至1000mm范圍內(nèi)的