技術(shù)領(lǐng)域

一個或更多個示例性實施例涉及一種電極組件和包括該電極組件的鋰電池。

背景技術(shù)：

與通常不可充電的原電池不同，二次電池是可充電和可放電的，因此，被廣泛用于諸如數(shù)碼相機、移動裝置和筆記本電腦的各種小尺寸高科技電子裝置。由于電動車輛(EV)的廣泛使用，也已經(jīng)對大尺寸電池的中間物進行了開發(fā)，具體地，已經(jīng)制造了具有高容量和安全性的二次電池。

二次電池的示例可包括鎳鎘電池、鎳金屬氫化物電池、鎳氫電池和鋰二次電池。多個鋰二次電池可被串聯(lián)連接以具有高輸出并用于EV，并且，與鎳鎘電池或鎳金屬氫化物電池相比，這樣的布置具有高的驅(qū)動電壓。串聯(lián)連接的鋰二次電池具有每單位重量的能量密度優(yōu)異的特性，因此他們的使用已經(jīng)越來越多。

因此，已經(jīng)需要在具有高容量的同時具有高能量密度的鋰二次電池。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一個或更多個示例性實施例包括一種堆疊式電極組件，其中，包括三維(3D)多孔集流體的電極位于電極組件的最上部(例如，頂部)和/或最下部(例如，底部)。

一個或更多個示例性實施例包括一種通過包括所述堆疊式電極組件而具有高容量和能量密度的鋰電池。

另外的方面將在下面的描述中被部分地闡述，部分地通過描述將是清楚 的，或者可通過本實施例的實踐而被獲知。

根據(jù)一個或更多個示例性實施例，一種堆疊式電極組件包括：最下電極，位于電極組件的最下部；最上電極，位于電極組件的最上部；至少一個單元堆疊件，位于最下電極與最上電極之間，所述至少一個單元堆疊件包括正極、負極以及設(shè)置在正極與負極之間的隔板；多個隔板，位于最下電極與單元堆疊件之間、多個單元堆疊件之間以及單元堆疊件與最上電極之間，其中，最下電極或最上電極是包括三維(3D)多孔集流體的電極。

在一些實施例中，所述最下電極和最上電極均包括3D多孔集流體。

在一些實施例中，所述包括3D多孔集流體的電極還可在3D多孔集流體的孔中包括電極活性物質(zhì)。

在一些實施例中，所述最下電極或最上電極可以是不包括3D多孔集流體的電極，并可包括：非多孔電極集流體；電極活性物質(zhì)層，設(shè)置在非多孔電極集流體的至少一個表面上。

在一些實施例中，所述非多孔電極集流體可呈金屬箔的形式。

在一些實施例中，所述單元堆疊件可呈雙單體結(jié)構(gòu)，其中，所述雙單體結(jié)構(gòu)包括按照描述的順序來順序地堆疊的負極、隔板、正極、第二隔板以及第二負極，或者，其中，所述雙單體結(jié)構(gòu)包括按照描述的順序來順序地堆疊的正極、隔板、負極、第二隔板和第二正極。

在一些實施例中，所述單元堆疊件可具有全單體結(jié)構(gòu)，其中，所述全單體結(jié)構(gòu)包括按照描述的順序來順序地堆疊的正極、隔板和負極，或者，其中，所述全電池結(jié)構(gòu)包括按照描述的順序來順序地堆疊的負極、隔板和正極。

在一些實施例中，具有相反極性的電極可被堆疊為面向彼此，并且隔板置于所述具有相反極性的電極之間。

在一些實施例中，所述單元堆疊件中的至少一個電極可以是包括3D多孔集流體的電極。

在一些實施例中，所述堆疊式電極組件可包括多個單元堆疊件，其中，每個單元堆疊件具有包括3D多孔集流體的電極，其中，每個單元堆疊件中的包括3D多孔集流體的每個電極具有連續(xù)的堆疊結(jié)構(gòu)，其中，所述多個隔板中的隔板位于所述多個單元堆疊件之間。

在一些實施例中，所述堆疊式電極組件可包括多個單元堆疊件，其中，每個單元堆疊件具有包括3D多孔集流體的電極，其中，每個單元堆疊件中 的包括3D多孔集流體的每個電極具有無介于單元堆疊件之間的隔板的連續(xù)的堆疊結(jié)構(gòu)，其中，連續(xù)堆疊的包括3D多孔集流體的電極具有相同的極性。

在一些實施例中，所述3D多孔集流體可以是金屬泡沫。

在一些實施例中，所述3D多孔集流體可包括從鋁(Al)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、銀(Ag)、鎢(W)、鉑(Pt)、不銹鋼(SUS)和他們的混合物中選擇的至少一種。

在一些實施例中，當(dāng)所述包括3D多孔集流體的電極是負極時，所述3D多孔集流體可包括Cu泡沫，當(dāng)包括3D多孔集流體的電極是正極時，所述3D多孔集流體可包括Al泡沫。

在一些實施例中，所述3D多孔集流體的厚度可在大約10μm至大約500μm的范圍內(nèi)。

在一些實施例中，所述3D多孔集流體的厚度可在大約50μm至大約200μm的范圍內(nèi)。

在一些實施例中，所述3D多孔集流體的孔徑可在大約0.2μm至大約100μm的范圍內(nèi)。

在一些實施例中，所述3D多孔集流體的孔隙率可在大約50％至大約98％的范圍內(nèi)。

在一些實施例中，所述堆疊式電極組件可包括一個或兩個單元堆疊件。

根據(jù)一個或更多個示例性實施例，一種鋰電池包括所述堆疊式電極組件。

附圖說明

通過下面結(jié)合附圖對示例性實施例的描述，這些和/或其他方面將變得明顯且更容易領(lǐng)會，在附圖中：

圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的電極組件的結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的三維(3D)多孔負極集流體的示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的包括3D多孔集流體的負極的示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細參照在附圖中示出其示例的示例性實施例，其中，相同的標(biāo)號自始至終指示相同的元件。就這一點而言，本示例性實施例可具有不同的形式且不應(yīng)當(dāng)被理解為限于這里所闡述的描述。因此，在下面通過參照附圖僅描述了示例性實施例，以解釋本說明書的一些方面。如在這里所使用的，術(shù)語“和/或”包括一個或更多個相關(guān)所列項的任意或全部組合。當(dāng)諸如“至少一種”的表述在一列元素之后時，其修飾整列元素，而不是修飾所述列中的單個元素。

由于本發(fā)明的一些方面允許各種變化和多個實施例，因此將在附圖中示出并在所寫說明書中詳細描述具體實施例。然而，其并不意圖將發(fā)明構(gòu)思限制為具體實施方式，并且，將領(lǐng)會的是，不脫離精神和技術(shù)范圍的全部變化、等同物和替換被包含在發(fā)明構(gòu)思中。在說明書中，當(dāng)認為相關(guān)技術(shù)的特定詳細描述可能使發(fā)明構(gòu)思的本質(zhì)不必要的模糊時，將省略相關(guān)技術(shù)的特定詳細描述。雖然諸如“第一”、“第二”等的術(shù)語可用于描述各種組件，但這樣的組件不被以上術(shù)語限制。以上術(shù)語僅用于將一個組件與另一組件區(qū)分開。在本說明書中使用的術(shù)語僅用于描述具體實施例，而不意圖限制發(fā)明構(gòu)思。除非在上下文中具有明顯不同的含義，否則用于單數(shù)的表述包括復(fù)數(shù)的表述。在本說明書中，將理解是，諸如“包含”、“具有”和“包括”的術(shù)語意圖指示存在說明書中所公開的特征、數(shù)量、步驟、動作、組件、部分或其組合，并且不意圖排除可能存在或可能添加一個或更多個其他特征、數(shù)量、步驟、動作、組件、部分或其組合的可能性。此外，這里所使用的符號“/”可根據(jù)上下文而理解為“和”或者“或”。

在附圖中，為了清楚起見，可放大層和區(qū)域的厚度。附圖中相同的標(biāo)號自始至終指示相同的元件。將理解的是，當(dāng)諸如層、膜、區(qū)域或板的組件被稱為“在”另一組件“上”時，組件可能直接在另一組件上或者可能在其上存在中間組件。

在下文中，將參照其中示出了發(fā)明構(gòu)思的示例性實施例的附圖更充分地描述發(fā)明構(gòu)思。然而，該發(fā)明構(gòu)思可以以多種不同的形式實施，并且不應(yīng)當(dāng)被理解為限于這里所闡述的示例性實施例。確切的說，提供這些實施例以使本公開將是徹底的和完整的，并將把本發(fā)明構(gòu)思的范圍充分地傳達給本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。為了便于解釋，可放大附圖中組件的尺寸。換句話說，為 便于解釋，因為附圖中組件的尺寸和厚度是任意示出的，下面的實施例不限于此。

通常，通過使電極組件容納在呈矩形(或矩形棱柱)、圓筒或袋的形狀的殼體中并向其中注射電解質(zhì)溶液來制造鋰電池。電極組件可根據(jù)電極組件的結(jié)構(gòu)被分為：果凍卷式，通過在呈長板狀的負極和正極之間設(shè)置隔板來制備堆疊件并將堆疊件卷起進行制造；或者堆疊式，通過連續(xù)堆疊具有相同尺寸(例如，預(yù)定的尺寸)的多個正極和負極進行制造，其中，隔板置于正極與負極之間(例如，在每個正極和每個負極之間)。

在堆疊式電極組件中，電極設(shè)置在最外側(cè)(例如，在堆疊件的端部)，例如，最上(或頂)側(cè)或最下(或底或者最低)側(cè)，電極可具有不發(fā)生鋰離子的嵌入或脫嵌的非反應(yīng)區(qū)，因此，會增加不可逆容量。不可逆容量的增加使鋰電池的壽命特性劣化，因此，可通過減小或減少電極的不可逆容量來改進鋰電池。

就這一點而言，作為檢查用于減小或減少電極的不可逆容量的方法的結(jié)果，確定的是，可通過將堆疊式電極組件的最上(或頂)和/或最下(或底或者最低)電極構(gòu)造為與位于電極組件中的其他電極不同來制造具有減小(或減少)了不可逆容量且增加了能量密度的電池。

在下文中，將描述本發(fā)明的一個或更多個示例性實施例。

根據(jù)實施例的堆疊式電極組件包括：最下電極(或底電極)，位于電極組件的最下部(例如，位于電極組件的底部)；最上電極(或頂電極)，位于電極組件的最上部(例如，位于電極組件的頂部)；至少一個單元堆疊件，位于最上電極與最下電極之間并包括正極、負極以及設(shè)置在正極與負極之間的隔板；隔板，分別設(shè)置在最下電極與單元堆疊件之間、多個單元堆疊件之間以及單元堆疊件與最上電極之間，其中，最下電極或最上電極是包括三維(3D)多孔集流體的電極。

這里，電極可以是正極或負極，并且，其間堆疊有隔板的電極可具有相反的極性。換句話說，電極組件可具有按照描述的順序來順序地包括正極、隔板和負極的堆疊結(jié)構(gòu)或者按照描述的順序來順序地包括負極、隔板和正極的堆疊結(jié)構(gòu)。

例如，最下電極和最上電極均可以是包括3D多孔集流體的電極。

在電極組件中，包括3D多孔集流體的電極還可在3D多孔集流體的孔中 包括電極活性物質(zhì)。

這里，3D多孔集流體與諸如箔狀薄膜的不具有孔的集流體(例如，對比集流體)不同。3D多孔集流體指在其中具有三維連接的孔的集流體。包括3D多孔集流體的電極可具有在3D多孔集流體的孔中包括電極活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

在電極組件中，除了包括3D多孔集流體的電極之外的電極可包括例如金屬薄膜的非多孔電極集流體以及設(shè)置在非多孔電極集流體的至少一個表面上的電極活性物質(zhì)層。例如，不包括3D多孔集流體的電極可具有包括順序地堆疊的集流體和電極活性物質(zhì)層的層狀結(jié)構(gòu)，因此，所述電極可具有與使負極活性物質(zhì)和正極活性物質(zhì)包括在3D多孔集流體的孔中的包括3D多孔集流體的電極的結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)堆疊式電極組件只具有不包括3D多孔集流體的電極時，如上所述，最下電極和最上電極的非反應(yīng)區(qū)導(dǎo)致不可逆容量增加。因此，為了減輕或防止不可逆容量的增加，可僅使用設(shè)置在組件的最上或最下部中的不具有活性物質(zhì)的電極，例如，可使用僅在集流體的截面上具有活性物質(zhì)的電極。然而，當(dāng)僅使用設(shè)置在組件的最上或最下部中的不具有活性物質(zhì)層的電極時，在滾壓工藝的過程中可能出現(xiàn)電極板可能被彎曲的彎曲現(xiàn)象。

另一方面，如上所述，在使用具有作為最上電極或最下電極的包括3D多孔集流體的電極的電池時，不會出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象(例如，可減輕或防止彎曲現(xiàn)象)，并且不會出現(xiàn)(或可減輕)由于最上電極或最下電極的非反應(yīng)區(qū)導(dǎo)致的容量減小。因此，所述電池與包括僅具有不包括3D多孔集流體的電極的堆疊式電極組件的電池相比，可具有增加了的容量和能量密度。

單元堆疊件具有包括按照描述的順序來順序堆疊的正極、隔板和負極(或負極、隔板和正極)的全單體結(jié)構(gòu)。

可選地，單元堆疊件可具有包括按照描述的順序來順序堆疊的負極、隔板、正極、隔板和負極(或正極、隔板、負極、隔板和正極)的雙單體結(jié)構(gòu)。

在下文中，將參照附圖描述一個或更多個示例性實施例。圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的堆疊式電極組件100(在下文中，稱為電極組件)的截面圖。參照圖1、圖2和圖3，電極組件100可包括最下(或底)電極、最上(或頂)電極以及設(shè)置在最下電極與最上電極之間的一個單元堆疊件。參照圖4、圖5和圖6，電極組件 100可包括最下(或底)電極、最上(或頂)電極以及設(shè)置在最下電極與最上電極之間的兩個單元堆疊件。

如圖1所示，電極組件100的最下(或底)電極可以是包括3D多孔集流體的負極50。電極組件100可具有包括3D多孔集流體的負極50/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的正極20、隔板10、負極30、隔板10和正極20的單元堆疊件U1/隔板10/負極30的順序堆疊的結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的一些實施例中，電極組件100可具有包括3D多孔集流體的正極40/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的負極30、隔板10、正極20、隔板10和負極30的單元堆疊件U1/隔板10/正極20的順序堆疊的結(jié)構(gòu)。

這里，電極組件100可具有堆疊結(jié)構(gòu)，按照該方式，具有相反極性的電極可面向彼此，并且隔板10置與具有相反極性的電極之間。

正極20可包括非多孔正極集流體22以及設(shè)置在正極集流體22的兩個表面上的正極活性物質(zhì)層24。負極30可包括非多孔負極集流體32以及設(shè)置在負極集流體32的兩個表面上的負極活性物質(zhì)層34。

如圖2所示，電極組件100的最上電極可以是包括3D多孔集流體的負極50。電極組件100可具有負極30/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的正極20、隔板10、負極30、隔板10和正極20的單元堆疊件/隔板10/包括3D多孔集流體的負極50的順序堆疊結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的一些實施例中，電極組件100可具有正極20/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的負極30、隔板10、正極20、隔板10和負極30的單元堆疊件/隔板10/包括3D多孔集流體的正極40的順序堆疊結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，電極組件100的最上電極和最下電極均可是各自包括3D多孔集流體的負極50。電極組件100可具有包括3D多孔集流體的負極50/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的正極20、隔板10、負極30、隔板10和正極20的單元堆疊件U1/隔板10/包括3D多孔集流體的負極50的順序堆疊結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的一些實施例中，電極組件100可具有包括3D多孔集流體的正極40/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的負極30、隔板10、正極20、隔板10和負極30的單元堆疊件U1/隔板10/包括3D多孔集流體的正極40。

如圖4所示，電極組件100可包括作為最上電極和最下電極二者的包括 3D多孔集流體的電極以及兩個單元堆疊件U1和U2。電極組件100可具有以下順序堆疊的結(jié)構(gòu)：包括3D多孔集流體的負極50/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的正極20、隔板10、負極30、隔板10和正極20的單元堆疊件U1/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的負極30、隔板10、正極20、隔板10和負極30的單元堆疊件U2/隔板10/包括3D多孔集流體的正極40。

在本發(fā)明的一些實施例中，電極組件100可具有包括3D多孔集流體的正極40/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的負極30、隔板10、正極20、隔板10和負極30的單元堆疊件U1/隔板10/包括按照描述的順序來順序地堆疊的正極20、隔板10、負極30、隔板10和正極20的單元堆疊件U2/隔板10/包括3D多孔集流體的負極50的順序堆疊結(jié)構(gòu)。

除了電極組件100的最下電極和/或最上電極之外，單元堆疊件U1和U2中的至少一個電極也可以是包括3D多孔集流體的電極。在電極組件100中，當(dāng)單元堆疊件U1和U2中的一些電極包括3D多孔集流體并且最下電極和/或最上電極包括3D多孔集流體時，包括電極組件100的電池的容量和能量密度可因電池的不可逆容量的減小和電池厚度的減小而增大。

在一些實施例中，電極組件100可包括多個單元堆疊件(其中，每個單元堆疊件具有包括3D多孔集流體的電極)，并可具有包括3D多孔集流體的電極的結(jié)構(gòu)(其中，在每個單元堆疊件中包括的包括3D多孔集流體的每個電極具有連續(xù)堆疊結(jié)構(gòu)，并且隔板位于單元堆疊件之間)。這里，包括3D多孔集流體的電極具有使隔板置于中間(例如，使隔板位于單元堆疊件的電極中的相鄰電極之間)的連續(xù)堆疊結(jié)構(gòu)，并且在隔板上和隔板下的電極可具有相反的極性。具體地，電極可具有包括3D多孔集流體的負極/隔板/包括3D多孔集流體的正極的順序堆疊結(jié)構(gòu)，或者可具有包括3D多孔集流體的正極/隔板/包括3D多孔集流體的負極的順序堆疊結(jié)構(gòu)。

可選地，電極組件100可包括多個單元堆疊件，其中，每個單元堆疊件具有包括3D多孔集流體的電極，其中，在每個單元堆疊件中包括的包括3D多孔集流體的每個電極具有不使隔板位于單元堆疊件之間的連續(xù)堆疊結(jié)構(gòu)，并且連續(xù)堆疊的電極可具有相同的極性。具體地，電極可具有包括3D多孔集流體的負極/包括3D多孔集流體的負極順序堆疊的結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，電極組件100的最上電極和最下電極分別可以是包括3D 多孔集流體的正極40和包括3D多孔集流體的負極50，單元堆疊件U1和U2分別可具有包括3D多孔集流體的正極40和包括3D多孔集流體的負極50。在一些實施例中，單元堆疊件的除了圖5中示出的電極之外的電極可以是包括3D多孔集流體的電極。

電極組件100可具有包括順序堆疊的以下組件的結(jié)構(gòu)：包括3D多孔集流體的負極50/隔板10/包括順序堆疊的正極20、隔板10、負極30、隔板10以及包括3D多孔集流體的正極40的單元堆疊件U1/隔板10/包括順序堆疊的包括3D多孔集流體的負極50、隔板10、正極20、隔板10和負極30的單元堆疊件U2/隔板10/包括3D多孔集流體的正極40。例如，電極組件100可具有包括形成單元堆疊件U1的包括3D多孔集流體的正極40以及形成單元堆疊件U2的包括3D多孔集流體的負極50的結(jié)構(gòu)，其中，正極40和負極50自隔板10連續(xù)地堆疊。

在本發(fā)明的一些實施例中，電極組件100可具有包括順序堆疊的以下組件的結(jié)構(gòu)：正極40/隔板10/包括順序堆疊的負極30、隔板10、正極20、隔板10以及包括3D多孔集流體的負極50的單元堆疊件U1/隔板10/包括順序堆疊的包括3D多孔集流體的正極40、隔板10、負極30、隔板10和正極20的單元堆疊件U2/隔板10/包括3D多孔集流體的負極50。

如圖6所示，電極組件100的最上電極和最下電極可以是包括3D多孔集流體的負極，單元堆疊件U1和U2中的每個可具有包括3D多孔集流體的負極40。

電極組件100可具有包括順序堆疊的以下組件的結(jié)構(gòu)：包括3D多孔集流體的負極50/隔板10/包括順序堆疊的正極20、隔板10、負極30、隔板10以及包括3D多孔集流體的正極40的單元堆疊件U1/包括順序堆疊的包括3D多孔集流體的正極40、隔板10、負極30、隔板10和正極20的單元堆疊件U2/隔板10/包括3D多孔集流體的負極50。可不在單元堆疊件U1和單元堆疊件U2之間設(shè)置隔板。

在本發(fā)明的一些實施例中，電極組件100可具有包括順序堆疊的以下組件的結(jié)構(gòu)：包括3D多孔集流體的正極40/隔板10/包括順序堆疊的負極30、隔板10、正極20、隔板10以及包括3D多孔集流體的負極50的單元堆疊件U1/包括順序堆疊的包括3D多孔集流體的負極50、隔板10、正極20、隔板10和負極30的單元堆疊件U2/隔板10/包括3D多孔集流體的正極40。

圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6示出了僅包括一個或兩個單元堆疊件U1和U2的電極組件，但本發(fā)明的實施例不限于此，并且，在一些實施例中，電極組件可包括三個或更多個單元堆疊件。

圖7示出了根據(jù)示例性實施例的3D多孔負極集流體的示意圖，圖8示出了包括3D多孔集流體的負極的示意圖。圖7和圖8示出了負極，但在一些實施例中，所述電極可以是正極。

參照圖7，3D多孔集流體52是其中具有孔的多孔材料。例如，3D多孔集流體52呈具有孔的3D形狀，可使用本領(lǐng)域中可用作集流體的任何材料。

例如，3D多孔集流體52可呈金屬泡沫的形式。

例如，3D多孔集流體52可包括從鋁(Al)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、銀(Ag)、鎢(W)、鉑(Pt)、不銹鋼(SUS)和他們的組合中選擇的至少一種，或可由從中選擇的至少一種形成。

當(dāng)包括3D多孔集流體的電極是負極時，3D多孔集流體可包括Cu泡沫。當(dāng)包括3D多孔集流體的電極是正極時，3D多孔集流體可包括Al泡沫。例如，當(dāng)包括3D多孔集流體的電極是負極時，3D多孔集流體可以是Cu泡沫。當(dāng)包括3D多孔集流體的電極是正極時，3D多孔集流體可以是Al泡沫。

例如，3D多孔集流體52的厚度可在大約10μm至大約500μm的范圍內(nèi)。具體地，例如，3D多孔集流體52的厚度可在大約50μm至大約500μm的范圍內(nèi)。例如，3D多孔集流體52的厚度可在大約50μm至大約200μm的范圍內(nèi)。當(dāng)電極中包括的3D多孔集流體52的厚度在這些范圍內(nèi)時，在最上和/或最下處包括所述電極的電池可具有減小了的不可逆容量。

例如，3D多孔集流體52的孔徑可在大約0.2μm至大約100μm的范圍內(nèi)，3D多孔集流體52的孔隙率可在大約50％至大約98％的范圍內(nèi)。

參照圖8，包括3D多孔集流體52的電極(例如，負極50)具有在這些范圍內(nèi)的孔徑和孔隙率，電極在3D多孔集流體52的孔內(nèi)包括適量的電極活性物質(zhì)54，因此，包括所述電極的電池可具有減小了的不可逆容量，因此可呈現(xiàn)出期望的容量。

根據(jù)另一實施例，鋰電池可包括堆疊式電極組件。

在下文中，將描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的制備鋰電池的方法。

根據(jù)一個實施例，可按照如下來制備包括3D多孔集流體的正極。

首先，制備3D多孔集流體。接著，使正極活性物質(zhì)(作為電極活性物質(zhì))、粘結(jié)劑以及導(dǎo)電劑(可選地)混合在溶劑中來制備正極活性物質(zhì)組合物?？墒?D多孔集流體的孔填充有正極活性物質(zhì)組合物，或者，可使3D多孔集流體涂覆有正極活性物質(zhì)組合物，然后進行壓制和干燥以使正極活性物質(zhì)組合物滲入到3D多孔集流體的孔中，從而制備在3D多孔集流體的孔中包括正極活性物質(zhì)的正極。

正極活性物質(zhì)可以是本領(lǐng)域可作為正極活性物質(zhì)的任何材料。例如，正極活性物質(zhì)可以是由從Li_aA_1-bB_bD₂(其中，0.90≤a≤1且0≤b≤0.5)、Li_aE_1-bB_bO_2-cD_c(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5且0≤c≤0.05)、LiE_2-bB_bO_4-cD_c(其中，0≤b≤0.5且0≤c≤0.05)、Li_aNi_1-b-cCo_bB_cD_α(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α≤2)、Li_aNi_1-b-cCo_bB_cO_2-αF_α(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α<2)、Li_aNi_1-b-cCo_bB_cO_2-αF₂(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α<2)、Li_aNi_1-b-cMn_bB_cD_α(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α≤2)、Li_aNi_1-b-cMn_bB_cO_2-αF_α(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α<2)、Li_aNi_1-b-cMn_bB_cO_2-αF₂(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05且0<α<2)、Li_aNi_bE_cG_dO₂(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.9、0≤c≤0.5且0.001≤d≤0.1)、Li_aNi_bCo_cMn_dG_eO₂(其中，0.90≤a≤1、0≤b≤0.9、0≤c≤0.5、0≤d≤0.5且0.001≤e≤0.1)、Li_aNiG_bO₂(其中，0.90≤a≤1且0.001≤b≤0.1)、Li_aCoG_bO₂(其中，0.90≤a≤1且0.001≤b≤0.1)、Li_aMnG_bO₂(其中，0.90≤a≤1且0.001≤b≤0.1)、Li_aMn₂G_bO₄(其中，0.90≤a≤1且0.001≤b≤0.1)、QO₂、QS₂、LiQS₂、V₂O₅、LiV₂O₅、LiIO₂、LiNiVO₄、Li_(3-f)J₂(PO₄)₃(其中，0≤f≤2)、Li_(3-f)Fe₂(PO₄)₃(其中，0≤f≤2)和LiFePO₄中選擇的一個式表示的化合物。

在上面的式中，A為Ni、Co、Mn或他們的組合；B為Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、稀土元素或他們的組合；D為O、F、S、P或他們的組合；E為Co、Mn或他們的組合；F為F、S、P或他們的組合；G為Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V或他們的組合；Q為Ti、Mo、Mn或他們的組合；I為Cr、V、Fe、Sc、Y或他們的組合；J為V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu或他們的組合。

例如，正極活性物質(zhì)可以是LiCoO₂、LiMn_xO_2x(x＝1、2)、LiNi_1-xMn_xO_2x(0<x<1)、LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂(0≤x≤0.5、0≤y≤0.5)或FePO4。

正極活性物質(zhì)組合物中的粘結(jié)劑使正極活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑粘合或者使正 極活性物質(zhì)與集流體粘合?；?00重量份的正極活性物質(zhì)，粘結(jié)劑的量可在大約1重量份至大約50重量份的范圍內(nèi)。例如，基于100重量份的正極活性物質(zhì)，粘結(jié)劑的量可在大約1重量份至大約30重量份、大約1重量份至大約20重量份或者大約1重量份至大約15重量份的范圍內(nèi)。粘結(jié)劑的示例可包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氯乙烯、聚苯并咪唑、聚酰亞胺、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、羧甲基纖維素(CMC)、淀粉、羥丙基纖維素、再生纖維素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、丙烯腈丁二烯苯乙烯、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚苯砜、聚酰胺、聚縮醛、聚苯醚、聚對苯二甲酸丁二醇酯、三元乙丙橡膠(EPDM)、磺化EPDM、丁苯橡膠、氟橡膠和他們的組合，但實施例不限于此。

導(dǎo)電劑可以是通常用于鋰電池的任何導(dǎo)電劑。導(dǎo)電劑的示例可包括：諸如的炭黑、乙炔黑、科琴黑或碳纖維的碳基材料；諸如銅、鎳、鋁或銀的金屬粉末或者金屬纖維的金屬基材料；諸如聚亞苯基衍生物的導(dǎo)電聚合物；或者包括他們的混合物的導(dǎo)電劑?？蛇m當(dāng)?shù)乜刂茖?dǎo)電劑的量。例如，正極活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑的重量比可在大約99:1至大約90:10的范圍內(nèi)。

溶劑的示例包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)、丙酮和水?；?00重量份的正極活性物質(zhì)，溶劑的量可在大約1重量份至大約40重量份的范圍內(nèi)。當(dāng)溶劑的量在該范圍內(nèi)時，可容易地形成活性物質(zhì)層。

接著，除了使負極活性物質(zhì)用作電極活性物質(zhì)之外，可通過使用與制備包括3D多孔集流體的正極相同的方法來制備包括3D多孔集流體的負極50。此外，用于制備負極活性物質(zhì)組合物的粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和溶劑與正極的制備中所限定的相同。

負極活性物質(zhì)可以是本領(lǐng)域通常使用的任何材料。負極活性物質(zhì)的示例可包括鋰金屬、可與鋰合金化的金屬、過渡金屬氧化物、非過渡金屬氧化物和含碳材料。

可與鋰合金化的金屬的示例可包括Si、Sn、Al、Ge、Pb、Bi、Sb、Si-Y合金(其中，Y為堿金屬、堿土金屬、13族元素、14族元素、過渡金屬、稀土元素或他們的組合，但不是Si)以及Sn-Y合金(其中，Y為堿金屬、堿土金屬、13族元素、14族元素、過渡金屬、稀土元素或其組合，但不是Sn)。 元素Y可以是Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Rf、V、Nb、Ta、Db、Cr、Mo、W、Sg、Tc、Re、Bh、Fe、Pb、Ru、Os、Hs、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、Sn、In、Ti、Ge、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Po或他們的組合。

過渡金屬氧化物的示例可包括鋰鈦氧化物、氧化釩和鋰釩氧化物。

非過渡金屬氧化物的示例可包括SnO₂和SiO_x(其中，0<x<2)。

含碳材料的示例可包括結(jié)晶碳、無定形碳和他們的混合物。結(jié)晶碳的示例可包括均呈無定形狀、板狀、片狀、球狀或纖維狀的天然石墨和人造石墨。無定形碳可包括軟碳、硬碳、中間相瀝青碳化物以及煅燒后的焦炭。

接著，可通過使正極活性物質(zhì)組合物成型為特定形狀或者通過使用正極活性物質(zhì)組合物涂覆非多孔正極集流體22以在集流體的至少一個表面上形成正極活性物質(zhì)層24來制備正極20。此外，可通過使負極活性物質(zhì)組合物成型為特定形狀或者通過使用負極活性物質(zhì)組合物涂覆非多孔負極集流體32以在集流體的至少一個表面上形成負極活性物質(zhì)層34來制備負極30。

非多孔正極集流體22和非多孔負極集流體32可均是對電池不產(chǎn)生化學(xué)變化并具有高導(dǎo)電率的獨立的集流體。例如，集流體可由從鋁、銅、鎳、鈦和不銹鋼中選擇的至少一種形成?？赏ㄟ^電鍍或離子沉積利用諸如鎳、銅、鋁、鈦、金、銀、鉑或鈀的涂覆成分來處理鋁、銅、鎳或不銹鋼的表面?？蛇x地，可通過執(zhí)行浸漬或壓制技術(shù)使用納米粒子的涂覆成分來涂覆鋁、銅、鎳或不銹鋼的表面并將其用作基板。在一些實施例中，集流體可包括由涂覆有上述導(dǎo)電材料的非導(dǎo)電材料形成的基底。集流體可在其表面具有不均勻的微小結(jié)構(gòu)，以增強與基板上的活性物質(zhì)層的粘結(jié)力。此外，集流體的厚度可通常在大約10μm至大約30μm的范圍內(nèi)。

接著，可通過按照該描述順序來順序地堆疊最下電極/隔板/至少一個單元堆疊件/隔板/最上電極來制備堆疊式電極組件。

這里，用于制備正極的正極活性物質(zhì)可彼此一致或彼此不同，用于制備負極的負極活性物質(zhì)可彼此相同或彼此不同。

隔板可以是代表性地用于鋰電池的任何隔板。具體地，隔板可包括對電解質(zhì)的離子的遷移具有低阻力并具有優(yōu)異的保留電解質(zhì)溶液的能力的物質(zhì)。例如，隔板可包括從均可以是非織物或織物的玻璃纖維、聚酯、特氟龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)和他們的組合中選擇的物質(zhì)。隔板可具 有在大約0.01μm至大約10μm的范圍內(nèi)的孔徑以及在大約5μm至大約300μm的范圍內(nèi)的厚度。當(dāng)隔板的孔徑和厚度在這些范圍之內(nèi)時，每單位體積的電池的容量的減少可被減小，并且可確保內(nèi)部短路情況下的安全性。例如，隔板的厚度可在大約8μm至大約30μm的范圍內(nèi)。

然后，可使堆疊式電極組件容納在呈矩形形狀或圓筒形狀的殼體中，并且，可將電解質(zhì)注射到殼體中，從而完成鋰電池的制造。

這里，電解質(zhì)可包括無水電解質(zhì)和鋰鹽。無水電解質(zhì)的示例可包括無水電解質(zhì)溶液和有機固態(tài)電解質(zhì)。

無水電解質(zhì)溶液的示例可以是非質(zhì)子有機溶劑，非質(zhì)子有機溶劑的示例可包括N-甲基-2-吡咯烷酮、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸亞丁酯、碳酸二甲脂(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、γ-丁內(nèi)酯(GBL)、1,2-二甲氧基乙烷(DME)、四氫呋喃(THF)、2-甲基四氫呋喃、二甲亞礬(DMSO)、1,3-二氧戊環(huán)(DOL)、甲酰胺、二甲基甲酰胺、二氧戊環(huán)、乙腈、硝基甲烷、甲酸甲酯、乙酸甲酯、磷酸三酯、原甲酸三甲酯、二氧戊環(huán)衍生物、環(huán)丁砜、甲基環(huán)丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、碳酸丙烯酯衍生物、四氫呋喃衍生物、乙醚、丙酸甲酯和丙酸乙酯。

有機固態(tài)電解質(zhì)的示例可包括聚乙烯衍生物、聚氧化乙烯衍生物、聚氧化丙烯衍生物、碳酸酯聚合物、聚攪拌賴氨酸(poly agitation lysine)、聚酯硫化物、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯以及包括離子分解基團的聚合物。

鋰鹽可以是鋰電池中通常使用的任何鋰鹽，并可溶于包含鋰鹽的無水電解質(zhì)。例如，鋰鹽可包括從LiCl、LiBr、LiI、LiClO₄、LiBF₄、LiB₁₀Cl₁₀、LiPF₆、LiCF₃SO₃、LiCF₃CO₂、LiAsF₆、LiSbF₆、LiAlCl₄、CH₃SO₃Li、CF₃SO₃Li、(CF₃SO₂)₂NLi、氯硼酸鋰(lithium chloroborate)、低脂肪族碳酸鋰、四苯基硼酸鋰和亞氨基鋰中選擇的至少一種。

此外，電解質(zhì)溶液可包括碳酸亞乙烯酯(VC)或碳酸苯鄰二酚(CC)以在負極的表面上形成并保持SEI層。可選地，電解質(zhì)可包括諸如n-丁基二茂鐵或鹵代本的氧化還原穿梭型添加劑，以防止電池的過充電?？蛇x地，電解質(zhì)可包括用于形成諸如苯基環(huán)己烷或聯(lián)苯的膜的添加劑。可選地，電解質(zhì)可包括諸如冠醚化合物的陽離子受體以及諸如硼基化合物的陰離子受體，以改善導(dǎo)電特性。可選地，電解質(zhì)可包括諸如磷酸三甲酯(TMP)、三(2,2,2-三氟乙基)磷酸酯(TFP)或者六甲氧基環(huán)三磷腈(HMTP)的磷酸基化合物作 為阻燃劑。

在一些實施例中，為了通過在電極的表面上輔助形成穩(wěn)定的SEI層或薄膜來進一步改善鋰電池的安全性，電解質(zhì)還可包括添加劑，所述添加劑的示例可包括三(三甲基硅烷基)磷酸酯(TMSPa)、二氟草酸硼酸鋰(LiFOB)、丙磺酸內(nèi)酯(PS)、丁二腈(SN)、LiBF₄、具有官能團(可與例如丙烯醛基、氨基、環(huán)氧基、甲氧基或乙烯基形成硅氧烷鍵)的硅烷化合物以及諸如六甲基二硅氮烷的硅氨烷。具體地，添加劑可以是丙磺酸內(nèi)酯(PS)、丁二腈(SN)或LiBF₄。

例如，可通過將諸如LiPF₆、LiClO₄、LiBF₄或LiN(SO₂CF₃)₂的鋰鹽添加到包括諸如EC或PC的環(huán)狀碳酸酯(高電介質(zhì)溶劑)以及諸如DEC、DMC或EMC的線性碳酸酯(低黏度溶劑)的混合溶劑來制備電解質(zhì)。

鋰電池具有良好的壽命特性和高效率特性，因此可用于電動車輛(EV)。例如，鋰電池可用于諸如插電式混合動力車輛(PHEV)的混合動力車輛。此外，鋰電池可適于需要高輸出、高電壓和高溫度可操作性的電動自行車、電動工具以及全部其他用途。

鋰電池可以是鋰二次電池。

現(xiàn)在將參照下面的示例更詳細地描述一個或更多個實施例。然而，這些示例不意圖限制一個或更多個實施例的范圍。

示例1

(包括3D多孔集流體的負極的制備)

將具有大約90μm的厚度的Cu泡沫(可購于)制備成3D多孔集流體。此外，將98wt％的作為負極活性物質(zhì)的石墨(可購于上海杉杉)和2wt％的作為粘結(jié)劑的SBR(可購于Zeon)混合在作為溶劑的N-甲基吡咯烷酮中，以制備負極活性物質(zhì)組合物。將負極活性物質(zhì)組合物涂敷到Cu泡沫上以允許負極活性物質(zhì)組合物滲入到Cu泡沫的孔中，并使所得物干燥以制備具有大約90μm的厚度的負極。

(正極的制備)

將97.5wt％的作為正極活性物質(zhì)的LiCoO₂(可購于Umicore)、1wt％的作為導(dǎo)電劑的炭黑(產(chǎn)品名稱：ECP，可購于Lion)和1.5wt％的作為粘結(jié)劑 的PVdF(產(chǎn)品名稱：Solef，可購于Solvay)混合，以制備正極活性物質(zhì)組合物。將由此制備的活性物質(zhì)組合物涂敷在具有大約15μm的厚度的鋁箔集流體的兩個表面上，并進行干燥和壓制，從而制備了具有大約120μm的厚度的正極。

(電極組件的制備)

制備由聚乙烯(PE)膜(可購于Toray)形成的隔板。如圖3所示，使負極、隔板、如上所述制備的正極、隔板、如上所述制備的負極、隔板、如上所述制備的正極、隔板以及如上所述制備的包括3D多孔集流體的負極按照描述的順序來順序地堆疊，以制備電極組件。

(鋰二次電池的制備)

將電極組件容納在袋狀殼體中，然后，使通過將1.3M的LiPF₆添加到包括體積比1:1:1的碳酸亞乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合溶劑中而制備的電解質(zhì)注射到殼體中來制備袋狀的鋰二次電池。

示例2

(包括3D多孔集流體的正極的制備)

將具有大約150μm的厚度的Al泡沫(可購于)制備成3D多孔集流體。此外，使97.5wt％的作為正極活性物質(zhì)的LiCoO₂(可購于Umicore)、1wt％的作為導(dǎo)電劑的炭黑(產(chǎn)品名稱：ECP，可購于Lion)和1.5wt％的作為粘結(jié)劑的PVdF(產(chǎn)品名稱：Solef，可購于Solvay)混合在作為溶劑的N-甲基吡咯烷酮中，以制備正極活性物質(zhì)組合物。將正極活性物質(zhì)組合物涂敷在Al泡沫上，以允許正極活性物質(zhì)組合物滲入到Al泡沫的孔中，并使所得物干燥，以制備具有大約150μm的厚度的正極。

此外，按照與示例1中相同的方式來制備包括3D多孔集流體的負極、正極和負極。

(電極組件的制備)

制備由聚乙烯(PE)膜(可購于Toray)形成的隔板。如圖4所示，使包括3D多孔集流體的負極、隔板、如上所示制備的正極、隔板、如上所述 制備的負極、隔板、如上所述制備的正極、隔板、如上所述制備的負極、隔板、如上所示制備的正極、隔板、如上所述制備的負極、隔板以及如上所述制備的包括3D多孔集流體的正極按照描述的順序來順序地堆疊以制備電極組件。

(鋰二次電池的制備)

將電極組件容納在袋狀殼體中，然后，使通過將1.3M的LiPF₆添加到包括體積比1:1:1的碳酸亞乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合溶劑中而制備的電解質(zhì)注射到殼體中，以制備袋狀的鋰二次電池。

對比示例1

除了利用在示例1中通過使用Cu箔集流體而制備的負極來代替包括3D多孔集流體的負極之外，按照與示例1中相同的方式來制備鋰電池。

對比示例2

除了使用包括3D多孔集流體的負極來代替負極并且使用示例2中制備的包括3D多孔集流體的正極來代替正極之外，按照與示例1中相同的方式來制備鋰電池。

對比示例3

除了使用在示例1中通過使用Cu箔集流體而制備的負極來代替包括3D多孔集流體的負極并且使用在示例1中通過使用Al箔集流體而制備的正極來代替包括3D多孔集流體的正極之外，按照與示例2中相同的方式來制備鋰電池。

對比示例4

除了使用包括3D多孔集流體的負極來代替負極并且使用包括3D多孔集流體的正極來代替正極之外，按照與示例2中相同的方式來制備鋰電池。

評價示例1：鋰電池的容量和能量密度測量

為了測試鋰電池的不可逆容量是否減小，在大約25℃時以0.2充電率(C rate)的恒流模式(CC模式)對示例1和2以及對比示例1、2、3和4中制備的鋰二次電池進行充電，直到電壓達到大約4.3V的充電終止電壓(相對于Li)，并在使電壓保持在4.3V時以恒壓模式(CV模式)進行充電，直到電流達到0.05充電率(C rate)。然后，以0.2C的恒流模式對電池進行充電，直到3.0V的充電終止電壓。接著，測量在示例1和2以及對比示例1、2、3和4中制備的鋰二次電池的容量和能量密度，并將結(jié)果示出在表1中。

表1

如表1所示，當(dāng)最下電極和最上電極是包括3D多孔集流體的電極時，包括所述最上電極和最下電極的電池的容量和能量密度可比不具有包括3D多孔集流體的電極的電池(對比示例1和3)的容量和能量密度或者僅具有包括3D多孔集流體的電極的電池(對比示例2和4)的容量和能量密度更好。

如上所述，根據(jù)上面的一個或更多個實施例，鋰電池可通過包括堆疊式電極組件而具有增加了的容量和改善了的能量密度，其中，包括3D多孔集流體的電極位于電極組件的最上面和/或最下面。

應(yīng)當(dāng)理解的是，這里所描述的示例性實施例應(yīng)當(dāng)僅僅被理解為描述性的含義，而非限制的目的。在每個示例性實施例中的特征或方面的描述應(yīng)當(dāng)通常被理解為可用于其他示例性實施例中的其他相似特征或方面。

雖然已經(jīng)參照附圖描述了一個或更多個示例性實施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，在不脫離權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可在這里進行形式和細節(jié)上的各種改變。