硅占主导的阳极电池中的电极的直接涂覆的制作方法

硅占主导的阳极电池中的电极的直接涂覆
1.优先权要求
2.本专利申请引用、要求2019年5月30日提交的美国临时专利申请第62/854,935号和2019年11月13日提交的美国专利申请第16/683,241号的优先权和权益。以上确定的申请通过援引整体并入本文。
技术领域
3.本公开内容的方面涉及能量产生和存储。更具体地，本公开内容的某些实施方式涉及用于直接涂覆硅占主导的阳极电池中的电极的方法和系统。


背景技术：

4.常规蓄电池技术可能存在各种问题。就此而言，用于设计和制造蓄电池阳极的常规系统和方法(如果存在)可能是昂贵的、笨重的和/或低效的，例如，它们可能实施起来复杂和/或耗时，并且可能限制蓄电池使用寿命。
5.通过将这种系统与如本技术的其余部分中参考附图所阐述的本公开内容的一些方面进行比较，常规和传统方法的其它限制和缺点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。


技术实现要素：

6.提供了用于直接涂覆硅占主导的阳极电池中的电极的系统和方法，基本上如至少一个附图中所示出的和/或结合至少一个附图所描述，如在权利要求书中更完整地阐述的。
7.根据以下描述和附图，将更全面地理解本公开内容的这些和其它优点、方面和新特征，以及其所示实施方案的细节。
附图说明
8.图1是根据本公开内容的示例性实施方案的具有硅占主导的阳极的蓄电池的图。
9.图2例示出根据本公开内容的示例性实施方案的示例性硅占主导的阳极。
10.图3是根据本公开内容的示例性实施方案的用于直接涂覆电极的方法的流程图。
11.图4例示出根据本公开内容的示例性实施方案的高容量连续辊对辊热处理系统的侧视图。
12.图5例示出根据本公开内容的另一个示例性实施方案的示例性高容量连续分批辊对辊热处理系统的侧视图。
13.图6例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有多条生产线的示例性辊对辊热系统的俯视图。
14.图7例示出根据本公开内容的示例性实施方案的在单个集电器上具有多条混合物带的电极辊的实施方案的俯视图。
15.图8是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆
的辊对辊方法生产的电极的电池的电压分布的图。
16.图9是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的容量保持率性能的图。
17.图10是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的在循环寿命期间在100％soc(充电状态)下电池厚度增长的图。
18.图11是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的充电速率的图。
19.图12是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的容量随快速充电循环衰减的图。
20.图13是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的归一化容量保持率的图。
具体实施方式
21.图1是根据本公开内容的示例性实施方案的具有硅占主导的阳极的蓄电池的图。参考图1，示出了蓄电池100，所述蓄电池100包括夹置在阳极101与阴极105之间的隔板103，以及集电器107a和107b。还示出了联接至电池100的负载109，例示出当电池100处于放电模式时的情况。在本公开内容中，术语“蓄电池”可以用于指示单个电化学电池，形成为模块的多个电化学电池和/或形成为组件的多个模块。
22.便携式电子装置的发展和运输的电气化驱动了对高性能电化学能量存储的需求。相对于其它可充电蓄电池化学品，小规模(<100wh)至大规模(>10kwh)装置由于锂离子(li离子)蓄电池的高性能而主要使用锂离子蓄电池。
23.阳极101和阴极105，连同集电器107a和107b，可以包括电极，所述电极可以包括在电解质材料内或容纳电解质材料的板或膜，其中板可以提供用于容纳电解质的物理屏障以及与外部结构的导电接触。在其它实施方案中，阳极/阴极板浸没在电解质中，同时外壳提供电解质容纳。阳极101和阴极电联接至集电器107a和107b，集电器107a和107b包含金属或其它导电材料用于提供与电极的电接触以及在形成电极时对活性材料的物理支撑。
24.图1中所示的配置例示出处于放电模式的蓄电池100，而在充电配置中，可以用充电器代替负载107以逆转该过程。在一类蓄电池中，隔板103通常是由例如电绝缘聚合物制成的膜材料，这防止电子从阳极101流到阴极105，或者反之亦然，同时是足够多孔的以允许离子穿过隔板103。通常，隔板103、阴极105和阳极101材料分别形成为片、膜或活性材料涂覆的箔。将阴极、隔板和阳极的片依次堆叠或轧制，使隔板103将阴极105与阳极101分隔，以形成蓄电池100。在一些实施方案中，隔板103是片并且通常在其制造中采用卷绕方法和堆叠。在这些方法中，阳极、阴极和集电器(例如，电极)可以包括膜。
25.在示例性情形中，蓄电池100可以包含固体、液体或凝胶电解质。隔板103优选不溶于典型的蓄电池电解质，例如可以包含以下的组合物：碳酸亚乙酯(ec)、氟碳酸亚乙酯(fec)、碳酸亚丙酯(pc)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸甲乙酯(emc)、碳酸二乙酯(dec)等以及溶解的libf4、liasf6、lipf6和liclo4等。隔板103可以用液体或凝胶电解质润湿或浸泡。此外，在示例性实施方案中，隔板103在低于约100℃至120℃不熔化，并且表现出足够的机械性质
用于蓄电池应用。在操作中，蓄电池可以经历阳极和/或阴极的膨胀和收缩。在示例性实施方案中，隔板103可以膨胀和收缩至少约5％至10％而不失效，并且还可以是柔性的。
26.隔板103可以是足够多孔的，使得一旦用例如液体或凝胶电解质润湿，离子就可以穿过隔板。替代地(或额外地)，即便没有显著的孔隙度，隔板也可以通过胶凝或其它方法吸收电解质。隔板103的孔隙度通常也不会太多孔以致允许阳极101和阴极105通过隔板103传递电子。
27.阳极101和阴极105包括用于蓄电池100的电极，提供与用于在充电和放电状态下传递电荷的装置的电连接。例如，阳极101可以包含硅、碳或这些材料的组合。典型的阳极电极包含碳材料，其包括诸如铜片的集流器。碳是常用的，因为碳具有优异的电化学性质并且还是导电的。目前在可充电锂离子电池中使用的阳极通常具有约200毫安小时/克的比容量。用于大多数锂离子蓄电池阳极的活性材料石墨具有372毫安小时/克(mah/g)的理论能量密度。相比之下，硅具有4200mah/g的高的理论容量。为了增加锂离子蓄电池的体积能量密度和重量能量密度，硅可以用作阴极或阳极的活性材料。硅阳极可以由例如具有超过50％的硅的硅复合物形成。
28.在示例性情况下，阳极101和阴极105存储用于分离电荷的离子，例如锂。在该实例中，电解质在放电模式下将带正电的锂离子从阳极101携带到阴极105，例如如图1中所示，并且反之亦然，在充电模式下通过隔板105。锂离子的运动在阳极101中产生自由电子，这在正集电器107b处产生电荷。然后电流从所述集电器通过负载109流到负集电器107a。隔板103阻挡蓄电池100内的电子流动，允许锂离子流动，并且防止电极之间的直接接触。
29.当蓄电池100放电并且提供电流时，阳极101释放锂离子经由隔板103到达阴极105，从而产生从一侧经由联接的负载109到另一侧的电子流动。当对蓄电池充电时，发生相反的情况，其中锂离子被阴极105释放并且由阳极101接收。
30.为阳极101和阴极105选择的材料对于蓄电池100可能的可靠性和能量密度是重要的。当前锂离子蓄电池的能量、功率、成本和安全性需要改善，以便例如与内燃机(ice)技术竞争并且允许电动车辆(ev)的广泛采用。随着高容量且高电压阴极、高容量阳极以及具有高电压稳定性和与电极的界面兼容性的功能性不可燃电解质的开发，实现了高能量密度、高功率密度和改善的安全性的锂离子蓄电池。此外，将具有低毒性的材料作为蓄电池材料对降低工艺成本和促进消费者安全性是有利的。
31.电化学电极的性能虽然取决于许多因素，但很大程度上取决于电极颗粒之间以及集电器与电极颗粒之间的电接触的稳健性。硅阳极电极的导电性可以通过掺入具有不同形态性质的导电添加剂来控制。炭黑(super p)、气相生长碳纤维(vgcf)以及两者的混合物先前已经单独地掺入到阳极电极中，导致阳极性能的改善。两种碳材料之间的协同相互作用可以促进在充电和放电期间硅阳极的大体积变化中的电接触。
32.现有技术的锂离子蓄电池通常采用石墨占主导的阳极作为锂的插层材料。然而，与石墨占主导的锂离子蓄电池相比，硅占主导的阳极提供了改善。硅表现出高的重量容量(3579mah/g相对于石墨的372mah/g)和体积容量(2194mah/l相对于石墨的890mah/l)。此外，基于硅的阳极相对于li/li

具有在约0.3v至0.4v的锂化/去锂化电压平台，这使其保持开路电势，避免了不希望的li电镀和枝晶形成。虽然硅显示出优异的电化学活性，但由于硅在锂化和去锂化期间的大体积变化，实现基于硅的阳极的稳定循环寿命具有挑战性。硅区
域可能失去与阳极的电接触，因为大的体积变化与其低电导率相结合将硅与阳极中的周围材料分开。
33.此外，大的硅体积变化加剧了固体电解质中间相(sei)的形成，这可以进一步导致电绝缘，从而导致容量损失。在充电
‑
放电循环时硅颗粒的膨胀和收缩引起硅颗粒的粉碎，这增加了其比表面积。随着循环间期硅表面积变化和增加，sei反复地解体和重组。因此，sei在循环期间不断地积聚在粉碎的硅区域周围，变成厚的电子和离子绝缘层。这种累积的sei增加了电极的阻抗并且降低了电极电化学反应性，这对循环寿命是有害的。
34.图2例示出根据本公开内容的示例性实施方案的示例性硅占主导的阳极。参考图2，示出了集电器201、任选的粘合剂203和活性材料205。然而，应注意，粘合剂203可以存在或不存在，例如取决于使用的阳极制造工艺的类型，因为粘合剂不必存在于其中活性材料直接形成在集电器上的直接涂覆工艺中。
35.在示例性情况下，活性材料205包括在粘结剂材料和溶剂中的硅颗粒，活性材料205被热解以将粘结剂转变成玻璃碳，所述玻璃碳提供在硅颗粒周围的结构框架并且还提供导电性。可以使用任选的粘合剂203将活性材料联接至集电器201。集电器201可以包括金属膜，例如铜、镍或钛，但根据所需的拉伸强度可以使用其它导电箔。此外，集电器201可以进行表面处理/涂层以具有粗糙的表面来增加集电器201与活性材料205之间的粘合性。
36.图2还例示出接枝到并且锂化活性材料205的锂颗粒。如图2中所示，集电器201具有厚度t，厚度t可以基于具体实施方式而变化。就此而言，在一些实施方式中可以使用较厚的箔，而在另一些实施方式中使用较薄的箔。例如，对于铜，示例性较厚的箔的厚度可以大于6μm，例如10μm或20μm，而较薄的箔的厚度可以小于6μm。
37.在示例性情况下，当使用粘合剂时，粘合剂203包括诸如聚酰亚胺(pi)、聚丙烯酸(paa)或聚酰胺
‑
酰亚胺(pai)的聚合物，其提供活性材料膜205与集电器201的粘合强度，同时还提供与集电器201的电接触。根据所需的强度，可以使用其它粘合剂，只要它们可以在加工后提供具有足够导电性的粘合强度即可。如果使用提供更强的、更刚性的结合的粘合剂203，假定集电器也是强的，则在x和y方向上的膨胀可以更加受限。相反，更柔性和/或更厚的粘合剂可以允许更多的x
‑
y膨胀，降低阳极膨胀的各向异性性质。
38.图3是根据本公开内容的示例性实施方案的用于直接涂覆电极的方法的流程图。该方法包括将活性材料、导电添加剂、溶剂和粘结剂物理混合在一起，并且将其直接涂覆在集电器上。该示例性方法包括直接涂覆方法，其中使用诸如cmc、sbr、藻酸钠、pai、paa、pi及其混合物和组合的粘结剂将阳极浆料直接涂覆在铜箔上。
39.在步骤301中，可以使用粘结剂/树脂(例如pi、pai)、溶剂和导电碳来混合原始电极活性材料。例如，石墨烯/vgcf(按重量计1:1)可以在声处理下分散在nmp中，持续例如1小时，随后添加super p(与vgcf和石墨烯为1:1:1)并且进行额外的声处理，持续例如45分钟至75分钟。然后可以在球磨机中在例如1000rpm下持续指定时间，将具有所需粒度的硅粉分散在聚酰胺酸树脂(在n
‑
甲基吡咯烷酮(nmp)中的15％固体)中，然后可以添加共轭碳/nmp浆料并且在例如2000rpm下持续另一预定时间进行分散，以实现2000cp至4000cp的浆料粘度和约30％的总固体含量。可以改变粒度和混合时间以配置活性材料的密度和/或粗糙度。
40.在步骤303中，浆料可以以例如2mg/cm2至5mg/cm2的负载量涂覆在箔上，其可以在步骤305中进行干燥，产生小于0至20％的残留溶剂含量。在步骤307中，可以使用任选的压
延工艺，其中可以使用一系列硬压辊来将膜/衬底修整成更平滑且更致密的材料片。
41.在步骤309中，活性材料可以通过加热至500℃至800℃来热解，使得碳前驱体部分或完全转化为玻璃碳。在使阳极在400℃或高于400℃进行加热的情况下，热解步骤可以产生具有大于或等于50重量％的硅含量的阳极活性材料。热解可以以辊的形式进行，或者在步骤311中的冲压之前或之后进行。如果以辊的形式进行，则在热解过程之后进行冲压。然后可以用隔板和阴极与电解质一起夹置经冲压的电极以形成电池。
42.在步骤313中，电池可以进行包括初始充电和放电步骤的化成过程，以锂化阳极，其中剩余一些残留的锂。
43.在一些情况下，可能需要缩放电极生产。因此，根据本公开内容的各种实施方式提供了配置用于大容量电极生产的方法和相应设备，特别是配置用于基于直接涂覆的方法。就此而言，根据本公开内容的大容量电极生产方案可以用于生产连续电极形式的基于碳化聚合物作为机械结构的硅占主导的阳极。关于图4至图13描述了这种方法和/或相应系统的实例以及与其相关联的相关特征。
44.图4例示出根据本公开内容的示例性实施方案的高容量连续辊对辊热处理系统的侧视图。图4中示出了系统400，其可以用于大容量辊对辊电极直接涂覆。
45.就此而言，在一些实施方案中，大容量辊对辊电极加工可以基于直接涂覆——即，其中电极(或电极材料)直接涂覆在集电器上。换而言之，在这种方法中，集电器充当携带涂覆的混合物通过生产线的衬底或载体膜，包括在电极的热处理(包括热解加工)期间。
46.根据图4中所示的实施方案，用于提供大容量电极直接涂覆的示例性方法可以包括从前驱体复合辊401输送在集电器405上的前驱体复合膜404(包含例如电极活性材料前驱体和聚合物)。就此而言，前驱体复合辊401可以通过以下制备：在集电器405上涂覆电极混合物，其中涂覆的电极混合物形成(例如，在干燥和固化之后)前驱体复合膜404，并且将其上具有前驱体复合膜404的集电器405卷起以形成前驱体复合辊401。
47.然后将具有涂覆的前驱体复合膜404的集电器405输送通过热处理炉402，以进行前驱体复合膜404的热处理(例如，热解)。就此而言，尽管图4中没有具体示出，但系统400可以包括适于接合前驱体复合辊401以及适于使具有涂覆的前驱体复合膜404的集电器405从前驱体复合辊401能够输送入热处理炉402中的组件。
48.热处理炉402可以被配置用于以确保形成电极活性材料(例如，将电极活性材料前驱体和聚合物转化成电极活性材料)的方式应用热处理(例如，热解)。此外，因为在直接涂覆中，在热处理期间还存在集电器，所以热处理炉402(以及在其中设立的条件)可以被配置成特别用于以不损坏集电器的方式应用热处理。
49.在前驱体复合膜404输送通过热处理炉402时，前驱体复合膜404被热解，形成复合电极膜406，其可以被卷成复合电极辊403。就此而言，尽管图4中没有具体示出，但系统400可以包括适于接合复合电极辊403以及适于使复合电极膜406从热处理炉402能够输送入复合电极辊403中的组件。
50.在一些实施方案中，热处理炉402填充有惰性气体或还原气体，例如氩气、氮气、氦气、含5％氢气的氩气、含5％氢气的氮气或者这些或其它惰性气氛或还原气氛的混合物。在一些实施方案中，炉402可以具有不同的温度区域。在一些实施方案中，强制或被动冷却可以并入炉402的部分(或可以并入炉402中的气氛隔离室)以控制材料的冷却速率。炉402的
入口和出口可以被设计成保持以上描述的内部气氛并且防止外部空气进入炉。离开炉的材料的温度必须足够低以防止集电器的氧化。
51.用于将混合物涂覆到载体或集电器上的涂覆速度可以是约1m/分钟至约100m/分钟或约60m/分钟至约100m/分钟，优选80m/分钟。在一些实施方案中，热处理长度为约12m至约18m，优选约14m，并且膜上的特定位置在热处理炉中停留的时间量为约1.2分钟至约2分钟，优选约1.5分钟。热处理速度可以是约1m/分钟至约12m/分钟，8m/分钟至约12m/分钟，优选约10m/分钟。
52.图5例示出根据本公开内容的另一个示例性实施方案的示例性高容量分批辊对辊热处理系统的侧视图。图5中示出了系统500，其可以用于基于关于图4描述的方法的替代方法的大容量辊对辊电极直接涂覆。
53.根据图5中例示的实施方案的用于提供大容量电极直接涂覆的示例性方法可以包括将预处理的电极混合物涂覆到集电器上以及干燥和固化阶段以形成前驱体复合膜。如图5中所示，集电器上的前驱体复合膜可以卷成在非反应性耐热芯上的前驱体复合辊501，并且输送通过连续热处理炉502，以进行前驱体复合膜的热处理(例如，热解)。然后，前驱体复合辊501作为复合电极辊503从连续热处理炉502中露出，其可以用于形成电池。就此而言，尽管图5中没有具体示出，但系统500可以包括适于接合前驱体复合辊以及适于使它们在系统内移动，特别是移入炉502、在炉502内部移动和移出炉502的组件。
54.在一些实施方案中，热处理炉502填充有惰性气体或还原气体，例如氩气、氮气、氦气、含5％氢气的氩气、含5％氢气的氮气或者这些或其它惰性气氛或还原气氛的混合物。在一些实施方案中，强制或被动冷却可以设计成炉402的部分(或可以并入炉402中的气氛隔离室)以控制材料的冷却速率。在一些实施方案中，炉会具有不同的温度区域。在一些实施方案中，前驱体复合辊501和复合电极辊503可以放置在热处理炉502的每个端部上的气氛隔离室中，所述气氛隔离室被设计成保持以上描述的内部气氛并且防止外部空气进入炉中。离开炉的材料的温度必须足够低以防止集电器的氧化。.
55.在其中将前驱体复合辊501输送通过连续热处理炉502的一些实施方案中，例如，如图5中所示，热处理长度为约5m至约7m，并且对辊的热处理需要约30分钟至约110分钟，90分钟至约110分钟，优选80分钟。热处理输出为约1辊/小时至约5辊/小时，4.5辊/小时至约5辊/小时，优选约4.8辊/小时。
56.在一些实施方案中，可以支持替代的辊布置(例如，辊在炉内的定向和/或定位)。例如，如图5中所示的替代实施方式所示，辊可以定向成90度并且端对端地行进通过炉。在该具体实例中，辊可以由在圆柱形或其它管状支撑件上的芯支撑并悬挂在其上。
57.图6例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有多条生产线的示例性辊对辊热系统的俯视图。图6中示出了系统600，其可以用于使用多条生产线的大容量辊对辊电极直接涂覆。
58.就此而言，在一些实施方案中，为了进一步增加容量，可以在基于直接涂覆的系统中设置或使用多条生产线，以便同时生产多个复合电极辊。例如，如图6中所示，这种系统可以包括四条生产线，每条生产线基于辊对辊系统来实施，例如关于图4所述的系统。在一些情况下，可以组合在单独的生产线中使用的一些组件(或者，替代地，可以将单个组件用于所有的生产线)。
59.例如，如图6中所示，系统600可以使用输送在四(4)个相应集电器(由于图6是俯视图，所以未示出，但每个类似于图4的集电器405)上的四个前驱体复合膜604(每个类似于图4的前驱体复合膜404)的四(4)个单独的前驱体复合辊601(每个类似于图4的前驱体复合辊401)。就此而言，如关于图4所描述的，在热处理之前用电极前驱体复合膜涂覆每个集电器。
60.然后使用可以基本上类似于图4的炉402(但被配置用于对多个膜例如图6中所示的四(4)个膜应用热解)的单个炉602热处理所有前驱体复合膜604，得到四(4)个对应复合电极膜606(每个类似于图4的复合电极膜406)，所述复合电极膜606可以卷成四(4)个相应复合电极辊603(每个类似于图4的复合电极辊403)。
61.图7例示出根据本公开内容的示例性实施方案的在单个集电器上具有多条电极道的电极辊的实施方案的俯视图。
62.就此而言，在一些实施方案中，辊对辊系统可以被配置成用于制备在单个集电器上具有多个电极道的电极辊。这可以通过在涂覆过程中在集电器上涂覆多个电极道来实现。例如，辊对辊系统，例如关于图4所述的系统，可以被修改以支持多带辊的加工，例如，其中载体膜上的前驱体复合膜具有多条前驱体复合带，并且所述系统被配置成处理膜，使得最终产品将在电极辊中具有多条带。
63.在图7中所示的示例性实施方式中，可以在集电器702上涂覆三个道的混合物。在经过直接涂覆之后，三个道的前驱体复合膜转化为三个单独的电极复合膜。载体或集电器的宽度可以是约300mm至约3200mm，约1300mm至约3200mm。每个涂覆的混合物(以及由此相应的电极复合膜)的宽度703a可以是约100mm至约200mm，约300mm至约800mm，优选约500mm至约650mm，并且每个涂覆的混合物的带之间的距离703b可以是约10mm至约60mm，优选约15mm。
64.在一些实施方式中，使用具有多条混合物带的电极辊可以与使用多条生产线相结合。例如，参考关于图6所示和所述的系统，为了使生产量最大化，可以将每条生产线配置成支持加工具有多条带的电极辊(例如，在单个集流器幅材上涂覆多个道)。
65.尽管图4至图7中没有具体示出，但其中例示和描述的系统包括用于支持在这些系统中执行各种功能的组件(例如，硬件组件、电路等)。系统可以包括例如适于提供监视系统的操作的控制和传感功能的组件(例如，传感器、控制电路等，未示出)。系统还可以包括用于支持和/或促进用户与系统交互的输入/输出子系统(例如，输入装置、输出装置、电路等)。
66.在以上存在炉或热处理炉的任何实施方案中，炉可以用间歇式炉代替，在间歇式炉中，用包含在炉内的待处理的材料加热和冷却单独的炉。可以控制气氛、温度和温度梯度以确保前驱体材料转化为最终复合膜的最佳结果。
67.在存在热处理的任何实施方案中，材料可以由长(>1米)膜加工或卷成更小的部件用于热处理。在一些实施方案中，更小的部件可以呈用于堆叠蓄电池的最终冲压尺寸的形状。在一些实施方案中，部件可以放置在刚性层之间以保持部件平坦。在一些实施方案中，部件可以在层之间堆叠并对准以保持部件平坦。在一些实施例中，层的数量可以限于10、20、30或100个层以确保在热处理过程期间的均匀性。在一些实施方案中，部件之间的刚性层是石墨、陶瓷材料或金属。在一些实施方案中，可以将重物放置在材料叠层的顶部上，以向叠层施加压力，从而确保产生平坦的电极。在一些实施方案中，重物可以是金属，例如钨。
68.如以上所述，根据本公开内容的大容量电极生产方案(例如，关于图4至图7描述的任一系统)可以被特别配置用于促进硅占主导的阳极的生产，如以上所述(例如，参考图1至图3)。就此而言，可以具体控制和/或调节用于这种大容量电极生产方案中的系统和/或材料的各种方面，以确保可以制造这种电极(包括硅占主导的阳极，以及使用这种阳极形成的电池中的相应组件)，并且可以满足任何预定的性能标准。
69.例如，可以适应性调节阳极中的硅的量(例如，通过调节或控制前驱体复合膜的组成和比率)。例如，可以增加硅以增强电极和相应电池的性能。此外，在一些实施方案中，可以使用添加剂(例如，碳添加剂)以改善连续电极膜以及使用它制备的电极的品质。此外，可以适应性设置或调节电极的密度，以提高电极以及包含这些电极的电池的制造品质和/或性能。在各种实施方式中，特定材料和/或比率(或其量)的选择可以基于实验来进行，以确定最佳选择。在一些实施方案中，用于这种大容量电极生产方案中的系统和/或材料可以被配置成增强电极的特定属性。例如，可以调节电极材料的组成以增强电极的柔性，这更适合于基于辊的实施方式。
70.为了确保使用基于大容量辊对辊直接涂覆的方法(例如，如关于图4至图7所述)制成的电极的品质，可以将包括这种电极的电池(下文称为“基于直接涂覆的电池”)及其性能与基线电池(例如，使用基线方法、例如连续分批方法生产的电池)进行比较。例如，基线方法可以包括在载体膜上形成前驱体复合膜，将前驱体复合膜从载体上剥离，将前驱体复合膜切割成用于电极的适当尺寸，将切割的前驱体复合膜部件热解，然后将热解的部件放置在涂覆有聚酰胺
‑
酰亚胺(pai)层的铜箔的两侧上。
71.例如，就电池能量密度而言，基于直接涂覆的电池的电池能量密度优于包括通过基线连续分批方法制备的电极的电池。这例示在表1和表2中，表1示出5l电池的示例性能量密度，表2示出ev电池(550
×
100mm)的示例性建模能量密度：
[0072][0073]
表1
[0074][0075]
表2
[0076]
类似地，对第一循环库仑效率和电压分布，基于直接涂覆的电池表现出与基线电池相当或改善的性能。就此而言，如本文所用，第一循环库仑效率是从电池中提取的容量除以第一次充电到电池中的容量。因此，第一循环库仑效率可以用作化学品在第一个循环中可逆程度的度量，以及用作由于不可逆反应(例如在阳极上的表面sei形成)而损失多少锂的度量。通过如关于图4和图5所述的这种系统生产的基于直接涂覆的电池可以运行得与基
线电池运行的一样好。例如，在类似的测试条件下，基线电池可以具有87.4％至90.1％的初始库仑效率(ice)，而基于直接涂覆的电池具有86.4％至89.4％的ice。
[0077]
使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极，以及包括这种电极的基于直接涂覆的电池在电压分布方面也表现良好。图8是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的电压分布的图。
[0078]
图8中示出的图比较了对应于两个不同组(组801和组803)的电池的电压分布(例如，电压随放电容量而变化)，作为电池性能的量度。就此而言，组801表示基线电池，而组803表示基于直接涂覆的电池。如图8中的图所示，具有使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极的电池具有与基线电池非常相似的电压分布。
[0079]
使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极，以及包括这种电极的基于直接涂覆的电池在循环寿命方面也表现良好。图9是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的容量保持率性能的图。
[0080]
图9所示的图比较了对应于两个不同组(组901和组903)的电池的容量保持率(容量保持率随周期数而变化)，作为周期寿命性能的量度。就此而言，组901表示基线电池，而组903表示基于直接涂覆的电池。在0.5c充电至4.2v和0.5c放电至3.3v(4.2v
‑
3.3v(0.5c/0.5c))测试条件下测量两个电池组的容量保持率。
[0081]
如图9中的图所示，具有使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极的电池表现出与基线电池相当的循环寿命(容量保持率)。
[0082]
使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极，以及包括这种电极的基于直接涂覆的电池在循环期间的厚度增长方面也表现良好。图10是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池，在循环寿命期间在100％soc(充电状态)下电池厚度增长的图。
[0083]
图10中示出的图比较了对应于两个不同组(组1001和组1003)的电池的电池膨胀，作为电池性能的量度。就此而言，组1001表示基线电池，而组1003表示基于直接涂覆的电池。基于电池厚度相对于充电/放电循环数的变化测量两个电池组的电池膨胀。
[0084]
如图10中的图所示，具有使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极的电池与基线电池相比表现出相当或低的电池膨胀。
[0085]
使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极，以及包括这种电极的基于直接涂覆的电池在快速充电能力方面也表现良好。图11是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的充电速率的图。
[0086]
图11所示的图例示出使用不同c
‑
速率(例如，0.33c、0.67c、1c、2c、3c、5c和7c)的基于直接涂覆的电池的充电速率，例如，对于720ma的1c。基于直接涂覆的电池显示出与基线电池类似的快速充电能力。
[0087]
使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极，以及包括这种电极的基于直接涂覆的电池在快速充电寿命循环方面也表现良好。图12是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的容量随快速充电循环衰减的图。
[0088]
图12所示的图比较了对应于两个不同组(组1201和组1203)的电池的容量衰减(基
于电池的容量保持率随快速充电寿命循环(例如，4c，其中4c是例如2880ma)的循环数而变化)，作为周期寿命性能的量度。就此而言，组1201表示基线电池，而组1203表示基于直接涂覆的电池。在4c充电至4.2v和0.5c放电至3.3v(4.2v
‑
3.3v(4c/0.5c))测试条件下测量两个电池组的容量保持率。
[0089]
如图12中的图所示，对快速充电循环，具有使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极的电池具有与基线电池相似的容量衰减。
[0090]
图13是例示出根据本公开内容的示例性实施方案的使用使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法生产的电极的电池的归一化容量保持率的图。
[0091]
图13所示的图比较了对应于两个不同组(组1301和组1303)的电池的归一化容量保持率(例如，到第二个循环)(归一化容量保持率随快速充电寿命循环(例如，4c，其中4c是例如2880ma)的循环数而变化)，作为周期寿命性能的量度。就此而言，组1301表示基线电池，而组1303表示基于直接涂覆的电池。在4c充电至4.2v和0.5c放电至3.3v(4.2v
‑
3.3v(4c/0.5c))测试条件下测量两个电池组的容量保持率。
[0092]
如图13中的图所示，对快速充电循环，具有使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极的电池具有与基线电池相似的归一化容量保持率。就此而言，碳
‑
硅复合阳极相对于本领域的石墨电池可能具有主要优势，因为石墨电池在4c充电时由于锂电镀而通常显示出非常快的衰减。
[0093]
使用基于大容量直接涂覆的辊对辊方法制成的电极，以及包括这种电极的基于直接涂覆的电池在结构特性和物理特性方面也表现良好。例如，使用基于大容量辊对辊直接涂覆的系统(例如，图4的系统400)制造的硅占主导的阳极在柔性方面表现良好，这可以基于阳极的可弯曲性来测量或测试。例如，在使用系统400制造的具有10μm的厚度的cu箔的复合电极膜可以是足够柔性的，使得当卷起时(例如，使用外径(o.d.)为2mm、4mm和5mm的杆)，它们可以容易地被卷起且不会破裂。
[0094]
根据本公开内容的用于连续辊对辊电极加工的示例性系统包括配置成用于接收至少一个前驱体复合辊的一个或多个组件，所述前驱体复合辊包括涂覆在集电器上的前驱体复合膜，以及热处理炉，所述热处理炉用于向前驱体复合辊应用热处理，以将前驱体复合膜转化为涂覆在集电器上的热解复合膜；其中所述系统被配置成用于以连续方式加工前驱体复合辊。
[0095]
在示例性实施方案中，热处理炉被配置成在还原气氛中应用热处理。
[0096]
在示例性实施方案中，热处理炉被配置成产生还原气氛相关条件，所述还原气氛相关条件包括惰性气氛、真空、一种或多种还原气体流中的至少一种。
[0097]
在示例性实施方案中，系统还包括配置成用于使前驱体复合辊移动通过热处理炉的一个或多个移动组件。
[0098]
在示例性实施方案中，系统还包括配置成用于将具有涂覆的前驱体复合膜的集电器从前驱体复合辊输送入热处理炉中的一个或多个输送组件。
[0099]
在示例性实施方案中，一个或多个输送组件被配置成用于将具有涂覆的热解复合膜的集电器从热处理炉输送入复合电极辊中。
[0100]
在示例性实施方案中，热处理炉被配置成用于在多个温度区域中的每一个中应用热处理。
[0101]
在示例性实施方案中，热处理炉被配置成用于在多个温度区域中的至少两个不同的温度区域中应用不同的热处理。
[0102]
在示例性实施方案中，热处理炉被配置成用于在热处理炉的至少一部分中应用冷却。
[0103]
在示例性实施方案中，热处理炉包括一个或多个气氛隔离室。
[0104]
根据本公开内容的用于连续辊对辊电极加工的示例性方法包括对集电器膜应用至少一个前驱体复合膜；将集电器膜卷成前驱体复合辊；以及对集电器膜应用热处理，其中热处理被配置成用于将至少一个前驱体复合膜转化为热解复合膜。应用热处理包括以下之一或两者：对前驱体复合辊整体应用热处理；以及在具有涂覆的至少一个前驱体复合膜的集电器膜从前驱体复合辊连续输送时，对具有涂覆的至少一个前驱体复合膜的集电器膜应用热处理
[0105]
在示例性实施方案中，方法还包括在还原气氛中应用热处理。
[0106]
在示例性实施方案中，方法还包括在热处理期间产生还原气氛相关条件，所述还原气氛相关条件包括惰性气氛、真空、一种或多种还原气体流中的至少一种。
[0107]
在示例性实施方案中，方法还包括在热处理期间使前驱体复合辊整体移动通过热处理炉。
[0108]
在示例性实施方案中，方法还包括在热处理期间将具有涂覆的前驱体复合膜的集电器从前驱体复合辊输送入热处理炉中。
[0109]
在示例性实施方案中，方法还包括将具有涂覆的热解复合膜的集电器卷成复合电极辊。
[0110]
在示例性实施方案中，方法还包括在多个温度区域中的每一个中分别应用热处理。
[0111]
在示例性实施方案中，方法还包括在多个温度区域中的至少两个不同的温度区域中不同地应用热处理。
[0112]
在示例性实施方案中，热处理包括应用冷却。
[0113]
如本文所用，“和/或”意指列表中由“和/或”连接的任何一个或多个项目。作为实例，“x和/或y”意指三个要素集合{(x),(y),(x,y)}中的任何要素。换而言之，“x和/或y”意指“x和y中的一个或两个”。作为另一个实例，“x、y和/或z”意指七个要素集合{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何要素。换而言之，“x、y和/或z”意指“x、y和z中的一个或多个”。如本文所用，术语“示例性”意指用作非限制性实例、例子或示例。如本文所用，术语“例如(for example)”和“例如(e.g.)”引出一个或多个非限制性实例、例子或示例的列表。
[0114]
如本文所用，术语“电路(circuits)”和“电路(circuitry)”是指物理电子组件(例如，硬件)，以及可以配置硬件、由硬件执行和/或以其它方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所用，例如，特定处理器和存储器(例如，易失性或非易失性存储器装置、通用计算机可读介质等)可以包括在执行第一的一行或多行代码时的第一“电路”，并且可以包括在执行第二的一行或多行代码时的第二“电路”。另外，电路可以包括模拟电路和/或数字电路。这种电路可以例如对模拟信号和/或数字信号进行操作。应理解，电路可以在单个装置或芯片中，在单个主板上，在单个机箱中，在单个地理位置处的多个外壳中，在
分布在多个地理位置上的多个外壳中等。类似地，术语“模块”可以例如是指物理电子组件(例如，硬件)，以及可以配置硬件、由硬件执行和/或以其它方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。
[0115]
如本文所用，每当电路或模块包括执行功能所必需的硬件和代码(如果需要的话)时电路或模块“可操作”地执行该功能，而不管该功能的执行是否被禁用或未启用(例如，通过用户可配置的设置、工厂修整等)。
[0116]
本发明的其它实施方案可以提供其上存储有具有可由机器和/或计算机执行的至少一个代码段的机器代码和/或计算机程序的非暂时性计算机可读介质和/或存储介质，和/或非暂时性机器可读介质和/或存储介质，从而使机器和/或计算机执行如本文所述的方法。
[0117]
因此，根据本发明的各种实施方案可以以硬件、软件或硬件和软件的组合实现。本发明可以以集中的方式实现在至少一个计算系统中，或者以其中不同的元件分布在几个互连的计算系统中的分布的方式实现。适于执行本文所述的方法的任何类型的计算系统或其它设备均是合适的。硬件和软件的典型组合可以是具有程序或其它代码的通用计算系统，所述程序或其它代码在被加载和执行时控制计算系统，使得其实施本文所述的方法。另一个典型的实现方式可以包括专用集成电路或芯片。
[0118]
根据本发明的各种实施方案也可以被嵌入到计算机程序产品中，所述计算机程序产品包括能够实现本文所述的方法的所有特征，并且当被加载到计算机系统中时能够实施这些方法。本文中的计算机程序意指旨在引起具有信息处理能力的系统直接或在以下任一项或两项之后执行特定功能的任何语言、代码或符号的一组指令的任何表达：a)转换成另一种语言、代码或符号；b)以不同的材料形式再现。
[0119]
尽管已经参考某些实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不旨在局限于公开的具体实施方案，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。