压延电极及其制造方法与流程

1.本公开涉及电池单元，更具体地，涉及用于车辆的电池单元的集电器。


背景技术：

2.对于车载电池，由于电极的密度和孔隙率缺乏空间变化，较厚的集电器或电极导致活性材料的使用性降低。减少电极内部弯曲度的当前方法是可以接受的。然而，还可以可以进行改进。


技术实现要素：

3.因此，在当前的压延电极达到其预期目的的同时，仍然需要用于制造电池单元的压延电极的新的和改进的系统和方法。
4.根据本公开的一个方面，提供了一种用于制造用于电池单元的压延电极的方法。在该实施例中，该方法包括引入涂覆电极，该涂覆电极具有在其上延伸的第一表面。涂覆电极具有用于离子传输的预定密度的活性材料。在该实施例中，该方法还包括，通过图案化第一表面选择性改性涂覆电极，以限定具有第一部分和第二部分的图案化电极。在选择性改性步骤之后，该方法还包括通过压延第一表面压缩图案化电极，以提供具有第一密度的活性材料的第一部分和具有第二密度的活性材料的第二部分。第二密度大于第一密度，以限定具有活性材料密度的空间变化的压延电极。
5.在该方面的另一个实施方案中，选择性改性步骤包括通过减性图案化(subtractive patterning)第一表面从图案化电极中选择性地去除一定体积的活性材料，以在压缩步骤期间引起压延电极密度的面内(in-plane)空间变化。在该实施例中，减性图案化包括激光图案化和点状图案化中的一种。
6.又在另一实施例中，在选择性改性步骤之前，该方法还包括在约70摄氏度至约150摄氏度的温度下干燥涂覆电极约0分钟至约60分钟。
7.再在另一实施方案中，在选择性改性步骤之前，该方法还包括部分干燥涂覆电极。部分干燥步骤包括将涂覆电极在约70摄氏度至150摄氏度之间加热约0分钟至约30分钟。此外，在选择性改性步骤之后，该方法还包括完成干燥图案化电极。完成干燥步骤包括将图案化电极在约70摄氏度至150摄氏度之间加热约20分钟至约40分钟。在一个示例中，在部分干燥之后，选择性改性涂覆电极步骤包括冲压第一表面以布置涂覆电极的形貌，从而在压缩步骤期间允许在压延电极的密度中的面内空间变化。
8.在另一实施例中，第一密度是预定密度。
9.仍在另一实施例中，第一密度是在约40％至约60％的活性材料之间，且第二密度是在约60％至约90％的活性材料之间。
10.仍在另一实施例中，压缩步骤包括以预定线速度，预定力，预定间隙和预定温度压延第一表面。在一个示例中，预定线速度在每分钟约0.1至约150米之间，预定力在约1至约10兆帕斯卡之间，预定间隙在约0.015毫米(mm)至约0.2毫米之间，且预定温度在约环境温
度至约80摄氏度之间。
11.在另一实施例中，第一部分包括多个第一部分，并且其中第二部分包括多个第二部分。
12.在本公开的另一方面，提供一种制造用于电池单元的压延电极的方法。在一个实施例中，该方法包括引入具有在其上延伸的第一表面的涂覆电极。涂覆电极具有用于离子传输的预定密度的活性材料。在该实施例中，该方法还包括干燥涂覆电极。该方法还包括通过图案化涂覆电极选择性改性涂覆电极，以限定具有第一部分和第二部分的图案化电极。另外，在选择性改性步骤之后，该方法进一步包括通过压延具有第一密度的活性材料的第一部分和具有第二密度的活性材料的第二部分压缩图案化电极。在该实施例中，第二孔隙率(porosity)小于第一孔隙率以限定具有空间变化的孔隙率的压延电极。
13.在一实施例中，选择性改性步骤包括通过减性图案化从第一表面选择性地去除一定体积的活性材料，以在压缩步骤期间引起压延电极密度在面内空间变化。
14.在另一实施例中，干燥步骤包括将涂覆电极在约70摄氏度至约150摄氏度之间加热约0分钟至约60分钟。
15.在另一实施方案中，干燥步骤包括部分干燥涂覆电极，在选择性改性步骤之后，进一步包括完成干燥图案化电极。在这个示例中，选择性改性第一表面步骤包括冲压第一表面以布置涂覆电极的形貌，从而在压缩步骤期间允许压延电极的密度的面内空间变化。
16.在一实施例中，第一孔隙率是预定孔隙率，并且是在约40％至约60％之间的多孔性，其中第二孔隙率是在约10％至40％之间的多孔性。
17.仍在本公开的另一方面，提供一种用于电池单元的集电器。在一个实施例中，集电器包括压延电极，该压延电极包括具有第一密度的活性材料的选择性改性的第一部分和具有第二密度的活性材料的选择性改性的第二部分。在该实施例中，第二密度大于第一密度，用于活性材料密度的空间变化，以增强压延电极内部的离子传输。
18.在另一实施例中，第一部分包括多个第一部分，且第二部分包括多个第二部分，用于增强压延电极内部的离子传输。
19.根据本文提供的描述，其它应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
20.本文描述的附图仅出于说明的目的，而无意以任何方式限制本公开的范围。
21.图1是根据本公开的一个实施例的制造用于电池单元的压延电极的方法的流程图。
22.图2a是图1中方法的涂覆电极的透视图。
23.图2b是图2a中的涂覆电极的截面图。
24.图3a是图1中图案化电极和根据本公开的另一实施例的透视图。
25.图3b是图3a中图案化电极的截面图。
26.图4a是图1中方法的压延电极的透视图。
27.图4b是图4a中方法的压延电极的截面图。
28.图5是根据图1中方法的压延设备的图。
29.图6是根据本公开另一个实施例的制造用于电池单元的压延电极的方法的流程图。
30.图7a是用于图6方法中的冲压工具的示意图。
31.图7b是用于图6方法中另一个冲压工具的示意图。
32.图8a是根据本公开的一个示例的部分干燥电极的截面图。
33.图8b是由图7a中冲压工具图案化的电极的截面图。
34.图8c是从图8a中图案化电极压延的电极的截面图。
35.图9a是根据本公开的另一示例部分干燥电极的截面图。
36.图9b是由图7b中冲压工具图案化的电极的截面图。
37.图9c是从图9b中图案化电极压延的电极的截面图。
具体实施方式
38.以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开、应用或用途。
39.根据本公开的各方面，提供了一种制造用于电池单元的压延电极的方法10。如图1-2b所示，在框12中，方法10包括导入涂覆电极14的步骤，其中涂覆电极具有在其上延伸的第一表面15。在该示例中，涂覆电极14具有用于离子传输的预定密度和孔隙率的活性材料4。如图2b所示，涂覆电极14包括设置在其中的活性材料16，该活性材料由空隙18隔开。涂覆电极14中的活性材料16和空隙18限定了涂覆电极14的密度，进而限定了涂覆电极14的孔隙率。即，涂覆电极14内较高的活性材料含量提供了较高密度的活性材料和较低孔隙率的涂覆电极14。然而，较低的活性材料含量提供了较低密度的活性材料和较高孔隙率的涂覆电极14。
40.如图1所示，在框20中，方法10还包括干燥涂覆电极14的步骤。干燥步骤20在约70摄氏度至约150摄氏度之间的温度下进行约0分钟至约60分钟之间的时间，因而限定了干燥的电极。更优选地，干燥步骤20在约75摄氏度至约105摄氏度之间的温度下进行约0分钟至约60分钟之间，此步骤更为优选。干燥步骤20包括任何合适方式，通过比如用本领域已知的加热器加热涂覆电极。在该实施方案中，干燥度可以以固体重量百分比来定量。例如，通过比较干燥步骤20之前涂覆电极14的重量和干燥步骤20之后干燥电极的重量来测量干燥度。例如，在干燥步骤20之前，涂覆电极14可具有约40％至约90％固体的干燥度。干燥步骤20之后，干燥电极具有约90％至约100％固体的重量。
41.参照图1、图3a和图3b，在框22中，方法10还包括通过图案化第一表面15以限定图案化的电极24来选择性改性干燥电极的步骤。如图3a和3b所示，在选择性改性干燥电极之后，图案化电极24优选具有多个第一部分26和多个第二部分28。在该示例中，选择性改性步骤22包括通过减性图案化第一表面15从干燥的电极中选择性地去除一定体积的活性材料16。如图3a和3b所示，减性图案化通过从干燥电极的第一表面15去除的活性材料的体积的限定，提供了活性材料16的图案。结果，在压缩步骤(下面讨论)期间，减性图案化引起压延电极的密度(或孔隙率)的面内空间变化。在一个示例中，减性图案化可以包括激光图案化和点状图案化中的一种，但是可以包括在不脱离本公开的精神或范围的情况下从干燥的电极选择性地去除一定体积的活性材料的任何其它合适的方式。
42.如图1所示，在选择性改性步骤22之后，在框32中，方法10进一步包括，通过压延第
一表面15以提供具有第一密度(或孔隙率)的活性材料16的第一部分26和第二密度(或孔隙率)的活性材料16(图4b)的第二部分28来压缩图案化电极的步骤24。在该示例中，在压缩步骤32之后，第二密度大于第一密度以限定具有活性材料密度或孔隙率的空间变化的压延电极42。
43.参考图4b，第一部分26具有在约40％至约60％之间的活性材料的第一密度。此外，第二部分28具有在约60％至约90％之间，优选地在约65％至约75％之间的活性材料的第二密度。
44.在一个示例中，压延步骤可以包括压延设备34(图5)，该压延设备具有在空间上布置成限定间隙40的一对辊36和38，通过该间隙40设置图案化的电极24。在该示例中，将辊设计为可操作地接收并压缩图案化电极24以限定压延电极42。应当理解，间隙40与图案化电极24的厚度不同。即，间隙通常小于现有技术中已知的图案化电极的厚度。还应理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以使用任何其它合适的机构来压缩图案化电极。
45.在上述示例中，压缩步骤32包括以预定线速度v
cal
，预定力fn，预定间隙40和预定温度t压延第一表面15。优选地，预定线速度在每分钟约0.1米至约150米之间，且更优选地在每分钟约1.0米至约60米之间。此外，预定力在大约1至大约10兆帕斯卡之间。而且，预定间隙在约0.015毫米(mm)至4毫米之间，并且更优选地在约0.100毫米至约0.250毫米之间。此外，预定温度在约环境温度至约80摄氏度之间，且优选在约环境温度至约50摄氏度之间。优选地但非必须地，第一部分26包括多个第一部分26，且第二部分28包括多个第二部分28。此外，图案化电极的第一部分(或第二部分)的密度由ρc,o表示，且压延电极的第二部分的密度由ρc,表示。
46.根据本公开的各方面，在图6中提供了制造用于电池单元的压延电极的另一种方法50。如所示，在框中52，方法50包括引入涂覆电极(见图2a和2b)，该涂覆电极具有在其上延伸的第一表面。在该示例中，涂覆电极具有用于离子传输的预定孔隙率(或密度)的活性材料。
47.如图6所示，在框54中，方法50还包括部分干燥涂覆电极以限定部分干燥的电极55(图8a)的步骤。在该示例中，部分干燥步骤54包括将涂覆电极在约70摄氏度至约150摄氏度之间加热约0分钟至约30分钟。更优选地，部分干燥步骤54包括将涂覆电极在约70摄氏度至约105摄氏度之间加热约0分钟至约30分钟。部分干燥步骤54可以采用任何合适的事物，比如通过用本领域已知的加热器加热，可以部分地干燥涂覆电极。如之前各方面所讨论的，干燥度可以通过固体重量百分比来定量。例如，可以通过比较部分干燥步骤54之前的涂覆电极的重量和部分干燥步骤54之后的部分干燥的电极55的重量来测量干燥度。例如，在部分干燥步骤54之前，涂覆电极可具有约30％至约45％之间的固体的干燥度。在部分干燥步骤之后，部分干燥的电极55可以具有约50％至约75％之间的固体重量。
48.参考图6，在框56中，方法50还包括通过图案化第一表面选择性改性部分干燥电极55的步骤，以限定图案化电极58。如图8b所示，在对部分干燥电极55的选择性改性步骤56之后，图案化电极58优选地具有多个第一部分60和多个第二部分62。
49.在该示例中，选择性改性步骤56可以包括对部分干燥电极55的第一表面进行冲压(图7a和7b)以布置电极的预定形貌，从而在压缩步骤中(如下所述)允许在压延电极密度的面内空间变化。当部分干燥时，电极处于活性物质可以流动的物理状态，从而允许在不影响
其孔隙率(或密度)下允许电极的结构重新排列。因此，在将涂覆的电极部分干燥之后，可以使用冲压工具64(图7a)对部分干燥的电极55的第一表面进行冲压以在其上形成预定图案，从而限定图案化电极58。结果，冲压将在压缩期间(讨论如下)引起压延电极的密度(或孔隙率)的面内空间变化。应当理解，布置涂覆电极的预定形貌可包括在不脱离本公开的精神或范围的情况下通过结构地改性或重新布置部分干燥的电极内部的活性材料的任何其它合适方式。
50.此外，在选择性改性步骤56之后，在框66中，方法50包括完成干燥图案化电极步骤58，以限定完成干燥电极。完成干燥步骤66可包括任何合适的方式，例如通过用本领域已知的加热器加热，完成干燥图案化电极58。在完成干燥步骤66之后，完成干燥电极58可以具有约75％至约100％之间的固体重量。在该示例中，完成干燥步骤66包括将图案化电极在约70摄氏度至约150摄氏度之间加热约20分钟至约40分钟，并且更优选在约75摄氏度至约105摄氏度之间加热约20至约40分钟。
51.如图1所示，在完成干燥步骤之后，在框68中，方法50还包括通过压延第一表面压缩完成干燥电极的步骤，以提供具有第一密度(或孔隙率)的活性材料的第一部分60和具有第二密度(或孔隙率)的活性材料(图8c)的第二部分62。在该示例中，在压缩步骤68之后，第二孔隙率小于第一孔隙率以限定具有空间变化的孔隙率的压延电极。在一个示例中，第一孔隙率是预定孔隙率，并且在约40％至约60％孔隙率之间。而且，第二孔隙率在约10％至约40％孔隙率之间。
52.因此，第二密度大于第一密度以限定具有空间变化的活性材料密度(或孔隙率)的压延电极。参照图8c，第一部分60优选地具有约40％至约60％之间的活性材料的第一密度。在该示例中，第一部分60可以具有约60％至40％之间的孔隙率。另外，第二部分62优选地具有在约60％到约90％之间的活性材料的第二密度。在该示例中，第二部分62可以具有在约40％至约10％之间的孔隙率。
53.在一个示例中，压延步骤可以包括与图5所示的压延设备相同或相似的压延设备。如图所示，压延设备具有在空间上布置以限定间隙的一对辊，通过该间隙设置图案化电极。在图5中，将辊设计为可操作地接收并压缩电极，因而限定压延电极。然而，应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以使用任何其它合适的机构来压缩图案化电极。
54.在上述示例中，压缩步骤68包括以预定线速度，预定力，预定间隙和预定温度压延第一表面。优选地，预定线速度在每分钟约0.1米至约150米之间，且更优选地在每分钟约1.0米至约60米之间。此外，预定力在约1至约10兆帕斯卡之间。而且，预定间隙在约0.015毫米(mm)至4毫米之间，并且更优选地在约0.100毫米至约0.250毫米之间。此外，预定温度在约环境温度至约80摄氏度之间，且优选在约环境温度至约50摄氏度之间。优选地但非必须地，第一部分60包括多个第一部分，且第二部分62包括多个第二部分。
55.参考图7b，冲压工具65是销形的，将其设计成在电极的第一表面上形成槽形图案。在该示例中，如图9b所示，在选择性改性步骤56期间，穿过第一表面上形成了至少一个槽。冲压将在压缩期间(如上讨论)引起压延电极的密度或孔隙率的面内空间变化。此外，在压缩步骤68期间，如图9b所示在第一表面上形成的槽形图案将提供孔隙率和密度的梯度变化。即，在压缩步骤68之后，提供具有第一梯度孔隙率和第一梯度密度的第一梯度部分60以及具有第二梯度孔隙率和第二梯度密度的第二梯度部分62。在该示例中，第一梯度孔隙率
可以在约50％至约40％孔隙率之间，且第一梯度密度可以在约50％至约60％密度之间。另外，第二梯度孔隙率可以在约40％至约15％孔隙率之间，且第二梯度密度可以在约60％至约85％的密度之间。
56.根据本公开的又一方面，提供了一种用于电池单元的集电器。在该实施例中，集电器包括压延电极42(图4a和图4b)，其包括具有第一密度的活性材料的选择性改性的第一部分26和具有第二密度的活性材料的选择性改性的第二部分28。优选地，对于活性材料密度的空间变化，第二密度大于第一密度，以增强压延电极内部的离子传输。在一个优选实施例中，第一部分26包括多个第一部分，且第二部分28包括多个第二部分，用于增强压延电极内部的离子传输。
57.参考图4b，第一部分26优选地具有在约40％至约60％之间的第一密度的活性材料。另外，第二部分28优选地具有在约60％至约90％之间的第二密度的活性材料。另外，第一孔隙率优选是在约40％至约60％之间的多孔性。此外，第二孔隙率优选是在约10％至约40％之间的多孔性。
58.本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不背离本公开的范围或精神的变型旨在本公开的范围内。这样的变化不应被视为背离本公开的精神和范围。