[发明专利]电化学电池的柔性电极

说明书

技术领域

本发明涉及电化学电池领域，特别涉及电化学电池的电极。而且，本发明还涉及具有高度机械柔韧性和存储容量的薄膜电池以及制造电化学电池的电极的方法。

背景技术

在众多不同的电池种类中，存在一种所谓的薄膜电池。这些电池由厚度在几纳米或几微米范围的薄材料构成，这使得电池总厚度可在1mm或者更薄。所以它们可展示较小的尺寸，因此可应用于广大范围的各种用途。通常，这样的电池或者电化学电池可制成任何想要的形状。它们可以叠放、并排使用，通常提供相当大的能量密度。

薄电化学电池还可提供特殊的机械柔韧性。因此，它们通常是可弯曲的，并在一定程度上可发生弹性形变。该性质对于经受机械压力的可靠的便携产品（如智能卡等）来说非常重要。

电化学电池通常包括阳极，阳极集流器，阴极，阴极集流器，在阳极和阴极之间延展的分隔器，以及电解质。另外，为了提供所需的机械柔韧性，阳极和阴极集流器以及夹在它们之间的电极都需要提供相应的柔韧属性。

二次电池，如锂离子电池，通常包括与电极相接触的集流器。电极之一，通常是阴极，包含有电活性材料，如LiCoO₂或LiFePO₄，这些材料以粉末形式或者纳米微粒集合体的形式提供。此外，此类电极的复合材料还包含导电添加剂，通常是以石墨粒子或者碳黑的形式，用来优化和提高电极的导电性。

此外，还提供粘合剂，用来将电极组成的成分一起保持在一个机械稳定结构。通常，聚合物粘合剂如PVDF或CMC基本上是电绝缘的，因此可以降低电极的导电性。

另外，常规电极相当易于弯折并且对弯折相当敏感。对于多数可买到的电极，当弯折几次后就会出现一些退化，例如至少在其表面上出现裂缝或者断裂，导致电气性能的突然损失。常规电极的另一种常见退化途径是粉末材料的磨耗，导致电气性能的逐渐损失。

因此，本发明的一个目标是提供一种改善的电化学电池的电极和对应的电化学电池，它们较不易反复弯折或者折叠操作，并对反复弯折或者折叠操作较不敏感。本发明的另一个目标是提供一种具有更高体积能量密度的改善的电化学电池。另外，该电化学电池的内部结构应该相当简洁、紧凑，其产品应该具有成本效率。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种电化学电池的电极。该电极含有纤维电活性材料。因此，电极（阴极和/或阳极）的电活性材料以纤维形式提供。因此，纤维活性电极材料，也称纤维电活性材料，能够传导带正电荷的离子和电子并与之反应，或者至少与带正电荷的离子和电子相互作用。另外，形成电活性材料的纤维被布置形成无纺布或者毡样自我支撑结构（felt-like self-supporting structure）。

通过将纤维活性电极材料布置成无纺布或者无纺织物类的形式，可在没有任何粘合剂的情况下实现机械稳定的和自我支撑的电极结构。因此，电极的总体导电性不再由于粘合剂成分而降低。所以，也不再需要使用导电添加剂。而且，电极可以不仅含有一种类型的纤维活性电极材料，还可包括几种不同的纤维活性电极材料，它们被布置形成无纺布或者毡样自我支撑结构。通过这种方式，可以获得只含有纤维活性电极材料而不含有其他任何添加剂的电极。然而，在纤维材料导电性差的情况下，导电添加剂也是可以使用的。

使用纤维活性电极材料不仅对于特别薄或者细丝样的排布有帮助，而且还提供了整个电极理想的弹性和柔韧性。纤维活性电极材料的无纺布或者毡样自我支撑结构可使电极具有抗磨损的弯曲和弯折，即使在相当小的弯曲半径的情况下。另外，纤维无纺电极与颗粒材料相比，更加不易磨损。

在一个优选的实施方案中，活性电极材料的纤维的平均纤维长度在2μm到200μm的范围，优选在5到100μm的范围，在更优选的实施方案中，在10μm到50μm的范围。

在另一个实施方案中，活性电极材料的纤维的平均纤维直径在10nm和400nm之间，优选在50nm和250nm之间，更优选在100和200nm之间。

在给定的平均纤维长度和平均纤维直径的情况下，活性电极材料的纤维可以机械上啮合或交织，以形成机械稳定的自我支撑结构，甚至在不使用粘合剂的情况下。

在一个更加优选的实施方案中，平均纵横比（aspect ratio），即纤维长度与纤维直径的平均比例在20和1000之间，优选在50和200之间，更优选在100和150之间。