[发明专利]微结构化电极结构

说明书

技术领域

本发明一般涉及在储能装置中使用的结构、包含该结构的储能装置、以及制造该结构和能量设备的方法。

背景技术

摇椅或插入式二次电池是一种储能装置，其中诸如锂、钠或钾离子的载体离子(carrier ion)通过电解质在阳极和阴极之间移动。二次电池可包括单个电池单体(battery cell)，或者两个以上的被电耦合以形成电池的电池单体，其中每个电池单体包括阳极、阴极和电解质。

在摇椅电池单体中，阳极和阴极二者都包括这样的材料，载体离子在其中插入和抽出。当电池单体被放电时，载体离子从阳极被抽出并被插入到阴极中。当电池单体被充电时，发生相反的过程：载体离子从阴极被抽出并被插入到阳极中。

图1示出了诸如非水锂离子电池的现有储能装置的电化学叠层(electrochemical stack)的横截面图。电化学叠层1包括阴极集电体2，阴极层3被装配在阴极集电体2的顶上。该阴极层被微孔分隔体(microporous separator)4覆盖，在微孔分隔体4上放置有阳极集电体5和阳极层6的组合。该叠层有时候被位于阳极集电体5上方的另一个分隔体层(未示出)覆盖，被卷绕和填塞成罐状，并用非水电解质填充以组装成二次电池。

阳极和阴极集电体共用来自各个活性电化学电极的电流，并使得电流能够传输到电池外面的环境。阳极集电体的一部分与阳极活性材料物理接触，而阴极集电体的一部分与阴极活性材料接触。集电体不参与电化学反应，且因此被限制为在用于阳极和阴极的各自的电化学电位范围内电化学性稳定的材料。

为了使得集电体将电流带到电池外面的环境，其被典型地连接到接头(tab)、终端(tag)、封装馈通(feed-through)或外壳馈通(典型地被统称为接触(contact))。接触部的一端连接到一个或多个集电体，而另一端穿过电池封装，以电连接到电池外部的环境。通过焊接、压接(crimp)或超声波接合，或者用导电胶在适当的位置粘合，阳极接触部被连接到阳极集电体，而阴极接触部被连接到阴极集电体。

在充电过程中，锂离开阴极层3，并且作为锂离子穿过分隔体4而进入到阳极层6中。根据所使用的阳极材料，锂离子插入(例如，位于阳极材料的基质中而不形成合金)或形成合金。在放电过程中，锂离开阳极层6，穿过分隔体4，并进入到阴极层3。集电体将电子从电池接触部(未示出)传导到电极，或反之亦然。

现有的储能装置，例如电池、燃料电池单体和电化学电容器，典型地具有如图1所示例的二维层压结构(例如平面或螺旋卷绕压层)，其中每个压层的表面积大致等于其几何足迹(footprint)(忽略孔隙率和表面粗糙度)。

在文献中已提出了三维电池，作为改善电池容量和活性材料利用率的手段。已提出相比于二维层压电池结构，三维结构可被用来提供更大的表面积和更高的能量。由于从较小的几何区域可获得的增加的能量，制造三维储能装置有益处。参见例如Rust等人的WO2008/089110以及Long等人的“Three-Dimensional Battery Architectures”,Chemical Reviews,(2004),104,4463-4492。

也已提出了新的阳极和阴极材料，作为改善能量密度、安全性、充电/放电率以及二次电池循环寿命的手段。一些这样的新的高容量材料——例如锂电池中的硅、锂或锡阳极——具有显著的体积膨胀，其在锂插入和抽出期间引起现有的电子集电体的分解和剥落。已提出了例如硅阳极用作含碳电极的替代物，因为硅阳极具有为锂电池应用提供显著更大的每单位体积基质材料的能量的能力。参见例如Konishiike等人的美国专利公开No.2009/006856以及Kasavajjula等人的“Nano-and Bulk-Silicon-Based Insertion Anodes for Lithium-Ion Secondary Cells,”Journal of Power Sources163(2007)1003-1039。锂被插入到阳极中时硅化锂的形成导致了显著的体积变化，这会导致阳极的裂纹形成和粉碎。结果，随着电池被反复充放电，电池容量会降低。