[发明专利]三维结构电极、其制造方法和包括其的电化学装置

权利要求书

1.一种三维结构电极，包括：

(a)上导电层和下导电层，所述上导电层和所述下导电层具有这样的结构，即，包括多根聚合物纤维的多孔无纺布和导电材料三维地、不规则地且连续地连接，以形成在其中形成有互连孔隙结构的聚集体结构；和

(b)活性材料层，所述活性材料层形成与所述上导电层和所述下导电层相同的聚集体结构，其中电极活性材料颗粒均匀地填充在形成于所述活性材料层的所述聚集体结构中的互连孔隙结构中，从而形成三维填充结构，

其中所述活性材料层形成在所述上导电层与所述下导电层之间，

所述上导电层和所述下导电层的孔隙率小于所述活性材料层的孔隙率，

其中所述上导电层和所述下导电层分别具有所述活性材料层的厚度的3％至30％的厚度，并且

其中所述上导电层和所述下导电层的孔隙率是5体积％至80体积％。

2.根据权利要求1所述的三维结构电极，其中所述三维结构电极的厚度是3μm至1000μm。

3.根据权利要求1所述的三维结构电极，其中以所述上导电层或所述下导电层的总重量为基准，所述上导电层或所述下导电层包括10重量％至50重量％的导电材料和50重量％至90重量％的多孔无纺布。

4.根据权利要求1所述的三维结构电极，其中所述导电材料是选自由碳纳米管、银纳米线、镍纳米线、金纳米线、石墨烯、石墨烯氧化物、还原石墨烯氧化物、聚吡咯、聚3,4-乙烯二氧噻吩、聚苯胺、它们的衍生物和它们的混合物构成的群组中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的三维结构电极，其中构成所述多根聚合物纤维的聚合物是选自由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚砜、聚偏二氟乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、琼脂糖、藻酸盐、聚乙二烯六氟丙烯、聚氨酯、尼龙6、聚吡咯、聚3,4-乙烯二氧噻吩、聚苯胺、它们的衍生物和它们的混合物构成的群组中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的三维结构电极，其中所述活性材料颗粒是选自由锂金属氧化物、碳质材料、氧化物、硅(Si)、锡(Sn)、锗(Ge)、硫(S)、它们的衍生物和它们的混合物构成的群组中的一种或多种。

7.一种制造根据权利要求1所述的三维结构电极的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)制备包括聚合物和溶剂的聚合物溶液；

(b)制备包括导电材料、分散剂和分散介质的第一胶体溶液；

(c)制备在所述第一胶体溶液中进一步包括活性材料颗粒的第二胶体溶液；

(d)使用所述聚合物溶液、所述第一胶体溶液和所述第二胶体溶液制备三维结构纤维；和

(e)压制所述三维结构纤维，以获得三维结构电极，

其中步骤(d)包括：

将所述聚合物溶液和所述第一胶体溶液同时纺丝以制备下导电层；

将所述聚合物溶液和所述第二胶体溶液在所述下导电层的顶部上同时纺丝以制备活性材料层；以及

将所述聚合物溶液和所述第一胶体溶液在所述活性材料层的顶部上同时纺丝以制备上导电层。

8.根据权利要求7所述的方法，其中通过使用选自由双重静电纺丝、双重静电喷雾、双重喷雾和它们的组合构成的群组中的一种方法执行步骤(d)。

9.根据权利要求7所述的方法，其中在步骤(d)中，所述聚合物溶液的纺丝速率是2μl/min至15μl/min，并且

其中所述第一胶体溶液和所述第二胶体溶液的纺丝速率是30μl/min至300μl/min。

10.根据权利要求7所述的方法，其中以所述第一胶体溶液的总重量为基准，所述第一胶体溶液包括0.1重量％至50重量％的所述导电材料。

11.根据权利要求7所述的方法，其中以所述聚合物溶液的总重量为基准，所述聚合物溶液包括5重量％至30重量％的所述聚合物。