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CN112602229B - 具有碳涂覆隔离层的混合锂离子电容器电池及其制造方法 - Google Patents

具有碳涂覆隔离层的混合锂离子电容器电池及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种混合锂离子电容器电池及其制造方法。混合锂离子电容器电池包括通过隔离物层与负电极隔开的正电极。第一活性炭层设置在隔离物层与正负电极之一之间。第一活性炭层涂覆在隔离物层的第一表面上。第二活性炭层设置在隔离物层与正负电极之一之间。第二活性炭层设置在隔离物层的第二表面上。第一集电器共同延伸地接触第一电极，并且第二集电器共同延伸地接触第二电极。电解液穿过涂有活性炭的隔离物层在正电极和负电极之间携带锂阳离子。

Description

具有碳涂覆隔离层的混合锂离子电容器电池及其制造方法
技术领域
本公开总体上涉及一种电容器辅助电池，并且更具体地，涉及一种具有活性炭涂覆隔离物的混合锂离子电容器电池及其制造方法。
背景技术
可再充电锂离子电池众所周知用在消费电子应用中，从小型电子设备比如手机到大型电子设备比如笔记本电脑。典型的锂离子电池由阳极层，阴极层以及将阳极层和阴极层分开的隔离物层形成。锂离子电池还包括电解质，该电解质经配制以在对锂离子电池进行充电或放电时在阴极层和阳极层之间携带锂阳离子(Li+)。
由于锂离子电池的理想特性，比如与镍氢、镍镉或铅酸电池相比，具有保持相对较高的能量密度的能力，以及在多个循环中完全或部分充电和放电而不保留充电记忆的能力，锂离子电池的使用已扩展到更大的电动设备，比如混合动力汽车和电动汽车。对于这种较大的应用，需要具有高能量和高功率密度容量的可再充电电池。
因此，在锂离子电池达到其预期目的的同时，在高充电和放电速率的运输技术领域中，既需要具有通常与锂离子电池相关的高能量密度、又需要电容器的高功率密度、以及能经历许多充电循环的长使用寿命。
发明内容
本公开在几个方面上公开了一种电池。该电池包括具有第一表面的隔离物层，与隔离物层的第一表面间隔开的第一电极以及设置在隔离物和第一电极之间的第一活性炭层。
在本公开的另一方面，其中第一活性炭层与第一电极接触。
在本公开的另一方面，电池还包括第一集流器，该第一集流器具有与第一电极共同延伸地接触的导电箔。
在本公开的另一方面，第一活性炭层涂覆在隔离物层的第一表面上。
在本公开的另一方面，该电池还包括涂覆在隔离物层的第一表面上的陶瓷层。活性炭层涂覆在陶瓷层上，使得陶瓷层夹在隔离物层和活性炭层之间。
在本公开的另一方面，电池还包括与隔离物的第二表面间隔开的第二电极，其中，隔离物层的第二表面面向与第一表面相反的方向，第二活性炭层设置在第二电极和隔离物层的第二表面之间，并且第二集电器具有与第二电极共同延伸地接触的导电箔。
在本公开的另一方面，第二活性炭层与第二电极接触。
在本公开的另一方面，第二活性炭层涂覆在隔离物层的第二表面上。
在本公开的另一方面，电池还包括第二电极和第二活性炭层。第一活性炭层涂覆在隔离层的第一表面上并与第一电极直接接触。第二活性炭层涂覆在隔离物层的与第一表面相对的第二表面上，并与第二电极直接接触。
在本公开的另一个方面，第一电极和第二电极中的一个包括锂基活性材料，并且第一电极和第二电极中的另一个包括石墨。
本公开在几个方面上还公开了一种用于电池的涂覆隔离物层。涂覆隔离物层包括隔离物薄片，该隔离物薄片具有多孔惰性聚合物材料，该多孔惰性聚合物材料具有第一表面和与该第一表面相邻的活性炭涂层。
在本发明的另一个方面，活性炭涂层直接与隔离物薄片的第一表面接触。
在本公开的另一方面，涂覆隔离物层还包括在隔离物薄片的第一表面上的陶瓷涂层。活性炭涂层位于陶瓷层上，以便将陶瓷涂层夹在活性炭涂层和隔离物薄片之间
在当前公开的另一方面，隔离物薄片的厚度为约20微米，活性炭涂层的厚度为约0.5至25微米，并且陶瓷涂层的厚度为约0.5至5微米
在本公开的另一方面，隔离物薄片包括沿着隔离物薄片的多个活性炭涂层段。
本公开在几个方面上还公开了一种制造电池的方法。该方法包括以下步骤：将第一类型的电极放置在绕A轴旋转的堆叠平台上；将隔离物薄片的第一部分放置在第一类型电极上，从而覆盖第一类型电极，其中该隔离物薄片包括涂覆有活性炭层的第一表面；并且将第一类型电极和隔离物薄片的第一部分绕A轴缠绕，从而将隔离物薄片的第二部分前进到堆叠平台上。
在本公开的另一方面，该方法还包括以下步骤：将第一第二类型电极放置在隔离物薄片的第二部分上；将第一第二类型的电极和隔离物薄片的第二部分绕A轴缠绕，从而将隔离物薄片的第三部分前进到堆叠平台上。将第二第二类型电极放置在隔离物薄片的第三部分上；并且绕A轴缠绕第二第二类型电极和隔离物薄片的第三部分，使得第一类型电极夹在第一第二类型电极和第二第二类型电极内。
在本公开的另一方面，第一表面沿隔离物薄片涂覆有多段活性炭层。
在本公开的另一方面，活性炭层与第一类型电极和第一第二类型电极中的至少一个直接接触。
在本公开的另一方面，第一类型电极是阴极和阳极中的一个，并且第二类型电极是阴极和阳极中的另一个。
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
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。
图1是根据示例性实施例的混合锂离子电容器电池的示意图；
图2是根据示例性实施例的层压混合锂离子电容器电池的单元结构的示意图；。
图3A-3C是根据示例性实施例的制造混合锂离子电容器电池的方法的实施方式的示意图；
图4A-4B是制造混合锂离子电容器电池的方法的替代实施例的示意图；
图5A-5F是制造混合锂离子电容器电池的方法的另一个替代实施方式的示意图。
图6A-6B是制造具有不连续活性炭涂层的隔离物的方法的示意图；以及
图7A-7C是制造具有不连续活性炭涂覆的隔离物的混合锂离子电容器电池的方法的示意图。
具体实施方式
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。参照附图公开了图示的实施例，其中，在所有几幅图中，相同的数字表示相同或相应的部分。附图不一定按比例绘制，并且某些特征可能被放大或最小化以示出特定特征的细节。所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而应作为教导本领域技术人员如何实践所公开概念的代表性基础。
图1示出了根据示例性实施例，总体由附图标记100表示混合锂离子电容器电池的示意图。混合锂离子电容器电池(也被称为混合动力电池100)包括通过隔离物层106与负电极104隔开的正电极102。第一活性炭层109a设置在正电极102和隔离物层106之间。第一活性炭层109a与正电极102直接接触。第二活性炭层109b设置在隔离物层106与负电极之间。第二活性炭层109b与负电极104直接接触。混合动力电池100中设有电解质溶液，比如合适的有机溶液中的六氟磷酸锂(LiPF6)，以穿过隔离物层106和两个活化碳层109a和109b在正电极102和负电极104之间携带锂阳离子(Li+)。
正电极102与正电极集电器108电连接，正电极集电器108与正电极接线片110电连接。类似地，负电极104与负电极集电器112电连接，负电极集电器112与负电极接线片114电连接。为了图示和说明的清楚，示出了与具有可逆电压电势V的简单电路116电耦合的正电极接线片110和负电极接线片114。电路116可以包括耗电和发电设备。耗电装置是由混合动力电池100供电的装置，比如电动或混合动力车辆的电动机之类，使得混合动力电池100放电。相反，发电装置是对混合动力电池100进行充电的装置，比如充电设施的充电插座或混合动力车辆的交流发电机。
当混合动力电池100至少部分地充电时，负电极104比正电极102包含更多量的嵌入锂离子(Li+)，并且当第一活性炭层109a包含一定量的比如六氟磷酸根阴离子(PF6-)的吸附阴离子时，第二活性炭层109b包含一定量的吸附锂离子(Li+)。随着混合动力电池100的放电，包括正电极102和第一活性炭层109a的正电极侧与包括负电极104和第二活性炭层109b的负电极侧之间的电化学电势差，驱动负电极104中包含的嵌入锂离子(LI+)的氧化以及从活性炭中的锂离子(Li+)和PF6-的解吸附。由该氧化反应产生的自由电子(e-)和从活性炭109b的Li+的脱附由负电极集电器112收集并提供给负电极接线片114。自由电子流(e-)被采用并通过电路116从负电极接线片114到正电极接线片110，最后通过正电极集电器108到达正电极102和第一活性炭层109a。
当混合动力电池100放电时，与自由电子(e-)从负电极104通过电路116流到正电极102的同时，锂离子(Li+)从第二活性炭层109b解吸，PF6-从第一活性炭层109a释放。锂离子(Li+)由液体电解质溶液携带穿过隔离物层106而达正电极102。可以连续或间歇地从负电极接线片114到正电极接线片110提供通过电路116的自由电子流(e-)，直到负电极104耗尽了嵌入锂并且混合动力电池100的容量消耗完。
通过将源自发电装置的外部电压施加至混合动力电池100可以对混合动力电池100进行充电或重新供电以使在放电期间发生的电化学反应逆转，施加的外部电压迫使包含在正电极102中的嵌入锂以其它方式非自发地氧化，以产生自由电子(e-)和锂离子(Li+)。自由电子(e-)由正侧集电器108收集并提供给正接线片110。自由电子流(e-)被引向负接线片114，并最终通过负电极集流器112引向负电极104。锂离子(Li+)在液体电解质溶液中穿过隔离物层106被同时携带到达负电极104。锂离子(Li+)和自由电子(e-)最终重新结合，并向负电极104补充嵌入锂，以为混合动力电池100下一次放电做准备。
当上述电池充电时，正电极102和负电极104的作用类似于传统电池，但是第一活性炭层109a将吸附阴离子PF6-，第一活性炭层109a的自由电子(e-)被正侧集电器108收集并且提供给正接线片110。自由电子流(e-)被引向负接线片114，并通过负电极集流器112最终到达第二活性炭层109b。在放电过程中，由第二活性炭层109b释放的锂离子(Li+)产生的自由电子(e-)被负电极集电器112收集，并提供给负接线片114。自由电子流(e-)被采用并通过电路116从负接线片114到正电极集电器110。同时，PF6-被解吸到第一活性炭层109a。
换句话说，当活性炭用作正电极102的一部分时，电解质中的阴离子比如PF6-在充电期间将吸附在第一活性炭层109a的表面上。然而，当活性炭用作负电极104的一部分时，锂离子(Li+)在充电期间将吸附在第二活性炭层109b的表面上。在放电过程中，PF6-和Li+从活性炭中脱附。尽管当锂离子(Li+)穿过活性炭时，仅极小部分的锂离子(Li+)会吸附在表面上，由于活性炭的表面积很大，这仅是物理过程。
图2示出了混合动力电池100的混合动力电池单元的示意图，总体上由附图标记200表示。混合动力电池单元200包括正电极层202，负电极层204以及夹在正电极层202和负电极层204之间的涂覆隔离物层205。正电极集电器208嵌入在正电极层202内，并且负电极集电器212嵌入在负电极层204内。各个层足够薄，使得可以将这些层层压和折叠以形成堆叠的混合动力电池单元，以下详细公开了制造具有堆叠的混合动力电池单元的混合动力电池的方法的替代实施例。
正电极层202包含一种或多种能够存储嵌入锂的锂基活性材料。这种锂基活性材料的实例包括但不限于钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMnXOY)、镍锰酸钴[Li(NiXMnYCOz)O2]、磷酸铁锂(LiFePO4)、氟磷酸锂(Li2FePO4F)、锂氧化镍(LiNiO2)、锂铝锰氧化物(LiXAlYMn1-YO2)和锂钒氧化物(LiV2O5)。可以将一种或多种聚合物粘合剂材料比如聚乙烯二氟乙烯(PVdF)，乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶或羧甲氧基纤维素(CMC)与锂基活性材料混合，以使正电极具有增强的结构完整性。正电极层202可以通过将锂镍钴锰酸锂(LiNixCoyMnzO2)(即阳极活性材料)，炭黑(即导电材料)和PVDF(即粘合剂)与NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶剂混合从而获得浆料，将浆料涂覆在正电极集电器208上并将其干燥来制造。正电极集电器208优选为与正电极层202共同延伸地接触的薄膜铝箔。
负电极层204包括一种或多种锂主体材料，该材料能够以相对于正电极层202更低的电化学电势存储嵌入锂离子。这种锂主体材料的例子包括但不限于石墨。石墨可与一种或多种聚合物粘合剂材料比如PVdF，EPDM橡胶或CMC混合在一起，从而为负电极提供增强的结构完整性。负电极层204可通过获得石墨的浆料并将该浆料涂覆在负电极集电器212上并干燥所得结果来制造。负电极集电器212优选是与负电极层202共同接触的薄膜铜箔。
涂覆隔离物层205包括具有两个相对表面207a和207b的隔离物层206。隔离物层206由一种或多种多孔惰性聚合物材料形成。这种多孔惰性聚合物材料的例子包括但不限于聚醚酰亚胺(PEI)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(POM)及其混合物。隔离物层206用作电绝缘机械阻挡层，其物理上分开电极202和204的相对内表面，以防止混合动力电池中的短路。
在所示的实施例中，两个相对的表面207a和207b中的每一个都涂覆有活性炭层209a、209b和陶瓷层211，其中陶瓷层211a和211b夹在隔离物层206和相应的活性炭层209a和209b之间。在替代实施例中，表面207a和207b中的至少一个可以涂覆有陶瓷层211和活性炭层209；或者没有陶瓷层211的活性炭层209；或者一个表面涂覆有陶瓷层，而另一表面涂覆有活性炭层。涂覆隔离物层205具有足够的多孔性，可以容纳与活性炭层209a和209b以及正电极202和负电极204流体连通的电解液。每个活性炭层209a和209b的厚度在大约0.5到25微米之间，陶瓷层211a和211b在大约0.5到5微米之间，并且隔离层206在大约20微米之间。厚度是从各层相对表面测量的。
电池芯被压缩成紧凑的物体，使得负电极层204和/或正电极层202与相应的活性炭层209b和209a紧密接触。由于彼此紧密接触，活性炭层209a和209b的相对较薄的厚度以及活性炭层209a和209b的良好的电子传导性，活性炭层209a和209b以及相应的电极202和204有效地共享相同的正集电器208和212。由于活性炭层209a和209b的相对较薄的厚度，电解质中的锂离子(Li+)将穿过由活性炭层209a和209b中的相邻碳颗粒限定的孔隙或间隙。
图3A至图3B示出了通过使用总体由附图标记300表示的Z型堆叠平台(也称为之字形方法)来制造混合动力电池单元堆叠的方法。Z型方法300包括堆叠第一类型电极302，第二类型电极304以及以锯齿形图案将第一类型电极302和第二类型电极304隔离物隔离的隔离物层306。隔离物层306的两个相对表面307a和307b中的至少一个覆盖有活性炭层309。方法300提供了具有交替堆叠的第一类型电极302和第二类型电极304的电池单元堆叠，且隔离层306插入在它们之间。图3B示出了混合动力电池单元堆叠330a，其中第一类型电极302是负电极，并且第二类型电极304是正电极。图3C示出了混合动力电池单元堆叠330b，其中第一类型电极302是正电极，并且第二类型电极304是负电极。
隔离物层306可以涂覆有活性炭层309，从而限定了涂覆隔离物层305，并且可以是上述涂覆的隔离物205的隔离物层。涂覆隔离物层305在交替方向上连续折叠成多个Z构造。第一类型电极302和第二类型电极304交替地插入每个顺序的折叠中。然后将电池单元堆叠330a和330b压缩在一起。优选的是，折叠的数量为偶数，以提供偶数的交替电极302和304。然后将电池单元堆叠330a和330b插入电池容器比如电池袋或电池壳体中。将足够量的电解质注入到容器中，以浸渍电极302和304和涂覆的隔离物305，然后在真空下密封容器。
图4A和图4B示出了通过缠绕层压的电池单元(也称为果冻卷)来制造总体上由附图标记400表示的混合动力电池堆的方法。所述果冻卷是将第一类型电极层402和第二类型电极层404以及夹在中间的涂覆隔离物层405层压缠绕的方法。涂覆隔离物层405包括至少一个涂覆有活性炭层的表面，从而形成类似于如上所述的混合动力电池单元200的电池单元。
参照图4A，将第一涂覆隔离物层405a夹在第一类型电极层402和第二类型电极层404之间。施加第二涂覆隔离物层405b以在第一涂覆隔离物层405a和第二涂覆隔离物层405b之间夹入第二类型电极层404。第一和第二涂覆隔离物层405a和405b可以与上述涂覆隔离物层205相似。将第一类型电极层402，第一涂覆隔离物层405a，第二类型电极层404和第二涂覆隔离物层405b压缩成层压堆叠组件410。
第一类型电极层402是正电极层和负电极层之一，并且第二类型电极层404是正电极层和负电极层中的另一个。将层压堆叠组件410施加到心轴上并缠绕以形成卷绕的电池堆412。图4B示出了卷绕的电池堆412的端部的示意图。然后将果冻卷电池堆412插入电池容器比如电池袋或电池外壳中。将足够量的电解质注入到容器中，以浸渍果冻卷电池堆412，然后在真空下密封容器。
图5A至图5E示出了制造混合动力电池堆单元的方法的其它实施方式，该混合动力电池堆单元总体上由附图标记500表示。参照图5A，将第一类型电极502放置在绕A轴旋转的堆叠平台503上。将隔离物505的连续薄片的一部分放置在第一类型电极502上，从而覆盖第一类型电极502。隔离物505包括活性炭涂层，该活性炭涂层如图7A-7C所示可以沿着隔离物505连续或采取多个段的形式。第一类型电极502和隔离物薄片505绕旋转的A轴缠绕180度。参考图5B，将第二类型电极504放置在从图5A中平台缠绕前进的隔离物薄片505的一部分上。第二类型电极504和隔离物薄片围绕旋转的A轴缠绕180度。参考图5C，将另一个第二类型电极504放置在从图5B中平台的缠绕前进的隔离物的一部分上。第二类型电极504和隔离物薄片围绕旋转的A轴缠绕180度。参考图5D，将第一类型电极502放置在从图5C中平台的缠绕前进的隔离物薄片505的一部分上。第一类型电极502和隔离物薄片绕旋转的A轴缠绕180度。参考图5E，另一个第一类型电极502放置在从图5D中平台的缠绕前进的隔离物的一部分上。第一类型电极502和隔离物薄片505绕旋转的A轴缠绕180度。换句话说，最初将第一类型电极502放置在隔离物薄片505附近。对于接下来的两圈(360度)，将一对第二类型电极504缠绕，将先前缠绕的第一类型电极502夹在中间对于接下来的两圈(360度)，将一对第一类型电极502缠绕在一起，将先前缠绕的第二类型电极504夹在中间。缠绕过程继续进行，依此类推，直至将预定数量的第一和第二类型电极502和504裹在缠绕的隔离薄片505的层之间。
图5F示出了缠绕的电池堆510的端视图。第一缠绕裹住单个第一类型电极502。第二和第三180度缠绕将单个第一类型电极502夹在一对第二类型电极504中间。第四和第五180度缠绕将先前缠绕的电极夹在一对第一类型电极502之间。第六和第七180度缠绕将先前的缠绕的电极夹在一对第二类型电极504之间，并且以此类推。第一类型电极402是正电极和负电极之一，并且第二类型电极504是正电极和负电极中的另一个。
图6A和图6B示出了制造非连续活性炭涂覆隔离物层的方法。图6A示出了沿X轴延伸的工件隔离物薄片604。多个活性碳条608在垂直于X轴的方向上涂覆在工件隔离物薄片604上。碳条608被未涂覆的表面610的条隔开。碳条608的宽度由W表示，并且碳条608之间的距离由D表示。图6B示出了工件隔离物薄片604被切成平行于X轴的四薄片或涂覆的碳层606a-606d。
图7A至图7C示出了总体上由附图标记700表示的方法的示意图，该方法制造具有不连续涂覆隔离物层705的混合锂离子电容器电池。制作电池单元的方法与方法500相同。然而，不同之处在于隔离物层705包括非连续涂覆的活性炭段708。隔离物层705包括沿着隔离物层705的长度交替的涂覆段708和未涂覆段710。图7A到7C中所示的涂覆有活性炭的段708可以包括预定宽度(W)和在涂覆段708之间的预定距离(D)。电极716包括宽度(E)。涂覆部分之间的距离(D)的变化使电极的表面能够选择性地与活性炭链段708接触。
图7A示出了活性炭层具有1×E的宽度W和大于4×E的距离(D)。在这种构造中，只有相同电极类型的一个表面与活性炭涂层接触。
图7B示出了活性炭层的长度W＝2×E且距离D＞2XE。在这种构造中，相同类型电极的两个表面都与活性炭涂层段708接触。
图7C示出了活性炭层具有W＝4×E和距离D，其是电池芯的拐角宽度，小于E。在该结构中，仅第一类型和第二类型电极的表面与活性炭涂层708接触。
应该注意的是图7A-C仅示出了非连续活性炭薄片选择性地涂覆有一层活性炭的一个表面，应当注意，相反的表面也可以选择性地涂覆有活性炭。所示的宽度(W)和距离(D)并不意味着受到限制，而是出于描述目的而给出。W和D的变化组合提供了各种类型的混合锂电容器电池设计，并且旨在本公开的范围内。
本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在落入本公开的范围内。这样的变化不应被视为背离本公开的精神和范围。

Claims (5)

1.一种制造电池的方法，包括以下步骤：
将第一类型的电极放置在绕A轴旋转的堆叠平台上；
将隔离物薄片的第一部分放置在所述第一类型电极上，以覆盖所述第一类型电极，其中所述隔离物薄片包括涂覆有陶瓷层以及设置在所述陶瓷层上的活性炭层的第一表面，使得所述陶瓷层夹在所述隔离物薄片和活性炭层之间，其中所述第一表面根据预定宽度W以及预定间距D沿着所述隔离物薄片间隔涂覆有多段所述活性炭层；
绕A轴缠绕所述第一类型的电极和所述隔离物薄片的所述第一部分，从而使所述隔离物薄片的第二部分前进到所述堆叠平台上；
其中，所述电池是混合锂离子电容器电池；
将第一第二类型电极放置在所述隔离物薄片的所述第二部分上；
绕A轴缠绕所述第一第二类型的电极和所述隔离物薄片的所述第二部分，从而使所述隔离物薄片的第三部分前进到所述堆叠平台上；
将第二第二类型电极放置在所述隔离物薄片的所述第三部分上；以及
绕所述A轴缠绕所述第二第二类型电极和所述隔离物薄片的所述第三部分，以使所述第一类型电极夹在所述第一第二类型电极和所述第二第二类型电极之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一类型电极是阴极和阳极中的一个，并且所述第二类型电极是所述阴极和阳极中的另一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定宽度W、所述预定间距D分别与电极宽度E之间满足：W=E并且D>4*E，以使得相同电极类型的一个表面与所述活性炭层接触。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定宽度W、所述预定间距D分别与电极宽度E之间满足：W=2*E并且D>2*E，以使得相同电极类型的两个表面都与所述活性炭层接触。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定宽度W、所述预定间距D分别与电极宽度E之间满足：W=4*E并且D<E，以使得仅所述第一类型电极和所述第二类型电极的表面与所述活性炭层接触。
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