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CN118202479A - 用于储能装置的电极的制造 - Google Patents

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CN118202479A
CN118202479A CN202280066223.0A CN202280066223A CN118202479A CN 118202479 A CN118202479 A CN 118202479A CN 202280066223 A CN202280066223 A CN 202280066223A CN 118202479 A CN118202479 A CN 118202479A
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CN
China
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electrode
carbon
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CN202280066223.0A
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陈骥
曹万君
基泰·帕克
尼科洛·布兰比拉
闫瑾
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Fastcap Systems Corp
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Publication date
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Abstract

提供了一种用于制造用于储能装置的电极的方法。所述方法包括：加热用作储能介质的溶剂和材料的混合物；将活性材料添加到所述混合物中；将分散剂添加到所述混合物中以提供浆料；用所述浆料涂覆集流体；以及压延所述集流体上的浆料涂层以提供所述电极。

Description

用于储能装置的电极的制造
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年9月9日提交并转让序列号为63/242,322的临时申请的优先权。上述临时申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
1.技术领域
本文公开的本发明涉及储能装置，且具体来说，涉及用于电池和超级电容器的电极制造。
2.现有技术的说明
可再生能源的使用不断增加带来了许多好处，同时也带来了挑战。也许最重大的挑战是开发高效储能。为了真正利用可再生能源，需要便宜且高功率的储能。事实上，许多其他行业都将受益于能储的改进。一个示例是汽车行业对电动汽车和混合动力汽车的需求越来越大。
也许最普遍和最方便的储能形式是电池的形式。电池与双电层电容器(EDLC)具有多种特征。例如，此类装置通常包括通过隔膜与阴极材料层隔开的阳极材料层。电解质提供这些电极之间的离子传输以提供能量。
在现有技术中，储能装置的电极通常包括混合到储能材料中的某种形式的粘合剂。即，粘合剂本质上是胶水的形式，确保了对集流体的粘附。不幸的是，提供电极物理完整性的粘合剂材料通常是不导电的，并且随着时间的推移会导致性能变差和运行退化。通常，粘合剂材料是有毒的并且可能是昂贵的。
许多现代应用需要在能量密度、使用寿命(即，可循环性)、安全性、等效串联电阻(ESR)、制造成本、物理强度和其他此类方面中的至少一方面提高性能。此外，优选的是，改进的装置在广泛温度范围内可靠地运行。粘合剂材料的使用有损于这些性能要求。因此，改进在电极(例如，阳极和阴极)的制造中使用的技术提供了最大的机会来提高其中使用电极的储能装置的性能。
正如人们所想象的那样，储能装置内的空间非常宝贵。也就是说，空隙空间只会导致失去并入储能材料的机会。因此，高效的制造技术对于高性能储能装置的开发至关重要。作为一个示例，将储能介质涂覆到集流体上通常会导致电极表面粗糙，从而实质上在储能装置内产生空隙。
因此，需要的是在制造储能装置时确保浆料均匀分散到集流体上的方法和设备。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于制造储能装置的电极的方法。该方法包括：加热用作储能介质的溶剂和材料的混合物；将活性材料添加到混合物中；将分散剂添加到混合物中以提供浆料；用浆料涂覆集流体；以及对集流体上的浆料涂层进行压延以提供电极。
在另一实施例中，提供了一种并入有该电极的储能装置。
附图说明
本发明的特征和优点从以下结合附图进行的描述显而易见，在附图中：
图1是描绘现有技术储能装置(ESD)的各方面的示意性剖面图；
图2是描绘图1的储能装置(ESD)的现有技术蓄电池的各方面的示意性剖面图；
图3A描绘了完全充电的储能装置(ESD)的各方面；它还描绘了图2的蓄电池中的电极之间的离子传输的方面；
图3B描绘了部分充电的储能装置(ESD)的各方面；
图3C描绘了几乎完全放电的储能装置(ESD)的各方面；
图4是描绘根据本文的教示的用于制造电极的工艺的示例的流程图
图5是描绘在图4中所见的所公开的工艺期间组装的材料的各方面的示意图；
图6是描绘在图4中所见的所公开的工艺期间组装的材料的各方面的示意图；
图7是描绘在图4中所见的所公开的工艺期间组装的材料的各方面的示意图；
图8是描绘在图4中所见的所公开的工艺期间组装的材料的各方面的示意图；
图9A和图9B是在图4所示的工艺中组装的材料的显微照片；
图10A和图10B是在图4所示的工艺中组装的材料的显微照片；
图11A和图11B是在图4所示的工艺中组装的材料的显微照片；
图12A和图12B是在图4所示的工艺中组装的材料的显微照片；
图13A和图13B是在图4所示的工艺中组装的材料的显微照片；
图14是在图4所示的工艺中组装的材料的显微照片；
图15A和图15B是在图4所示的工艺中组装的材料的显微照片；
图16是在图4所示的工艺中组装的材料的显微照片；
图17、图18、图19和图20是描绘用本文所公开的材料组装的储能电池的电性能方面的曲线图；
图21是描绘用本文所公开的材料组装的储能电池的各方面的示意图；
图22、图23、图24、图25和图26是描绘用本文所公开的材料组装的储能电池的电性能方面的曲线图；
图27是描绘用本文所公开的材料组装的电极材料的一系列照片；
图28是描绘包含常规电极(聚偏二氟乙烯(PVDF))的存储装置和包含具有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的电极的存储装置的放电容量对放电C速率的曲线图；
图29A是描绘包含PVP的电极的电势对Li/Li+对比容量的图表；
图29B是描绘包含PVDF的常规电极的电势对Li/Li+对比容量的图表；并且
图30描绘了放电能量(以百分比表示)对循环次数的图表。
具体实施方式
本文公开了用于提供在储能装置中有用的电极的方法和设备。一般而言，所公开的技术的应用可以产生能够输送高功率、高能量、表现出长寿命并且能够在各种环境条件下操作的储能装置。所公开的技术可部署在多种储能装置的大批量制造中并且以多种形式部署。有利地，该技术使得储能装置的制造成本降低。该电极不含聚偏二氟乙烯，并且在电极的制备中不使用诸如N-甲基吡咯烷酮的溶剂。
该技术可以用在储能装置中，该储能装置是电池、超级电容器或利用电极进行储能的任何其他类似类型的装置。在介绍该技术之前，通过储能技术的定义和概述来提供一些背景信息。
如本文所讨论的，术语“储能装置”(也称为“ESD”)通常指电化学电池。电化学电池是一种能够通过化学反应产生电能或利用电能引起化学反应的装置。产生电流的电化学电池被称为“伏打电池”或“原电池”，而那些例如经由电解产生化学反应的电化学电池被称为电解电池。原电池的常见示例是指定供消费者使用的标准1.5伏电池。电池(battery)由一个或多个电池(cell)组成，以并联、串联或串并联方式连接。二次电池通常称为可充电电池，是一种既可以作为原电池也可以作为电解电池运行的电化学电池。这用作一种方便的储电方式，当电流单向流动时(即，充电时)，一种或多种化学物质的含量会增加。相反，当电池放电时，化学物质会减少，并且产生的电动势可以用来做功。可再充电电池的一个示例是锂离子电池，本文讨论了锂离子电池的一些实施例。
按照惯例，电化学电池中的电极被称为“阳极”或“阴极”。阳极是电子离开电化学电池并发生氧化的电极(用减号“-”表示)，阴极是电子进入电池并发生还原的电极(用加号“+”表示)。取决于通过电池的电流方向，每个电极可以变为阳极或阴极。一般而言，考虑到储能装置(ESD)的各种配置和状态，该约定并不限制本文的教示，并且使用这样的术语仅仅是为了引入该技术。因此，应当认识到术语“阴极”、“阳极”和“电极”至少在一些情况下是可互换的。例如，用于在电极中制造活性层的技术的各方面可以同样地应用于阳极和阴极。更具体地，在任何具体示例中讨论的化学和/或电配置可以告知使用特定电极作为阳极或阴极中的一个。
一般而言，本文所公开的储能装置(ESD)的示例是说明性的。即，储能装置(ESD)不限于本文所公开的实施例。
储能装置(ESD)的更具体的示例包括超级电容器，诸如双层电容器(以静电方式存储电荷的装置)、赝电容器(以电化学方式存储电荷)和混合电容器(以静电方式和电化学方式存储电荷)。通常，静电双层电容器(EDLC)使用静电双层电容比电化学赝电容高得多的碳电极或衍生物，在导电电极表面与电解质之间的界面处的亥姆霍兹双层中实现电荷分离。通常，电化学赝电容器使用金属氧化物或导电聚合物电极，除双层电容外还具有大量电化学赝电容。赝电容是通过利用氧化还原反应、嵌入或电吸附的法拉第电子电荷转移来实现的。混合电容器(诸如锂离子电容器)使用具有不同特性的电极：一种主要表现出静电电容，并且另一种主要表现出电化学电容。
储能装置(ESD)的其他示例包括可再充电电池、蓄电池或二次电池，它们是可以被充电、放电到负载中并且多次再充电的电池类型。在充电过程中，正极活性材料被氧化，产生电子，负极材料被还原，消耗电子。这些电子构成了来自外部电路的电流。通常，电解质充当电极(例如，阳极和阴极)之间的内部离子流的缓冲器。电池充电和放电速率通常通过参考电流的“C”速率来讨论。C速率是理论上在一小时内将电池完全充电或放电的速率。“放电深度”(DOD)通常表示为标称安培小时容量的百分比。例如，零百分比(0％)DOD表示无放电。
关于图1至图3提供了附加的上下文，其提供了储能装置(ESD)10的各方面的概述。
在图1中，示出了储能装置(ESD)10的横截面。储能装置(ESD)10包括壳体11。壳体11具有设置在其外部的两个端子8。端子8提供到包含在壳体11内的蓄电池12的内部电连接以及到诸如负载或充电装置(未示出)的外部装置的外部电连接。
图2中描绘了蓄电池12的剖面部分。如此图示所示，蓄电池12包括储能材料的多层卷。也就是说，将储能材料的片材或条带卷在一起形成卷的形式。储能材料卷包括称为“阳极3”和称为“阴极4”的相对电极。阳极3和阴极4由隔膜5隔开。图示中未示出但作为蓄电池12的一部分包括在内的是电解质。通常，电解质渗透或润湿阴极4和阳极3并促进离子在蓄电池12内的迁移。离子传输在图3中概念性地示出。
图3A、图3B和图3C，在本文中统称为图3，是描绘电池化学随着储能装置(ESD)10的充电状态而变化的各方面的概念图。具体地，在图3中，示出了用于储能装置(ESD)10的放电序列。在该系列中，储能装置(ESD)10是锂离子电池。电池包括阳极3、阴极4、隔膜5和电解质6(下面将详细介绍这些元件中的每一个)。通常，阳极3和阴极4存储锂。
在图3A中，示出了完全充电的储能装置(ESD)10的各方面。在该图示中，阳极3包含设置在集流体2上的储能介质1。用于完全充电的储能装置(ESD)10的阳极3的储能介质1基本上包含蓄电池12内的所有锂。在结构上类似，阴极4包含设置在集流体2上的储能介质1。
负载(例如，诸如手机、计算机、工具或汽车等电子设备，未示出)连接到储能装置(ESD)10并从该储能装置汲取能量，从阳极3汲取电子(e-)。带正电荷的锂离子在蓄电池12内迁移到阴极4。这导致电荷耗尽，如图3B所示的电荷计中所示。当储能装置(ESD)10完全耗尽时，基本上所有的锂离子都迁移到阴极4，如图3C所示。
将充电装置换成负载并给充电装置通电会导致电子(e-)流至阳极3，并且伴随而来的锂离子从阴极4迁移至阳极3。无论是放电还是充电，隔膜5都会阻挡储能装置(ESD)10内的电子流动。
在典型的锂离子电池中，阳极3可以基本上由碳基基质制成，其中锂嵌入到碳基基质中。在现有技术中，碳基基质通常包括石墨和粘合剂材料的混合物。在现有技术中，正极4通常包括锂金属氧化物基材料以及粘合剂材料。用于制造电极的常规工艺需要开发材料的混合物，然后将其涂覆到集流体2作为储能介质1。通常，浆料内的凝聚和不一致会导致电极表面粗糙或包括峰和谷。在现有技术中发现的并且随着储能介质1的浆料的开发而产生的问题可以通过根据本文教示的浆料的制造来补救。在图4中提供了用于混合浆料的过程的示例。
在图4中，作为概述，提供了根据本文教导的用于制造电极40的工艺的示例。在第一步骤41中，混合并加热基础材料。在第二步骤42中，在进行加热和混合的同时添加活性材料。在第三步骤43中，在进行加热和混合的同时添加分散剂。在第四步骤44中，将所得混合物涂覆到准备好的集流体上。在第五步骤45中，对涂覆的集流体进行压延。
参照图5，介绍关于第一步骤41的进一步细节。在第一步骤41中，制备碳分散体。碳分散体包括高纵横比纳米碳材料(或“纳米碳”)，其可以通过该工艺官能化或作为官能化材料提供。在此示例中，第一步骤41包括加热至约35摄氏度与70摄氏度之间的温度。
如本文所用，术语“高纵横比碳元素”和其他类似术语是指在一个或多个尺寸上的大小(“主要尺寸”)显著大于元素在横向尺寸上的大小(“次要尺寸”)的含碳元素。
例如，在一些实施例中，高纵横比碳元素可包括具有两个主要尺寸和一个次要尺寸的片状或板状元素。例如，在一些这样的实施例中，每个主要尺寸的长度比可以是次要尺寸的长度比的至少5倍、10倍、100倍、500倍、1,000倍、5,000倍、10,000倍或更多。这种类型的示例性元素包括石墨烯片或石墨烯薄片。
在一些实施例中，高纵横比碳元素可包括具有一个主要尺寸和两个次要尺寸的细长杆或纤维形元素。例如，在一些这样的实施例中，主要尺寸的长度比可以是每个次要尺寸的长度比的至少5倍、10倍、100倍、500倍、1,000倍、5,000倍、10,000倍或更多。这种类型的示例性元素包括碳纳米管、碳纳米管束、碳纳米棒和碳纤维。
在一些实施例中，高纵横比碳元素可包括单壁纳米管(SWNT)、双壁纳米管(DWNT)或多壁纳米管(MWNT)、碳纳米棒、碳纤维或其混合物。高纵横比碳元素也称为纳米级导电填料或导电填料。在一些实施例中，高纵横比碳元素可由CNT或其他高纵横比碳材料的互连束、簇或聚集体形成。在一些实施例中，高纵横比碳元素可包括片状、薄片或弯曲薄片形式的石墨烯，和/或形成为高纵横比椎体、棒等。
组合物中使用的SWNT可以通过石墨的激光蒸发、碳弧合成或高压一氧化碳转化法(HIPCO)工艺来生产。这些SWNT通常具有包括外径为约0.7至约2.4纳米(nm)的石墨烯片的单壁。具有大于或等于约5，优选大于或等于约100，更优选大于或等于约1000的纵横比的SWNT通常用于高纵横比碳元素中。虽然SWNT通常是在相应管的每一端处具有半球形帽的封闭结构，但是可以预见的是，也可以使用具有单个开口端或两个开口端的SWNT。SWNT通常包括中空的中心部分，但可以填充有无定形碳。
在示例性实施例中，将SWNT分散在有机聚合物中的目的是解开SWNT以获得尽可能接近SWNT的纵横比的有效纵横比。有效纵横比与纵横比的比率是分散有效性的量度。有效纵横比是单个SWNT的回转半径除以相应单个纳米管的外径的两倍的值。通常期望有效纵横比与纵横比的比率的平均值大于或等于约0.5，优选地大于或等于约0.75，更优选地大于或等于约0.90，如在放大倍数大于或等于约10,000的电子显微照片中测量的。
在一个实施例中，SWNT可以以绳状聚集体的形式存在。这些聚集体通常被称为“绳”，是由单个SWNT之间的范德华力形成的。绳中的单个纳米管可以彼此相对滑动并在绳内重新排列它们自身，以最小化自由能。在组合物中可以使用通常具有10至105个纳米管的绳。在此范围内，通常期望具有大于或等于约100个、优选地大于或等于约500个纳米管的绳。还期望具有小于或等于约104个纳米管、优选地小于或等于约5,000个纳米管的绳。
在又一实施例中，期望SWNT绳在分散后以分支的形式彼此连接。这导致SWNT网络(或碳纳米管网络)的分支之间的绳共享，以在有机聚合物基体中形成3维网络。约10nm至约10微米的距离可以将这种类型的网络中的分支点分隔开。通常期望SWNT具有至少2000瓦每米开尔文(W/m-K)的固有热导率，并且SWNT绳具有104西门子/厘米(S/cm)的固有电导率。通常还期望SWNT具有至少80吉帕斯卡(GPa)的拉伸强度和至少约0.5太帕斯卡(TPa)的刚度。
在另一实施例中，SWNT可包括金属纳米管和半导电纳米管的混合物。金属纳米管是那些表现出与金属类似的电特性的纳米管，而半导电纳米管是那些具有半导电性的纳米管。通常，石墨烯片卷起的方式会产生各种螺旋结构的纳米管。之字形和扶手椅型纳米管构成了两种可能的证实。为了使存储装置中使用的SWNT的量最小化，通常期望组合物包括尽可能大比例的金属SWNT。通常期望组合物中使用的SWNT包括的金属纳米管的量大于或等于SWNT总重量的约1wt％，优选地大于或等于SWNT总重量的约20wt％，更优选地大于或等于SWNT总重量的约30wt％，甚至更优选地大于或等于SWNT总重量的约50wt％，最优选地大于或等于SWNT总重量的约99.9wt％。在某些情况下，通常期望组合物中使用的SWNT包括的半导电纳米管的量大于或等于SWNT总重量的约1wt％，优选地大于或等于SWNT总重量的约20wt％，更优选地大于或等于SWNT总重量的约30wt％，甚至更优选地大于或等于SWNT总重量的约50wt％，最优选地大于或等于SWNT总重量的约99.9wt％。
当需要时，SWNT的用量通常为浆料总重量的约0.001至约80wt％。浆料包括高纵横比碳元素、阳极活性材料或阴极活性材料(取决于浆料是否用于制备阳极活性层或阴极活性层)、表面处理组合物、任何任选的粘合剂和溶剂(通常是水和/或酒精)。在此范围内，SWNT的用量通常大于或等于浆料总重量的约0.25wt％，优选地大于或等于浆料总重量的约0.5wt％，更优选地大于或等于浆料总重量的约1wt％。此外，SWNT的用量通常小于或等于浆料总重量的约30wt％，优选地小于或等于浆料总重量的约10wt％，更优选地小于或等于浆料总重量的约5wt％。
在一个实施例中，SWNT可以包含与生产相关的杂质。如本文所定义的存在于SWNT中的与生产相关的杂质是在与SWNT的生产基本上相关的过程中产生的那些杂质。如上所述，SWNT在例如激光烧蚀、化学气相沉积、碳弧、高压一氧化碳转化法等工艺中生产。与生产相关的杂质是在上述工艺或类似制造工艺中在SWNT的生产过程中自然形成或有意形成的那些杂质。自然形成的与生产相关的杂质的合适示例是用于生产SWNT的催化剂颗粒。有意形成的与生产相关的杂质的合适示例是通过在制造过程中有意添加少量氧化剂而在SWNT的表面上形成的悬空键。
纳米级导电填料是具有至少一个尺寸小于或等于约1,000nm的那些。纳米级导电填料可以是1维、2维或3维，并且可以以粉末、拉丝、线、纤维的形式存在；管、纳米管、棒、晶须、薄片、层压体、片晶、椭球体、圆盘、球体等，或包括至少一种前述形式的组合。它们也可能具有分数维数，并且可能以质量或表面分形的形式存在。
纳米级导电填料(本文中也称为高纵横比碳元素)的合适示例是多壁碳纳米管(MWNT)、气相生长碳纤维(VGCF)、炭黑、石墨、导电金属颗粒、导电金属氧化物、金属涂覆的填料、纳米级导电有机/有机金属填料、导电聚合物等，以及包括至少一种前述纳米级导电填料的组合。
衍生自诸如激光烧蚀和碳弧合成的工艺的MWNT也可以用于组合物中，这些工艺不针对SWNT的生产。MWNT具有至少两个石墨烯层，该石墨烯层结合在内部中空芯周围。半球形帽通常封闭MWNT的两端，但可能期望使用仅具有一个半球形帽的MWNT或没有两个帽的MWNT。MWNT通常具有约2至约50nm的直径。在此范围内，通常期望使用直径小于或等于约40nm，优选地小于或等于约30nm，更优选地小于或等于约20nm的MWNT。当使用MWNT时，优选地具有大于或等于约5的平均纵横比；优选地大于或等于约100的平均纵横比，更优选地大于或等于约1000的平均纵横比。
当需要时，MWNT的用量通常为浆料总重量的约0.001至约50wt％。在此范围内，MWNT的用量通常大于或等于浆料总重量的约0.25wt％，优选地大于或等于浆料总重量的约0.5wt％，更优选地大于或等于浆料总重量的约1wt％。此外，MWNT的用量通常小于或等于浆料总重量的约30wt％，优选地小于或等于浆料总重量的约10wt％，更优选地小于或等于浆料总重量的约5wt％。
也可以使用直径为约3.5至约100纳米(nm)且纵横比大于或等于约5的气相生长碳纤维或小石墨或部分石墨碳纤维，也称为气相生长碳纤维(VGCF)。这些气相生长碳纤维通常在石墨碳纤维表面的外表面上包含无定形涂层。当使用VGCF时，优选地直径为约3.5至约70nm，更优选地直径为约3.5至约50nm，并且最优选地直径为约3.5至约25nm。还优选的是，平均纵横比大于或等于约100，更优选地大于或等于约1000。
当需要时，VGCF的用量通常为浆料总重量的约0.001至约50wt％。在此范围内，VGCF的用量通常大于或等于浆料总重量的约0.25wt％，优选地大于或等于浆料总重量的约0.5wt％，更优选地大于或等于浆料总重量的约1wt％。此外，VGCF的用量通常小于或等于高纵横比导电元件总重量的约30wt％，优选地小于或等于高纵横比导电元件总重量的约10wt％，更优选地小于或等于高纵横比导电元件总重量的约5wt％。
用作高纵横比碳元素的SWNT和其他碳纳米管(即，MWNT和VGCF)也可以用官能团衍生，以提高相容性并促进与有机聚合物的混合。SWNT和其他碳纳米管可以在构成侧壁的石墨烯片、半球形帽或在侧壁和半球形帽两者上官能化。官能化的SWNT和其他碳纳米管是具有式[CnHL]Rm的那些，其中n是整数，L是小于0.1n的数，m是小于0.5n的数，其中每个R相同且选自—SO3H、—NH2、—OH、—C(OH)R'、—CHO、—CN、—C(O)Cl、—C(O)SH、—C(O)OR'、—SR'、—SiR3'、—Si(OR')yR'(3-y)、—R”、—AlR2'、卤化物、烯键式不饱和官能团、环氧化物官能团等，其中y是等于或小于3的整数，R'是氢、烷基、芳基、环烷基、烷芳基、芳烷基、环芳基、聚(烷基醚)、溴、氯、碘、氟、氨基、羟基、硫基、膦基、烷硫基、氰基、硝基、酰胺基、羧基、杂环基、二茂铁基、杂芳基、氟代烷基、酯、酮、羧酸、醇、氟代羧酸、氟代三氟甲磺酸烷基酯等，并且R”是氟代烷基、氟代芳基、氟代环烷基、氟代芳烷基、环芳基等。碳原子Cn是碳纳米管的表面碳。在均匀和非均匀取代的SWNT和其他碳纳米管中，表面原子Cn发生反应。
非均匀取代的SWNT和其他碳纳米管也可以用于导电前体组合物和/或导电组合物中。这些包括上述式(I)的组合物，其中n、L、m、R和SWNT本身如上所定义，条件是每个R不含氧，或者如果每个R是含氧基团，则不存在COOH。
还包括官能化的SWNT和其他具有式的碳纳米管
其中n、L、m、R”和R具有与上述相同的含义。碳纳米管表面层中的大多数碳原子是基面碳。基面碳对化学侵蚀是相对惰性的。在缺陷位置，例如，石墨平面未能完全围绕碳纳米管延伸，存在类似于石墨平面的边缘碳原子的碳原子。边缘碳具有反应性，必须包含一些杂原子或基团才能满足碳价。
上述取代的SWNT和其他碳纳米管可以有利地被进一步官能化。这样的SWNT组合物包括下式的组合物
[CnHL]Am
其中n、L和m如上所述，A选自-OY、-NHY、-CR'2-OY、-C(O)OY、-C(O)NR'Y、-C(O)SY或-C(O)Y，其中Y是蛋白质、肽、酶、抗体、核苷酸、寡核苷酸、抗原或酶底物、酶抑制剂或酶底物的过渡态类似物的适当官能团或选自—R'OH、—R′NH2、—R'SH、—R'CHO、—R'CN、—R'X、—R'SiR'3、—RSi—(OR')y—R'(3-y)、—R'Si—(O—SiR'2)—OR'、—R'—R”、—R'—NCO、(C2H4O)wY、—(C3H6O)wH、—(C2H4O)wR'、—(C3H6O)wR'或—(C3H6O)wR”，其中w是大于一且小于200的整数。R'和R”如上文所定义。
如上所示结构的官能化SWNT和其它碳纳米管也可以官能化以制备具有下式的SWNT组合物
其中n、L、m、R'和A如上文所定义。
导电前体组合物和/或导电组合物还可包括SWNT和其上吸附有某些环状化合物的其他碳纳米管。这些包括下式的SWNT物质组合物
其中n是整数，L是小于0.1n的数，m小于0.5n，a是零或小于10的数，X是多核芳族或多卤芳族部分并且R如上所述。优选的环状化合物是平面大环，例如卟啉和酞菁。
所吸附的环状化合物可以被官能化。这样的SWNT组合物包括下式的化合物
其中m、n、L、a、X和A如上文所定义，并且碳位于SWNT上或诸如MWNT、VGCF等的其他纳米管上。
在不受特定理论约束的情况下，官能化的SWNT和其他碳纳米管更好地分散到有机聚合物中，因为改性的表面性质可以使碳纳米管与有机聚合物更相容，或者因为改性官能团(特别是羟基或胺基)作为端基直接键合到有机聚合物上。以这种方式，诸如聚碳酸酯、聚酰胺、聚酯、聚醚酰亚胺等的有机聚合物直接键合至碳纳米管，从而使得碳纳米管更容易分散，同时提高了对有机聚合物的粘附性。
通过使相应外表面与强氧化剂接触一段时间以足以氧化SWNT和其他碳纳米管的表面并且进一步使相应外表面与适于向氧化表面添加官能团的反应物接触，通常可以将官能团引入SWNT和其他碳纳米管的外表面上。优选的氧化剂由碱金属氯酸盐在强酸中的溶液组成。优选的碱金属氯酸盐是氯酸钠或氯酸钾。优选使用的强酸是硫酸。足以进行氧化的时间段为约0.5小时至约24小时。
炭黑也可用于导电前体组合物和/或导电组合物中。优选的炭黑是那些平均粒径小于约100nm，优选地小于约70nm，更优选地小于约50nm的炭黑。优选的导电炭黑的表面积也可以大于约200平方米/克(m2/g)，优选地大于约400m2/g，还更优选地大于约1000m2/g。优选的导电炭黑的孔体积(邻苯二甲酸二丁酯吸收)可以大于约40立方厘米/100克(cm3/100g)，优选地大于约100cm3/100g，更优选地大于约150cm3/100g。示例性炭黑包括从Columbian Chemicals以商标名称购得的炭黑；从Chevron Chemical以商标名称S.C.F购得的乙炔黑。(超级导电炉)和E.C.F。(导电炉)；可从Cabot Corp.以商标名称Vulcan XC72和Black Pearls购得的炭黑；以及可从Akzo Co.Ltd以商标名称Ketjen BlackEC 300和EC 600购得的炭黑。基于导电前体组合物和/或导电组合物的总重量，优选的导电炭黑的用量可以为约0.1wt％至约25wt％。
固体导电金属填料也可任选地用于导电前体组合物和/或导电组合物中。这些可以是在将它们掺入有机聚合物并由其制造成品的条件下不熔化的导电金属或合金。金属诸如铝、铜、镁、铬、锡、镍、银、铁、钛以及包括前述金属中任一种的混合物可以作为导电填料掺入有机聚合物中。物理混合物和纯合金诸如不锈钢、青铜等也可以用作导电填料颗粒。另外，这些金属的一些金属间化学化合物诸如硼化物、碳化物等(例如，二硼化钛)也可用作导电填料颗粒。还可以任选地添加诸如氧化锡、氧化铟锡等固体非金属导电填料颗粒以使有机聚合物导电。
在一些实施例中，高纵横比碳元素沿一个或两个主要尺寸的大小(例如，平均大小、中值大小或最小大小)可以是至少0.1μm、0.5μm、1μm、5μm、10μm、50μm、100μm、200μm、300,μm、400μm、500μm、600μm、7000μm、800μm、900μm、1,000μm或更大。例如，在一些实施例中，元素的大小(例如，平均大小、中值大小或最小大小)可以在1μm至1,000μm的范围内，或其任何子范围内，诸如1μm至600μm。
在一些实施例中，元素的大小可以相对均匀。例如，在一些实施例中，多于50％、60％、70％、80％、90％、95％、99％或更多的元素可具有沿一个或两个主要尺寸的大小，该大小在元素的平均大小的10％以内。
纳米碳的官能化通常包括对纳米碳的表面处理。表面处理可以通过任何合适的技术进行，诸如本文描述的或本领域已知的那些技术。可以选择涂覆到纳米碳上的官能团以促进活性材料颗粒与纳米碳之间的粘附。例如，在各种实施例中，官能团可包括羧基、羰基、酯基、羟基、胺基、硅烷基、硫醇基、磷酸酯基或其组合。
在一些实施例中，官能化碳元素由包括纳米形式碳和官能化材料(诸如表面活性剂)的干燥(例如，冻干)水分散体形成。在一些这样的实施例中，水分散体基本上不含会损害碳元素的材料，诸如酸。
在一些实施例中，高纵横比碳元素的表面处理包括设置在碳元素上的聚合物薄层，该聚合物薄层促进活性材料与网络的粘附。在一些这样的实施例中，聚合物薄层包括自组装和/或自限制聚合物层。在一些实施例中，聚合物薄层例如经由氢键结合至活性材料。
在一些实施例中，聚合物薄层在垂直于碳元素外表面的方向上的厚度可以小于元素的次要尺寸的3倍、2倍、1倍、0.5倍、0.1倍(或更小)。
在一些实施例中，聚合物薄层包括例如经由非共价键(诸如π-π键)结合至活性材料的官能团(例如，侧官能团)。在一些这样的实施例中，聚合物薄层可以在元素的至少一部分上形成稳定的覆盖层。
在一些实施例中，一些元素上的聚合物薄层可以与设置在其上且位于包含储能(即，活性)材料的活性层下方的集流体或粘附层结合。例如，在一些实施例中，聚合物薄层包括例如经由非共价键(诸如π-π键)结合至集流体或粘附层的表面的侧官能团。在一些这样的实施例中，聚合物薄层可以在元素的至少一部分上方形成稳定的覆盖层。在一些实施例中，这种布置提供了电极的优异机械稳定性。
在一些实施例中，聚合物材料可与上述实施例中所述类型的溶剂混溶。例如，在一些实施例中，聚合物材料可混溶于包括醇的溶剂中，该醇诸如甲醇、乙醇或2-丙醇(异丙醇，有时称为IPA)或其组合。在一些实施例中，溶剂可包括一种或多种用于进一步改进溶剂的性质的添加剂，例如低沸点添加剂，诸如乙腈(ACN)、去离子水和四氢呋喃。在此示例中，混合物在不含NMP的溶剂中形成。
可用于形成聚合物层的材料的合适示例包括水溶性聚合物，诸如聚乙烯吡咯烷酮。在一些实施例中，聚合物材料具有低分子量，例如小于或等于1,000,000g/mol、500,000g/mol、100,000g/mol、50,000g/mol、10,000g/mol、5,000g/mol、2,500g/mol或更少。
注意，上述聚合物薄层在性质上不同于传统电极中使用的本体聚合物粘合剂。聚合物薄层驻留在高纵横比碳元素的表面上，而不是填充活性层的大部分体积，从而留下可用于容纳活性材料颗粒的绝大多数空隙空间。
例如，在一些实施例中，聚合物薄层在垂直于网络外表面的方向上的最大厚度小于或等于碳元素201沿其次要尺寸的大小的1倍、0.5倍、0.25倍或更小。例如，在一些实施例中，聚合物薄层可以仅有几个分子厚(例如，小于或等于100、50、10、5、4、3、2或甚至1个分子厚)。因此，在一些实施例中，活性层100被聚合物薄层填充的体积小于10％、5％、1％、0.1％、0.01％、0.001％或更少。
在另外的示例性实施例中，表面处理可以形成碳质材料层，该碳质材料层由设置在高纵横比碳元素上的聚合材料的热解产生。该碳质材料层(例如，石墨或无定形碳)可以(例如，经由共价键)附着到活性材料颗粒或以其他方式促进与活性材料颗粒的粘附。合适的热解技术的示例在2020年5月22日提交的美国专利申请序列号63/028,982中有所描述。用于该技术的一种合适的聚合材料是聚丙烯腈(PAN)。
表I
第一步骤的示例性参数
参照图6，在第二步骤42中，将活性材料添加到在第一步骤41中形成的碳分散体中。活性材料可以作为颗粒或以其他合适的形式提供。
在各种实施例中，活性材料可包括适用于储能装置的任何活性材料，包括金属氧化物，诸如锂金属氧化物。例如，活性材料可包括钴酸锂(LCO，有时称为“钴酸锂”或“钴酸锂盐”，是一种化合物，可能的配方的一种变体是LiCoO2)；锂镍锰钴氧化物(NMC，其变体分子式为LiNiMnCo)；锂锰氧化物(LMO，其变体分子式为LiMn2O4、Li2MnO3等)；锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2及其变体为NCA)和钛酸锂氧化物(LTO，其中一种变体分子式为Li4Ti5O12)；磷酸铁锂氧化物(LFP，一种变体分子式为LiFePO4)、锂镍钴铝氧化物(及其变体为NCA)以及其他类似的其他材料。可包括前述的其他变体。
在使用NMC作为活性材料的一些实施例中，可以使用富镍NMC。例如，在一些实施例中，NMC的变体可以是LiNixMnyCo1-x-y，其中x等于或大于约0.7、0.75、0.80、0.85或更高。在一些实施例中，可以使用所谓的NMC811，其中在前述式中x为约0.8且y为约0.1。
在一些实施例中，活性材料包括其他形式的锂镍锰钴氧化物(LiNixMnyCozO2)。例如，常见的变体诸如但不限于：NMC 111(LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2)；NMC 532(LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2)；NMC 622(LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2)；并且可以使用其他的。
在一些实施例中，例如当电极用作阳极时，活性材料可包括石墨、硬碳、活性炭、纳米形式碳、硅、硅氧化物、碳包封的硅纳米颗粒。在一些这样的实施例中，电极的活性层可以嵌入锂，例如使用本领域已知的预锂化方法。
在一些实施例中，本文所述的技术可以允许活性层由活性层中的大部分材料制成，大于75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、99重量％、99.5重量％、99.8重量％或更多，同时仍表现出优异的机械性能(例如，在本文所述类型的储能装置中操作期间不存在分层)。例如，在一些实施方案中，活性层可以具有上述大量的活性材料和大的厚度(例如，大于50μm、100μm、150μm、200μm或更大)，同时仍然表现出优异的机械性能(例如，在本文所述类型的储能装置中操作期间不存在分层)。
活性材料颗粒的特征可以是中值颗粒大小在例如0.1μm至50微米μm的范围内，或其任何子范围内。活性材料颗粒的特征在于其粒径分布，该粒径分布是单模态、双模态或多模态粒径分布。活性材料颗粒的比表面积可以在0.1平方米/克(m2/g)和100平方米/克(m2/g)的范围内，或其任何子范围内。在一些实施例中，活性层可以具有例如至少20mg/cm2、30mg/cm2、40mg/cm2、50mg/cm2、60mg/cm2、70mg/cm2、80mg/cm2、90mg/cm2、100mg/cm2或更大的活性材料颗粒的质量负载。
表II
添加活性材料的参数
在第三步骤43中，将分散剂和添加剂添加到混合物中。分散剂的示例是PVP。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，也称为“聚乙烯酮”或“聚维酮”，是一种由单体N-乙烯基吡咯烷酮制成的水溶性聚合物。通常，分散剂在溶液聚合中充当乳化剂和崩解剂，在纳米颗粒合成及其自组装中充当表面活性剂、还原剂、形状控制剂和分散剂。分散剂的另一示例包括AQUACHARGE，它是通过应用水溶性树脂技术开发的用于电极的水性粘合剂的商标名。AQUACHARGE由日本兵库县住友精工化学株式会社生产。类似的示例在名称为“Binder for electrodeformation,slurry for electrode formation using the binder,electrode using theslurry,rechargeable battery using the electrode,and capacitor using theelectrode(用于电极形成的粘合剂，使用粘合剂形成电极的浆料，使用浆料的电极，使用电极的可再充电电池，以及使用电极的电容器)”的美国专利号8,124,277中提供，并且通过引用完整并入本文中。进一步的示例包括：聚丙烯酸(PAA)，其为丙烯酸的合成高分子量聚合物；以及聚丙烯酸钠，其为聚丙烯酸的钠盐。
表III
分散剂添加和混合
表IV
浆料目标粘度范围
剪切速率(rpm) 粘度(mPa s)
6 20000-10000
12 6000-3000
30 3000-1500
60 1200-800
在第四步骤44中，用浆料涂覆集流体，然后干燥涂覆的组件。在一些实施例中，最终浆料可以形成为片材，并适当地直接涂覆在集流体或诸如粘合层的中间层上。在一些实施例中，可以通过缝型模涂覆最终浆料以控制所涂覆的层的厚度。在其他实施例中，可以涂覆浆料，然后例如使用刮刀将浆料整平至期望厚度。可以使用多种其他技术来涂覆浆料。例如，涂覆技术可包括但不限于：逗号涂覆；逗号反向涂覆；刮刀涂覆；缝型模涂覆；直接凹版涂覆；气动刮刀涂覆(气刀)；室内修理涂覆；胶印凹版涂覆；一卷接触涂覆；用小直径凹版辊进行反向接触涂覆；棒材涂覆；三辊反向涂覆(上料)；三辊反向涂覆(喷墨斗模)；反向辊涂覆等。
最终浆料的粘度可能根据应用技术而变化。例如，对于逗号涂覆，粘度可以在约1,000cps至约200,000cps之间的范围内。唇模涂覆提供了用表现出粘度在约500cps至约300,000cps之间的浆料进行涂覆。反向接触涂覆提供了用表现出粘度在约5cps至1,000cps之间的浆料进行涂覆。在一些应用中，可以通过多次流通来形成相应的层。
表V
涂覆和干燥
在第五步骤45中，执行压延。在一些实施例中，由最终浆料形成的层可以在被涂覆到集流体(直接地或在中间层上)之前或之后进行压缩(例如，使用压延设备)。在一些实施例中，浆料可以在压延(即，压缩)工艺之前或压延工艺期间部分或完全干燥(例如，通过施加热量、真空或其组合)。例如，在一些实施例中，该层可以被压缩到小于其预压缩厚度的90％、80％、70％、50％、40％、30％、20％、10％或更小的最终厚度(例如，在垂直于集流体层101的方向上)。
在各种实施例中，当在涂布或压缩工艺期间形成部分干燥的层时，该层可以随后完全干燥(例如，通过施加热量、真空或其组合)。在一些实施例中，从活性层100去除基本上所有的溶剂。
在一些实施例中，用于形成浆料的溶剂经回收并再循环到浆料制造工艺中。
在一些实施例中，该层可以被压缩，例如，以破坏一些构成的高纵横比碳元素或其他碳质材料，从而增加相应层的表面积。在一些实施例中，该压缩处理可以增加粘附力、离子传输速率和表面积中的一个或多个。在各种实施例中，可以在将层涂覆到电极上或在电极上形成层之前或之后施加压缩。
在使用压延来压缩层的一些实施例中，压延设备可以设置为具有小于层的预压缩厚度的90％、80％、70％、50％、40％、30％、20％、10％或更小的间隙间距(例如，设置为层的预压缩厚度的约33％)。压延辊可构造成提供合适的压力，例如，每厘米辊长度大于1吨、每厘米辊长度大于1.5吨、每厘米辊长度大于2.0吨、每厘米辊长度大于2.5吨或更多。在一些实施例中，后压缩层的密度将在1g/cc至10g/cc的范围内，或其任何子范围，诸如2.5g/cc至4.0g/cc。在一些实施例中，压延工艺可以在20℃至140℃范围或其任何子范围内的温度下进行。在一些实施例中，该层可以在压延之前预热，例如在20℃至100℃范围或其任何子范围内的温度下预热。
集流体上的层的制造方面显示在图7和图8中。在图7中，可以看出活性材料分散在官能化碳的网络内。具有活性材料的官能化碳的网络设置在集流体上。还参照图8，可以看出，在压延工艺之后，活性材料和官能化碳纳米材料的组合产生设置在集流体上的致密层。
表VI
压延参数
图9至图15是描绘根据此处的教示制造的活性材料的各方面和活性材料层的横截面的显微照片。图9A和9B，在此统称为图9，描绘了富含镍并可用于活性材料的粉末。图10A和10B，在此统称为图10，描绘了用富含镍的NMC材料制造的电极的表面形态。在这些实施例中，在涂布和干燥工艺之后观察电极。材料采用1％表面活性剂(CTAPF6)制备；0.25％的分散剂(PVP)和3％的3D纳米碳材料。将活性材料涂布作为集流体的铝箔的单面上。图11A和11B，在此统称为图11，从侧截面图描绘了图10的电极。图12A和12B，在此统称为图12，从中间截面图描绘了图10和图11的电极。
图13A和13B，在此统称为图13，描绘了用富含镍的NMC材料制造的电极的横截面侧视图。在这些实施例中，在涂布和干燥工艺之后观察电极。材料采用1％表面活性剂(CTAPF6)制备；0.25％的分散剂(PVP)和3％的3D纳米碳材料。将活性材料涂布在作为集流体的铝箔片的两面。活性材料的质量负载为约15mg/cm2，压制密度为约3.5gm/cm3。图14示出了图13的电极的顶部横截面图。图15A和图15B，在此统称为图15，描绘了图13和图14的电极的另一顶部截面图。图16是描绘两个单独批次的活性材料的机械测试的各方面的图。
图17是描绘根据本文的教示构造的半电池的C速率的曲线图。半电池包括为22.5mg/cm2的NCM活性材料的面积负载。在该示例中，“最佳工艺”曲线表示根据本文的教示制造的无粘合剂电极。“旧工艺”曲线表示在没有本文公开的这些表面活性剂和分散剂的情况下制造的无粘合剂电极。“PVDF”曲线表示使用现有技术制造的电极的电池的性能。在此示例中，半电池为软包电池结构。下表提供了初始特定和C速率测试结果。工作电极大小为45x45mm，Li对电极大小为46x46mm。电解质为在EC/DMC(1/1体积)+1％VC中的1M LiPF6。
图17的数据
在图18中，示出了完整软包电池的测试结果。在此示例中，阴极为45X45mm的富镍NMC，阳极为46x46mm的石墨电极。电解质为EC/DMC(1/1体积)+1％VC中的1M LiPF6。N/P比＝～1.1。可以看出，与传统PVDF工艺相比，HPPC的电阻要低得多。如图19所示，根据本文教示的阴极中较低的电荷电阻导致在10％的电荷状态下的性能提高。图20示出了利用根据本文教示制造的阴极来提高循环稳定性。
构建另一软包电池用于测试。软包电池的结构如图21所示。在该第二实施方案中，阴极是具有45X45mm，28-30mg/cm2质量负载的富镍NMC，阳极是具有46x46mm，8-9mg/cm2质量负载量的石墨/SiOx(45％ SiOx)电极的组合。电解质为1.1M LiPF6，溶液为PC:FEC:EMC:DEC＝20:10:50:20。N/P比＝～1.04至1.10。NMC阴极和45％SiOx阳极电极制造工艺均与本文所述的工艺一起使用，并使用与3D纳米碳基质组合的混合表面活性剂和分散剂。在软包电池封装效率为90％的情况下，锂离子电池全电池比能量约为332Wh/kg，如果封装效率提高到95％，则为351Wh/kg。软包电池封装效率为90％、软包电池体积膨胀为10％时，能量密度约为808Wh/L；软包电池封装效率为95％、软包电池体积膨胀为10％时，能量密度约为853Wh/L。基于所要求保护的电极制造工艺，阴极和阳极的初始第一循环充电比容量分别为约228mAh/g和852mAh/g；基于所要求保护的电极制造工艺，阴极和阳极的初始第一循环放电比容量为约210mAh/g和750mAh/g。在此示例中，LiB全电池容量是在0.1C速率恒定电流充放电下从4.2V至2.5V的第一充电容量240mAh和第一放电容量216mAh。初始库仑效率约为～90％。在图22至图26中阐述了该数据的各方面以及该电池的电性能。
图27是包含一系列照片的曲线图。如图27所示，所得电极没有出现一些物理测试中常见的裂纹或应力。测试电池的其他方面在下表中列出。
从上表可以看出，在90％封装效率下，能量密度大于325瓦时/千克(Wh/kg)，优选地大于330Wh/kg。在95％的封装效率下，能量密度超过340Wh/kg，优选地超过350Wh/kg。无封装的能量密度超过360Wh/kg，优选地超过365Wh/kg。
实例1
进行该示例是为了证明包含聚偏二氟乙烯(PVDF)的常规电极与包括水溶性聚合物(例如，聚乙烯吡咯烷酮(PVP))的本公开的电极之间的差异。阴极包含NMC811活性材料，其具有分子式LiNixMnyCo1-x-y，其中x约为0.8且y约为0.1。导电网络包括碳纳米管。
图28是描绘包含常规电极(聚偏二氟乙烯(PVDF))的存储装置和包含具有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的电极的存储装置的放电容量对放电C速率的曲线图。在4.5倍率放电下，包含PVP电极的存储装置显示出69％的电荷保持容量(大于145mAh/g)，而PVDF对照样品显示出30％的电荷保持容量(约59mAh/g)。与PVDF对照装置相比，含有用NMC811活性材料进行的PVP表面处理的存储装置的性能提高了至少2倍。
图29A和图29B分别描绘了本公开的电极(包含PVP)与常规电极(包含PVDF)的曲线图。图29A是描绘包含PVP的电极的电势对Li/Li+对比容量的曲线图，而图29B是描绘包含PVDF的电极的电位对Li/Li+对比电容的曲线图。在3.4C/min的半电池快速充电(使用Li作为对电极)下，本公开的电极(包含PVP)显示出比包含PVDF的常规电极大至少2倍的快速充电容量。
即使在5.6mAh/cm2的高负载下，含有PVP的电极也显示出162mAh/g的比充电容量，而PVDF对照仅显示出70mAh/g的比充电容量。
实例2
此示例演示了在阳极中使用包含PVP的水溶性表面处理剂。导电网络包括碳纳米管。负极活性材料是含硅碳(Si-C)的材料。对阳极进行了机械性能测试。在2毫米心轴测试中，阳极活性层(其包含PVP和含硅碳(Si-C)的材料)显示出235牛顿/米的平均强度，最大值为255牛顿/米。活性层显示出1234mAh/g的初始Li充电比容量和1116mAh/g的初始Li放电比容量。初始库仑效率(ICE)值约为90％。
实例3
在实施例中，使用电池大小为46mm(L)x 46mm(W)x 3.4mm(T)的存储装置来基于堆叠厚度确定放电容量和能量密度。该电池是1.5Ah电池。下表显示了结果。
*对比样品
对于9层NMC811阴极和10层Si-C阳极(例如，对于1.5Ah电池)，软包电池封装效率约为86％。然而，在大于5Ah并具有更多堆叠层的大型软包电池中，其效率可以提高至95％。从表中的上述数据可以看出，与具有相同小软包电池形式和层数的石墨阳极(16mg/cm2)(以匹配24mg/cm2 NMC811阴极)相比，含硅阳极(5.3mg/cm2)可以将比能量和能量密度提高30％以上。
图30描绘了放电能量(以百分比表示)对循环次数的图表。用PVP处理碳纳米管。阳极活性层包含S-C，而阴极包含NMC811。多层电池在1.5Ah下运行。从图中可以看出，3V和500次循环时的放电能量约为90％，而2.8V和500次循环时的放电能量约为80％。
可包含且调用各种其它组件来提供本文中的教示的方面。举例来说，额外的材料、材料的组合和/或材料的省略可用于提供在本文中的教示的范围内的附加实施例。可实现本文中的教示的多种修改。通常，可根据用户、设计者、制造者或其它类似的相关方的需求来设计修改。修改可能意在满足上述各方认为重要的特定性能标准。
所附权利要求或权利要求要素不应被解释为援引35U.S.C.§112(f)除非特定权利要求中明确使用“意味着”或“步骤”等词语。
当介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一”和“所述”旨在表示存在所述元件中的一个或多个元件。类似地，形容词“另一”当用来介绍元件时打算意指一或多个元件。术语“包含”和“具有”旨在为包含性的以使得可以存在除所列元件之外的额外元件。如本文中所使用，术语“示例性”不意在暗示最好实例。实际上，“示例性”是指许多可能实施例中的一个实施例的实施例的实例。
虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变，并且可以用等效物取代本发明的元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，所属领域的技术人员将了解许多修改来使特定仪器、情形或材料适于本发明的教示。因此，希望本发明不限于作为实行本发明设想的最佳模式公开的特定实施例，但是本发明将包含属于所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种用于制造用于储能装置的电极的方法，所述方法包括
加热用作储能介质的溶剂和材料的混合物；
将活性材料添加到所述混合物中；
将分散剂添加到所述混合物中以提供浆料；
用所述浆料涂覆集流体；以及
压延所述集流体上的浆料涂层以提供所述电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述储能介质包括纳米碳。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述储能介质包括高纵横比碳元素。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述高纵横比碳元素的主要尺寸的长度是其次要尺寸的5倍、10倍、100倍、500倍、1,000倍、5,000倍和10,000倍中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述储能介质包括纳米碳，所述纳米碳包括其表面处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述表面处理包括添加材料以促进所述活性材料与所述纳米碳的粘附。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述表面处理包括添加官能团中的至少一种，所述官能团包括羧基、羟基、胺基和硅烷基中的至少一种。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述表面处理由以下中的至少一种形成：设置在所述纳米碳上的聚合物层和包括纳米碳和官能化材料的冻干水分散体。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述官能化材料包括表面活性剂。
10.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括所述聚合物层的热解形式。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述活性材料包括以下中的至少一种：锂钴氧化物；锂镍锰钴氧化物；锂锰氧化物；锂镍钴铝氧化物；钛酸锂氧化物；磷酸铁锂氧化物；以及锂镍钴铝氧化物。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述活性材料的颗粒包括在0.1微米至50微米的范围内或其任何子范围内的中值粒径。
13.根据权利要求1所述的方法，其中活性材料物质的质量负载为至少20mg/cm2 、30mg/cm2 、40mg/cm2 、50mg/cm2 、60mg/cm2、70mg/cm2 、80mg/cm2 、90mg/cm2 、100mg/cm2或更多。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述分散剂包括水性粘合剂、聚丙烯酸和聚丙烯酸钠中的至少一种。
16.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括烧结所述浆料涂层。
17.一种用于储能装置的电极，所述电极包括
设置在集流体上的储能材料的涂层，所述涂层包括碳纳米形式材料和活性材料在具有分散剂的溶剂中的悬浮液。
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