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CN118541818A - 在阳极活性材料和集电器之间包括导电层的阳极，以及并入这样的阳极的电化学装置 - Google Patents

在阳极活性材料和集电器之间包括导电层的阳极，以及并入这样的阳极的电化学装置 Download PDF

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CN118541818A
CN118541818A CN202380016928.6A CN202380016928A CN118541818A CN 118541818 A CN118541818 A CN 118541818A CN 202380016928 A CN202380016928 A CN 202380016928A CN 118541818 A CN118541818 A CN 118541818A
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A·蒂鲁万那马莱
孙用圭
丹尼尔·罗克
杰奎琳·洪
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Massachusetts Guneng Holdings Ltd
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Abstract

通过将金属箔层压到集电器上并产生包含金属箔的阳极活性材料贴片来形成用于电化学装置的阳极的方法，阳极活性材料贴片由贴片间区域彼此隔开，其中每个贴片间区域提供用于形成成品阳极的一个或更多个电接线片的位置。该方法还可以包括在将金属箔层压至集电器之前将导电涂层贴片施加至集电器，其中每个导电涂层贴片对应于阳极活性材料贴片中的一个。在一些实施方案中，导电涂层贴片可以有助于形成阳极活性材料贴片和/或可以改进使用由阳极活性材料贴片制造的阳极而制造的电化学装置的循环性能。还公开了包含施加于集电器的阳极活性材料和导电涂层的阳极。

Description

在阳极活性材料和集电器之间包括导电层的阳极，以及并入 这样的阳极的电化学装置
相关申请数据
本申请要求2022年1月26日提交的题目为“Anodes Comprising An ElectricallyConductive Layer Between An Anode-Active Material And ACurrent Collector,AndElectrochemical Devices Incorporating Such Anodes”的美国专利申请第17/585,120号的优先权。该申请通过引用以其整体并入本文。
领域
本公开内容总体上涉及电化学装置的领域。特别地，本公开内容涉及在阳极活性材料和集电器之间包括导电层的阳极，以及并入这样的阳极的电化学装置。
背景
可再充电锂金属电池或二次锂金属电池提供高于目前锂离子电池的体积能量密度和重量能量密度。与包含由嵌入材料诸如石墨形成的阳极(负极)的锂离子电池不同，在典型的二次锂金属电池中，锂箔(阳极活性材料)被层压至铜箔(集电器)的两侧以形成常规的锂-铜-锂(Li/Cu/Li)阳极结构。然而，锂是软的和粘性的，并且通过常规的辊磨工艺难以生产具有大于120mm的宽度的超薄(<50μm厚)锂箔。因此，该宽度约束限制了可以使用层压技术构建的阳极和电池的尺寸。
图1A和图1B图示了使用卷对卷工艺(roll-to-roll process)12生产常规Li/Cu/Li阳极(由虚线区域10表示)的常规方法，该卷对卷工艺12涉及在铜箔网状物16的两侧上连续层压超薄锂箔带14A和14B以形成网状阳极前体18。铜箔网状物16的宽度Ww通常比锂箔的宽度Wf宽，并且层压的结构通常具有沿着铜箔网状物的至少一个边缘的裸铜区域16A。裸铜区域16A被提供用于形成电接线片(electrical tab)10A，以使得能够与Li/Cu/Li阳极10电接触，当Li/Cu/Li阳极被组装成电化学电池的堆叠“果冻卷”时，从网状阳极前体18冲压出所述Li/Cu/Li阳极10。在没有电接线片10A的情况下，将难以将堆叠的果冻卷中的多层Li/Cu/Li阳极10连接到成品电化学电池中的外部电引线(未示出)。如上文提及的，由于锂的物理性质，当使用期望的超薄锂箔时，锂箔网状物16的宽度Wf被限制为约120mm，并且这限制了使用常规的卷对卷层压技术可以制造的Li/Cu/Li阳极诸如图1A和图1B的Li/Cu/Li阳极10的尺寸，这相应地严重限制了可以用超薄锂金属阳极制造的锂金属电化学电池(未示出)例如二次锂金属电池单元的尺寸。反过来，这种限制阻碍了锂金属二次电池用于需要高容量电池用于实际操作的应用的发展，该应用诸如电动汽车以及其他。
公开内容的概述
在一种实施方式中，本公开内容涉及用于电化学装置的阳极。所述阳极包括：集电器，其具有厚度和活性区域，其中所述活性区域在所述厚度的相对侧上具有第一侧和第二侧；第一阳极活性金属层，其在所述活性区域的所述第一侧上被固定到所述集电器；以及第一导电层，其在集电器和第一阳极活性金属层之间，其中第一导电层将第一阳极活性金属层固定到集电器，其中第一导电层包括聚(丙烯酸)。
在另一种实施方式中，本公开内容涉及用于电化学装置的阳极。所述阳极包括：集电器，其具有厚度和活性区域，其中所述活性区域在所述厚度的相对侧上具有第一侧和第二侧；第一阳极活性金属层，其在所述活性区域的所述第一侧上被固定到所述集电器；以及第一导电层，其在所述集电器和所述第一阳极活性金属层之间，其中所述第一导电层将所述第一阳极活性金属层固定到所述集电器，所述第一导电层包括导电材料和将所述导电材料粘合在所述第一导电层中的粘合剂，其中所述导电材料以在约50wt.％至约90wt.％范围内的量存在于所述第一导电层中。
附图简述
出于说明本公开内容的方面的目的，附图图示了本公开内容的一种或更多种实施方案的特点和/或特性。然而，应该理解，本公开内容不限于附图中所示的精确布置和手段，其中：
图1A是常规的卷对卷层压工艺中常规网状阳极前体的一部分的平面视图，图示了在从网状阳极前体冲压出Li/Cu/Li阳极之前的Li/Cu/Li阳极；
图1B是在从网状阳极前体冲压出阳极之前，如沿着图1A的线1B-1B截取的常规Li/Cu/Li网状阳极前体的放大的夸大的横截面视图；
图2是图示了本公开内容的示例性阳极形成层压方法的流程图；
图3A是可以使用图2的方法制造的示例性网状阳极前体和从其中移除的示例性阳极的局部平面视图，其中网状阳极前体被示出为处于不同的加工阶段，从施加任选的导电涂层贴片，到层压阳极活性材料贴片，到从网状阳极前体中移除阳极；
图3B是如沿着图3A的线3B-3B截取的图3A的示例性阳极的放大的夸大的横截面视图；
图4是实施图2的示例性阳极形成层压方法的示例性辊对辊层压工艺的高水平示意图；
图5A至图5E是不同网状阳极前体的部分的平面视图，其图示了网状阳极前体上的阳极区域和阳极活性材料贴片(和导电涂层贴片，如果使用的话)的替代布置的实例；
图6是放电容量相对于循环寿命的图，该图比较了在使用和不使用本公开内容的导电涂层的情况下制造的示例性Li/Cu/Li阳极的循环寿命性能；以及
图7是使用多于一个根据本公开内容制造的阳极制造的电化学电池的高水平横截面视图。
详细描述
在一些方面，本公开内容涉及使用某些层压技术形成用于一个或更多个电化学装置的阳极的方法。可以受益于本公开内容的阳极形成层压方法的电化学装置的实例包括基于金属的二次电池和超级电容器以及其他。在本上下文中，“基于金属的”意指所论述的电化学装置具有一个或更多个阳极，每个阳极包括作为阳极活性材料的至少一个金属层。可以用于金属层的金属的实例包括但不限于锂、钠、钾、镁和铝，或包含这样的金属的合金以及其他。如下文论述的，在一些实施方案中，本公开内容的阳极形成层压方法允许金属阳极，特别是碱金属阳极，诸如锂金属阳极，被制造成比使用相同阳极活性金属制造的常规层压阳极更大的尺寸。将这种更大的尺寸转化为例如更高容量的二次电池，其克服了常规二次电池的局限性。如本领域技术人员将容易理解的，本文公开的层压技术可以是成本有效的，并且制造的成本是用于制造高能量需求应用诸如电动车辆所需的大容量二次电池的特别重要的参数。
在一些方面，本公开内容涉及包括集电器、在集电器的一侧或两侧上的金属阳极活性层以及位于集电器和每个金属阳极活性层之间的导电涂层(electricallyconductive coating)(或简称为“导电涂层(conductive coating)”)的阳极。在一些实施方案中，导电涂层是基于导电碳的涂层，其可以包括一种或更多种形式的导电碳、粘合剂和任选地一种或更多种金属的颗粒。在其他实施方案中，导电涂层可以仅包括一种或更多种金属的颗粒和粘合剂。在一些实施方案中，导电涂层改进了碱金属层到集电器的固定。例如，本领域技术人员将理解，在常规生产的层压阳极中，施加至铜集电器的锂金属层不总是很好地结合到铜集电器上，这导致它们在处理期间从铜集电器分层。使用本公开内容的导电涂层可以防止这种分层。当锂金属层在循环时被大部分转化为多孔苔藓结构(porousmossy structure)时，本公开内容的导电涂层还可以起到维持与锂金属层接触的作用。使用本公开内容的导电涂层还可以有助于将阳极活性材料的金属箔片定位在集电器网状物上和/或允许利用导电涂层的一些实施方案的优异粘合性质的新制造技术。本公开内容的包括导电涂层的基于金属的阳极可以使用任何合适的方法制造，诸如本文公开的阳极形成层压方法中的任何一种或任何合适的常规方法。
在又其他方面，本公开内容涉及使用本文公开的方法中的任何一种和/或使用本文公开的包含导电涂层的阳极中的任何一种来制造电化学装置的方法，以及使用本公开内容的方法和/或使用本文公开的包含导电涂层的阳极中的任何一种制造的电化学装置。下文详细地描述本公开内容的前述方面和其他方面。
在进行更详细的描述之前，应当注意，在整个本公开内容中，术语“约”当与对应的数值一起使用时是指数值的±20％，通常是数值的±10％，通常是数值的±5％，并且更通常是数值的±2％。在一些实施方案中，术语“约”可以意指数值本身。还应注意，术语“侧面”当提及阳极、本公开内容的阳极或用于形成本公开内容的阳极的任何其他结构或其区域的层、涂层、箔、网状物、带或任何其他部件或其区域时，是指部件或结构在垂直于该部件或结构的厚度的方向上在该部件或结构的边缘之间延伸的扩展部分(expanse)。换言之，在本公开内容的上下文中，部件或结构的“侧面”被部件或结构的厚度分开。
现在参考图2、图3A、图3B和图4，并且对应地注意到每个元件数字的第一个数对应于该元件首次示出的图，图2图示了形成用于一个或更多个电化学装置(未示出)的阳极300(仅示出一个分离的)的示例性阳极形成层压方法200，图3A和图3B图示了网状阳极前体304和使用该方法制造的阳极300，并且图4图示了用于执行阳极形成层压方法200的多个步骤的示例性卷对卷(R2R)加工系统400。阳极形成层压方法200可以用于形成多个阳极300，多个阳极300可以全部为彼此相同的尺寸或者可以具有不同的尺寸。每个阳极300包括集电器308，该集电器308具有活性材料区域308A和形成为活性材料区域的延伸部的导电接线片或者仅仅是“接线片”308B。活性材料区域308A包括在集电器308的一侧或两侧上被层压到阳极300的阳极活性材料312，这取决于阳极设计的要求。活性材料区域308A在平行于接线片308B从活性材料区域延伸的方向Dt的方向上具有长度La，并且长度La可以是任何合适的长度，诸如从约50mm至约800mm、从约100mm至约600mm、或者约100mm或更长，例如当活性材料312的厚度Tam是约50μm或更小时，在约15μm至约25μm的范围内或者约20μm或更小。活性材料区域308A在垂直于长度La的方向上的宽度Wa同样可以是任何合适的宽度，例如从约10mm到约200mm、从约20mm到约150mm或者小于约120mm，当例如厚度Tam是约50μm或更小时，在约15μm至约25μm的范围内或者约20μm或更小。在一些实施方案中，宽度Wa可以是在给定厚度下的箔的最大宽度，所述箔可以使用常规箔形成技术由所选的阳极活性材料形成，最大宽度包括大于200mm的宽度。例如，锂箔的当前最大宽度是厚度为约50μm或更小时的约120mm，但是未来的技术可以允许更大的宽度，并且本文公开的技术可以容易地与那些技术保持同步。
本公开内容的方法能够生产当厚度Tam是约50μm或更小时具有例如高达约150mm(Wa(图3A))×约600mm(La(图3A))或更大的面积尺寸的锂阳极诸如基于锂的版本的阳极300，特别是如果工业设计出制造具有大于120mm的宽度的锂箔的方法，这实际上是电流极限。在实例中，常规的层压工艺在20μm的锂厚度产生约53mm×45mm面积大小的Li/Cu/Li阳极，而本公开内容的层压方法，例如图2的层压方法200，在相同的锂厚度(Tam)产生具有550mm的活性区域长度La和107mm的活性区域宽度的阳极300。与阳极大小成比例，电池容量(Ah)和能量(Wh)对于装配有根据本公开内容制造的具有或不具有任选的导电涂层贴片328(参见下文)的阳极300的二次电池将对应地高得多(例如，高达25×高、50×高或更多)。高能量需求应用诸如电动车辆所要求的具有超过100Ah容量的锂金属二次电池可以使用所公开的方法来构建。作为示例性比较，对于相同数量的堆叠层，53mm×45mm阳极形成～4Ah电池，而550mm×107mm阳极将形成～100Ah电池。此外，由于大型电池需要较少的包装，这些电池的重量能量密度和体积能量密度(分别是Wh/Kg和Wh/L)也将更高。例如，在～4Ah相对于～100Ah电池的前述实例中，从较小的电池到较大的电池，将存在从约400Wh/kg至约410Wh/kg的重量能量密度的增加。
在一些实施方案中，阳极300可以包括在阳极活性材料312和集电器308之间的导电涂层316，该导电涂层316位于存在阳极活性材料的集电器的每一侧。通常期望导电涂层316(如果存在的话)和阳极活性材料312与活性材料区域308A大致共同延伸，即具有分别与对应的活性材料区域的长度La和宽度Wa大致相同的长度Lcc和宽度Wcc。如在图3A中看到的，阳极300被示出为从网状阳极前体304移除，所述网状阳极前体304已经从网状阳极前体的对应的阳极区域320(1)移除。图3A还示出了网状阳极前体304上的两个另外的阳极区域320(2)和320(3)，阳极区域320(2)和320(3)一旦从网状阳极前体移除，将产生两个另外的阳极(未示出)。每个阳极区域320(1)至320(3)包括活性区域部分320A(1)至320A(3)和接线片部分320B(1)至320B(3)。在图3A中，阳极区域320(2)包括活性阳极材料，并且准备用于待移除的对应的阳极，而阳极区域320(3)还不包括活性阳极材料。用于集电器308、阳极活性材料312和导电涂层316中的每一个的示例性材料在上文和下文均被提及。
在框205，阳极形成层压方法200包括提供集电器网状物324。在一种实施方案中并且如图4中所示，集电器网状物324可以作为适合于图4的R2R加工系统400的集电器材料的带404被提供。在其他实施方案中，集电器网状物324可以以另一种形式提供，诸如以片材形式提供，由此集电器材料被提供为单独的片材。集电器网状物324可以由任何合适的导电材料制造，所述导电材料诸如金属，例如铜、镍、钛或不锈钢以及其他，或者任何合适的金属合金。根本上，对用于集电器网状物的材料的类型没有限制。集电器网状物324可以具有多种形式中的任何一种，诸如实心箔、穿孔箔、编织网状物或膨胀网状物(expanded mesh)以及其他。根本上，对集电器网状物324的形式没有限制。任何网状物或其他开放结构可以具有在约5％至约95％的范围内的开放面积占总面积的百分比。穿孔网状物(如果使用)可以通过多种工艺中的任何一种来制造，多种工艺包括但不限于常规的穿孔、旋转模切、电成型(electroforming)、光蚀刻和激光切割以及其他。在一些实施方案中，集电器网状物324具有在约20mm至约200mm的范围内、在约120mm至约200mm的范围内、在约150mm至约300mm的范围内、或更大的宽度Ww，特别是当阳极活性材料Tam的厚度为约50μm或更小，并且活性材料是碱金属诸如锂时。集电器网状物324的长度可以是任何合适的长度以适应实施本公开内容的阳极形成层压方法，诸如在基于带的工艺或基于片材的工艺中的图2的阳极形成层压方法200。
阳极300的集电器308的接线片308B可以由集电器网状物324的裸露区域304A形成，裸露区域304A即集电器网状物的不具有任何存在的阳极活性材料，并且如果使用任选的导电涂层316，也不具有任何存在的导电涂层材料的区域。因此，这要求网状阳极前体304的阳极区域320的接线片部分320B(1)至320B(3)是裸露的，如下文论述的。
在任选的框210，任选的导电涂层贴片328被施加到集电器网状物324的一侧或每一侧，这取决于例如成品阳极300在集电器网状物的一侧或两侧上是否将具有阳极活性材料。在图3A中，仅示出了单个导电涂层贴片328，但是在该实例中，类似的导电涂层贴片也在集电器网状物324的相对侧。如果提供，导电涂层被设置在导电涂层贴片328中以提供贴片间区域304A，贴片间区域304A是集电器网状物324的裸露部分，阳极区域320的接线片部分320B位于或将位于该裸露部分中，并且阳极300的接线片308B由或将由该裸露部分形成。每个贴片间区域304A可以具有等于或大于相应的阳极300上的对应接线片308B的长度Lt的间隙宽度Wg。在一些实施方案中，基于具有相同或相似尺寸的接线片308B的长度Lt，间隙宽度Wg可以在约10mm至约30mm的范围内。在其他实施方案中，每个贴片间区域304A的间隙宽度Wg可以大于约30mm或小于约10mm，以适合特定的阳极设计。
当导电涂层贴片328被设置在集电器网状物324的两侧时，用于相同阳极300的导电涂层贴片彼此对准，使得导电涂层贴片和贴片间区域304A沿着集电器网状物324的长度处于彼此相同的位置。在一些实施方案中，每个导电涂层贴片328的宽度Wccp约等于阳极300的活性材料区域308A的宽度Wa，以使废料最小化。在一些实施方案中，在活性材料区域308A的每一侧，每个导电涂层贴片328的宽度Wccp比活性材料区域308A的宽度Wa大约1mm至约3mm或更大，以确保当阳极300从网状阳极前体304移除时，导电材料存在于阳极的切割边缘。
在一些实施方案中，每个导电涂层贴片328的宽度Wccp约等于集电器网状物324的宽度Ww，特别是当方法200用于从单行的阳极区域320产生阳极300时。在一些实施方案中，每个导电涂层贴片328的宽度Wccp被制造为小于集电器网状物324的宽度的约95％，以便留下足够的集电器网状物完好无损，以易于废弃材料的处理。例如，在R2R系统诸如图4的R2R系统400中移除阳极300之后剩余足够的集电器网状物324的情况下，废弃材料可以被卷到废料收集辊(未示出)上。在一些实施方案中，每个导电涂层贴片328的宽度Wccp和/或对应的阳极活性材料贴片336的宽度Waamp被制造成小于集电器网状物324的宽度Ww的100％，诸如，例如约0.9Ww<Wccp和/或Waamp<Ww、约0.95Ww<Wccp和/或Waamp<Ww、或约0.98Ww<Wccp和/或Waamp<Ww以及其他。在一些实施方案中，每个集电器贴片328的长度Lccp被制造成约等于阳极300的活性材料区域308A的长度La，以使废料最小化。在一些实施方案中，在活性材料区域308A的每一侧，每个导电涂层贴片328的长度Lccp比活性材料区域308A的长度La大约1mm至约3mm，以确保当阳极300从网状阳极前体304移除时，确保使导电材料存在于阳极的切割边缘。沿着导电涂层贴片328的接线片308B所在的边缘，导电涂层通常应该与阳极活性材料贴片336齐平，或者延伸超过阳极活性材料贴片336至多约1mm。通常，优选的是导电涂层贴片328和阳极活性材料贴片336在接线片308B上延伸不超过约1.5mm。否则，“多余的”材料可能干扰接线片焊接工艺。
每个导电涂层贴片328可以充当相对于对应的阳极活性材料贴片336的底漆，以帮助改进对应的阳极活性材料贴片336之间的粘附力，同时维持最终阳极300中的阳极活性材料312和集电器308之间的低接触电阻。如果提供，每个导电涂层贴片328可以以由任何合适的导电材料制造，所述导电材料诸如导电碳材料，导电碳材料包括一种或更多种导电碳颗粒和合适的粘合剂，以将颗粒彼此粘合并粘合到集电器网状物324。在其他实施方案中，导电碳颗粒可以用金属颗粒增强，而在又其他实施方案中，仅金属颗粒可以与合适的粘合剂一起使用。
如果使用导电碳材料，其可以作为通过在水性介质或有机溶剂介质中共混导电碳和粘合剂材料而制备的浆料提供，该浆料在施加到集电器网状物324上之后最终被干燥。可以使用的导电碳材料的实例包括炭黑、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管或其混合物。呈粉末形式的金属诸如银也可以与导电碳混合以增强导电性。粘合剂材料的实例包括但不限于PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF-HFP(聚偏二氟乙烯-六氟丙烯)、CMC(羧甲基纤维素)和SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)、PAA(聚(丙烯酸))及其任何混合物。
如上文所述，导电涂层贴片328中的粘合剂可以帮助阳极活性材料贴片336很好地粘附到集电器网状物324上，并防止阳极活性材料在处理和使用期间从集电器网状物和集电器308分层。导电涂层中的导电材料有助于在成品阳极300中的阳极活性材料312和集电器308之间维持低接触电阻，这与更好的粘附力一起有助于改进使用并入这样的导电材料的阳极制造的二次电池中的电池循环性能。
每个导电涂层贴片328的厚度可以是例如在约0.1μm至约5μm的范围内、在约0.5μm至约2μm的范围内，和约1μm，以及其他范围和值。在一些实施方案中，如果阳极活性材料的表面粗糙度(Ra，算术平均粗糙度)为Xμm，则涂层的厚度可以在约0.2Xμm至约2Xμm的范围内。目前的证据表明，在一些实施方案(包括锂箔用于阳极活性材料贴片336的实施方案)中，基于以下考虑，每个导电涂层贴片328的约1μm的厚度可能是最佳的。导电涂层贴片328需要足够大以改进粘附力和导电性。然而，较厚的涂层可以产生副反应，并给电池增加不必要的重量和体积。此外，可能存在适应阳极活性材料(例如锂)的平均表面粗糙度的变化的最小厚度。这种关系可能是成正比的或者成反比的，这取决于许多因素。例如，在锂的情况下，锂金属容易变形，并且具有较高粗糙度的锂箔可能容易粘到例如铜表面上，并且薄的导电涂层可能是所需要的全部。然而，这种关系可能由于在锂箔的表面上存在的任何钝化层被进一步复杂化，因为原始的锂表面可以很好地结合到铜表面，但是大多数锂箔具有具有不同化学和厚度值的表面钝化层，这取决于给定供应商的特定生产工艺。因此，取决于所涉及的特定事实，最佳厚度可能存在变化。
在一些实施方案中，每个导电涂层贴片328中的导电涂层材料的面积负载量(areal loading)可以在约0.1g/m2至约2g/m2的范围内，并且在一些实施方案中为约0.5g/m2。在一些实施方案中，对于约1μm的涂层厚度，每个导电涂层贴片328的表面电阻可以低于约30欧姆/平方，并且表面电阻率可以低于约3x 10-3欧姆-cm。通常，表面电阻的单位是欧姆/平方，并且表面电阻取决于每个导电涂层贴片328的厚度，其中导电涂层贴片越厚，电阻越低。因此，对于除了约1μm以外的厚度，表面电阻将不同于30欧姆/平方。在一些实施方案中，导电涂层材料中导电材料(例如，导电碳、导电金属或其组合)的量可以在约5wt.％至约95wt.％的范围内、在约50wt.％至约90wt.％的范围内、在约60wt.％至约90wt.％的范围内或在约70wt.％至约90wt.％的范围内。
作为使用导电涂层贴片328的益处的实例，在阳极活性材料是锂并且集电器网状物324是铜的情况下，新鲜的锂通常很好地粘附至铜表面。然而，通常存在于常规锂箔的表面上的钝化层抑制其对铜的粘附。钝化层的组成取决于锂箔在制造期间最初所暴露的气氛，并且通常由诸如碳酸锂、氢氧化锂、氧化锂和氮化锂的盐组成。此外，锂箔的表面还可以具有来自用于形成锂箔的辊磨工艺的残余润滑剂。钝化层和/或油残余物在表面上的存在阻碍了锂箔在层压期间很好地粘附至铜。提供导电涂层贴片328通过提供很好地粘附至集电器网状物324并且阳极活性材料贴片336很好地粘附到其上的层而有助于克服该问题。
例如，将剥离测试应用于加压层压至铜箔(集电器)的锂箔(阳极活性材料)的样品—一个样品是锂箔直接施加至铜箔，以及一个样品是在锂箔和铜箔之间存在导电碳涂层。将一片胶带(从3M Corporation,St.Paul,Minnesota可获得)轻轻压到每个样品的锂箔上，并且然后慢慢剥离。尽管在两个样品之间层压条件是相同的，除了在样品之一中存在导电涂层之外，将直接层压至铜箔的锂箔与胶带一起从铜箔上剥离掉，而层压至导电碳涂层的锂箔没有与胶带一起剥离掉，并且保持层压到导电碳涂层和导电碳涂层下面的铜箔上。应当注意，可以使用除了胶带以外的压敏胶带。如果锂箔被很好地粘附到铜箔上，则剥离力通常将大于约200N/m。
为了将任选的导电涂层贴片328施加到集电器网状物324上，示例性的R2R系统400可以包括适合于所论述的导电涂层材料类型的涂层施加设备408。例如，涂层施加设备408可以包括一个或更多个涂层涂布机(coating applicator)408A(1)和408A(2)，其可以是刀式涂布机、喷涂式涂布机或辊式涂布机以及其他。可以使用的示例性涂布工艺包括槽模铸造、流延、凹版印刷、逗号涂布(comma)、喷涂和浸涂以及其他。根本上，对可以施加导电涂层贴片328的方式没有限制。涂层施加设备408还可以包括一个或更多个图案化装置408B(1)和408B(2)，诸如开孔掩模(open mask)或丝网以及其他，用于确保导电包覆贴片具有期望的大小。本领域技术人员将容易地理解如何在网状阳极前体304上的适当位置以及这种施加所需的适当的涂层施加设备408处将任选的导电涂层贴片328施加到集电器网状物324上，使得对于本领域技术人员来说，在没有过度实验的情况下将本发明实践到其最大范围的各自的详细描述是不必要的。
在框215，金属箔332被层压在集电器网状物324的一侧或每一侧上，作为对应的阳极活性材料贴片336(仅示出一个，但是在该实例中，另一个阳极活性材料贴片存在于集电器网状物的相对侧)。金属箔332的层压可以首先包括在有或没有导电涂层贴片328的情况下使金属箔332与集电器网状物324接合，这取决于它们是否用于特定应用。金属箔332的接合可以以任何合适的方式进行，诸如，例如，经由从临时保持基底转移或者经由拾取和放置系统以及其他来进行。在一些实施方案中，金属箔332可以被压制成与集电器网状物324牢固接合，或者与每个对应的导电涂层贴片328(如果存在的话)牢固接合。这样的压制可以以任何合适的方式进行，诸如，例如使用辊压机或固定压机以及其他进行。在一些实施方案中，金属箔332的层压可以使用辊磨机或压延机进行，其中层压压力由辊之间的间隙设定来确定。在一些实施方案中，由辊施加的压力不应使金属箔332显著变形，即应该存在锂箔的可忽略的厚度的减小或宽度和/或长度的增加。例如，当存在导电涂层贴片328时，通常期望的是对应的阳极活性材料贴片336中的金属箔332保持大致在下面的导电涂层贴片的覆盖区内。在一些实施方案中，期望的是金属箔332的厚度减小小于金属箔的原始厚度的约10％，并且金属箔的长度和/或宽度的增加小于约2％。根本上，对金属箔332可以被压制到网状阳极前体304上的方式没有限制。
金属箔332可以具有以下厚度：在一些实施方案中在约15μm至约25μm的范围内，在一些实施方案中为约20μm，在一些实施方案中在约10μm至约50μm的范围内，以及在一些实施方案中在约1μm至约100μm的范围内，以及其他范围和值。这些厚度一般地特别适用于包含锂(包括纯锂)的箔、基于碱金属的箔以及基于一种或更多种其他金属的箔。目前的证据表明，金属箔332(包括锂金属箔)的约20μm的厚度，在增加使用阳极300制造的电化学电池的厚度的同时，可以是包括循环寿命、可操作性、成本、重量和镀覆以及其他事项的多种因素的最佳折衷。在一些实施方案中，集电器网状物324的厚度可以在约4μm至10μm的范围内，并且在一些实施方案中为约6μm，包括集电器网状物是铜箔的情况，以及其他范围和值。目前的证据表明，6μm的集电器厚度可以是例如重量、强度、能量密度、层压复杂性、成本和厚度以及其他事项的最佳折衷。
在一些实施方案中，金属箔332可以被预先确定尺寸为约等于阳极区域320(1)至320(3)的活性区域部分320A(1)至320A(3)的尺寸或者对应的导电涂层贴片328的尺寸，或者两者。这样的确定尺寸可以用于例如从临时基底的转移工艺中，或者用于拾取和放置工艺中，所述拾取和放置工艺诸如使用合适的温和真空的拾取和放置工艺。在一些实施方案中，金属箔332可以以连续的片材或带来提供。例如，如果使用导电涂层贴片328，并且它们为金属箔提供相对于集电器网状物324的裸露部分的显著粘附，则阳极活性材料贴片336可以通过将连续的片材或带压制到集电器网状物并从集电器网状物的先前裸露的部分移除金属箔332的其中金属箔没有很好地粘附的部分来形成。在一些实施方案中，每个阳极活性材料贴片336的宽度Waamp约等于阳极300的活性材料区域308A的宽度Wa，以使废料最小化。在一些实施方案中，在活性材料区域308A的每一侧，每个阳极活性材料贴片336的宽度Waamp比活性材料区域308A的宽度Wa大约1mm至约3mm，以确保当阳极300从网状阳极前体304移除时，导电材料存在于阳极的切割边缘。
在一些实施方案中，如果使用导电涂层贴片328，并且如果使用的导电涂层材料为导电涂层贴片提供合适的特性，则方法200可以包括，在任选的子框215A，使用导电涂层贴片来将金属箔332的片材与导电涂层贴片对齐。例如，如果导电涂层贴片328在导电涂层贴片和下面的集电器网状物324之间提供机器可检测的对比度，诸如光学对比度，则可以提供合适的检测系统以感测对比度，并向控制金属箔332的片材与导电涂层贴片的对准的控制系统提供位置信息。检测系统的实例是机器视觉系统，其可以检测和定位每个导电涂层贴片328的一个或更多个边缘。
参考图4和示例性的R2R系统400，R2R系统可以包括层压区域412，其中金属箔332(在图4中仅标记了一些)与集电器网状物324接合并层压到集电器网状物324上。如上文所述，层压区域412可以采取多种形式中的任何一种，这取决于例如将金属箔332输送到集电器网状物324的方式、是否使用导电涂层贴片328以及将金属箔压制到集电器网状物上的方式。在图4图示的实施方案中，金属箔332作为成对的临时支撑带420(1)和420(2)上的单独的箔片416(在图4中仅标记了一些)被输送，每条临时支撑带用于集电器网状物带404的每一侧，其在箔片被层压到集电器网状物带之前相对宽松地保持所述箔片。所示的实施方案还包括辊压机424，该辊压机424将箔片416压制成与集电器网状物带404牢固接合，以形成阳极活性材料贴片336。
在该实施方案中，使用成对的传送辊428(1)和428(2)将箔片416输送至集电器网状物带404，传送辊428(1)和428(2)可以例如施加相对少量的压力以实现箔片到集电器网状物带的转移。由于箔片416与集电器网状物带404之间的粘附大于箔片与临时支撑带420(1)和420(2)之间的粘附，特别是当存在导电涂层贴片328时，临时支撑带可以容易地从现在是网状阳极前体304的一部分的阳极活性材料贴片336上剥离。在一些实施方案中，临时支撑带420(1)和420(2)上的箔片416之间的间距精确地匹配贴片间区域304A。在其他实施方案中，临时支撑带420(1)和420(2)上的箔片416之间的间距可以与贴片间区域304A不匹配。在一些实施方案中，当临时支撑带420(1)和420(2)上的箔片416之间的间距精确地匹配贴片间区域304A时，临时支撑带420(1)和420(2)以及集电器网状物带404的全部可以运行穿过辊压机424。在这种情况下，可以省略转移辊428(1)和428(2)。
仍然参考图4，如果使用导电涂层贴片328，则示例性的R2R系统400可以任选地包括对准系统432，该对准系统432利用导电涂层贴片将箔片416与导电涂层贴片中对应的相应的导电涂层贴片精确对准。在阳极活性材料片被辊压机424牢固层压以产生对应的阳极活性材料贴片336之前，这种对准使每个箔片416与导电涂层贴片328中对应的一个导电涂层贴片328适当精确地对准。当导电涂层贴片328包括相对于集电器网状物324的裸露材料视觉上高对比度的材料，诸如导电碳涂层时，对准系统432可以包括一个或更多个光学传感器，此处是两个光学传感器432A(1)和432A(2)，用于检测和定位每个导电涂层贴片的至少一个边缘。对准系统432还可以包括一个或更多个控制器432B(仅示出一个)和一个或更多个致动器，诸如步进电机(未示出)，控制器控制该致动器以精确地推进临时支撑带420(1)和420(2)中的每一个。控制器432B可以被编程为使用来自光学传感器432A(1)和432A(2)的一个或更多个边缘的位置信息以及临时支撑带420(1)和420(2)的位置信息来精确控制箔片416与导电涂层贴片324中的对应的导电涂层贴片324的对准。本领域技术人员将理解如何实现多种类型的对准系统而无需过多的实验，该对准系统可以使用导电涂层贴片328来辅助箔片416与导电涂层贴片328的对准。
示例性的方法200还包括框220，在框220处，阳极300由网状阳极前体304形成。阳极可以以任何合适的方式由网状阳极前体304形成，诸如通过在阳极区域，例如阳极区域320(1)至320(3)处冲压、剪切(sheering)或以其他方式切割网状阳极前体304，以限定并从中释放所产生的阳极300。在这点上，图4将示例性的R2R系统400图示为包括阳极形成设备436，阳极形成设备436可以包括任何合适的自动冲压、剪切或其他切割工具，它们可以被配置为一次形成一个或更多个阳极300。本领域技术人员将容易地理解如何实施合适的阳极形成设备436，而不需要任何过度的实验。形成的阳极300现在可以准备好用于使用如此形成的阳极300制造一个或更多个电化学装置(未示出)的下一步骤。
图5A至图5E图示了多种网状阳极前体上的阳极区域和阳极活性材料贴片(以及下面的导电涂层贴片，如果存在的话)的一些示例性替代布置，这些示例性替代布置可以用来代替图3A的网状阳极前体304上的阳极区域320和阳极活性材料贴片336(以及如果存在的话，导电涂层贴片328)的布置。应当注意，相对于图3A的网状阳极前体304图示的布置的替代方案不限于图5A至图5E的可选择的布置；而是，这些是提供以图示根据本公开内容形成阳极的方法的灵活性的示例性布置。在下文描述图5A至图5E时，没有参考导电涂层贴片以简化解释。然而，如刚刚提到的，导电涂层贴片可能确实例如以上文结合图2至图4论述的方式存在于对应的阳极活性材料贴片下方。还应当注意，图5A至图5E的可选择的布置被描述为好像阳极活性材料贴片仅位于网状阳极前体的正面，如图中看到的。尽管可能如此，但网状阳极前体的反面同样可以具有与网状阳极前体的正面上的阳极活性材料贴片对准的匹配的阳极活性材料贴片(以及任选地导电涂层贴片)。还应当注意，在除了阳极区域和阳极活性材料贴片的不同布置之外的所有方面，诸如材料、厚度、面积尺寸和产生的工艺以及其他，图5A至图5E中的阳极区域可以与本公开内容中别处描述的阳极区域相同或相似，诸如相对于图3A的阳极区域320(1)至320(3)。
图5A图示了示例性的网状阳极前体500，其中阳极活性材料贴片504(1)至504(5)(实线)以单行被设置在下面的集电器网状物508上。在该实例中，每个阳极活性材料贴片504(1)至504(5)被设置成用于形成单个阳极区域512(1)至512(5)(虚线)，单个阳极区域512(1)至512(5)将最终从网状阳极前体500移除以形成对应的阳极(未示出，但是类似于图3A和图3B的阳极300)。
如通过比较图5A与图3A可以看出，图5A的网状阳极前体500和图3A的网状阳极前体304之间的区别在于，紧邻的成对的阳极区域512(2)至512(5)的接线片部分512A位于相同的贴片间区域516中，接线片部分512A在此处是512A(2)至512A(5)，贴片间区域516在此处是516(1)和516(2)。由于贴片间区域520，此处是520(1)和520(2)，可以被制造成比容纳成对的接线片部分512A(2)至512A(5)的贴片间区域516小，这种布置可以提供更少的集电器网状物508的浪费。
图5B大体上类似于图5A，不同之处在于通过完全消除那些贴片间区域，将贴片间区域520(图5A)的尺寸最小化的特征在图5B中被发挥到极致。以这种方式，在图5B中，在贴片间区域520(图5A)的相对侧上的每对阳极活性材料贴片504(1)至504(4)有效地接合在一起成为单个阳极活性材料贴片524，此处是524(1)和524(2)，在该实例中，阳极活性材料贴片524是图5A的阳极活性材料贴片504(1)至504(5)中的每一个的大小的约两倍。利用这种配置，图5B的每个阳极活性材料贴片524被提供用于形成两个阳极区域528，此处是在阳极活性材料贴片524(1)处的阳极区域528(1)和528(2)，以及在阳极活性材料贴片524(2)处的阳极区域528(3)和528(4)。取决于所使用的阳极活性材料相对于所需的阳极区域的大小的加工限制，图5B的配置可能无法实现。例如，如果阳极活性材料是锂，则加工限制可能限制阳极活性材料贴片的长度，所述阳极活性材料贴片诸如分别可以制造的图5A和5B的阳极活性材料贴片504和524。在这样的情况下，可能需要使用不同的配置，其中在阳极活性材料贴片和由那些阳极活性贴片制造的阳极区域的数量之间存在1:1的对应关系，诸如图3A和图5A所示的配置中的任一种以及其他。
图5C至图5E分别图示了图3A、图5A和图5B所示的示例性配置的多行变型530、550和570。在回顾图5C至图5E的多行变型530、550和570时，读者可以参考图3A、图5A和图5B以及关于对应的单行配置的信息的对应描述，因为这些多行变型中的每一个可以通过从更大(例如，更宽)的集电器网状物开始，此处分别是534、554和574，并且在这样的更大的集电器网状物上将对应的单行配置重复多次来制造。应当注意，虽然图5C至图5E的变型530、550和570中的每一个示出了阳极活性材料贴片542(此处是542(1)至542(6))、562(此处是562(1)至562(10))和582(此处是582(1)和582(4))的两行538(1)和538(2)、558(1)和558(2)以及578(1)和578(2)，然而在其他实施方案中，可以提供更多数量的行。通常，对所实施的行538、558和578的数量的唯一限制是足够大的集电器网状物534、554和574的可用性以及制造对应的制造设备的能力。还应当注意，与本文公开的其他实施方案类似，取决于所使用的加工设备的类型，集电器网状物534、554和574中的每一个可以是例如片材类型或带类型。例如，带类型的集电器网状物易于接受R2R加工，诸如在类似于图4的R2R系统400的R2R系统中。
应当注意，图3A至图5E中示出的所有实施方案示出了所有的阳极区域，以及相应地阳极活性材料贴片、任何导电涂层贴片(如果存在的话)和由其形成的阳极，它们在每个图中尺寸相同。然而，虽然这对于普通尺寸的电化学电池的生产运行来说将是典型的，但是不一定如此。例如，本公开内容的阳极形成方法的一些实施方案可以被调整以在相同的网状阳极前体上制造不同大小的阳极。
图6是放电容量相对于循环次数的图，该图比较了在使用和不使用本公开内容的导电涂层的情况下锂-铜(Li/Cu)阳极(20μm厚的Li，在Cu上的双面，8μm厚的Cu，由在约70％至约90％之间的炭黑和PVDF制成的1μm厚的涂层)的电池循环寿命性能。为了生成该图的数据，在用基于镍-锰-钴(NMC)氧化物的阴极和基于聚烯烃的微孔隔膜构建的多层袋电池中进行循环寿命测试。阴极和隔膜中的孔填充有Li+导电液体电解质。电解质通常包含锂盐，诸如溶解在碳酸盐或醚基溶剂中的LiPF6或LiFSI。电池在2.5V至4.3V之间以C/5-1C充放电速率循环。
如图6中所示，已经发现在铜集电器上包括本公开内容的导电涂层提高了具有锂阳极的电池的循环寿命性能。随着循环次数增加，致密的锂逐渐变成更加多孔的结构，并且导电涂层有助于维持多孔锂和铜集电器基底之间的良好电接触。这进一步导致更均匀的电流密度分布和均匀的锂镀覆/剥离，并且因此导致增强的循环寿命性能。尽管用在铜集电器上的导电涂层制造的电池的初始面积比阻抗(ASI)与包含未包覆的铜集电器的电池相比更高(包覆的～38欧姆-cm2相对于未包覆的～28欧姆-cm2)，但是随着电池循环次数增加，差异逐渐减小，并且在500次循环之后，发现用导电涂层制造的电池的相对ASI与包含未包覆的铜集电器的电池相比更低(包覆的～85欧姆-cm2相对于未包覆的～92欧姆-cm2)。
应当注意，当本公开内容的导电涂层，诸如图3A的示例性阳极300的任选的导电涂层316存在于阳极中时，不需要使用本公开内容的层压方法制造阳极。例如，与阳极300的阳极活性材料312等同的阳极活性材料可以使用另一种方法来施加，诸如气相沉积，以及正在开发或可能正在开发的其他有潜力的技术。
图7图示了根据本公开内容制造的示例性的二次电池700。具体地，示例性的电池700包括堆叠的果冻卷704，该果冻卷704包括多于一个阳极708，阳极708包括本公开内容的导电涂层(未示出)，诸如图3A的导电涂层316，或者使用本公开内容的层压方法，诸如图2的层压方法200来制造，或者两者。示例性的二次电池700的新颖性可以源于阳极708本身在以下方面的新颖性：包含在阳极708中的独特导电涂层(未示出，但参见例如图3A和图3B的导电涂层316)的存在和/或它们的面积大小大于常规制造的层压阳极的面积大小，以及与常规配置和制造的阳极相比，改进的循环寿命性能和/或由此产生的更高的重量能量密度和体积能量密度。堆叠的果冻卷704还包括多个隔离层716和通过隔离层与阳极708电隔离的多个阴极720。
在该实例中，堆叠的果冻卷704与合适的电解质(未图示，但至少存在于隔离层716(未全部标记)中，如果使用固体类型电解质或凝胶类型电解质，其可以被认为是聚合物电解质的一部分)一起被密封在外壳内，此处是袋型外壳712。在其他实施方案中，袋型外壳712可以用不同类型的外壳代替，诸如刚性壁的壳体以及其他。根本上，外壳的类型仅在其提供必要功能的程度上是重要的，必要功能包括提供用于容纳堆叠的果冻卷704和电解质的密封体积。本领域技术人员熟悉用于构造袋型外壳712或可以包括特定设计的其他类型的外壳的技术和材料。因此，对于本领域技术人员而言，在没有过度实验的情况下举例说明二次电池700，壳体712上的进一步细节在此处是不必要的。
如上文所论述的，每个阳极708可以包括任何合适的阳极活性金属，诸如锂、钠、钾、镁或铝，或者其任何合适的组合，如同上文论述的示例性阳极300那样。取决于电池的类型，例如，锂-金属、钠-金属、锂-空气、锂-硫等，每个阴极包括合适的阴极活性材料。在一种或更多种实施方案中，阴极具有通式LixMyOz，其中M是过渡金属诸如Co、Mn、Ni、V、Fe或Cr。
在一种或更多种实施方案中，每个阴极720可以包括层状或尖晶石氧化物材料，其选自包括以下项的组：LiCoO2、Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、LiMn2O4、Li(Mn1.5Ni0.5)2O4、或它们的富锂形式。在一种或更多种实施方案中，每个阴极720可以具有通式LixMyPOz，其中M是过渡金属诸如Co、Mn、Ni、V、Fe或Cr。在一种或更多种实施方案中，每个阴极720可以是选自包括LiFePO4、LiNiPO4、LiCoPO4或LiMnPO4的组的磷酸盐材料。在一种或更多种实施方案中，每个阴极720可以包括多孔涂层，该多孔涂层包括阴极活性材料粉末、聚合物粘合剂诸如PVDF和导电稀释剂诸如炭黑。在一种或更多种实施方案中，每个阴极720可以包括铝箔上的多孔涂层。在一种或更多种实施方案中，每个阴极720可以包括锂钴氧化物(或钴酸锂)、锂锰氧化物(还被称为尖晶石或锰酸锂)、磷酸铁锂，以及锂镍锰钴(或NMC)和/或锂镍钴铝氧化物(或NCA)。在一种或更多种实施方案中，每个阴极720可以包括纳米尺寸和纳米结构的硫基复合材料，诸如硫浸渍的核-壳分级多孔碳(HPC)复合材料、硫/石墨烯纳米片(GNS)复合材料、具有囊状结构的硫@rGO(还原的氧化石墨烯)复合材料以及具有聚合物球形网络结构的C-S@PANi(聚苯胺)复合材料以及其他。在一种或更多种实施方案中，每个阴极720可以包括碳层，该碳层被夹在集电器周围并且然后覆盖有聚合物膜诸如PTFE膜。碳层可以包含金属催化剂，该金属催化剂增强氧还原动力学并增加阴极720的比容量。示例性的金属催化剂包括但不限于锰、钴、钌、铂、银及其混合物。
在一种或更多种实施方案中，当电解质是液体时，每个隔离层716可以由任何一种或更多种材料制成，其中至少一种是电介质。例如，在一种或更多种实施方案中，每个隔离层716可以由聚丙烯或聚乙烯或其任何合适的组合(例如，混合物、层、涂层等)制造。本领域技术人员将理解可以用于制造每种隔离层716的多种材料和构造。
关于电解质，在一个实例中，二次电池700是锂金属电池，这意味着阳极708包括锂金属，在充电循环和放电循环期间，锂离子分别沉积到锂金属上/从锂金属剥离。对应地，电解质包含在充电循环和放电循环期间，在堆叠的果冻卷704内的阳极和阴极720之间流动的锂离子(未示出)。因此，在该实例中，电解质包括一种或更多种呈合适的形式的锂基盐，合适的形式诸如溶液、共晶混合物或熔融形式以及其他。在一些实施方案中，电解质可以包含一种或更多种溶剂、一种或更多种性能和/或性质增强添加剂和/或一种或更多种聚合物以及其他物质。电解质可以是呈任何合适的物质状态，诸如液态、凝胶态或固态。无论其是用于二次电池700的基于锂-金属的形式还是基于另一种类型的金属(例如，钠、钾、铝、镁以及其他)的形式，电解质的组成可以是适合于所论述的特定应用的任何组成，并且可以由二次电池的特定实例的设计者来确定。
可以用于电解质中的示例性盐包括但不限于LiFSI、LiTFSI和氟磺酰基(三氟甲基磺酰基)酰亚胺锂(LiFTFSI)、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiBOB、三氟甲磺酸锂及其任何组合以及其它。在一种或更多种实施方案中，两种或更多种盐可以在共晶混合物中组合，诸如包含第一盐X1 +Y1 -和第二盐X2 +Y2 -的共晶混合物，其中X1 +和X2 +中的每一个是碱金属阳离子并且X1 +不同于X2 +，并且Y1 -和Y2 -中的每一个是磺酰亚胺阴离子并且Y1 -不同于Y2 -。在一种或更多种实施方案中，Y1 -和Y2 -可以选自由FSO2N-SO2F(FSI-)和FSO2N-SO2CF3(FTFSI-)组成的组和/或X1 +和X2 +可以选自由Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+组成的组。在一种或更多种实施方案中，共晶混合物还可以包含第三盐X3 +Y3 -，其中X3 +不同于X1 +和X2 +中的每一个。在一种或更多种实施方案中，Y1 -、Y2 -和Y3 -可以选自由FSO2N-SO2F(FSI-)和FSO2N-SO2CF3(FTFSI-)组成的组和/或X1 +、X2 +和X3 +可以选自由Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+组成的组。
在一种或更多种实施方案中，电解质可以包括在非质子溶剂中的酰亚胺盐，例如双氟磺酰亚胺锂(LiN(FSO2)2，以及高氯酸盐。其它含氟磺酰基(FSO2)基团的酰亚胺锂盐，例如LiN(FSO2)2、LiN(FSO2)(CF3SO2)、LiN(FSO2)(C2F5SO2)，可以代替双氟磺酰亚胺锂(LiN(FSO2)2使用或与双氟磺酰亚胺锂(LiN(FSO2)2任何组合使用。在一种或更多种实施方案中，高氯酸盐可以包括LiClO4。在一种或更多种实施方案中，高氯酸盐具有在0.05摩尔/升有机溶剂至0.50摩尔/升有机溶剂之间的浓度。在一种或更多种实施方案中，高氯酸盐选自由LiClO4、Ca(ClO4)2、Sr(ClO4)2、Mg(ClO4)2、Ba(ClO4)2以及它们的任何组合或混合物组成的组。
在一种或更多种实施方案中，电解质可以包含式R1-(O-CH2-CH2)n-O-R2的甘醇二甲醚，其中n＝1至4并且R1和R2中的至少一个是具有至少2个碳原子的烃侧链。在一种或更多种实施方案中，这样的电解质还可以包括选自由氟化甘醇二甲醚和氟化醚组成的组的稀释剂。氟化的稀释剂可以允许使用更稳定的较长侧链的基于甘醇二甲醚的溶剂，诸如DEE(1,2-二乙氧基乙烷或乙二醇二乙醚)、DPE(1,2-二丙氧基乙烷或乙二醇二丙醚)、DBE(1,2-二丁氧基乙烷或乙二醇二丁醚)、二乙二醇二乙醚、二乙二醇二丙醚、二乙二醇二丁醚、三乙二醇二乙醚、三乙二醇二丙醚、三乙二醇二丁醚、四乙二醇二乙醚、四乙二醇二丙醚、四乙二醇二丁醚等。在一种或更多种实施方案中，稀释剂可以是氟化醚1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)或氟化醚双(2,2,2-三氟乙基)醚(BTFE)。在一种或更多种实施方案中，稀释剂可以包括具有至少一个氧(-O-)键合和至少一个氟(-F)取代的合适的烃分子。在一个特定的实例中，DEE和TFE是彼此结合的。在一种或更多种实施方案中，根据本段落制备的电解质的溶剂:稀释剂的比可以在约10:90至100:0的范围内。在一种或更多种实施方案中，溶剂:稀释剂的比可能期望在约40:60至约90:10的范围内，并且在一种或更多种实施方案中，溶剂:稀释剂的比可能期望在约60:40至约80:20的范围内。
在一种或更多种实施方案中，电解质可以是无溶剂无液体磺酰亚胺锂盐组合物，其基本上由磺酰亚胺锂盐的分子和至少一种无水基于醚的溶剂的分子的加合物组成。在这样的实施方案中，可以用于无水磺酰亚胺锂盐的磺酰亚胺锂盐组合物的实例包括但不一定限于、LiFSI、LiTFSI和(LiFTFSI)，并且可以用于一种或更多种无水基于醚的溶剂的无水基于醚的溶剂的实例包括但不一定限于二甲氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、二甲氧基甲烷、二乙氧基甲烷、乙氧基甲氧基甲烷、二噁烷和冠醚以及其他。通常，可以使用任何基于醚的溶剂。在这样的实施方案中，至少一种基于醚的溶剂的基本上全部的分子都与至少一种磺酰亚胺锂盐的分子配位。在一种或更多种实施方案中，至少一种基于醚的溶剂以小于无溶剂无磺酰亚胺锂盐组合物的按重量计5％的量存在于无溶剂无磺酰亚胺锂盐组合物中。
在一种或更多种实施方案中，电解质包含作为有机溶剂的环状碳酸酯，诸如碳酸亚乙酯或碳酸亚丙酯，及其衍生物。在一种或更多种实施方案中，电解质包含线性碳酸酯，诸如碳酸二甲酯、碳酸二乙酯或碳酸乙基甲酯。在一种或更多种实施方案中，电解质包含作为有机溶剂的环醚，诸如四氢呋喃或四氢吡喃，及其衍生物。在一种或更多种实施方案中，电解质包含作为有机溶剂的甘醇二甲醚，诸如二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、三甘醇二甲醚或四甘醇二甲醚，及其衍生物。在一种或更多种实施方案中，电解质包含作为有机溶剂的醚，诸如二乙醚或甲基丁基醚，及其衍生物。在一种或更多种实施方案中，电解质包含作为有机溶剂的磺酰基溶剂，诸如N,N-二烷基氨磺酰基氟化物，及其衍生物和其组合。在一种或更多种实施方案中，电解质包含相同类型的有机溶剂的混合物或两种或更多种类型的有机溶剂的混合物。
在一种或更多种实施方案中，电解质可以包括一种或更多种无机电解质，其选自由以下组成的组：硅酸锂、硼酸锂、铝酸锂、磷酸锂、锂氮氧化物、锂氧硼化物、锂硅硫化物、锂硼硫化物、锂铝硫化物、锂磷硫化物及其任何组合。在一种或更多种实施方案中，电解质可以包括一种或多种固体陶瓷电解质，诸如Al掺杂的LLZO(Li6.25Al0.25La3Zr2O12)石榴石氧化物、钙钛矿(Li0.29La0.57TiO3)、LISICON(Li14ZnGe4O16)、NASICION(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3),硫代LISICON(Li10GeP2S12)或其它基于玻璃的材料(LiPON)或基于玻璃-陶瓷的材料(70Li2S·30P2S5)或它们的混合物。在一种或更多种实施方案中，电解质可以包括基于固体或凝胶的聚合物电解质，其具有PEO(聚环氧乙烷)、PPO(聚环氧丙烷)、PAN(聚丙烯腈)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PVC(聚氯乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF-HFP(聚偏二氟乙烯-六氟丙烯)、(聚(丙烯酸))或其任何混合物。
虽然电解质的前述实例在很大程度上基于锂基盐，但是本领域技术人员将理解，锂基盐可以用合适的非锂基盐代替。
广义上，本公开内容的电解质可以具有在约0.1M至约10M范围内的盐浓度，而在一些实施方案中，盐浓度可以期望在约1M至约5M的范围内，并且在其他实施方案中，盐浓度可以期望在约2M至约3M的范围内。
示例性的二次电池700还包括经由对应的电极728(1)至728(5)电连接到阴极720中的每一个的正极端子724。类似地，锂金属电池还包括负极端子732，负极端子732经由对应的电极736(1)至736(4)电连接到阳极708的接线片708A。
可以在不偏离本公开内容的精神和范围的情况下做出多种修改和添加。上文描述的多种实施方案中的每一种的特征可以适当地与其他描述的实施方案的特征组合，以便在相关联的新实施方案中提供多种特征组合。此外，虽然前文描述多个单独的实施方案，但是本文已经描述的内容仅仅是对本发明的原理的应用的说明。此外，虽然本文的特定方法可以被说明和/或描述为以特定的顺序执行，但是排序在普通技术范围内是高度可变的，以实现本公开内容的方面。因此，本描述旨在仅通过示例的方式做出，而不以其他方式限制本发明的范围。
在一些方面，本公开内容涉及用于电化学装置的阳极。阳极包括具有厚度和活性区域的集电器，其中活性区域在厚度的相对侧具有第一侧和第二侧；在活性区域的第一侧上固定到集电器的第一金属箔；以及在集电器和第一金属箔之间的第一导电层，其中第一导电层将第一金属箔固定到集电器。
在阳极的一种或更多种实施方案中，第一导电层包括导电碳层。
在阳极的一种或更多种实施方案中，导电碳层基本上由导电碳颗粒和粘合剂组成。
在阳极的一种或更多种实施方案中，导电碳颗粒以导电碳层的约50wt.％至约90wt.％、约60wt.％至约90wt.％、或约70wt.％至约90wt.％的量存在。
在阳极的一种或更多种实施方案中，导电层具有在约0.1μm至约5μm的范围内的厚度。
在阳极的一种或更多种实施方案中，导电层具有在约0.5μm至约2μm的范围内的厚度。
在阳极的一种或更多种实施方案中，导电层具有约1μm的厚度。
在阳极的一种或更多种实施方案中，导电层以约0.1g/m2至约2g/m2的面积负载量存在。
在阳极的一种或更多种实施方案中，集电器包括铜，并且第一金属箔包括锂。
在阳极的一种或更多种实施方案中，集电器具有在约4μm至约10μm的范围内的厚度，并且第一金属箔具有在约15μm至约25μm的范围内的厚度。
在阳极的一种或更多种实施方案中，阳极包括在活性区域的第二侧固定到集电器的第二金属箔；以及在集电器和第二金属箔之间的第二导电层，其中第二导电层将第二金属箔固定到集电器。
在一些方面，本公开内容涉及一种电化学装置，该电化学装置包括阴极、电解质和本文叙述的阳极中的任何一种阳极。
已经在上面公开并在附图中示出示例性的实施方案。本领域技术人员将理解，在不背离本公开内容的精神和范围的情况下，可以对本文具体公开的实施方案进行多种改变、省略和添加。

Claims (64)

1.一种用于电化学装置的阳极，所述阳极包括：
集电器，其具有厚度和活性区域，其中所述活性区域在所述厚度的相对侧上具有第一侧和第二侧；
第一阳极活性金属层，其在所述活性区域的所述第一侧上被固定到所述集电器；以及
第一导电层，其在所述集电器和所述第一阳极活性金属层之间，其中所述第一导电层将所述第一阳极活性金属层固定到所述集电器，其中所述第一导电层包括聚(丙烯酸)。
2.根据权利要求1所述的阳极，其中所述第一导电层还包括导电颗粒。
3.根据权利要求2所述的阳极，其中所述导电颗粒包括导电碳颗粒。
4.根据权利要求3所述的阳极，其中所述导电颗粒还包括导电金属颗粒。
5.根据权利要求2所述的阳极，其中所述导电颗粒包括导电金属颗粒。
6.根据权利要求2所述的阳极，其中所述聚(丙烯酸)结合所述第一导电层内的所述导电颗粒。
7.根据权利要求2所述的阳极，其中所述导电颗粒以所述第一导电层的约50wt.％至约90wt.％的量存在。
8.根据权利要求2所述的阳极，其中所述导电颗粒以所述第一导电层的约60wt.％至约90wt.％的量存在。
9.根据权利要求1所述的阳极，其中所述第一阳极活性金属层包括第一金属箔，并且
所述第一导电层将所述第一金属箔固定到所述集电器。
10.根据权利要求1所述的阳极，其中所述第一导电层基本上由导电颗粒和粘合剂组成，
所述粘合剂将所述导电颗粒粘合在所述第一导电层中并且包括所述聚(丙烯酸)。
11.根据权利要求10所述的阳极，其中所述粘合剂由所述聚(丙烯酸)组成。
12.根据权利要求10所述的阳极，其中所述粘合剂还包括选自由聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯橡胶及其任何混合物组成的组的材料。
13.根据权利要求1所述的阳极，其中所述导电层具有在约0.1μm至约5μm的范围内的厚度。
14.根据权利要求1所述的阳极，其中所述第一导电层具有在约0.5μm至约2μm的范围内的厚度。
15.根据权利要求1所述的阳极，其中所述第一导电层具有约1μm的厚度。
16.根据权利要求1所述的阳极，其中所述第一导电层以约0.1g/m2至约2g/m2的面积负载量存在。
17.根据权利要求1所述的阳极，其中所述集电器包括铜，并且所述第一阳极活性金属层包括锂。
18.根据权利要求17所述的阳极，其中所述集电器具有在约4μm至约10μm的范围内的厚度，并且所述第一金属箔具有在约15μm至约25μm的范围内的厚度。
19.根据权利要求17所述的阳极，其中所述第一导电层基本上由导电碳颗粒和粘合剂组成，所述粘合剂将所述导电碳颗粒粘合在所述第一导电层中并且包括所述聚(丙烯酸)。
20.根据权利要求19所述的阳极，其中所述导电碳颗粒以所述导电碳层的约50wt.％至约90wt.％的量存在。
21.根据权利要求17所述的阳极，其中所述第一导电层具有在约0.1μm至约5μm的范围内的厚度。
22.根据权利要求17所述的阳极，其中所述第一导电层具有在约0.5μm至约2μm的范围内的厚度。
23.根据权利要求17所述的阳极，其中所述第一导电层具有约1μm的厚度。
24.根据权利要求17所述的阳极，其中所述第一导电层以约0.1g/m2至约2g/m2的面积负载量存在。
25.根据权利要求1所述的阳极，还包括：
第二阳极活性金属层，其在所述活性区域的所述第二侧上被固定到所述集电器；以及
第二导电层，其在所述集电器和所述第二阳极活性金属层之间，其中所述第二导电层将所述第二阳极活性金属层固定到所述集电器。
26.根据权利要求25所述的阳极，其中所述第二阳极活性金属层包括第二金属箔。
27.根据权利要求25所述的阳极，其中所述第二导电层与根据权利要求1至23中任一项所述的第一导电层相同。
28.根据权利要求1所述的阳极，其中所述第一阳极活性金属层包括具有至少20mm的宽度和至少120mm的长度的锂箔。
29.根据权利要求28所述的阳极，其中所述集电器包括铜。
30.根据权利要求1所述的阳极，其中所述集电器包括固体金属箔。
31.根据权利要求1所述的阳极，其中所述集电器包括穿孔的金属箔。
32.根据权利要求1所述的阳极，其中所述集电器包括金属网状物。
33.根据权利要求1所述的阳极，其中所述集电器具有在约4μm至约10μm的范围内的厚度。
34.一种电化学装置，包括阴极、电解质和根据权利要求1至33中任一项所述的阳极。
35.一种用于电化学装置的阳极，所述阳极包括：
集电器，其具有厚度和活性区域，其中所述活性区域在所述厚度的相对侧上具有第一侧和第二侧；
第一阳极活性金属层，其在所述活性区域的所述第一侧上被固定到所述集电器；以及
第一导电层，其在所述集电器和所述第一阳极活性金属层之间，其中所述第一导电层将所述第一阳极活性金属层固定到所述集电器，所述第一导电层包括导电材料和将所述导电材料粘合在所述第一导电层中的粘合剂，其中所述导电材料以在约50wt.％至约90wt.％范围内的量存在于所述第一导电层中。
36.根据权利要求35所述的阳极，其中所述导电材料以在约60wt.％至约90wt.％范围内的量存在于所述第一导电层中。
37.根据权利要求35所述的阳极，其中所述导电材料包括导电颗粒。
38.根据权利要求37所述的阳极，其中所述导电颗粒包括导电碳颗粒。
39.根据权利要求38所述的阳极，其中所述导电颗粒还包括导电金属颗粒。
40.根据权利要求37所述的阳极，其中所述导电颗粒包括导电金属颗粒。
41.根据权利要求35所述的阳极，其中所述粘合剂选自由聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚(丙烯酸)及其任何混合物组成的组。
42.根据权利要求41所述的阳极，其中所述粘合剂包括所述聚(丙烯酸)。
43.根据权利要求35所述的阳极，其中所述第一阳极活性金属层包括第一金属箔，并且所述第一导电层将所述第一金属箔固定到所述集电器。
44.根据权利要求35所述的阳极，其中所述导电层具有在约0.1μm至约5μm的范围内的厚度。
45.根据权利要求35所述的阳极，其中所述第一导电层具有在约0.5μm至约2μm的范围内的厚度。
46.根据权利要求35所述的阳极，其中所述第一导电层具有约1μm的厚度。
47.根据权利要求35所述的阳极，其中所述第一导电层以约0.1g/m2至约2g/m2的面积负载量存在。
48.根据权利要求35所述的阳极，其中所述集电器包括铜，并且所述第一阳极活性金属层包括锂。
49.根据权利要求48所述的阳极，其中所述集电器具有在约4μm至约10μm的范围内的厚度，并且所述第一金属箔具有在约15μm至约25μm的范围内的厚度。
50.根据权利要求48所述的阳极，其中所述第一导电层基本上由导电碳颗粒和粘合剂组成，所述粘合剂将所述导电碳颗粒粘合在所述第一导电层中并且包括聚(丙烯酸)。
51.根据权利要求48所述的阳极，其中所述第一导电层具有在约0.1μm至约5μm的范围内的厚度。
52.根据权利要求48所述的阳极，其中所述第一导电层具有在约0.5μm至约2μm的范围内的厚度。
53.根据权利要求48所述的阳极，其中所述第一导电层具有约1μm的厚度。
54.根据权利要求48所述的阳极，其中所述第一导电层以约0.1g/m2至约2g/m2的面积负载量存在。
55.根据权利要求35所述的阳极，还包括：
第二阳极活性金属层，其在所述活性区域的所述第二侧上被固定到所述集电器；以及
第二导电层，其在所述集电器和所述第二阳极活性金属层之间，其中所述第二导电层将所述第二阳极活性金属层固定到所述集电器。
56.根据权利要求55所述的阳极，其中所述第二阳极活性金属层包括第二金属箔。
57.根据权利要求55所述的阳极，其中所述第二导电层与根据权利要求1至23中任一项所述的第一导电层相同。
58.根据权利要求35所述的阳极，其中所述第一阳极活性金属层包括具有至少20mm的宽度和至少120mm的长度的锂箔。
59.根据权利要求58所述的阳极，其中所述集电器包括铜。
60.根据权利要求35所述的阳极，其中所述集电器包括固体金属箔。
61.根据权利要求35所述的阳极，其中所述集电器包括穿孔的金属箔。
62.根据权利要求35所述的阳极，其中所述集电器包括金属网状物。
63.根据权利要求35所述的阳极，其中所述集电器具有在约4μm至约10μm的范围内的厚度。
64.一种电化学装置，包括阴极、电解质和根据权利要求35至63中任一项所述的阳极。
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