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CN111640915B - 负极、包括其的二次电池以及制造负极的方法 - Google Patents

负极、包括其的二次电池以及制造负极的方法 Download PDF

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CN111640915B CN202010136832.1A CN202010136832A CN111640915B CN 111640915 B CN111640915 B CN 111640915B CN 202010136832 A CN202010136832 A CN 202010136832A CN 111640915 B CN111640915 B CN 111640915B
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Abstract

本发明提供负极、包括其的二次电池以及制造负极的方法。碱金属二次电池，包括从被施用至多孔集电器金属箔的仅一个侧面的碱金属箔构建的负极。多孔集电器中的开口允许在负极结构的两个侧面二者的碱金属可到达性。这样的负极构造使更低成本并且更普遍地可用的碱金属箔厚度的利用成为可能，同时仍然实现以显著地减少的成本的高的电池单元循环寿命。本公开内容的方面还包括具有具有增加的体积能量密度和重量能量密度的多孔集电器的电池，以及制造具有多孔集电器的负极的方法。

Description

负极、包括其的二次电池以及制造负极的方法
相关申请信息
本申请要求于2019年3月1日提交的名称为Method of Making PerforatedCurrent Collector Using Carrier Film for Secondary Lithium Battery的美国临时专利申请第62/812,454号；于2019年4月12日提交的名称为Method of Making PerforatedCurrent Collector Using Carrier Film for Secondary Lithium Battery的美国临时专利申请第62/833,487号；于2019年3月1日提交的名称为Perforated Current CollectorDesign for Lithium Metal Anode and Secondary Battery Containing the Same的美国临时专利申请第62/812,398号；于2019年4月12日提交的名称为Perforated CurrentCollector Design for Lithium Metal Anode and Secondary Battery Containing theSame的美国临时专利申请第62/833,495号；于2019年3月1日提交的名称为PerforatedCurrent Collector Made Via Photo-Lithography for Secondary Lithium Battery的美国临时专利申请第62/812,482号；于2019年4月12日提交的名称为Perforated CurrentCollector Made Via Photo-Lithography for Secondary Lithium Battery的美国临时专利申请第62/833,499号；于2019年3月1日提交的名称为Method of Making PerforatedCurrent Collector Using a Perforated Carrier Film for Back-Side LithiumExtrusion and Planarization for Secondary Lithium Battery的美国临时专利申请第62/812,441号；于2019年4月12日提交的名称为Method of Making Perforated CurrentCollector Using a Perforated Carrier Film for Back-Side Lithium Extrusion andPlanarization for Secondary Lithium Battery的美国临时专利申请第62/833,500号；于2019年3月1日提交的名称为Large Format Anodes For Secondary Lithium Batteries的美国临时专利申请第62/812,302号；于2019年4月12日提交的名称为Large FormatAnodes For Secondary Lithium Batteries的美国临时专利申请第62/833,501号；于2019年4月12日提交的名称为Large Format Anodes For Secondary Lithium Batteries的美国临时专利申请第62/833,507号的优先权的权益。这些申请中的每个以其整体通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容大体上涉及用于二次电池的负极的领域。具体地，本公开内容涉及具有多孔集电器的碱金属负极，容纳其的二次电池以及制造其的方法。
背景技术
二次(也被称为可充电)锂金属电池由于它们提供的显著地较高的能量密度提供下一代能量储存设备的大的前景。与容纳从插层材料例如石墨形成的负极(也被称为负电极)的常规的锂离子电池不同，锂金属电池负极从耦合至集电器的锂金属例如锂金属箔的薄的片材形成。锂离子电池的插层负极仅提供用于锂离子的基体结构并且不有助于能量储存。锂金属电池负极相反地部分地由锂金属形成，其贡献能量储存，由此显著地增加体积能量密度和重量能量密度。在锂金属电池的充电和放电循环期间，锂金属在充电期间被沉积至负极上并且在放电期间被从负极剥离。
二次锂电池的负极典型地容纳被施用至铜箔集电器的两个侧面二者的锂箔。测试已经显示出，电池的性能趋向于当锂箔的厚度被减少时改进，例如当锂箔的厚度被减少，例如至在集电器的每个侧面的锂箔的小于或等于近似地20μm的厚度时，电池单元循环寿命趋向于优化，并且体积能量密度和重量能量密度趋向于增加。然而，具有挑战性的是使用当前可用的锂箔制造工艺生产锂箔的这样的薄层，例如通过传统的滚磨工艺，并且特别地具有挑战性的是生产更宽的卷，例如大于55mm宽度。使用传统的滚磨工艺，锂的相对软的并且反应性的本质导致为了制造极端地薄的锂金属箔，例如小于或等于近似地10-20μm的厚度，的低的产率以及因此高的成本。制造上的挑战性还约束了极端地薄的锂金属箔的最大可用宽度，这进而限制了能够被生产的二次锂金属电池电池单元的面积尺寸，由此限制了电池单元的能量容量。
发明内容
在一个实施中，本公开内容涉及一种制造负极的方法，包括接收碱金属箔；接收多孔集电器箔，多孔集电器箔具有相反的第一侧面和第二侧面和网状的结构，网状的结构界定开口，开口每个具有容积；以及将碱金属箔和多孔集电器箔在多孔集电器的第一侧面层压在一起，其中层压包括形成碱金属箔的从第一侧面至第二侧面延伸穿过开口并且基本上填充开口的容积的被挤出的部分。
在方法的一个或更多个实施方式中，层压步骤包括使用被挤出的部分完全地填充容积。
在方法的一个或更多个实施方式中，层压步骤包括延伸被挤出的部分直到被挤出的部分至少基本上与多孔集电器箔的第二侧面齐平。
在方法的一个或更多个实施方式中，多孔集电器箔中的开口界定大于80％的百分数开放面积。
在方法的一个或更多个实施方式中，多孔集电器箔中的开口界定大于60％的百分数开放面积。
在方法的一个或更多个实施方式中，多孔集电器箔中的开口界定大于40％的百分数开放面积。
在方法的一个或更多个实施方式中，开口具有大于0.5mm的最大宽度。
在方法的一个或更多个实施方式中，开口具有圆形的或多边形的形状并且在紧密堆积的排列中。
在方法的一个或更多个实施方式中，集电器箔的厚度是从4μm至20μm。
在方法的一个或更多个实施方式中，多孔集电器的网状的结构具有在开口中的毗邻的开口之间延伸的最小网状物宽度，其中最小网状物宽度是小于1mm。
在方法的一个或更多个实施方式中，多孔集电器的网状的结构具有在开口中的毗邻的开口之间延伸的最小网状物宽度，其中最小网状物宽度是小于0.25mm。
在方法的一个或更多个实施方式中，多孔集电器的网状的结构具有在开口中的毗邻的开口之间延伸的最小网状物宽度，其中最小网状物宽度是小于0.15mm。
在方法的一个或更多个实施方式中，使用穿孔工艺、旋转打孔机工艺、转模工艺、旋转啤半穿工艺、光刻法工艺、光蚀刻工艺、电铸工艺、激光切割工艺和金属网编织工艺中的一个或更多个形成集电器中的开口。
在方法的一个或更多个实施方式中，使用碱金属覆层包覆集电器的第二侧面。
在方法的一个或更多个实施方式中，包覆的步骤包括气相沉积、电沉积、缝型模涂布、浸涂、微型凹版印刷、柔性版印刷或在容纳负极的电池单元的初始的充电期间的镀中的一个或更多个。
在方法的一个或更多个实施方式中，碱金属箔被层压至集电器金属箔的仅一个侧面。
在方法的一个或更多个实施方式中，碱金属箔具有在1μm至1000μm的范围内的厚度。
在方法的一个或更多个实施方式中，碱金属箔具有大于55mm的宽度。
在方法的一个或更多个实施方式中，层压步骤包括将多行碱金属箔在横跨(across)多孔集电器箔的密集间隔的平行排列中层压以形成具有在55mm至300mm的范围内的宽度的宽幅负极。
在方法的一个或更多个实施方式中，碱金属箔是第一碱金属箔，方法还包括将第二碱金属箔和多孔集电器箔在多孔集电器的第二侧面层压在一起。
在某些方面，本公开内容涉及一种制造负极的方法，包括接收至少一个载体膜、具有相反的第一侧面和第二侧面的集电器金属箔以及碱金属箔；将所述至少一个载体膜层压至集电器金属箔的第二侧面以形成载体膜-集电器箔层压物；形成载体膜-集电器箔层压物中的多个开口以形成多孔载体膜-集电器箔层压物；将碱金属箔层压至集电器金属箔的第一侧面，其中层压碱金属箔包括形成碱金属箔的延伸穿过开口的被挤出的部分。
在方法的一个或更多个实施方式中，所述多个开口每个界定容积，并且其中将碱金属箔层压至集电器金属箔的第一侧面的步骤包括使用被挤出的部分完全地填充容积。
在方法的一个或更多个实施方式中，将碱金属箔层压至集电器金属箔的第一侧面的步骤包括延伸被挤出的部分直到被挤出的部分至少基本上与集电器金属箔的第二侧面齐平。
在方法的一个或更多个实施方式中，层压碱金属箔的步骤包括延伸被挤出的部分经过集电器金属箔的整个厚度并且经过所述至少一个载体膜的厚度的至少一个部分。
在方法的一个或更多个实施方式中，所述至少一个载体膜具有接触集电器金属箔的第一侧面以及第二相反的侧面，其中层压碱金属箔的步骤包括延伸被挤出的部分直到被挤出的部分的端部基本上与所述至少一个载体膜的第二侧面齐平。
在方法的一个或更多个实施方式中，碱金属箔是第一碱金属箔，方法还包括将所述至少一个载体膜从集电器金属箔脱层；以及将第二碱金属箔层压至集电器金属箔的第二侧面。
在方法的一个或更多个实施方式中，将所述至少一个载体膜从集电器金属箔脱层留下被挤出的部分从集电器的第二侧面凸出。
在方法的一个或更多个实施方式中，经过多孔集电器的第二侧面平坦化被挤出的部分。
在方法的一个或更多个实施方式中，使用平坦化监视系统确定被挤出的部分的平坦化的程度。
在方法的一个或更多个实施方式中，根据被确定的平坦化的程度产生平坦化反馈信号并且将平坦化反馈信号发送至平坦化系统以控制平坦化的程度。
在方法的一个或更多个实施方式中，确定平坦化的程度的步骤包括配置为处理多孔集电器的图像以确定被挤出的部分的平坦化的程度的机器视觉算法的执行。
在方法的一个或更多个实施方式中，将压力施加至被挤出的部分以减少被挤出的部分的高度并且将被挤出的部分分布在多孔集电器的第二侧面上。
在方法的一个或更多个实施方式中，所述至少一个载体膜具有被选择以导致被挤出的部分的目标高度的厚度，目标高度被设计和配置为用于在集电器的第二侧面的碱金属的目标厚度和/或体积。
在方法的一个或更多个实施方式中，所述至少一个载体膜包括第一载体膜和第二载体膜，其中形成所述多个开口的步骤包括形成延伸经过集电器金属箔的厚度和第一载体膜但是不延伸经过第二载体膜的开口。
在方法的一个或更多个实施方式中，在层压碱金属箔的步骤之前脱层第二载体膜。
在方法的一个或更多个实施方式中，脱层步骤包括使用第二载体膜除去废物，废物在形成多个开口的步骤期间被创造。
在方法的一个或更多个实施方式中，将碱金属覆层施用至集电器箔的第二侧面。
在方法的一个或更多个实施方式中，施用碱金属覆层的步骤包括气相沉积、电沉积、缝型模涂布、浸涂、微型凹版印刷、柔性版印刷或在容纳负极的电池单元的初始的充电期间的镀中的一个或更多个。
在方法的一个或更多个实施方式中，碱金属箔被层压至集电器金属箔的仅一个侧面。
在方法的一个或更多个实施方式中，使用穿孔工艺和转模工艺中的一个或更多个形成集电器中的开口。
在方法的一个或更多个实施方式中，碱金属箔具有在1μm至1000μm的范围内的厚度。
在方法的一个或更多个实施方式中，碱金属箔具有大于55mm的宽度。
在方法的一个或更多个实施方式中，层压碱金属箔的步骤包括将多行碱金属箔在横跨多孔集电器箔的密集间隔的平行排列中层压以形成具有在55mm至300mm的范围内的宽度的宽幅负极。
在方法的一个或更多个实施方式中，使用挤出监视系统确定碱金属的挤出的程度。
在方法的一个或更多个实施方式中，根据被确定的挤出的程度产生挤出反馈信号并且将挤出反馈信号发送至层压滚筒组以控制挤出的程度。
在方法的一个或更多个实施方式中，确定挤出的程度的步骤包括配置为处理所述至少一个载体膜的图像以确定被挤出的部分的挤出的程度的机器视觉算法的执行。
在方法的一个或更多个实施方式中，所述至少一个载体膜的厚度是从13μm至300μm。
在某些方面，本公开内容涉及一种制造锂金属负极的方法。方法包括接收包括集电器箔层和至少一个另外的层的多层基材；将孔形成工艺应用至多层基材以形成多个延伸经过集电器箔并且至少部分地经过所述至少一个另外的层的孔；将碱金属箔层压至集电器箔的第一侧面；将碱金属箔挤出穿过孔以形成碱金属箔的多个延伸至少部分地经过所述至少一个层的被挤出的部分；以及除去所述至少一个另外的层。
在方法的一个或更多个实施方式中，将压力施加至被挤出的部分以将被挤出的部分分布在集电器的第二侧面上。
在某些方面，本公开内容涉及一种制造碱金属负极的方法。方法包括将碱金属箔层压至多孔集电器的第一侧面，集电器具有多个从集电器的第一侧面延伸至第二相反的侧面的孔；将碱金属箔经过集电器中的孔挤出以形成碱金属的被挤出的部分，其中被挤出的部分延伸至少至第二侧面并且基本上填充孔。
在方法的一个或更多个实施方式中，碱金属箔是第一碱金属箔，方法还包括将第二碱金属箔层压至多孔集电器的第二侧面。
在方法的一个或更多个实施方式中，多孔集电器中的孔界定大于80％的百分数开放面积。
在方法的一个或更多个实施方式中，多孔集电器中的孔界定大于60％的百分数开放面积。
在方法的一个或更多个实施方式中，多孔集电器中的孔界定大于40％的百分数开放面积。
在方法的一个或更多个实施方式中，孔具有大于0.5mm的最大宽度。
在方法的一个或更多个实施方式中，孔具有圆形的或多边形的形状并且在紧密堆积的排列中。
在方法的一个或更多个实施方式中，集电器的厚度是从4μm至20μm。
在某些方面，本公开内容涉及一种二次电池，包括碱金属负极、正极和隔膜件；其中碱金属负极根据上文的实施方式中的任何被制造。
在某些方面，本公开内容涉及一种用于与碱金属电池负极共同使用的多孔集电器金属箔。集电器包括相反的第一侧面和第二侧面和网状的结构，网状的结构界定多个在第一侧面和第二侧面之间延伸的开口，其中被所述多个开口界定的百分数开放面积是大于40％并且开口每个具有大于0.5mm的宽度。
在集电器的一个或更多个实施方式中，网状的结构具有基本上均一的宽度。
在集电器的一个或更多个实施方式中，网状的结构被设计和配置为最大化在被层压至第二侧面的碱金属箔的第一侧面的可用性。
在集电器的一个或更多个实施方式中，网状的结构被设计和配置为最大化被层压至集电器的仅一个侧面的碱金属箔的消耗的均一性。
在某些方面，本公开内容涉及一种用于碱金属二次电池的负极，包括多孔集电器箔，多孔集电器箔具有相反的第一侧面和第二侧面和网状的结构，网状的结构界定开口，开口每个具有容积；以及碱金属箔，被层压至多孔集电器箔的仅一个侧面，其中碱金属箔的部分从第一侧面至第二侧面延伸穿过开口并且基本上填充开口的容积。
在负极的一个或更多个实施方式中，多孔集电器箔中的开口界定大于40％的百分数开放面积。
在负极的一个或更多个实施方式中，多孔集电器箔中的开口界定从80％至90％的百分数开放面积。
在负极的一个或更多个实施方式中，开口具有从0.5mm至1.5mm的宽度。
在负极的一个或更多个实施方式中，多孔集电器的网状的结构具有在开口中的毗邻的开口之间延伸的最小网状物宽度，其中最小网状物宽度是小于1mm。
在负极的一个或更多个实施方式中，多孔集电器的网状的结构具有在开口中的毗邻的开口之间延伸的最小网状物宽度，其中最小网状物宽度是小于0.25mm。
在负极的一个或更多个实施方式中，多孔集电器的网状的结构具有在开口中的毗邻的开口之间延伸的最小网状物宽度，其中最小网状物宽度是小于0.15mm。
在负极的一个或更多个实施方式中，碱金属箔具有在1μm和1000μm之间的厚度。
在负极的一个或更多个实施方式中，碱金属箔具有大于55mm的宽度。
在负极的一个或更多个实施方式中，负极包括定位在经过多孔集电器箔的被密集间隔的平行排列中的碱金属箔的多个行，其中负极的宽度在55mm至300mm之间。
在负极的一个或更多个实施方式中，碱金属箔被层压至多孔集电器箔的第一侧面，其中碱金属箔的被挤出和被平坦化的部分被沿着多孔集电器箔的第二侧面分布。
在负极的一个或更多个实施方式中，碱金属箔被层压至多孔集电器箔的第一侧面，并且其中多孔集电器箔的第二侧面包括碱金属的覆层。
在负极的一个或更多个实施方式中，覆层通过气相沉积、电沉积、缝型模涂布、浸涂、微型凹版印刷、柔性版印刷或在容纳负极的电池单元的初始的充电期间的镀中的一个或更多个被形成。
附图说明
为了图示本公开内容的目的，附图示出了本公开内容的一个或更多个实施方式的方面。然而，应当理解，本公开内容不限于附图中示出的精确的方法和设备，在附图中：
图1图示了二次碱金属电池的电池单元的一个实施例；
图2图示了示例性的从多孔集电器和碱金属箔构建的负极的分解横截面侧视图；
图3图示了图2的示例性的负极的组装横截面侧视图；
图4图示了集电器开口和碱金属的被挤出的部分的横截面侧视图；
图5图示了集电器开口和碱金属的被挤出的部分的另一个横截面侧视图；
图6是图示了示例性的形成用于作为二次金属电池中的负极使用的多孔集电器-碱金属箔层压物的方法的步骤的流程图；
图7示出了示例性的用于载体膜和集电器金属箔的层压的卷至卷系统；
图8图示了示例性的旋转啤半穿卷至卷系统；
图9图示了多孔集电器中的开口的来源于多工序孔形成工艺的排列；
图10是图示了示例性的用于形成用于作为二次金属电池中的负极使用的多孔集电器-碱金属箔层压物的方法的步骤的流程图；
图11A-11F图示了示例性的可以在图10中图示的方法的进行期间被形成的结构的横截面侧视图；
图12图示了示例性的可以被用于自动化在图10中图示的方法的卷至卷系统；
图13是第一载体膜和第二载体膜和集电器金属箔的分解侧视图；
图14图示了示例性的用于形成多孔集电器箔和第一载体膜1302层压物的卷至卷系统；
图15A-15G图示了示例性的用于在本公开内容的多孔集电器中使用的孔图案设计；
图16示出了使用各种具有被层压在一个侧面的40μm锂箔的8μm厚穿孔铜箔设计制造的电池单元的循环性能；
图17示出了使用各种具有被层压在一个侧面的40μm锂箔的16μm厚穿孔铜箔设计制造的电池单元的循环性能；
图18A-18C示出了示例性的穿孔铜集电器；
图19A-19D示出了示例性的通过光刻法工艺形成的网状物图案；
图20示出了使用各种具有被层压在一个侧面的40μm锂箔的穿孔铜箔设计制造的电池单元的循环性能；
图21A-21B示出了通过光蚀刻工艺制造的多孔钛集电器；
图22A-C示出了在用于三个不同的网状物宽度的负极中的邻近多孔集电器的网状物边缘的锂消耗的计算机模拟；
图23A和23B图示了本公开内容的宽负极结构的实施例，其中碱金属箔被层压至多孔集电器的仅一个侧面；
图23C图示了本公开内容的宽负极结构的实施例，其中碱金属箔被层压至多孔集电器的两个侧面二者；
图24A和24B图示了示例性的宽幅负极结构，其中多个碱金属箔被层压至多孔集电器的仅一个侧面；
图24C图示了示例性的宽幅负极结构，其中多个碱金属箔被层压至多孔集电器的两个侧面；
图25图示了示例性的用于将碱金属施用至集电器表面的气相沉积系统；
图26图示了示例性的用于将碱金属施用至集电器表面的电沉积系统；
图27图示了示例性的用于将碱金属施用至集电器表面的缝型模涂布系统；并且
图28示出了用于使控制系统执行本公开内容的方面的计算设备的一个实施方式的图示。
具体实施方式
本公开内容的方面包括碱金属二次电池，包括从被施用至多孔集电器金属箔的仅一个侧面的碱金属箔构建的负极。多孔集电器中的开口允许在负极结构的两个侧面二者的碱金属可到达性，允许具有多重的正极-负极配对的电池的高效率的构建。这样的负极构造使更低成本并且更普遍地可用的碱金属箔厚度的利用成为可能，例如大于或等于近似地30μm的厚度，同时仍然实现以显著地减少的成本的高的电池单元循环寿命。这样的构造还使具有更大的面积尺寸的电池单元的生产成为可能，因为更厚的碱金属箔是在更宽的宽度例如大于55mm的宽度中可用的。这样的构造还增加碱金属箔和集电器之间的导电性，由此导致增加的高的电池单元循环寿命。具有多孔集电器的电池还具有增加的体积能量密度和重量能量密度。
本公开内容的方面包括设计多孔集电器的方法，例如以为了给定的应用或性能度量例如最大化的电池单元循环寿命优化集电器的设计。一个设计变量是集电器的孔图案，例如选择孔图案以最大化在负极的两个侧面二者的碱金属到达同时提供集电器和碱金属之间的良好的电接触。变量还包括孔的形状、孔的大小、孔之间的排列和间距、集电器箔的厚度以及集电器箔中的开口的面积百分数。
图1图示了二次碱金属电池的电池单元102的一个实施例。图1图示了电池单元102的仅某些基本的功能部件。电池单元和/或电池的现实的实施将典型地使用缠绕的或堆叠的构造体现，包括为了便于图示未在图1中示出的其他的部件，例如电端子、密封物、热击穿层和/或通风孔，除了别的以外。在图示的实施例中，电池单元102包括被间隔开的正极104和负极106，以及一对的相应的分别的集电器108、110。多孔介电隔膜件112位于正极104和负极106之间以电地分离正极和负极但是允许金属离子例如锂离子和电解质114的离子流动穿过其。多孔介电隔膜件112和/或正极104和负极106中的一个、另一个或二者可以还被电解质114浸渍。电池单元102包括容纳电池单元的部件的容器116。
正极和负极104、106可以包括各种不同的与锂金属离子和电解质114相容的结构和材料。集电器108、110中的每个可以由任何合适的导电材料制造，例如铜或铝，或其的任何组合。多孔介电隔膜件112可以由任何合适的多孔介电材料制造，例如多孔聚合物，除了别的以外。
正极104包括正极材料118，正极材料118可以由本领域中已知的各种材料形成，例如LixMyOz的通式的材料，其中M是过渡金属例如Co、Mn、Ni、V、Fe或Cr，并且x、y、z被选择以满足化合价要求。在一个或更多个实施方式中，正极是选自由LiCoO2、Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、LiMn2O4、Li(Mn1.5Ni0.5)2O4或它们的富锂形式的组的层状的或尖晶石氧化物材料。在一个或更多个实施方式中，正极材料是LiCoO2(被充电至4.4V相比于Li金属)、NCA或NCM(622、811)(被充电至4.30V相比于Li金属)。
负极106可以包含在放电状态中具有在0μm-1000μm或10μm-100μm或30μm-60μm或20μm-40μm的范围内的厚度的负极材料120，例如薄碱金属箔。虽然图1示意性地示出了负极材料120毗邻于集电器110，但是如在下文更多地描述的，负极材料例如碱金属的片材或膜可以布置在集电器的一个或两个侧面二者。在另一个实施例中，电池单元102可以初始地仅包括集电器110，并且初始地被储存在正极104中的碱金属例如锂在初始的电池单元充电期间被沉积在负极集电器110上以形成负极106。进一步的关于电池单元102的示例性的材料和构造的信息可以在名称为“High energy density,high power density,highcapacity,and room temperature capable‘anode-free’rechargeable batteries”的PCT公布第WO 2017/214276号中找到，其以其整体通过引用并入本文。
图2和3分别地图示了示例性的根据本公开内容制造的负极200的分解横截面侧视图和组装横截面侧视图。负极200包括具有在第一侧面206和相反的第二侧面208之间延伸的厚度tCC的多孔集电器202以及界定多个从第一侧面延伸至第二侧面的开口210(仅一个被标记)的网状的结构。在某些实施例中，厚度tCC可以在1μm和100μm之间并且在某些实施例中在4μm和20μm之间。负极200还包括具有厚度tMF的碱金属箔204。在某些实施例中，厚度tMF可以在1μm和1,000μm之间，并且在某些实施例中在30μm和60μm之间，并且在某些实施例中大于20μm。多孔集电器202可以从各种材料中的任何形成，例如铜、镍、钛和其他的对于相应的碱金属例如锂稳定的耐熔金属和合金。碱金属箔可以还从各种材料中的任何形成，例如锂、钠、钾等等。
如在图2中图示的，负极200可以通过通过本文描述的各种不同的工艺将碱金属箔204施用至多孔集电器202的仅一个侧面例如第一侧面206被形成。图3图示了以组装形式的负极200。因为碱金属箔204被施用至第一侧面206，所以多孔集电器202的开口210允许碱金属的部分流动或挤出穿过开口。图3概念地示出了已组装的负极200，具有碱金属箔204的位于多孔集电器的第一侧面206的第一部分204a、一个或更多个位于集电器的第二侧面208的第二部分204b以及碱金属箔的位于集电器的开口210中的第三部分204c。第一部分204a具有厚度ta并且第二部分204b具有厚度tb，其中ta+tb≈tMF。如在下文更多地描述的，ta和tb的相关的大小可以取决于用于组装负极200的制造技术和期望的设计构造变化。例如，在某些情况下，tb可以是近似地零并且碱金属箔204可以仅被挤出部分地穿过开口210，或完全地穿过开口，直到碱金属箔的被挤出的部分基本上与集电器202的第二侧面208齐平。在其他的实施例中，碱金属箔204的部分可以被挤出超出第二侧面208，使得它们从第二侧面208凸出，并且在某些实施例中，被挤出的部分可以然后被分布在集电器的第二侧面208上，形成碱金属箔204的第二部分204b。如将意识到的，虽然图3概念地将已组装的负极200示出为具有基本上平坦的第一侧面302和第二侧面304，但是在某些实施例中，第二侧面304可以具有来源于碱金属箔204的被挤出的部分从每个开口210延伸的起伏的表面，并且在某些实施例中，被挤出的部分然后被分布在第二侧面208上。如在下文更多地描述的，在某些实施例中，第二侧面208可以具有碱金属的覆层，例如与碱金属箔204相同的碱金属，以改进在第二侧面208上的碱金属的均一性。
图4和5图示了集电器202的仅一个开口210的横截面侧视图，示出了负极200的两个示例性的实例化。在图4中示出的实施例中，碱金属箔204已经被挤出穿过开口210，直到被挤出的部分404的端部402基本上与集电器202的第二侧面208齐平并且被挤出的部分404基本上填充被开口210界定的容积。在图4中示出的实施例中，端部402具有凸形的表面，其中凸形的表面的局部最大处与第二侧面208齐平或共面并且凸形的表面和开口210界定在其之间的开放空间的小的容积406。图5相似地示出了碱金属箔204的被挤出的部分504，具有具有凸形的表面的端部502。在图5中示出的实施例中，碱金属被挤出进一步穿过集电器202，使得端部502凸出并且凸出超出第二侧面208。在某些实施例中，端部502可以被压平，使得被挤出的部分404的端部是基本上平坦的并且与第二侧面208齐平。在某些实施例中，在图5中示出的实施例可以提供比在图4中示出的实施例高的电池循环寿命性能，由于碱金属和集电器之间的更高的导电性。在其他的实施例中，集电器202的第二侧面208可以被放置在平坦的表面上并且挤出工艺的向在图4中示出的实施例的施加可以继续，直到端部402紧贴该平坦的表面压平并且从在图4中示出的凸形的形状转换至具有平坦的或平面的端部，使容积406被减少或基本上消除。
图6图示了示例性的形成用于作为二次金属电池中的负极使用的多孔集电器-碱金属箔层压物的方法600。在步骤603，方法600可以包括将载体膜层压至金属箔，例如铜金属箔。载体膜可以从各种材料形成，例如聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，或各种其他的聚合物中的任何，例如聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)等等。载体膜可以还从各种金属形成，例如铜、镍等等。在某些实施例中，载体膜的厚度大于集电器的厚度(tCC)并且可以具有在1μm至300μm的范围内并且在某些实施例中在25μm和250μm之间并且在某些实施例中大于4μm的厚度。集电器金属箔可以通过在载体膜上的压敏的或热敏的低粘性粘合剂附接至载体膜。在某些实施例中，步骤603可以包括通过电晕放电活化载体膜例如PET载体膜并且然后在其之后不久使用粘合剂包覆载体膜。在一个实施例中，粘合剂可以是溶解在溶剂中的低温度的可热封的聚酯树脂，例如溶解在乙酸乙酯中的Adcote 40-3E。在一个实施例中，包覆使用8号湿膜涂布器杆在被电晕活化的载体膜的侧面进行。溶剂然后通过将膜通过被保持在200℉的干燥隧道被除去。金属箔例如8μm厚铜箔可以然后在被粘合剂包覆的侧面层压至载体膜。在一个实施例中，层压包括将金属箔紧贴在层压期间被保持在例如高于180℉的被加热的滚筒移动。载体膜和金属箔的层压可以被自动化，如在图7中图示的示例性的卷至卷系统700中示出的。在图7中示出的实施例中，金属箔704的卷702和载体膜708的卷706可以被供入经过层压滚筒组710以将两个材料层压在一起。层压滚筒组可以被加热以确保金属箔704和载体膜708之间的良好的粘附。已层压的金属/载体712可以被滚筒714引导并且被收集在滚筒716上。在其他的实施例中，代替通过层压接合载体膜和集电器箔，集电器可以通过各种工艺被在载体膜的表面上直接地形成，例如电沉积、化学镀等等，并且集电器可以保持粘合至载体膜，例如，通过弱摩擦力和/或静电力。
再次地参考图6，在步骤605，孔可以使用孔形成工艺被在已层压的金属/载体712中形成，例如使用分度机构将层压物供入经过穿孔头的穿孔工艺。在一个实施例中，穿孔头具有两行针，当其运动经过工具时其在层压物中穿孔。在一个实施例中，正在被穿孔的金属箔不在张紧下并且当其被供入经过穿孔头时是松弛的。载体膜被设计和配置为向金属箔提供足够的刚度，使得其可以被供入经过穿孔工具。层压物可以被取向为使得穿孔头在层压物的金属箔侧面进入并且穿孔金属和载体膜二者。载体膜还改进在金属箔中形成的孔的品质，导致基本上无缺陷的孔，而在没有载体的薄金属箔中形成的孔可以更可能包括边缘缺陷例如毛边、破裂、孔屑和撕裂。在一个实施例中，未冲压的实心带被留在卷的顶部边缘和底部边缘上以用于电标签和在下游的用于制备最终的负极结构的工艺期间的操纵的方便。穿孔可以具有各种直径、中心至中心距离和图案中的任何。例如，在0.1mm至3.0mm的范围内并且在某些实施例中0.3mm至1.2mm的直径、0.15mm至3.5mm并且在某些实施例中0.4mm至1.4mm的中心至中心距离，以及六边形地排列的孔图案。
在另一个实施例中，在步骤605，孔可以使用旋转啤半穿方法被在金属箔中形成。图8图示了旋转啤半穿卷至卷系统800的一个实施例，包括可以被供入经过旋转啤半穿滚筒组810的金属箔804的卷802和载体膜808的卷806。旋转啤半穿滚筒组810被配置和设计尺寸以仅在金属箔804中形成孔并且在载体膜808中不形成孔，其中当现在穿孔金属箔812和载体膜808被在滚筒组814脱层或剥离时所得到的来自金属箔的金属箔碎片(也被称为孔屑)保持附接至载体膜808的低粘性粘合剂侧面，其中金属孔屑保持固定至载体膜808，并且穿孔金属箔812被收集在滚筒816上并且具有孔屑的载体被收集在滚筒818上。在一个实施例中，金属箔804的厚度小于100μm，并且在某些实施例中在4μm和20μm之间，并且在某些实施例中近似地8μm。旋转啤半穿滚筒组配置为冲压金属箔804同时减少箔将撕裂或隆起将被留在穿孔的一个侧面的机会。此外，载体膜808上的低粘性确保孔屑被随载体膜一起除去，由此防止孔屑保留在穿孔金属箔812上以及污染之后形成的负极。
如下文更多地讨论的，在某些实施例中，可以是期望的是增加多孔集电器中的孔的相对于集电器的总面积的面积，在本文中也被称为百分数开放面积。然而，在冲孔或旋转啤半穿机器中，具有对叶片或针的紧密间隔程度的限制。图9图示了一个示例性的用于使用在自动化的冲孔或旋转啤半穿工艺中形成的孔增加多孔集电器中的百分数开放面积的途径，尽管有毗邻的针或叶片之间的最小空间要求。图9图示了来源于多工序工艺的多孔集电器中的开口900的排列，在其中金属箔-载体膜层压物可以被通过一系列的冲孔或旋转啤半穿滚筒组，在该一系列的滚筒组中每个随后的滚筒组从毗邻的滚筒组偏置。图9示出了被多个偏置的冲孔滚筒组形成的开口900的排列，使用交叉影线指示滚筒组。在图示的实施例中，四个偏置的并且串联的具有标准的并且可商购获得的针间距的滚筒组被用于创造被标记为902、904、906和908的开口900的四个组(仅来自每个组的一个开口被标记)。以非限制性的实施例的方式，标准的转模的针或叶片之间的最小间距可以是0.8mm，这将导致多孔金属箔中的最大～40％开放面积。通过控制金属箔的配准，在同一个箔上的通过具有0.8mm间距的偏置的冲压滚筒组的随后的工序可以导致大于60％开放面积，具有孔之间的0.2mm间距。
再次地参考图6，在步骤607，载体膜可以通过将金属箔从载体膜剥离被从金属箔脱层。为了防止金属箔卷曲，基本上所有的剥离应力可以被施加至载体膜。这可以通过保持现在穿孔金属箔被张紧平坦同时将载体在急剧的卷曲中向后地折曲近似地180°被进行，这可以在卷至卷转换机器中被自动化。此外，在步骤609，穿孔金属箔可以被用于构建用于电池应用的负极，通过将碱金属箔层压至一个或两个侧面，覆盖孔。层压可以通过滚磨机工艺进行。在层压期间，滚磨机或其他的层压工艺可以被设计和配置为施加足以将碱金属箔挤出穿过多孔金属箔中的开口的压力，使得碱金属近似地或完全地填充穿孔箔的孔(例如，如在图4和5中示出的)以确保它们之间的良好的电接触。离散的负极块可以然后被从已层压的带条冲压出来并且被检查任何边缘缺陷。负极可以然后被与正极、隔膜件和电解质组装在一起以制造电池。
图10图示了另一个示例性的形成用于作为二次金属电池中的负极使用的多孔集电器-碱金属箔层压物的方法1000，图11A-11F提供了示例性的可以在方法1000期间被形成的结构的横截面侧视图，并且图12图示了示例性的可以被用于自动化方法1000的卷至卷系统。首先参考图10，在步骤1003，集电器金属箔可以被层压至至少一个载体膜并且在步骤1005，孔可以被在集电器-载体膜层压物中形成。图11A图示了示例性的集电器金属箔1102例如铜和载体膜1104例如PET，其在集电器箔1102的第一侧面1105被层压在一起以形成以载体膜-集电器箔层压物1106的形式的多层基材。图11B图示了一个在其中在步骤1005(图10)开口1108(仅一个被标记)被在集电器箔1102和载体膜1104二者中形成，延伸经过层压物1106的整个厚度，形成多孔载体膜-集电器箔层压物1107的实施例。
返回至图10，在图11和12中示出的实施例不包括可选择的步骤1007，其在下文讨论。在步骤1009并且还参考图11C，碱金属箔1110被层压至多孔集电器-载体膜层压物1107的仅一个侧面，在此是集电器的第二侧面1111，形成碱金属箔-集电器箔-载体膜层压物1112。在步骤1009的层压工艺足以使碱金属箔1110流动或挤出穿过开口1108形成被挤出的部分1114(仅一个被标记)。在图示的实施例中，在步骤1009的层压工艺足以使被挤出的部分1114的端部1116延伸超出集电器箔1102的第一侧面1105，并且在图示的实施例中，端部1116基本上与载体膜1104的第二侧面1118齐平，载体膜具有与第二侧面1118相反的与集电器箔1102的第一侧面1105接触的第一侧面1120。
载体膜1104可以具有各种厚度tCF中的任何(图11A)。在某些实施例中，载体膜1104的厚度tCF被根据碱金属箔1110的被挤出的部分1114的期望的挤出深度选择性地配置。例如，对于碱金属箔的给定的厚度tMF，厚度tCF可以大于或等于tMF/2，使得穿过载体膜1104的碱金属箔挤出的深度可以近似地等于在集电器箔1102的第二侧面1111的碱金属箔的其余的厚度ta(图11C)。在某些实施例中，tCF可以被选择以获得被挤出的部分1114的目标总体积，目标总体积导致被平坦化的被挤出的部分tPEP的厚度(图11F)近似地等于在多孔集电器1102的相反的侧面的碱金属箔的其余的厚度ta。在某些实施例中，tCF可以被选择性地配置为获得被挤出的部分1114的与在集电器1102的第二侧面1111的碱金属箔的其余的体积近似地相同的目标体积。
参考图10和11D，在步骤1011，方法1000可以包括将载体膜1104从集电器箔1102脱层，导致碱金属箔-集电器金属箔层压物1122，其包括碱金属箔的从集电器箔1102的第一侧面1105延伸并且从集电器箔1102的第一侧面1105凸出的被挤出的部分1114。参考图10、11E和11F，在可选择的步骤1013，在某些实施例中，碱金属的被挤出的部分1114可以通过将力1130(图11E)施加至被挤出的部分被在集电器箔1102的第一侧面1105上平坦化，导致碱金属-集电器结构1132(图11F)，其包括在多孔集电器箔1102的第一侧面和第二侧面1111、1105二者上分布的碱金属，以作为二次金属电池中的负极使用。在其他的实施例中，步骤1013可以被省略。例如，被挤出的部分1114可以以在图11D中示出的凸出形式被留下。在这样的实施例中，挤出的深度可以小于当平坦化步骤1013被进行时的挤出的深度。如果步骤1013被省略，那么可选择的将碱金属施用至第一侧面1105的步骤1015可以被进行以确保在第一侧面1105的整个表面上的碱金属的相对均一的层，包括在被挤出的部分1114之间的空间1124(图11D，仅一个被标记)。各种工艺中的任何可以被用于将碱金属施用至侧面1105，例如下文参考图25-27描述的工艺中的任何，例如气相沉积(图25)、电沉积(图26)、缝型模涂布、浸涂、微型凹版印刷或柔性版印刷(图27)。这样的另外的用于将碱金属的层施用至集电器1102的第一侧面1105的工艺可以在步骤1011之后被进行，或可以被较早地进行，例如在步骤1003之前或之后。在某些实施例中，载体膜1104的厚度tCF和所得到的被挤出的部分1114的深度可以被选择以与在步骤1015被施用的碱金属覆层的厚度基本上相同。
在又其他的实施例中，碱金属的覆层不在负极的构建期间被施用至空间1124并且代替地步骤1015在电池电池单元的初始的充电期间被进行，通过在电池的初始的充电期间提供正极104中的碱金属离子的初始的量(图1)并且将金属离子镀至容纳裸露的集电器的空间1124上。
再次地参考图10，基本上与步骤1015相同的步骤1017可以在步骤1013之后被进行以在被挤出的部分1114的平坦化之前或之后通过例如气相沉积、电沉积、缝型模涂布或在初始的充电期间的镀施用碱金属的层。例如，在步骤1013的平坦化之后，所得到的碱金属-集电器结构1132(图11F)可以仍然包括沿着第一侧面1105的不具有碱金属的层的裸露的集电器1102的部分。碱金属的另外的层可以被施用以提供沿着第一侧面1105的碱金属的均一的覆层。
因此，通过在载体箔1104仍然被层压至集电器金属箔的同时将碱金属箔1110层压至集电器箔1102，碱金属箔的被挤出的部分1114可以延伸超出集电器箔1102的第一侧面1105，提供在集电器的第一侧面1105的碱金属的体积，其可以在集电器的第一侧面上被平坦化，导致碱金属在集电器的第一侧面和第二侧面1105、1111二者上的更相等的分布。
图12图示了可以被用于自动化方法1000并且创造在图11A-11F中示出的结构的卷至卷系统1200的一个实施例。示例性的卷至卷系统1200包括集电器箔1102的卷1202和载体膜1104的卷1206，其可以包括本文描述的低粘性粘合剂中的任何以粘合至金属箔1102，箔1102和膜1104可以被供入经过层压滚筒组1210以将两个材料层压在一起，并且层压滚筒组1210可以被加热以确保集电器金属箔1102和载体膜1104之间的良好的粘附。集电器金属箔/载体膜层压物1106(也见图11A)可以然后被通过配置为形成层压物1106中的开口1108(也见图11B)的冲孔机器1214。
现在多孔集电器金属箔/载体膜层压物1107可以然后被随来自碱金属箔的卷1218的碱金属箔1110一起通过层压滚筒组1216，以形成碱金属箔-集电器箔-载体膜层压物1112(也见图11C)。层压滚筒组1216可以被加热并且可以被设计、配置和控制以施加足以实现碱金属的被挤出的部分1114的期望的体积和/或挤出深度的压力(图11C)，例如被挤出的部分的相对于集电器箔1102的第一侧面1105的目标高度。在一个实施例中，系统1200可以包括挤出监视系统1220，用于监视被挤出的部分1114的程度并且向层压滚筒组1216提供反馈以控制层压滚筒组的温度和/或所施加的压力以控制挤出的程度。挤出监视系统1220可以配置为根据被确定的挤出的程度产生挤出反馈信号1221并且配置为将挤出反馈信号发送至层压滚筒组1216以控制挤出的程度。挤出监视系统1220可以包括本领域中已知的各种传感机构中的任何以监视挤出的程度，例如配置为捕获碱金属箔-集电器箔-载体膜层压物1112的图像的机器视觉系统，其可以配置为使用机器视觉算法捕获和处理图像以确定被挤出的部分的端部1116是低于、高于还是基本上与载体1104的第二侧面1118齐平(图11C)。在某些实施例中，挤出监视系统1220可以包括一个或更多个接触或非接触式传感器，与机器视觉共同使用或代替机器视觉，以确定挤出的程度。
系统1200还包括多孔载体膜卷1222，用于将多孔载体膜1224从碱金属箔-集电器金属箔层压物1122脱层并且收集多孔载体膜1224以用于再循环或丢弃。系统1200还包括平坦化滚筒组1226，被设计和配置为施加热和/或压力以在集电器箔1102的第一侧面1105上平坦化被挤出的部分1114。在一个实施例中，系统1200可以包括平坦化监视系统1228，用于监视被挤出的部分1114的平坦化的程度并且向平坦化滚筒组1226提供反馈以控制平坦化滚筒组的温度或所施加的压力以控制平坦化。平坦化监视系统1228可以配置为根据被确定的平坦化的程度产生平坦化反馈信号1229并且配置为将平坦化反馈信号发送至平坦化滚筒组1226以控制平坦化的程度。平坦化监视系统1228可以包括本领域中已知的各种传感机构中的任何以监视平坦化，例如配置为捕获碱金属箔-集电器箔层压物1132的图像的机器视觉系统，其可以配置为使用机器视觉算法捕获和处理图像以决定被挤出的部分1114是否已经被足够地平坦化以覆盖集电器箔1102的第一侧面1105的全部或基本上全部。在某些实施例中，平坦化监视系统1228可以包括一个或更多个接触或非接触式传感器，与机器视觉共同使用或代替机器视觉，以确定平坦化的程度。在某些实施例中，系统1200可以包括多级压片机(未图示)，其可以被代替层压滚筒组1216和/或平坦化滚筒组1226使用或与其共同使用。
再次地参考图10和图13，在某些实施例中，在步骤1003多个载体膜被层压至集电器箔1102。在图13中示出的实施例中，所述多个载体膜包括具有低粘性粘合剂层1303的第一载体膜1302和具有低粘性粘合剂层1305的第二载体膜1304，其，如在下文描述的，允许集电器箔1102的穿孔并且通过在碱金属箔的向集电器的层压之前将仅第二载体膜1304从金属箔1102和第一载体膜1302脱层允许所得到的金属孔屑的除去。第一载体膜和第二载体膜1302、1304可以具有各种厚度中的任何。在某些实施例中，它们具有相同的厚度。在其他的实施例中，第一载体膜1302可以具有被根据碱金属箔的期望的挤出深度选择性地配置的厚度。例如，对于碱金属箔的给定的厚度tMF，第一载体膜1302可以大于或等于tMF/2的厚度tFCF，使得穿过第一载体膜的碱金属箔挤出的深度可以近似地等于在集电器金属箔的相反的侧面的碱金属膜的其余的厚度。在某些实施例中，tFCF可以被选择以获得被挤出的部分1114的目标体积(图11C)，目标体积导致被平坦化的被挤出的部分tPEP的厚度(图11F)近似地等于在多孔集电器1102的相反的侧面的碱金属箔的其余的厚度ta。第二载体膜1304的厚度tSCF(图13)可以不同于第一载体膜1302的厚度tFCF，并且可以大于或等于用于在第二载体膜的脱层期间除去集电器箔1102和第一载体膜1302的孔屑1424(图14)的最小厚度，如在下文描述的。在某些实施例中，第一载体膜1302的厚度tFCF可以在1μm和300μm之间，并且在某些实施例中在25μm和250μm之间，并且在某些实施例中大于4μm。在某些实施例中，第二载体膜1304的厚度tSCF可以在1μm和500μm之间，并且在某些实施例中在25μm和250μm之间，并且在某些实施例中大于4μm。
再次地参考图10，在步骤1005和1007，方法1000可以包括形成集电器金属箔/多载体膜层压物中的孔(步骤1005)并且然后脱层载体膜中的一个以除去废物材料。图14图示了示例性的用于自动地执行步骤1003至1007的卷至卷系统1400。如在图14中示出的，系统1400包括用于提供集电器箔1102的集电器金属箔卷1402和用于提供第一载体膜1302的第一载体膜卷1404，其可以从本文描述的材料中的任何形成并且具有低粘性表面1303，如本文描述的载体膜中的任何。系统1400包括层压滚筒组1406，用于进行步骤1003的第一部分并且层压集电器箔1102和第一载体膜1302以形成以集电器金属箔-第一载体膜层压物1405的形式的多层基材。系统1400还包括用于提供第二载体膜1304的第二载体膜卷1408，以及层压滚筒组1410，用于进行步骤1003的第二部分并且将第二载体膜1304层压至集电器金属箔第一载体膜层压物1405以形成以集电器金属箔-第一载体膜-第二载体膜层压物1412的形式的多层基材。系统1400还包括孔形成滚筒组1414，用于进行步骤1005，形成层压物1412中的孔。在图示的实施例中，孔形成滚筒组1414是具有切割元件的旋转啤半穿滚筒组，切割元件被设计和配置为形成延伸仅经过集电器箔1102和第一载体膜1302并且不延伸经过第二载体膜1304的孔，使得集电器金属箔的所得到的孔屑1424和第一载体膜被压制紧贴并且粘附至第二载体膜以用于除去。系统1400还包括滚筒组1416、用于收集多孔集电器箔和第一载体膜1302层压物1420以用于下游的步骤例如步骤1009-1017(图10)的滚筒1418以及用于收集第二载体膜1304和被孔形成滚筒组1414形成的集电器金属箔1402和第一载体膜1302的孔屑1424的滚筒1422。滚筒组1416和滚筒1418和1422配合以进行步骤1007，将至少一个载体膜例如第二载体膜1304从集电器金属箔/第一载体膜层压物1420脱层。因此，系统1400可以代替系统1200的部件1202、1206、1210和1214被使用以制备可以被层压至碱金属箔的多孔集电器箔和第一载体膜1302层压物1420，例如，如参考图12和图10的步骤1009-1017描述的。
多孔集电器设计
多孔金属箔中的开口允许在负极结构的两个侧面二者的碱金属可到达性，虽然已经被层压至集电器金属箔的仅一个侧面。集电器金属箔上的孔图案可以被优化以允许在负极的的两个侧面二者的不受阻碍的碱金属到达，同时提供良好的电接触，由此增加电池单元循环寿命。示例性的可以被微调以创造最优的孔设计的变量包括1)孔的形状、2)孔的大小、3)孔之间的排列和间距以及4)多孔箔的厚度。孔之间的形状、大小和间距也决定开放面积，即集电器箔的被孔占据的区域，的百分数。
在一个实施例中，被本发明的发明人进行的测试指示最优的孔图案包括圆形的或多边形的孔，具有在0.1mm至3mm的范围内并且在某些实施例中0.3mm-1.5mm并且在某些实施例中1mm-1.5mm并且在某些实施例中大于近似地0.5mm的最大宽度。孔或开口可以被在紧密堆积的排列中放置以给出被开口占据的在30％-99％的范围内并且在某些实施例中40％-80％并且在某些实施例中60％-90％并且在某些实施例中高于50％并且在某些实施例中大于80％的百分数开放面积，基于集电器的100％的总面积，但是不包括集电器的任何非多孔的区域，例如可以被用于电标签或操纵的方便的在多孔的区域上方或下方的非多孔的凸台或带。所得到的网状物的最小线宽度(也被称为网状物宽度)是低于0.25mm并且在某些实施例中低于0.15mm。穿孔箔的厚度可以在4至20μm之间。碱金属可以使用本文公开的方法中的任何被施用至多孔集电器的两个侧面中的一个或二者，导致在集电器的每个侧面的碱金属的在0μm-100μm的范围内并且在某些实施例中0μm-50μm的厚度。
图15A-15G图示了示例性的包括各种孔形状(圆形的、六边形的)和大小(0.3mm、0.75mm、1.2mm)的孔图案设计。孔被在三角形的节距中紧凑地排列并且孔之间的间距被调节以得到期望的开放面积百分数(40％、55％、70％、80％)。在金属箔上冲压的孔是传统地圆形的(圆形的或椭圆形的)孔，不具有尖角，便于工具维护。然而，圆形的孔可以形成具有不均匀的网状物宽度(线宽度)的穿孔图案并且限制孔可以被排列的紧密的程度。作为比较，多边形的孔(三角形、正方形、六边形等等)提供更紧凑的排列，具有穿孔图案中的更小的网状物宽度。
表格1(下文)列出了来自示例性的设计的测试结果，以及通过将40μm厚锂层压在穿孔样品的一个侧面上制造的负极的相应的质量和厚度，其中锂金属基本上填充多孔集电器中的开口，但是挤出不在相反的侧面存在。表格1还列出了使用本公开内容的负极制造的电池单元的循环寿命性能，以及常规的Li/Cu/Li负极的循环寿命性能。如在表格1中看到的，对于相同的总的锂厚度，使用穿孔铜箔制造的负极是比相应的常规的Li/Cu/Li负极更轻的和更薄的。负极的质量和厚度的这种减少导致电池单元的更高的重量能量密度和体积能量密度。因为铜可以比锂密度大，所以具有70％和更高的开放面积的穿孔箔将负极的质量减少多至50％，与常规的Li/Cu/Li结构比较。即使穿孔铜是16μm厚，可以具有重量的多于30％的显著的减少。穿孔集电器还减少所得到的负极厚度。因为锂是软金属，所以其在层压期间在压力下挤出并且填充穿孔箔上的孔，导致更薄的负极。例如，将40μm锂在一个侧面层压至具有70％开放面积的8μm穿孔箔上导致具有43μm的厚度的负极，如与48μm相反的(表格1)。
表格1
图16示出了使用各种具有被层压在一个侧面的40μm锂箔的8μm厚穿孔铜箔设计制造的电池单元的循环性能。电池单元的循环性能趋向于随着孔大小和开放面积的增加改进。例如，在具有具有圆形的孔的穿孔设计的电池单元中，具有70％开放面积的1.2mm大小显示出最好的循环性能。此外，具有六边形的孔的电池单元被发现显示出比圆形的孔相对更好的性能。
图17示出了使用各种具有被层压在一个侧面的40μm锂箔的16μm厚穿孔铜箔设计制造的电池单元的循环性能。具有16μm穿孔铜的电池单元的循环性能可以是比具有相似的孔图案的8μm样品更好的。这可能是由于与被层压的锂更好的电接触(更厚的16μm穿孔铜在锂箔内侧更深地嵌入)，这增加电池单元中的锂利用。使用具有更高的厚度(25μm或更高)的铜箔可能否定穿孔的任何重量的和体积的益处，与常规的负极比较。
相似于8μm样品，16μm样品也显示出循环性能改进，具有孔大小和开放面积的增加。具有六边形的孔的电池单元也被发现显示出比圆形的孔相对更好的性能。例如，具有1.2mm六边形的孔和80％开放面积的电池单元设计显示出与常规的Li/Cu/Li负极的循环性能相同的循环性能(图17)。
使用六边形的孔的电池单元性能的改进可以是由于穿孔图案中的较薄的并且均一的网状物宽度，其减少极化并且促进负极中的锂消耗的均一性。穿孔设计中的紧凑的孔排列和固定的网状物宽度可以还使用其他的多边形形状获得，例如正方形、三角形、五边形等等。表格1还列出了用于每个孔图案的相应的网状物宽度。表格1指示穿孔设计的低于0.25mm或低于0.15mm的网状物宽度导致更高的循环性能。
如上文提到的，在表格1和图16和17中示出的测试数据来自具有基本上填充多孔集电器中的开口的碱金属的负极，但是碱金属的挤出不存在。在这样的配置中，可以是更重要的是最大化集电器的百分数开放面积以增加碱金属利用。作为对比，对于使用参考图10讨论的各种方法构建的负极，高的循环性能可以是使用具有较低的百分数开放面积的多孔集电器可实现的，因为碱金属的被挤出的部分使碱金属在集电器的两个侧面二者的更大的分布成为可能，导致改进的电接触和增加的碱金属利用。因此，设计多孔集电器的方法可以包括确定将位于集电器的两个侧面二者的碱金属的量，并且然后确定集电器的相应的最小％开放面积的步骤，以实现目标电池单元性能度量，例如电池单元循环寿命。
再次地参考图4和5，穿孔集电器202和碱金属箔204之间的层压的程度被示意性地示出。在层压期间，所施加的压力和温度影响碱金属挤出和填充或近似地填充多孔集电器202的开口210的程度。本发明的发明人进行的测试指示，在某些实施例中，碱金属挤出和开口210的被碱金属的填充的更大的程度改进电池单元循环性能，这可能是由于碱金属和集电器之间的改进的电接触。在开口210内侧挤出的碱金属箔204可以具有具有凸形的表面的端部402，其可以在集电器表面的水平上或可以凸出至某个程度。
在某些实施例中，多孔集电器可以通过光刻法工艺通过电铸或光蚀刻被制造。这样的工艺可以允许具有高的开放面积以及较薄的并且均一的网状物宽度的穿孔金属箔的生产，如与冲孔工艺比较的。通常，光刻法工艺使具有高至90％或更多的开放面积的穿孔箔的生产成为可能。高的开放面积允许在使用在一个侧面的碱金属箔构建的负极层压物的两个侧面二者的均一的碱金属可到达性。光刻法工艺允许具有几乎任何孔形状的多孔金属箔的生产。例如，任何多边形的孔(三角形、正方形、五边形、六边形等等)可以被制造。与圆形的或椭圆形的孔图案比较，多边形可以被更紧凑地排列以实现更高的开放面积和均一的网状物宽度。光刻法工艺允许具有比圆形的孔更窄的网状物宽度的穿孔图案的生产。例如，孔之间的最小间距可以低于0.2mm，这是对于常规的冲孔工艺所需要的典型的最小间距，并且可以低至例如0.05mm。窄的网状物宽度通常允许具有更高的开放面积和更大的碱金属可到达性的穿孔设计。
光刻法是在制造用于微电子设备的零件中使用的标准技术。在光蚀刻工艺中光刻胶被包覆在基材上并且随后的图像被曝光。工件被显影以除去未曝光的光刻胶并且已曝光的光刻胶被用于掩膜薄箔的表面上的相应于网状物图案的区。工件然后被暴露于金属选择性的蚀刻剂以蚀刻掉不被光刻胶覆盖的金属。在随后的步骤中剩余的光刻胶然后被除去，留下有图案的工件。在电铸工艺中，掩模被施用在对应于网状物中的孔的区中的心轴上，并且集电器箔被电沉积在缝隙中，以制造网状物。
图18A和18B示出了通过电铸制造的穿孔铜集电器，具有通过六边形的孔的紧密排列形成的80％的开放面积。作为比较，具有相同的大小和排列的圆形的孔，如在图18C中示出的，导致72％开放面积。图18B和18C示出了被六边形的和圆形的孔形成的网状物图案。如从图像显然的，在六边形之间的网状物宽度是比圆形的孔薄的和均一的，允许高的开放面积。
图19A-20和表格2图示了上文参考图1描述的测试负极的子集以强调孔形状对网状物宽度和百分数开放面积的影响。图19A-19D示出了示例性的通过光刻法工艺形成的网状物图案，包括圆形的和六边形的孔，具有0.75mm和1.2mm的大小和在55％和80％之间的开放面积。表格2列出了上文的孔图案的网状物宽度以及在使用具有这些图案的穿孔铜集电器的负极制造的电池单元(图20)中获得的相应的循环寿命。电池单元的循环性能与百分数开放面积成正比例并且与穿孔图案的网状物宽度成反比例。用于在表格2和图20中示出的测试数据的负极使用工艺600(图6)的步骤609被制造，其中锂金属基本上填充多孔集电器中的开口，但是挤出不在相反的侧面存在。表格2列出了在图19A-19D中图示的孔图案的网状物宽度以及在结合图示的集电器的电池单元的测试中测量到的相应的循环寿命。图20图示了在表格2中列出的循环寿命性能数据。表格2和图20指示电池单元的循环性能与百分数开放面积成正比例并且与穿孔图案的网状物宽度成反比例。如上文参考表格1和图16和17提到的，用于较小％开放面积集电器的循环性能能够通过使用用于负极的构建的方法1000(图10)被增加。
表格2
图21A-21B示出了通过光蚀刻工艺制造的多孔钛集电器，具有～90％开放面积。所获得的高的开放面积是具有0.05mm的网状物宽度的紧密堆积的正方形孔的结果，其通过光蚀刻工艺获得。
图22A-22C示出了在用于三个不同的网状物宽度0.1mm(图22A)、0.2mm(图22B)和0.3mm(图22C)的负极中的邻近网状物边缘的锂消耗的计算机模拟，其模拟在使用具有穿孔集电器和使用方法600(图6)被层压在一个侧面的锂的负极构建的电池单元中在循环期间毗邻于网状物边缘的随时间推移的锂消耗，其中锂金属基本上填充多孔集电器中的开口，但是挤出不在多孔集电器侧面存在。在负极的具有多孔集电器的侧面，网状物的宽度被示出为影响锂消耗的均一性。实质上，如果网状物宽度越薄，那么锂消耗越均一，这导致更好的锂利用和电池的更长的循环寿命。
本公开内容包括各种包括作为集电器的穿孔金属箔的制造和使用以及碱金属箔的向穿孔箔的仅一个侧面的层压以生产负极的构建和制造的方法。集电器箔中的开口允许在负极结构的两个侧面二者的碱金属可到达性。这些方法使用于负极生产的更普遍地可用的碱金属箔，例如锂箔，例如具有大于或等于30μm的厚度的箔的利用成为可能，具有基本上相同的所得到的负极厚度，如与将较薄的碱金属箔施用至集电器的两个侧面二者的常规的途径比较的。作为非限制性的实施例，40μm厚锂箔可以被层压至8μm穿孔铜箔的仅一个侧面以制造负极，其的所得到的厚度相似于或低于常规的具有20/8/20μm厚度的Li/Cu/Li负极。这样的方法还使具有更大的面积尺寸的电池电池单元的生产成为可能，因为其利用具有30μm或更高的厚度的更普遍地可用的并且容易地制造的碱金属箔，其在更宽的卷宽度(例如高至200mm)中也是可用的。本公开内容的负极还增加电池单元的重量能量密度和体积能量密度，因为集电器中的开口减少与典型地高密度的集电器箔相关联的质量和体积。
以实施例的方式，在现有技术二次锂电池制造工艺中，锂箔(活性材料)被层压至铜箔(集电器)的两个侧面二者以形成常规的(Li/Cu/Li)负极。例如，～20μm厚锂箔被层压至～8μm铜箔的两个侧面二者。然而，因为锂可以是软的并且粘性的，所以通过传统的滚磨工艺生产具有～25μm或更低的厚度的锂箔可以是困难的。作为对比，使用本文公开的方法中的一个或更多个，穿孔箔可以被作为集电器使用并且锂可以被层压至穿孔箔的仅一个侧面。集电器上的穿孔允许锂在负极结构的两个侧面二者被到达。本公开内容使用于负极制造的具有30μm或更高的厚度的普遍地可用的锂箔的使用成为可能。例如，被层压至穿孔铜箔的一个侧面的40μm厚锂箔可以被作为负极使用。
在一个非限制性的实施例中，穿孔铜箔通过本文公开的方法中的一个被制造。穿孔集电器箔的卷的宽度可以高于60mm或70mm。穿孔箔的百分数开放面积可以高于40％或60％。未冲压的实心带可以被留在卷的顶部边缘和底部边缘上以用于电接触和操纵的方便。穿孔铜箔的厚度可以在4μm至20μm之间。穿孔铜然后被在仅一个侧面与锂箔层压，覆盖孔，以制造用于电池应用的负极。锂箔的宽度可以是与铜箔的穿孔部分基本上相同的或略微地比其宽的。锂箔的厚度可以在30μm和60μm之间。在一个实施例中，具有是近似地75mm的穿孔长条或面积的宽度和65％开放面积的8μm厚穿孔铜箔可以被使用。穿孔铜箔被在一个侧面与77mm宽40μm厚锂箔层压，覆盖孔。层压可以使用本文公开的方法和系统中的任何进行，例如使用滚磨机工艺，在其中滚磨机的压力被设置为使得锂挤出并且近似地或完全地填充穿孔铜的孔以确保良好的电接触和在铜侧面的高的锂可到达性。
离散的负极块可以然后被从已层压的铜-锂带条冲压出来并且被检查任何边缘缺陷。负极然后被与正极、隔膜件和电解质组装在一起以制造锂电池。穿孔铜使具有单侧锂层压的负极成为可能，因为穿孔允许锂在电极的两个侧面二者被到达。因为铜可以比锂密度大，所以穿孔铜还显著地降低负极质量并且提高电池的比能量。
光刻法工艺使具有定制的大小和具有高的开放面积的孔图案的离散的集电器零件的生产成为可能。以实施例的方式，具有～90％开放面积的通过光蚀刻工艺制造的～90mm宽穿孔钛集电器可以被构建。与60mm宽常规的锂负极比较，具有穿孔集电器的负极允许具有更大的面积尺寸的电池单元生产。使用90mm宽负极制造的软包电池单元典型地3至4倍大于使用常规的负极制造的电池单元。因此，具有被层压至一个侧面的锂的穿孔集电器允许更灵活的电池单元大小，以及在压紧水平的更高的压紧和能量密度。
本公开内容的穿孔集电器可以使用任何适合于碱金属电池单元的金属被制造，例如铜、钛、镍和其他的对于给定的碱金属例如锂稳定的耐熔金属和合金。本公开内容的穿孔集电器可以通过各种工艺中的任何被制造，例如手动冲孔、旋转冲切、电铸、光蚀刻、激光切割等等。穿孔集电器可以还通过压平可以在金属网编织或形成工艺中形成的编织的、非编织的或膨胀的金属网被制造。在某些实施例中，本公开内容的穿孔集电器可以具有范围从4至20μm或更高的厚度。本公开内容的穿孔集电器可以还在具有除了锂的碱金属作为负极活性材料，例如钠、钾等等，的电池单元中被使用。
图23A和23B图示了示例性的本公开内容的宽负极2300，包括被层压至具有多个开口2308(仅一个被标记)的多孔集电器2306的仅一个侧面2304的碱金属箔2302。通过将碱金属箔2302层压至仅一个侧面，较厚的碱金属箔可以被使用，同时仍然导致负极的较低的总的厚度。通过利用多孔集电器2306，开口2308允许从集电器的第二侧面2314至碱金属2302的到达。图23C图示了宽负极2310的第二实施例的横截面，与负极2300相同，除了负极2310包括被层压至集电器2306的第二侧面2314的第二碱金属箔2312。在其他的实施例中，负极2300或2310可以具有不包括开口2308的实心非多孔集电器。如在图23B和23C中示出的，碱金属箔2302和2312可以具有从0μm至1000μm的厚度和从55mm至300mm或更大的宽度。这样的负极结构允许可以被用于满足各种应用的能量需求的具有大的电池单元尺寸的二次碱金属电池的生产，包括消费品电子设备、商业的/娱乐的无人机以及电交通工具应用。
图24A和24B图示了示例性的通过多个锂带条2402、2404的平行的层压形成的宽幅负极2400，具有在55至300mm之间或更大的锂宽度，每个具有低于例如55mm的宽度。例如，为了制造80mm宽锂负极2400，分别地宽度50mm和30mm的两个锂带条2402、2404可以在横跨(across)多孔集电器箔的密集间隔的平行排列中被并排地层压至多孔集电器箔2408的第一侧面2406以形成宽幅负极。在已层压的锂带条2402、2404之间的缝隙2410可以是小的，例如小于0.5mm，以最大化向毗邻的正极的均一的碱金属可用性。图24C示出了示例性的负极2420，与负极2400相同，除了两个锂带条2422和2424也被层压至集电器2408的第二侧面2426。在其他的实施例中，负极2400或2420可以使用不包括开口的实心非多孔集电器被形成。
具有薄碱金属层例如低于30μm的厚度和大的宽度例如在55mm至800mm之间或更大的负极结构可以在卷至卷工艺中通过碱金属的在集电器金属基材上的气相沉积被制造，如在图25中图示的。如示出的，碱金属可以在坩埚2502中在分压或惰性气氛下被熔融，并且被沉积在集电器箔2506上的蒸气2504可以被保持在坩埚上方。碱金属蒸气在在集电器基材上的沉积时固化，并且在某些实施例中，工艺被在集电器箔的另一个侧面重复。被沉积的碱金属的厚度被向蒸气的暴露的持续时间(卷速度)决定并且被沉积的碱金属的宽度被向基材的坩埚开口的大小决定。
具有薄碱金属层例如低于30μm的厚度和大的宽度例如在55mm至800mm之间或更大的负极结构可以也在卷至卷工艺中通过碱金属的在集电器基材上的电沉积被制造，如在图26中示出的。碱金属的在集电器箔基材2602上的电沉积可以在容纳作为正电极的碱金属2606、作为负电极的集电器箔基材2602和传导碱金属离子的电解质2608的电化学电池单元2604中进行。传导碱金属离子的电解质2608可以例如通过将碱金属盐溶解在无水溶剂中被制造。集电器箔基材2602上的被沉积的碱金属的厚度被电流密度和向电解质的暴露的持续时间决定，并且被沉积的碱金属的宽度被被暴露至电解质的集电器基材的宽度决定。
具有薄碱金属层例如低于30μm的厚度和大的宽度例如在55mm至800mm之间或更大的负极结构可以还通过将熔融的碱金属包覆在集电器基材上被制造。熔融的碱金属2702可以通过多种卷至卷工艺被包覆在集电器箔基材2704上，例如缝型模涂布、浸涂、微型凹版印刷和柔性版印刷。图27示出了熔融的碱金属在集电器基材上的缝型模涂布的示意图。在图示的工艺中，熔融的碱金属2702例如锂被注射经过口模头2706并且包覆在集电器箔基材2704的一个侧面上。碱金属在基材上的包覆时固化并且工艺可以被在集电器箔的另一个侧面重复。集电器基材上的被包覆的碱金属的厚度被注射压力和卷速度决定并且被包覆的碱金属的宽度被口模头决定。
如上文提到的，在其中碱金属箔被层压至多孔集电器的仅一个第一侧面的实施例中，多孔集电器的第二相反的侧面可以使用本领域中已知的任何包覆工艺被碱金属包覆，包括参考图25-27描述和图示的包覆工艺中的任何，例如在步骤1015和/或1017期间(图10)。在其他的实施例中，碱金属箔可以被层压至本文公开的多孔集电器中的任何的两个侧面二者。
本文描述的方面和实施方式中的任何一个或更多个可以使用一个或更多个根据本发明的教导被编程的机器(例如一个或更多个用作用于电子文件的用户计算设备的计算设备、一个或更多个服务器设备，例如文件服务器，等等)被方便地实施，如将对于计算机领域的技术人员明显的。合适的软件编码可以被熟练的程序员基于本公开内容的教导容易地准备，如将对于软件领域的技术人员明显的。上文讨论的采用软件和/或软件模块的方面和实施可以还包括合适的用于辅助软件和/或软件模块的机器可执行的指令的实施的硬件。
这样的软件可以是采用机器可读存储介质的计算机程序产品。机器可读存储介质可以是任何能够存储和/或编码用于被机器(例如计算设备)执行并且使机器执行本文描述的方法和/或实施方式中的任何一个的指令的序列的介质。机器可读存储介质的实施例包括但不限于磁盘、光盘(例如，CD、CD-R、DVD、DVD-R等等)、磁光盘、只读存储器“ROM”设备、随机存取存储器“RAM”设备、磁卡、光卡、固态存储器设备、EPROM、EEPROM，和其的任何组合。机器可读介质，如在本文中使用的，意图包括单一的介质以及物理地分离的介质的集合，例如与计算机内存组合的光盘或一个或更多个硬盘驱动器的集合。如在本文中使用的，机器可读存储介质不包括瞬时形式的信号传输。
这样的软件可以还包括被作为数据信号承载在数据载体例如载波上的信息(例如数据)。例如，机器可执行的信息可以作为在数据载体中体现的数据承载信号被包括，在其中信号编码用于被机器(例如计算设备)执行的指令的序列或其的部分和任何使机器执行本文描述的方法和/或实施方式中的任何一个的有关的信息(例如数据结构和数据)。
计算设备的实施例包括但不限于电子图书读取设备、计算机工作站、终端计算机、服务器计算机、手持设备(例如，平板电脑、移动电话等等)、网络设备、网络路由器、网络切换器、网络网桥、任何能够执行指定被机器采取的动作的指令的序列的机器，和其的任何组合。在一个实施例中，计算设备可以包括和/或被包括在自助服务终端中。
图28示出了以计算机系统2800的示例性的形式的计算设备的一个实施方式的图示，在其内用于使控制系统例如图12的卷至卷系统1200系统执行本公开内容的方面和/或方法中的任何一个或更多个的一组指令可以被执行。还设想，多重的计算设备可以被利用以实施用于使设备中的一个或更多个执行本公开内容的方面和/或方法中的任何一个或更多个的被专门地配置的一组指令。计算机系统2800包括处理器2804和存储器2808，其经过总线2812与彼此以及与其他的部件通信。总线2812可以包括多种类型的总线结构中的任何，包括但不限于存储器总线、存储器控制器、周边总线、本地总线，和其的任何组合，使用各种总线架构中的任何。
存储器2808可以包括各种部件(例如机器可读介质)，包括但不限于随机存取存储器部件、只读部件，和其的任何组合。在一个实施例中，包括帮助在计算机系统2800内的元件之间传递信息，例如在启动期间，的基本的程式的基本输入/输出系统2816(BIOS)可以被存储在存储器2808中。存储器2808可以还包括(例如，存储在一个或更多个机器可读介质上)体现本公开内容的方面和/或方法中的任何一个或更多个的指令(例如软件)2820。在另一个实施例中，存储器2808可以还包括任何数目的程序模块，包括但不限于操作系统、一个或更多个应用程序、其他的程序模块、程序数据，和其的任何组合。
计算机系统2800可以还包括存储设备2824。存储设备(例如存储设备2824)的实施例包括但不限于硬盘驱动器、磁盘驱动器、与光介质组合的光盘驱动器、固态存储器设备，和其的任何组合。存储设备2824可以被合适的接口(未示出)连接至总线2812。示例性的接口包括但不限于SCSI、先进技术附件(ATA)、串行ATA、通用串行总线(USB)、IEEE 1394(FIREWIRE)，和其的任何组合。在一个实施例中，存储设备2824(或其的一个或更多个部件)可以被与计算机系统2800可移除地接口连接(例如，经过外部端口连接器(未示出))。特别地，存储设备2824和相关联的机器可读介质2828可以提供机器可读指令、数据结构、程序模块和/或其他的用于计算机系统2800的数据的非易失性的和/或易失性的存储器。在一个实施例中，软件2820可以完全地或部分地驻留在机器可读介质2828内。在另一个实施例中，软件2820可以完全地或部分地驻留在处理器2804内。
计算机系统2800可以还包括输入设备2832。在一个实施例中，计算机系统2800的用户可以通过输入设备2832将命令和/或其他的信息输入计算机系统2800中。输入设备2832的实施例包括但不限于字母数字输入设备(例如，键盘)、点指设备、操纵杆、手柄、音频输入设备(例如，麦克风、语音响应系统等等)、光标控制设备(例如，鼠标)、触摸板、光学扫描器、视频捕获设备(例如，静物摄影机、摄影机)、触摸屏，和其的任何组合。输入设备2832可以经过各种接口(未示出)中的任何被接口连接至总线2812，包括但不限于串行接口、并行接口、游戏端口、USB接口、FIREWIRE接口、向总线2812的直接接口，和其的任何组合。输入设备2832可以包括触摸屏界面，其可以是显示器2836的一部分或与显示器2836分离，在下文进一步讨论。输入设备2832可以被利用作为用于选择图形界面中的一个或更多个图形表示的用户选择设备，如上文描述的。
用户可以还经过存储设备2824(例如可移除的磁盘驱动器、闪存驱动器等等)和/或网络接口设备2840将命令和/或其他的信息输入至计算机系统2800。网络接口设备例如网络接口设备2840可以被用于将计算机系统2800连接至各种网络中的一个或更多个例如网络2844和连接至其的一个或更多个远程设备2848。网络接口设备的实施例包括但不限于网络接口卡(例如，移动网络接口卡、LAN卡)、调制解调器，和其的任何组合。网络的实施例包括但不限于广域网(例如，国际互联网、企业网络)、局域网(例如，与办公室、建筑、校园或其他的相对小的地理空间相关联的网络)、电话网络、与电话/语音供应商相关联的数据网络(例如，移动通信供应商数据和/或语音网络)、两个计算设备之间的直接连接，和其的任何组合。网络例如网络2844可以采用有线的和/或无线的通信模式。通常，任何网络拓扑可以被使用。信息(例如，数据、软件2820等等)可以被经过网络接口设备2840向和/或从计算机系统2800通信。
计算机系统2800可以还包括用于将可显示的图像通信至显示器设备例如显示器设备2836的视频显示器适配器2852。显示器设备的实施例包括但不限于液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)、等离子体显示器、发光二极管(LED)显示器，和其的任何组合。显示器适配器2852和显示器设备2836可以与处理器2804组合地使用以提供本公开内容的方面的图形表示。除了显示器设备，计算机系统2800可以包括一个或更多个其他的周边输出设备，包括但不限于音频扬声器、打印机，和其的任何组合。这样的周边输出设备可以经过外围接口2856连接至总线2812。外围接口的实施例包括但不限于串行端口、USB连接、FIREWIRE连接、并行连接，和其的任何组合。
上文已经是本发明的例证性的实施方式的详细描述。注意到，在说明书和所附的权利要求中，连接词语言，例如在短语“X、Y和Z中的至少一个”和“X、Y和Z中的一个或更多个”中使用的，除非另有具体地声明或指示，应该被视为意指连接词列表中的每个项目可以以排除列表中的每隔一个项目的任何数目或以与连接词列表中的任何或所有的其他的项目组合的任何数目存在，其中的每个可以也以任何数目存在。应用该一般规则，上文的例子中的在其中连接词列表由X、Y和Z组成的连接词短语应该每个涵盖：X中的一个或更多个；Y中的一个或更多个；Z中的一个或更多个；X中的一个或更多个和Y中的一个或更多个；Y中的一个或更多个和Z中的一个或更多个；X中的一个或更多个和Z中的一个或更多个；以及X中的一个或更多个、Y中的一个或更多个和Z中的一个或更多个。
可以作出各种修改和加入，而不偏离本公开内容的精神和范围。上文描述的各种实施方式中的每个的特征可以如合适的被与其他的所描述的实施方式的特征组合以提供在相关联的新的实施方式中的多种特征组合。此外，虽然上文描述了许多分离的实施方式，但是本文已经描述的内容仅是本公开内容的原理的应用的例证。此外，虽然本文的具体的方法可以被图示和/或描述为被以特定的顺序进行，但是顺序是在一般常识内高度地可变的以实现本公开内容的方面。据此，本描述意图仅以例子的方式，并且不以其他方式限制本公开内容的范围。

Claims (18)

1.一种制造负极的方法，所述负极包括具有彼此间隔的第一侧面和第二侧面的集电器箔，位于所述第一侧面上并且厚度为ta的第一碱金属层，以及位于所述第二侧面上并且厚度为tPEP的第二碱金属层，所述方法包括：
接收一碱金属箔；
接收一多孔载体膜集电器箔层压物，所述多孔载体膜集电器箔层压物具有多个开口，所述开口每个具有容积，延伸穿过所述开口，所述多孔载体膜集电器箔层压物包括所述集电器箔和附接至所述集电器箔的第一载体膜，其中所述第一载体膜具有厚度tcf，其被选择作为所述集电器箔的所述第二侧面上的所述第二碱金属层的所述厚度tPEP的函数；
将所述碱金属箔和所述多孔载体膜集电器箔层压物在多孔集电器的所述第一侧面层压在一起，其中所述层压包括形成所述碱金属箔的延伸穿过所述开口以便填充所述开口的所述容积并且使所述第一碱金属层具有所述厚度ta的多个被挤出的部分；
从所述集电器箔除去所述第一载体膜，以便所述被挤出的部分与所述集电器箔保持在一起；并且
平坦化所述被挤出的部分，以形成具有所述厚度tPEP的所述第二碱金属层并且形成所述负极。
2.权利要求1的方法，其中所述厚度ta和所述厚度tPEP分别小于20μm。
3.权利要求1的方法，其中所述多孔载体膜集电器箔层压物中的所述开口界定大于40％的百分数开放面积。
4.权利要求1的方法，其中所述开口具有大于0.5mm的最大宽度。
5.权利要求1的方法，其中所述多孔载体膜集电器箔层压物具有在所述开口中的毗邻的开口之间延伸的最小网状物宽度，其中所述最小网状物宽度是小于1mm。
6.权利要求1的方法，其中所述多孔载体膜集电器箔层压物中的所述开口界定大于80％的百分数开放面积。
7.权利要求1的方法，其中所述多孔载体膜集电器箔层压物具有在所述开口中的毗邻的开口之间延伸的最小网状物宽度，其中所述最小网状物宽度是小于0.25mm。
8.权利要求1的方法，其中所述碱金属箔具有厚度tMF，并且所述第一载体膜具有大于或等于tMF/2的厚度tFCF。
9.权利要求1的方法，其中所述碱金属箔具有大于55mm的宽度。
10.权利要求9的方法，其中所述层压步骤包括将多行所述碱金属箔在横跨所述多孔载体膜集电器箔层压物的密集间隔的平行排列中层压以便能够形成具有在55mm至300mm的范围内的宽度的宽幅负极。
11.权利要求1的方法，其中所述第一载体膜具有在1μm至300μm的范围内的厚度tFCF。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一碱金属层的所述厚度ta等于所述第二碱金属层的所述厚度tPEP。
13.根据权利要求1所述的方法，其中接收所述多孔载体膜集电器箔层压物包括从第一卷接收所述多孔载体膜集电器箔层压物，并且所述方法还包括在所述平坦化之后收集在第二卷上的所述负极。
14.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在接收具有多个所述开口的所述多孔载体膜集电器箔层压物之前：
将第二载体膜附接于所述多孔载体膜集电器箔层压物的所述第一载体膜；
切割所述多孔载体膜集电器箔层压物，但不切割所述第二载体膜，以便在所述开口的位置处形成孔屑；以及
从所述多孔载体膜集电器箔层压物除去所述第二载体膜，以便除去所述孔屑并且在所述多孔载体膜集电器箔层压物中形成所述开口。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一载体膜和所述第二载体膜具有彼此不同的厚度。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中所述碱金属箔包含锂金属。
17.一种二次电池，包括：
碱金属负极、正极和隔膜件；
其中所述碱金属负极是根据权利要求1至15中任一项所述的方法制造的。
18.根据权利要求17所述的二次电池，其中所述碱金属负极是锂金属负极。
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