層壓方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種形成用于鋰電蓄能裝置的單電池或雙電池的方法，包括在第一層壓單元中首先層壓包括第一電極和兩個分離部件的第一組合，以獲得多層層壓部件。在第一組合中，電極插在兩個分離部件中間而尚未層壓至兩個分離部件的任何一個。然后，方法包括形成包括多層層壓部件和第二電極的第二組合。最終，方法包括在第二層壓單元中層壓第二組合，以獲得電池。
【專利說明】層壓方法
[0001]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明涉及一種形成用于鋰電蓄能裝置的單電池或雙電池的方法。
[0003]特別地，該方法提供了單電池或雙電池組件的層壓以使其彼此粘附。
[0004]已知通過一對壓輥層壓電池形成部件來形成單電池或雙電池。這些部件通常至少包括陽極、陰極和兩個分離部件。對于雙電池，除列出的部件外還包括第二陰極。陽極或陰極插在兩個分離部件之間。兩個分離部件之一插在陽極和陰極之間以使電池在使用中正常工作。
[0005]本領域技術人員眾所周知，分離部件具有微孔結構，其中微孔旨在容納電解質(zhì)。
[0006]在電池的形成中可能出現(xiàn)的問題在于，由于通過壓輥施加在分離部件上的高壓縮力而在層壓期間封閉分離部件的微孔。這使得電池的特性下降而導致蓄電裝置質(zhì)量惡化。另一方面，層壓輥應施加很小的壓縮力(以免封閉微孔)，存在著這樣的力不足以保證分離部件、陽極和陰極之間的粘合的風險。
[0007]在單電池或雙電池的形成中可能出現(xiàn)的另一問題在于后者的幾何穩(wěn)定性。事實上，單電池在層壓期間由于其所遭受的高溫可能變形(尤其是可能彎曲)。這是由于陽極和陰極都具有彼此不同的熱膨脹系數(shù)。換言之，當陽極和陰極加熱至高溫時(比如在層壓過程中)，膨脹量彼此不同，由此引起電池變形。在橫截面上大幅彎曲的變形電池有諸多缺陷。特別地，變形電池涉及的問題和其移動(例如電池不能彼此堆疊)及隨后形成的蓄電裝置有關，由此電池可能具有和期望不同的形狀，因而其形狀可能無法與設置與其相適應的外殼之一匹配。
[0008]還有另一問題是關于層壓步驟中存在的高溫和壓縮力，這由此可能損傷電極(陽極和陰極)，尤其是陰極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目標是提供一種形成用于蓄電裝置、特別是鋰電蓄能裝置的單電池或雙電池的方法，這使得與層壓步驟有關的前述現(xiàn)有技術問題得以解決。
[0010]另一目標是提供一種形成用于高質(zhì)量蓄電裝置的單電池或雙電池的方法。
[0011]優(yōu)點是提供一種在層壓期間不損傷待層壓部件(兩個電極和分離部件)的方法。
[0012]另一優(yōu)點是提供一種方法，其中作用在分離部件上的壓縮力不會因擠壓而封閉分離部件微孔，同時保證后者與電極之間的粘合。
[0013]又一優(yōu)點是提供一種方法，其中溫度和層壓力都保持電池的幾何穩(wěn)定性，即換言之，不引起其任何變形，例如由于單電池的彎曲。
[0014]還一優(yōu)點是提供一種待層壓組合在其整體厚度上被均勻加熱的方法。
[0015]還一優(yōu)點是提供一種允許待層壓組合使用與現(xiàn)有技術方法相比較低的能量透過其整體厚度加熱的方法。
[0016]還一優(yōu)點是提供一種形成用于連續(xù)運行的蓄電裝置的單電池或雙電池的方法。
[0017]在發(fā)明的一個方面中，提供了形成用于鋰電蓄能裝置的單電池或雙電池的方法，該方法提供了:形成包括第一電極和兩個分離部件的第一組合，由此電極插在兩個分離部件之間而尚未層壓至兩個分離部件的任何一個;供給第一組合至第一層壓單元，例如輥式，在第一層壓單元中層壓第一組合以得到多層層壓部件，形成包括第二電極和多層層壓部件的第二組合，供給第二組合至第二層壓單元，例如輥式，并在第二層壓單元中層壓第二組合以得到電池。
[0018]以這種方式，在第一層壓單元和第二層壓單元中都有可能分別(各自具有的厚度小于總電池厚度)在低于通常以用于形成單電池或雙電池的現(xiàn)有技術層壓過程為特征的層壓溫度和力下層壓第一組合和第二組合。因而有可能達到上述效果。
[0019]由于每個層壓單元層壓具有厚度小于總電池厚度的組合，組合的厚度在層壓期間能夠被均勻加熱，并且可使用較低的能量用于加熱。
[0020]在示例中，其中第一電極為陽極而第二電極為陰極，根據(jù)本發(fā)明的方法還使損傷陰極的風險得以顯著減小，陰極通常比陽極更脆弱，因而更傾向于在層壓期間由于層壓溫度和力而受到損傷。由于本發(fā)明的方法，陰極僅在第二層壓單元中經(jīng)歷了單次層壓，其中達到的溫度和壓縮力低于在第一層壓單元中，相比而言，陽極在第一層壓單元中與兩個分離部件層壓在一起。當后者到達第二層壓單元時，其已經(jīng)在第一層壓單元中進行了層壓以形成多層層壓部件。因此，在第二層壓單元中可采用較低的溫度和層壓力，這足以將陰極層壓至多層層壓部件，并同時減小了損傷陰極的風險。
【附圖說明】
[0021]根據(jù)附圖可更好地理解和實施本發(fā)明，附圖示出了非限制性示例性實施方式。
[0022]圖1示出了形成用于鋰電蓄能裝置的單電池的第一示例的裝置的示意圖，其中可見第一層壓單元和第二層壓單元。
[0023]圖2a示出了可從第一層壓單元獲得的多層層壓部件的示意剖面圖。
[0024]圖2b示出了可借助圖1的裝置獲得的單電池的示意剖面圖。
[0025]圖3示出了適合形成單電池第二示例的圖1的裝置版本的示意圖。
[0026]圖4示出了可用圖5的裝置獲得的單電池的第二示例的示意剖面圖。
[0027]圖5示出了用于形成鋰電蓄能裝置的雙電池的圖1裝置的版本的示意圖。
[0028]圖6示出了可用圖5的裝置獲得的雙電池的示意剖面圖。
【具體實施方式】
[0029]參照圖1，數(shù)字I從總體上表示形成用于鋰電蓄能設備(電池、電容器等)的單電池10的第一示例的裝置，此處未示出。
[0030]裝置I包括沿待層壓部件的前進方向F連續(xù)布置的第一層壓單元2和第二層壓單元
3。第二層壓單元3按前進方向F布置在第一層壓單元2的下游。
[0031]第一層壓單元2和第二層壓單元3可屬于已知類型。第一層壓單元2和第二層壓單元3包括上部層壓輥4和下部層壓輥5，上部層壓輥4和下部層壓輥5彼此耦合并彼此相對以限定出在層壓輥之間延伸的層壓區(qū)。特別地，后者具有彼此平行(水平)的轉動軸線。層壓區(qū)可在寬度上以平行于兩個層壓輥4和5的軸線的方向延伸。待層壓部件穿過在層壓輥4和5之間延伸的層壓區(qū)(在下文中詳細描述)，這些部件沿橫切于層壓區(qū)寬度的前進方向F供給。
[0032]裝置I還包括與第一層壓單元2相關的第一加熱裝置6和與第二層壓單元3相關的第二加熱裝置7。第一加熱裝置6和第二加熱裝置7分別靠近第一層壓單元2和第二層壓單元3布置，尤其是按照前進方向F布置在后者的上游。第一加熱裝置6和第二加熱裝置7布置為在待層壓部件穿過壓輥4和5限定的層壓區(qū)前將其加熱至層壓溫度。第一加熱裝置6和第二加熱裝置7可屬于已知類型。在一個示例中，第一加熱裝置6和第二加熱裝置7可包括至少一個電阻。
[0033]參照圖3和圖5，其示出了裝置I的各版本的示意圖，從而后者分別用于形成單電池10’的第二示例和雙電池20。為了更清晰地說明，在這些圖中相同的參考數(shù)字用于指明多個示例性實施方式的相似部件。
[0034]現(xiàn)在將詳細描述用于鋰電蓄能裝置的單電池10、10’或雙電池20的形成方法。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下步驟:
[0036]-形成包括第一電極12和兩個分離部件13的第一組合11，其中電極12插在兩個分離部件13之間但尚未層壓至兩個分離部件13之一，
[0037]-供給第一組合11至第一層壓單元2，
[0038]-在第一層壓單元2中層壓第一組合11以獲得可在圖2a中看到的多層層壓部件14，
[0039]-形成包括第二電極16和多層層壓部件14的第二組合15，
[0040]-供給第二組合12至第二層壓單元3，
[0041]-在第二層壓單元3中層壓第二組合15以獲得在圖2b中示出的單電池10。
[0042]第一電極12和第二電極16分別以單個部件的形式供給至第一層壓單元2和第二層壓單元3。相比之下，分離部件13通過相應的卷軸18來輸送。以這種方式，層壓物體在層壓單元2、3下游形成連續(xù)多層層壓膜。
[0043]在本文圖示并描述的示例中，第一電極12為陽極A而第二電極16為陰極C。
[0044]在其他未示出的示例中，第一電極12可為陰極C而第二電極16可為陽極A。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的方法還提供在第一層壓單元2中層壓第一組合11之前，通過第一加熱裝置6將第一組合11加熱至50°C至200°C之間的溫度。
[0046]在第一層壓單元2中層壓第一組合11期間，方法還提供了在第一組合上施加大約在700N至3000N之間的壓縮力。
[0047]此外，在第二層壓單元3中層壓第二組合15之前，方法還提供了通過第二加熱裝置7將第二組合15加熱至30°C至180°C之間的溫度。
[0048]在第二層壓單元3中層壓第二組合15期間，方法還提供了在第二組合上施加大約600N至2800N之間的壓縮力。
[0049]應注意，第二組合15所承受的溫度和力低于層壓第一組合11所用的那些。如前所述，這使比起陽極A更脆弱且受到更多損傷的陰極C得到更好的保護。通過這種方式，陰極C僅經(jīng)歷了一個較低溫度和力的層壓周期(在第二層壓單元3中)。
[0050]在第二層壓單元3下游可選地具有一個或多個未示出且屬于已知類型的工作單元，其適合在多層層壓膜的最外層上沉積相應的保護膜。
[0051]此外，第二層壓單元3的下游處設有切割先前在層壓單元2、3中按順序層壓的薄膜的切削配置，以獲得多個具有期望尺寸的單個單電池10、10’或雙電池20。
[0052]圖2b中示出的單電池10的第一示例包括:第一電極11(陽極A)和兩個分離部件13，形成多層層壓部件14(在第一層壓單元2中層壓)，以及第二電極16(陰極C)。
[0053]陽極A可以是包括陽極層Al和電流歧管層A2的單涂層陽極。
[0054]可選地具有介于10至100微米之間厚度的陽極層Al可選地包括:
[0055]-活性陽極材料，可包括選自以下組的材料:帶有微孔的內(nèi)消旋碳基MCMB石墨，
Li4Tl50l2 ;
[0056]-導電材料，可包括選自以下組的材料:碳黑、煤黑、爐黑、槽黑、熱解黑、乙炔黑、碳顆粒物；
[0057]-結合劑，可包括選自以下組的材料:1-甲基-2-吡咯烷酮，聚偏二氟乙烯(PVDF)。
[0058]電流歧管層A2包括可選地可具有介于8至12微米之間厚度的銅片。
[0059]在示出的示例中，陽極A是包括放置在兩個陽極層Al之間的電流歧管層A2的雙涂層陽極。
[0060]陰極C可為包括陰極層Cl和電流歧管層C2的單涂層陰極。
[0061]可選地，可視情況具有介于10至100微米之間厚度的陰極層Cl可包括:
[0062]-活性陰極材料，可包括選自以下組的材料:LiCoO2,LiN12，LiMn2O4，LiMxMn2—x04(其中 0〈x〈l)，LiNii—yCoy02(其中 0〈7〈1)，1^祖^112(:011—202(其中0〈7〈1且0〈2〈1且7+2〈1)，XLi2MnO3.(l-x)LiM02(其中0〈χ〈1 且M=Ni)，Co或Cr，Li(Nii—y—zCoyAlz)02(其中0〈y〈l且0〈z〈I且y+z〈l)，LiMP04(其中M=Mn或Co)，以及LiFePO4;
[0063]-導電材料，可包括選自以下組的材料:碳黑、煤黑、爐黑、槽黑、熱解黑、乙炔黑、碳顆粒物；
[0064]-結合劑，可包括選自以下組的材料:1-甲基-2-吡咯烷酮，聚偏二氟乙烯(PVDF)。
[0065]電流歧管層C2包括可選地可具有介于15至25微米之間厚度的鋁片。
[0066]在示出的示例中，陰極C是包括放置在兩個陰極層Cl之間的電流歧管層C2的雙涂層陰極。
[0067]可選地，每個分離部件13可具有介于12至30微米之間的厚度和包括介于35%和80%之間的孔隙率。
[0068]可選地，每個分離部件13可包括一個或多個能夠負載無機粒子的微孔聚合物片層。微孔聚合物片可包括選自以下組的組合:聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)。無機粒子可從以下組選擇:氧化鋁(Al2O3)、硅(S12)、二氧化鈦(T12)、碳酸鈣(CaCO3)。
[0069]參照圖3和圖4，可以看到由于發(fā)明的方法而獲得的單電池10’的第二示例。有別于單電池10，單電池10’也包括通過相關卷軸18’輸送且供給至第二層壓單元3(圖3)以與多層層壓部件14(出自第一層壓單元2)和第二電極16(陰極C)層壓在一起的另外的分離部件13’。另外的分離部件13’與第二電極16相對。換言之，多層層壓部件14插在第二電極16和另外的分離部件13’之間。單電池10’因而包括(圖4):第一電極11(陽極A)和兩個分離部件13，形成多層層壓部件14(在第一層壓單元2中層壓)，以及第二電極16(陰極C)和另外的分離部件 13，。
[0070]參照圖5和圖6，可以看到由于發(fā)明的方法而獲得的雙電池20的示例。雙電池20包括單電池10和供給至第二層壓單元3(圖5)以與多層層壓部件14(出自第一層壓單元2)和第二電極16(陰極C)層壓在一起的第三電極7(陰極C’)。第三電極17與第二電極16相對。換言之，多層層壓部件14插在第二電極16和第三電極17之間。雙電池20因而包括(圖6):第一電極11(陽極A)和兩個分離部件13，形成多層層壓部件14(在第一層壓單元2中層壓)，以及第二電極16(陰極C)和第三電極17(陰極C’)。陰極C’可為單涂層或雙涂層陰極。在示出的示例中，陰極C’具有與上述陰極C大體相同的結構。
[0071]在未示出的示例中，陰極C和陰極C’可具有彼此不同的結構。
[0072]此外，還可有對于上文已述的內(nèi)容或對于附圖中闡明的內(nèi)容的變更或附加物。
【主權項】
1.一種形成用于鋰電蓄能裝置的電池(10;10’；20)的方法，包括以下步驟: -形成包括第一電極(12)和兩個分離部件(13)的第一組合(11)，其中所述電極(12)插在兩個所述分離部件(13)之間； -加熱所述第一組合(11)至第一溫度； -在加熱所述第一組合(II)的所述步驟之后，層壓所述第一組合(II)以獲得多層層壓部件(14)，在層壓所述第一組合(11)的所述步驟期間向其施加第一壓縮力； -形成包括第二電極(16)和所述多層層壓部件(14)的第二組合(15); -加熱所述第二組合(15)至低于所述第一溫度的第二溫度； -在加熱所述第二組合(15)的所述步驟之后，層壓所述第二組合(15)以獲得電池(10;1 ’ ； 20)，在層壓所述第二組合(15)的所述步驟期間向其施加第二壓縮力，所述第二壓縮力低于所述第一壓縮力。2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述第一溫度包括在50°C至200°C之間。3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中所述第一壓縮力包括在700N至3000N之間。4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述第二溫度包括在30°C至180°C之間。5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述第二壓縮力包括在600N至2800N之間。6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述第一組合(11)通過第一加熱裝置(6)加熱至所述第一溫度，而所述第二組合(15)通過第二加熱裝置(7)加熱至所述第二溫度。7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中在形成所述第一組合(11)的所述步驟中，所述電極(12)插在所述兩個分離部件(13)之間而尚未層壓至任一分離部件。8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述第一組合(11)通過例如輥式的第一層壓單元(2)來層壓，而所述第二組合(15)通過例如輥式的第二層壓單元(3)來層壓。9.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述第一電極(12)為陽極(A)而所述第二電極(16)為陰極(C)。10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述第一電極(12)為包括陽極層(Al)和電流歧管層(A2)的單涂層陽極(A)，能夠具有在10至100微米之間厚度的所述陽極層(Al)依次包括: -陽極活性材料，其能夠包括選自下組的材料:石墨MCMB中間相碳微球、Li4Ti5O12; -導電材料，其能夠包括選自下組的材料:碳黑、煤黑、爐黑、槽黑、熱解黑、乙炔黑、煙灰； -結合劑，其能夠包括選自下組的材料:1-甲基-2-吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯(PVDF); 其中所述電流歧管層(A2)包括具有例如在8至12微米之間厚度的銅片。11.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述第二電極(16)為包括陰極層(Cl)和電流歧管層(C2)的單涂層陰極(C)，能夠具有在10至100微米之間厚度的所述陰極層(Cl)依次包括: -活性陰極材料，其能夠包括選自下組的材料:LiCo02、LiNi02、LiMn204、LiMxMn2—x04(其中0〈x〈l)、LiNii—yCoy02(其中0〈y〈l)、LiNiyMnzCoi—y—z02(其中0〈y〈l且0〈ζ〈1且y+z〈l)、XLi2MnO3.(l-x)LiM02(其中0〈χ〈1 且M=Ni)、Co或0、1^(祖11—2(:0412)02(其中0〈7〈1且0〈2〈I且y+z〈l)、LiMP04(其中M=Mn或Co)、以及LiFePO4; -導電材料，其能夠包括選自下組的材料:碳黑、煤黑、爐黑、槽黑、熱解黑、乙炔黑、煙灰； -結合劑，其能夠包括選自下組的材料:1-甲基-2-吡咯烷酮、聚偏二氟乙烯(PVDF); 其中所述電流歧管層(C2)包括具有例如在15至25微米之間厚度的鋁片。12.根據(jù)權利要求11所述的方法，如權利要求10所附，其中所述第一電極(12)包括雙涂層陽極(A)，所述雙涂層陽極(A)包括插在兩個陽極層(Al)之間的所述電流歧管層(A2)，而其中所述第二電極(16)包括雙涂層陰極(C)，所述雙涂層陰極(C)包括插在兩個陰極層(Cl)之間的所述電流歧管層(C2)。13.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述兩個分離部件(13)的每一個都包括能負載無機粒子的一個或多個聚合微孔片層，其中: -所述一個或多個聚合微孔片能包括選自下組的組合:聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚醚醚酮(PEEK)；以及 -無機粒子能選自下組:氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(S12)、二氧化鈦(T12)、碳酸鈣(CaCO3); 并且其中所述分離部件(13)的每一個都能具有在12至30微米之間的厚度和35%和80%之間的孔隙率。14.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中供給第三電極(17)以與所述第二電極(16)和所述多層層壓部件(14)層壓在一起，其中所述多層層壓部件(14)插在所述第二電極(16)和所述第三電極(17)之間而尚未層壓至任何所述電極(16、17)。15.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中供給其他分離部件(13’)以與所述第二電極(16)和所述多層層壓部件(14)層壓在一起，其中所述多層層壓部件(14)插在所述第二電極(16)和所述其他分離部件(13 ’)之間。16.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的方法，其中所述第一電極(12)為陰極(C)而所述第二電極(16)為陽極(A)。
【文檔編號】H01M4/133GK105917511SQ201480058790
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年11月10日
【發(fā)明人】馬西米利亞諾·賽爾, 馬可·維瓦雷利
【申請人】曼茲意大利有限責任公司