Батареи с электродами в виде покрытия, нанесенного прямо на нанопористые сепараторы
Предложены литиевые батареи, содержащие (а) пакет сепаратор/катод, содержащий слой токового коллектора катода, располагающийся между первым катодным слоем и вторым катодным слоем и нанесенный одной стороной первого катодного слоя на пористый сепараторный слой, при этом первый катодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; (б) пакет сепаратор/анод, содержащий слой токового коллектора анода, располагающийся между первым анодным слоем и вторым анодным слоем и приклеенный одной стороной первого анодного слоя к пористому сепараторному слою, при этом первый анодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; и (в) электролит, при этом батареи содержат чередующимися слоями пакет сепаратор/катод и пакет сепаратор/анод. В предпочтительном варианте участки пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод не контактируют друг с другом, и электрические соединения краев выполняются через эти участки. Также предложены способы изготовления таких батарей. Повышение плотности энергии и мощности литиевых батарей при повышении эффективности их производства является техническим результатом заявленного изобретения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к области батарей и других элементов, являющихся источниками электрического тока. В частности, настоящее изобретение касается литиевых батарей, в которых применяются нанопористые сепараторы, а также способов изготовления литиевых батарей, дающих преимущества в результате использования нанопористой структуры сепаратора, на которую накладываются другие слои батареи в требуемой конфигурации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Литиевые батареи, включая перезаряжаемые батареи (или литиево-ионные аккумуляторы), неперезаряжаемые батареи (или батареи первичных литиевых элементов), а также другие типы, например батареи системы литий-сера, в типичном случае изготовляют путем поочередного наложения друг на друга пластикового сепаратора, металлической подложки со слоем катодного покрытия на обеих ее сторонах, другого пластикового сепаратора и другой металлической подложки со слоем анодного покрытия на обеих ее сторонах. Для обеспечения совмещения полос этих материалов и по другим причинам, связанным с качеством, это чередующееся наложение слоев обычно выполняют на автоматическом оборудовании, которое является сложным и дорогостоящим. Кроме того, для достижения достаточной механической прочности и целостности сепараторы и металлические подложки делают относительно толстыми, например толщиной в 10 микрон или больше. Например, типичная толщина медной металлической подложки для нанесения анодных слоев покрытия составляет 10 микрон, типичная толщина алюминиевой металлической подложки для слоев катодного покрытия составляет 12 микрон, а типичная толщина пластиковых сепараторов находится в диапазоне от 12 до 20 микрон. Эти толстые сепараторы и металлические подложки не являются электрохимически активными, а следовательно, уменьшают объем электроактивного материала в электродах литиевых батарей. Это приводит к ограничению удельной энергии и удельной мощности литиевых батарей.
Новые применения, в которых используются литиевые батареи, включают мощные аккумуляторы для гибридных, сменных гибридных и электрических автомобилей. В отличие от цилиндрических металлических элементов, применяемых в литиевых батареях для портативных компьютеров, многие литиевые батареи для автомобилей имеют плоскую или призматическую конструкцию. Кроме того, литиевые автомобильные батареи должны быть экономичными. Возможные подходы для получения более мощных и более экономичных литиевых батарей для автомобилей и других применений включают значительное повышение доли или процента объема электроактивного материала в каждой батарее и снижение сложности и стоимости автоматизированного оборудования для изготовления батареи.
Было бы выгодно, если бы литиевая батарея содержала намного более тонкие сепараторы и металлические подложки, чем применяемые в настоящее время, а вследствие этого - и больший объем электроактивного материала. Особенно выгодно было бы, если бы такую литиевую батарею можно было изготовлять на менее сложном и более дешевом оборудовании, чем, например, намоточное устройство, применяемое для батарей портативных компьютеров, и к тому же на оборудовании, приспособленном, в частности, для изготовления плоских или призматических батарей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение в целом касается батарей и других элементов, вырабатывающих электрический ток, в частности литиевых батарей, в которых применяются нанопористые сепараторы, в частности термостойкие сепараторы, характеризующиеся стабильностью размеров при температурах около 200°С и выше, а также способов изготовления литиевых батарей, использующих преимущество нанопористой структуры сепаратора для нанесения на такой сепаратор других слоев покрытия с нужной толщиной и конфигурацией, требуемых для работы батареи.
Один аспект настоящего изобретения касается литиевой батареи, содержащей (а) пакет сепаратор/катод, при этом пакет сепаратор/катод содержит слой токового коллектора катода, располагающийся между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого катодного слоя, противоположного слою токового коллектора катода, при этом первый катодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; (б) пакет сепаратор/анод, при этом пакет сепаратор/анод содержит слой токового коллектора анода, располагающийся между первым анодным слоем и вторым анодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого анодного сдоя, противоположного слою токового коллектора анода, при этом первый анодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; и (в) электролит; при этом батарея содержит чередующиеся слоями пакеты сепаратор/катод и сепаратор/анод. В одном варианте воплощения настоящего изобретения некоторый участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению, участок пакета сепаратор/катод, который не контактирует с пакетом сепаратор/анод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод, не контактирующими с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/катод и с указанными дополнительными одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/анод.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению некоторый участок пакета сепаратор/анод не контактирует с пакетом сепаратор/катод. В одном варианте воплощения изобретения тот участок пакета сепаратор/анод, который не контактирует с пакетом сепаратор/катод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/анод, не контактирующими с пакетом сепаратор/катод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/анод и с указанными дополнительными одним или несколькими участками пакета сепаратор/анод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/катод. В одном варианте воплощения изобретения тот участок пакета сепаратор/катод, который не контактирует с пакетом сепаратор/анод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод, не контактирующими с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/катод и с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/анод.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора катода нанесен в виде покрытия прямо на первый катодный слой. В одном варианте воплощения изобретения поверхность первого катодного слоя, примыкающего к сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности сепараторного слоя, примыкающего к первому катодному слою, а контур поверхности сепараторного слоя такой же, каким был до нанесения первого катодного слоя на сепараторный слой. В одном варианте воплощения изобретения первый катодный сой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и эти электродные частицы не присутствуют в сепараторном слое, примыкающем к первому катодному слою. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой пакета сепаратор/катод содержит сепараторные частицы, и эти сепараторные частицы не присутствуют в первом катодном слое, примыкающем к сепараторному слою. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора катода в пакете сепаратор/катод содержит алюминиевый слой. В одном варианте воплощения толщина этого алюминиевого слоя составляет менее 3 микрон.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора анода нанесен в виде покрытия прямо на первый анодный слой. В одном варианте воплощения изобретения поверхность первого анодного слоя, примыкающего к сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности сепараторного слоя, примыкающего к первому анодному слою, а контур поверхности сепараторного слоя такой же, каким был до нанесения первого анодного слоя на сепараторный слой. В одном варианте воплощения изобретения первый анодный сой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и эти электродные частицы не присутствуют в сепараторном слое, примыкающем к первому анодному слою. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой пакета сепаратор/анод содержит сепараторные частицы, и эти сепараторные частицы не присутствуют в первом анодном слое, примыкающем к сепараторному слою. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора анода в пакете сепаратор/анод содержит алюминиевый слой. В одном варианте воплощения толщина этого алюминиевого слоя составляет менее 3 микрон.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению диаметр пор сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения средний диаметр пор сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения изобретения толщина сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 9 микрон, а предпочтительно - менее 6 микрон. В одном варианте воплощения сепараторный слой как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод содержит пористый слой, содержащий алюминиевый бемит.
Другой аспект настоящего изобретения касается литиевой батареи, содержащей (а) пакет сепаратор/катод, при этом пакет сепаратор/катод содержит слой токового коллектора катода, располагающийся между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого катодного слоя, противоположного слою токового коллектора катода, при этом первый катодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; (б) пакет сепаратор/анод, при этом пакет сепаратор/анод содержит слой токового коллектора анода, располагающийся между первым анодным слоем и вторым анодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого анодного слоя, противоположного слою токового коллектора анода, при этом первый анодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; и (в) электролит; при этом батарея содержит чередующимися слоями пакет сепаратор/катод и пакет сепаратор/анод. В одном варианте воплощения настоящего изобретения часть пакета сепаратор/катод не находится в контакте с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения анодный слой содержит металлический литий. В одном варианте воплощения первый катодный слой и второй катодный слой содержат серу или полисульфид по формуле Sx 2-, где х - целое число от 2 до 8.
Другой аспект настоящего изобретения касается способа изготовления литиевой батареи, содержащего этапы: (а) нанесения пористого сепараторного слоя на подложку; (б) нанесения первого катодного слоя прямо на первый участок сепараторного слоя; (в) нанесения одного или нескольких слоев токового коллектора катода прямо на первый катодный слой; (г) нанесения второго катодного слоя прямо на указанные один или несколько слоев токового коллектора катода; (д) нанесения первого анодного слоя прямо на второй участок сепараторного слоя; (е) нанесения одного или нескольких слоев токового коллектора анода прямо на первый анодный слой; и (ж) нанесения второго анодного слоя прямо на указанные один или несколько слоев токового коллектора анода. В одном варианте воплощения изобретения после этапа (ж) выполняется следующий этап (з), состоящий в отслаивании подложки от - первого и второго участков сепараторного слоя с целью получения пакета сепаратор/катод и сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения после этапа (з) выполняется следующий этап (и), состоящий в наложении друг на друга пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод с целью получения сухого элемента сепаратор/электроды. В одном варианте воплощения изобретения пакет сепаратор/катод и пакет сепаратор/анод до этапа поочередного наложения друг на друга имеют листовую конфигурацию.
В одном варианте воплощения изобретения после этапа (и) участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод, а участок пакета сепаратор/анод не контактирует с пакетом сепаратор/катод, при этом первое приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами соединяет электрически два или несколько таких участков пакета сепаратор/катод, а второе приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами соединяет электрически два или несколько таких участков пакета сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения выполняются дополнительные этапы (1) заключения указанного сухого элемента сепаратор/электроды в корпус и (2) заполнения электролитом и герметизации.
В одном варианте способов изготовления литиевых батарей по настоящему изобретению, по меньшей мере, один из указанных одного или нескольких слоев токового коллектора катода по этапу (в) содержит металлический слой, и толщина этого металлического слоя составляет менее 3 микрон. В одном варианте способов изготовления литиевых батарей по настоящему изобретению, по меньшей мере, один из указанных одного или нескольких слоев токового коллектора анода по этапу (е) содержит металлический слой, и толщина этого металлического слоя составляет менее 3 микрон. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой имеет поры диаметром менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения изобретения толщина сепараторного слоя составляет менее 9 микрон, а предпочтительно - менее 6 микрон.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
С целью иллюстрации настоящего изобретения конкретные варианты компоновки и методологии показаны на чертежах. Однако следует понимать, что объем настоящего изобретения не ограничивается конкретными показанными вариантами компоновки или представленными в подробном описании методологиями.
На Фиг.1 представлен вид в разрезе чередующихся слоев пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод, при этом некоторый участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод.
На Фиг.2 представлен вид в разрезе пакета сепаратор/катод, в котором слой токового коллектора расположен между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а пористый сепараторный слой расположен на одной стороне первого катодного слоя.
На Фиг.3 представлен вид в разрезе пакета сепаратор/анод, в котором слой токового коллектора расположен между первым анодным слоем и вторым анодным слоем, а пористый сепараторный слой расположен на одной стороне первого анодного слоя.
На Фиг.4 представлен вид в разрезе приспособления с электропроводящими штырьковыми контактами, которое осуществляет электрическое соединение между участком пакета сепаратор/катод, не осуществляя электрического соединения с пакетом сепаратор/анод.
На Фиг.5 представлен вид в разрезе чередующихся слоев пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод, при этом участок пакета сепаратор/анод не контактирует с пакетом сепаратор/катод.
На Фиг.6 представлен вид в разрезе приспособления с электропроводящими штырьковыми контактами, которое осуществляет электрическое соединение между участком пакета сепаратор/анод, не осуществляя электрического соединения с пакетом сепаратор/катод.
На Фиг.7 представлен вид сверху чередующихся слоев, при этом первое приспособление по Фиг.4 находится в электрическом контакте с участком пакета сепаратор/катод по Фиг.1 и с дополнительными одним или несколькими лежащими ниже участками пакета сепаратор/катод, и при этом второе приспособление по Фиг.6 находится в электрическом контакте с участком пакета сепаратор/анод по Фиг.5 и с дополнительными одним или несколькими лежащими ниже участками пакета сепаратор/анод.
На Фиг.8 представлен вид в разрезе нанесенного на подложку пакета сепаратор/катод до выполнения этапа отслоения подложки с целью ее удаления.
На Фиг.9 представлен вид в разрезе нанесенного на подложку пакета сепаратор/анод до выполнения этапа отслоения подложки с целью ее удаления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Литиевые батареи и способы изготовления литиевых батарей по настоящему изобретению предоставляют гибкий и эффективный подход для производства литиевых батарей с высокими плотностями энергии и мощности и с низкими капиталовложениями на оборудование и производство.
Один аспект настоящего изобретения касается литиевой батареи, содержащей (а) пакет сепаратор/катод, при этом пакет сепаратор/катод содержит слой токового коллектора катода, располагающийся между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого катодного слоя, противоположного слою токового коллектора катода, при этом первый катодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; (б) пакет сепаратор/анод, при этом пакет сепаратор/анод содержит слой токового коллектора анода, располагающийся между первым анодным слоем и вторым анодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого анодного слоя, противоположного слою токового коллектора анода, при этом первый анодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; и (в) электролит; при этом батарея содержит чередующимися слоями пакеты сепаратор/катод и сепаратор/анод. В одном варианте воплощения настоящего изобретения некоторый участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод.
Применительно к настоящему описанию термин «батарея» относится как к единичному элементу, вырабатывающему электрический ток, так и к множеству элементов, вырабатывающих электрический ток и объединенных в одном корпусе или упаковке. Применительно к настоящему описанию термин «литиевая батарея» относится ко всем типам литиевых батарей, известных в данной отрасли, включая (но не ограничиваясь) перезаряжаемые батареи или батареи вторичных литиевых элементов, неперезаряжаемые батареи или батареи первичных литиевых элементов, а также другие типы литиевых батарей, например батареи системы литий-сера.
Применительно к настоящему описанию термин «слой токового коллектора» относится к одному или нескольким токособирающим слоям, примыкающим к катодному слою. Перечень включает (но не ограничивает) единичный проводящий слой или подложку из металла, а также единичный проводящий слой или подложку из металла с нанесенным проводящим покрытием, например с полимерным покрытием на основе сажи. Примерами проводящей металлической подложки, играющей роль токового коллектора, являются металлическая подложка, содержащая алюминий, которая обычно применяется в качестве слоя токового коллектора и в качестве подложки для слоя положительного электрода (или катодного слоя), а также металлическая подложка, содержащая медь, которая обычно применяется в качестве слоя токового коллектора или в качестве подложки для отрицательного электродного слоя (или анодного слоя). Слои токового коллектора как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод могут содержать электропроводящий материал, выбранный из группы, состоящей из электропроводящих металлов, включая металлические пигменты или частицы, из электропроводящих углеродов, включая сажу и графитные пигменты, а также из электропроводящих полимеров. Эти электропроводящие материалы могут комбинироваться с органическим полимером для повышения механической прочности и гибкости при образовании слоя токового коллектора.
Применительно к настоящему описанию термин «электродный слой» относится к тому слою в батарее, который содержит электроактивный материал. Если электродным слоем является слой, где литий присутствует (как в случае с батареей первичных литиевых элементов) или (как в случае перезаряжаемых литиевых батарей) образуется в процессе зарядки батареи и окисляется до ионов лития в процессе разрядки батареи, то такой электродный слой называется анодным или отрицательным электродным слоем. Другой электрод противоположной полярности называется катодным или положительным электродным слоем. Любой из электроактивных материалов, применяющихся в литиевых батареях, может применяться в электродных слоях для литиевых батарей по настоящему изобретению. Примеры включают (не ограничиваясь) оксид лития с кобальтом, оксид лития с марганцем, литий-железо-фосфат, а также серу в качестве электроактивных материалов для катодных слоев, а в качестве электроактивных материалов для анодных слоев - титанат лития, литий - интеркалированный углерод, литий - интеркалированный графит и металлический литий.
Применительно к настоящему описанию термин «электролит» относится к любому из электролитов, применяемых в литиевых батареях. Перечень пригодных электролитов включает (не ограничиваясь) жидкие электролиты, гелевые полимерные электролиты и твердые полимерные электролиты. Перечень пригодных жидких электролитов включает (не ограничиваясь) растворы LiPF6, в смеси органических растворителей, таких, например, как смесь карбоната этилена, карбоната пропилена и этил-метил карбоната.
На Фиг.1 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) чередующихся слоями пакета сепаратор/катод 10 и пакета сепаратор/анод 20, где участок 12 пакета сепаратор/катод 10 не контактирует с пакетом сепаратор/анод 20. Одна из целей такой компоновки, когда некоторый участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод, например участок пакета сепаратор/катод, сверху или снизу которого нет слоев пакета сепаратор/анод, состоит в том, чтобы образовать область в пакете сепаратор/катод, где индивидуальные слои токового коллектора катода могли быть прямо соединены электрическим соединением друг с другом для более эффективной работы литиевой батареи.
На Фиг.2 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) пакета сепаратор/катод 10 по настоящему изобретению, в котором слой токового коллектора катода 14 расположен между первым катодным слоем 16 и вторым катодным слоем 17, а сепараторный слой 18 расположен на одной стороне первого катодного слоя 16. На Фиг.3 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) пакета сепаратор/анод 20 по настоящему изобретению, в котором слой токового коллектора анода 24 расположен между первым анодным слоем 26 и вторым анодным слоем 27, а сепараторный слой 28 расположен на одной стороне первого анодного слоя 26.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению тот участок пакета сепаратор/катод, который не контактирует с пакетом сепаратор/анод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод, не контактирующими с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/катод и с указанными дополнительными одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод и не находится в электрическом контакте с пакетом сепаратор/анод.
Применительно к настоящему описанию термин «приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами» и «электропроводящие иглы» относится к любой механической конфигурации, которая может соединять электрически два или несколько участков пакета сепаратор/катод, или два или несколько участков пакета сепаратор/анод. Перечень примеров включает (не ограничиваясь) металлические иглы, металлические штыри, металлические зажимы с металлическими выступами для проникновения через множественные слои или без таких выступов, а также металлические винты и все эти металлические детали в комбинации с любыми частями корпуса, имеющего отверстия или конструктивные детали, предназначенные для установки в нужное положение и для фиксации этих металлических соединительных деталей и внешних материалов для электрического соединения. Указанным металлом может быть никель или любой другой электропроводящий металл или неметаллический материал, совместимый и стабильный по отношению к конкретному электродному слою, слою токового коллектора или электролиту.
На Фиг.4 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) приспособления 30 с электропроводящими штырьковыми контактами 32, которое осуществляет электрические соединения между двумя или несколькими участками 12 пакета сепаратор/катод 10, не осуществляя электрического соединения с пакетом сепаратор/анод 20. Электропроводящие иглы 32 в предпочтительном варианте расположены в проемах или отверстиях приспособления 30, проходят сквозь них и зафиксированы ими в нужном положении. Та часть приспособления 30, которая не является электропроводящими штырьковыми контактами, может быть непроводящим пластиковым материалом, который в некоторых случаях (по желанию) может быть интегрирован в корпус батареи, а в альтернативном варианте может быть электропроводящим материалом, например металлом или металлическими частицами в пластиковом материале, что полезно для выполнения электрического подключения батареи к внешней цепи.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению некоторый участок пакета сепаратор/анод не контактирует с пакетом сепаратор/катод. На Фиг.5 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) чередующихся слоями пакета сепаратор/катод 10 и пакета сепаратор/анод 20, где участок 22 пакета сепаратор/анод 20 не контактирует с пакетом сепаратор/катод 10. Аналогично ситуации, описанной выше для пакета сепаратор/катод, одна из целей того, чтобы участок пакета сепаратор/анод не контактировал с пакетом сепаратор/катод (например, участок пакета сепаратор/анод, сверху или снизу которого нет слоев пакета сепаратор/катод), состоит в том, чтобы образовать область пакета сепаратор/анод, где индивидуальные слои токовых коллекторов могли быть прямо связаны электрически друг с другом для более эффективной работы литиевой батареи. В одном варианте воплощения изобретения тот участок пакета сепаратор/анод, который не контактирует с пакетом сепаратор/катод, находится в контакте с одним или несколькими участками пакета сепаратор/анод, не контактирующими с пакетом сепаратор/катод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/анод и с указанными дополнительными одним или несколькими участками пакета сепаратор/анод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/катод. На Фиг.6 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) приспособления 40 с электропроводящими штырьковыми контактами 42, которое осуществляет электрические соединения между участками 22 пакета сепаратор/анод 20, не осуществляя электрического соединения с пакетом сепаратор/катод 10. Электропроводящие иглы 42 в предпочтительном варианте расположены в проемах или отверстиях приспособления 40, проходят сквозь них и зафиксированы ими в нужном положении. Та часть приспособления 40, которая не является электропроводящими штырьковыми контактами, может быть непроводящим пластиковым материалом, который в некоторых случаях (по желанию) может быть интегрирован в корпус батареи, а в альтернативном варианте может быть электропроводящим материалом, например металлом или металлическими частицами в пластиковом материале, что полезно для выполнения электрического подключения батареи к внешней цепи. В одном варианте воплощения изобретения участок пакета сепаратор/катод; который не контактирует с пакетом сепаратор/анод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод, не контактирующими с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/катод и с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/анод. На Фиг.7 показан в качестве примера вид сверху (не в масштабе) чередующихся слоев, где приспособление 30 по Фиг.4 находится в электрическом контакте с участком 12 пакета сепаратор/катод 10 по Фиг.1 и с дополнительными лежащими ниже одним или несколькими участками 12 пакета сепаратор/катод 10, а приспособление 40 по Фиг.6 находится в электрическом контакте с участком 22 пакета сепаратор/анод 20 по Фиг.5 и с дополнительными лежащими ниже одним или несколькими участками 22 пакета сепаратор/анод 20.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора катода нанесен в виде покрытия прямо на первый катодный слой. В одном варианте воплощения изобретения второй катодный слой нанесен прямо на первый слой токового коллектора катода. В одном варианте воплощения изобретения поверхность первого катодного слоя, примыкающего к сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности сепараторного слоя, примыкающего к первому катодному слою, а контур поверхности сепараторного слоя такой же, каким он был до нанесения первого катодного слоя на этот сепараторный слой. В одном варианте воплощения изобретения первый катодный сой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и эти электродные частицы не присутствуют в сепараторном слое, примыкающем к первому катодному слою. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой пакета сепаратор/катод содержит сепараторные частицы, и эти сепараторные частицы не присутствуют в первом катодном слое, примыкающем к сепараторному слою. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора катода в пакете сепаратор/катод содержит алюминиевый слой. В одном варианте воплощения толщина этого алюминиевого слоя составляет менее 3 микрон.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора анода нанесен в виде покрытия прямо на первый анодный слой. В одном варианте воплощения изобретения второй анодный слой нанесен прямо на слой токового коллектора анода. В одном варианте воплощения изобретения поверхность первого анодного слоя, примыкающего к сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности сепараторного слоя, примыкающего к первому анодному слою, а контур поверхности сепараторного слоя такой же, как и был до нанесения первого анодного слоя на сепараторный слой. В одном варианте воплощения изобретения первый анодный сой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и эти электродные частицы не присутствуют в сепараторном слое, примыкающем к первому анодному слою. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой пакета сепаратор/анод содержит сепараторные частицы, и эти сепараторные частицы не присутствуют в первом анодном слое, примыкающем к сепараторному слою. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора анода в пакете сепаратор/анод содержит металлический слой, выбранный из группы, состоящей из медного слоя и никелевого слоя. В одном варианте воплощения толщина этого металлического слоя составляет менее 3 микрон.
В одном варианте конструкции слоев токового коллектора катода и слоев токового коллектора анода для литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора содержит электропроводящий материал, выбранный из группы, состоящей из электропроводящих металлов, электропроводящих углеродов и электропроводящих полимеров. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора содержит два или большее количество слоев, нанесенных прямо на первый катодный или на первый анодный слой, при этом, по меньшей мере, один из этих двух или большего количества слоев содержит электропроводящий материал, содержащий углерод. В одном варианте воплощения изобретения толщина слоя токового коллектора составляет менее 3 микрон.
В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению диаметр пор сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения средний диаметр пор сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения изобретения толщина сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 9 микрон, а предпочтительно - менее 6 микрон. В одном варианте воплощения сепараторный слой содержит пористый слой, содержащий слой ксерогеля или мембрану из ксерогеля, включая (но не ограничиваясь) пористый слой, содержащий алюминиевый бемит. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод содержит сепараторные частицы, выбранные из группы, состоящей из неорганических оксидных частиц, например, таких как оксиды алюминия и алюминиевые бемиты; неорганических нитридных частиц; неорганических карбонатных частиц; неорганических сульфатных частиц и полимерных частиц, таких как шарики из полиолефина или шарики из фторполимера.
Применительно к настоящему описанию термин «слой ксерогеля» означает пористый слой, образованный с помощью процесса образования ксерогеля или золь-гель процесса, состоящего в высушивании коллоидной жидкости золя для получения твердого гелевого материала. Термин «мембрана из ксерогеля» применительно к настоящему описанию означает мембрану, содержащую, по меньшей мере, один слой ксерогеля, при этом поры в слое ксерогеля тянутся непрерывно с одной стороны слоя до другой стороны слоя. Слои из ксерогеля и мембраны из ксерогеля в типичном случае содержат в качестве золь-гель материалов неорганические оксидные материалы, такие как оксиды алюминия, алюминиевые бемиты и оксиды циркония. Примеры подходящих для настоящего изобретения мембран из ксерогеля включают (не ограничиваясь) мембраны из ксерогеля, описанные в Патентах США №№6,153,337 и 6,306,545, принадлежащих Карлсону и др., а также в Патентах США №№6,488,721 и 6,497,780, принадлежащих Карлсону.
Другой аспект настоящего изобретения касается литиевой батареи, содержащей (а) пакет сепаратор/катод, при этом пакет сепаратор/катод содержит слой токового коллектора катода, располагающийся между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого катодного слоя, противоположного слою токового коллектора катода, при этом первый катодный слой нанесен в виде покрытия прямо на слой сепаратора; (б) пакет сепаратор/анод, при этом пакет сепаратор/анод содержит анодный слой и пористый сепараторный слой, располагающийся на одной стороне анодного слоя, при этом первый анодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; и (в) электролит; при этом батарея содержит чередующимися слоями пакет сепаратор/катод и пакет сепаратор/анод. В одном варианте воплощения анодный слой содержит металлический литий. Для некоторых анодных слоев, например таких, которые имеют высокую электропроводность и имеют высокое содержание лития, или сплава лития, или другого электрически активного анодного металла, или металлического сплава, слой токового коллектора анода может и не понадобиться. В таких случаях этап нанесения слоя токового коллектора анода и нанесения второго анодного слоя может быть исключен, и первый анодный слой может наноситься прямо на пористый сепараторный слой. Это нанесение первого анодного слоя можно выполнять путем осаждения из паровой фазы лития или другой металлической композиции анодного слоя, или же с помощью любого другого способа осаждения или нанесения покрытия, известного в области создания металлических анодных слоев для литиевых батарей. В одном варианте воплощения первый и второй катодные слои содержат серу или полисульфид по формуле Sx 2-, где х - целое число от 2 до 8. Примеры литиевых батарей, в которых может быть не нужен слой токового коллектора анода и второй анодный слой, включают батареи системы литий-сера, в которых анод в типичном случае представляет собой слой металлического лития. Если необходимо нанести дополнительные слои на одну или обе стороны анодного слоя из лития или другого металла, то эти слои можно нанести в дополнительных этапах нанесения прямо на сепараторный слой или на металлический анодный слой.
Другой аспект настоящего изобретения касается способа изготовления литиевой батареи, содержащего этапы: (а) нанесения пористого сепараторного слоя на подложку; (б) нанесения первого катодного слоя прямо на первый участок сепараторного слоя; (в) нанесения одного или нескольких слоев токового коллектора катода прямо на первый катодный слой; (г) нанесения второго катодного слоя прямо на указанные один или несколько слоев токового коллектора катода; (д) нанесения первого анодного слоя прямо на второй участок сепараторного слоя; (е) нанесения одного или нескольких слоев токового коллектора анода прямо на первый анодный слой; и (ж) нанесения второго анодного слоя прямо на указанные один или несколько слоев токового коллектора анода. В одном варианте воплощения изобретения после этапа (ж) выполняется следующий этап (з), состоящий в отслаивании подложки от первого и второго участков сепараторного слоя с целью получения пакета сепаратор/катод и сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения после этапа (з) выполняется следующий этап (и), состоящий в поочередном наложении друг на друга пакетов сепаратор/катод и сепаратор/анод с целью получения сухого элемента сепаратор/электроды. В одном варианте воплощения изобретения пакеты сепаратор/катод и сепаратор/анод до этапа поочередного наложения друг на друга имеют листовую конфигурацию.
В одном варианте воплощения способов изготовления литиевой батареи по настоящему изобретению этап (а) представляет собой этап получения пористого сепараторного слоя. В одном варианте воплощения изобретения этап (а) содержит нанесение пористого сепараторного слоя на подложку. В одном варианте воплощения изобретения эта подложка является отделяемой подложкой, и после этапа (г) выполняется следующий этап, состоящий в отслоении подложки от сепараторного слоя для получения как пакета сепаратор/катод, так и пакета сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения подложка в этапе (а) является пористой подложкой, при этом пористый сепараторный слой наносят прямо на пористую подложку. В одном варианте воплощения изобретения эту пористую подложку выбирают из группы, состоящей из пористых полимерных пленок и пористых нетканых подложек из полимерных волокон. Примеры пористой подложки включают (не ограничиваясь) пористые полиэтиленовые пленки и пористые полипропиленовые пленки, например такие, как продающиеся под торговым наименованием CELGARD от компании Polypore, Inc., г.Шарлотт, штат Северная Каролина. В целях минимизации общей толщины сепаратора толщина пористой подложки может составлять от 5 до 12 микрон, а толщина пористого сепараторного слоя, наносимого на эту пористую подложку, может составлять од 2 до 10 микрон. Если такая пористая подложка обладает достаточной механической прочностью, требуемой для участия в процессах на оборудовании нанесения покрытий в качестве пленки, стоящей самостоятельно или с помощью временной отделяемой подкладки, а также обладает свойствами, необходимыми для сепаратора литиевой батареи, то применение пористой подложки на этапе (а) устраняет необходимость последующего этапа отслоения, поскольку эта пористая подложка становится слоем батареи и функционирует как сепаратор. Пористый сепараторный слой, нанесенный прямо на такую пористую подложку имеет дополнительные преимущества, состоящие в предоставлении слоя с очень маленькими порами, предотвращающими проникновение любых частиц из электродного слоя, нанесенного прямо на этот сепараторный слой, а также преимущества, состоящие в создании более безопасного и теплоустойчивого сепаратора со стабильностью размеров при температуре 200°С и выше.
Примеры подходящих сепараторных покрытий для настоящего изобретения включают (не ограничиваясь) сепараторные покрытия, описанные в Патентах США №№6,153,337 и 6,306,545, принадлежащих Карлсону и др., а также в Патентах США №№6,488,721 и 6,497,780, принадлежащих Карлсону. Эти сепараторные покрытия могут наноситься из водной смеси или из смеси, образованной в растворителе, на различные подложки, например такие, как обработанные силиконом пластиковые и бумажные подложки, подложки из полиэфирной пленки, подложки из бумаги с полиолефиновым покрытием, металлические подложки, пористые полиолефиновые подложки, а также пористые нетканые подложки из полимерных волокон. Преимущества нанесения сепаратора на подложку по настоящему изобретению включают (не ограничиваясь): (а) другие слои литиевой батареи можно наносить сверху на этот сепараторный слой покрытия, а затем подложку можно убрать путем отслаивания для того, чтобы получить сухой пакет слоев батареи, (б) сам процесс нанесения сепаратора предоставляет возможность изготовлять более тонкие сепараторы, чем получаемые в типичном процессе экструзии для сепаратора, и (в) нанесенный сепараторный слой может быть нанопористым с диаметрами пор менее 0,1 микрона, являющимися слишком малыми для того, чтобы допустить какое-либо проникновение в сепараторный слой частиц из электродных или других наложенных слоев покрытия. Было установлено, что сепараторные слои даже с диаметром пор до 0,2 микрона предотвращают проникновение в сепараторный слой каких-либо частиц пигментов сажи, обычно применяемых в литиевых батареях.
Электродный слой покрытия можно наносить на всю поверхность сепараторного слоя, или же наносить в виде дорожек или полос на сепараторный слой, или наносить в виде лоскутов или прямоугольников на сепараторный слой, в зависимости от требований по конечному использованию и от конкретного подхода к осуществлению сбора тока из слоев каждого электрода при обеспечении отсутствия короткого замыкания, вызываемого электрическим контактом любых слоев данного электрода со слоями токового коллектора противоположной полярности. Слои катодного покрытия в типичном случае наносят из пигментной дисперсии, содержащей органический растворитель, например н-метил пирролидон (НМЛ), и содержат электроактивный или катодно-активный материал в форме пигмента, проводящий углеродный пигмент и органический полимер. Слои анодного покрытия в типичном случае наносят из пигментной дисперсии, содержащей органический растворитель или воду, и содержат электроактивный или анодно-активный материал в форме пигмента, проводящий углеродный пигмент и органический полимер. Эти электродные пигменты представляют собой частицы с диаметром, в типичном случае превышающем 0,1 микрона и часто находящемся в диапазоне от 0,5 до 5 микрон.
Однако как катодные, так и анодные слои могут наноситься пакетом сепаратор/электроды, и эти пакеты комбинируют для получения сухого элемента сепаратор/электроды. В этом случае сепараторный слой может присутствовать во всех электродных слоях для создания «двойного сепараторного слоя» между катодными и анодными слоями, или, в альтернативном варианте, он может присутствовать на стороне только одного электрода в пакете сепаратор/электроды, как описано в настоящем изобретении.
Для слоя токового коллектора в альтернативном варианте проводящий неметаллический слой, например покрытие из пигмента сажи, известное в области литиевых батарей, можно наносить до и/или после осаждения металлического слоя токового коллектора для того, чтобы получить улучшенный токоприем и эффективность батареи, а также для придания дополнительной механической прочности и гибкости. Металлический слой токового коллектора может быть намного тоньше, чем применяемые в литиевых батареях металлические подложки, типичное значение толщины которых составляет 10-12 микрон. Например, толщина металлического токового коллектора может быть меньше 3 микрон и может составлять приблизительно 1 микрон, например находиться в диапазоне от 0,5 до 1,5 микрона. Это дает возможность поместить в литиевую батарею повышенную долю электроактивного материала, тем самым повышая плотность энергии и плотность мощности этой литиевой батареи. Металлический слой токового коллектора можно наносить с помощью любого известного в отрасли способа нанесения металлических покрытий, например вакуумным осаждением, как в случае алюминиевых слоев.
На Фиг.8 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) пакета сепаратор/катод 50, нанесенного прямо на подложку 52, после этапов (а)-(г). В пакете сепаратор/катод 50 имеется сепараторный слой 18, первый катодный слой 16, второй катодный слой 17 и слой токового коллектора катода 14. На Фиг.9 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) пакета сепаратор/анод 60, нанесенного прямо на подложку 52, после этапов (д)-(ж). В пакете сепаратор/анод 50 имеется сепараторный слой 28, первый анодный слой 26, второй анодный слой 27 и слой токового коллектора анода 24,
Выполнив отслаивание подложки 52 на Фигуре 8 от примыкающего сепараторного слоя 18, получают пакет сепаратор/катод, такой например, как на Фиг.2. В результате отслаивания подложки 52 на Фиг.9 от примыкающего сепараторного слоя 28 получают пакет сепаратор/анод, такой например, как на Фиг.3.
Пакет сепаратор/катод и пакет сепаратор/анод можно обрезать до меньшей ширины и придать им требуемую листовую форму прежде, чем поочередно накладывать их друг на друга для получения сухого элемента батареи с имеющимися в нем такими участками пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод, сверху и снизу которых нет слоев с электродами противоположной полярности, а следовательно, их конфигурация позволяет собирать ток от множества электродных слоев и слоев токовых коллекторов этой же полярности. Кроме того, пакет сепаратор/катод и пакет сепаратор/анод можно обрезать до меньшей ширины и накладывать их друг на друга, смещая друг относительно друга, подобно тому, как делается при изготовлении цилиндрических литиевых батарей путем переплетения полос пластикового сепаратора, катода, пластикового сепаратора и анода различной ширины со смещением по краю друг относительно друга. Для литиевых батарей по настоящему изобретению можно применять любой из способов соединения краев, известных в области литиевых батарей, например прикрепление металлических выводов и осаждение металлических соединительных кромок. Кроме того, на края пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод можно нанести покрытие из электроизолирующих материалов для дополнительной защиты от любого возможного короткого замыкания с электродными слоями и слоями токового коллектора противоположной полярности.
В одном варианте воплощения изобретения после этапа (и) некоторый участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод, а некоторый участок пакета сепаратор/анод не контактирует с пакетом сепаратор/катод, и при этом первое приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами соединяет электрическим соединением два или большее количество участков пакета сепаратор/катод, а второе приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами соединяет электрически два или большее количество участков пакета сепаратор/анод. Пример сухого элемента электрод/сепаратор, полученного в результате, показан на Фиг.7. В одном варианте воплощения изобретения выполняются последующие этапы (1) помещения указанного сухого элемента сепаратор/катод в корпус и (2) заполнения электролитом и герметизации. Пригодные материалы и способы для заключения в корпус, а также способы заполнения электролитом и герметизации включают все известные в отрасли изготовления литиевых батарей. Помещение в корпус помогает предотвратить какую-либо утечку электролита и обеспечить дополнительную механическую защиту. Заполнение электролитом и герметизация превращают сухую батарею в «мокрую» литиевую батарею, готовую для выполнения циклов зарядки-разрядки и для применения потребителями.
Оболочки для литиевых батарей и способы изготовления литиевых батарей по настоящему изобретению можно разработать так, чтобы они способствовали установке в надлежащее положение и совмещению пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод при выполнении этапа их наложения друг на друга, а также установке в надлежащее положение приспособления с.электропроводящими штырьковыми контактами. Например, в одном подходе, предназначенном для изготовления плоских батарей, днище корпуса и четыре угловых столбика, прикрепленных к днищу могут устанавливать в нужной ориентации и удерживать в нужном положении накладывающиеся друг на друга пакеты сепаратор/катод и пакеты сепаратор/анод под прямыми углами друг к другу с небольшим заходом друг за друга у каждого пакета размером приблизительно 4 до 10 мм на каждом краю, расположенном между двумя из этих четырех угловых столбиков. Согласно Фиг.7 эти четыре угловых столбика можно расположить в четырех углах показанного вида сверху для того, чтобы они устанавливали в нужной ориентации и удерживали на месте листы пакетов во время выполнения этапа наложения и до соединения краев приспособлением с электропроводящими штырьковыми контактами. После этого, для того чтобы завершить изготовление батареи, можно, например, крышку корпуса прикрепить к четырем угловым столбикам так, чтобы проемы на краях крышки корпуса совместились с проемами или отверстиями днища корпуса в нужном положении для приема конкретного приспособления с электропроводящими штырьковыми контактами. После выполнения электрических соединений кромок можно прикреплять к корпусу четыре боковых стенки. Эти боковые стенки корпуса для плоской батареи, скорее всего, будут очень короткими по высоте, например менее 10 мм, по сравнению с шириной каждой боковой стороны, например приблизительно от 100 до 200 мм. В корпусе может находиться отверстие для заливки электролита, расположенное в одной из стенок, предпочтительно - в крышке корпуса. После заполнения электролитом это отверстие герметично закрывают, в результате чего «мокрая» батарея готова для выполнения формирующих циклов и проверки перед эксплуатацией потребителем.
Корпус также предоставляет средства для электрического подключения батареи к внешним цепям. Это может быть выполнено различными способами, известными в области изготовления литиевых батарей и корпусов для них. Например, корпус может быть изготовлен из металла, например из алюминия, и представлять собой вывод одного электрода, а металлический контакт, электрически изолированный от этого металлического корпуса, может быть выведен для подключения к внешним цепям снаружи корпуса, как вывод второго электрода. Кроме того, например, корпус может быть пластмассовым, а к приспособлениям с электропроводящими штырьковыми контактами для каждого из электродов может быть открыт доступ снаружи корпуса. Возможно множество других вариантов для подключения выводов. Например, соединение кромок каждого пакета сепаратор/электроды для плоских батарей можно выполнять только на одном краю, а не на двух краях у каждого пакета сепаратор/электроды. Такой подход может еще больше упростить изготовление батареи, обеспечивая в то же время эффективное подключение выводов. Размеры электродов по длине и ширине можно оптимизировать так, чтобы они соответствовали выбранному соединению краев и наружному электрическому подключению. Например, для соединения краев и выполнения наружного электрического соединения только на одной стороне каждого пакета сепаратор/электроды длина этой стороны должна быть намного больше, чем расстояние по ширине до стороны, на которой не выполняются электрические соединения.
В одном варианте воплощения способов изготовления литиевых батарей по настоящему изобретению, по меньшей мере, один из указанных одного или нескольких слоев токового коллектора катода согласно этапу (в) содержит металлический слой, и толщина этого металлического слоя составляет менее 3 микрон. В одном варианте воплощения изобретения, по меньшей мере, один из указанных одного или нескольких слоев токового коллектора анода согласно этапу (е) содержит металлический слой, и толщина этого металлического слоя составляет менее 3 микрон. В одном варианте воплощения изобретения диаметр пор сепараторного слоя составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения средний диаметр пор сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения изобретения толщина сепараторного слоя составляет менее 9 микрон, а предпочтительно - менее 6 микрон. С помощью способов изготовления и конструкции изделия, подобных представленным выше в настоящем описании, можно изготовлять и другие элементы, вырабатывающие электричество, например конденсаторы и батареи, в которых применяются химические элементы, не включающие литий.
1. Литиевая батарея, содержащая:
(a) пакет сепаратор/катод, при этом указанный пакет сепаратор/катод содержит слой катодного токового коллектора, размещенный между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, и пористый сепараторный слой на стороне указанного первого катодного слоя, противоположной указанному слою катодного токового коллектора, и при этом указанный первый катодный слой нанесен непосредственно на указанный сепараторный слой,
(b) пакет сепаратор/анод, при этом указанный пакет сепаратор/анод содержит анодный слой и пористый сепараторный слой на одной стороне указанного анодного слоя, и при этом указанный анодный слой нанесен непосредственно на указанный сепараторный слой, и
(c) электролит,
при этом указанная батарея содержит поочередные слои указанного пакета сепаратор/катод и указанного пакета сепаратор/анод.
2. Батарея по п.1, при этом:
(a) указанный анодный слой содержит металлический литий; или
(b) указанные первый катодный слой и второй катодный слой содержат серу или полисульфид с формулой Sx 2-, где х - целое число от 2 до 8.
3. Батарея по п.1, при этом анодный слой пакета сепаратор/анод представляет собой первый анодный слой, при этом указанный пакет сепаратор/анод содержит слой анодного токового коллектора, размещенный между первым анодным слоем и вторым анодным слоем, и при этом пористый сепараторный слой расположен на стороне указанного первого анодного слоя, противоположной указанному слою анодного токового коллектора.
4. Батарея по п.3, при этом:
(а) указанный слой катодного токового коллектора нанесен непосредственно на указанный первый катодный слой; или
(b) указанный слой катодного токового коллектора нанесен непосредственно на указанный первый катодный слой, а указанный второй катодный слой нанесен непосредственно на указанный слой катодного токового коллектора; или
(c) поверхность указанного первого катодного слоя, примыкающего к указанному сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности указанного сепараторного слоя, примыкающего к указанному первому катодному слою, и при этом указанный контур поверхности указанного сепараторного слоя является таким же, как и до нанесения указанного первого катодного слоя на указанный сепараторный слой; или
(d) указанный первый катодный слой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и при этом указанные электродные частицы не присутствуют в указанном сепараторном слое, примыкающем к указанному первому катодному слою.
5. Батарея по п.3, при этом:
(a) указанный сепараторный слой указанного пакета сепаратор/катод содержит сепараторные частицы, и при этом указанные сепараторные частицы не присутствуют в указанном первом катодном слое; или
(b) указанный сепараторный слой указанного пакета сепаратор/катод содержит сепараторные частицы, выбранные из группы, состоящей из частиц неорганических оксидов, частиц неорганических нитридов, частиц неорганических карбонатов, частиц неорганических сульфатов и частиц полимеров, и при этом указанные сепараторные частицы не присутствуют в указанном первом катодном слое; или
(c) участок указанного пакета сепаратор/катод не находится в контакте с указанным пакетом сепаратор/анод; или
(d) имеются два или более участка пакета сепаратор/катод, которые не находятся в контакте с пакетом сепаратор/анод, при этом два или более из этих участков находятся в контакте,
при этом необязательно приспособление, имеющее электропроводящие штырьковые контакты, находится в электрическом контакте с указанными двумя или более участками и не находится в электрическом контакте с любым участком пакета сепаратор/анод; или
(e) участок указанного пакета сепаратор/анод не находится в контакте с указанным пакетом сепаратор/катод; или
(f) имеются два или более участка пакета сепаратор/анод, которые не находятся в контакте с пакетом сепаратор/катод, при этом два или более из этих участков находятся в контакте,
при этом необязательно приспособление, имеющее электропроводящие штырьковые контакты, находится в электрическом контакте с указанными двумя или более участками и не находится в электрическом контакте с любым участком пакета сепаратор/катод; или
(g) участок указанного пакета сепаратор/анод не находится в контакте с указанным пакетом сепаратор/катод, и при этом участок указанного пакета сепаратор/катод не находится в контакте с указанным пакетом сепаратор/анод и находится в контакте с дополнительными одним или более участками указанного пакета сепаратор/катод, которые не находятся в контакте с указанным пакетом сепаратор/анод,
при этом необязательно приспособление, имеющее электропроводящие штырьковые контакты, находится в электрическом контакте с указанным участком указанного пакета сепаратор/катод и указанными дополнительными одним или более участками указанного пакета сепаратор/катод и не находится в электрическом контакте с любым участком пакета сепаратор/анод.
6. Батарея по п.3, при этом:
(a) указанный слой катодного токового коллектора указанного пакета сепаратор/катод содержит алюминиевый слой; или
(b) указанный слой катодного токового коллектора указанного пакета сепаратор/катод содержит алюминиевый слой, имеющий толщину менее 3 микрон; или
(c) указанный слой анодного токового коллектора указанного пакета сепаратор/анод содержит металлический слой, выбранный из группы, состоящей из медного слоя и никелевого слоя; или
(d) указанный слой анодного токового коллектора указанного пакета сепаратор/анод содержит металлический слой, имеющий толщину менее 3 микрон, причем металлический слой выбран из группы, состоящей из медного слоя и никелевого слоя.
7. Батарея по п.3, при этом указанный сепараторный слой указанного пакета сепаратор/катод или указанный сепараторный слой указанного пакета сепаратор/анод:
(a) содержит поры, имеющие средний диаметр пор менее 0,2 микрона; или
(b) содержит поры, имеющие средний диаметр пор менее 0,1 микрона; или
(c) имеет толщину, которая составляет менее 9 микрон; или
(d) имеет толщину, которая составляет менее 6 микрон; или
(e) содержит ксерогелевую мембрану; или
(f) содержит алюминиевый бемит; или
(g) представляет собой термостойкий сепараторный слой с размерной стабильностью при 200°С.
8. Батарея по п.3, при этом указанный слой катодного токового коллектора указанного пакета сепаратор/катод или указанный слой анодного токового коллектора указанного пакета сепаратор/анод:
(a) содержит электропроводящий материал, выбранный из группы, состоящей из электропроводящих металлов, электропроводящих углеродов и электропроводящих полимеров; или
(b) содержит два или более слоя, нанесенных непосредственно на указанный первый катодный слой, и при этом по меньшей мере один из указанных двух или более слоев содержит электропроводящий материал, содержащий углерод; или
(c) имеет толщину, которая составляет менее 3 микрон.
9. Батарея по п.3, при этом:
(a) указанный слой анодного токового коллектора нанесен непосредственно на указанный первый анодный слой; или
(b) указанный слой анодного токового коллектора нанесен непосредственно на указанный первый анодный слой, а указанный второй анодный слой нанесен непосредственно на указанный слой анодного токового коллектора; или
(c) поверхность указанного первого анодного слоя, примыкающего к указанному сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности указанного сепараторного слоя, примыкающего к указанному первому анодному слою, и при этом указанный контур поверхности указанного сепараторного слоя является таким же, как и до нанесения указанного первого анодного слоя на указанный сепараторный слой; или
(d) указанный первый анодный слой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и при этом указанные электродные частицы не присутствуют в указанном сепараторном слое, примыкающем к указанному первому анодному слою.
10. Батарея по п.3, при этом:
(a) указанный сепараторный слой указанного пакета сепаратор/анод содержит сепараторные частицы, и при этом указанные сепараторные частицы не присутствуют в указанном первом анодном слое; или
(b) указанный сепараторный слой указанного пакета сепаратор/анод содержит сепараторные частицы, выбранные из группы, состоящей из частиц неорганических оксидов, частиц неорганических нитридов, частиц неорганических карбонатов, частиц неорганических сульфатов и частиц полимеров, и при этом указанные сепараторные частицы не присутствуют в указанном первом анодном слое.
11. Способ изготовления литиевой батареи, содержащий этапы:
(a) нанесение пористого сепараторного слоя на подложку;
(b) нанесение первого катодного слоя непосредственно на первый участок указанного сепараторного слоя;
(c) нанесение одного или более слоев катодного токового коллектора непосредственно на указанный первый катодный слой;
(d) нанесение второго катодного слоя непосредственно на указанные один или более слоев катодного токового коллектора;
(e) нанесение первого анодного слоя непосредственно на второй участок указанного сепараторного слоя;
(f) нанесение одного или более слоев анодного токового коллектора непосредственно на указанный первый анодный слой; и
(g) нанесение второго анодного слоя непосредственно на указанные один или более слоев анодного токового коллектора.
12. Способ по п.11, при этом:
(i) после этапа (g) выполняют дополнительный этап (h) отслаивания указанной подложки от указанных первого и второго участков указанного сепараторного слоя для получения пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод; или
(ii) указанные один или более слоев катодного токового коллектора на этапе (с) содержат металлический слой, и толщина указанного металлического слоя составляет менее 3 микрон; или
(iii) указанный сепараторный слой содержит поры, имеющие средний диаметр пор менее 0,1 микрона; или
(iv) толщина указанного сепараторного слоя составляет менее 6 микрон; или
(v) указанные один или более слоев анодного токового коллектора на этапе (f) содержит металлический слой, и толщина указанного металлического слоя составляет менее 3 микрон; или
(vi) подложка на этапе (а) представляет собой пористую подложку, на этапе (d) формируют пакет сепаратор/катод, а на этапе (g) формируют пакет сепаратор/анод, и при этом выполняют дополнительный этап поочередного наложения друг на друга указанного пакета сепаратор/катод с указанным пакетом сепаратор/анод для образования сухого элемента сепаратор/электроды.
13. Способ по п.12, вариант (vi), при этом
(a) указанную пористую подложку выбирают из группы, состоящей из пористых полимерных пленок и пористых нетканых подложек из полимерных волокон; или
(b) участок указанного пакета сепаратор/катод не находится в контакте с указанным пакетом сепаратор/анод, и участок указанного пакета сепаратор/анод не находится в контакте с указанным пакетом сепаратор/катод, и при этом первое приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами электрически соединяет два или более из указанных участков указанного пакета сепаратор/катод, а второе приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами электрически соединяет два или более из указанных участков указанного пакета сепаратор/анод; или
(c) выполняют дополнительные этапы (1) заключения указанного сухого элемента сепаратор/электроды в корпус и (2) заполнения электролитом и герметизации.
14. Способ по п.12, вариант (i), при этом после этапа (h) выполняют дополнительный этап (i) поочередного наложения указанного пакета сепаратор/катод с указанным пакетом сепаратор/анод для образования сухого элемента сепаратор/электроды.
15. Способ по п.14, при этом:
(I) перед указанным этапом (i) поочередного наложения указанный пакет сепаратор/катод и указанный пакет сепаратор/анод находятся в листообразной конфигурации; или
(II) после этапа (i) участок указанного пакета сепаратор/катод не находится в контакте с указанным пакетом сепаратор/анод, и участок указанного пакета сепаратор/анод не находится в контакте с указанным пакетом сепаратор/катод, и при этом первое приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами электрически соединяет два или более из указанных участков указанного пакета сепаратор/катод, а второе приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами электрически соединяет два или более из указанных участков указанного пакета сепаратор/анод; или
(III) выполняют дополнительные этапы (1) заключения указанного сухого элемента сепаратор/электроды в корпус и (2) заполнения электролитом и герметизации.
