層疊的鋰硫電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包含折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu)的層疊體的鋰硫電池。
【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)的鋰硫電池包括:由鋰金屬或鋰金屬合金形成的陽(yáng)極(anode)(負(fù)極，negative electrode)，和由元素硫或其它電活性硫材料形成的陰極(cathode)(正極)。含硫或其它電活性硫的材料可以與諸如碳的導(dǎo)電材料混合來(lái)提高其導(dǎo)電性。通常，將碳和硫研磨，然后與溶劑和粘合劑混合來(lái)形成楽料。將楽料涂覆到集流體(current collector)，然后進(jìn)行干燥以除去溶劑。將所得的結(jié)構(gòu)壓延以形成沉積在集流體上的陰極材料的復(fù)合片材，將其切割成所需形狀以形成陰極。將電解質(zhì)涂覆到陰極。然后，將隔膜放置在陰極上，而將鋰陽(yáng)極放置在隔膜上。
[0003]迄今為止，鋰硫電池已由包括若干費(fèi)時(shí)步驟的間歇式工藝進(jìn)行生產(chǎn)。例如，在電池組裝之前，陰極材料的復(fù)合片材和鋰金屬或鋰金屬合金的片材必須被切割成所需形狀。尤其是，必須以提供可焊接到接觸引線的突出的部分或連接端(tab)的方式對(duì)片材進(jìn)行切割。這能夠增加整個(gè)工藝的復(fù)雜性。而且，在電池組裝的已知方法中，陰極、隔膜和負(fù)極的單片、預(yù)切單片在分批工藝中被放置在彼此之上。這些方法難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
[0004]本發(fā)明人已設(shè)計(jì)出能夠以有效且高效的方式進(jìn)行組裝的鋰硫電池。本發(fā)明人還開(kāi)發(fā)了一種用于制造鋰硫電池的有效且高效的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在描述本發(fā)明的具體實(shí)施例之前，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并不限于本文公開(kāi)的具體的電池、方法或材料。也應(yīng)當(dāng)理解，因?yàn)楸Ｗo(hù)范圍將由權(quán)利要求書(shū)及其等同物限定，所以本文使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述具體的實(shí)施例，而并不是用于限定的。
[0006]在本發(fā)明描述和要求保護(hù)的電池和方法中，將使用下列術(shù)語(yǔ):除非上下文另有明確說(shuō)明，單數(shù)形式“一 (a/an)，，和“所述”包括復(fù)數(shù)形式。因此，例如，表述“一個(gè)負(fù)極”包括一個(gè)或多個(gè)這樣的元件。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種包含層疊體的鋰硫電化學(xué)電池，所述層疊體包括:
[0008]鋰陽(yáng)極，所述鋰陽(yáng)極包括鋰金屬箔或鋰金屬合金箔的層；
[0009]陰極，所述陰極包括活性硫材料；
[0010]多孔隔膜，所述多孔隔膜位于所述鋰陽(yáng)極和所述陰極之間；和
[0011]電解質(zhì)；
[0012]其中:
[0013]所述層疊體被折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu);并且
[0014]所述陰極在所述層疊體中相對(duì)于所述鋰陽(yáng)極偏離，使得所述陰極能從所述層疊體的一側(cè)接觸，而所述鋰能從所述層疊體的相對(duì)側(cè)接觸。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種制造鋰硫電池的方法，所述方法包括:
[0016]形成以下元件的層疊體:i)鋰陽(yáng)極，所述鋰陽(yáng)極包括鋰金屬箔或鋰金屬合金箔的層；ii)多孔隔膜;iii)電解質(zhì)；和iv)陰極，所述陰極包括活性硫材料，其中，所述隔膜設(shè)置在所述鋰陽(yáng)極和所述陰極之間，并且，所述陰極在所述層疊體中相對(duì)于所述鋰陽(yáng)極偏離，使得所述陰極從所述層疊體的一側(cè)容易接觸，并且，所述鋰陽(yáng)極從所述層疊體的相對(duì)側(cè)容易接觸;并且
[0017]將所述層疊體折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu)。
[0018]本發(fā)明的電池可以通過(guò)將陰極、隔膜和陽(yáng)極設(shè)置成能被層壓在一起以形成層疊體的材料的片材或卷帶(web)進(jìn)行組裝。因此，有利的是，隨著材料的卷帶流動(dòng)(flow)(例如連續(xù)的流動(dòng))，能夠形成層疊體。通過(guò)使陰極在層疊體中相對(duì)于陽(yáng)極偏離，陰極能夠從層疊體的一側(cè)容易接觸，而陽(yáng)極能夠從層疊體的另一側(cè)容易接觸。因此，有利的是，陰極和陽(yáng)極能夠從層疊體中容易接觸，而沒(méi)有必要在層壓前以任何具體方式切割陽(yáng)極或陰極。在一個(gè)實(shí)施方式中，陰極、隔膜和陽(yáng)極由卷帶材料的相應(yīng)的輥進(jìn)給。例如，陰極和陽(yáng)極材料的輥可以相對(duì)于彼此偏離，以確保這些組件在所得層疊體中偏離。于是，陰極和陽(yáng)極能夠在垂直于層疊體的縱軸線的方向上相對(duì)于彼此偏離。陰極和陽(yáng)極在垂直于層疊體的縱軸線的方向上的偏離能夠促進(jìn)連續(xù)制造層疊體，因?yàn)殛帢O和陽(yáng)極材料的輥可以方便地在垂直于陰極和陽(yáng)極材料的流動(dòng)的方向上偏離(見(jiàn)下文)。本發(fā)明的電池的優(yōu)點(diǎn)是，它能夠以連續(xù)工藝進(jìn)行制造。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，電池自身能夠使用能夠方便地自動(dòng)化的方法進(jìn)行制造。
[0019]在一個(gè)實(shí)施方式中，隨著材料的卷帶，優(yōu)選隨著卷帶材料的連續(xù)流動(dòng)，提供包含活性硫材料的陰極。例如，通過(guò)使電解質(zhì)與活性硫材料接觸，可將電解質(zhì)涂覆到陰極。這個(gè)接觸步驟可以以任何合適的方式進(jìn)行，例如，通過(guò)將電解質(zhì)噴涂、擠出、澆注和/或鋪展到活性硫材料上。在某些實(shí)施方式中，例如，隨著連續(xù)或間歇的噴霧，電解質(zhì)可被涂覆(例如通過(guò)噴涂)到陰極的移動(dòng)中的卷帶。
[0020]在將電解質(zhì)涂覆到陰極之前或之后(優(yōu)選之后)，隨著卷帶材料的流動(dòng)(例如連續(xù)的流動(dòng))，多孔隔膜可被涂覆到陰極。一旦電解質(zhì)被涂覆到陰極，理想的是將它浸入到隔膜的孔中。于是，電解質(zhì)可以使陰極和隔膜潤(rùn)濕。然后，隨著卷帶材料的連續(xù)流動(dòng)，可以將鋰陽(yáng)極層壓到隔膜上以形成層疊體。優(yōu)選地，隨著卷帶材料的流動(dòng)(例如連續(xù)流動(dòng))形成所述層疊體，其中，所述鋰陽(yáng)極材料的卷帶和所述陰極材料的卷帶在垂直于流動(dòng)方向的方向上相對(duì)于彼此偏離。因此，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述陰極在垂直于所述層疊體的縱軸線的方向上相對(duì)于所述陽(yáng)極偏離。在將層疊體材料切割成預(yù)定長(zhǎng)度之前或之后，層疊體可以沿其長(zhǎng)度(即，沿著層疊體的縱軸線)折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)使陽(yáng)極在垂直于層疊體的縱軸線的方向上相對(duì)于陰極偏離，陰極可以從層疊體的一側(cè)容易接觸，而陽(yáng)極可以層疊體的相對(duì)側(cè)容易接觸。優(yōu)選地，層疊體在切割之前進(jìn)行折疊。
[0021]優(yōu)選地，所述層疊體還包括其它鋰陽(yáng)極和含有電解質(zhì)的其它多孔隔膜。所述陰極優(yōu)選設(shè)置在鋰陽(yáng)極之間，并且，多孔隔膜設(shè)置在所述陰極和各鋰陽(yáng)極之間。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述鋰陽(yáng)極被設(shè)置成兩個(gè)鋰陽(yáng)極從所述層疊體的相對(duì)側(cè)容易接觸。例如，鋰陽(yáng)極可以是彼此對(duì)齊的。陽(yáng)極可以在層疊體的相關(guān)一側(cè)彼此接觸。這可以允許單接觸引線用于從電池的陽(yáng)極供給電流并導(dǎo)出電流。接觸引線可被焊接到陽(yáng)極上。
[0022]在層疊體包括兩個(gè)鋰陽(yáng)極和兩個(gè)多孔隔膜時(shí)，鋰陽(yáng)極和多孔隔膜可被涂覆到陰極的兩側(cè)。在一個(gè)實(shí)施方式中，陰極包括一個(gè)層，所述層包括沉積在集流體的任一側(cè)上的活性硫材料和導(dǎo)電材料的混合物。電解質(zhì)可被有利地涂覆到集流體的任一側(cè)上的層。在涂覆電解質(zhì)之前或之后，多孔隔膜可被涂覆到集流體的任一側(cè)。此后，鋰陽(yáng)極可被涂覆到各個(gè)隔膜以形成層疊體。如上所述，陰極、隔膜和陽(yáng)極可被設(shè)置成材料的連續(xù)卷帶。因此，有利的是，能夠?qū)盈B體形成為連續(xù)的卷帶。
[0023]如上所述，鋰陽(yáng)極包括鋰金屬箔或鋰金屬合金箔的層。鋰金屬箔或鋰金屬合金箔的層可以具有20?120μηι的厚度，優(yōu)選為30?50μηι的厚度。鋰金屬箔或鋰金屬合金箔的層最初可設(shè)置成與支撐襯底接觸。換句話說(shuō)，陽(yáng)極最初可被設(shè)置成支撐在襯底上的包括鋰金屬箔或合金箔的層的陽(yáng)極前體。合適的襯底包括由聚合材料(諸如聚丙烯)形成的那些襯底。在電池的制造過(guò)程中，特別是，在層壓步驟中，襯底可以用于支撐箔層。優(yōu)選地，箔簡(jiǎn)單地與襯底接觸而沒(méi)有粘合。在一個(gè)實(shí)施方式中，提供了襯底材料的輥或鋰金屬箔或鋰金屬合金箔的輥。材料可由這些輥分配，從而隨著卷帶材料的流動(dòng)產(chǎn)生陽(yáng)極前體。這個(gè)卷帶可以例如以連續(xù)的方式進(jìn)給到層壓工藝中。理想地