利用大氣等離子體制造鋰二級電池電極制造技術

通過使用大氣等離子體流來攜帶、加熱和引導集流體和電極材料來沉積到薄板基體上，制造鋰離子電化學電池單元和電池的電極構件是更加高效的。導電金屬粒子在等離子體中被加熱并部分熔化并且在相對低溫（小于100攝氏度）下作為活性電極（和參考電極）的集流體膜被沉積到隔板上。接受和釋放電極材料的鋰離子粒子與較少部分的導電金屬相結合用于來等離子體加熱和在集流體層上沉積以用于形成鋰離子電池單元的正電極和負電極。這樣使用大氣等離子體避免了在電極層制造時使用有機結合劑和濕沉積實踐的需求，并且使得能夠沉積較厚的較低應力的活性電極材料層以便實現高電池單元容量和功率。

Fabrication of lithium two stage battery electrode using atmospheric plasma

By using an atmospheric plasma stream to carry, heat, and guide the collector and electrode material onto the substrate of the thin plate, it is more efficient to manufacture lithium ion electrochemical cell units and electrode components of the batteries. The conductive metal particles are heated and partially melted in the plasma and are deposited on the separator as an active electrode (and a reference electrode) at relatively low temperatures (less than 100 degrees Celsius). Accept and lithium ion conductive metal particles and less part of the release of electrode material combination for plasma heating and the positive electrode and the negative electrode deposition layer to set fluid for the formation of lithium ion battery unit. This use of atmospheric plasma to avoid the use of organic binders and wet deposition practice in electrode layer in the manufacture of demand, and the active electrode material layer capable of depositing thick low stress in order to achieve high battery capacity and power unit.

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】利用大氣等離子體制造鋰二級電池電極
本公開涉及用于在電池單元部件的制造中在電池單元構件表面上形成電極材料薄層的方法以及將部件組裝成用于鋰電池（例如鋰離子電池或鋰硫電池）的電池單元。更具體地，本公開涉及在制造這樣的電池單元時在集流體膜、工作電極材料和參考電極材料的層的沉積中使用大氣等離子。
技術介紹
發現鋰離子電池單元組件在機動車輛中提供動力中的應用增加。鋰硫電池單元也是這種應用的候選。電池的每個鋰離子電池單元均能夠基于電池單元中的電極材料的成分和質量提供大約3-4伏特的電勢和直流電。電池單元能夠在多個循環上被放電和再充電。通過以電并聯和串聯連接的組合方式結合適當數量的單個電池單元來組裝電池以用于應用以便滿足用于特定電動馬達的電壓和電流需求。在電動車輛的鋰離子電池應用中，組裝的電池例如包括高達三百個單獨封裝的電池單元，其被電力互連以便提供四十到四百伏特和足夠的電功率至電力牽引馬達以便驅動車輛。電池產生的直流可以被轉換成交流用于更有效率的馬達操作。電池可以被用作電動馬達驅動的電動車輛的唯一動力源或者用作由電動馬達和碳氫燃料發動機的組合提供動力的各種類型混合動力車輛中的貢獻電源。需要降低制造每個鋰離子電化學電池單元的相應元件的成本。在這些機動車輛應用中，每個鋰離子電池單元通常包括負電極層（在電池單元放電期間是陽極）、正電極層（在電池放電期間是陰極）、面對面接觸地插在平行面對的電極層之間的薄多孔隔板層以及液體含鋰電解質溶液，該溶液填充隔板的各孔并且接觸電極層的面對表面以便在重復的電池單元放電和再充電循環期間運輸鋰離子。每個電極被制備成包含一層電極材料，其通常被沉積在金屬集流體薄層上。例如，已經通過將一薄層石墨粒子（其通常混合有導電碳黑）和適當聚合物粘結劑沉積到用作負電極的集流體的薄銅箔的一側或兩側上來形成負電極材料。正電極也包括結合到用作正電極的集流體的薄鋁箔的一薄層的樹脂結合的多孔粒子的鋰金屬氧化物成分。因此，通過使得相應粘結劑和活性粒子材料的混合物分散到適當液體中、將濕混合物作為受控厚度層被沉積到集流體箔的表面上并且將樹脂結合的電極粒子干燥、壓制并固定到其相應集流體表面上來制造相應電極。正和負電極可以被形成在具有適當面積和形狀的集流體板上并且（如果需要的話）被切割并折疊或以其他方式成形以便組裝到具有適當多孔隔板和液體電解質的鋰離子電池單元容器中。不過電極材料的濕混合物的這種處理需要延長時間的制造時間。并且相應活性材料層的厚度（其限制了電池單元的電容量）被限制成最小化了電極材料干燥期間的殘余應力。鋰離子電池單元或者這樣的電池單元構成的組也會需要插入參考電極層或電池單元，構造用于評估電池單元在重復的放電/再充電循環期間的電池單元的性能。參考電極材料可以通過使用導電金屬絲（例如銅）被制備或者通過使用參考電極粒子、導電材料和粘結劑材料的濕分散體被制備。電極材料的濕混合物在集流體箔上的制備和沉積現今被看作是耗時的、電池單元容量受限的并且是昂貴的。已經認識到需要一種制造鋰離子電池的電池單元的電極材料層的更簡單且更有效的實踐方式。
技術實現思路
根據本專利技術的實踐，用于鋰離子電池單元電極結構的材料粒子通過使用大氣等離子體源被沉積并結合到電極結構的選定基體表面上。如本說明書下文進一步描述的，粒子由硅、硅合金、SiOx、鋰硅合金、石墨和鈦酸鋰中的一種或多種構成，其被選擇用作鋰離子電池單元的陽極（負電極）的活性電極材料。粒子被涂覆有或混合有導電金屬，例如鋁、銅、銅合金、錫、錫合金或其他金屬。導電金屬（或導電金屬混雜粒子）涂層被選擇并以一定量被使用以便在大氣等離子體中部分熔化并且使得電極材料粒子結合到鋰離子電池單元的集流體箔或電池單元的多孔隔板層。一旦重新凝固，導電金屬使得多孔層中的電極材料粒子彼此結合并結合到底層集流體基體。導電金屬成分以一定量被使用以便將活性電極材料粒子牢固地結合到作為多孔層的電池單元構件基體，該多孔層能夠被將在組裝的鋰離子電池單元中使用的液體電解質浸潤。通常，可以使用高達活性材料成分的大約百分之三十重量百分比的導電金屬。根據本專利技術的實踐，導電金屬/粒子成分僅由電極的這種活性材料構成，沒有任何液體媒介或有機粘結劑材料。在本專利技術的許多實施例中，負電極材料將被沉積在作為基體的薄銅箔上，并且陽極的材料粒子可以被涂覆有銅或混合有銅粒子。類似地并且單獨地，正電極材料粒子（例如鋰錳氧化物、鋰鎳氧化物和/或鋰鈷氧化物）可以被涂覆有鋁（或混合有鋁粒子）并且通過使用大氣等離子體被沉積在作為集流體基體的薄鋁箔上。具有適當微米大小的電極材料/導體粒子通過重力被供應或輸送（例如）到在大氣等離子體發生器的上游管狀輸送管內流動的氣流中，例如空氣流或氮氣或惰性氣體流。如所述，粒子例如可以由銅涂覆的含硅粒子構成以用于形成鋰離子電池單元的陽極層。或者，銅粒子和含硅粒子的混合物可以被引導到氣流中。粒子分散到氣流中并且被攜帶到等離子體發生器的噴嘴中，在此流動氣體分子通過在噴嘴出口處的適當放電被立即轉變成等離子體。等離子體加熱運動的分散粒子以便軟化并部分熔化金屬導電粒子和/或涂層。大氣等離子體流例如以適當掃掠路徑被引導到基體表面上以便沉積活性電極材料作為粘附到配合的金屬箔基體的導電金屬粘結粒子的多孔層。等離子體和基體中的任一者或兩者可以在沉積活性電極材料期間處于運動中。在過程的許多應用中，層可以以一個或更多個涂覆步驟被沉積，具有高達大約200微米的總均勻厚度。活性電極材料的沉積物的厚度通常取決于電池單元的預期電力產生能力。有時，用于鋰離子電池單元的活性電極材料可以被構造包含兩種或更多種組分。例如，負電極材料可以由硅和其他粒子的混合物構成，并且正電極材料可以包含鋰金屬氧化物復合物。根據本專利技術的實踐，活性電極材料的成分組成可以被輸送到大氣等離子體發生器，使得施加的活性電極材料涂層在其整個厚度上具有均勻成分，或者電極成分在其微米級厚度上變化。在用于制備金屬箔支撐的電極主體的本專利技術實踐中，通常優選的是將電極材料沉積成具有適當孔隙度的層以便在制備組裝的電池單元時被含鋰電解質浸潤。在最終涂層由兩個或更多個等離子體沉積的層構成的情況下，各個層在成分、孔隙度和/或沉積材料形態上可以是不同的。當電極材料適當接觸電解質時電極起作用并且在電池單元循環期間將鋰轉移到每個電極內和從每個電極轉移。大氣等離子體方法也可以被用于在由多孔隔板隔膜支撐的電極層的表面上制備集流體膜。在這種實施例中，銅、鋁、錫或錫合金粒子（例如）可以通過使用所述大氣等離子體被沉積成所需相對低孔隙度的層。在另一實施例中，大氣等離子體可以被用于形成參考電極層以便與鋰離子電池的工作電池單元結合使用。在這種實施例中，等離子體方法被用于將致密銅導體層（例如）沉積到作為基體的薄多孔隔板隔膜的表面上。可移除圖案化掩膜可以被用于限定在隔板上形成薄的窄銅或鋁導體條。例如，導體條可以是大約十微米厚，五至十五微米寬，并且大約五毫米長。在移除掩膜且將金屬導體凸片附接到沉積的金屬之后，被涂覆的隔板可以被放置于操作的電池單元元件層的組件中以用作參考電極。之后鋰金屬從組件中的工作電極被電化學沉積到導體層上以便完成參考電極的形成以跟蹤電池單元組件的性能。大體而言，本專利技術的實踐可以在環境條件下進行而不需預先加熱基體層或被供應到本文檔來自技高網...

【技術保護點】
形成鋰離子電化學電池單元的電極構件的方法，形成的電極構件包括至少兩個結合的板層，所述方法包括：將鋰離子電池單元電極材料的固體粒子添加到流動氣流，固體粒子主要包括以下項：(i)導電金屬粒子或者(ii)結合一定量的導電金屬以用于結合電極材料粒子的鋰離子電池單元電極材料粒子，固體粒子分散到且被攜帶于流動氣流中；在氣流中生成大氣等離子體以便通過等離子體加熱固體粒子并且至少部分熔化導電金屬；以及引導包含被加熱的固體粒子的大氣等離子體到基體的選定表面上，同時使得被引導的等離子體和基體的選定表面中的至少一者相對于另一者移動，以在基體的選定表面區域上將等離子體加熱的固體粒子沉積成預定厚度和孔隙度的板層，導電金屬重新凝固以使得板層中的固體粒子彼此結合并且使得板層結合到基體；基體是鋰離子電化學電池單元的電極構件的板層部分或者鋰離子電化學電池單元的隔板隔膜構件，在基體的選定區域上的被沉積的等離子體加熱的固體粒子的最終板厚度高達大約二百微米并且包括這樣的被沉積的等離子體加熱的固體粒子的一個或更多個板層。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.形成鋰離子電化學電池單元的電極構件的方法，形成的電極構件包括至少兩個結合的板層，所述方法包括：將鋰離子電池單元電極材料的固體粒子添加到流動氣流，固體粒子主要包括以下項：(i)導電金屬粒子或者(ii)結合一定量的導電金屬以用于結合電極材料粒子的鋰離子電池單元電極材料粒子，固體粒子分散到且被攜帶于流動氣流中；在氣流中生成大氣等離子體以便通過等離子體加熱固體粒子并且至少部分熔化導電金屬；以及引導包含被加熱的固體粒子的大氣等離子體到基體的選定表面上，同時使得被引導的等離子體和基體的選定表面中的至少一者相對于另一者移動，以在基體的選定表面區域上將等離子體加熱的固體粒子沉積成預定厚度和孔隙度的板層，導電金屬重新凝固以使得板層中的固體粒子彼此結合并且使得板層結合到基體；基體是鋰離子電化學電池單元的電極構件的板層部分或者鋰離子電化學電池單元的隔板隔膜構件，在基體的選定區域上的被沉積的等離子體加熱的固體粒子的最終板厚度高達大約二百微米并且包括這樣的被沉積的等離子體加熱的固體粒子的一個或更多個板層。2.根據權利要求1所述的方法，其中等離子體相對于基體的選定表面移動以便在結合到基體的表面上的先前沉積的固體粒子層之上沉積至少一個額外的等離子體加熱的固體粒子層。3.根據權利要求2所述的方法，其中至少一個額外的沉積層的成分、孔隙度、形態或厚度不同于先前的沉積層的成分、孔隙度、形態或厚度。4.根據權利要求1所述的方法，其中結合導電金屬的鋰離子電池單元電極材料粒子被沉積在是鋰離子電化學電池單元的電極構件的集流體層的基體上。5.根據權利要求1所述的方法，其中選自由石墨、硅粒子、硅合金粒子、氧化硅粒子、鋰硅粒子、鋰錫粒子和鈦酸鋰粒子構成的組中的至少一種成分的粒子與銅相結合并且被沉積在是鋰離子電化學電池單元的電極構件的銅集流體層的基體上。6.根據權利要求1所述的方法，其中鋰的氧化物和至少一種其他金屬元素的粒子與鋁相結合并且被沉積在是鋰離子電化學電池單元的電極構件的鋁集流體層的基體上。7.根據權利要求1所述的方法，其中銅或鋁的粒子被沉積在是鋰離子電化學電池單元的電極材料層的基體上作為集流體層。8.形成鋰離子電化學電池單元的電極構件的方法，該方法包括：將鋰離子電池單元電極材料的固體粒子添加到流動氣流，固體粒子主要包括結合有導電金屬的鋰離子電池單元電極材料粒子，固體粒子分散到且被攜帶于流動氣流中；在氣流中生成大氣等離子體以通過等離子體加熱固體粒子并且至少部分熔化導電金屬；以及引導大氣等離子體流和被加熱的固體粒子到金屬集流體基體層上，同時使得被引導的等離子體和集流體基體層中的至少一者相對于另一者移動，以在金屬集流體基體層的選定表面區域上將等離子體加熱的固體粒子沉積成預定厚度和孔隙度的板層，導電金屬重新凝固以使得固體粒子彼此結合并且結合到金屬集流體基體層，結合的固體粒子在金屬集流體基體上形成鋰離子電池單元電極材料層，鋰離子電極材料具有高達大約二百微米的厚度。9.根據權利要求8所述的方法，其中除了集流體基體的被成形為電連接到另一鋰離子電池單元構件的任意部分之外，形成的鋰離子電池單元電極材料層的選定表面區域與金屬集流體基體同延。10.根據權利要求8所述的方法，其中等離子體流相對于金屬集流體基體的表面被引導和移動以便在先前沉積的固體粒子層上方沉積至少一個額外的等離子體加熱的固體粒子層。11.根據權利要求10所述的方法，其中至少一個額外的層的成分、形態、孔隙...

【專利技術屬性】
技術研發人員：XQ蓋登，
申請(專利權)人：通用汽車環球科技運作有限責任公司，
類型：發明
國別省市：美國,US