一种电池半电池、一种电池及其制造
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及基于作为负极的涂覆聚合物电解质的商用碳纤维的电池半电池 和电池。电池的设计可扩展设计。特别地设想到一种微电池。
[0002] 用于微电池的设计是充分地可扩展的，并且还能被用于更大的电池。
【背景技术】
[0003] 电池或微电池的传统设计是基于由薄膜电极和固体电解质组成的夹层结构的。虽 然这种类型的结构相对容易地使用各种膜形成技术制造，但如果膜被制成太厚的话，由于 利用电极全部深度的可能性有限，会导致区域能量密度低。另一个局限是由固体电解质引 起的，它和电极中的扩散率一起决定了电池的倍率性能。
[0004] 为了克服这些限制，许多替代的设计被提出，都是为了通过形成三维微结构来增 加区域能量和功率密度的目的。在文献中，锯齿状或阶梯状结构的电极以及通过微图案化 技术形成的柱形物都可以找到。这些设计极大增加了暴露表面并且使得区域能量密度显著 增高成为可能。然而，这往往是在相当复杂的制造方法的代价上实现的，且许多的制造方法 在可利用的材料的选择上受到限制。基于活性材料和电解质的同心有序层的圆柱形设计也 分别被提出。从而纤维芯可以充当一个纯集流体或展现存储功能。
[0005] 现有技术文献US 2010/0330419 A1公开了一种用于电池电极的电极纤维，其包括 芯体、壳体和第二壳体，该芯体包括电化学活性材料，该壳体包括隔膜材料和/或围绕该芯 体形成的电解质材料，该第二壳体绕该壳体形成，其与第一活性材料在电化学性上相反。该 芯体和壳体通过使用具有三个同心管的喷嘴的静电纺丝过程形成纤维。该电池电极的一个 缺点是它不能承担机械负载。另一个缺点是由第二壳体提供的绝缘能力低，这可能会导致 电池短路。
[0006] 现有技术文献US2010/0259866 A1公开了一种超电容器，其基于径向纤维涂层的 几何形状形成。碳纤维电极被电解质鞘和导电外护套包围。结构树脂将纤维保持在适当的 地方。在极限情况下，外导电鞘完全取代了该结构树脂。
[0007] 由S.加布里埃尔（S. Gabriel)等人发表在聚合物科学进展（Progress in Polymer Science) 35 (2010) 113-140的现有技术的文献描述了通过丙稀酸单体的阴极电接 枝将合成聚合物化学吸附到各种可包含碳的导电表面。
[0008] 进一步的现有技术文献包括格林哈尔希E. S(Greenhalgh E. S)的《失效分析及 高分子复合材料〉〉（Failure analysis and fractography of polymer composites)，第 114 页，以及奥迪恩 G(0dian G)的聚合原理（Principles of Polymerization)，第二版，第 386-388 页。
【发明内容】
[0009] 本发明的一个目的是消除现有技术中的至少一些缺点，并提供一种电池半电池和 一种电池。
[0010] 在第一方面，提供了一种电池半电池，包括至少一个碳纤维作为负极，所述碳纤维 包括多个层，所述多个层带有具有石墨结构的碳原子，所述多个层具有嵌入金属离子的能 力，所述碳纤维被至少部分地涂覆有至少一个充当离子传导电解质的电绝缘聚合物层，其 中所述电绝缘聚合物层已被施加电驱动的聚合反应，其中所述绝缘聚合物层是用于金属离 子的离子导体，所述绝缘聚合物层具有至少〇. 5MPa的刚度，所述绝缘聚合物层具有至少 lO^Vm的电离子电导率和至少101(lQm的电阻率。这样就会给出一种电池半电池。
[0011] 在一替代实施例中，绝缘聚合物层的电阻率至少是1〇12 Dm。
[0012] 在一个实施例中，该电池半电池还包括作为正极的材料，该材料置于所述电绝缘 聚合物层和离子传导聚合物层之外并与其接触，所述正极材料包括嵌入材料，所述正极材 料与导体接触，该导体适于收集来自正极的电流。这样就给出一种电池。因此在进一步的 方面提供了一种电池。在一个实施例中，在电绝缘聚合物层和离子传导聚合物层之外并与 其接触的正极材料是凝胶。
[0013] 使用电驱动的聚合作用提供了一种电池，其中所述聚合物层可以是电绝缘的，尽 管它很薄。电化学涂层，例如电驱动的聚合反应的一个优点是，当应用充当电解质的电绝缘 聚合物层时，该聚合反应是在所有裸露的碳的表面开始。因而避免了未涂覆点，从而实现涂 层完全或基本上无缺陷。当聚合已取得进展而使聚合物层电绝缘时，聚合反应会自动停止。 本领域技术人员认识到，在电驱动的聚合过程中所应施加的电流必须适应于例如用于聚合 反应、溶剂和其它条件的单体的情况。
[0014] 电驱动的聚合作用是一种电力驱动的聚合反应，即在待涂覆的碳纤维和包含单体 单元的周围溶液之间具有电势。电流流动并驱动聚合反应。
[0015] 通过电驱动的聚合作用可以实现完美涂覆的表面完全不含或基本上不含未经涂 敷的部分。一旦有一个未涂覆点，在电驱动的聚合反应过程中，聚合反应将在未涂覆的裸碳 纤维上开始。否则未涂覆点可能会导致意外短路。因此，可以提供一种电池或电池单元，其 中，尽管使用了非常薄层的聚合物，却能够避免电池的短路。使用一个薄的聚合物层的可能 性同时减少了金属离子必须在其上传输的距离，从而保持足够的离子电导率/迀移率。
[0016] 另外，该方法本身是自我抑制的，其提供了一个坚固的且可靠的电池，消除了在制 造过程中昂贵的测试的需要。同时，电池单元相对较小的尺寸允许可扩展性，其中大量碳纤 维平行排列。电驱动的聚合作用的进一步的优点是，它向被涂覆的碳纤维提供了共价键。
[0017] 该材料是正极，可以或不可以为电池的机械性能提供助益。通过添加合适的材料 或材料的混合物也能够获得具有或不具有某些机械性能的电池。在一个实施例中，纤维被 编织在被正极材料所包围的电池中。这可通过将纳米尺寸的阴极材料和炭黑分散在液体电 解质/粘合剂浆料或锂导电聚合物树脂中，然后引入纤维材料中来实现。另一种选择是在 输注多功能聚合物树脂之前引入使用粘合剂材料的纳米尺寸的颗粒。
[0018] -个优点在于利用了碳纤维。碳纤维被很好地研宄，且它们的制备是公知的和被 理解的。碳纤维是以各种质量市售的。
[0019] 另外的一个优点是独立于电池的所需容量使用相同的设计的可能性。如果需要更 高的区域能量密度，可以将电池简单地制造得较厚，而其它特性保持不变。
[0020] 另外的一个的优点是，电池是可扩展的。存储容量通过增加另一个碳纤维而增加。 本质上，可被安排彼此并排的碳纤维的数量没有上限。
[0021] 另外的一个的优点是，该聚合物层涂覆在碳纤维上，具有至少〇.5MPa的刚度，可 以承载机械负载而不同于液体电解质，因此，使它们比其它可比的电解质更加强健。聚合物 刚度的值与储能模量（E'）相同，并根据以下步骤通过DMTA测定。动态力学分析（DMA)测 试以拉伸模式进行。样本片从来自加工处理的初始样品片切割，这样他们具有7X5X1_ 的几何形状。试样紧固在样品架的夹子中，然后在测量开始前将温度降低到起始温度 (-50°C)并保持10分钟。然后将温度以:TC/min提升至200°C的顶值作为数据被记录。振 荡频率在恒幅10. 〇 ym下保持在1Hz。DMA测量给出储能模量（E'）的值。
[0022] 使用碳纤维还有另一优点是其固有的强度使它们适合用在能够承载机械负载的 结构电池中。这种结构电池可以例如被使用在不同类型的车辆，如电动车中，形成例如底盘 的至少一部分，从而传统的笨重的、体积大、结构上寄生的电池可以更换，提供必需的重量 节省电势。寄生电池是一种对机械负载承载能力没有助益的电池。
[0023] 在本项工作中的提出的电池设计具有几个其他优点。负极材料和正极材料之间的 短距离和大横截面使得能够利用低电导率的电解质而不会产生大的欧姆损耗。而传统的层 状结构导致在至少几十微米的电极距离，以及对应的大欧姆电位降，这里提出的设计没有 这样的限制。
[0024] 只要充当电解质的电绝缘聚合物层可以被应用，该电池的设计还允许或多或少的 自由形成电池。
[0025]如果需要更高的区域能量密度，可以简单地将电池制造得较厚，而其它性质保持 不变，因此仍利用了电极的整个深度和所有活性材料。具有更高的电池电压的电池原则上 可以通过串联多个电池连接在一起来构建。
[0026]又一优点在于，寄生电池部件的重量和体积，如隔膜和集流体，可以保持在最低限 度，并且基本上更高的比能量密度和重量能量密度是可以实现的，甚至比基于相同的活性 材料的传统电池设计更胜一筹。不包括任何昂贵或耗时的制造步骤的制造的便利提供了相 比其他大多数其它微电池的设计的优势。
[0027] 相比常规的电池，使用所提出的设计，隔膜材料的量可显著减小。假定3. 4mg/cm2 的装载密度的活性材料在常规的锂离子电池的负极中，一个20 ym厚的隔膜会使电池单元 的体积增加了 0.