层叠的锂硫电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种包含折叠成锯齿状结构的层叠体的锂硫电池。
【背景技术】
[0002]常规的锂硫电池包括:由锂金属或锂金属合金形成的阳极(anode)(负极，negative electrode)，和由元素硫或其它电活性硫材料形成的阴极(cathode)(正极)。含硫或其它电活性硫的材料可以与诸如碳的导电材料混合来提高其导电性。通常，将碳和硫研磨，然后与溶剂和粘合剂混合来形成楽料。将楽料涂覆到集流体(current collector)，然后进行干燥以除去溶剂。将所得的结构压延以形成沉积在集流体上的阴极材料的复合片材，将其切割成所需形状以形成阴极。将电解质涂覆到阴极。然后，将隔膜放置在阴极上，而将锂阳极放置在隔膜上。
[0003]迄今为止，锂硫电池已由包括若干费时步骤的间歇式工艺进行生产。例如，在电池组装之前，阴极材料的复合片材和锂金属或锂金属合金的片材必须被切割成所需形状。尤其是，必须以提供可焊接到接触引线的突出的部分或连接端(tab)的方式对片材进行切割。这能够增加整个工艺的复杂性。而且，在电池组装的已知方法中，阴极、隔膜和负极的单片、预切单片在分批工艺中被放置在彼此之上。这些方法难以实现自动化。
[0004]本发明人已设计出能够以有效且高效的方式进行组装的锂硫电池。本发明人还开发了一种用于制造锂硫电池的有效且高效的方法。
【发明内容】
[0005]在描述本发明的具体实施例之前，应当理解本发明并不限于本文公开的具体的电池、方法或材料。也应当理解，因为保护范围将由权利要求书及其等同物限定，所以本文使用的术语仅用于描述具体的实施例，而并不是用于限定的。
[0006]在本发明描述和要求保护的电池和方法中，将使用下列术语:除非上下文另有明确说明，单数形式“一 (a/an)，，和“所述”包括复数形式。因此，例如，表述“一个负极”包括一个或多个这样的元件。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种包含层叠体的锂硫电化学电池，所述层叠体包括:
[0008]锂阳极，所述锂阳极包括锂金属箔或锂金属合金箔的层；
[0009]阴极，所述阴极包括活性硫材料；
[0010]多孔隔膜，所述多孔隔膜位于所述锂阳极和所述阴极之间；和
[0011]电解质；
[0012]其中:
[0013]所述层叠体被折叠成锯齿状结构;并且
[0014]所述阴极在所述层叠体中相对于所述锂阳极偏离，使得所述阴极能从所述层叠体的一侧接触，而所述锂能从所述层叠体的相对侧接触。
[0015]根据本发明的另一个方面，提供了一种制造锂硫电池的方法，所述方法包括:
[0016]形成以下元件的层叠体:i)锂阳极，所述锂阳极包括锂金属箔或锂金属合金箔的层；ii)多孔隔膜;iii)电解质；和iv)阴极，所述阴极包括活性硫材料，其中，所述隔膜设置在所述锂阳极和所述阴极之间，并且，所述阴极在所述层叠体中相对于所述锂阳极偏离，使得所述阴极从所述层叠体的一侧容易接触，并且，所述锂阳极从所述层叠体的相对侧容易接触;并且
[0017]将所述层叠体折叠成锯齿状结构。
[0018]本发明的电池可以通过将阴极、隔膜和阳极设置成能被层压在一起以形成层叠体的材料的片材或卷带(web)进行组装。因此，有利的是，随着材料的卷带流动(flow)(例如连续的流动)，能够形成层叠体。通过使阴极在层叠体中相对于阳极偏离，阴极能够从层叠体的一侧容易接触，而阳极能够从层叠体的另一侧容易接触。因此，有利的是，阴极和阳极能够从层叠体中容易接触，而没有必要在层压前以任何具体方式切割阳极或阴极。在一个实施方式中，阴极、隔膜和阳极由卷带材料的相应的辊进给。例如，阴极和阳极材料的辊可以相对于彼此偏离，以确保这些组件在所得层叠体中偏离。于是，阴极和阳极能够在垂直于层叠体的纵轴线的方向上相对于彼此偏离。阴极和阳极在垂直于层叠体的纵轴线的方向上的偏离能够促进连续制造层叠体，因为阴极和阳极材料的辊可以方便地在垂直于阴极和阳极材料的流动的方向上偏离(见下文)。本发明的电池的优点是，它能够以连续工艺进行制造。另一个优点是，电池自身能够使用能够方便地自动化的方法进行制造。
[0019]在一个实施方式中，随着材料的卷带，优选随着卷带材料的连续流动，提供包含活性硫材料的阴极。例如，通过使电解质与活性硫材料接触，可将电解质涂覆到阴极。这个接触步骤可以以任何合适的方式进行，例如，通过将电解质喷涂、挤出、浇注和/或铺展到活性硫材料上。在某些实施方式中，例如，随着连续或间歇的喷雾，电解质可被涂覆(例如通过喷涂)到阴极的移动中的卷带。
[0020]在将电解质涂覆到阴极之前或之后(优选之后)，随着卷带材料的流动(例如连续的流动)，多孔隔膜可被涂覆到阴极。一旦电解质被涂覆到阴极，理想的是将它浸入到隔膜的孔中。于是，电解质可以使阴极和隔膜润湿。然后，随着卷带材料的连续流动，可以将锂阳极层压到隔膜上以形成层叠体。优选地，随着卷带材料的流动(例如连续流动)形成所述层叠体，其中，所述锂阳极材料的卷带和所述阴极材料的卷带在垂直于流动方向的方向上相对于彼此偏离。因此，在优选的实施方式中，所述阴极在垂直于所述层叠体的纵轴线的方向上相对于所述阳极偏离。在将层叠体材料切割成预定长度之前或之后，层叠体可以沿其长度(即，沿着层叠体的纵轴线)折叠成锯齿状结构。通过使阳极在垂直于层叠体的纵轴线的方向上相对于阴极偏离，阴极可以从层叠体的一侧容易接触，而阳极可以层叠体的相对侧容易接触。优选地，层叠体在切割之前进行折叠。
[0021]优选地，所述层叠体还包括其它锂阳极和含有电解质的其它多孔隔膜。所述阴极优选设置在锂阳极之间，并且，多孔隔膜设置在所述阴极和各锂阳极之间。在优选的实施方式中，所述锂阳极被设置成两个锂阳极从所述层叠体的相对侧容易接触。例如，锂阳极可以是彼此对齐的。阳极可以在层叠体的相关一侧彼此接触。这可以允许单接触引线用于从电池的阳极供给电流并导出电流。接触引线可被焊接到阳极上。
[0022]在层叠体包括两个锂阳极和两个多孔隔膜时，锂阳极和多孔隔膜可被涂覆到阴极的两侧。在一个实施方式中，阴极包括一个层，所述层包括沉积在集流体的任一侧上的活性硫材料和导电材料的混合物。电解质可被有利地涂覆到集流体的任一侧上的层。在涂覆电解质之前或之后，多孔隔膜可被涂覆到集流体的任一侧。此后，锂阳极可被涂覆到各个隔膜以形成层叠体。如上所述，阴极、隔膜和阳极可被设置成材料的连续卷带。因此，有利的是，能够层叠体形成为连续的卷带。
[0023]如上所述，锂阳极包括锂金属箔或锂金属合金箔的层。锂金属箔或锂金属合金箔的层可以具有20?120μηι的厚度，优选为30?50μηι的厚度。锂金属箔或锂金属合金箔的层最初可设置成与支撑衬底接触。换句话说，阳极最初可被设置成支撑在衬底上的包括锂金属箔或合金箔的层的阳极前体。合适的衬底包括由聚合材料(诸如聚丙烯)形成的那些衬底。在电池的制造过程中，特别是，在层压步骤中，衬底可以用于支撑箔层。优选地，箔简单地与衬底接触而没有粘合。在一个实施方式中，提供了衬底材料的辊或锂金属箔或锂金属合金箔的辊。材料可由这些辊分配，从而随着卷带材料的流动产生阳极前体。这个卷带可以例如以连续的方式进给到层压工艺中。理想地