相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年11月2日提交的、标题为“methodsandapparatusesforenergystoragedeviceelectrodefabrication”的美国临时专利申请第62/580920号的权益，其公开内容通过引用全部并入本文。
本发明涉及储能装置，具体地，涉及用于制备储能装置电极的设备和方法。
背景技术：
各种类型的储能装置可用于为电子装置供电，这些储能装置包括例如电容器、电池、电容器-电池混合体以及燃料电池。这样的储能装置可以具有包括一个或多个电极膜的负极和正极。电极膜可包括聚合物粘合剂和一种或多种活性电极组分。储能装置的电性质可取决于粘合剂和活性电极组分的一个或多个性质。可以通过选择用于制备电极膜的粘合剂、活性电极组分和/或工艺的类型来实现储能装置的期望电性质。
然而，储能装置的制备可以引起相当大的成本消耗。特别地，按照规格的电极的制备可需要大量资源。一个困难是在制备之后从电极膜上除去溶剂和其它处理添加剂。在湿电极制备中，溶剂去除可能需要大量的电力和时间，在此期间将占用宝贵的制造资源。由于例如提供了活性材料和粘合剂材料的更均匀分布，改进的制备技术还可以提供性能更好的电极。传统的干电极制备技术避免了这些问题中的一些，但代价是引入本文进一步讨论的其他问题。因此，存在对改进的电极制备技术的需求。
技术实现要素：
一些实施例提供了一种用于形成储能装置电极膜混合物的设备。该设备可包括：第一源，包括聚合物分散体，该聚合物分散体包括聚合物粘合剂和临界或超临界流体，其中，该聚合物粘合剂是储能装置电极膜混合物的第一组分；第二源，包括储能装置电极膜混合物的第二组分；混合器，被配置成接收聚合物分散体和第二组分以形成包括聚合物分散体和第二组分的浆料；以及减压器，被配置成接收并减压该浆料并汽化临界或超临界流体并将干燥的聚合物粘合剂沉积到第二组分上。
另外的实施例提供了一种用于形成储能装置电极膜混合物的方法，方法包括：提供聚合物分散体，该聚合物分散体包括分散在临界或超临界流体中的聚合物粘合剂，其中，该聚合物粘合剂是储能装置电极膜混合物的第一组分；提供储能装置电极膜混合物的第二组分；形成包括聚合物分散体和第二组分的浆料；并且减压浆料以汽化临界或超临界流体并将干燥的聚合物粘合剂沉积到第二组分上。
为了总结本发明和相对于现有技术所获得的优点，本文描述了某些目的和优点。当然，应当理解，不一定需要根据任何特定实施例来实现所有这样的目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，可以以能够实现或优化一个优点或一组优点而不必实现其它目的或优点的方式来实现或执行本发明。
所有这些实施例都旨在落在本文所公开的本发明的范围内。通过参考附图的以下详细描述，这些和其它实施例对于本领域技术人员将变得显而易见，本发明不限于任何特定公开的(一个或多个)实施例。
附图说明
参考某些实施例的附图描述了本公开的这些和其它特征、方面以及优点，这些附图旨在说明某些实施例而不是限制本发明。
图1是包括一个或多个电极膜的储能装置的示意图。
图2是用于形成电极膜混合物的处理的实施例的处理流程图。
图3是用于制备电极膜混合物的设备的实施例的示意图。
具体实施方式
定义
如本文所使用，术语“电池”和“电容器”将赋予本领域普通技术人员其普通和惯常的含义。术语“电池”和“电容器”互不排斥。电容器或电池可指可单独操作或作为多电池系统的组件操作的单个电化学电池。
如本文所使用，储能装置的电压是单个电池或电容器单元的操作电压。在负载下或根据制造公差，电压可以超过额定电压或低于额定电压。
如本文所提供，“自支撑”电极膜是结合足够的粘合剂基质结构以支撑膜或层并维持其形状使得电极膜或层可以是独立的电极膜。当并入储能装置中时，自支撑电极膜或活性层是结合了这样的粘合剂基质结构的电极膜或活性层。尽管可以采用支撑元件促进储能装置的制备工艺，但通常，且取决于所采用的方法，这样的电极膜或活性层足够坚固以用于储能装置的制备工艺，而无需任何外部支撑元件(诸如集电器、支撑网或其它结构)。例如，“自支撑”电极膜可以具有足够的强度以在电极制备工艺内被卷绕、运送以及展开，而无需其它支撑元件。诸如正极电极膜或负极电极膜的干电极膜可以是自支撑的。
如本文所提供，“无溶剂”电极膜是不包含可检测到的加工溶剂、加工溶剂残留物或加工溶剂杂质的电极膜。加工溶剂或传统溶剂包括有机溶剂。诸如正极电极膜或负极电极膜的干电极膜可以是无溶剂的。
“湿”电极或“湿法”电极是通过至少一个步骤制备的电极，该步骤涉及(一种或多种)活性材料、(一种或多种)粘合剂的浆料以及加工溶剂、加工溶剂残留物和/或加工溶剂杂质。湿电极可任选地包括(一种或多种)添加剂。
描述
尽管下面描述了某些实施例和示例，但本领域技术人员将理解，本发明延伸到具体公开的实施例和/或用途及其明显的修改和等同物之外。因此，本文所公开的本发明的范围不应受下面描述的任何特定实施例的限制。
本文提供了用于形成储能装置电极膜混合物的设备和处理。该设备或处理可提供电极膜混合物的可包括聚合物分散体的的第一组分，该聚合物分散体包括临界或超临界流体和聚合物。聚合物可适用于将活性材料粘合在电极膜中。该设备或处理可进一步提供电极膜混合物的可包括电极活性材料的第二组分。该设备或处理可进一步提供混合器，该混合器与被配置成接收聚合物分散体的第一入口和被配置成接收电极膜混合物的第二组分的第二入口流体连通。
与用于形成湿或干电极膜或用于形成这样的膜的原材料的常规设备或处理相比，本文描述的设备或处理可提供一个或多个优点。例如，与使用湿涂覆处理制备的电极膜相比，本文描述的一个或多个设备或处理可促进更厚的电极膜的形成以提供提升的装置能量密度性能。再例如，与其它电极制造设备或处理相比，本文描述的一个或多个设备或处理可降低制造成本。
一些传统的电极膜处理使用在诸如有机溶剂的加工溶剂中混成浆的原料，随后将该原料施加到集电器上，并干燥以形成电极膜。这样的湿电极膜的干燥速率可受到湿涂覆处理中使用的浆料的一种或多种有机溶剂的干燥动力学的影响。电极膜的干燥速率还可以受到电极膜厚度的影响。例如，为了减少或避免干燥缺陷，较厚的电极膜的干燥速率经常被降低。由此，一种或多种有机溶剂的汽化动力学(vaporizationkinetics)可影响用于实现电极膜的期望干燥的干燥步骤的持续时间、和/或用于干燥这样的电极膜的干燥器的物理长度。干燥的持续时间和干燥器的长度可增加制备这样的电极的成本。虽然可期望更厚的电极来提供更高的装置能量密度，但是制造超过一定厚度的电极膜的成本可令人望而却步。例如，用于干燥湿涂覆电极膜的设备的成本可以随着干燥器烤箱的长度增加而不止比例地增加，例如近似指数地增加。本文提供了用于制备储能装置的电极膜而无需使用干燥设备或独立的干燥步骤和/或无需使用电极膜的干燥步骤的设备和方法。在一些实施方式中，在电极膜制备工艺的任何阶段都不使用诸如有机溶剂的传统溶剂或加工溶剂。
传统的干电极膜处理使用干燥的原料，该干燥的原料减少或消除了对诸如上述的湿电极膜处理中所需的干燥器的需要。这样的干电极膜制备处理使用诸如喷射铣削的高剪切设备和处理，以提供足够的剪力以减小粘合剂材料的尺寸和/或使粘合剂材料纤维化。这样的处理可能受限于仅使用可纤维化的粘合剂，或甚至更受限于仅使用诸如聚四氟乙烯(ptfe)的特定的粘合剂。例如，包括诸如ptfe的粘合剂材料和其它电极膜组分的混合物可以被喷射铣削，使得可以提供高剪切力以将粘合剂材料团聚体精细地分离成颗粒和/或使粘合剂材料纤维化，使得粘合剂材料可以涂覆其它电极膜组分。可以使用辊磨机利用热和压力压缩得到的经干燥处理的粉末以形成膜。可以选择诸如通过聚合物粘合剂粘结和粘附到膜的其它组分的成膜处理来为电极膜提供结构。结果可以是，例如，纤维化的基质穿过膜。膜的厚度可取决于辊磨机的辊缝、在压缩处理中施加的压力和/或膜被压缩的次数。干制备处理可以产生纤维化的基质，使得电极膜是自支撑电极膜。
然而，在典型的干电极制备中使用的这样的高剪切处理(high-shearprocess)可能损坏电极膜混合物的一种或多种其它组分。这样的损坏可降低由这些组分形成的电极的性能。例如，使用喷射铣削处理以施加高剪切力以分离粘合剂材料团聚物和/或使粘合剂材料纤维化可能不期望地劣化电极膜混合物的一种或多种其它组分的表面性质。在不希望受到理论限制的情况下，认为在高剪切处理中施加的力可使一种或多种活性材料的形式发生变化，和/或可损坏活性材料的表面。例如，活性材料的颗粒在这样的处理期间可以被破坏、熔化、剥离或发生化学变化。
结合到储能装置电极中的活性材料可以具有涂覆和/或处理过的表面。例如，碳材料(特别是石墨材料)可以由无定形碳涂覆。可替代地或附加地，可对石墨材料进行表面处理以降低在固体电解质膜的形成期间的第一循环的低效，或提高电池循环寿命。例如，电极膜混合物中的碳的一种或多种表面性质可被劣化。表面性质中的这样的劣化可负面地影响储能装置的一种或多种电性质。
在不希望受到理论限制的情况下，认为活性材料表面的组合物影响储能装置内的劣化过程(例如，其中的电解质和杂质的劣化过程)并且还影响固体-电解质膜(sei)层的形成。与具有未处理表面的(一种或多种)活性材料相比，经表面处理的活性材料可以在储能装置电极中表现出更好的性能。更好的性能可归因于例如减少的裂缝形成和/或破裂、减少的(一种或多种)活性材料与集电器的分离、减少的电解质的分解、和/或减少的气体排放。因此，例如，由于提高了电极膜的一种或多种组分的完整性，使用由本文描述的一个或多个处理制成的干电极膜材料而制备的干电极膜可以展示改进的电性质。
本公开提供了在制备期间减少表面损伤的(一种或多种)活性材料的材料和方法。本文所提供的储能装置的某些实施例可以提供处理之后的减少表面损伤的石墨材料。具体地，提供包括这种活性材料的自支撑电极膜。本文描述的一个或多个处理可避免使电极膜组分暴露于高剪切力，从而促进组分的完整性的维持。在一些实施例中，当减少或消除喷射铣削或其它高剪切设备以及相关设备(诸如空气压缩机和/或相关混合器)的使用时，可以减少制造成本。
另外，使用包括高剪切处理的典型干电极制备工艺而制备的电极膜可能受限于使用高剪切力而纤维化的那些粘合剂材料，诸如ptfe。因此，典型的干电极制备工艺可能限制粘合剂的选择，而这些粘合剂继而可能限制在储能装置中使用的材料。作为示例，ptfe粘合剂的使用可导致性能降低、电池寿命减少、或者甚至与某些类型的储能装置中使用的材料不相容，并且可能例如与某些电极膜的一个或多个其它组分不相容。例如，由于ptfe在低电压环境中的潜在反应性，它可能不适合为某些电极膜应用的粘合剂。本文描述的一种或多种处理可与ptfe以外的粘合剂材料相容，从而促进与锂更相容的粘合剂材料的使用以制备用于基于锂离子的储能装置的电极。因此，本文提供了与用作ptfe的替代品或与ptfe组合的粘合剂相容的干电极方法。
在一些实施例中，提供了储能装置电极膜混合物以及用于制备这样的电极膜混合物的处理和设备。电极膜混合物可包括第一组分和第二组分，该第一组分可包括聚合物分散体，该第二组分可包括电极活性材料。在一些实施例中，电极膜混合物包括涂覆有聚合物粘合剂的电极膜组分的颗粒，该电极膜组分是与聚合物不同的材料。例如，聚合物可以是含氟聚合物的聚合物粘合剂。在一些实施例中，含氟聚合物包括ptfe、基本上由ptfe组成、或由ptfe组成。在一些实施例中，电极膜组分可包括微粒材料。在一些实施例中，第二电极膜组分可包括诸如石墨、活性炭、导电碳、软碳和/或硬碳的碳。第二电极膜组分可以是适于用作电池正极活性材料的电化学活性材料。第二电极膜组分可包括由金属氧化物组成的碳复合物。在一些实施例中，第二电极膜组分可包括诸如锂金属氧化物的可嵌入金属氧化物。第二电极膜组分可包括无定形碳。第二电极膜组分可包括诸如石墨碳和非定形碳的两种或多种碳的复合物。电极膜混合物可包括涂覆有ptfe的多个石墨颗粒。术语“涂覆的”可包括聚合物粘合剂的基本连续的膜，该聚合物粘合剂例如通过诱导使聚合物粘合剂聚结并包围第二电极膜组分的偶极相互作用和/或伦敦分散力，来围绕和覆盖每个电极膜组分(例如，诸如石墨的活性材料)颗粒。
在一些实施例中，用于形成本文描述的一种或多种电极膜混合物的设备包括减压器。在一些实施例中，该设备包括：容纳包括临界或超临界流体和聚合物粘合剂的聚合物分散体的第一源、容纳第二电极膜混合物组分的第二源、以及被配置成从第一源接收分散体和从第二源接收第二电极膜混合物组分的混合器。该混合器可以被配置成结合分散体和第二电极膜混合物组分以提供浆料。在一些实施例中，该设备包括被配置为接收浆料的减压器、和被配置为接收减压器的输出的收集容器。在一些实施例中，减压器和收集容器可以是同延(coextensive)的，例如收集容器和减压器可以共享组分。
在一些实施例中，用于制备本文描述的一种或多种电极膜混合物的处理包括：来自第一源的包括聚合物粘合剂和临界或超临界流体的聚合物分散体和来自第二源的第二电极膜混合物组分被提供到混合器中。可以在混合器中形成包括聚合物分散体和第二电极膜混合物组分的浆料。该浆料可被提供给减压器，在减压器中浆料可被减压以汽化浆料的临界或超临界流体部分，诸如超临界二氧化碳。该处理可以沉积干燥的聚合物粘合剂和第二电极膜混合物组分。在一些实施例中，干燥的聚合物粘合剂可以涂覆第二电极膜混合物组分。在一些实施例中，涂覆的第二电极膜混合物组分在收集容器中被接收。
如本文所提供，“分散体”以及包括“聚合物分散体”是包括分散在流体相中的固体或半固体材料的组合物。该材料可以是聚合物(例如本文所提供的聚合物粘合剂)以形成“聚合物分散体”。本文所提供的分散体可以是溶解在流体中的材料的溶液。
在一些实施例中，粘合剂不是ptfe。在进一步的实施例中，聚合物分散体不包括ptfe。
在一些实施例中，本文所描述的一种或多种电极膜混合物可与电极膜混合物的一种或多种其它组分相结合，并随后压延以形成电极膜。其他组分例如可以是第三电极膜混合物组分。第三电极膜混合物组分可以按如本文所述的涂覆处理与电极膜混合物结合。例如，可以将第三电极膜混合物组分添加到包括第一组分和第二组分的电极膜混合物中。可替代地或附加地，第三电极膜混合物组分可以在混合之前与第一组分和/或第二组分结合。作为非限制性示例，第三电极膜混合物组分可以分散在聚合物分散体的临界或超临界流体中。
第三电极膜混合物组分可包括附加的粘合剂材料，该粘合剂材料可以与聚合物分散体中包括的粘合剂材料相同或不同。附加的粘合剂材料可以是本文所提供的任何粘合剂。附加的粘合剂可以是或可包括例如pvdf或cmc。可替代地或附加地，第三电极膜混合物组分可包括例如导电材料或附加活性材料。活性材料可以是本文所描述的任何材料，并且可以是例如碳材料或电化学活性材料。可替代地或附加地，第三电极膜混合物组分可包括导电电极膜材料。
由本文所提供的电极膜混合物形成的电极膜可适用于储能装置的负极或正极。例如，电极膜可以通过使用诸如层压处理而耦接到负极或正极的集电器。本文所描述的电极膜可用于形成储能装置的负极和/或正极，这些储能装置例如为电池、电容器、电容器-电池混合体、燃料电池、其的组合等。储能装置可以利用或不利用锂来进行操作。在一些实施例中，电极膜可用于制备诸如锂离子电池或其它金属离子电池的电池。在一些实施例中，电极膜可用于制备诸如双电层电容器(edlc)的超级电容器。在一些实施例中，电极膜可用于制备锂离子电容器。电极膜可以是本文所提供的自支撑电极膜。
图1示出储能装置100的示例的侧截面示意图。储能装置100可以是任何数量的诸如锂离子电容器、锂离子电池或双电层电容器的储能装置。当然，其它储能装置也在本发明的范围内，并且装置100可以是其它类型的电容器、电池、电容器-电池混合体或燃料电池。储能装置100可以具有第一电极102、第二电极104以及位于第一电极102和第二电极104之间的隔膜106。例如，第一电极102和第二电极104可以放置在邻近隔膜106的相应相反的表面处。第一电极102可包括正极而第二电极104可包括负极，反之亦然。储能装置100可包括电解质以促进储能装置100的电极102、104之间的离子连通。例如，电解质可以与第一电极102、第二电极104和隔膜106接触。可以在储能装置壳体120内容纳电解质、第一电极102、第二电极104以及隔膜106。例如，可以在插入第一电极102、第二电极104以及隔膜106并且用电解质浸渍储能装置100之后密封储能装置壳体120，使得第一电极102、第二电极104、隔膜106以及电解质可被物理地密封以隔开壳体外部环境。
隔膜106可以被配置为使与隔膜106的相反侧邻近的两个电极(诸如第一电极102和第二电极104)电绝缘，同时允许两个邻近电极之间的离子连通。隔膜106可包括多种多孔或非织造电绝缘材料。在一些实施例中，隔膜106可包括聚合物材料。隔膜106可包括聚合物材料的复合物。隔膜106可包括一种或多种聚合物材料与陶瓷和/或金属氧化物的复合物。陶瓷或金属氧化物可以是粉末。例如，隔膜106可包括诸如纸的纤维素材料。隔膜106可包括多孔或非织造聚乙烯(pe)材料。隔膜106可包括诸如多孔聚四氟乙烯材料的聚四氟乙烯材料。隔膜106可包括诸如多孔或非织造聚丙烯(pp)材料的聚丙烯(pp)材料。隔膜106可包括例如在多孔或非织造聚丙烯材料或聚合物材料的复合物上的聚乙烯涂层。
如图1所示，第一电极102和第二电极104可分别包括第一集电器108和第二集电器110。第一集电器108和第二集电器110可以促进相对应的电极和外部电路(未示出)之间的电耦接。第一集电器108和第二集电器110可包括一种或多种导电材料。第一集电器108和第二集电器110可以具有各种形状和/或尺寸。第一集电器108和第二集电器110可以被配置为促进电荷在相对应电极和外部电路之间的转移。例如，第一集电器108可以经由第一连接件126电耦合到诸如电正极端子(electricallypositiveterminal)的第一储能装置端子122。第二集电器110可以经由第二连接件128电耦合到诸如电负极端子(electricallynegativeterminal)的第二储能装置端子124。第一储能装置端子122和第二储能装置端子124可以电耦接到外部电路的各个端子，以将储能装置100耦接到外部电路。
集电器可包括金属材料，诸如包括铝、镍、铜、银、其合金的材料和/或其它金属材料，或非金属材料，诸如在装置的电极电位处保持惰性的石墨。第一集电器108和/或第二集电器110可包括箔。第一集电器108和第二集电器110可以具有矩形或基本矩形形状，并且可以被定尺寸以在相对应的电极和外部电路之间提供期望的电荷转移。储能装置100可包括多个不同配置中的任何一个，以分别通过集电器108、110提供在电极102、104和外部电路之间的所述电连通。例如，所述转移可经由集电器板和/或另一储能装置组分提供。
第一电极102可以在第一集电器108的第一表面上(例如，在第一集电器108的顶表面上)具有第一电极膜112(例如，上电极膜)。第一电极102可以在第一集电器108的第二相反表面上(例如，在第一集电器108的底表面上)具有第二电极膜114(例如，下电极膜)。类似地，第二电极104可以在第二集电器110的第一表面上(例如，在第二集电器110的顶表面上)具有第一电极膜116(例如，上电极膜)。第二电极104可以在第二集电器110的第二相反表面上(例如，在第二集电器110的底表面上)具有第二电极膜118。例如，第二集电器110的第一表面可面向第一集电器108的第二表面，使得隔膜106邻近第一电极102的第二电极膜114和第二电极104的第一电极膜116。
电极膜112、114、116和/或118可以具有各种适合的形状、尺寸和/或厚度。例如，电极膜可以具有约30微米(μm)至约2000微米的厚度，该厚度包括约100微米至约250微米，且进一步包括约30微米至约250微米。电极膜112、114、116和/或118可以具有相对于彼此相同或不同的厚度、组合物和密度。例如，与电极膜116和118相比，电极膜112和114可以具有不同的厚度、组合物或密度。电极膜112、114、116和/或118中的一个或多个可以使用如本文所提供的设备或方法来制备。
在一些实施例中，储能装置的负极和/或正极的电极膜包括电极膜混合物，该电极膜混合物包括诸如聚合物粘合剂材料和一种或多种其它组分的聚合物。聚合物是一般术语并且可包括本文所提供的同质聚物、共聚物以及聚合物的掺合物(admixture)。在一些实施例中，负极和/或正极的电极膜可包括一个或多个活性电极组分。在一些实施例中，活性电极组分是碳基的。在一些实施例中，一个或多个活性电极组分包括诸如活性炭的多孔碳材料。在一些实施例中，一个或多个活性电极组分包括被配置为可逆地嵌入锂离子的碳，诸如石墨、软碳和/或硬碳。在一些实施例中，活性电极组分包括锂金属氧化物。在一些实施例中，负极和/或正极的电极膜可包括一种或多种添加剂，该添加剂包括促导电性或促离子导电性添加剂。在一些实施例中，促导电性添加剂可以是炭黑。在一些实施例中，电极膜混合物包括粘合剂材料、一种或多种活性电极组分和/或一种或多种促导电性添加剂。在一些实施例中，粘合剂材料可包括多种合适的聚合材料中的一种或多种，诸如聚四氟乙烯(ptfe)、超高分子量聚乙烯(uhmwpe)、本文所提供的粘合剂和/或单独或组合使用的其它合适的和任选的可纤维化的材料。在一些实施例中，活性电极组分合并了富锂离子源以用于使负极预锂化，从而有利地降低或消除第一循环的低效。
在一些实施例中，用于将聚合物涂覆到电极膜混合物的一种或多种其它组分上的处理可包括减压处理。例如，可以使用减压处理将ptfe涂覆到电极膜混合物的一种或多种其它组分上。
图2是用于形成电极膜混合物的处理200的实施例的处理流程图。处理200提供了减压方法，用于将诸如聚合物粘合剂的聚合物涂覆到电极膜混合物的一种或多种其它组分上。在框202中，提供了聚合物分散体。聚合物分散体包括流体和分散在流体内的固体或半固体聚合物、基本上由流体和分散在流体内的固体或半固体聚合物组成、或由流体和分散在流体内的固体或半固体聚合物组成。在一些实施例中，流体可包括临界或超临界流体、基本上由临界或超临界流体组成、或由临界或超临界流体组成。在一些实施例中，流体可包括超临界二氧化碳、基本上由超临界二氧化碳组成、或由超临界二氧化碳组成。在一些实施例中，流体不包括诸如有机溶剂的加工溶剂(processingsolvent)。在一些实施例中，聚合物包括适合用作电极膜粘合剂材料的聚合物粘合剂、基本上由适合用作电极膜粘合剂材料的聚合物粘合剂组成、或由适合用作电极膜粘合剂材料的聚合物粘合剂组成。聚合物粘合剂可包括在储能装置的操作期间保持电化学惰性的材料。聚合物粘合剂可以作为细微粒分散在载体流体中、或可以溶解在流体中、或者是分散和溶解的组合。该聚合物粘合剂在与储能活性材料混合时可机械地形成膜。可以使用的其它类型的聚合物包括但不限于热塑性塑料、热固性或弹性体。聚合物可以是两种或多种聚合物的掺合物和/或共聚物。该共聚物可以是接枝共聚物、嵌段共聚物或无规共聚物、或其的组合。
聚合物粘合剂可包括聚四氟乙烯(ptfe)、含氟聚合物、聚烯烃、聚烷(polyalkylene)、聚醚、苯乙烯-丁二烯、聚硅氧烷和聚硅氧烷的共聚物、支化聚醚、聚乙烯醚、其的共聚物和/或其的掺合物。聚合物粘合剂可包括纤维素，例如羧甲基纤维素(cmc)。在一些实施例中，聚烯烃可包括聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚偏氟乙烯(pvdf)、其的共聚物和/或其的混合物。例如，聚合物粘合剂可包括聚氯乙烯、聚(苯基氧化物)(ppo)、聚乙烯嵌段聚(乙二醇)、聚(环氧乙烷)(peo)、聚(苯基氧化物)(ppo)、聚乙烯嵌段聚(乙二醇)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚二甲基硅氧烷-烷基甲基硅氧烷、其的共聚物和/或其的掺合物。在一些实施例中，聚合物粘合剂包括可纤维化的聚合物。
在一些实施例中，聚合物粘合剂可包括ptfe和任选的一种或多种附加聚合物组分。在一些实施例中，聚合物粘合剂可包括一种或多种聚烯烃和/或其的共聚物、以及ptfe。在一些实施例中，聚合物粘合剂可包括ptfe和一种或多种的含氟聚合物、纤维素、聚烯烃、聚醚、聚醚的前体(precursorofpolyether)、聚硅氧烷、其的共聚物和/或其的掺合物。聚合物的掺合物可包括前述聚合物或共聚物的互穿网络。在一些实施例中，聚合物包括ptfe、基本上由ptfe组成、或由ptfe组成。
例如，聚合物分散体可以是聚合物粘合剂的超临界二氧化碳基分散体，该聚合物粘合剂包括ptfe、基本上由ptfe组成、或由ptfe组成。在一些实施例中，聚合物分散体是ptfe在超临界二氧化碳中的溶液。在一些实施例中，聚合物分散体可以是悬浮液。在进一步的实施例中，聚合物分散体可以是溶液。在再进一步的实施例中，聚合物可以不溶解在流体中。
在框204中，提供电极膜混合物的第二组分。在框204中，可以相对于第一电极膜混合物组分分开地提供电极膜混合物的第二电极膜混合物组分。框204可包括将第二组分提供给混合器的第二入口，并且任选地通过第二入口提供给混合器。因此，第一电极膜混合物组分和第二电极膜混合物组分可以保持彼此分离，直到它们在混合器内。通常，第一入口和第二入口分别是第一源和第二源的下游的组分，并且提供与混合器的流体连通。框204可包括在与如框202中提供聚合物分散体的步骤不同的时间(例如，之前)或同时提供第二组分。通常，应当控制聚合物分散体的温度和压力，以便将流体维持在适于分散聚合物的可流动状态。例如，在一些实施例中，流体应是温度和/或压力可控的，以防止相变。在某些实施例中，流体应当是温度和压力可控的，以防止流体形成为气体或固体。在一些实施例中，提供第二组分包括通过螺旋进料器气动地、手动地或者通过被配置为通过第二入口供给微粒材料的另一设备来供给第二组分。
通常，第二组分是与框202的聚合物粘合剂不同的材料。在一些实施例中，第二组分包括颗粒。在一些实施例中，颗粒可以是不含溶剂的干燥颗粒。第二组分可包括活性电极材料、基本上由活性电极材料组成、或由活性电极材料组成。例如，第二组分可包括活性电极材料的干颗粒、基本上由活性电极材料的干颗粒组成、或由活性电极材料的干颗粒组成。在一些实施例中，第二组分包括双电层电容器的正极或负极的活性电极材料、基本上由双电层电容器的正极或负极的活性电极材料组成、或由双电层电容器的正极或负极的活性电极材料组成。在一些实施例中，第二组分包括由锂离子电容器的正极或负极的活性电极材料、基本上由锂离子电容器的正极或负极的活性电极材料组成、或由锂离子电容器的正极或负极的活性电极材料组成。
在一些实施例中，第二组分包括电池(例如锂离子电池)的正极或负极的活性电极材料、基本上由电池(例如锂离子电池)的正极或负极的活性电极材料组成、或由电池(例如锂离子电池)的正极或负极的活性电极材料组成。在一些实施例中，第二组分包括碳、基本上由碳组成、或由碳组成。在一些实施例中，碳可包括石墨、软碳和/或硬碳、基本上由石墨、软碳和/或硬碳组成、或由石墨、软碳和/或硬碳组成。在一些实施例中，碳包括活性碳、基本上由活性碳组成、或由活性碳组成。在一些实施例中，第二组分包括锂金属氧化物、基本上由锂金属氧化物组成、或由锂金属氧化物组成。例如，第二组分可包括负极或正极电池活性材料。
负极活性材料可包括例如插入材料(诸如碳、石墨和/或石墨烯)、合金化/去合金化材料(诸如硅、氧化硅、锡和/或氧化锡)、金属合金或化合物(例如si-al和/或si-sn)、和/或转换材料(例如氧化锰、氧化钼、氧化镍和/或氧化铜)。负极活性材料可以单独或混合使用在一起使用以形成多相材料(例如si-c、sn-c、siox-c、snox-c、si-sn、si-siox、sn-snox、si-siox-c、sn-snox-c、si-sn-c、siox-snox-c、si-snox-sn或sn-siox-snox)。
正极活性材料可包括例如金属氧化物、金属硫化物或锂金属氧化物。锂金属氧化物可以是例如锂镍锰钴氧化物(nmc)、锂锰氧化物(lmo)、磷酸铁锂(lfp)、锂钴氧化物(lco)、钛酸锂和/或锂镍钴铝氧化物(nca)。在一些实施例中，正极活性材料可包括例如层状过渡金属氧化物(诸如licoo2(lco)、li(nimnco)o2(nmc)和/或lini0.8co0.15al0.05o2(nca))、尖晶石锰氧化物(诸如limn2o4(lmo)和/或limn1.5ni0.5o4(lmno))或油状氧化物(oilivine)(例如lifepo4)。正极活性材料可包括硫或含有硫的材料(诸如硫化锂(li2s))，或者其它基于硫的材料或其的混合物。在一些实施例中，正极膜包括硫或含有浓度至少为50wt％的硫活性材料的材料。在一些实施例中，包括硫或含有硫活性材料的材料的正极膜具有至少10mah/cm2的面积容量。在一些实施例中，包括硫或含有硫活性材料的材料的正极膜具有1g/cm3的电极膜密度。在一些实施例中，包括硫或含有硫活性材料的材料的正极膜进一步包括粘合剂。在一些实施例中，包括硫或含有硫活性材料的材料的正极膜的粘合剂选自聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚(环氧乙烷)(peo)、聚乙烯(pe)、聚丙烯酸(paa)、明胶、其它热塑性塑料或其的任意组合。
在框206中，聚合物分散体与第二组分组合以形成浆料。可以形成包括电极膜混合物的聚合物分散体和第二组分的浆料。可以使用适合于形成使聚合物和第二电极组分紧密接触的组合物的任何方法来形成浆料。组合可以在混合器中执行。通常，应当充分组合以提供第二组分和聚合物之间的紧密接触。在某些实施例中，浆料可包括分散在流体中的第二组分的颗粒。例如，浆料可包括作为由临界或超临界流体携带的胶体的第二电极组分、和作为在临界或超临界流体内的溶液的聚合物。聚合物分散体可以供给到混合器，使得聚合物分散体可以分布在混合器内以实现紧密接触。通常，临界或超临界流体在框206的步骤中保持其相。在一些实施例中，浆料不包括诸如有机溶剂的加工溶剂。
在框208中，可以汽化聚合物分散体的流体部分。例如，聚合物分散体的流体部分可以通过充分增加浆料的体积和/或降低浆料的压力来汽化，以提供所述汽化。可以通过以任何充分的方式处理浆料(例如在适当配置的减压器(decompressor)内)而使聚合物分散体的流体部分汽化而提供这样的汽化。因此，浆料可以被减压以汽化临界或超临界流体。例如，分散体的流体部分可以汽化，从而产生干燥的聚合物。在一些实施例中，浆料可由被配置成增加浆料的表面积和/或体积并促进聚合物分散体的流体部分汽化的一种或多种组分来处理。例如，浆料可流过孔口或孔，以增加聚合物分散体的表面积和/或体积并使聚合物分散体分散，以促进聚合物分散体的流体部分的汽化。孔口或孔可被配置成使料浆流到减压器中。因此，孔口可被配置成增加表面积并将聚合物分散体的流体部分扩张到减压器的内部体积中。可以执行料浆的减压，使得料浆的流体经历快速减压。在一些实施例中，可以直接加热或利用加热的流化空气间接加热减压器的一种或多种组分，以控制液滴暴露的温度，使得实现聚合物分散体的流体部分的期望汽化。减压器的压力可低于混合器的压力。可以控制减压器的一种或多种组分的压力和/或(一种或多种)温度，以控制减压器中的流体的扩张。在一些实施例中，减压器的一个或多个侧壁可以被加热。在一些实施例中，孔口可以被加热。聚合物分散体被减压，使得聚合物分散体的流体部分汽化以提供干燥的聚合物。因此，汽化步骤208可包括在将聚合物分散体引入(例如，喷射)到涂覆室中之前、期间和/或之后加热聚合物分散体。汽化聚合物分散体的其他方法包括，例如，直接或间接加热减压器的壁。
作为汽化步骤208的结果，聚合物可以沉积在第二电极混合物组分上，并且形成了干电极膜混合物。在一些实施例中，第二电极膜混合物组分涂覆有聚合物。例如，汽化聚合物分散体的流体部分和将聚合物沉积在第二组分上可以在减压器内同延地执行，使得第二组分可以由干燥的聚合物涂覆。在一些实施例中，涂覆有干燥的聚合物的干燥的第二电极膜混合物组分可以收集在收集容器中，诸如过滤的安全壳(containmentvessel)。
如本文所述，在一些实施例中，聚合物分散体是包括本文所提供的聚合物粘合剂的分散体。如本文所述，在一些实施例中，第二组分包括石墨。在一些实施例中，可以将包括石墨的干颗粒的干粉供给到第二入口，并且石墨可以与聚合物分散体相结合。
在一些实施例中，第二组分的颗粒大于最小尺寸。在一些实施例中，颗粒可具有大于约3微米(μm)的尺寸，诸如直径、长度或最长尺寸。在一些实施例中，第二组分的近似颗粒尺寸可以是约3微米、约4微米、约5微米、约6微米、约7微米、约8微米、约9微米、约10微米、或其间的任何范围的值。在一些实施例中，聚合物可在聚合物分散体中的流体汽化时形成颗粒。在进一步的实施例中，液滴不可大于最大尺寸。在一些实施例中，聚合物颗粒是雾化颗粒。在各种实施例中，聚合物颗粒尺寸可以是例如0.01微米至0.1微米。在一些实施例中，聚合物的近似颗粒尺寸可以是约0.01微米、约0.03微米、约0.05微米、约0.1微米、约0.2微米、约0.3微米、约0.5微米、约0.7微米、约1微米、或其间的任何范围的值。当聚合物是ptfe时，颗粒尺寸通常可为约0.1至0.2微米。孔口可被配置成部分地控制颗粒尺寸。可影响聚合物颗粒尺寸的其它因素包括聚合物在溶液或分散体中的浓度，以及在非溶液分散体的情况下，聚合物颗粒尺寸在其中的浓度。
图3是使用快速减压处理制备电极膜混合物的设备300的另一示例的示意图。例如，可以使用图3的设备300来执行参照图2描述的处理200。设备300可包括聚合物分散体源302，该聚合物分散体源302包括分散在临界或超临界流体中的聚合物。设备300可包括第二电极膜混合物组分源304、混合器306、减压器308以及收集容器310。如图3所示，聚合物分散体源302和第二电极膜混合物组分源304可与混合器306流体连通。例如，来自源302的聚合物分散体和来自源304的第二电极膜混合物组分可由混合器306接收，从而形成浆料。第二电极膜混合物组分可以使用粉末输送方法批量装载到混合器306中，或者基本上连续地通过诸如来自第二源304的第二入口的开口馈送。粉末输送方法可以是例如螺旋进料器。聚合物分散体302可任选地包括附加的混合物组分。附加的混合物组分可以是例如本文所提供的第三电极膜混合物组分。
浆料可在减压器308中经历体积扩张。浆料的临界或超临界流体部分的汽化可作为体积扩张的结果而发生。例如，临界或超临界流体可由减压器308汽化以提供干燥的聚合物和干燥的第二电极膜混合物组分。在一些实施例中，浆料可作为液滴分布在减压器308内，使得聚合物分散体的流体部分可被汽化以提供干燥的聚合物或其的颗粒。在临界或超临界流体汽化后，干燥的聚合物可以涂覆干燥的第二电极膜混合物组分。在一些实施例中，由涂覆有干燥的聚合物的第二电极膜混合物组分可收集在收集容器310中。
在一些实施例中，减压器308和收集容器310可以是同延的。例如，减压器308和收集容器310可以是单个组件或体积。在一些实施例中，减压器308和混合器306可以是同延的。例如，减压器308和混合器306可以是单个组件或体积，在该单个组件或体积中聚合物分散体和第二电极膜混合物组分两者混合，并在公共体积内减压。
在一些实施例中，可以通过使料浆从第一体积穿过孔口进入明显大于第一体积的第二体积而在减压器308中减压料浆，使得临界或超临界流体可以扩张。在一些实施例中，第一体积可包括诸如作为管的导管。在一些实施例中，第二体积可包括收集容器310，该收集容器310可以是例如过滤的安全壳。例如，浆料可以从导管的第一端穿过导管到导管的第二端，其中，第二端耦接到孔口。干燥的聚合物可以在过滤的安全壳内涂覆电极膜混合物的第二组分。
在一些实施例中，本文描述的一种或多种电极膜混合物可与一种或多种其它电极膜组分相结合，并随后压延以形成电极膜。电极膜可以是参考图1描述的一种或多种电极膜。电极膜可并入储能装置中。
附加地，本文设想了图2中的处理和图3中的设备的替代实施例。例如，可以将第二电极膜组分和聚合物分散体(同时或顺序地)单独引入减压室中。可替代地，第二电极膜组分和聚合物分散体的浆料可以与第三电极膜组分分开地引入减压室，以利用聚合物涂覆第二组分和第三组分中的每一个。
尽管本发明已经在某些实施例和示例的上下文中公开，但是本领域技术人员将理解，本发明超出具体公开的实施例以延伸到本发明的其它替代实施例和/或用途以及其的明显的修改和等同物。此外，虽然已经详细示出和描述了本发明的实施例的几个变体，但是基于本公开，在本发明范围内的其它修改对于本领域技术人员将是显而易见的。还可以设想，可以做出实施例的具体特征和方面的各种组合或子组合，并且这些组合或子组合仍落在本发明的范围内。应当理解，所公开的实施例的各种特征和方面可以相互结合或替换，以便形成所公开的发明的实施例的变化模式。因此，本文所公开的本发明的范围不应受上述特定实施例的限制。
本文所提供的标题(如有)仅为方便起见，并不一定影响本文所公开的装置和方法的范围或含义。
1.一种用于形成储能装置电极膜混合物的设备，所述设备包括：
第一源，包括聚合物分散体，其中，所述聚合物分散体包括聚合物粘合剂和临界或超临界流体，并且其中，所述聚合物粘合剂是所述储能装置电极膜混合物的第一组分；
第二源，包括所述储能装置电极膜混合物的第二组分；
混合器，被配置成接收所述聚合物分散体和所述第二组分，并形成包括所述聚合物分散体和所述第二组分的浆料；以及
减压器，被配置成接收和减压所述浆料，并且进一步被配置成汽化所述临界或超临界流体并将干燥的聚合物粘合剂沉积到所述第二组分上。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二组分包括微粒。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二组分包括碳。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二组分包括活性电极材料。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第二组分包括石墨。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第二组分包括电池正极活性材料。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第二组分包括锂金属氧化物。
8.根据权利要求4所述的设备，其中，所述活性电极材料包含硫和含有硫的材料中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流体包括超临界二氧化碳。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述聚合物分散体包括所述聚合物粘合剂在所述流体中的溶液。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述聚合物粘合剂包括聚四氟乙烯(ptfe)。
12.根据权利要求1所述的设备，进一步包括被配置成接收所述干燥的聚合物粘合剂的收集容器。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述收集容器包括过滤的安全壳。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述减压器包括孔口，并且其中，所述减压器被配置成使所述浆料穿过所述孔口以减压所述浆料并汽化所述流体。
15.一种用于形成储能装置电极膜混合物的方法，所述方法包括：
提供包括分散在临界或超临界流体中的聚合物粘合剂的聚合物分散体，其中，所述聚合物粘合剂是所述储能装置电极膜混合物的第一组分；
提供所述储能装置电极膜混合物的第二组分；
形成包括所述聚合物分散体和所述第二组分的浆料；并且
减压所述浆料以汽化所述临界或超临界流体并将干燥的聚合物粘合剂沉积到所述第二组分上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二组分包括微粒。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括利用所述干燥的聚合物粘合剂涂覆所述第二组分。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二组分包括碳。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二组分包括电极活性材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述活性材料包括石墨。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述活性材料包括锂金属氧化物。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述活性材料包含硫和含有硫的材料中的至少一种。
23.根据权利要求15所述的方法，其中，所述聚合物粘合剂包括聚四氟乙烯(ptfe)。
24.根据权利要求15所述的方法，其中，所述流体是超临界二氧化碳。
25.根据权利要求15所述的方法，其中，减压所述浆料包括使所述浆料穿过孔口。
26.根据权利要求15所述的方法，其中，沉积所述聚合物粘合剂包括利用干燥的聚合物粘合剂涂覆所述第二组分。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括在收集容器中接收经涂覆的第二组分。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述收集容器包括过滤的安全壳。
技术总结