本公开涉及用于包括复合多孔电极的电化学装置的装置和方法。更具体地，所公开的实施例涉及用于电池的多层电极。
背景技术：
随着对化石燃料的依赖性越来越低，环保能源变得越来越重要。大多数非化石燃料能源，如太阳能、风能等，都需要某种储能组件来最大限度地得到利用。因此，电池技术已成为未来能源生产和分配的一个重要方面。与本公开最相关的是，增大了对二次电池(即可充电电池)的需求。这些类型的电池中使用了电极材料和电解质的各种组合，例如铅酸、镍镉(nicad)、镍金属氢化物(nimh)、锂离子(li离子)和锂离子聚合物(li离子聚合物)。
技术实现要素：
本公开提供了与具有界面结构并且适于与电化学储能装置(例如超级电容器、混合电池电容器和二次电池)一同使用的电极有关的系统、设备和方法。二次电池包括目前商业化的技术(如镍镉、锂离子电池)和发展中的技术(如氟离子、镁离子、钠离子、铝离子)。
在一些实施例中，根据本公开的方面的一种电极可以包括：电化学电池电极，其包括集流体基板和层叠在集流体基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：第一层，其包括由第一粘结剂粘合在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径；第二层，其包括由第二粘结剂粘合在一起的多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径；以及将第一层粘附到第二层的界面层，所述界面层包括第一层和第二层之间的非平面边界，使得第一层和第二层相互穿插，并且所述界面层具有介于第一平均粒径和第二平均粒径之间的第三平均粒径；其中，所述非平面边界包括由第一活性材料颗粒形成的多个基本上离散的第一指状部，所述多个基本上离散的第一指状部与由所述第二活性材料颗粒形成的多个基本上离散的第二指状部相互扣紧，每个第一指状部的长度大于第一平均粒径和第二平均粒径中的较小者的约两倍。
在一些实施例中，根据本公开的方面的一种电极可以包括：电化学电池电极，包括集流体基板和层叠在集流体基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：第一层，其包括具有第一粒径分布的多个第一活性材料颗粒；第二层，包括具有第二粒径分布的多个第二活性材料颗粒；以及将第一层粘附到第二层的界面层，所述界面层包括第一层和第二层的非平面的相互穿插的部分，其中，第一层的第一指状部与第二层的第二指状部相互扣紧。
在一些实施例中，根据本公开的方面的一种制造电极的方法可以包括：使用狭缝模具涂布头分配器的第一流体狭缝将第一活性材料复合浆料的第一层施加到箔基板上，其中，所述第一活性材料复合浆料包括多个第一活性材料颗粒和第一粘合剂，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径和第一粘度；以及在所述第一层湿润的情况下，使用所述狭缝模具涂布头分配器的第二狭缝将第二活性材料复合浆料的第二层施加到第一层上，其中，所述第二活性材料复合浆料包括多个第二活性材料颗粒和第二粘合剂，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径和第二粘度；其中，在第一层和第二层之间形成有互穿边界层。
特征、功能和优势可以在本公开的各种实施例中独立实现，或者可以在其他实施例中组合，其更多细节可以参考以下描述和附图。
附图说明
图1为示例性电化学电池的示意性剖面图。
图2为图1的电池的一部分的放大图。
图3为根据本公开各方面的示例性电极部分的示意性侧视图。
图4为根据本公开各方面的另一示例性电极部分的示意性侧视图。
图5为根据本公开各方面的另一示例性电极部分的示意性侧视图。
图6为根据本公开各方面的另一示例性电极部分的示意性侧视图。
图7为在基本上为平面的边界上具有中间壳层的示例性电极部分的剖面图。
图8为根据本教示的具有界面层的示例性电极部分的剖面图。
图9为根据本公开各方面的具有互锁指状部的另一示例性电极部分的示意性侧视图。
图10为根据本公开各方面的具有互锁指状部的另一示例性电极部分的示意性侧视图。
图11为根据本教示的具有带互锁指状部的界面层的示例性电极部分的剖面图。
图12为描述根据本公开各方面的用于制造具有界面层的电极的示例性方法的步骤的流程图。
图13为适于在图12的方法中使用的装置的示意图。
具体实施方式
说明
在下文中描述了并在相关附图中示出了具有界面层的电极以及相关装置和方法的各个方面和示例。除非另有说明，否则具有本文所描述的界面结构和/或其各种组件的电极可以(但不必须)包含本文中描述、示出和/或并入的结构、组件、功能和/或变型中的至少一个。此外，除非明确地排除，否则结合本教示在本文中描述、示出和/或并入的过程步骤、结构、组件、功能和/或变型可以被包括在其它类似的装置和方法中，包括在所公开的实施例之间可互换。以下对各种示例的描述在本质上仅仅是说明性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。另外，下面描述的示例和实施例提供的优点在本质上是说明性的，并且并非所有示例和实施例都提供相同的优点或相同程度的优点。
定义
以下定义在本文中适用，除非另有说明。
“基本上”是指或多或少地符合由该术语修饰的特定尺寸、范围、形状、概念或其他方面，使得特征或组件不需要完全一致。例如，“基本上呈圆柱形”的对象表示该对象类似于圆柱体，但可能与真实圆柱体存在一个或多个偏差。
“包含”、“包括”和“具有”(及其词形变化)可互换使用，表示包括但不一定限于，并且是不旨在排除其他的、未引用的元素或方法步骤的开放式术语。
诸如“第一”、“第二”和“第三”之类的术语用于区分或识别组中的各个构件等，并不旨在表示连续的或数字上的限制。
“耦接”是指永久地或可释放地连接(直接连接或通过中间组件间接连接)。
“二次电池”是指可充电电池，例如，一种可以被充电、通过负载放电并且可以多次充电的电池。
概述
一般而言，本文描述的具有本文描述的界面结构的电极可以包括用于双极装置(例如锂离子电池)中的电极，所述电极包括至少两个具有不同微观结构的区或层。在一些示例中，这些层具有不同的孔隙率、不同的材料化学性质和/或不同的活性材料粒径。在一些示例中，所述电极具有至少一个层，该至少一个层是活性材料化学成分的梯度、粒径的梯度和/或活性材料粒径的多峰分布。如下面进一步描述的，这两个层可以通过界面粘合在一起，界面可以包括两个层之间的非平面过渡区。在一些示例中，所述界面包括较高浓度的粘合剂分子。
具有多个区或层的电极可具有低孔隙率和高孔隙率区域，使得与具有同等载荷或厚度的匀质电极相比，整个电极的能量密度增大。通过包括界面，电极可保持功率密度和耐久性(例如，在电极膨胀和收缩期间保持机械完整性)、电子渗透(即电子连接)、离子传导、抗固体电解质界面(sei)形成和制造成本效益。
电极的厚度可以测量为电极附接到的集流体和电极的相对表面之间的距离，该距离垂直于集流体的平面。所述相对表面(也称为上表面)可以基本上为平面。当电极包含在电池中时，电极的上表面可与隔膜、凝胶电解质或固体电解质配合。在一些示例中，包括本公开的界面的电极的厚度可以在20μm到1mm之间。
示例、组件和替代方案
以下各部分描述具有界面结构的电极的示例性装置以及相关系统和/或方法的选定方面。这些部分中的示例旨在说明，不应被解释为限制本公开的整个范围。每个部分可以包括一个或多个不同的实施例或示例，和/或上下文或相关信息、功能和/或结构。
a.示例性电池
本教示公开了一种新的双极电化学装置(例如，电池或电化学电池)及其包含的电极。例如，本文公开的实施例可以包括或适合于在锂离子电池中使用。
现在参考图1，示出了锂离子电池100，其包括两个电极：负极(也称为阳极102)和正极(也称为阴极104)。可以包括金属箔基板或其它合适基板的集流体106、108电耦接至所述两个电极。集流体使电子流动，从而使电流流入和流出每个电极。电解质110使离子能够在电极102、104之间传输。在本示例中，电解质110是含有溶解离子的液体，有助于电极102和104之间的离子连接。
电解质110一般借助于隔膜112，隔膜112物理地分隔阴极和阳极之间的空间，同时具有液体渗透性，并且使离子在电解质110内和每个电极之间流动。在一些实施方式中，聚合物凝胶或固体离子导体增强或取代隔膜(并执行隔膜的功能)。
电极本身是复合结构，包括活性材料颗粒、粘合剂、导电添加剂和供电解质渗透的孔隙(空隙)。电极组成部分的排列被称为微结构，或者更具体地说，电极微结构。
粘合剂一般是聚合物，例如聚偏二氟乙烯(pvdf)，导电添加剂一般包括纳米尺寸的碳，例如炭黑或石墨。在一些示例中，粘合剂是羧甲基纤维素(cmc)和丁苯橡胶(sbr)的混合物。在一些示例中，导电添加剂包括科琴黑、石墨碳、低维碳(例如碳纳米管)或碳纤维。
活性材料颗粒的化学性质在阳极102和阴极104之间有所不同。例如，阳极可以包括石墨、钛酸盐、二氧化钛、一般过渡金属、第14族元素(例如碳、硅、锡、锗等)、氧化物、硫化物、过渡金属、卤化物和硫族化合物。阴极可以包括过渡金属(例如，镍、钴、锰、铜、锌、钒、铬、铁)，以及它们的氧化物、磷酸盐、亚磷酸盐和硅酸盐。阴极还可以包括碱金属和碱土金属、铝、氧化铝和磷酸铝、以及卤化物和硫族化合物。在电化学装置中，活性材料与工作离子(在锂离子电池中，锂离子是工作离子)一起参与电化学反应或过程，以储存或释放能量。
在本示例中，在锂离子电池运行期间，锂离子在被包含在活性材料颗粒中和被溶解在电解质中之间移动。活性材料的质量除以电极(或电池)的总质量称为活性材料分数(activematerialfraction)。活性材料的体积除以电极(或电池)的总体积称为活性体积分数(activevolumefraction)。
图2示出了电池100的放大部分。在这个示例中，电极是分层的，具有第一层114、第二层116和中间界面层118，这在其他此类电池中不是这样的。下面将进一步详细描述这些结构中的每一个。
b.示例性电极层结构
电池技术存在三个挑战：使装置具有(1)更高的能量密度，(2)更高的功率密度，和(3)比目前可用的装置更低的成本。电化学电池的能量密度和功率密度是电池的物理特性和电化学特性(包括电极、隔膜、集流体和电解质的电化学特性和物理特性)复杂相互作用的结果。
电极是电化学储能装置(例如锂离子电池或超级电容器)的储能组件，通常是由嵌入聚合物粘合剂基质中的活性材料颗粒和导电颗粒构成的复合结构，如上所述。
决定电极电气性能和电化学性能的物理特性包括：活性材料颗粒的平均粒径(如体积)和粒径分布、活性颗粒的形状和形态、电极孔隙率、电极厚度、活性质量分数、电流收集(在电极内部以及从电极到外部电路)的方法和功效。可以广泛地调整这些参数，以降低电极阻抗并提高电池性能。
影响电极能量密度(并从而影响电化学储能装置的能量密度)的主要因素是电极的活性质量载荷。电极的活性质量载荷越大，电极的储能能力越高。因此，提高装置能量密度的第一种策略是使用高活性质量载荷(即高容量)电极。相比于增加非活性成分(例如，集流体、隔膜)的质量(或体积)，该第一种策略通过增大活性材料的质量(或体积)有效地提高了电池的能量密度。通过这种方式可以增大封装电池的活性质量分数(或等效地，增大活性体积分数)。此外，更高的活性质量载荷电极导致每单位能量电池成本的降低。提高能量密度的第二种策略是通过(例如，在给定体积内)密集堆积活性材料颗粒来增加活性材料的分数。
然而，这两种策略都可能产生不期望的结果，从而限制电池在其他方面的性能。例如，在不增大密度的情况下增大活性质量载荷会增大电极的厚度。增大电极的厚度会对功率性能产生不利影响。通常，通过在集流体基板上涂布均匀的单层浆料来制造电池电极。随着电极厚度的增大，离集流体最远的活性材料颗粒与集流体本身之间的距离增大。一个结果是，电子到达离集流体最远的活性材料颗粒所必须走的路径长度增大了。另一个结果是，离子必须从电极外的一个位置移动到靠近集流体的活性材料颗粒的路径也增大了。因此，增加电极厚度会导致欧姆电阻增大以及电极厚度方向上的离子电导率的降低。由于电极的功率密度与电极和电解质之间的离子和电子传输有关，因此这些电导率的降低会降低功率密度，从而导致电池的电极厚度和功率密度之间成反比关系。
类似地，当活性材料颗粒的堆积密度增加时，会观察到不利影响。例如，堆积密度增加可以减小电极中的空隙，从而导致空隙的连接网络较少。因此，与离子在更多孔电极中采用的路径长度相比，离子到达给定活性材料颗粒表面所必须采取的路径长度可能更曲折(因此更长)。这样，增大堆积密度可能会降低电极内的离子电导率，从而对功率密度产生不利影响。
此外，在典型示例中，活性材料的密度和微观结构的孔隙率在整个电极中是均匀的。通过将活性材料颗粒紧密地堆积在一起和/或使电极非常厚，当装置以很快的速率运行(例如快速充电或放电)时，在复合电极孔隙内可能形成锂离子的浓度梯度。这种现象被称为极化，其限制了装置的速率性能(从而限制了功率密度)。基于所有这些考虑，在设计电池时，通常会在能量密度和功率密度之间进行明显的权衡。
对于大多数当前应用而言，电池电极的最大厚度通常限于100微米。将此最大厚度增大到200微米或更大，可以理解为将体积和重量能量密度提高多达35％。增大电极厚度和/或电极密度也被认为对电池制造、封装和从消费电子产品到运输和电网存储的多种应用中的最终用途的经济性有重大影响。设计一种具有减轻或克服能量密度和功率之间的权衡的结构的电极是非常有利的。
虽然已经取得了很大的进步，但现有的解决方案在解决这些问题方面存在不足之处。为了至少部分地解决这些挑战，已经提出了具有非均匀微观结构的电极。在一个示例中，电极包括至少两个具有不同微观结构(例如，不同活性材料、孔隙率、粒径分布)的层。这些层还可以包括层上微观结构的连续变化。然而，涉及界面的形成和特性的解决方案在很大程度上被忽略了。
储能装置在电极容量极限的苛刻条件下的运行需要承受电池电极充放电过程中体积扩张(膨胀)和收缩引起的应力。这导致了四个相互关联的挑战。在第一种情况下，必须保持电极的机械完整性(相干性)，以使第一电极层和第二电极层保持彼此附接(即机械稳定)。在第二种情况下，第一层和第二层必须保持电子连接(渗透)，使电子从第一层流向第二层，或者使电子从第二层流向第一层。在第三种情况下，各层之间的界面不应阻碍或抑制离子的流动，否则在各层之间会产生电解质极化。在第四种情况下，特别是对于阳极，各层之间的界面不应形成致密化增加的区域，其会导致在各层之间的界面处形成固体电解质界面(sei)，随后堵塞孔隙并诱发锂析出(plating)。这些问题对通过控制两个离散层之间的匹配来制备高性能的多层电极提出了重大挑战。
本公开提供了用于在不降低功率密度的情况下实现非均匀(例如梯度)电极微观结构，从而增加能量密度的结构和装置。图3示意性地描绘了包括两个活性材料复合区或层302和304的示例性电极部分300。活性材料复合层可以是相邻的层，每一层都位于与附接有电极的集流体大体平行的平面上。垂直于集流体的平面可以位于以320所指示的方向上，使得活性材料复合层302、304大体平行于第二方向322以及进出绘图页的方向。
在本示例中，第一活性材料复合层302离集流体较远且离隔膜较近，第二活性材料复合层304离集流体较近且离隔膜较远。第一活性材料复合层302包括多个第一活性材料颗粒340、粘合剂342和导电添加剂。第二活性材料复合层304包括多个第二活性材料颗粒350、粘合剂352和导电添加剂。粘合剂342和352在类型或浓度上可以相同或不同。第一和第二导电添加剂在类型和/或浓度上可以相同或不同。
界面310穿透并粘合两个活性材料复合层302和304。第一活性材料颗粒340包括许多颗粒，这些颗粒具有不同体积并形成第一粒径分布。第二活性材料颗粒350包括许多颗粒，这些颗粒具有不同体积并形成第二粒径分布。第一粒径分布和第二粒径分布可以基本上相同或不同。一个或两个分布可以是单峰分布或多峰分布。第一和第二活性材料颗粒可以具有基本相同或不同的平均表面积，或者可以具有模式基本相同或不同的表面积分布。通常，第一多个活性材料颗粒340和第二多个活性材料颗粒350在化学成分、类型或形态上可以相同或不同。
界面310可以包括第一和第二活性材料颗粒的混合物，其中第一活性材料颗粒的浓度增大，或者它可以包括浓度增加的第二活性材料颗粒。界面310可以具有与第一层或第二层相同的成分，或者可以具有第一层和第二层成分的混合的成分。
与第一复合区302和/或第二复合区304相比，本示例中的界面310包括浓度增大的粘合剂分子312。在一些示例中，与第一复合区302和/或第二复合区304相比，界面310包括浓度增大的导电添加剂分子和导电添加剂颗粒。例如，界面310可以包括炭黑、石墨碳、非晶碳、低维碳纳米结构(例如石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、巴基球)、过渡金属和类金属颗粒及络合物，和/或类似物。
此外，这些添加剂可以包括传导锂以改善第一区302和第二区304之间的离子传导的化学基团、官能团、部分或残基。这些添加剂可以包括传导电子以改善第一区和第二区之间的电子传导的化学基团、官能团、部分或残基。在进一步的示例中，第一活性材料颗粒的第一功函数可以与第二活性材料颗粒的第二功函数在实质上不同。
在该示例中，界面310可以包括具有介于第一功函数和第二功函数之间的第三功函数的导电添加剂。因此，界面310可以降低第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒之间的电阻抗。在一些示例中，与第一复合区302和/或第二复合区304相比，界面310包括浓度增大的粘合剂和浓度增大的导电添加剂。为了本公开的目的，粘合剂可以包括本领域中通常已知的那些粘合剂(例如pvdf、cmc、sbr)和其他长链聚合物化学物质，以及聚合物和其他长链分子的组合和排列，和/或诸如此类。
在一个示例中，电极部分300是锂离子电池中包括的阴极的一部分。在该示例中，在锂离子电池充电期间，第一活性材料颗粒340和第二活性材料颗粒350发生去锂化。在此过程中，活性材料颗粒可能收缩，导致电极部分300(以及整个电极)收缩。相反，在电池放电过程中，活性材料颗粒发生锂化和膨胀，导致电极部分300和整个电极膨胀。
在替代示例中，电极部分300是锂离子电池中包括的阳极的一部分。在本示例中，在锂离子电池充电期间，第一活性材料颗粒340和第二活性材料颗粒350发生锂化。在此过程中，活性材料颗粒可能膨胀，导致电极部分300(以及整个电极)膨胀。相反，在电池放电过程中，活性材料颗粒340和350发生去锂化和收缩，导致电极收缩。
在上述任一示例中，在膨胀和收缩期间，电极部分300可保持相干性，并且第一电极区和第二电极区保持由界面310粘合。一般而言，粘合剂和/或导电添加剂的浓度相对于第一和/或第二电极区302和304中这些成分的浓度增大，起到将这两个区粘合在一起的作用。
在一些示例中，界面310可以包括电解质缓冲层。在一个示例中，粘合剂或添加剂分子包含在具有多孔结构的界面310中，使得其容易吸附电解质溶剂和/或离子。在另一示例中，界面310中包括大量的官能团化分子(例如粘合剂或添加剂)，其中官能团化分子包括基团、部分或残基，所述基团、部分或残基与电解质溶剂或离子相互作用以改善电解质进入或离开第一区302、第二区304或界面310中的至少一个的传输。
图4示意性地描绘了另一示例性电极部分400。在本示例中，第一区或层402中的多个第一颗粒440的体积分布的平均值小于第二区或层404中的多个第二颗粒450的平均体积(即，平均粒径较小)。在一些示例中，第一颗粒440的总表面积大于第二颗粒450的总表面积。大体上垂直于集流体的平面可以位于方向420上，使得平行于集流体的平面包括平行于第二方向422的线以及平行于进出绘图页的线。
在一些示例中，第一颗粒440可以离集流体较远且离隔膜较近，第二颗粒450可能离集流体较近且离隔膜较远。在其他示例中，情况恰恰相反。第一颗粒440和第二颗粒450的在界面层410中相互穿插并粘合在一起。
在本示例中，由于第一颗粒和第二颗粒之间的体积差异，界面410内的第一颗粒440和第二颗粒450之间发生机械互锁。机械互锁提高了电极部分400的粘聚力。这样，在活性材料颗粒440和450的锂化和去锂化期间，界面410机械地稳定了电极部分400(以及整个电极)。
图5示意性地描绘了另一示例性电极部分500。图5为剖视图，使得方向520基本上垂直于集流体和/或隔膜，并且方向522基本上平行于集流体和/或隔膜。电极部分500包括第一区或层502中的多个第一活性颗粒540和第二区或层504中的多个第二活性颗粒550，以及界面510。界面510在方向520上的厚度512可以小于8微米。在其他示例中，厚度512可以是：小于10微米；小于20微米；小于40微米；小于60微米；和/或小于80微米。
在本示例中，(沿着方向520)更接近第一颗粒540的第二颗粒550之间(在方向522上)的平均距离552大于(沿着方向520)远离第一颗粒布置的第二颗粒550之间的平均距离558。另外，朝向第一颗粒的第二颗粒之间(在方向520上)的平均距离554大于那些远离第一颗粒布置的第二颗粒之间(在方向522上)的平均距离556。在本示例中，第一颗粒540之间的平均距离542基本上与平均距离552相似。
本示例的结构可由形成电极的方法(类似于下文关于图12讨论的方法)产生，该方法包括将复合物的第二层涂布到复合物的第一层上。在本示例中，在涂布第二层之前，第一层的孔隙率基本上是均匀的。由于涂布第二层，来自第二层涂布层的溶剂穿透第一层并在第一层内引起膨胀。结果，对于排列在最靠近第二层的部分活性材料颗粒，第一层内包含的多个活性材料颗粒之间的平均距离增加。
图6示意性地描绘了另一示例性电极部分600。与上述示例一样，电极部分600包括位于第一区或层602中的多个第一活性颗粒640和位于第二区或层604中的多个第二活性颗粒650、以及界面610。在该示例中，电极部分600还包括多个第三活性材料颗粒660。颗粒660是第二颗粒的子集。这里，与第二颗粒650的其余部分相比，颗粒660在例如压延过程中已经被压缩，并具有变形的形状。这层被挤压或压平的活性材料形成一个平面边界，可以称为“壳”。在许多情况下，这种边界可能是不可取的。例如，该壳可以减少两种颗粒类型的相互穿插或混合，使得界面层的作用减弱。图7为有两个这样的壳的电极700的剖面图。电极700包括具有第一颗粒704的第一层702和具有第二颗粒708的第二层706，第一层702和第二层706位于底部的集流体710和顶部的隔膜712之间。如图7所示，第二颗粒708已被压制或压延，在两层之间的清晰平面边界处形成壳714。第一颗粒和隔膜之间的边界处存在第二壳716，在此处，电极层作为一个整体被压延以准备粘附在隔膜上。如本公开全文中所解释的，这种类型的电极可能不足以承受两个活性材料复合层之间的机械完整性、电子渗透、离子传导和sei形成的挑战。
图8为类似于电极部分400或500的示例性电极部分800的剖面图。在此示例中，活性材料802已经被层叠到集流体基板804上。活性材料包括第一层806，该第一层806包括由第一粘合剂粘合在一起的多个第一活性材料颗粒808。第一颗粒具有第一平均粒径。活性材料802还包括第二层810，该第二层810包括由第二粘合剂粘合在一起的多个第二活性材料颗粒812。第二颗粒具有不同于第一平均粒径的第二平均粒径。在本示例中，第二颗粒比第一颗粒小。
电极部分800还包括将第一层806粘附到第二层810的界面层814。在本示例中，界面814可具有与第一层806、第二层810或这两个层的物理混合物基本上相似的成分。此外，在本示例中，界面814可具有与第一层806、第二层810或这两个层的物理混合物基本上相似的粘合剂成分和浓度。此外，在本示例中，界面814可具有与第一层806、第二层810或两层的物理混合物基本上相似的导电添加剂成分和浓度。界面层814包括第一颗粒和第二颗粒的相互混合或相互穿插，使得界面层具有小于第一平均粒径且大于第二平均粒径的第三平均粒径。换句话说，界面层814包括从第一层806的第一颗粒到第二层810的第二颗粒的逐渐过渡。隔膜816粘附在第二层810上。
图9示意性地描绘了包括两个活性材料复合层902和904的另一示例性电极部分900。活性材料复合层可以是相邻的层，每一层都位于大体上与粘附有电极的集流体平行的平面上。垂直于集流体的平面可以位于以920所指示的方向上，使得活性材料复合层902、904大体上平行于第二方向922以及进出绘图页的方向。
在本示例中，第一活性材料复合层902离集流体较远且离隔膜较近，第二活性材料复合层904离集流体较近且离隔膜较远。第一活性材料复合层902包括多个第一活性材料颗粒940、粘合剂和导电添加剂。第二活性材料复合层904包括多个第二活性材料颗粒950、粘合剂和导电添加剂。
界面910将两个活性材料复合层902和904相互穿插并粘合。第一活性材料颗粒902包括许多具有不同体积的颗粒，其形成第一粒径分布。第二活性材料颗粒904包括许多具有不同体积的颗粒，其形成第二粒径分布。第一分布和第二分布可以基本上相同或不同。一个或两个分布可以是单峰分布或多峰分布。第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒可以具有基本相同或不同的平均表面积，或者可以具有模式基本相同或不同的表面积分布。
本示例中的界面910包括第一活性材料复合层902和第二活性材料复合层904之间的非平面边界。第一活性材料复合层902和第二活性材料复合层904具有各自的三维的相互穿插的指状部914和916，他们将两个活性材料复合层互锁在一起，形成机械坚固的界面，能够承受电极膨胀和收缩引起的应力。此外，由第一指状部914和第二指状部916限定的非平面表面表示界面边界的增加的总表面积，其在第一活性材料复合层和第二活性材料复合层之间提供了更多的结合位点。指状部914和916可以被称为指状物、突起、延伸、突出和/或类似物。此外，指状部914和916之间的关系可以描述为相互扣紧、互穿、互啮合、互相交错、互连、互联和/或诸如此类。
指状部914和指状部916是多个基本上离散的相互穿插的部分，其中指状部914通常由第一活性材料颗粒940构成，指状部916通常由第二活性材料颗粒950构成。这些指状部是三维交错的，类似于乐高积木的不规则的凸起管结构。因此，指状部914和916一般不在任何方向跨越电极，使得垂直于图9的横截面也将显示出类似于图9所示的非平面的、起伏的边界。尽管指状部914和916可能在大小或形状上不一致，但这些指状部可能具有一个平均或典型的长度918。在一些示例中，指状部914和916的长度918可以在第一活性材料复合层或第二活性材料复合层的平均活性材料粒径的2到5倍之间的范围内，以较小者为准。在一些示例中，指状部914、916的长度918可以在第一活性材料复合层或第二活性材料复合层的平均活性材料粒径的6到10倍之间的范围内，以较小者为准。在一些示例中，指状部914和916的长度918可以在第一活性材料复合层或第二活性材料复合层的平均活性材料粒径的11到50倍之间的范围内，以较小者为准。在一些示例中，指状部914和916的长度918可以大于第一活性材料复合层或第二活性材料复合层的平均活性材料粒径的50倍，以较小者为准。
在一些示例中，指状部914和916的长度918可以在大约2μm到大约5μm的范围内。在一些示例中，指状部914和916的长度918可以在大约6μm和大约10μm之间的范围内。指状部914和916的长度918可以在大约11μm和大约50μm之间的范围内。在另一个示例中，指状部914和916的长度918可以大于大约50μm。
在本示例中，界面区域910的总厚度924由两个活性材料复合层之间的相互穿插程度限定。下限926可由第一活性材料复合层902(即，通过指状部914)达到的最低点来限定。上限928可由第二活性材料复合层904(即，通过指状部916)达到的最高点来限定。界面区域910的总厚度924可限定为界限926和928之间的间隔或距离。在一些示例中，界面区域910的总厚度可以在一个或多个不同的相对范围内，例如在第一活性材料复合层或第二活性材料复合层的平均活性材料粒径的大约200％(2x)和大约500％(5x)之间、大约500％(5x)和大约1000％(10x)之间、大约1000％(10x)和大约5000％(50x)之间、和/或大于大约5000％(50x)，以较小者为准。
在一些示例中，界面区域910的总厚度924可以在一个或多个不同的绝对范围内，例如在大约3μm和大约10μm之间，大约10μm和大约50μm之间，大约50μm和大约100μm之间，大约100μm和大约150μm之间，和/或大于大约150μm。
在本示例中，第一活性材料复合层902中的第一活性材料颗粒940的体积分布的平均体积大于第二活性材料复合层904中的第二活性材料颗粒950的平均体积，即平均粒径更大。在一些示例中，第一活性材料颗粒940的总表面积小于第二活性材料颗粒950的总表面积。在其他示例中，情况相反。第一活性材料颗粒940的体积分布的平均体积小于第二活性材料颗粒950的平均体积，即平均粒径较小。在一些示例中，第一活性材料颗粒940的总表面积大于第二活性材料颗粒950的总表面积。
在本示例中，第一活性材料颗粒940和第二活性材料颗粒950在颗粒形态上基本上为球形。在其他示例中，任一活性材料复合层中的多个活性材料颗粒中的一个或两个可具有以下颗粒形态：片状、板状、不规则、土豆形、长方形/长椭圆形、断裂状、较小颗粒类型的团聚体和/或上述的组合。
当电极部分900的颗粒正在锂化或去锂化时，如上关于电极300所解释的(即，在膨胀和收缩期间)，电极部分900保持相干性，并且第一活性材料复合层和第二活性材料复合层保持由界面910粘合。一般来说，指状部914和916的互相交错或相互穿插以及界面边界的增大的表面积起到将两个区粘附在一起的作用。
图10示意性地描绘了另一个示例性电极部分1000，其包括两个活性材料复合层1002和1004，二者形成具有互锁指状部1014和1016的界面1010。活性材料复合层可以是相邻的层，每一层都位于大体上与粘附有电极的集流体平行的平面上。垂直于集流体的平面可以位于以1020指示的方向上，使得活性材料复合层1002和1004通常平行于第二方向1022以及进出绘图页的方向。
在本示例中，第一活性材料复合层1002离集流体较远且离隔膜较近，第二活性材料复合层1004离集流体较近且离隔膜较远。第一活性材料复合层1002包括多个第一活性材料颗粒1040、粘合剂和导电添加剂。第二活性材料复合层1004包括多个第二活性材料颗粒1050、粘合剂和导电添加剂。
电极1000基本上类似于电极900，并且总体上可以以类似的术语来描述。然而，在图10的本示例中，第一活性材料复合层1002中的第一活性材料颗粒1040在颗粒形态上基本上为球形，而第二活性材料复合层1004中的第二活性材料颗粒1050为球形、片状、板状、不规则、土豆形、长方形/长椭圆形，断裂的状、较小颗粒类型的团聚体、或上述颗粒形态的组合。在其他示例中，情况可能相反。
图11为类似于电极部分900和1000的示例性电极部分1100的剖面图。在该示例中，活性材料颗粒1102已被层叠到集流体基板1104上。活性材料包括第一活性材料复合层1106，该第一活性材料复合层1106包括由第一粘合剂粘合在一起的多个第一活性材料颗粒1108。第一活性材料颗粒1108具有第一平均粒径1118。活性材料颗粒1102还包括第二活性材料复合层1110，该第二活性材料复合层1110包括由第二粘合剂粘合在一起的多个第二活性材料颗粒1112。第二活性材料颗粒1112具有与第一平均粒径不同的第二平均粒径1120。在该示例中，第二活性材料颗粒1112小于第一活性材料颗粒1108。在其他示例中，情况相反。
基本上非平面的界面边界1114设置在第一活性材料复合层1106和第二活性材料复合层1110之间。第一活性材料复合层具有伸入第二活性材料复合层的指状部1122，并且第二活性材料复合层具有伸入第一活性材料复合层的指状部1124。界面区域的下限1126和上限1128分别由第一指状部1122到达的最低点和第二指状部1124到达的最高点来限定。
图9-11的结构可以由形成电极的方法(例如下面关于图12讨论的方法)产生，该方法包括将第二活性材料复合浆料涂布到第一层活性材料复合浆料上。由于涂布了这两层，第一活性材料复合浆料和第二活性材料复合浆料中的溶剂以有限的程度混合，使得形成相互穿插的指状结构。
尽管将上面的各种电极部分示出并描述为具有两个由界面耦接的活性材料复合层，但是根据本公开的电极可以包括其他的层，例如总共三个或四个活性材料复合层。其他的层中的每一层可通过各自的界面粘附到相邻层，基本上如本文所述。在一些示例中，每个界面层可以是相同类型的。在一些示例中，在同一电极中可能存在不同的界面类型(即，在不同的活性材料复合层对之间的界面类型)。
上面讨论的示例和实施例并不意味任何方式的限制，而是可以在多种排列和组合中一起考虑。上述示例包括锂离子电池，然而，其他示例和实施例可用于具有液体/固体界面、气体/固体界面或固体/固体界面的任何电化学装置或双极装置，其中电解介质渗透微结构或纳米结构电极。
c.示例性方法
本部分描了述用于形成包括界面的电极的示例性方法1200的步骤，参见图12。本文描述的电极和制造装置的各个方面可在下文描述的方法步骤中加以利用。在适当的情况下，可参考可以在执行每个步骤中使用的组件和系统。这些参考是为了说明，并不旨在限制执行该方法的任何特定步骤的可能方式。
图12是示出了在示例性方法中执行的步骤的流程图，可能不会详细说明该方法的完整过程或所有步骤。尽管在下文描述了并且在图12中描绘了方法1200的各个步骤，但是这些步骤不一定都需要执行，并且在某些情况下可以同时执行，或者以不同于所示顺序的顺序执行。
方法1200的步骤1202包括提供基板。在一些示例中，基板包括集流体，例如上文描述的集流体106、108(和其他)。在一些示例中，基板包括金属箔。
方法1200接着包括多个步骤，其中基板的至少一部分涂布有活性材料复合物。如下文所述，这可以通过使基板移动经过涂布基板的活性材料复合物分配器(或反之亦然)来实现。
方法1200的步骤1204包括在基板的第一侧上涂布复合电极的第一层。在一些示例中，第一层可以包括由第一粘合剂粘合在一起的多个第一颗粒，所述第一颗粒具有第一平均粒径。
步骤1204的涂覆过程可以包括任何合适的涂布方法，例如狭缝涂布、刮涂、喷涂、静电喷射涂布等。在一些示例中，第一层涂布为溶剂(水或nmp)、粘合剂、导电添加剂和活性材料的湿浆。在一些示例中，第一层被干涂为带有粘合剂和/或导电添加剂的活性材料。步骤1204可选地可以包括对该复合电极的第一层进行干燥。
方法1200的步骤1206包括在基板的第一侧将复合电极的第二层涂布到第一层上，形成多层结构(例如，分层结构)。第二层可以包括由第二粘合剂粘合在一起的多个第二颗粒，所述第二颗粒具有第二平均粒径。
方法1200的步骤1208包括形成将第一层附接到第二层的界面层。可以通过使第二层与第一层相互穿插来形成该界面层。这可能导致粘合剂和/或导电添加剂的浓度增大或减小。在第一层和第二层包含不同粒径的情况下，界面层包括第一颗粒和第二颗粒的混合，使得第一层的第一颗粒与第二层的第二颗粒相互扣紧。
在一些示例中，步骤1208与步骤1206同时发生或紧跟在步骤1206之后。当这些示例包括在对复合电极的第一层进行干燥时，在步骤1206(将第二层涂布到第一层上)期间使第一层再湿润。使第一层再湿润导致第一层内的活性材料颗粒和/或界面内的活性材料颗粒之间形成孔隙率梯度。或者，通过第二层的溶剂对第一层进行再润湿，使第一层中的粘合剂重新溶剂化，以产生第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒的混合，从而形成相互穿插的指状部。
在一些示例中，在步骤1208中形成的界面包括在涂布第二层之前在第一层上另外沉积或涂布材料。例如，可以将第三种类型的粘合剂沉积在第一层上。
在一些示例中，步骤1204和1206可以基本上同时执行，使得步骤1208的界面形成为相互穿插的指状部(例如，指状部914、916)。这些指状部是通过将两种活性材料浆料同时经过各自的孔口挤出而形成的。这在移动的基板上形成了两层浆料珠和涂层。可以对第一活性材料浆料和第二活性材料浆料之间的粘度差异、表面张力差异、密度差异、固体含量差异、和/或使用的不同溶剂进行调整，以在两个活性材料复合层之间的边界处形成相互穿插指状结构。在一些实施例中，粘度、表面张力、密度、固体含量和/或溶剂可以基本上相似。通过在第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的湿界面处的湍流来促使相互穿插结构的产生，从而产生两种活性材料电极浆料的部分混合。
两种活性材料电极浆料之间的过多混合可能导致所得到的干燥电极复合材料中的功能梯度的损失，而两种活性材料电极浆料之间的过少混合可能导致不太优选的、基本上为平面的界面边界。此外，为了确保干燥过程中适当固化，第一层(最靠近集流体)被配置为在第二层(离集流体较远)之前从溶剂中干燥，以避免所得到的干燥涂层中产生结皮现象和起泡。
一般而言，第一活性材料复合浆料将具有第一粘度，第二活性材料复合浆料将具有不同于第一粘度的第二粘度。在一些示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标粘度差为100-1,000厘泊(cp)。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标粘度差为2,000-5,000cp。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标粘度差为6,000-10,000cp。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标粘度差为大于10,000cp。
在一些示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标表面张力差为0.5-1dynes/cm。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标表面张力差为1-5dynes/cm。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标表面张力差为6-10dynes/cm。在其它示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标表面张力差为大于10dynes/cm。
在一些示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标密度差为0.01-0.1g/cc。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标密度差为0.2-0.5g/cc。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标密度差为0.5-1g/cc。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标密度差为大于1g/cc。
在一些示例中，第一活性材料电极浆料和所述第二活性材料电极浆料之间的目标固体含量差为0.25％-1％。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标固体含量差为2％-5％。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标固体含量差为6％-10％。在其他示例中，第一活性材料电极浆料和第二活性材料电极浆料之间的目标固体含量差为大于10％。
在一些示例中，在第一活性材料电极浆料或第二活性材料电极浆料中使用的溶剂可以由水、二甲基甲酰胺、乙醇、丙醇、丙烷-2-醇、丁醇、2-甲基丙烷-1-醇、n-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、二乙醚、二甲醚和乙基甲基醚组成的组中的一种或多种溶剂组成。
方法1200可任选地包括在步骤1210中干燥该复合电极和在步骤1212中压延该复合电极。在这些可选步骤中，第一层和第二层都可以作为组合结构经历干燥过程和压延过程。在一些示例中，步骤1210和1212可以组合(例如，在热轧过程中)。在一些示例中，干燥步骤1210包括加热和与电极相互传输能量(例如，对流、传导、辐射)的形式，以加快干燥过程。在一些示例中，压延步骤1212替换为另一压缩、压制或压实过程。在一些示例中，可以通过将组合的第一层和第二层压在基板上来对电极进行压延，使得电极密度以非均匀的方式增加，第一层具有第一孔隙率，第二层具有较低的第二孔隙率。
d.示例性分配器装置
本章节描述适于与方法1200一起使用的示例性系统1300。在一些示例中，具有至少两个流体狭缝、流体腔、流体线和流体泵的狭缝模具涂布头可用于制造一种电池电极，该电池电极具有在活性材料复合层之间的至少一个互穿边界层的特征。在一些示例中，双腔狭缝模具涂布头用于制造一种电池电极，该电池电极具有在两个活性材料复合层之间的一个互穿边界层的特征。在一些示例中，三腔狭缝模具涂布头用于制造一种电池电极，该电池电极具有设置在三个活性材料复合层之间的两个互穿边界层的特征。在其他示例中，其他的腔用于形成其他的层。系统1300包括双腔狭缝模具涂布头。
系统1300是一种制造系统，其中箔基板1302(例如，集流体基板804)由旋转支承辊1304传送经过固定的分配器装置1306。如关于方法1200的步骤1204和1206所述，分配器装置1306可以包括配置为将一层或多层活性材料浆料均匀地涂布到基板上的任何合适的分配器。在一些示例中，当分配器头移动时，基板可保持不动。在一些示例中，两者可能都处于运动状态。
分配器装置1306可以例如包括双腔槽模涂布装置，其具有带有两个孔口1310和1312的涂布头1308。浆料输送系统在压力下向涂覆头提供两种不同的活性材料浆料。由于支承辊1304的旋转性质，离开下孔口或狭缝1310的材料将在离开上孔口或狭缝1312的材料之前接触基板1302。因此，第一层1314将施加到基板上，第二层1316将施加到第一层之上。
因此，方法1200的相应步骤可表征为如下。使用分配器，使集流体基板和活性材料复合物分配器相对彼此移动，并用活性材料复合物涂布基板的至少一部分。在这种情况下，所述涂布包括：使用分配器的第一孔口或狭缝将第一层的浆料涂覆到基板上；以及使用分配器的第二孔口或狭缝将第二层的不同的浆料涂覆到第一层上。这些步骤使得界面层形成，从而将第一层附接到第二层。如上所述，基于两个浆料之间的不同特性，界面层可以包括第一层和第二层的相互穿插的部分，其中第一层的第一指状部与第二层的第二指状部相互扣紧。
e.其他示例和示例性组合
本章节描述了具有界面结构的电极的其他方面和特征，以及相关方法，作为一系列段落介绍，但不作任何限制，为了清楚和效率，其中一些段落或全部段落可能用字母数字表示。这些段落中的每一个都可以以任何适当的方式与一个或多个其他段落组合，和/或与本申请中其他地方的公开组合。以下一些段落明确提及并进一步限制其他段落，提供但不限于某些适当组合的示例。
a0.一种电极，包括：
集流体基板；以及
层叠在所述基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：
第一层，包括由第一粘合剂粘合在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径；
第二层，包括由第二粘合剂粘合在一起的多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径；以及
界面层，将第一层附接到第二层，所述界面层包括第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒的混合，使得界面层具有第三平均活性材料粒径，其大小介于第一平均活性材料粒径和第二平均活性材料粒径之间。
a1.根据a0所述的电极，其中，所述界面还包括将所述第一活性材料颗粒附接到所述第二活性材料颗粒上的第三粘合剂，其中，所述第三粘合剂的浓度高于所述第一粘合剂和所述第二粘合剂。
a2.根据a0或a1所述的电极，其中，所述活性材料复合物包括第一面以及与第一面相对的第二面，所述第一面与集流体基板直接接触，所述第二面与隔膜接触。
a3.根据段落a0至a2中任一段所述的电极，其中，所述界面层包括第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒的混合，使得所述界面层包括从所述第一层的所述第一活性材料颗粒到所述第二层的所述第二活性材料颗粒的逐渐过渡。
a4.根据段落a0至a3中任一段所述的电极，其中，所述界面层包括多个流体通道，所述多个流体通道至少部分由第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒限定。
a5.根据a4所述的电极，其中，所述多个流体通道由多个导电添加剂颗粒进一步限定。
a6.一种二次电池，包括段落a0至a5中任一段所述的电极。
a7.根据段落a0至a6中任一段所述的电极，其中，所述电极为阳极，且第一颗粒包含石墨碳。
a8.根据a7所述的电极，其中，第二颗粒包含碳。
b0.一种电极，包括：
集流体基板；以及
层叠在所述基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：
第一层，包括由第一粘合剂粘合在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径；
第二层，包括由第二粘合剂粘合在一起的多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径；以及，
界面层，所述界面层将第一层粘附到第二层，所述界面层包括第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒的混合，使得所述界面层包括从所述第一层的所述第一活性材料颗粒到所述第二层的所述第二活性材料颗粒的逐渐过渡。
b1.根据b0所述的电极，其中，所述界面还包括将所述第一活性材料颗粒附接到所述第二活性材料颗粒上的第三粘合剂。
b2.根据b0或b1所述的电极，其中，所述活性材料复合物第一面和所述第一面相对的第二面，所述第一面与集流体基板直接接触，所述第二面与隔膜接触。
b3.根据段落b0至b2中任一段所述的电极，其中，所述界面层包括第一活性材料颗粒与第二活性材料颗粒的混合，使得界面层具有介于第一平均活性材料粒径和第二活性材料粒径之间的第三平均活性材料粒径。
b4.根据段落b0至b3中任一段所述的电极，其中，所述界面层包括多个流体通道，所述多个流体通道至少部分由第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒限定。
b5.根据b4所述的电极，其中，所述多个流体通道由多个导电添加剂颗粒进一步限定。
c0.一种制造电极的方法，所述方法包括：
使集流体基板和活性材料复合物分配器相对彼此移动；以及
使用分配器，用活性材料复合物涂布基板的至少一部分，其中所述涂布包括：
使用分配器的第一孔口将第一层涂覆到基板上，所述第一层包括多个第一活性材料颗粒和第一粘合剂，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径；
使用分配器的第二孔口将第二层涂覆到第一层上，所述第二层包括多个第二活性材料颗粒和第二粘合剂，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径；以及，
形成界面层，所述界面层将第一层附接到第二层，所述界面层包括第一活性材料颗粒与第二活性材料颗粒的混合，使得所述界面层包括从所述第一层的所述第一活性材料颗粒到所述第二层的所述第二活性材料颗粒的逐渐过渡。
c1.根据c0所述的方法，其中，所述界面层包括第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒的混合，使得界面层具有第三平均活性材料粒径，其大小介于第一平均活性材料粒径和第二平均活性材料粒径之间。
c2.根据c0或c1所述的方法，其中，使基板和分配器相对彼此移动包括使用支承辊移动基板。
c3.根据段落c0至c2中任一段所述的方法，其中，所述分配器包括双腔狭缝模具涂布头，使得第一孔口是所述涂布头的第一狭缝，第二孔口是所述涂布头的第二狭缝。
c4.根据段落c0至c3中任一段所述的方法，还包括在涂覆第二层之前干燥第一层。
c5.根据段落c0至c4中任一段所述的方法，还包括：
通过将结合的第一层和第二层压向基板来压延电极，从而增加电极的整体密度并降低电极的整体孔隙率。
d0.一种电极，包括：
集流体基板；以及
层叠在所述基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：
第一层，包括由第一粘合剂粘合在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径；
第二层，包括由第二粘合剂粘合在一起的多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径；以及
界面层，所述界面层将第一层附接到第二层，所述界面层包括第一层与第二层之间的非平面边界，使得第一层与第二层相互穿插，且所述界面层具有第三平均粒径，其大小介于第一平均粒径和第二平均粒径之间。
d1.根据d0所述的电极，所述非平面边界包括由第一活性材料颗粒形成的多个基本上离散的第一指状部，所述多个基本上离散的第一指状部与由第二活性材料颗粒形成的多个基本上离散的第二指状部相互扣紧。
d2.根据d1所述的电极，其中，所述第一指状部的长度大于第一平均粒径和第二平均粒径中的较小者的约两倍。
d3.根据段落d0至d2中任一段所述的电极，其中，所述第一层包括与集流体基板直接接触的第一面，所述第二层具有与隔膜直接接触的第二面(例如，第二面位于活性材料复合物的与第一面相对的一侧)。
d4.根据段落d0至d3中任一段所述的电极，其中，所述界面层包括多个流体通道，所述多个流体通道至少部分由第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒限定。
d5.根据d4所述的电极，其中，所述多个流体通道由多个导电添加剂颗粒进一步限定。
d6.一种二次电池，包括段落d0至d5中任一段所述的电极。
d7.根据段落d0至d7中任一段所述的电极，其中，所述电极为阳极，且第一活性材料颗粒包含碳。
e0.一种电极，包括：
集流体基板；以及
层叠在所述基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：
第一层，包括具有第一粒径分布的多个第一活性材料颗粒；
第二层，包括具有第二粒径分布的多个第二活性材料颗粒；以及
界面层，所述界面层将第一层附接到第二层，所述界面层包括第一层和第二层的非平面相互穿插的部分，其中第一层的第一指状部与第二层的第二指状部相互扣紧。
e1.根据e0所述的电极，其中，所述第一指状部的长度大于约两微米。
e2.根据e0或e1所述的电极，其中，所述第一层具有与集流体基板直接接触的第一面，所述第二层具有与隔膜直接接触的第二面(例如，第二面和第一面位于活性材料复合物的相对的两侧)。
e3.根据段落e0至e2中任一段所述的电极，其中，所述第一层具有第一孔隙率，所述第二层具有不同的第二孔隙率，并且所述界面层具有介于第一孔隙率和第二孔隙率之间的第三孔隙率。
e4.根据段落e0至e3中任一段所述的电极，其中，所述界面层包括多个流体通道，所述多个流体通道至少部分由第一颗粒和第二颗粒限定。
e5.一种二次电池，包括根据段落e0至e4中任一段所述的电极。
f0.一种制造电极的方法，所述方法包括：
使集流体基板和活性材料复合物分配器相对彼此移动；以及
使用分配器，用活性材料复合物涂布基板的至少一部分，其中所述涂布包括：
使用分配器的第一孔口将第一层涂覆到基板上，所述第一层包括具有多个第一活性材料颗粒和第一粘合剂的第一活性材料复合浆料，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径和第一粘度；
使用分配器的第二孔口将第二层涂覆到第一层上，所述第二层包括具有多个第二活性材料颗粒和第二粘合剂的第二活性材料复合浆料，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径和第二粘度；以及
形成界面层，所述界面层将第一层粘附到第二层，所述界面层包括第一层和第二层的相互穿插的部分，其中第一层的第一指状部与第二层的第二指状部相互扣紧。
f1.根据f0所述的方法，其中，所述界面层具有介于第一平均活性材料粒径和第二平均活性材料粒径之间的第三平均活性材料粒径。
f2.根据f0或f1所述的方法，其中，使基板和分配器相对彼此移动包括使用支承辊移动基板。
f3.根据段落f0至f2中任一段所述的方法，其中，所述分配器包括双腔狭缝模具涂布头，使得第一孔口是所述涂布头的第一狭缝，第二孔口是所述涂布头的第二狭缝。
f4.根据段落f0至f3中任一段所述的方法，其中，所述第一粘度和所述第二粘度至少相差100厘泊(cp)。
f5.根据段落f0至f4中任一段所述的方法，还包括：
通过将结合的第一层和第二层压向基板来压延电极，使得电极密度以非均匀的方式增加，第一层具有第一孔隙率，第二层具有小于第一孔隙率的第二孔隙率。
g0.根据d0、e0或f0所述的电极，包括指状部，所述指状部包含与第二颗粒的区域相互扣紧的第一颗粒的区域。
g1.根据d0、e0或f0所述的电极，其中，所述界面边界的表面积至少是第一层和第二层之间基本上为平面的边界的两倍。
g2.根据d0、e0或f0所述的电极，其中，所述第一层包括具有第一孔隙率的第一均匀结构，第二层包括具有第二孔隙率的第二均匀结构，第二孔隙率与第一孔隙率不同。
h0.一种制造用于电化学电池的电极的方法，所述方法包括：
使集流体基板和活性材料复合物分配器相对彼此移动；以及
使用分配器，用活性材料复合物涂覆集流体基板的至少一部分，以产生电化学电池电极，其中所述涂布包括：
使用分配器的第一孔口将第一层涂覆到集流体基板上，所述第一层包括具有多个第一活性材料颗粒和第一粘合剂的第一活性材料复合浆料，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径和第一粘度；
在第一层湿润的情况下，使用分配器的第二孔口将第二层涂覆到第一层上，所述第二层包括具有多个第二活性材料颗粒和第二粘合剂的第二活性材料复合浆料，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径和第二粘度；以及
形成界面层，所述界面层将第一层附接到第二层，所述界面层包括第一层和第二层的相互穿插的部分，其中第一层的第一指状部与第二层的第二指状部相互扣紧。
h1.根据h0所述的方法，其中，所述界面层具有介于第一平均活性材料粒径和第二平均活性材料粒径之间的第三平均活性材料粒径。
h2.根据h0或h1所述的方法，其中，使集流体基板和分配器相对彼此移动包括使用支承辊移动集流体基板。
h3.根据段落h0至h2中任一段所述的方法，其中，所述分配器包括双腔狭缝模具涂布头，使得第一孔口是所述涂布头的第一狭缝，第二孔口是所述涂布头的第二狭缝。
h4.根据段落h0至h3中任一段所述的方法，其中，所述第一粘度和所述第二粘度至少相差100厘泊(cp)。
h5.根据段落h0至h4中任一段所述的方法，还包括：
通过将结合的第一层和第二层压向集流体基板来压延电化学电池电极，使得电极密度以非均匀方式增加，第一层具有第一孔隙率，第二层具有第二孔隙率，所述第二孔隙率小于所述第一孔隙率。
h6.根据h5所述的方法，其中，所述电化学电池电极恰好包括一个壳层。
h7.根据段落h0至h6中任一段所述的方法，其中，所述第一层和所述第二层之间的边界的表面积至少是平行于集流体基板截取的平面截面的两倍。
j0.一种制造用于电化学电池的电极的方法，所述方法包括：
使集流体基板和活性材料复合物分配器相对彼此移动；以及
使用分配器，用活性材料复合物涂布集流体基板的至少一部分，其中所述涂布包括：
使用分配器的第一孔口将第一层涂覆到集流体基板上，所述第一层包括多个第一活性材料颗粒和第一粘合剂，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径；
在第一层湿润的情况下，使用分配器的第二孔口将第二层涂覆到第一层上，所述第二层包括多个第二活性材料颗粒和第二粘合剂，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径；以及
形成界面层，所述界面层将第一层附接到第二层，所述界面层包括第一活性材料颗粒与第二活性材料颗粒的混合，使得所述界面层包括从所述第一层的所述第一活性材料颗粒到所述第二层的所述第二活性材料颗粒的逐渐过渡。
j1.根据j0所述的方法，其中，所述界面层包括第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒的混合，使得界面层具有第三平均活性材料粒径，其大小介于第一平均活性材料粒径和第二平均活性材料粒径之间。
j2.根据j0或j1所述的方法，其中，使集流体基板和分配器相对彼此移动包括使用支承辊移动基板。
j3.根据段落j0至j2中任一段所述的方法，其中，所述分配器包括双腔狭缝模具涂布头，使得第一孔口是所述涂布头的第一狭缝，第二孔口是所述涂布头的第二狭缝。
j4.根据段落j0至j3中任一段所述的方法，还包括：
通过将结合的第一层和第二层压向集流体基板来压延电极，从而增加电极的整体密度并降低电极的整体孔隙率。
k0.一种制造用于电化学电池的电极的方法，所述方法包括：
使用狭缝模具涂布头分配器的第一流体狭缝将第一活性材料复合浆料的第一层涂覆到箔基板上，其中，所述第一活性材料复合浆料包括多个第一活性材料颗粒和第一粘合剂，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径和第一粘度；以及
在第一层湿润的情况下，使用狭缝模具涂布头分配器的第二狭缝将第二活性材料复合浆料的第二层涂覆到第一层上，其中，所述第二活性材料复合浆料包括多个第二活性材料颗粒和第二粘合剂，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径和第二粘度；
其中，在第一层和第二层之间形成有互穿边界层。
k1.根据k0所述的方法，还包括使箔基板和分配器相对彼此移动。
k2.根据k0或k1所述的方法，其中，所述分配器包括双腔狭缝模具涂布头。
k3.根据段落k0至k2中任一段所述的方法，其中，所述第一粘度和所述第二粘度至少相差100厘泊(cp)。
k4.根据段落k0至k3中任一段所述的方法，还包括：
在箔基板上对结合的第一层和第二层进行压延，使得电极密度以非均匀方式增加，第一层具有第一孔隙率，第二层具有第二孔隙率，所述第二孔隙率小于第一孔隙率。
k5.根据k4所述的方法，其中，所述电化学电池电极恰好包括一个壳层。
k6.根据段落k0至k5中任一段所述的方法，其中，所述边界层的表面积至少是平行于箔基板截取的平面截面的两倍。
l0.一种电极，包括：
电化学电池电极，包括集流体基板和层叠在集流体基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：
第一层，包括由第一粘合剂粘合在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径；
第二层，包括由第二粘合剂粘合在一起的多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径；以及
界面层，所述界面层将第一层附接到第二层，所述界面层包括第一层和第二层之间的非平面边界，使得第一层和第二层相互穿插，并且所述界面层具有介于所述第一平均粒径和所述第二平均粒径之间的第三平均粒径；
其中，所述非平面边界包括由第一活性材料颗粒形成的多个基本上离散的第一指状部，所述多个基本上离散的第一指状部与由所述第二活性材料颗粒形成的多个基本上离散的第二指状部相互扣紧，所述第一指状部的长度大于第一平均粒径和第二平均粒径中的较小者的约两倍。
l1.根据l0所述的电极，其中，所述第一层具有与集流体基板直接接触的第一面，所述第二层具有与隔膜直接接触的第二面。
l2.根据l0或l1所述的电极，其中，所述界面层包括多个流体通道，所述多个流体通道至少部分由第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒限定。
l3.根据l2所述的电极，其中，所述多个流体通道由多个导电添加剂颗粒进一步限定。
l4.一种二次电池，包括l0至l3中任一段所述的电极。
l5.根据段落l0至l4中任一段所述的电极，其中，所述电化学电池电极为阳极，且第一活性材料颗粒包括碳。
l6.根据段落l0至l4中任一段所述的电极，其中，所述电化学电池电极为阴极，且第一活性材料颗粒包括含镍氧化物。
m0.一种电极，包括：
电化学电池电极，包括集流体基板和层叠在集流体基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：
第一层，包括具有第一粒径分布的多个第一活性材料颗粒；
第二层，包括具有第二粒径分布的多个第二活性材料颗粒；以及，
界面层，所述界面层将第一层附接到第二层的界面层，所述界面层包括第一层和第二层的非平面的相互穿插的部分，其中第一层的第一指状部与第二层的第二指状部相互扣紧。
m1.根据m0所述的电极，其中，所述第一指状部的长度大于约两微米。
m2.根据段落m0至m1中任一段所述的电极，其中，所述第一层具有与集流体基板直接接触的第一面，所述第二层具有与隔膜直接接触的第二面。
m3.根据段落m0至m2中任一段所述的电极，其中，所述第一层具有第一孔隙率，所述第二层具有第二孔隙率，所述第二孔隙率与所述第一孔隙率不同，并且所述界面层具有介于第一孔隙率和第二孔隙率之间的第三孔隙率。
m4.根据段落m0至m3中任一段所述的电极，其中，所述界面层包括多个流体通道，所述多个流体通道至少部分由第一活性材料颗粒和第二活性材料颗粒限定。
m5.根据段落m0至m4中的任一段所述的电极，每个第一指状部的长度大于第一活性材料颗粒的平均粒径和第二活性材料颗粒的平均粒径中的较小者的两倍。
m6.根据段落m0至m5中任一段所述的电极，界面层的总厚度限定为第一指状部达到的最大穿插和第二指状部达到的最大穿插之间的距离，其中，界面层的总厚度大于第一活性材料颗粒的平均粒径和第二活性材料颗粒的平均粒径中的较小者的约三倍。
优势、特点、益处
与已知解决方案相比，本文所描述的电极结构和相关方法的不同实施例和示例提供了几个优势。例如，与具有基本上为平面的层间边界的示例相比，本文描述的示例性实施例和示例有助于改进离子连通。由于活性材料复合物层的相互穿插和相互扣紧降低了两层之间的阻抗，因此本公开的界面层改进了机械完整性、电连通性、离子传导性和对sei积累的抗性。
此外，除其他益处外，本文描述的示例性实施例和示例具有界面层，该界面层包括由活性材料颗粒、粘合剂和/或碳添加剂限定的流体通道网络。这些流体通道不受压延引起的颗粒力学或形态状态变化的妨碍。相反，基本上为平面的边界通常与随后压延时壳层的形成有关。如上所述，这样的壳层不利于电子渗透，也明显阻碍了离子在界面区域的传导。这增加了整个电极的迂曲度，因为离子在穿过电极厚度时会在电极复合物内遇到屏障，导致电池的功率密度显著降低。此外，这样的壳层还代表活性材料颗粒的局部压实，有效地导致孔隙体积减小；这对于阳极电极来说可能是一个特别重要的问题。此外，在阳极电极的情况下，活性材料颗粒上形成的sei膜成会以更快的速度堵塞孔隙，导致电池极化和锂析出增加，最终导致循环寿命差和安全性降低。
此外，除其他益处外，本文描述的示例性实施例和示例改进了电连通，因为活性材料和导电添加剂的相互穿插或相互混合降低了两层之间的阻抗。
此外，除其他益处外，本文描述的示例性实施例和示例使得电极的机械相干性得到改进。剥离强度使两层不会在界面处优先分离。
此外，除其他益处外，本文描述的示例性实施例和示例提供了机械完整性得到改进的电极结构，当组装到电池中时，其足以承受在充电和放电过程中由体积膨胀和收缩引起的应力，从而提高电池的循环寿命。
此外，除其他益处外，本文描述的示例性实施例和示例提供了两个活性材料复合层之间的非平面的边界，使得第一活性材料复合层的活性材料颗粒改善了与第二活性材料复合层的活性材料颗粒之间的电子渗透，反之亦然，从而使得整个电极和电池的阻抗降低。
没有已知的系统或装置可以执行这些功能。然而，并非本文描述的所有实施例和示例都提供相同的优势或相同程度的优势。
结论
上述公开可包含具有独立实用性的多个不同示例。尽管这些中的每一个已经以其优选形式公开，但是在本文中公开和示出的其具体实施例不能被认为是限制性的，因为可以进行许多变化。就在本公开中使用的章节标题而言，此类标题仅用于组织目的。本公开的主题包括本文公开的各种元素、特征、功能和/或特性的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。所附权利要求特别指出了被视为新颖且非显而易见的某些组合和子组合。特征、功能、元素和/或特性的其他组合和子组合可以在要求本申请或相关申请优先权的申请案中要求保护。与原权利要求相比，权利要求无论其范围更宽、更窄、相同还是不同，都被视为包含在本公开的主题中。
1.一种电极，包括：
电化学电池电极，包括集流体基板和层叠在所述集流体基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：
第一层，包括由第一粘合剂粘合在一起的多个第一活性材料颗粒，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径；
第二层，包括由第二粘合剂粘合在一起的多个第二活性材料颗粒，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径；以及
界面层，所述界面层将所述第一层附接到所述第二层，所述界面层包括所述第一层和所述第二层之间的非平面边界，使得所述第一层和所述第二层相互穿插，并且所述界面层具有介于所述第一平均粒径和所述第二平均粒径之间的第三平均粒径；
其中，所述非平面边界包括由所述第一活性材料颗粒形成的多个基本上离散的第一指状部，所述多个基本上离散的第一指状部与由所述第二活性材料颗粒形成的多个基本上离散的第二指状部相互扣紧，每个所述第一指状部的长度大于所述第一平均粒径和所述第二平均粒径中的较小者的约两倍。
2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述第一层具有与所述集流体基板直接接触的第一面，所述第二层具有与隔膜直接接触的第二面。
3.根据权利要求1所述的电极，其中，所述界面层包括多个流体通道，所述多个流体通道至少部分由所述第一活性材料颗粒和所述第二活性材料颗粒限定。
4.根据权利要求3所述的电极，其中，所述多个流体通道由多个导电添加剂颗粒进一步限定。
5.根据权利要求1所述的电极，其中，所述电化学电池电极为阳极，且所述第一活性材料颗粒包括碳。
6.根据权利要求1所述的电极，其中，所述电化学电池电极为阴极，且所述第一活性材料颗粒包括含镍氧化物。
7.一种电极，包括：
电化学电池电极，包括集流体基板和层叠在所述集流体基板上的活性材料复合物，其中，所述活性材料复合物包括：
第一层，包括具有第一粒径分布的多个第一活性材料颗粒；
第二层，包括具有第二粒径分布的多个第二活性材料颗粒；以及
界面层，所述界面层将所述第一层附接到所述第二层的界面层，所述界面层包括所述第一层和所述第二层的非平面的相互穿插的部分，其中，所述第一层的第一指状部与所述第二层的第二指状部相互扣紧。
8.根据权利要求7所述的电极，其中，每个所述第一指状部的长度大于约两微米。
9.根据权利要求7所述的电极，其中，所述第一层具有与所述集流体基板直接接触的第一面，所述第二层具有与隔膜直接接触的第二面。
10.根据权利要求7所述的电极，其中，所述第一层具有第一孔隙率，所述第二层具有第二孔隙率，所述第二孔隙率与所述第一孔隙率不同，且所述界面层具有介于所述第一孔隙率与所述第二孔隙率之间的第三孔隙率。
11.根据权利要求7所述的电极，其中，所述界面层包括多个流体通道，所述多个流体通道至少部分由所述第一活性材料颗粒和所述第二活性材料颗粒限定。
12.根据权利要求7所述的电极，每个所述第一指状部的长度大于所述第一活性材料颗粒的平均粒径和所述第二活性材料颗粒的平均粒径中的较小者的约两倍。
13.根据权利要求7所述的电极，所述界面层的总厚度限定为所述第一指状部达到的最大穿插深度和所述第二指状部达到的最大穿插深度之间的距离，其中，所述界面层的所述总厚度大于所述第一活性材料颗粒的平均粒径和所述第二活性材料颗粒的平均粒径中的较小者的约三倍。
14.一种制造用于电化学电池的电极的方法，所述方法包括：
使用狭缝模具涂布头分配器的第一流体狭缝将第一活性材料复合浆料的第一层涂覆到箔基板上，其中，所述第一活性材料复合浆料包括多个第一活性材料颗粒和第一粘合剂，所述第一活性材料颗粒具有第一平均粒径和第一粘度；以及
在所述第一层湿润的情况下，使用所述狭缝模具涂布头分配器的第二狭缝将第二活性材料复合浆料的第二层涂覆到所述第一层上，其中，所述第二活性材料复合浆料包括多个第二活性材料颗粒和第二粘合剂，所述第二活性材料颗粒具有第二平均粒径和第二粘度；
其中，在所述第一层和所述第二层之间形成有互穿边界层。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括使所述箔基板和所述分配器相对彼此移动。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述分配器包括双腔狭缝模具涂布头。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一粘度与所述第二粘度之差至少为100厘泊(cp)。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在所述箔基板上对结合的第一层和第二层进行压延，使得电极密度以非均匀方式增加，所述第一层具有第一孔隙率，所述第二层具有第二孔隙率，所述第二孔隙率小于所述第一孔隙率。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述电化学电池电极恰好包括一个壳层。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述边界层的表面积至少是平行于所述箔基板截取的平面截面的两倍。
技术总结