电池电极及其生产方法

摘要

为了在选择电极或电池形状、紧凑构造和低生产成本时实现设计的最大自由，本发明提出了一种电池电极和一种用于生产电池电极的方法，其中，集电极衬底被涂覆有涂膜，并且通过使用激光消蚀移除涂膜来在集电极衬底上生成至少一个放电区。

权利要求

1.一种用于生产电池电极的方法，包括：

在集电极衬底（60）上形成（S100）涂膜（70）；以及通过使用激光消蚀来移除所述涂膜（70），生成（S200）至少一个放电区（40）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂膜(70)被施加在所述集电极衬底(60)的两侧和/或施加在所述集电极衬底（60）的整个表面上，和/或采用连续涂覆方法被施加。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，通过激光消蚀在所述集电极衬底（60）的至少一侧形成至少一个放电区（40）。

4.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，在生成所述放电区（40）时，在所述放电区（40）内通过激光消蚀来移除一层所述集电极衬底（60）。

5.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，在形成所述放电区（40）之后立即将连接极耳（50）与所述放电区（40）内的所述集电极衬底的接触（S500）。

6.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，所述用于生产电池电极的方法进一步包括：通过激光切割从被涂覆的集电衬底上切出（S400）所述电池电极和/或切口。

7.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，所述放电区（40）和/或所述电池电极被生产成大体上圆形、环形、矩形、三角形或任何期望的形状，或生产成切口形式。

8.根据上述任一权利要求所述的方法，其中，在所述激光消蚀（S300）和/或所述激光切割（S400）时，加工气体被吹至所述集电极衬底（60）。

9.一种电池电极，包括：

集电极衬底（60）

在所述集电极衬底(60)上的涂膜(70)；以及至少一个放电区（40），所述至少一个放电区（40）是通过采用激光消蚀来移除所述涂膜（70）而形成的。

10.一种电池，包括权利要求9所述的电池电极。

说明书

电池电极及其生产方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电池电极以及用于生产电池电极的方法。

背景技术

[0002] 通常，电池指不可再充电的原电池和可再充电的二次电池(也称为可再充电电池)。电池基于内在的化学氧化还原反应、所使用的材料、电阀值(例如电压或电容)或者几何或结构设计而被分类。具体的例子包括碱性锰电池、锌碳电池或锂电池。根据电池的内部构造，电池还可分成卷绕电池和叠层电池。在卷绕电池中，电极和相互叠加设置的隔离层以螺旋的方式被缠绕并且例如被安装在具有圆柱形腔体的圆形电池内。然而在叠层电池中，多个电极和隔离层被交替地相互叠加。

[0003] 图1通过例子显示了叠层电池。如图1所示，阳极10和阴极20被交替地设置在电池内，其中，在每种情况下，隔离体30被设置阳极10和阴极20之间从而物理地和电性地将两个电极分离。然而，隔离体30必须是离子可穿透的，离子将所存储的化学能转换成电能。微孔的塑料或由玻璃纤维或聚合物构成的无纺布通常用于隔离体30。阳极10在其放电区40内被相互连接，而阴极20在其放电区40内被相互连接，其结果是，电池内所有的同种电极被相互连接。在每种情况下用于阳极10和阴极20的连接极耳50(参见图2B)被设置在放电区域40内，所述连接极耳与电池的相应外部电压极连接。

[0004] 图2A显示了具有放电区40的阴极20的平面图。在相互叠加设置的阴极20的放电区40内阴极20相互连接。如图2B所述，连接极耳50被设置在相互连接的放电区40上，所述连接极耳在电池被组装后与电池的负极接触。

[0005] 电池电极通常被预制成块状或卷绕状材料，在生产电池时从块状或卷绕状的材料上切出期望的电极形状。如图3所示，电极材料包括具有涂膜70的集电极衬底60。这样的话，电极材料具有一个或多个未被涂覆的放电区40，放电区40之后在组装状态是必需的从而向外释放电压或电流。同种的多个电极在放电区40被相互连接，并且金属的连接极耳50被设置在放电区40。当集电极衬底60在两侧被涂覆时，放电区40因此也被形成在两侧。这样的话，放电区并不必需彼此相对，也能够彼此偏离，如图3所示。

[0006] 图4A和4B显示了通过狭缝式模具系统300生产电极材料的方法。墨型(ink-like)涂膜70被施加在带型集电极衬底60上并且形成未涂覆的放电区40。这种施加过程能够通过断续的、间断的涂层来实现，其中，未被涂覆的放电区40通过涂层上规则的或偶然的间断形成(如图4A所示)或者通过连续的涂层形成(如图4B所示)。然而，使用这些方法形成相对复杂的放电区是非常复杂的。因此，偶尔会使用遮蔽步骤。作为选择，通过刷净或类似方法，放电区40能够暴露在集电极衬底60上。

[0007] 在涂覆之后，电极材料被压光从而压紧涂膜并且消除涂膜70干燥时所产生的腔体。成品的电极材料然后能够被卷绕并且被存储直至其他的加工程序。根据电池的类型或电池的形状，从电极材料切出或冲压出不同的期望形状以生产电池。当电池电极被切出时，另外需确保必须有放电区40。在图2A中显示了具有放电区40的矩形电极的例子。

[0008] 图5显示了用于说明电池(例如卷绕电池或叠层电池)的生产过程。首先，例如使用间歇方法(S10)对集电极衬底60涂覆涂膜70，其中，当施加墨型涂层时通过间断或非连续方式形成多个未被涂覆的放电区40。电极材料然后被压光(S20)。从电极材料中切出或冲压出(S30)期望的电极形状，其中，冲压出的形状必须具有放电区40。在生产阳极10以及生产阴极20时实施这些步骤。其次，冲压出的电极被相互叠加设置(S40)从而使得具有隔离体30的阳极10和阴极20被交替地接连(参加图1)。这样的话，阴极20的放电区40和阳极10的放电区40在每种情况下被叠加地设置并且被相互连接。连接极耳50然后被设置在所述放电区上(S50)。这样的话，相互叠加设置的阳极10和阴极20的数量随电池的类型和特性而变。在电极装置完成后，电极装置被插入腔体并且连接极耳50被连接至腔体的外部电压极(S60)。在卷绕电池的情况下，电极装置也以螺旋的方式被卷绕并且以这种状态被插入腔体。在电解质被加入之后(S70)，电池然后被密封(S80)并且最后被成型(S90)。

[0009] 然而，用于生产电池电极的传统方法会遇到下述问题。例如，通过遮蔽步骤或刷去涂层来生产未被涂覆的放电区是非常复杂和昂贵的。但是，在借助于狭缝式模具系统，通过间断或连续的涂层的选择性的生产方法中，电极材料上的放电区的可能形状和设置受到非常大的限制。由于在各种领域中使用电池，特别是在设计产品中，例如移动电话、笔记本电脑或汽车，需要加强电池电极的构造方面的灵活性。这样的话，相对较小设备的趋势对电池生产带来了特殊的挑战。首先，相对较小尺寸的电池因此必须被开发出来，并且其次，经常需要复杂的形状，以尽可能在设备的内部最有效地使用。另外，用间断涂层的方法，在涂覆区与放电区之间生产规则的并且边缘清晰的区域是困难的。

[0010] 另外，使用传统的方法实现各种形状的电极是困难的和昂贵的。由于成本的原因，卷绕材料通常被用作电极材料，在所述卷绕材料中未被涂覆的放电区40相对于涂膜70的可能位置被固定地界定。因此，由于每个电极必须具有放电区40，电极形状的自由设计的程度会受到严重的限制。另外，当切出具有放电区域40的期望电极形状时，会产生大量的必须处理掉的剩余电极材料。例如，如果小的电极被切出从而它们包含放电区40，当在系列的放电区之间存在大的距离时，被涂覆的衬底的位于系列的放电区40之间的区域不能够被使用。因此，材料的消耗增大并且生产方法较昂贵。另外，针对每种期望的电极形状，必须制造用于冲压出每种期望形状的专用冲压模。然而，由于切割质量的要求很高，这些冲压模非常昂贵。

[0011] 在传统的生产方法中，通过被涂覆的电极区提前形成放电区40从而将连接极耳50设置在所述放电区上并且将同种电极相互连接。然而，这会导致在电极内产生未填充活性电极材料的闲置空间。因此，电池的尺寸不必要地增加和/或电池的外部形状被固定。

[0012] 另外，在传统的生产方法中或在存储过程中，放电区40能够很容易被污染。特别地，在压光过程中，杂质能够触及放电区40。这会对同种电极之间的电接触质量以及电极和相关的连接极耳50之间的电接触质量产生不利的影响。因为在电极材料的生产过程中，在压光过程之前额外地形成放电区40，由于材料厚度的不均匀，更加难以进行压光。另外，由传统方法形成的放电区40会被较差地界定，其中，特别地，放电区40的边缘区域能够用不精确和不均匀的方式形成。

发明内容

[0013] 因此本发明的目的是提出一种电池电极以及用于所述电池电极的生产方法，当以低生产成本构造放电区和电池电极时，其使得设计自由最大化。

[0014] 本发明目的通过独立权利要求的特征实现。

[0015] 本发明基于的构思是通过激光消蚀来移除放电区内的形成在集电极衬底上的涂膜。这样，涂膜能够被大面积地生成并且连续地生成在集电极衬底上，无须放电区保持打开。由于已被涂覆的集电极衬底的厚度均匀，压光过程被进一步简化并且能够被更高质量地实施。另外，从被涂覆的集电极衬底上能够切出任何期望的电极形状，而不会受到放电区的预定位置的限制。因此，电极材料能够被更加有效地利用从而产生更少的废料。由于使用激光来暴露放电区，因此能够在被涂覆的集电极衬底上生成任何期望形状的并且位于任何期望位置的放电区，该放电区具有清晰和规则的边缘。这可在生产表面面积被优化的放电结构方面提供设计和选择的绝对自由。例如，电极上的非活性区，即，放电区的表面，能够被减小。例如通过未涂覆区向内地伸入电极的涂覆区或被形成在涂覆区内，因此也能够减小电池内的非活性体积。选择性地，放电区的外周的至少一半能够被涂覆区包围。

[0016] 任何合适的激光系统，例如切割或雕刻激光系统，能够用于通过激光消蚀来移除所述材料。由于切割导引和穿透深度方面的高边缘质量和切割精度，因此能够生产高质量的放电区。另外，由于使用超短激光脉冲，因此能够减小能量输入，其结果是，电极材料的热负载被保持在低位。因为合适的激光系统能够与狭缝式模具系统在成本方面兼容，因此可避免高购买成本。

[0017] 本发明的一个方面提出了一种用于生产电池电极的方法。在该方法中，涂膜首先被施加到集电极衬底上。然后使用激光移除至少一个放电区内的涂膜。这能够通过脉冲激光辐射或连续激光辐射而被实施。涂膜可被形成在集电极衬底的两侧从而增加电极的活性表面的大小。在每种情况下然后在集电极衬底的两侧能够形成至少一个放电区然后。另外，涂膜能够被形成使得其基本上完全覆盖集电极衬底的两个表面的至少一个，并不会留有未被覆盖的自由边缘或自由区域。为了涂覆，优选地使用连续涂覆方法，例如修平刀(doctor blade)、刮刀(comma bar)或吻合涂覆(kiss coating)。因此，能够以低生产成本确保更大的加工可靠度以及因此能够确保更好的电极材料质量。

[0018] 在另一具体实施方式中，不仅放电区内的涂膜被使用激光移除，而且集电极衬底的表面上一薄层也被移除，其结果是，生成新的和干净的表面。因此，放电区内的杂质和氧化层能够被移除，其结果是，电极和连接极耳之间的接触阻抗被减小。

[0019] 在放电区被生成之后立即将连接极耳优选地连接至放电区，其中，放电区的生成能够只包括移除涂膜，或者包括移除涂膜以及集电极衬底的表面层。因此，通过使用激光来移除涂膜和/或集电极衬底的表面层，能够避免出现杂质，例如刷光过程中生成的磨砂颗粒或涂覆残留物，这些杂质可能给成品的电池带来一系列的危险并且形成会产生短路电路的枝晶。

[0020] 在本发明优选的实施方式中，借助于激光在生成所述至少一个放电区之前或之后切出预定形状的电池电极。这样，无需生产特殊的工具，例如冲压模，就能够选择任何期望的电极形状。因此，生产电池电极时的设计自由度被进一步提高并且工序被优化。通过激光形成放电区并且切出电池电极能够节省工时和额外的工具，这是因为省去了要被处理的电极材料的切换以及工具的切换。因此，能够生产任何期望形状的放电区或电池电极，例如，圆形、半圆形、环形、矩形或三角形。另外，能够以任何期望的方式将放电区设置在被涂覆的电极表面。放电区优选地伸入被涂覆的电极表面，从而其外周的相对较大部分或至少一半被涂覆的电极表面所包围。这样的话，所述放电区的外周的剩余部分能够邻接电池电极的外边缘。选择性地，放电区能够被完全设置在被涂覆的电极表面内。这样，当电池被组装时，非活性区或闲置体积能够被减小，其结果是，对于给定的相同电池尺寸，容量和体积能量密度被增加。

[0021] 另外，在电池电极内能够形成至少一个切口。电极内的切口优选地对应同种电极上所形成的放电区，从而使得在交替设置电极的情况下，相互叠加设置的同种电极的放电区能够通过其他的电极而被相互连接。例如，当电极的放电区向内地伸入被涂覆的电极区或完全由所述被涂覆的电极区所包围，这样做是有利的。当通过激光切割切出电池电极时，同样能够借助于激光切出所述切口从而优化方法顺序。

[0022] 在本发明优选的实施方式中，在激光消蚀涂膜时，和/或在激光消蚀集电极衬底的表面层时，和/或在激光切割时，加工气体被吹至衬底。其结果是，能够尽早地在加工过程中移除通过激光加工所产生的残留物。另外，能够使用抑制氧化或其他不期望的表面化学反应的加工气体。加工气体优选地是冷的，从而在激光加工过程中冷却电极材料。

[0023] 本发明的另一方面提出了一种电池电极，所述电池电极包括集电极衬底、形成在集电极衬底上的涂膜以及放电区，其中，通过使用激光移除涂膜来形成放电区。放电区因此由集电极衬底上未涂覆区形成。电池电极能够根据本发明方法的上述任一具体实施方式而被生产。

[0024] 本发明的另一方面提出了一种电池，所述电池包括根据本发明方法的上述任一具体实施方式而生产的电极。

附图说明

[0025] 图1显示了传统的电池中电极装置的示意性的截面图。

[0026] 图2A和2B显示了传统的电池电极的平面图。

[0027] 图3显示了传统的电极材料的截面图。

[0028] 图4A和4B显示了用于生产传统的电极材料的方法。

[0029] 图5显示了电池的传统的生产方法的流程图。

[0030] 图6显示了根据本发明第一具体实施方式的电池电极。

[0031] 图7显示了根据本发明另一具体实施方式的电池电极。

[0032] 图8显示了根据本发明又一具体实施方式的电池电极。

[0033] 图9A-9C显示了根据本发明的生产过程中电极材料的截面图。

[0034] 图10显示了根据本发明具体实施方式的生产方法的流程图。

具体实施方式

[0035] 在下文中使用锂离子电池的例子描述本发明，锂离子电池的特点在于高的能量密度和热稳定性。但是，本发明并不是要被限制于锂离子电池，而是能够被应用到任何期望的电池。

[0036] 在锂离子电池中，阳极10的集电极衬底60例如由铜组成，铜的表面涂覆有涂膜70，涂膜70由石墨、粘合剂、碳黑和溶剂组成。根据本发明，放电区域40内的涂膜70被移除，其结果是，放电区40内的集电极衬底60被暴露。由镍组成的连接极耳50能够被设置在阳极10的放电区40内。对于阴极20，集电极衬底60例如由铝组成并且涂覆有涂膜70，涂膜70包括有助于氧化还原反应的活性材料、粘合剂、碳黑、石墨和溶剂。阴极的连接极耳优选地也由铝组成。

[0037] 图6显示了根据本发明的电池电极，其中，放电区40在其周边绝大部分邻接集电极衬底60上的涂膜70。阳极10和阴极均具有内部放电区40和切口80。切口80被形成在一个与装配状态下不同种的电极的放电区40对应的位置。阳极10内的切口80因而被设置成，切口80在电极的装配状态位于阴极10的放电区40的上方或下方。图6中的箭头指示了装配状态下的电极装置，其中，在每种情况下阳极10和阴极20被交替地相互叠加设置。这样的话，隔离体30(未示)被设置在阳极10和阴极20之间，所述隔离体可包括微孔薄膜或无纺布。在放电区40，在每种情况下连接极耳50在电极被组装之前能够被设置在至少一个阳极10上以及至少一个阴极20上。但是，连接极耳50优选地在电极被组装之后例如通过超声波焊接而被设置在放电区40。因为在具体实施方式中，电极的放电区40在不同种的电极中与切口80相对，因此这样的话，在每种情况下阳极10和阴极20能够同时在其放电区40被相互电连接。

[0038] 也可仅在阳极或仅在阴极形成内部的或朝内突出的放电区，其中，两个电极中的另一个被采用传统的方法生产而具有突出的放电区。

[0039] 图7显示了根据本发明的电池电极的另一具体实施方式。图7所示的阳极10具有位于其中心的圆形切口80，而阴极20具有位于其中心的相应的放电区40。阳极10的放电区40被形成在其外周边缘，其结果是，阴极20具有位于该位置的切口80。如上所述，同种电极的放电区40相互连接并且连接极耳50被分别设置在阳极10和阴极20的放电区40。

[0040] 图8显示了根据本发明的电池电极的另一实施例。在该具体实施方式中，放电区40完全被涂膜70包围。这样的话，阳极10具有两个放电区40a和40b，并且阴极20具有两个相应的切口80a和80b。这样的话，在每种情况下连接极耳50被设置在阳极10的两个放电区40a和40b的每个上。在电极上形成多个放电区40能够改进电压损耗并且减少阻抗。

[0041] 下文说明了用于生产电池电极的具体方法。根据本发明，首先，如图9A所示，集电极衬底60被大面积地并且在两侧涂覆有涂膜70。然而，集电极衬底60也能够仅在一个表面上被大面积地或基本上全部地被涂覆。涂膜70以液态被施加到集电极衬底60。简单地，这样的话能够使用连续的涂覆技术，例如修平刀、刮刀或吻合涂覆。涂膜70然后被干燥或固化，其中，干燥状态的涂膜70的厚度例如约25μm。在涂膜70已干燥或固化之后，被涂覆的集电极衬底60被压光以压缩涂膜70。由于集电极衬底60的厚度是均匀的，因此压光过程被简化并且能够被更加有效地实施，其结果是电极材料的质量被改进。另外，被涂覆的集电极衬底60能够作为卷绕的材料而被存储并且能够作为电极材料以用于后续的其他过程。

[0042] 如图9B所示，通过激光消蚀来移除放电区40内的涂膜70并且将涂膜下方的集电极衬底60暴露，然后在被涂覆的集电极衬底60上形成至少一个放电区40。在激光消蚀的情况下，通过经受激光消蚀作用从表面移除材料。例如，被施加脉冲的高功率密度的激光辐射被用于该目的。由于热传导仅允许能量非常慢地传输至体积，因此辐照的能量被集中在表面非常薄的层上。因此，表面被较大程度地加热并且材料被瞬间蒸发或熔化。为了确保充分吸收激光，激光辐射的波长根据要被移除的材料来选择。优选地使用例如具有波长为1070 nm的掺镱激光器的雕刻或切割系统。然而，其他的气体、固体或光纤激光器也能够被使用。在加工过程中，加工气体或侧吹气体也能够被引导至表面从而促使被移除的材料离开刻痕或防止在表面上产生不期望的化学反应。通过将材料蒸发或熔化不会产生有害的杂质。

[0043] 由于通过激光消蚀来产生放电区40，因此能够形成任何期望的放电区形状和排布。特别地，放电区40能够被设置在电极表面从而使得它们不会突出电池的电极。因此，给定相同的电特性，能量密度/容量比能够被增加并且电池的尺寸能够被减小。放电区40优选地在同种电极被连接或连接极耳50被设置在放电区40之前被即刻形成。例如，相互叠加的同种电极能够通过放电区40内的焊接接触被相互连接。这样的话，连接极耳50能够被同时设置在放电区40之一上。由于放电区40仅在电极材料被进一步处理之前被短暂地形成，新的、干净的表面能够用于建立同种电极之间的接触并且能够用于安装连接极耳50。因此，能够避免放电区40内的钝化层(例如被氧化的表面)和其他的杂质。

[0044] 通过激光，不仅放电区40内的涂膜70可被移除，而且如图9C所示，集电极衬底60的薄层也能被移除。由于使用高切割精度的激光系统，激光的穿透深度能够被准确地控制，其结果是移除的材料的深度能够如期望的而被选择。因此，放电区40内的集电极衬底60能够以有针对性的方式被变薄从而减小电接触阻抗。另外，用于实现电接触的表面状况因此上能够被改进。

[0045] 图10显示了根据本发明的电池的生产过程的流程图。首先，在集电极衬底60上大面积地或基本上全部地施加墨型涂膜70 (S100)，集电极衬底60包括厚度约8-20μm的金属带。在干燥状态约25μm厚的涂膜70已经干燥或固化后，被均匀地涂覆的集电极衬底60被压光(S200)以从涂膜70中消除干燥过程中所产生的气孔或不平整。被压光和被涂覆的集电极衬底60此时能够作为卷绕的材料被存储直至其被进一步加工。为了完成电池电极，通过激光消蚀来移除被涂覆的集电极衬底60上预定放电区域40内的涂膜70(S300)。
放电区40内的集电极衬底60的薄层可以被额外地移除从而改进用于形成电接触的表面质量。在下一步骤S400中，从被涂覆的集电极衬底60中切出期望形状的电极并且或许切出期望形状的切口80。优选地通过激光来切出电极或切口80，但是，选择性地，也能够使用冲压设备。步骤S400和S300的顺序也能够被交换。阳极10和阴极20然后被交替地叠加设置从而在每种情况下同种电极的放电区40彼此相对，其中，阴极20内的切口80被设置在阳极10的放电区40之间，反之亦然。在每种情况下同种电极的放电区40然后通过例如超声波焊接相互连接，其中，在每种情况下一个连接极耳50被设置在所述放电区(S500)。选择性地，在每种情况下连接极耳50也能够在电极被组装之前被设置在阴极20或阳极10之一上。

[0046] 其他的步骤与用于生产电池的传统方法的步骤相同。电极装置被插入容器并且连接极耳50与电池的外部电压极连接（S60）。电解质然后被加入(S70)并且电池被密封(S80)，最后，实施成型步骤(S90)。

[0047] 根据本发明，通过激光消蚀所述被涂覆的集电极衬底上所产生的放电区，这样能够以合算的方式生产高质量的电池电极。由于在激光切割导引和穿透深度方面的高切割精度，也能够以准确和快速的方式切出或移除复杂的轮廓线。另外，由于能够在计算机上设计任何期望的形状以及在任何期望的位置使用激光系统形成放电区，因此可实现设计的最大自由度。特别地，放电区能够被形成使得它们不突出电池电极的外周，而是向内地伸入电池电极的涂覆区。因此，对于给定的相同的电池尺寸，能够获得更高的容量和能量密度。另外，能够形成空间优化的放电区，其结果是，只有绝对必须的区域才会通过激光消蚀而被暴露。这可节省用于移除多余的未被涂覆的电极表面和额外材料的其他工序。另外，即使是少量的电池电极，这种电池电极的生产也是合算的，其结果是，也能够以低水平的费用和低的成本生产单独配置的电池。另外，生产和材料利用方面的灵活性被增加。另外，通过使用激光形成放电区，用于生产被涂覆的集电极衬底的简单连续涂覆技术能够被使用，其结果是，生产过程更加划算。另外，全部被涂覆的集电极衬底更容易压光并且更好存储。因为在形成接触之前立即生成放电区，因此通过本发明生产方法，接触区域内的杂质或钝化层能够被避免并且接触阻抗能够被减小。