Электрод для ячейки устройства, аккумулирующего энергию, и способ его изготовления
Изобретение относится к электроду для электрохимического устройства. Техническим результатом изобретения является улучшение электрических характеристик и упрощение технологии изготовления. Согласно изобретению применяют метод высокоскоростного осаждения материалов, таких как углерод, кремний, металлы, оксиды металлов и подобные им, на металлическую подложку, определенную металлическим токосъемником. Частицы материала смешиваются с текучей средой и впрыскиваются на металлическую ленту при высоком давлении и высокой скорости. Данные частицы материала формируют активный слой металлического токосъемника. Данный металлический токосъемник применяют в качестве катода или анода, объединенных с помощью разделителя для образования ячейки вторичной батареи, металлокерамических мембран, пленочных композитных металлокерамических материалов для электронных устройств. 2 н.и. и 5 з.п. ф-лы, 26 ил., 1 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Предмет настоящего изобретения касается электрода для ячейки электрохимического устройства, имеющего улучшенную заряженную емкость ячейки, стабильность повторного использования, энергию и мощность, и способа его изготовления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Термин "нанотехнология" в целом относится к предметам, системам, механизмам и сборкам, которые меньше 100 нм и больше 1 нм. В последние годы нанотехнология используется для изготовления продуктов, то есть исходные материалы перерабатывают и обрабатывают до достижения желаемого продукта. Напротив, нанотехнология подражает природе путем создания продукта от основы, используя основной строительный блок - атом. В нанотехнологии атомы выстраивают, создавая материал, необходимый для создания других продуктов. Кроме того, нанотехнология позволяет делать более прочные и легкие материалы, такие как углеродные нанотрубчатые композитные волокна.
Одной из областей непрерывного развития и исследования является область устройств, преобразующих энергию, таких как, например, вторичные батареи, способные заряжаться электричеством после разряда и имеющие, по меньшей мере, одну электрохимическую ячейку. Данная ячейка включает в себя пару электродов и электролит, расположенный между электродами. Один из электродов называется катодом, где активный материал восстанавливается во время разряда. Другой электрод называется анодом, где другой активный материал окисляется во время разряда. Вторичные батареи относятся к батареям, способным заряжаться электричеством после разряда. Недавно интенсивные исследования провели с литиевыми вторичными батареями вследствие их высокого напряжения и высокой плотности энергии. Обычная литиевая батарея имеет анод, содержащий активный материал для выделения ионов лития во время разряда. Данный активный материал может быть металлическим литием и добавочным материалом, способным к внедрению лития между слоями. Активный материал осаждается или наносится на металлический токосъемник, образованный их металлической ленты, для увеличения электропроводящих характеристик, по меньшей мере, одного из электродов.
Ссылаясь на вышесказанное, различные способы осаждения активных материалов на металлический токосъемник использовали в приложениях предшествующего уровня техники. Один из этих способов представляет собой физическое осаждение из газовой фазы (ФОГФ), которое включает в себя испарение электронным пучком, испарение нитью накаливания и различные способы осаждения напылением, и применяется в настоящее время для образования тонких пленок на подложках, т.е. металлическом токосъемнике. Однако этот способ включает в себя многочисленные недостатки, такие как, например, не эффективные по времени скорости осаждения в отношении толщины покрытия подложки на единицу, обычно в диапазоне нескольких микрон в минуту. Другой способ известен как химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ), включая быстрое термическое ХОГФ или БТ ХОГВ, и приводит к не эффективному по времени осаждению покрытия на подложке. Технологии напыления, такие как высокочастотное наспыление или напыление на постоянном токе, а также лазерное испарение, плазменное дуговое испарение, электроискровое осаждение (ЭИО) и подобные, также известны тем, что имеют низкие скорости осаждения. Кроме того, все из вышеуказанных способов выполняют с помощью и с требованием дорогого вакуумного оборудования и не обеспечивают прочной адгезии покрытия к подложке, что является ущербным в различных приложениях, в частности при изготовлении электродов для устройств преобразующих энергию, таких как батареи.
Установлено, что эти вышеуказанные способы достигают скоростей десятков микрон в минуту. Однако, если скорости осаждения этих способов увеличивают до более высоких скоростей, это может вредно влиять на адгезию покрытия на подложке. Таким образом, эти способы ограничены осаждением покрытия, которое происходит в диапазоне 10-20 мкм в минуту, что имеет ограниченное промышленное применение, такое как производство очень тонкой батареи применяемого в электронных устройствах типа. Однако эти способы предшествующего уровня техники не являются экономичными, когда применяются при производстве других типов батарей, таких как, например, батареи для транспортных средств и подобные.
Ссылаясь на вышесказанное, другой способ, который использует вакуум, также применяется при изготовлении веществ электродов. Однако этот способ отрицательно воздействует на кристаллическую композицию материалов, осажденных на подложке. Специалистам в данной области техники будет ясно, что недостаток кислорода в шпинельных фазах приводит к превращению кубической кристаллической матрицы в тетрагональную, что отрицательно влияет на электрохимические свойства. Использование углерода в качестве проводящего агента в некоторых приложениях предшествующего уровня техники вызывает многочисленные недостатки вследствие меньшей электрической проводимости углерода по сравнению с металлами, что создает дополнительный спад напряжения на поверхности раздела с металлическим токосъемником.
Данная область техники насыщена различными другими способами и аппаратами для изготовления металлического токосъемника для электродов ячейки батареи, которые описаны в публикациях патентных заявок США №20020177032 для Suenaga; 20030203282 для Grugeon; 20040248010 для Kato и др; и в патенте США №6761744 для Tsukamato и др. Эти вышеуказанные способы предшествующего уровня техники разделяют между собой, по меньшей мере, один недостаток, заключающийся в том, что активный слой, образованный сверху металлического токосъемника электродов, определяет пространство между ними, которое отрицательно влияет на способность к цикличности и возможность надлежащей работы в приложениях, требующих более высокой С-скорости. Другим недостатком указанных выше способов, который отрицательно влияет на срок службы батареи и расходы на изготовление, связанные с этим, является то, что структура батареи, в которой активный слой образован на металлическом токосъемнике, и дополнительные связующие вещества используются для адгезии между активным слоем и металлическим токосъемником, тем самым увеличивая и массу и размер батареи, что, как указано выше, отрицательно влияет на особые характеристики батареи и связанные с этим затраты на изготовление.
Ссылаясь на вышесказанное, ни одна из ссылок предшествующего уровня техники не описывает способ образования электрода, который приводит к улучшенной батарее, имеющей электрод с достижимой пористостью, достаточной для проникновения электролита для контакта с частицами активного материала, причем проводящий агент должен обеспечивать контакт частиц активного вещества с токосъемником. В обычном способе газодинамического (холодное распыление) осаждения только металлические частицы могут осаждаться на металлической подложке. Керамические частицы внедряются в металлический токосъемник и не образуют необходимой пористости. Введение металлического порошка в смесь с керамическими компонентами приводит к пластической деформации металлических частиц при их столкновении с керамическими частицами. В результате пластической деформации металлические частицы образуют пленки на керамических частицах активного вещества. Полученный материал не имеет достаточно доступной пористой структуры и отличается низкой механической прочностью. Кроме того, не обеспечивается электрический контакт каждой частицы с токосъемником. Более того, при высоких энергиях осаждения металлические частицы могут плавиться во время столкновения. В этом случае образуются смеси. Такие смеси нарушают однородность осажденного материала.
Но даже с вышеописанной технологией, в плане эффективности в некотором отношении всегда существует необходимость в улучшенных процессах конструирования пористых электродов, которые являются легкими, тонкими, экономичными, имеют улучшенную циклическую способность, удельную энергию и мощность, а также способность работать надлежащим образом в приложениях, которые требуют более высокой С-скорости и легкости изготовления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Металлический токосъемник настоящего изобретения получают из металлической ленты, используемой для образования первого электрода, такого как анод, и второго электрода, такого как катод, объединенных в ячейку для получения электрической энергии, без ограничения объема настоящего изобретения. Металлический токосъемник первого электрода и второго электрода имеет противоположные стороны, определяющие исходную толщину. Активная сердцевина образуется внутри металлического токосъемника. Активная сердцевина образуется из первых частиц, являющихся одним целым с металлическим токосъемником, по меньшей мере, первого и второго электродов и распространяющихся от него, и вторых частиц, образованных из материала, иного, чем первые частицы металлического токосъемника. Первые и вторые частицы соединяются друг с другом, образуя пористую решетку активной сердцевины трехмерной конфигурации, расположенную внутри металлического токосъемника, в результате чего металлический токосъемник является одним целым с активной сердцевиной и представляет вторую толщину. На основании требований приложения вторая толщина может быть, по существу, такой же, как первая толщина, или меньше. Активная сердцевина смешивается с электролитом и покрывается им. Слой изолирующей полосы непрерывным образом расположен возле одной из противоположных сторон металлического токосъемника, по меньшей мере, одного из первого и второго электродов. Анодный слой образуется из лития, углерода или других материалов, покрывая активную сердцевину, распространяясь копланарно со слоем изолирующей полосы. Анодный токосъемник образован из меди, никеля или другого металла, распространяясь над анодным слоем и слоем изолирующей полосы. Изолирующий слой распространяется над анодным токосъемником, промежуточным между анодным слоем и изолирующим слоем.
Преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении уникального металлического токосъемника электрода с интегрированной активной сердцевиной, имеющей пористую структуру, полученную путем эффективного осаждения активного материала на подложку металлического токосъемника без связующего при поддержании отличной адгезии.
Другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении токосъемника, где активный слой образован внутри токосъемника, увеличивая особые характеристики ячейки.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении уникального способа изготовления электродов, где металлический токосъемник представляет наноструктурированную поверхность при низкой стоимости.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении материала электрода, имеющего улучшенную наноструктуру, который используется в качестве, по меньшей мере, катода или анода топливного элемента, приводя к низкой термической стабильности и улучшенной циклической способности.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении уникального способа формирования структуры предлагаемого электрода для ячейки на основании уникального способа осаждения с затвердеванием при высоком давлении, где частицы активного материала и затвердевшие капли, образованные в результате образования аэрозольной смеси, формируют решетку, представляющую собой непрерывную поверхность металлического токосъемника электрода.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении металлического токосъемника для электрода, демонстрирующего стабильную работу в широком диапазоне скоростей разряда и рабочих температур.
Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении высокопроизводительного оборудования и методологии для высокоскоростного осаждения частицы активного материала при подавлении ее возможного термохимического разложения.
Концепция настоящего изобретения имеет различные приложения, включая высокоэффективные тонкопленочные фотоэлектрические солнечные элементы для экономичной возобновляемой энергии, компоненты топливных элементов, такие как каталитические мембраны для экологически чистых источников энергии, суперконденсаторы для меньших и более легких портативных переносных устройств, таких как сотовые телефоны, лаптопы, тонкопленочные датчики для более эффективного мониторинга и управления температурой, освещением и влажностью, высокопроводящие проволоки с низким сопротивлением, приспособленные для изготовления широкого множества электронных устройств, и тому подобного, но не ограничиваясь ими.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие преимущества настоящего изобретения будет легче оценить, так как они станут более понятны со ссылкой на последующее подробное описание, когда рассматриваются в связи с сопровождающими чертежами, где:
фиг.1А показывает вид в разрезе структуры предлагаемого металлического токосъемника для электродов противоположной полярности, где частицы активного материала представлены кристаллами или аморфными частицами, взаимосвязанными с множеством других частиц круглой формы, представляющих сросшиеся и кристаллизованные капли расплавленного металлического токосъемника;
фиг.1В показывает вид в перспективе структуры металлического токосъемника электрода на фиг.1А;
фиг.2А показывает сегментарный вид в перспективе металлического токосъемника электрода и первые частицы, сталкивающиеся с ним, расплавляя тем самым металлический токосъемник, с некоторыми частицами, частично входящими в металлический токосъемник;
фиг.2В представляет собой частичный вид в разрезе электрода, имеющего металлический токосъемник, фиг.2А;
фиг.2С показывает сегментарный вид в перспективе металлического токосъемника электрода и первых частиц, находящихся внутри металлического токосъемника, с областями локального плавления металлического токосъемника, показанными иллюзорно;
фиг.2D представляет собой частичный вид в разрезе металлического токосъемника электрода на фиг.2С с первыми частицами, показанными иллюзорно;
фиг.2Е показывает сегментарный вид в перспективе металлического токосъемника и металлические капли, разбрызгивающиеся от металлического токосъемника в ответ на столкновение первых частиц с металлическим токосъемником, и приложение ультразвуковых колебаний;
фиг.2F представляет собой частичный вид в разрезе электрода на фиг.2Е;
фиг.2G показывает сегментарный вид в перспективе металлического токосъемника и металлические капли, затвердевшие в форме вторых частиц и взаимосвязанные с первыми частицами, образуя решетку активной сердцевины с пористой структурой внутри металлического токосъемника;
фиг.2Н представляет собой частичный вид в разрезе металлического токосъемника на фиг.2G;
фиг.3А показывает вид в перспективе аппарата для получения электрода, имеющего расположенный в нем металлический токосъемник;
фиг.3В показывает фрагментарный вид аппарата, показанного на фиг.3А;
фиг.4А-4Е показывают различные виды в разрезе металлического токосъемника настоящего изобретения, когда металлический токосъемник движется вдоль пути сборки с активной сердцевиной, образованной внутри металлического токосъемника;
фиг.5 показывает схематичный вид сборки ячейки путем объединения электродов противоположной полярности, где каждый электрод имеет предлагаемую активную сердцевину внутри токосъемника;
фиг.6А показывает различные микроскопические виды излома предлагаемого электрода, чтобы яснее показать первые и вторые наночастицы активной сердцевины, где все частицы имеют наноразмеры;
фиг.6В показывает поперечный разрез структуры исходного алюминиевого токосъемника перед осаждением активного материала;
фиг.6С показывает поперечный разрез структуры электрода с активным слоем, осажденным внутри токосъемника, показанного на фиг.6В;
фиг.7 представляет график, показывающий результаты электрохимического тестирования ячейки, имеющей катодный электрод, сформированный согласно настоящему изобретению;
фиг.8А представляет собой вид в перспективе, по меньшей мере, одной конфигурации предлагаемой ячейки;
фиг.8В и 8С показывают микроскопические виды разреза тонкой ячейки, по меньшей мере, с одним электродом, сформированным согласно настоящему изобретению; и
фиг.9 представляет другой график, показывающий результаты электрохимического тестирования ячейки, имеющей, по меньшей мере, один электрод, сформированный согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фигурах, где одинаковые численные обозначения указывают подобные или соответствующие части, электрод настоящего изобретения обычно показан как 10. Электрод 10 настоящего изобретения образован из металлической ленты, обычно обозначаемой 11 и показанной фрагментарно на фиг.1А-2Н, применяемой для образования первого электрода, такого как анод, и второго электрода, такого как катод, показанных как А и С соответственно на фиг.5 и 8В, и 8С, и разнесенных посредством разделителя S и объединенных в ячейку, в целом обозначенную 13 на фиг.8А, для получения электрической энергии без ограничения объема настоящего изобретения. Металлический токосъемник 11 первого электрода и второго электрода имеет противоположные стороны 12 и 14, определяющие начальную толщину 16, как лучше иллюстрировано на виде с разрезом, показанном на фиг.1А. Активная сердцевина, в целом обозначенная 18 на фиг.1А, образована внутри металлического токосъемника 11. Активная сердцевина 18 образуется из первых частиц 20, составляющих одно целое с металлическим токосъемником 11, по меньшей мере, одного из первого и второго электродов и распространяющихся от него. Первые частицы 20 образуются, когда вторая частица 22 сталкивается с металлическим токосъемником 11, как лучше показано на фиг.2А и 2В, приводя к локально увеличенной температуре металлического токосъемника 11, который локально плавится, как показано на фиг.2С и 2D, тогда как вторые частицы 22, по меньшей мере, частично проникают в металлический токосъемник 11. Как лучше показано на фиг.2Е и 2F, столкновение вторых частиц 22 с расплавленным металлическим токосъемником 11 создает множество аэрозольных капель 24, отделяющихся от металлического токосъемника 11, как лучше показано на фиг.2Е и 2F. Активная сердцевина 18 образуется в ответ на затвердевание аэрозольных капель 24, которое следует за локальным плавлением и ультразвуковыми кавитациями металлического токосъемника 11, формируя первые частицы 20. Первые частицы 20 составляют одно целое с металлическим токосъемником и имеют округлую или шаровидную конфигурацию, как видно на разрезе. Вторые частицы образуются из активного материала, иного, чем материал металлического токосъемника 11, и могут иметь прямоугольную конфигурацию или другую конфигурацию, и подобные, как лучше видно на фиг.1А и 1В, без ограничения объема настоящего изобретения. Округлая конфигурация вторых частиц 22, показанная на фиг.2А-2Н, приведена только в целях иллюстрации без намерения ограничить объем настоящего изобретения. Активный материал вторых частиц 22 включает в себя кремний, углерод, германий, оксиды, соли, керамические компоненты, LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, MnO2, Li, Si, C, Ge, SnO, SnO2 и подобные, но не ограничивается ими, без ограничения объема настоящего изобретения.
Первые и вторые частицы 20 и 22 соединяются друг с другом, образуя пористую решетку, в целом обозначенную 32 на фиг.1А и 1В, с трехмерной конфигурацией активной сердцевины 18, расположенную внутри металлического токосъемника 11, тем самым объединяя металлический токосъемник 11 в одно целое с активной сердцевиной 18 и образуя вторую толщину 34. Решетка 32 дополнительно определена первыми частицами 20, непрерывно соединяющимися с металлическим токосъемником 11, тем самым устраняя резкую границу раздела между решеткой 32 и металлическим токосъемником 11. Первые частицы 20 соединяются со вторыми частицами 22, и металлический токосъемник 11 диффузионным образом, по меньшей мере, частично делает доступными вторые частицы посредством решетки 32. Альтернативно вторые частицы 22 находятся внутри решетки 32 активной сердцевины 18 и не доступны извне активной сердцевины 18. Первые частицы 20 и вторые частицы 22 свободны от низкопроводящих пленок на поверхности раздела, определенной между первыми и вторыми частицами 20 и 22, и металлическим токосъемником 11. Первые частицы 20 сплавляются друг с другом, образуя межслойную структуру решетки 32, со вторыми частицами 22, расположенными между ними. Вторые частицы 22 и металлический токосъемник 11 определяют точки контакта, имеющие температуру термического разложения, меньшую, чем температура плавления первых частиц 20. Вторые частицы 22 имеют размер в диапазоне от, по меньшей мере, 50 нм до 500 нм. Первые частицы 20 имеют размер в диапазоне от, по меньшей мере, 5 нм до 100 нм.
На основании требований приложений вторая толщина 34 может быть, по существу, такой же или меньшей, чем первая толщина 16. Решетка 32 имеет множество пор, причем только некоторые поры показаны как 36 на фиг.1А. Решетка 32 может иметь 60 процентов пор 36 и 40 процентов первых и вторых частиц 20 и 22 от общего объема активной сердцевины 18. Это отношение не предназначено ограничивать объем настоящего изобретения. Поры 36 могут составлять до 80 процентов активной сердцевины 18 или только 0,55 процента активной сердцевины 18. Это отношение не предназначено ограничивать объем настоящего изобретения. Активная сердцевина 18 смешивается с и покрывается электролитом, как лучше показано обозначением 38 на фиг.4С. Электролит 38 может быть жидким или не жидким.
Ссылаясь на вышесказанное, одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в отсутствии оксидной пленки в точках контакта первых и вторых частиц 20 и 22, которая снижает электрическое сопротивление на поверхности раздела активного вещества катода С и металлического связующего. Множество точек контакта, определенных между частицами 20 и 22 и металлическим токосъемником 11, делают большую часть активной сердцевины 18 открытой для электрохимического взаимодействия с электролитом. Размер первых частиц 20, как видно в поперечном разрезе, составляет от 5 до 100 нм. Размер вторых частиц 22, образованных из активного вещества, составляет от 50 до 500 нм. Основываясь на результатах, полученных заявителем с помощью количественного электронно-микроскопического обследования, среднее число контактов металла, т.е. первых частиц 20 и металлического токосъемника 10, со вторыми частицами 22 из активного материала составляет 25-32 на квадратный микрон поверхности частиц, тем самым обеспечивая надежный и улучшенный выход электронов в металлический токосъемник 10 во время циклических изменений размера частиц активного вещества во время обратимой работы электрода в ячейке 13. В некоторых применениях настоящего изобретения трехмерная решетка 32 имеет низкую толщину, и вторые частицы 22 образуют плотную однослойную пленку на поверхности электрода.
Фиг.3А и 3В показывают фрагментарные виды предлагаемого аппарата 40 настоящего изобретения, который подробно описан в порядковом номере патентной заявки, включенной сюда во всей полноте. Фиг.3А и 3В показывают сопло 42, через которое вторые частицы 22 активного материала внедряются в ленту 44 металлического токосъемника 10, прокатываемую между парой валиков 46 и 48. Ультразвуковой вибратор, в целом обозначенный 45 на фиг.3А и 3В, расположен так, чтобы упираться во внутреннюю сторону ленты 44. Функциональные аспекты и задача ультразвукового вибратора 45 описаны в патентной заявке с порядковым номером 11/000000, включенной сюда во всей полноте посредством ссылки. Щетка 50 расположена возле ленты 44, чтобы удалять избыток первых и вторых частиц 20 и 22. Фиг.4А-4Е показывают различные виды в разрезе электрода 10 настоящего изобретения, когда металлический токосъемник 11 движется вдоль пути сборки с активной сердцевиной 18, формирующейся внутри металлического токосъемника 11. Когда активная сердцевина 18 образована внутри металлического токосъемника 11, как описано выше, и заполнена и/или смешана с электролитом 38, слой изолирующей полосы 60 непрерывно помещается возле одной из противоположных сторон 12 электрода 10, по меньшей мере, одного из первого и второго электродов. Анодный слой 62 образуется из лития, покрывая активную сердцевину 18, распространяясь копланарно со слоем изолирующей полосы 60. Анодный токосъемник 64 образуется из меди, никеля или другого металла и распространяется над анодным слоем 62 и слоем изолирующей полосы 60. Изолирующий слой 66 распространяется над анодным токосъемником 64, промежуточным между анодным слоем 62 и изолирующим слоем 66. Структура металлического токосъемника 11, представленная выше, применима и для анода А и для катода С настоящего изобретения. Фиг.8В и 8С показывают разрез ячейки, которая включает в себя анод и катод С, образованные по способу настоящего изобретения, ясно показывая размеры анода 15 мкм, катода 9 мкм и разделителя S 10 мкм. Таблица, приведенная ниже, показывает размеры и технические характеристики предпочтительного варианта осуществления ячейки 13 настоящего изобретения. Однако эти размеры показаны для примерных целей в качестве одного из вариантов осуществления настоящего изобретения и не предназначены ограничивать объем настоящего изобретения.
| Катод - Al токосъемник с активным веществом LiMn 2 O 4 | Толщина, мкм | 9 |
| Δm, мг/см 2 | 0,7-0,9 | |
| Разделитель + полимерный электролит | Толщина, мкм | 10-16 |
| Анод - Cu токосъемник с Li | Толщина, мкм | 15 |
| Вся батарея | Ожидаемая толщина, мкм | 40 |
| Реальная толщина, мкм См фиг.8 |
50 | |
| Емкость, мАч/см2 при низком токе | 0,07-0,09 | |
| Объем, см3 | 0,01 | |
| Емкость, мАч при низком токе разряда | 0,18 | |
| Среднее напряжение, В при низком токе разряда | 3,9 | |
| Плотность энергии, Втч/л | 70 | |
| Пиковая мощность, Вт/л | >500 |
Как лучше показано на фиг.5, процесс сборки "вал к валу" настоящего изобретения, в целом, обозначен как 68. Катод С и анод А прокатываются с двух разнесенных барабанов 70 и 72 вдоль пути 74 сборки, причем металлические токосъемники 10 и катода С и анода А обращены друг к другу. Электролит с разделителем (если необходимо) 76, жидкий или не жидкий, впрыскивают между катодом С и анодом А в добавление к электролиту 38 металлического токосъемника 11. Нагревающий элемент (не показан) находится возле пути 74 сборки для нагрева электролита 76, тем самым улучшая полимеризацию электролита 76. После того как катод С и анод А герметично соединяются 80, пара режущих устройств 82 и 84, расположенных на обеих сторонах пути 74 сборки, разрезает собранный катод С и анод А на множество готовых ячеек 13. Многочисленные механические, лазерные и электрические устройства применяются в качестве режущих устройств 82 и 84 и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Ячейки 13 герметично уплотняются по периферийному краю или периферии 86.
Фиг.6А-6С показывают различные микроскопические виды в разрезе, чтобы яснее показать первые и вторые наночастицы 20 и 22 активной сердцевины 18, где все из частиц имеют наноразмеры. Фиг.7 представляет график, показывающий результаты электрохимического тестирования катодного электрода 10, полученного согласно данному изобретению. Фиг.8А представляет собой вид в перспективе, по меньшей мере, одной конфигурации предлагаемой ячейки. Фиг.8В и 8С показывают микроскопические виды в разрезе электродов противоположной полярности, где, по меньшей мере, один электрод образован согласно данному изобретению. Фиг.9 представляет другой график, показывающий результаты электрохимического тестирования ячейки, показанной на фиг.8А-С, имеющей, по меньшей мере, один электрод, изготовленный согласно настоящему изобретению.
Ссылаясь на выше сказанное, электрод 10 и способ его образования имеют многочисленные ценные преимущества над электродами и способами предшествующего уровня техники. Одним из преимуществ, например, является уникальная структура электрода 10, где активная сердцевина 18 формируется без органического связующего вещества, т.е. с помощью предлагаемого способа затвердевания аэрозольных капель 24 металлического токосъемника 11 и частиц 22 активного материала при обеспечении адгезии между ними. Другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении уникального способа изготовления электродов А и/или С, где металлический токосъемник 11 имеет наноструктурную поверхность, имеет низкую термическую устойчивость и улучшенный циклический срок службы. Данный уникальный способ формирования электродов А и/или С использует способ осаждения с затвердеванием при высоком давлении, где частицы 22 активного материала и затвердевшие капли 24 образуются в результате образования аэрозольной смеси, образуя решетку 32, представляющую собой непрерывную поверхность металлического токосъемника 11 электродов А и/или С. Концепция настоящего изобретения имеет различные приложения, включая высокоэффективные тонкопленочные фотоэлектрические солнечные элементы для экономичной возобновляемой энергии, компоненты топливных элементов, такие как каталитические мембраны для экологически чистых источников энергии, суперконденсаторы для меньших и более легких портативных переносных устройств, таких как сотовые телефоны, лаптопы, тонкопленочные датчики для более эффективного мониторинга и управления температурой, освещением и влажностью, высокопроводящие проволоки с низким сопротивлением, приспособленные для изготовления широкого множества электронных устройств, и тому подобного, но не ограничиваясь ими.
Хотя данное изобретение описано со ссылкой на типичный вариант осуществления, специалисту в данной области техники будет понятно, что различные изменения могут быть сделаны, и эквиваленты могут замещать его элементы без отклонения от объема данного изобретения. Кроме того, много модификаций может быть сделано, чтобы приспособиться к конкретной ситуации или материалу, в описании данного изобретения без отклонения от его существенного объема. Поэтому предполагается, что данное изобретение не ограничивается конкретным вариантом осуществления, описанным в качестве лучшего варианта, рассматриваемого для выполнения данного изобретения, но что данное изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, попадающие в объем приложенной формулы изобретения.
1. Ячейка, имеющая первый электрод и второй электрод, для получения электрической энергии, содержащая: металлический токосъемник, по меньшей мере, для одного из первого и второго электродов, представляющих противоположные стороны; и активную сердцевину, образованную внутри металлического токосъемника из первых частиц, составляющих одно целое с металлическим токосъемником и распространяющихся от него, и вторых частиц, соединяющихся с первыми частицами, образуя таким образом пористую структуру активной сердцевины внутри металлического токосъемника, причем первые частицы дополнительно определены сросшимися и кристаллизованными каплями упомянутого металла металлического токосъемника.
2. Ячейка по п.1, в которой вторые частицы и металлический токосъемник определяют точки контакта, причем упомянутые точки контакта имеют температуру термического разложения ниже температуры плавления первых частиц.
3. Ячейка по п.2, в которой вторые частицы имеют размер в диапазоне от, по меньшей мере, 50 нм до 500 нм и упомянутые первые частицы имеют размер в диапазоне от, по меньшей мере, 5 нм до 100 нм.
4. Ячейка по п.3, в которой поры, определенные решеткой, составляют до 60% объема активной сердцевины.
5. Ячейка по п.4, в которой вторые частицы дополнительно определены кремнием, углеродом, германием, оксидами, солями, керамическими компонентами и их комбинацией.
6. Ячейка по п.3, в которой решетка образована в результате столкновения вторых частиц с металлическим токосъемником, приводящего к локальной увеличенной температуре металлического токосъемника и образованию аэрозольных капель в ответ на увеличенную температуру, локальное плавление и ультразвуковую кавитацию металлического токосъемника и затвердеванию упомянутых аэрозольных капель с образованием первых частиц.
7. Ячейка для получения электрической энергии, содержащая: первый электрод и второй электрод, каждый из которых образован из металлического токосъемника, имеющего противоположные стороны, определяющие исходную толщину, активную сердцевину, образованную из первых частиц, составляющих одно целое с металлическим токосъемником, по меньшей мере, одного из первого и второго электродов и распространяющихся от него, и вторых частиц, соединяющихся с первыми частицами, образуя пористую решетку трехмерной конфигурации активной сердцевины, расположенную внутри металлического токосъемника, в результате чего металлический токосъемник, составляющий одно целое с активной сердцевиной, имеет вторую толщину вплоть до исходной толщины, причем активная сердцевина смешана с электролитом и покрыта им, причем первые частицы сплавлены друг с другом, образуя межслойную структуру решетки, причем вторые частицы и металлический токосъемник определяют точки контакта, имеющие температуру термического разложения ниже температуры плавления первых частиц; слой изолирующей полосы, непрерывно расположенный возле одной из противоположных сторон упомянутого металлического токосъемника, по меньшей мере, одного из первого и второго электродов с активной сердцевиной, доступной через слой изолирующей полосы, анодный слой, образованный из лития, покрывающий активную сердцевину и распространяющийся копланарно со слоем изолирующей полосы, анодный токосъемник, образованный из меди и распространяющийся над анодным слоем и слоем изолирующей полосы, и изолирующий слой, распространяющийся над анодным токосъемником, промежуточным между анодным слоем и изолирующим слоем.
