Батареи с электродами в виде покрытия, нанесенного прямо на нанопористые сепараторы

Батареи с электродами в виде покрытия, нанесенного прямо на нанопористые сепараторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к области батарей и других элементов, являющихся источниками электрического тока. В частности, настоящее изобретение касается литиевых батарей, в которых применяются нанопористые сепараторы, а также способов изготовления литиевых батарей, дающих преимущества в результате использования нанопористой структуры сепаратора, на которую накладываются другие слои батареи в требуемой конфигурации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Литиевые батареи, включая перезаряжаемые батареи (или литиево-ионные аккумуляторы), неперезаряжаемые батареи (или батареи первичных литиевых элементов), а также другие типы, например батареи системы литий-сера, в типичном случае изготовляют путем поочередного наложения друг на друга пластикового сепаратора, металлической подложки со слоем катодного покрытия на обеих ее сторонах, другого пластикового сепаратора и другой металлической подложки со слоем анодного покрытия на обеих ее сторонах. Для обеспечения совмещения полос этих материалов и по другим причинам, связанным с качеством, это чередующееся наложение слоев обычно выполняют на автоматическом оборудовании, которое является сложным и дорогостоящим. Кроме того, для достижения достаточной механической прочности и целостности сепараторы и металлические подложки делают относительно толстыми, например толщиной в 10 микрон или больше. Например, типичная толщина медной металлической подложки для нанесения анодных слоев покрытия составляет 10 микрон, типичная толщина алюминиевой металлической подложки для слоев катодного покрытия составляет 12 микрон, а типичная толщина пластиковых сепараторов находится в диапазоне от 12 до 20 микрон. Эти толстые сепараторы и металлические подложки не являются электрохимически активными, а следовательно, уменьшают объем электроактивного материала в электродах литиевых батарей. Это приводит к ограничению удельной энергии и удельной мощности литиевых батарей.

Новые применения, в которых используются литиевые батареи, включают мощные аккумуляторы для гибридных, сменных гибридных и электрических автомобилей. В отличие от цилиндрических металлических элементов, применяемых в литиевых батареях для портативных компьютеров, многие литиевые батареи для автомобилей имеют плоскую или призматическую конструкцию. Кроме того, литиевые автомобильные батареи должны быть экономичными. Возможные подходы для получения более мощных и более экономичных литиевых батарей для автомобилей и других применений включают значительное повышение доли или процента объема электроактивного материала в каждой батарее и снижение сложности и стоимости автоматизированного оборудования для изготовления батареи.

Было бы выгодно, если бы литиевая батарея содержала намного более тонкие сепараторы и металлические подложки, чем применяемые в настоящее время, а вследствие этого - и больший объем электроактивного материала. Особенно выгодно было бы, если бы такую литиевую батарею можно было изготовлять на менее сложном и более дешевом оборудовании, чем, например, намоточное устройство, применяемое для батарей портативных компьютеров, и к тому же на оборудовании, приспособленном, в частности, для изготовления плоских или призматических батарей.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение в целом касается батарей и других элементов, вырабатывающих электрический ток, в частности литиевых батарей, в которых применяются нанопористые сепараторы, в частности термостойкие сепараторы, характеризующиеся стабильностью размеров при температурах около 200°С и выше, а также способов изготовления литиевых батарей, использующих преимущество нанопористой структуры сепаратора для нанесения на такой сепаратор других слоев покрытия с нужной толщиной и конфигурацией, требуемых для работы батареи.

Один аспект настоящего изобретения касается литиевой батареи, содержащей (а) пакет сепаратор/катод, при этом пакет сепаратор/катод содержит слой токового коллектора катода, располагающийся между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого катодного слоя, противоположного слою токового коллектора катода, при этом первый катодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; (б) пакет сепаратор/анод, при этом пакет сепаратор/анод содержит слой токового коллектора анода, располагающийся между первым анодным слоем и вторым анодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого анодного сдоя, противоположного слою токового коллектора анода, при этом первый анодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; и (в) электролит; при этом батарея содержит чередующиеся слоями пакеты сепаратор/катод и сепаратор/анод. В одном варианте воплощения настоящего изобретения некоторый участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению, участок пакета сепаратор/катод, который не контактирует с пакетом сепаратор/анод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод, не контактирующими с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/катод и с указанными дополнительными одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/анод.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению некоторый участок пакета сепаратор/анод не контактирует с пакетом сепаратор/катод. В одном варианте воплощения изобретения тот участок пакета сепаратор/анод, который не контактирует с пакетом сепаратор/катод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/анод, не контактирующими с пакетом сепаратор/катод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/анод и с указанными дополнительными одним или несколькими участками пакета сепаратор/анод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/катод. В одном варианте воплощения изобретения тот участок пакета сепаратор/катод, который не контактирует с пакетом сепаратор/анод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод, не контактирующими с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/катод и с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/анод.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора катода нанесен в виде покрытия прямо на первый катодный слой. В одном варианте воплощения изобретения поверхность первого катодного слоя, примыкающего к сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности сепараторного слоя, примыкающего к первому катодному слою, а контур поверхности сепараторного слоя такой же, каким был до нанесения первого катодного слоя на сепараторный слой. В одном варианте воплощения изобретения первый катодный сой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и эти электродные частицы не присутствуют в сепараторном слое, примыкающем к первому катодному слою. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой пакета сепаратор/катод содержит сепараторные частицы, и эти сепараторные частицы не присутствуют в первом катодном слое, примыкающем к сепараторному слою. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора катода в пакете сепаратор/катод содержит алюминиевый слой. В одном варианте воплощения толщина этого алюминиевого слоя составляет менее 3 микрон.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора анода нанесен в виде покрытия прямо на первый анодный слой. В одном варианте воплощения изобретения поверхность первого анодного слоя, примыкающего к сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности сепараторного слоя, примыкающего к первому анодному слою, а контур поверхности сепараторного слоя такой же, каким был до нанесения первого анодного слоя на сепараторный слой. В одном варианте воплощения изобретения первый анодный сой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и эти электродные частицы не присутствуют в сепараторном слое, примыкающем к первому анодному слою. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой пакета сепаратор/анод содержит сепараторные частицы, и эти сепараторные частицы не присутствуют в первом анодном слое, примыкающем к сепараторному слою. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора анода в пакете сепаратор/анод содержит алюминиевый слой. В одном варианте воплощения толщина этого алюминиевого слоя составляет менее 3 микрон.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению диаметр пор сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения средний диаметр пор сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения изобретения толщина сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 9 микрон, а предпочтительно - менее 6 микрон. В одном варианте воплощения сепараторный слой как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод содержит пористый слой, содержащий алюминиевый бемит.

Другой аспект настоящего изобретения касается литиевой батареи, содержащей (а) пакет сепаратор/катод, при этом пакет сепаратор/катод содержит слой токового коллектора катода, располагающийся между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого катодного слоя, противоположного слою токового коллектора катода, при этом первый катодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; (б) пакет сепаратор/анод, при этом пакет сепаратор/анод содержит слой токового коллектора анода, располагающийся между первым анодным слоем и вторым анодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого анодного слоя, противоположного слою токового коллектора анода, при этом первый анодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; и (в) электролит; при этом батарея содержит чередующимися слоями пакет сепаратор/катод и пакет сепаратор/анод. В одном варианте воплощения настоящего изобретения часть пакета сепаратор/катод не находится в контакте с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения анодный слой содержит металлический литий. В одном варианте воплощения первый катодный слой и второй катодный слой содержат серу или полисульфид по формуле S_x ^2-, где х - целое число от 2 до 8.

Другой аспект настоящего изобретения касается способа изготовления литиевой батареи, содержащего этапы: (а) нанесения пористого сепараторного слоя на подложку; (б) нанесения первого катодного слоя прямо на первый участок сепараторного слоя; (в) нанесения одного или нескольких слоев токового коллектора катода прямо на первый катодный слой; (г) нанесения второго катодного слоя прямо на указанные один или несколько слоев токового коллектора катода; (д) нанесения первого анодного слоя прямо на второй участок сепараторного слоя; (е) нанесения одного или нескольких слоев токового коллектора анода прямо на первый анодный слой; и (ж) нанесения второго анодного слоя прямо на указанные один или несколько слоев токового коллектора анода. В одном варианте воплощения изобретения после этапа (ж) выполняется следующий этап (з), состоящий в отслаивании подложки от - первого и второго участков сепараторного слоя с целью получения пакета сепаратор/катод и сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения после этапа (з) выполняется следующий этап (и), состоящий в наложении друг на друга пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод с целью получения сухого элемента сепаратор/электроды. В одном варианте воплощения изобретения пакет сепаратор/катод и пакет сепаратор/анод до этапа поочередного наложения друг на друга имеют листовую конфигурацию.

В одном варианте воплощения изобретения после этапа (и) участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод, а участок пакета сепаратор/анод не контактирует с пакетом сепаратор/катод, при этом первое приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами соединяет электрически два или несколько таких участков пакета сепаратор/катод, а второе приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами соединяет электрически два или несколько таких участков пакета сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения выполняются дополнительные этапы (1) заключения указанного сухого элемента сепаратор/электроды в корпус и (2) заполнения электролитом и герметизации.

В одном варианте способов изготовления литиевых батарей по настоящему изобретению, по меньшей мере, один из указанных одного или нескольких слоев токового коллектора катода по этапу (в) содержит металлический слой, и толщина этого металлического слоя составляет менее 3 микрон. В одном варианте способов изготовления литиевых батарей по настоящему изобретению, по меньшей мере, один из указанных одного или нескольких слоев токового коллектора анода по этапу (е) содержит металлический слой, и толщина этого металлического слоя составляет менее 3 микрон. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой имеет поры диаметром менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения изобретения толщина сепараторного слоя составляет менее 9 микрон, а предпочтительно - менее 6 микрон.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

С целью иллюстрации настоящего изобретения конкретные варианты компоновки и методологии показаны на чертежах. Однако следует понимать, что объем настоящего изобретения не ограничивается конкретными показанными вариантами компоновки или представленными в подробном описании методологиями.

На Фиг.1 представлен вид в разрезе чередующихся слоев пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод, при этом некоторый участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод.

На Фиг.2 представлен вид в разрезе пакета сепаратор/катод, в котором слой токового коллектора расположен между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а пористый сепараторный слой расположен на одной стороне первого катодного слоя.

На Фиг.3 представлен вид в разрезе пакета сепаратор/анод, в котором слой токового коллектора расположен между первым анодным слоем и вторым анодным слоем, а пористый сепараторный слой расположен на одной стороне первого анодного слоя.

На Фиг.4 представлен вид в разрезе приспособления с электропроводящими штырьковыми контактами, которое осуществляет электрическое соединение между участком пакета сепаратор/катод, не осуществляя электрического соединения с пакетом сепаратор/анод.

На Фиг.5 представлен вид в разрезе чередующихся слоев пакета сепаратор/катод и пакета сепаратор/анод, при этом участок пакета сепаратор/анод не контактирует с пакетом сепаратор/катод.

На Фиг.6 представлен вид в разрезе приспособления с электропроводящими штырьковыми контактами, которое осуществляет электрическое соединение между участком пакета сепаратор/анод, не осуществляя электрического соединения с пакетом сепаратор/катод.

На Фиг.7 представлен вид сверху чередующихся слоев, при этом первое приспособление по Фиг.4 находится в электрическом контакте с участком пакета сепаратор/катод по Фиг.1 и с дополнительными одним или несколькими лежащими ниже участками пакета сепаратор/катод, и при этом второе приспособление по Фиг.6 находится в электрическом контакте с участком пакета сепаратор/анод по Фиг.5 и с дополнительными одним или несколькими лежащими ниже участками пакета сепаратор/анод.

На Фиг.8 представлен вид в разрезе нанесенного на подложку пакета сепаратор/катод до выполнения этапа отслоения подложки с целью ее удаления.

На Фиг.9 представлен вид в разрезе нанесенного на подложку пакета сепаратор/анод до выполнения этапа отслоения подложки с целью ее удаления.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Литиевые батареи и способы изготовления литиевых батарей по настоящему изобретению предоставляют гибкий и эффективный подход для производства литиевых батарей с высокими плотностями энергии и мощности и с низкими капиталовложениями на оборудование и производство.

Один аспект настоящего изобретения касается литиевой батареи, содержащей (а) пакет сепаратор/катод, при этом пакет сепаратор/катод содержит слой токового коллектора катода, располагающийся между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого катодного слоя, противоположного слою токового коллектора катода, при этом первый катодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; (б) пакет сепаратор/анод, при этом пакет сепаратор/анод содержит слой токового коллектора анода, располагающийся между первым анодным слоем и вторым анодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого анодного слоя, противоположного слою токового коллектора анода, при этом первый анодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; и (в) электролит; при этом батарея содержит чередующимися слоями пакеты сепаратор/катод и сепаратор/анод. В одном варианте воплощения настоящего изобретения некоторый участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод.

Применительно к настоящему описанию термин «батарея» относится как к единичному элементу, вырабатывающему электрический ток, так и к множеству элементов, вырабатывающих электрический ток и объединенных в одном корпусе или упаковке. Применительно к настоящему описанию термин «литиевая батарея» относится ко всем типам литиевых батарей, известных в данной отрасли, включая (но не ограничиваясь) перезаряжаемые батареи или батареи вторичных литиевых элементов, неперезаряжаемые батареи или батареи первичных литиевых элементов, а также другие типы литиевых батарей, например батареи системы литий-сера.

Применительно к настоящему описанию термин «слой токового коллектора» относится к одному или нескольким токособирающим слоям, примыкающим к катодному слою. Перечень включает (но не ограничивает) единичный проводящий слой или подложку из металла, а также единичный проводящий слой или подложку из металла с нанесенным проводящим покрытием, например с полимерным покрытием на основе сажи. Примерами проводящей металлической подложки, играющей роль токового коллектора, являются металлическая подложка, содержащая алюминий, которая обычно применяется в качестве слоя токового коллектора и в качестве подложки для слоя положительного электрода (или катодного слоя), а также металлическая подложка, содержащая медь, которая обычно применяется в качестве слоя токового коллектора или в качестве подложки для отрицательного электродного слоя (или анодного слоя). Слои токового коллектора как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод могут содержать электропроводящий материал, выбранный из группы, состоящей из электропроводящих металлов, включая металлические пигменты или частицы, из электропроводящих углеродов, включая сажу и графитные пигменты, а также из электропроводящих полимеров. Эти электропроводящие материалы могут комбинироваться с органическим полимером для повышения механической прочности и гибкости при образовании слоя токового коллектора.

Применительно к настоящему описанию термин «электродный слой» относится к тому слою в батарее, который содержит электроактивный материал. Если электродным слоем является слой, где литий присутствует (как в случае с батареей первичных литиевых элементов) или (как в случае перезаряжаемых литиевых батарей) образуется в процессе зарядки батареи и окисляется до ионов лития в процессе разрядки батареи, то такой электродный слой называется анодным или отрицательным электродным слоем. Другой электрод противоположной полярности называется катодным или положительным электродным слоем. Любой из электроактивных материалов, применяющихся в литиевых батареях, может применяться в электродных слоях для литиевых батарей по настоящему изобретению. Примеры включают (не ограничиваясь) оксид лития с кобальтом, оксид лития с марганцем, литий-железо-фосфат, а также серу в качестве электроактивных материалов для катодных слоев, а в качестве электроактивных материалов для анодных слоев - титанат лития, литий - интеркалированный углерод, литий - интеркалированный графит и металлический литий.

Применительно к настоящему описанию термин «электролит» относится к любому из электролитов, применяемых в литиевых батареях. Перечень пригодных электролитов включает (не ограничиваясь) жидкие электролиты, гелевые полимерные электролиты и твердые полимерные электролиты. Перечень пригодных жидких электролитов включает (не ограничиваясь) растворы LiPF₆, в смеси органических растворителей, таких, например, как смесь карбоната этилена, карбоната пропилена и этил-метил карбоната.

На Фиг.1 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) чередующихся слоями пакета сепаратор/катод 10 и пакета сепаратор/анод 20, где участок 12 пакета сепаратор/катод 10 не контактирует с пакетом сепаратор/анод 20. Одна из целей такой компоновки, когда некоторый участок пакета сепаратор/катод не контактирует с пакетом сепаратор/анод, например участок пакета сепаратор/катод, сверху или снизу которого нет слоев пакета сепаратор/анод, состоит в том, чтобы образовать область в пакете сепаратор/катод, где индивидуальные слои токового коллектора катода могли быть прямо соединены электрическим соединением друг с другом для более эффективной работы литиевой батареи.

На Фиг.2 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) пакета сепаратор/катод 10 по настоящему изобретению, в котором слой токового коллектора катода 14 расположен между первым катодным слоем 16 и вторым катодным слоем 17, а сепараторный слой 18 расположен на одной стороне первого катодного слоя 16. На Фиг.3 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) пакета сепаратор/анод 20 по настоящему изобретению, в котором слой токового коллектора анода 24 расположен между первым анодным слоем 26 и вторым анодным слоем 27, а сепараторный слой 28 расположен на одной стороне первого анодного слоя 26.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению тот участок пакета сепаратор/катод, который не контактирует с пакетом сепаратор/анод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод, не контактирующими с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/катод и с указанными дополнительными одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод и не находится в электрическом контакте с пакетом сепаратор/анод.

Применительно к настоящему описанию термин «приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами» и «электропроводящие иглы» относится к любой механической конфигурации, которая может соединять электрически два или несколько участков пакета сепаратор/катод, или два или несколько участков пакета сепаратор/анод. Перечень примеров включает (не ограничиваясь) металлические иглы, металлические штыри, металлические зажимы с металлическими выступами для проникновения через множественные слои или без таких выступов, а также металлические винты и все эти металлические детали в комбинации с любыми частями корпуса, имеющего отверстия или конструктивные детали, предназначенные для установки в нужное положение и для фиксации этих металлических соединительных деталей и внешних материалов для электрического соединения. Указанным металлом может быть никель или любой другой электропроводящий металл или неметаллический материал, совместимый и стабильный по отношению к конкретному электродному слою, слою токового коллектора или электролиту.

На Фиг.4 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) приспособления 30 с электропроводящими штырьковыми контактами 32, которое осуществляет электрические соединения между двумя или несколькими участками 12 пакета сепаратор/катод 10, не осуществляя электрического соединения с пакетом сепаратор/анод 20. Электропроводящие иглы 32 в предпочтительном варианте расположены в проемах или отверстиях приспособления 30, проходят сквозь них и зафиксированы ими в нужном положении. Та часть приспособления 30, которая не является электропроводящими штырьковыми контактами, может быть непроводящим пластиковым материалом, который в некоторых случаях (по желанию) может быть интегрирован в корпус батареи, а в альтернативном варианте может быть электропроводящим материалом, например металлом или металлическими частицами в пластиковом материале, что полезно для выполнения электрического подключения батареи к внешней цепи.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению некоторый участок пакета сепаратор/анод не контактирует с пакетом сепаратор/катод. На Фиг.5 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) чередующихся слоями пакета сепаратор/катод 10 и пакета сепаратор/анод 20, где участок 22 пакета сепаратор/анод 20 не контактирует с пакетом сепаратор/катод 10. Аналогично ситуации, описанной выше для пакета сепаратор/катод, одна из целей того, чтобы участок пакета сепаратор/анод не контактировал с пакетом сепаратор/катод (например, участок пакета сепаратор/анод, сверху или снизу которого нет слоев пакета сепаратор/катод), состоит в том, чтобы образовать область пакета сепаратор/анод, где индивидуальные слои токовых коллекторов могли быть прямо связаны электрически друг с другом для более эффективной работы литиевой батареи. В одном варианте воплощения изобретения тот участок пакета сепаратор/анод, который не контактирует с пакетом сепаратор/катод, находится в контакте с одним или несколькими участками пакета сепаратор/анод, не контактирующими с пакетом сепаратор/катод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/анод и с указанными дополнительными одним или несколькими участками пакета сепаратор/анод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/катод. На Фиг.6 показан в качестве примера вид в разрезе (не в масштабе) приспособления 40 с электропроводящими штырьковыми контактами 42, которое осуществляет электрические соединения между участками 22 пакета сепаратор/анод 20, не осуществляя электрического соединения с пакетом сепаратор/катод 10. Электропроводящие иглы 42 в предпочтительном варианте расположены в проемах или отверстиях приспособления 40, проходят сквозь них и зафиксированы ими в нужном положении. Та часть приспособления 40, которая не является электропроводящими штырьковыми контактами, может быть непроводящим пластиковым материалом, который в некоторых случаях (по желанию) может быть интегрирован в корпус батареи, а в альтернативном варианте может быть электропроводящим материалом, например металлом или металлическими частицами в пластиковом материале, что полезно для выполнения электрического подключения батареи к внешней цепи. В одном варианте воплощения изобретения участок пакета сепаратор/катод; который не контактирует с пакетом сепаратор/анод, находится в контакте с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод, не контактирующими с пакетом сепаратор/анод. В одном варианте воплощения изобретения приспособление с электропроводящими штырьковыми контактами находится в электрическом контакте с указанным участком пакета сепаратор/катод и с дополнительным одним или несколькими участками пакета сепаратор/катод и не контактирует ни с одним из участков пакета сепаратор/анод. На Фиг.7 показан в качестве примера вид сверху (не в масштабе) чередующихся слоев, где приспособление 30 по Фиг.4 находится в электрическом контакте с участком 12 пакета сепаратор/катод 10 по Фиг.1 и с дополнительными лежащими ниже одним или несколькими участками 12 пакета сепаратор/катод 10, а приспособление 40 по Фиг.6 находится в электрическом контакте с участком 22 пакета сепаратор/анод 20 по Фиг.5 и с дополнительными лежащими ниже одним или несколькими участками 22 пакета сепаратор/анод 20.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора катода нанесен в виде покрытия прямо на первый катодный слой. В одном варианте воплощения изобретения второй катодный слой нанесен прямо на первый слой токового коллектора катода. В одном варианте воплощения изобретения поверхность первого катодного слоя, примыкающего к сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности сепараторного слоя, примыкающего к первому катодному слою, а контур поверхности сепараторного слоя такой же, каким он был до нанесения первого катодного слоя на этот сепараторный слой. В одном варианте воплощения изобретения первый катодный сой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и эти электродные частицы не присутствуют в сепараторном слое, примыкающем к первому катодному слою. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой пакета сепаратор/катод содержит сепараторные частицы, и эти сепараторные частицы не присутствуют в первом катодном слое, примыкающем к сепараторному слою. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора катода в пакете сепаратор/катод содержит алюминиевый слой. В одном варианте воплощения толщина этого алюминиевого слоя составляет менее 3 микрон.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора анода нанесен в виде покрытия прямо на первый анодный слой. В одном варианте воплощения изобретения второй анодный слой нанесен прямо на слой токового коллектора анода. В одном варианте воплощения изобретения поверхность первого анодного слоя, примыкающего к сепараторному слою, имеет контур, соответствующий контуру поверхности сепараторного слоя, примыкающего к первому анодному слою, а контур поверхности сепараторного слоя такой же, как и был до нанесения первого анодного слоя на сепараторный слой. В одном варианте воплощения изобретения первый анодный сой содержит электродные частицы, выбранные из группы, состоящей из электроактивных частиц и электропроводящих частиц, и эти электродные частицы не присутствуют в сепараторном слое, примыкающем к первому анодному слою. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой пакета сепаратор/анод содержит сепараторные частицы, и эти сепараторные частицы не присутствуют в первом анодном слое, примыкающем к сепараторному слою. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора анода в пакете сепаратор/анод содержит металлический слой, выбранный из группы, состоящей из медного слоя и никелевого слоя. В одном варианте воплощения толщина этого металлического слоя составляет менее 3 микрон.

В одном варианте конструкции слоев токового коллектора катода и слоев токового коллектора анода для литиевых батарей по настоящему изобретению слой токового коллектора содержит электропроводящий материал, выбранный из группы, состоящей из электропроводящих металлов, электропроводящих углеродов и электропроводящих полимеров. В одном варианте воплощения изобретения слой токового коллектора содержит два или большее количество слоев, нанесенных прямо на первый катодный или на первый анодный слой, при этом, по меньшей мере, один из этих двух или большего количества слоев содержит электропроводящий материал, содержащий углерод. В одном варианте воплощения изобретения толщина слоя токового коллектора составляет менее 3 микрон.

В одном варианте конструкции литиевых батарей по настоящему изобретению диаметр пор сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения средний диаметр пор сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 0,2 микрона, а предпочтительно - менее 0,1 микрона. В одном варианте воплощения изобретения толщина сепараторного слоя как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод составляет менее 9 микрон, а предпочтительно - менее 6 микрон. В одном варианте воплощения сепараторный слой содержит пористый слой, содержащий слой ксерогеля или мембрану из ксерогеля, включая (но не ограничиваясь) пористый слой, содержащий алюминиевый бемит. В одном варианте воплощения изобретения сепараторный слой как в пакете сепаратор/катод, так и в пакете сепаратор/анод содержит сепараторные частицы, выбранные из группы, состоящей из неорганических оксидных частиц, например, таких как оксиды алюминия и алюминиевые бемиты; неорганических нитридных частиц; неорганических карбонатных частиц; неорганических сульфатных частиц и полимерных частиц, таких как шарики из полиолефина или шарики из фторполимера.

Применительно к настоящему описанию термин «слой ксерогеля» означает пористый слой, образованный с помощью процесса образования ксерогеля или золь-гель процесса, состоящего в высушивании коллоидной жидкости золя для получения твердого гелевого материала. Термин «мембрана из ксерогеля» применительно к настоящему описанию означает мембрану, содержащую, по меньшей мере, один слой ксерогеля, при этом поры в слое ксерогеля тянутся непрерывно с одной стороны слоя до другой стороны слоя. Слои из ксерогеля и мембраны из ксерогеля в типичном случае содержат в качестве золь-гель материалов неорганические оксидные материалы, такие как оксиды алюминия, алюминиевые бемиты и оксиды циркония. Примеры подходящих для настоящего изобретения мембран из ксерогеля включают (не ограничиваясь) мембраны из ксерогеля, описанные в Патентах США №№6,153,337 и 6,306,545, принадлежащих Карлсону и др., а также в Патентах США №№6,488,721 и 6,497,780, принадлежащих Карлсону.

Другой аспект настоящего изобретения касается литиевой батареи, содержащей (а) пакет сепаратор/катод, при этом пакет сепаратор/катод содержит слой токового коллектора катода, располагающийся между первым катодным слоем и вторым катодным слоем, а также пористый сепараторный слой, располагающийся на стороне первого катодного слоя, противоположного слою токового коллектора катода, при этом первый катодный слой нанесен в виде покрытия прямо на слой сепаратора; (б) пакет сепаратор/анод, при этом пакет сепаратор/анод содержит анодный слой и пористый сепараторный слой, располагающийся на одной стороне анодного слоя, при этом первый анодный слой нанесен в виде покрытия прямо на сепараторный слой; и (в) электролит; при этом батарея содержит чередующимися слоями пакет сепаратор/катод и пакет сепаратор/анод. В одном варианте воплощения анодный слой содержит металлический литий. Для некоторых анодных слоев, например таких, которые имеют высокую электропрово