CN107195857A - 用于高性能硅基电极的底漆表面涂层 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于电化学电池(例如，锂离子电池)的负电极。该电极具有在锂化和脱锂期间经历体积膨胀的活性材料，例如含硅材料。该电极具有在其上设置有导电柔性表面底漆涂层的集电器。底漆涂层包含导电颗粒和具有≤85℃的玻璃化转变温度的聚合物。组装好后，柔性表面底漆涂层用于减少活性材料和集电器之间的界面处的应变。在电极内经过至少一次锂离子嵌入和嵌脱循环之后，集电器的表面上的底漆表面涂层和电活性材料依然保持完整，从而最小化或防止电化学电池中的充电容量损失。同样提供了制备这种材料和使用这种涂层以最小化锂离子电化学电池中的充电容量衰减的方法。

Description

用于高性能硅基电极的底漆表面涂层
技术领域
本发明涉及用于电化学设备的高性能含硅电极，其中含硅电极设置在具有柔韧底漆表面涂层的集电器上，以防体积膨胀损坏、容量衰减，并提高长期性能。还提供了在含硅电极上制备这种柔韧底漆表面涂层的方法及其使用方法。
背景技术
本部分提供了与本发明相关联的背景信息，其并不一定是现有技术。
高能量密度的电化学电池单元(比如锂离子电池)可以用于各种消费类产品和车辆中，比如混合动力车辆(HEV)和电动车辆(EV)。典型的锂离子电池包括第一电极(比如阴极)、第二电极(比如阳极)、电解质材料、以及隔膜。通常，对锂离子电池单元堆栈进行电连接，以增加整体输出。传统的锂离子电池通过在负电极和正电极之间可逆地传导锂离子而工作。隔膜和电解质布置在负电极和正电极之间。电解质适于传导锂离子，且可以是固态或液态。在电池充电期间，锂离子从阴极(正电极)移动到阳极(负电极)，并在电池放电时反向移动。
阳极和阴极材料与电解质的接触可以在电极之间形成电势。当电极之间的外部电路中产生电子电流时，通过电池单元内的电化学反应来维持电势。堆栈内的负电极和正电极中的每一个均连接于集电器(通常为金属，比如镍或铜用于阳极，铝用于阴极)。在电池使用期间，与两个电极相关联的集电器通过外部电路相连，使得电子所产生的电流在电极之间通过，以补偿锂离子的传输。
作为非限制性实例，锂电池的阴极材料通常包含电活性材料，其可以插嵌锂离子(比如锂过渡金属氧化物、或混合氧化物、或锂铁磷酸盐)。电解质通常含有一种或多种锂盐，其可以在非水溶剂中被溶解和离子化。
负电极通常包括锂嵌入材料或合金基质材料。用于形成阳极的典型电活性材料包括锂石墨插嵌/合金化合物、锂硅插嵌/合金化合物、锂锡插嵌/合金化合物、锂合金。由于石墨化合物最常见，近年来，具有高比容量(与传统石墨相比)的阳极材料日益受到关注。比如，硅具有用于锂的最高已知理论充电容量，使得其成为可充电锂离子电池的特别有前景的材料。因此，硅具有较高的重量容量和体积容量，其提供比石墨更高的能量密度，如下表1中的容量所示。
表1
然而，含硅的现有阳极材料具有明显的缺陷。在锂嵌入/提取(比如，插嵌/合金化和脱嵌/脱合金-插嵌/合金化)期间，含硅材料的大体积变化(比如体积膨胀/收缩超过300％)可能导致阳极的物理损坏，包括褶皱、破裂或断裂。这种体积膨胀因此可能导致电接触和电极活性的丢失。在商业上可行的含硅电极所需的负载密度水平下尤其如此。另外，固体电解质界面(SEI)层的形成可以形成在活性材料表面上，并导致连续的电解质消耗和锂离子损失，这可能导致锂离子电池中不可逆的容量衰减。在阳极的插嵌/合金化期间，较大的体积膨胀可能因此导致电化学循环性能的衰弱、库仑充电容量的减小(容量衰减)、以及极其受限的较差的循环寿命。
需要开发用于高能锂离子电池中的含硅的高性能负电极材料，其克服了妨碍它们广泛的商业应用(尤其是车辆应用)的现有缺陷。为了长期有效的使用，应该能够在高负载密度条件下包括含硅的阳极材料，同时避免物理损坏，以提供最小的容量衰减和最大的充电容量，以便锂离子电池长期使用。
发明内容
本部分提供了本发明的一般性概述，并不全面公开其整个范围或其所有特征。
在各个方面中，本发明提供了用于电化学电池单元的电极(比如负电极)。该电极包括集电器，该集电器含有从铜、铜合金、不锈钢及其组合所组成的组中选取的金属。底漆表面涂层形成于集电器的表面上。底漆表面涂层包含聚合物(其具有小于或等于约85℃的玻璃化转变温度)和至少一种类型的导电颗粒。电极进一步包括电活性材料，其在锂化和脱锂(比如锂离子插嵌/合金化和脱嵌/脱合金插嵌/合金化)设置在底漆表面涂层上的期间经受体积膨胀。在某些方面，电活性材料可以包含硅。在至少一次锂化和脱锂循环之后，集电器的表面上的底漆表面涂层和电活性材料保持完整。
在其它方面，本发明提供了含有负电极的锂离子电化学电池。负电极包含集电器，该集电器含有从铜、铜合金、不锈钢及其组合所组成的组中选取的金属。负电极还包含形成于集电器的表面上的底漆表面涂层，其含有聚合物(其具有小于或等于约85℃的玻璃化转变温度)和导电颗粒。负电极进一步包含电活性材料层，其包含布置在底漆表面涂层上的硅。电化学电池单元进一步包括正电极，其含有正锂基电活性材料、隔膜和电解质。在锂离子电化学电池单元的负电极内经过25次锂化和脱锂循环之后，集电器的表面上的底漆表面涂层和电活性材料依然保持完整，使得负电极具有小于或等于约25％的容量损失。
在又一些其它方面中，本发明提供了电化学电池单元的负电极的制备方法。该方法包含将含有聚合物(其具有小于或等于约85℃的玻璃化转变温度)和导电颗粒的底漆表面涂层涂覆到集电器的表面上，集电器含有从铜、铜合金、不锈钢及其组合所组成的组中选取的金属。该方法还包含将含硅的电活性材料层涂覆到底漆表面涂层上以形成负电极，其中在负电极内经过至少一次锂化和脱锂循环之后，集电器的表面上的底漆表面涂层和电活性材料依然保持完整。
从本文所提供的描述中可以得知进一步的应用区域。本发明内容中的描述和具体实例仅为示意性的目的，而不旨在限制本发明的范围。
附图说明
本文所述的附图仅仅用于对所选的实施例以及并非所有可能的实施方式进行实例说明，并不旨在限制本发明的范围。
图1是用于说明的目的的一种示例性电化学电池的示意图。
图2是电活性材料层中发生体积变化而导致锂化显示应变之前和之后的具有集电器和电活性材料层的一种示例性电极的示意图。
图3是根据本发明的某些方面而制备的一种负电极，其具有集电器、底漆表面涂层和负电活性材料。
图4示出了用于5个样本的对比试验的电池单元在经过100次放电循环之后的比放电容量，其中包括根据本发明的某些变型而制备的一个样本。
在所有的附图中，对应的附图标记都指示对应的部件。
具体实施方式
提供了示例性实施例，以便彻底理解本发明，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。阐述了许多具体细节，比如具体的成分、部件、设备和方法的实例，以便提供对本发明的实施例的彻底理解。本领域的技术人员应该明白，无需采用具体细节，示例性实施例可以用许多不同的形式来体现，且这两者均不应该构成对本发明的范围的限制。在一些示例性实施例中，已知的工艺、已知的设备结构以及已知的技术并未详细描述。
本文所用的术语仅是用于描述特定的示例性实施例，并不旨在对本发明进行限制。如本文所用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”可以旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指示。术语“包含”、“含有”、“包括”和“具有”是包括性的，因此表明所述特征、元件、成分、步骤、整体、操作和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组群的存在或增加。尽管开放式术语“包含”被理解为非限定性术语，用于描述和声明本文所述的各种实施例，相反，在某些方面，该术语可以可选地理解为更加限定和限制的术语，比如“由……组成”或“基本上由……组成。”因此，对于任何指定的实施例，所述的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤，本发明还具体包括由或基本上由这种所述的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤组成的实施例。在“由……组成”的情况下，替代实施例不包括任何其它成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤，而在“基本上由……组成”的情况下，对基本和新颖特性产生实质性影响的任何其它成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤被排除在这种实施例以外，但对基本和新颖特性无实质性影响的任何成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或工艺步骤被包括在实施例内。
本文所述的任何方法步骤、工艺和操作不应被理解为需要以所讨论或所示的特定顺序进行执行，除非特别标明执行顺序。还应该认识到，可以采用其它或替代步骤，除非另外指示。
当某个部件、元件或层被称为“在……之上”、“接合于”、“连接至”或“联接至”另一个元件或层，其可能直接在其它部件、元件或层之上，或接合于、连接至或联接至其它部件、元件或层，或者可能存在中间元件或中间层。相反，当一个元件被称为“直接在……上面”、“直接接合于”、“直接连接至”、或“直接联接至”另一个元件或层，则不存在中间元件或中间层。用于描述元件之间关系的其它词语应该用类似的方式来解释(比如“在……之间”相对于“直接在……之间”、“毗邻”相对于“直接毗邻”等)。如本文中所用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目的一个或多个的任意和所有组合。
尽管本文中可以用术语第一、第二、第三等来描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部分，这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部分不应当被这些术语限制，除非另有指示。这些术语可以仅用于对一个步骤、元件、部件、区域、层或部分与另一个步骤、元件、部件、区域、层或部分进行区分。当在本文中使用诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语时，并不暗含顺序或次序，除非上下文中明确指示。因此，在不背离本示例性实施例的教导内容的前提下，以下所述的第一步骤、元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部分。
为了便于描述，空间上或时间上相对的术语，比如“在……之前”、“在……之后”、“内”、“外”、“下面”、“以下”、“下部”、“以上”、“上部”等，可以在本文中用于描述附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了附图中所示的朝向外，空间上或时间上相对的术语可以旨在包括使用或操作中的不同朝向的设备或***。
在本发明的整个内容中，数值表示范围的近似测量值或限值，以包括对给定数值、以及具有与所述数值相近的实施例、以及具有与所述数值完全相同的那些实施例的轻微背离。本说明书(包括所附的权利要求书)中的参数的所有数值(比如数量或条件)被理解为在一切情况下被术语“大约”修饰，而不论词语“大约”是否出现在该数值的前面，但具体实施方式结尾处提供的即用实例中的除外。“大约”表示所述的数值允许有一些轻微的不精确(一定程度上接近数值的精确度；近似地或相当地接近数值；大概地)。如果由“大约”提供的不精确在本领域中不以其它方式做此普通意义的理解，那么本文中所用的“大约”表明至少测量和使用这种参数的普通方法可能引起变化。比如，“大约”可以包含少于或等于5％的变化、任选地少于或等于4％、任选地少于或等于3％、任选地少于或等于2％、任选地少于或等于1％、任选地少于或等于0.5％、以及在一些方面中、任选地少于或等于0.1％。
另外，范围的公开包括所有数值和整个范围内进一步分割的范围的公开，包括所述范围指定的端值和子范围。
如本文中所用的，术语“成分”和“材料”可互换使用，泛指至少含有优选化合物的物质，但其还可能包含其它物质或化合物，包括杂质。
现在将参照附图更详细地描述示例性实施例。
本技术涉及改进的电化学电池单元，尤其是锂离子电池，其可以用于车辆应用中。锂离子电化学电池单元可以包含负电极(阳极)材料，其具有的重量能量密度大于或等于大约300Wh/kg，体积能量密度大于或等于大约700Wh/L。在各个方面中，本发明为包含集电器、底漆表面涂层和含硅的电活性材料的电化学电池单元提供了一种电极(比如负电极)。底漆表面涂层被设置在负电极集电器(通常为铜)和含硅的电活性材料之间，以在集电器和含硅的电活性材料之间形成弹性界面。底漆涂层导电且柔韧，用于有效地降低界面应力，并为含硅电极提供改进的柔韧性和循环性能。通过这种方式，提供高性能的电化学电池单元，其具有提高的能量密度和延长的电池寿命，解决了含硅电极相关联的传统缺陷。
通过背景技术，图1中示出了锂离子电池20的示例性和示意性的图示。锂离子电池20包括负电极22、正电极24和布置在两个电极22、24之间的隔膜26(比如微孔聚合物隔膜)。在本文中，负电极22可以被称为阳极，正电极24可以被称为阴极。隔膜26包含电解质30，其还可以存在于负电极22和正电极24内。负电极集电器32可以布置在负电极22处或附近，正电极集电器34可以布置在正电极24处或附近。负电极集电器32和正电极集电器34分别收集自由电子，并将自由电子移动到和移动自外部电路40。可中断外部电路40和负载42将负电极22(通过其集电器32)和正电极24(通过其集电器34)连接起来。
负电极22、正电极24和隔膜26中的每一个均可以进一步包含能够传导锂离子的电解质30。隔膜26通过被夹在负电极22和正电极24之间而被用作电绝缘子和机械支撑，以防物理接触从而防止短路的发生。隔膜26除了在两个电极22、24之间提供物理障碍之外，还为锂离子(以及相关的阴离子)的内部通道提供阻力最小的路径，以便于锂离子电池20正常发挥作用。
当负电极22含有相对较大量的插嵌锂离子时，通过外部电路闭合时(负电极22连接到正电极34)发生的可逆的电化学反应，锂离子电池20在放电期间可以产生电流。正电极24和负电极22之间的化学势差驱动负电极22处插嵌锂离子氧化所产生的电子通过外部电路40朝向正电极24。负电极处也产生锂离子，其同时通过电解质30和隔膜26被转移朝向正电极24。电子流经外部电路40，锂离子在电解质30中迁移穿过隔膜26，以在正电极24处形成插嵌锂离子。通过外部电路40的电流可以被利用，并流过负载设备42，直到负电极22中的插嵌锂离子耗尽且锂离子电池20的容量减小为止。
通过将外部电源与锂离子电池20相连，使电池放电期间发生的电化学反应逆向，从而可以随时对锂离子电池20进行充电或再供电。将外部电源连接到锂离子电池20，有利于正电极24处插嵌锂离子以其它方式非自发氧化，以产生电子和锂离子。电子经过外部电路40朝向负电极22流回，锂离子被电解质携带穿过隔膜26朝向负电极22流回，电子和锂离子在负电极22处重新结合，并补充下一个电池放电循环期间消耗的插嵌锂离子。可以用于对锂离子电池20进行充电的外部电源可以根据锂离子电池20的尺寸、构造和特定最终用途而变化。一些显著的示例性的外部电源包括但不限于交流壁装插座和机动车交流发电机。在许多锂离子电池的配置中，负集电器32、负电极22、隔膜26、正电极24和正集电器34中的每一个均被制备成相对较薄层(比如，厚度为几微米或1毫米或以下)，并以电平行排列方式连接成多层进行组装，以提供适当的能量包。
此外，锂离子电池20可以包括尽管本文中未示出但本领域技术人员公知的各种其它的部件。例如，根据非限制性实例，锂离子电池20可以包括壳体、垫片、接线柱帽以及可以布置在电池20内(包括在负电极22、正电极24和/或隔膜26之间或周围)的任何其它常规的部件或材料。如上所述，锂离子电池20的尺寸和形状可以根据其特定设计应用而变化。例如，电池供能车辆和手持式消费者电子设备是两个实例，其中锂离子电池20将更可能被设计成不同的尺寸、容量和功率输出规格。如果负载设备42需要，锂离子电池30还可以与其它类似的锂离子电池单元或电池串联或并联，以形成更大的电压输出和功率密度。
因此，锂离子电池20可以产生用于可操作地连接到外部电路40的负载装置42的电流。当锂离子电池20放电时，负载装置42可以完全或部分地由通过外部电路40的电流供电。虽然负载装置42可以是任何数量的已知电动装置，但是，作为非限制性实例，耗电负载装置的几个具体实例包括用于混合动力车辆或全电动车辆的电动机，笔记本电脑、平板电脑、蜂窝电话和无绳电动工具或电器。负载装置42还可以是为了储能而对锂离子电池20充电的发电装置。
在锂离子电池20中可以使用能够在负电极22和正电极24之间导通锂离子的任何合适的电解质30，无论是固体形式还是溶液形式。在某些方面，电解质溶液可以是非水液体电解质溶液，该非水液体电解质溶液包括溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐。在锂离子电池20中可以使用许多常规的非水液体电解质30溶液。可溶解在有机溶剂中以形成非水液体电解质溶液的锂盐的非限制性列表包括LiPF6、LiClO4、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiSCN、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2及其组合。这些锂盐和其他类似锂盐可以溶解在各种有机溶剂中，包括但不限于各种烷基碳酸酯，例如环状碳酸酯(碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯(BC))、无环碳酸酯(碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC))、脂肪族羧酸酯(甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯)、γ-内酯类(γ-丁内酯、γ-戊内酯)、链结构醚类(1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷)、环醚类(四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃)、及其混合物。
在一个实施例中，隔板30可以包含微孔聚合物隔板，该微孔聚合物隔板包含聚烯烃。聚烯烃可以是均聚物(衍生自单一单体组分)或杂聚物(衍生自多于一种单体组分)，均聚物或杂聚物可以是直链或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体组分，那么聚烯烃可以呈现任何共聚物链排列，包括那些嵌段共聚物或无规共聚物的共聚物链排列。同样地，如果聚烯烃是衍生自多于两种单体组分的杂聚物，那么它同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，聚烯烃可以是聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)或PE和PP的共混物。
当隔板30是微孔聚合物隔板时，它可以是单层或多层的层压体，该层压体可以通过干法或湿法工艺制造。例如，在一个实施例中，单层聚烯烃可形成整个微孔聚合物隔板30。在其他方面，隔板30可以是纤维状薄膜，该纤维状薄膜具有大量在相对表面之间延伸的孔，并且可以具有例如小于1毫米的厚度。然而，作为另一个实例，可以组装相同或不同聚烯烃的多个不连续层以形成微孔聚合物隔板30。除了聚烯烃之外，微孔聚合物隔板30还可以包含其他聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚偏二氟乙烯(PVDF)和/或聚酰胺。在微孔聚合物隔板30中可以进一步包含聚烯烃层和任何其他任选的聚合物层作为纤维层，有助于为微孔聚合物隔板30提供合适的结构和孔隙率特性。本发明构想了用于形成隔板30的各种常规可用的聚合物和商业产品，以及可以用于生产这种微孔聚合物隔板30的许多制造方法。
正电极24可以由锂基活性材料形成，该锂基活性材料充分地经过锂插嵌/合金化和脱嵌/脱合金插嵌处理，同时用作锂离子电池20的正电极端子。正电极24可以包括聚合物粘合剂材料，以便在结构上增强锂基活性材料。可用来形成正电极24的一类示例性常用已知材料是层状锂过渡金属氧化物。例如，在某些实施例中，正电极24可以包含至少一种尖晶石，该尖晶石包含过渡金属如锂锰氧化物(Li(1+x)Mn(2-x)O4)，其中0≤x≤1，其中x通常小于0.15，包括LiMn2O4，锂锰镍氧化物(LiMn(2-x)NixO4)，其中0≤x≤1(例如LiMn1.5Ni0.5O4)，锂钴氧化物(LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)、锂镍氧化物(LiNiO2)、锂镍锰钴氧化物(Li(NixMnyCoz)O2)，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1且x+y+z＝1，包括LiMn0.33Ni0.33Co0.33O2，锂镍钴金属氧化物(LiNi(1-x-y)CoxMyO2)，其中0<x<1，y<1且M可以是Al,Mn等，其他已知的锂-过渡金属氧化物或混合氧化物磷酸铁锂，或锂铁聚阴离子氧化物(例如磷酸铁锂(LiFePO4)或氟磷酸铁锂(Li2FePO4F)。这种活性材料可以与至少一种聚合物粘合剂混合，例如通过用诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)橡胶或羧基甲氧基纤维素(CMC)等这种粘合剂浆料浇铸活性材料。正电极集电器34可以由铝或本领域技术人员已知的任何其他合适的导电材料形成。
在各个方面，负电极22包括电活性材料，该电活性材料作为能够用作锂离子电池的负电极端子的锂主体材料。因此，负电极22可以包括电活性锂主体材料和任选的另一种导电材料，以及一种或多种聚合物粘合剂材料，以便在结构上将锂主体材料放在一起。根据本发明的各个方面，负电极22可以包括包含硅的活性阳极材料。因此，在某些变型中，作为非限制性实例，阳极活性材料可以是包含硅的颗粒形式，该硅与选自由以下各项组成的组的材料混合：聚偏二氟乙烯(PVDF)、丁腈橡胶(NBR)、羧甲氧基纤维素(CMC)及其组合，该阳极活性材料形成负电极22。
负电极集电器32可以由较韧性的金属或金属合金形成，该金属或金属合金是导电的。镍和铜两者通常都用作形成负电极集电器32的材料。用于选择集电器中使用的常见金属的延展性水平列于下表2中。
表2
泊松比(v)，也称为横轴的膨胀系数，是横向应变与轴向应变的负比率。当材料在一个方向上被压缩时，当材料在垂直于压缩方向的其他两个方向上膨胀时，发生泊松效应。泊松比v是这种效应的量度。当这些变化的值较小时，泊松比等于膨胀的分数(或百分比)除以压缩的分数(或百分比)。
可以看出，铝和铜的延展性都比镍强。镍常常用作集电器，因为它比铜更坚固。然而，镍的延展性也比铜低。如下所述，某些具有较大延展性的金属或金属合金特别适合与包含硅或锡的电活性材料结合用作集电器。例如，集电器可以由包含铜、铁、合金或其组合的金属形成。包含铁的金属可以是不锈钢合金，该不锈钢合金的延展性水平比纯铁高。
值得注意的是，虽然一些导电延展性金属可能具有足够的延展性，但它们可能与随后涂布的层(例如根据本发明涂布的底漆表面涂层)不能充分反应。这可以包括贵金属，如铂，金和银。例如，当银箔或金箔用作集电器时，包含硅的电活性材料层从银箔或金箔剥离，这被认为是由表面惰性引起的。诸如银、金和铂等延展性金属可以进一步合金化或处理以赋予反应性(例如通过氧化、刻蚀、转化涂层、CVD或其他化学工艺)，但是如上所述，铜、铜合金和不锈钢适合用作负电极集电器32，而不一定需要表面活化或处理。应当注意的是，诸如铝等其他金属可能具有合适的延展性和反应性水平，以便与随后的层牢固结合，但通常不用作负电极集电器。
包含硅的阳极活性材料对于锂的已知理论充电容量最高，这使得它们非常适合在可充电锂离子电池中用作负电极。例如，由于Si基电极的高比容量和能量密度材料，已经考虑将其用于高性能应用(EV/HEV)。然而，在实践中，包含硅的常规阳极材料具有明显的缺点。这种含硅材料在锂嵌入/提取(例如插嵌/合金化和脱嵌/脱合金-插嵌/合金化)期间表现出导致阳极断裂或开裂的大体积变化(例如体积膨胀/收缩)，电化学循环性能下降，库仑充电容量减少(容量衰减)，以及非常有限的循环寿命。特别地，硅基阳极的容量衰减一直是个难题，并是其在锂离子电池中广泛使用的障碍。
图2示出了用锂离子锂化之前和锂化之后的负电极50的示意图。负电极50具有集电器52和电活性材料层54，电活性材料层54包含设置在集电器52的表面56上的硅电活性材料。使用包括硅电活性材料的电活性材料层54导致电活性材料层的回缩或收缩，从而使集电器52在第一方向上弯曲(使得集电器52最初具有凹陷形状)。体积收缩的量取决于涂到集电器52上的材料属性。如上所述，根据本发明的某些方面，集电器52可以由较柔性或延展性的金属制成。对于具有较低延展性的金属(例如镍)，包括硅电活性材料的电活性材料层54在并入电化学电池并且与锂离子发生任何接触之前，当其在集电器52上固化而发生体积变化时，从集电器52剥离。用作根据本发明的集电器52时，延展性更好的金属(例如铜、铜合金或不锈钢合金)往往表现出充分的导电性、弯曲期间的柔韧性以及反应性。
如箭头60所示的锂化之后，锂离子进入电活性材料层54，导致负电极50的体积大幅膨胀。如上所述，在锂化后，硅电活性材料的体积膨胀通常可以大于300％。因此，体积膨胀使集电器52在与第一方向相反的第二方向上弯曲(使得集电器52现在具有凸起形状)。在集电器52表面56和电活性材料层54之间的这种弯曲和体积膨胀导致界面的产生，该界面在锂化60之前和之后承受大的应变，最终导致电活性材料层54与集电器52之间的接触和传导的损失难以接受，并且导致褶皱形成。如上所述，具有足够延展性和柔韧性的集电器材料(如铜)能够稍稍变形，以便使集电器与包括硅电活性材料的电活性材料层54之间保持电接触。然而，即使选择了具有更大延展性的集电器52时，在具有更多电活性材料层54(例如那些用于满足商业可行性电极的性能要求的电活性材料层)的较高负载水平下，电活性材料层54与集电器52之间的界面处的应变变得过大，造成物理分离和/或损坏，从而导致容量损失。
如图3所示，在各个方面，本发明提供了负电极70，其包含集电器80和电活性材料层82。电活性材料层82可以包括至少一种电活性材料、导电颗粒和粘合剂，如下面进一步所描述的。底漆表面涂层84设置在集电器80的表面上。底漆表面涂层84可以包括至少一种柔性聚合物和至少一种导电颗粒，如本文所述。电活性材料层82设置在底漆表面涂层84上。因此，底漆表面涂层84夹在集电器80和电活性材料层82之间。
集电器80可以由上述延展性金属或金属合金中的任何一种形成，例如铜、铜合金和铁合金(例如不锈钢)。集电器80可以是实心薄箔层、网格或网状层。集电器80的厚度最好大于或等于约10μm。
电活性材料层82包含一种或多种电活性化合物，该电活性化合物在锂离子的插嵌/合金化和脱嵌/脱合金化-插嵌/合金化期间发生不良的明显或实质性的体积膨胀和收缩(例如，大于25％的体积膨胀或收缩)。电活性材料化合物可以是固体颗粒。包含硅的电活性材料是这种组合物。这种材料可以是硅(能够插嵌入锂的硅)或硅合金。示例性材料包括Si和SiOx。硅合金包括锂-硅和含硅的二元和三元合金，例如SiSn、SiFe、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo等。在可选变型中，本发明还可以与在锂化和脱锂期间也表现出明显和不良的体积膨胀/收缩的其他电活性材料82结合使用，例如锗、氧化锗、锡、氧化锡、氧化铁和铁氧化物、合金及其等价物。应当注意的是，电活性材料层82中还可以包括其他电活性材料，例如石墨。
用于电活性材料层82的导电颗粒可以是炭黑、石墨、镍粉末、金属颗粒、导电聚合物或其任何组合。应当注意的是，某些材料可能属于电活性材料或导电材料的类别，并且这些类别本身并不相互排斥。任选地，电活性材料层82中有导电颗粒，这取决于电活性材料中的导电性水平。
用于电活性材料层82的有用粘合剂可以包括聚合物材料以及任选的适于形成结合的多孔复合材料的可提取增塑剂，例如卤代烃聚合物(例如聚偏二氯乙烯和聚((二氯-1,4-亚苯基)乙烯)、氟化聚氨酯、氟化环氧化物、氟化丙烯酸类、卤代烃聚合物的共聚物、环氧化物、乙烯丙二胺三单体(EPDM)、乙烯丙二胺三元共聚物(EPDM)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、六氟丙烯(HFP)、海藻酸钠、聚丙烯酸(PAA)、羧甲基纤维素、芳香族聚酰亚胺(PI)、乙烯丙烯酸共聚物(EAA)、乙烯乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、EAA/EVA共聚物、PVDF/HFP共聚物及其混合物。
在某些变型中，电活性材料层82包含大于或等于约50重量％至小于或等于约98重量％、任选地大于或等于约85重量％至小于或等于约97重量％的电活性材料，包括发生明显体积变化的电活性材料(例如含硅颗粒、例如Si、SiOx、Sn、SnOx，或它们的合金，例如SiSn、SiFe等)以及任选的额外的电活性材料，例如广泛使用的阳极材料石墨。值得注意的是，在锂化和脱锂期间，石墨的体积没有明显变化。因此，在一个实施例中，电活性材料层82可以包含累积量大于或等于约85重量％至小于或等于约97重量％的电活性材料，其中电活性材料包含含硅电活性材料(或在锂化和脱锂期间发生明显体积膨胀的其他负电极电活性材料)以及石墨。在电活性材料中，发生明显体积变化的含硅电活性材料或其他负电活性材料可以大于或等于电活性材料中总电活性材料重量的约5％至小于或等于电活性材料中总电活性材料重量的约50％。
电活性材料的这种组合可以以大于或等于约5mg/cm2至小于或等于约50mg/cm2的量存在于负电极中。在某些方面，含硅电活性材料可以以大于或等于约0.25mg/cm2至小于或等于约25mg/cm2，任选地大于或等于约1mg/cm2至小于或等于约20mg/cm2的量存在于负电极中，在某些方面，任选地以大于或等于约2mg/cm2至小于或等于约15mg/cm2的量存在于负电极中。
电活性材料层82还可以包含任选地大于或等于约0.1重量％至小于或等于约10重量％的导电颗粒，以及大于或等于约0.1重量％至小于或等于约10重量％的粘合剂。
在某些方面，电活性化合物或材料(例如含硅电活性材料和石墨)和导电材料(例如炭黑)的组合可以以大于或等于约51重量％至小于或等于约99重量％的量存在于电活性材料层中。电活性材料和导电材料的组合任选地以大于或等于约5mg/cm2至小于或等于约50mg/cm2存在于负电极中。
电活性材料层82可以通过将电极活性材料(例如石墨和含硅颗粒)与聚合物粘合剂化合物、水性或非水性溶剂，任选地增塑剂以及必要时任选地导电颗粒混合而制成。在某些变型中，电活性材料层82的前体可以通过将大于或等于约50重量％至小于或等于约97重量％的电活性材料、大于或等于约0.5重量％至小于或等于5重量％的导电材料、大于或等于约0.5重量％至小于或等于约5重量％的粘合剂、以及大于或等于约10重量％至小于或等于约80重量％的一种或多种溶剂混合而形成。可以混合或搅拌浆料，然后用刮刀片薄薄地涂覆到基底。基底可以是可移除基底或可替代地是将被并入电池的电极的功能性基底。
在一个变型中，可以进行加热或辐射，以便从电极膜蒸发掉溶剂，而留下固体残余物。电极膜可以进一步进行固化，其中对电极膜进行加热和加压，以使其烧结和压延。在其它变型中，电极膜可以在适中温度下风干以形成自支撑膜。如果基底是可移除基底，那么将其从电极膜移除，然后进一步层压到集电器的表面(根据本发明涂到集电器表面上的底漆涂层上)。无论采用何种类型的基底，都可能需要在并入电池单元之前取出或除去剩余的增塑剂。
所形成的电活性材料层82可以具有常规的厚度，例如大于或等于约5μm至小于或等于约200μm。
底漆涂层84包含聚合物，该聚合物是柔性的，并减少电活性材料与集电器之间的界面处的应变，同时在电活性材料膨胀和收缩期间使材料之间保持牢固结合。玻璃化转变温度(Tg)涉及在电化学电池的操作条件下聚合物的弹性或柔韧性。因此，在某些变型中，选择Tg小于或等于约85℃的聚合物。合适的聚合物包括：Tg为85℃的聚乙烯醇(PVA)、Tg为30℃的聚乙酸乙烯酯(PVAc)、Tg为-35℃的聚偏氟乙烯(PVDF)、Tg为54℃的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、Tg为-55℃的乙烯/丙烯/二烯共聚物(EPDM)、Tg为-66℃的聚环氧乙烷(PEO)、Tg为-65℃至-50℃的苯乙烯/丁二烯橡胶(SBR)、Tg为-127℃的聚硅氧烷，及其任何组合。在某些方面，聚合物包含PVA，当其在集电器上形成时不会过度收缩并且提供好的弹性/柔韧性。
底漆涂层84也是导电的，因此还包含可以含碳导电颗粒。合适的碳颗粒包含石墨片、碳或石墨纤维、碳纳米管、炭黑、石墨烯和其它形式的石墨，作为非限制性实例。导电颗粒的平均粒度可以大于或等于约1nm至小于或等于约50μm。
在某些优选方面，导电性碳颗粒包含具有大于或等于约1至小于或等于约1,000,000的纵横比的石墨片。通常，颗粒的纵横比(AR)定义为AR＝L/D，其中L是最长轴的长度，并且D是颗粒的直径。
底漆表面涂层84可以具有大于或等于约100nm至小于或等于约10μm、任选地大于或等于约200nm至小于或等于约5μm，并且在某些方面任选地大于或等于约300nm至小于或等于约3μm的厚度。在某些方面，底漆表面涂层84可以具有小于或等于约0.25Ohm-cm并且任选地小于或等于约0.1Ohm-cm的电阻率。
在某些变型中，底漆表面涂层84包含大于或等于约1重量％至小于或等于约50重量％的聚合物、大于或等于约5重量％至小于或等于约99重量％的含碳导电颗粒，并任选地包含大于或等于约5重量％至小于或等于约40重量％的聚合物，以及大于或等于约50重量％至小于或等于约95重量％的含碳导电颗粒。在一个变型中，底漆表面涂层84可包含约30重量％的聚合物和约70重量％的导电颗粒(例如，约30重量％的PVA和约70重量％的石墨的PVA)。底漆表面涂层84也可以包含其它常规添加剂和成分。
可以通过涂覆聚合物复合材料前体的任何常规方法来涂覆底漆表面涂层84，例如浆料或溶剂浇铸或其它常规技术。例如，形成具有聚合物前体、溶剂、一种或多种类型的导电颗粒和任选的增塑剂的浆料。可以混合或搅拌浆料，然后通过刮刀片薄薄地涂覆基底，例如集电器。可以通过挥发和干燥从底漆涂膜中去除溶剂，留下固体残余物。在某些变型中，可以进行加热或辐射以挥发和去除溶剂。在干燥和去除溶剂和任选的增塑剂之后，表面底漆涂层84可以通过进行加热、光化能或电子束能量而进一步交联或固化，如本领域中所公知的。
包含底漆表面涂层84或电活性材料层82的表面涂层可以包含单层或多层不同的层。
某些商业集电器可具有的表面涂层涂覆用于增强集电器表面和施加到其上的最终电活性电极层之间的电子传导。这些表面涂层可以是具有一个或多个导电颗粒和聚合物的复合材料。然而，用于电子传导增强的这些常规涂层不提供柔性/弹性，从而致使在锂化和脱锂期间成功使用具有显著体积膨胀的电活性材料(例如含硅活性材料)所需的界面应力/应变降低。然后，当具有这种电子传导增强涂层的常规集电器与含硅电活性电极一起使用时，电极层与集电器分离和/或引起损坏，导致电化学循环性能衰弱，库仑充电容量减小(容量衰减)，和不可接受的短循环寿命。然而，在某些变型中，根据本教导制备的柔性底漆涂层84可以涂覆在集电器上的这种电子传导增强涂层上，并且能够在锂循环期间成功使用具有显著体积膨胀的电活性材料。
例如，在经过电极中的至少一次锂离子嵌入和嵌脱或锂化和脱锂(其可以包含在锂化期间插嵌/合金化/合金化和脱锂期间脱嵌/脱合金-插嵌/合金化/脱合金)循环任选地大于或等于10次锂化和脱锂循环、任选地大于或等于25次锂化和脱锂循环、任选地大于或等于50次锂化和脱锂循环、任选地大于或等于75次锂离子锂化和脱锂循环、任选地大于或等于100次锂离子锂化和脱锂循环、任选地大于或等于200次锂离子锂化和脱锂循环、任选地大于或等于500次锂离子锂化和脱锂循环以及任选地在某些变型中，大于或等于1000次锂化和脱锂循环之后，集电器表面上的底漆表面涂层和电活性材料依然保持完整。如下面将进一步讨论的，集电器表面上的底漆表面涂层和电活性材料依然保持完整，使得电化学电池中的电极能够保持足够供长期使用的充电容量和电化学性能，而不是遭遇容量衰减。
电活性材料层82可以通过将电极活性材料(例如石墨和含硅颗粒)与聚合物粘合剂化合物、水性或非水性溶剂，任选地是增塑剂以及必要时任选地是导电颗粒混合而制成。可以混合或搅拌浆料，然后用刮刀片薄薄地涂覆到基底。衬底可以是可移除衬底或者是附接到电极膜的一侧的功能衬底，例如集电器82。在一个变型中，可以进行加热或辐射，以便从电极膜蒸发掉溶剂，留下固体残余物。电极膜可以进一步被固化，其中对膜进行加热和加压，以使其烧结和压延。在其它变型中，膜可以在适中温度下风干以形成自支撑膜。如果基底是可移除的，则将其从电极膜移除，然后进一步层压到集电器。无论采用何种类型的基底，都可能需要在并入电池单元之前取出或去除剩余的增塑剂。
可以通过本文包含的具体实例进一步理解本发明技术的各种实施例。除非另有说明，特定实施例用来描述如何制备和使用该组合物及本发明方法，而并非代表本发明的给定实施方案已经制备或试验或者尚未制备或试验。
实施例A
在一个实例中，根据本公开的某些方面制备具有铜箔形式的集电器的负电极。Cu箔可从Pre Materials购得，并具有20μm的厚度。底漆表面涂层设置在Cu箔上。底漆表面涂层包含聚乙烯醇(PVA)和石墨片状颗粒。PVA和碳涂层具有30重量％的PVA和70重量％的厚度为5μm的石墨。所有PVA和石墨购自西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich)。将PVA和石墨的混合物分散在固体含量为25％的H2O中，并将浆料涂覆在Cu箔上。聚乙烯醇(PVA)的玻璃化转变温度(Tg)为85℃。
然后在底漆表面涂层和集电器上形成电活性材料层。电活性材料层包含1.2mg/cm2的平均粒径为100nm的硅颗粒，0.25mg/cm2的平均粒径为200nm至2μm的炭黑导电颗粒和0.25mg/cm2的海藻酸钠粘合剂。将所有三者称重并分散到H2O中并涂覆在Cu箔上的底漆涂层上。
为了对比，在铜箔集电器上形成海藻酸钠涂层。藻酸钠的玻璃化转变温度为约120℃。将包含海藻酸钠和水的前体施加到铜箔上。由于当分子在干燥期间结晶时发生的强体积收缩，海藻酸钠涂层使铜箔变形。此外，膜也脆弱并且使铜箔物理变形。根据本公开的某些方面制备的包含PVA的底漆涂层的实例产生具有更大弹性的优异膜。
实施例B
在具有锂金属作为对电极的微型电池中测试几个负电极。将单层聚丙烯隔板浸泡在电解质溶液中，该电解质溶液包含溶解在碳酸二甲酯-氟代碳酸乙烯酯(体积比4∶1，)中的1M LiPF6。使用电池循环器***测试制备的电极。
第一对比例110具有如上所述的铜集电器和包含如上所述的以1.5mg/cm2的负载密度直接施加到铜集电器的硅颗粒的电活性材料。
第二对比例112具有铜集电器，具有包含以2.5mg/cm2的负载密度直接施加到铜集电器的硅颗粒的电活性材料。
第三对比例114具有镍箔集电器和包含如上所述的以2.5mg/cm2的负载密度直接施加到铜集电器的硅颗粒的电活性材料。
第四对比例116具有类似于第三对比例中的镍箔集电器，具有以1.2mg/cm2的负载密度直接施加到铜集电器的硅颗粒的电活性材料。
根据本公开的某些方面制备的第五实施例118包含铜集电器，具有包含聚乙烯醇和石墨颗粒的底漆表面涂层。PVA和碳底漆涂层是如上文实施例A中所述形成的厚度为约5μm的30％PVA和70％石墨。将包含如上所述的硅颗粒的电活性材料以2.5mg/cm2的负载密度施加在铜集电器上的表面底漆涂层上。
图4示出了100多次充电容量循环。在图4中，y轴容量(100)以mAh为单位，而循环数显示在x轴(102)上。在100次循环后，对于第二比较例112、第三比较例114和第四比较例116，容量衰减显著。第一实施例110和第五实施例118两者均保持显著的充电容量。然而，第五实施例具有超过双倍量的硅活性材料。在镍集电器(第三比较例114和第四比较例116)上的低负载和高负载硅活性材料都示出差循环性能，这是由硅/镍之间的不良中间相产生的。镍比铜强得多，但是远远不能伸长和变形，使得硅活性材料与镍集电器分离。由于硅/铜界面之间的较小应变，铜集电器(第一比较例110)上的低硅负载具有比铜集电器(第二比较例112)上的高硅负载更稳定的性能。铜以更大的延展性提供更强的变形能力，但是仅有铜对于商业可行性所需的含硅活性材料的更高负载是不可能的。在第五实施例118中在硅/铜之间设置PVA-碳复合底漆层，以更大的负载密度实现良好的容量保持率。因此，具有增加的能量密度的电化学电池具有高容量硅阳极，提供延长的电池寿命。
在各个方面，本发明的技术涉及提供包含硅的高性能、低容量的负电极材料。例如，本公开设想了包含具有延展性金属的集电器的负电极。这样的金属选自由铜、铜合金、不锈钢及其组合所组成的组。负电极还包含形成在集电器表面上的底漆表面涂层，其包含聚合物(其具有小于或等于约85℃的玻璃化转变温度)，例如石墨。最后，包含硅的电活性材料设置在底漆表面涂层上。当将电极并入锂离子电化学电池中时，在经过至少一次锂化和脱锂(锂离子插嵌/合金化和脱嵌/脱合金-插嵌/合金)循环之后，集电器表面上的底漆表面涂层和电活性材料依然保持完整。这种负电极组件可以帮助适应硅在锂离子电池中的锂循环期间经过的大体积变化，并因此最小化或防止硅的破裂和在负电极材料(如硅)的表面上形成SEI层。
根据本教导，柔性底漆表面涂层与这种电极组件中的选择集电器的组合是解决在锂离子嵌入/提取期间在含锂阳极材料中的结构应力/应变的问题的有效方式，通过将弹性材料结合到***中，该***有助于在锂迁移期间减少活性材料和集电器之间的机械应力、破裂和/或断裂。如上面注意到的，在经过多次循环之后，在电极和某些方面中的至少一次锂化和脱锂(锂离子插嵌/合金和脱嵌/脱合金-插嵌/合金)循环之后，底漆表面涂层和电活性材料根据本发明教导在集电器表面上保持完整。因此，根据本公开的原理制备的硅基负电极理想地具有小于或等于约40％的充电容量衰减(在循环稳定之后)或在经过锂离子电化学电池的负电极中的25次锂化和脱锂循环之后的小于或等于约40％的容量损失、任选地小于或等于约35％的容量损失、任选地小于或等于约35％的容量损失、任选地小于或等于约30％的容量损失、任选地小于或等于约25％的容量损失、任选地小于或等于约20％的容量损失、任选地小于或等于约15％的容量损失，并且在某些高性能的硅基阳极中，容量损失在25次锂离子插嵌/合金和脱嵌/脱合金-插嵌/合金之后小于或等于约10％。例如，包含具有底漆表面涂层的硅材料的负电极可以保持大于约60％的充电容量，例如，在25次锂离子嵌入和嵌脱(插嵌/合金和脱嵌/脱合金-插嵌/合金)循环之后具有大于或等于约60％的容量保持率。
因此，电池可以以层压电池结构组装，包含在阳极层和阴极层之间的阳极层，阴极层和电解质/隔板。阳极层和阴极层均包含集电器。负电极集电器可以是铜集电箔，其可以是开放式网状栅格或薄膜的形式。集电器可以连接至外部集电器接片。
例如，在某些变型中，电极膜包含分散在集电器上的底漆表面涂层上的聚合物粘合剂基质中的电极活性材料(例如硅)。然后可将隔板放置在负电极元件上，该负电极元件被包含在聚合物粘合剂基质中的精细分散锂嵌入化合物的组合物的正电极膜覆盖。正集电器，例如铝集电箔或栅格完成组装。集电器元件的接片形成用于电池的相应端子。用保护性的包装材料将电池覆盖，并防止空气和湿气的渗透。在该袋中，电解质被注入到适合于锂离子传输的隔板中(并且也可以被吸入到正和/或负电极中)。在某些方面，层压电池在使用之前进一步气密密封。
因此，在某些型中，本公开提供了可在电化学电池(例如锂离子电池)中使用的电活性材料。例如，负电极材料可以包含硅或硅合金。负电极集电器具有在其上形成的表面底漆涂层，其是导电的，包含玻璃化转变温度小于或等于约85℃的聚合物和导电颗粒。底漆表面涂层是柔性的，并且减小在集电器和负电极材料之间的界面处的应变。在至少一次锂化和去锂化循环之后，集电器表面上的底漆表面涂层和电活性材料保持完整，并且在体积膨胀期间减少负电极的应变和损坏。(译者注：此处原文有缺失)
出于例示和描述的目的，已提供了对本发明的优选实施例的上述描述。但这并不打算穷举或限制本发明。特定实施例的单个元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在可应用的情况下是可互换的并且可以用在所选实施例中，即使没有具体示出或描述。同样也可以以许多方式变化。这样的变型不能视为脱离了本发明，且所有这样的修改都应认为被包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用于电化学电池的电极，其包括：
集电器，其包含选自由铜、铜合金、不锈钢及其组合所组成的组的金属；
底漆表面涂层，其形成在所述集电器的表面上，包括导电颗粒和具有小于或等于约85℃的玻璃化转变温度的聚合物；以及
电活性材料，其包含设置在所述底漆表面涂层上的硅，其中在电极内经过至少一次锂化和脱锂循环之后，所述集电器的所述表面上的所述底漆表面涂层和所述电活性材料依然保持完整。
2.如权利要求1所述的电极，其中所述聚合物选自由聚乙烯醇(PVA)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、乙烯/丙烯/二烯共聚物(EPDM)、聚环氧乙烷(PEO)、苯乙烯/丁二烯橡胶(SBR)、聚硅氧烷及其组合组成的组。
3.如权利要求1所述的电极，其中所述集电器包括铜或铜合金，并且所述底漆表面涂层包含聚乙烯醇(PVA)和石墨片状颗粒。
4.如权利要求1所述的电极，其中所述底漆表面涂层的厚度大于或等于100nm至小于或等于约10μm。
5.如权利要求1所述的电极，其中所述底漆表面涂层包括大于或等于约5重量％至小于或等于约40重量％的所述聚合物，以及大于或等于约5重量0％至小于或等于约95重量％的所述导电颗粒。
6.如权利要求1所述的电极，其中所述电活性材料层包括选自由硅(Si)、Si-Sn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo及其组合组成的组的化合物。
7.如权利要求1所述的电极，其中所述电活性材料层包括在大于或等于约50重量％至小于或等于约98重量％的所述电活性材料层处的电活性材料，其中所述电活性材料以大于或等于约5mg/cm2至小于或等于约50mg/cm2的负载密度存在于所述集电器上。
8.如权利要求1所述的电极，其中所述电活性材料层包括具有大于或等于约0.25mg/cm2至小于或等于约25mg/cm2的负载密度的含硅电活性材料。
9.一种锂离子电化学电池，其包括：
包含如权利要求1所述的电极的负电极；
包含正型锂基电活性材料的正电极；
隔板；以及
电解质；其中在经过25次锂化和脱锂循环之后，所述集电器表面上的所述底漆表面涂层和所述电活性材料依然保持完整，使得所述负电极具有小于或等于约25％的容量损失。
10.一种制造如权利要求1所述的电极的方法，所述方法包括：
将包括导电颗粒和具有小于或等于约85℃的玻璃化转变温度的聚合物的底漆表面涂层涂覆到集电器的表面上，所述集电器包括选自由铜、铜合金、不锈钢及其组合所组成的组的金属；以及
将含硅的电活性材料层涂覆在所述底漆表面涂层上以形成所述负电极，其中在所述负电极内经过至少一次锂化和脱锂循环之后，所述集电器的所述表面上的所述底漆表面涂层和所述电活性材料依然保持完整。
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