[发明专利]包含碳纳米管的复合物粘合剂以及使用该粘合剂的锂二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种包含碳纳米管的复合物粘合剂以及包括该复合物粘合剂的锂二次电池。更具体而言，本发明涉及一种包含碳纳米管的复合物粘合剂，该复合物粘合剂通过采用由碳纳米管(已知表现出优异的电导性和机械性能)和具有粘合性的光或热可聚合物质或者聚合物或者其混合物组成的纳米复合物，其作为阳极粘合剂，能够实现高容量和高速充电；本发明还涉及一种包括上述复合物粘合剂的锂二次电池。

背景技术

科技发展和对移动设备需求的增加，导致对作为能源的二次电池的需求快速增长。在这些二次电池中，具有高能量密度和电压的锂二次电池可市购得到且被广泛使用。锂二次电池通常采用锂过渡金属氧化物作为阴极活性材料以及石墨类材料作为阳极活性材料。

然而，由石墨类材料形成的阳极具有的最大理论容量只有372mAh/g(844mAh/cc)，由此限制了容量的增加。结果，这样的石墨类阳极不能够对作为正经历快速发展与进步的下一代移动设备的能源起到充分的作用。此外，被研究用作阳极材料的锂金属具有非常高的能量密度，因此可以实现高容量，但是带来了由于树枝状晶体生长引起的安全关注和当电池反复充电/放电时循环寿命缩短的问题。此外，碳纳米管(CNTs)已被用作阳极活性材料，但是存在诸如低生产率、高成本以及低于50％的低初始效率的问题。

最近几年，关于硅、锡或其合金，已提出大量研究和建议，这是因为已知它们通过与锂反应而能够进行可逆地吸收(插层反应)与解吸(去插层反应)大量的锂离子。例如，硅(Si)的最大理论容量大约为4020mAh/g(9800mAh/cc，比重为2.23)，比石墨类材料大很多，因此有望作为高容量阳极材料。

然而，在进行充电/放电过程中，硅、锡或其合金与锂反应，由此经历显著的体积改变，即从200至300％的范围，这样反复的充电/放电可以导致阳极活性材料与集电器分离，或者阳极活性材料间的接触界面上显著的物理化学变化，并伴随着电阻的增大。所以，当电池被反复充电/放电循环，电池容量急剧下降，由此导致其循环寿命缩短。由于这些原因，当将用于石墨类阳极活性材料的常规粘合剂，不经过任何特殊处理或加工，直接用于硅类或锡类阳极活性材料时，不可能取得所希望的效果。此外，当采用过量的作为粘合剂的聚合物来降低当充电/放电循环时发生的体积变化时，用作粘合剂的电绝缘聚合物使得阳极电阻增大，结果导致电池容量降低和充电/放电速度减小的相关问题。

为了解决上述问题，迫切需要开发出一种具有低电阻的粘合剂，该粘合剂同时表现出足够的粘合强度和机械性能以经受住在使用硅类或锡类阳极活性材料的锂二次电池中在充电/放电过程中发生的阳极活性材料大的体积变化。此外，常规的石墨类锂电池也需要通过进一步提高粘合剂的电导率获得高速充电性能。

另一方面，尝试采用常规碳纳米管作为锂二次电池的阳极混合物(活性材料、导电材料和粘合剂等的混合物)，日本专利公开出版物No.2004-319186与No.2005-004974披露了将碳纳米管作为导电材料引入阳极混合物，由此提高阳极的电导率。然而，就本发明人所知，已知现有技术中没有将碳纳米管用作阳极混合物的粘合剂的例子。此外，碳纳米管是非常昂贵的材料，因此，将其作为导电材料所需要的内容物引入电极混合物，导致电池制造成本显著增加的相关基本问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的是解决要解决的上述问题和其它技术问题。

为了解决上述问题，由许多广泛和深入的研究和实验的结果，本发明的发明人通过将已知具有优异电导性和机械强度的碳纳米管分散在光或热可聚合物质或者聚合物或者其混合物中，开发了具有优异粘合强度和机械性能与高导电性的纳米复合物粘合剂。

本发明的另一个目的是提供一种高容量的锂二次电池，通过在与硅类、锡类或石墨类阳极活性材料的混合物中使用上述粘合剂，制作锂二次电池的阳极，该锂二次电池能够高速充电，以及可用作下一代移动设备的能源

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征与其它优点，其中：

图1为显示使用了根据本发明一实施方案的粘合剂的阳极结构的示意性横断面视图。

具体实施方式

根据本发明的一方面，上述及其它目的可以通过提供一种用于二次电池电极混合物的纳米复合物粘合剂而实现，该粘合剂包括在光和/或热可聚合物质或者聚合物或者其混合物中的碳纳米管。光和/或热可聚合物质是指包括任何类型的通过光照和/或热处理可聚合的单体、低聚物、低分子量聚合物以及其混合物的概念。