[发明专利]包含新型粘结剂的电极及其制备和使用方法

说明书

相关专利申请

本申请要求享有2007年2月6日提交的序列号为No.11/671,601的美国实用新型以及均在2007年4月14日提交的序列号为No.60/911,877、No.60/911,878和No.60/911,879的美国临时申请的优先权，上述的公开内容全文以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明提供包含新型粘结剂的锂离子电化学电池用电极组合物，以及包括用这些组合物制成的电极的电池组。

背景技术

主族元素的粉末合金和诸如炭黑之类的导电粉末已被用来制备锂离子电池用的电极，其制备方法涉及使粉末活性成分与诸如聚偏二氟乙烯之类的聚合物粘结剂混合。将混合的成分制成聚合物粘结剂用溶剂中的分散体，并涂布到金属箔基板或集电器之上。所得到的复合电极包含粘附于金属基板上的粘结剂中的粉末活性成分。

诸如聚偏二氟乙烯、芳族及脂族聚酰亚胺和聚丙烯酸酯之类的许多聚合物已被用来作为金属和石墨基的锂离子电池电极的粘结剂。然而，所得电池的首次循环不可逆容量损失可能会大得难以令人接受，例如对基于粉末金属材料的电极可多达300mAh/g或更多。诸如锂离子电池之类的二次电化学电池能够进行多次的可逆充放电。就锂离子电池而言，锂离子电化学电池的充放电是通过对电池电极的锂化和脱锂实现的。当构造出锂离子电池时，它们通常在正极中包含过量的锂离子，而在负极中没有锂离子。在电池的初始循环反应(充电)期间，锂从正极转移至负极，直到负极达到其吸收锂离子的容量。首次放电时，锂离子从锂化的负极迁回到正极。通常情况下，首次充电后，并非所有负极中的锂离子都能够移出负极。这就导致了所谓的电池容量的不可逆损失。附加循环(首次循环之后)中的电池容量损失叫作容量衰减。这可能源于多种原因，包括经反复循环造成的活性电极材料的形态变化、经反复循环或其它原因造成的绝缘层在活性电极材料上的积聚。理想的锂离子电池初始循环后的不可逆容量损失低，并且多次循环后的容量损失(衰减)低。

发明内容

鉴于上述情况，我们认识到有必要减少电极首次循环的容量损失(不可逆容量损失)和减少其容量衰减。此外，有必要使电极具有高热稳定性和改善其安全特性。

一方面，本发明提供包含能发生锂化及脱锂的粉末材料和非弹性粘结剂的电极组合物，其中该粉末材料选自锡、锡合金、碳以及它们的组合，所述非弹性粘结剂包括聚丙烯酸锂。

另一方面，本发明提供用于负极的电极组合物，所述电极组合物包含能发生锂化及脱锂的粉末材料和非弹性粘结剂，其中该粉末材料选自锡、锡合金、硅、硅合金、碳以及它们的组合，所述非弹性粘结剂包括聚丙烯酸锂，其中中和羧酸基团的100％以上至约107％。

在又一方面，本发明提供包含能发生锂化及脱锂的粉末材料和粘结剂的电极组合物，其中该粉末材料选自锡、锡合金、硅、硅合金、碳以及它们的组合，该粘结剂选自聚苯乙烯磺酸锂、聚磺酸锂含氟聚合物、包括马来酸或磺酸的共聚物的锂盐、聚丙烯腈聚合物、固化酚醛树脂、固化葡萄糖以及它们的组合。

另一方面，本发明提供用于正极的电极组合物，所述电极组合物包含能发生锂化及脱锂的粉末材料和粘结剂，其中该粉末材料选自LiCoO₂；包含钴、锰和镍的锂金属氧化物；Fe₂O₃；Li_4/3Ti_5/3O₄；LiV₃O₈；LiV₂O₅；LiCo_0.2Ni_0.8O₂；LiNiO₂；LiFePO₄；LiMnPO₄；LiCoPO₄；LiMn₂O₄；以及它们的组合；而所述粘结剂选自聚苯乙烯磺酸锂、聚磺酸锂含氟聚合物、包括马来酸或磺酸的共聚物的锂盐、聚丙烯腈聚合物、固化酚醛树脂、固化葡萄糖以及它们的组合。

在又一方面，本发明提供包括正极、负极、电解质的电化学电池，其中至少一个电极包含所提供的电极组合物。