[发明专利]制造锂系电化学电池用电极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于锂系电化学电池的电极的制造方法。

背景技术

制造用于锂离子型电化学电池的正极薄片的方法典型地包括将通常为粉末状的活性电极材料与导电材料如碳或石墨颗粒以及聚合物粘合剂混合到有机溶剂中，然后共混形成匀化的电极浆料。然后，将电极浆料涂覆到薄层或膜状的集流体片上，并且通过加热薄膜蒸发有机溶剂来将其从薄膜去除。所得干燥正极薄片通常是多孔的，并且不含电解质。干燥的正极薄片与隔离器和对应的负极进行组装，并且用其中溶解有锂盐的离子导电的液体电解质使组合件变得饱和，从而形成锂离子电化学电池。多孔正极填充有电解质以确保在正极和负极之间进行离子交换。

当以大的批次或连续工艺进行生产时，可能超过环境指标的大量蒸发溶剂可能需要被回收以避免环境污染，而回收工艺需要特殊装置以防止气态形式的溶剂逃逸到环境中，以及特种设备以用于操作和储存用过的溶剂，该溶剂后续必须被处置掉或重新使用。

制造用于固体型锂系电化学电池的正极材料薄片的其他涂覆工艺将由锂盐溶剂化聚合物和锂盐(用作粘合剂以及电解质)组成的电解质引入电极混合物中。包含活性电极材料、导电材料、溶剂化聚合物和锂盐的正极混合物与有机溶剂共混在一起形成匀化的电极浆料。然后将电极浆料涂覆到薄层或膜状的集流体片上，并且通过加热薄膜蒸发有机溶剂来将其从薄膜去除。因为电解质已经在电极中并且填充活性电极颗粒之间的空间，所以由此产生的正极薄片几乎没有孔隙。然后将正极薄片与由相同或不同聚合物和锂盐构成的固体的离子导电电解质片以及对应的负极进行组装，从而形成锂系电化学电池。

在两种情形中，调节有机溶剂的量以充分稀释电极混合物，目的是降低其粘度，使得电极混合物可以铺展成薄层。在两种情形中，在与电解质隔离器和负极进行组装形成电化学电池之前，必须除去有机溶剂。当以大批量或连续工艺进行生产时，可能必须对有机溶剂进行回收和/或处理以避免以气态形式排放到环境中。

US专利申请US2006/0166093公开了一种制造正极和/或负极材料的方法，其中加工溶剂是水。该公开的方法使用混有增稠剂的所谓水溶性合成橡胶(SBR)作为电极粘合剂。制备适于铺展的水溶液，其包括电化学活性材料、水溶性合成橡胶、增稠剂、任选的电子导电材料和作为溶剂的水。电极材料的水溶液不包含锂盐，原因是锂盐已知具有吸湿性，其将使电极在铺展成膜形式后难以进行干燥以除去水。长时间(12-24小时)干燥膜以将含水量降低至低于2000ppm，最优选低于50ppm。所生产的电极片是多孔的，目的是允许包含锂盐的液体或凝胶化电解质渗入，从而为电极中的电化学活性材料颗粒提供离子导电路径。因此，所公开的用于制造电极的方法是两步法，其中首先将不包含电解质的电极组分在水中混合并干燥，并且在干燥基础电极时，添加包含锂盐的电解质以形成工作电极。因此，所公开的方法专用于锂离子型电化学电池，而不适于制造具有固体电解质的锂系电化学电池，所述锂系电化学电池需要在组装到电化学电池中之前将锂盐引入正极中。

因此，需要有成本效益的且对环境友好的电极制造方法和工艺，所述电极引入离子导电电解质以用于锂系电化学电池。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种用于制造锂系电化学电池用电极片的方法，其包括如下步骤：a)将可溶于水的聚醚聚合物或共聚物、至少一种锂盐、至少一种电化学活性材料和水混合以形成包含至少20wt％的活性电极材料、至少5wt％的聚醚聚合物或共聚物以及至少1.5wt％的锂盐的水基(water-based)溶液/悬浮液；b)以电极薄膜的形式将所述水基溶液/悬浮液涂覆到电极支撑体上；和c)干燥所述电极薄膜以获得残留水少于1000ppm的电极薄片。

本发明的另一方面提供的是，所述电极薄片在干燥之后具有小于10％的孔隙度。

本发明的另一方面提供的是，将至多10％的导电材料混入所述水基溶液/悬浮液中。

本发明的另一方面提供的是，所述水基溶液/悬浮液包含水和一种或更多种可与水混溶的有机溶剂，所述有机溶剂最多为50体积％。

本发明的另一方面提供的是，所述有机溶剂选自醇、醇混合物、酮、酮混合物、醇和酮的混合物以及多种醇和多种酮的混合物。

本发明的另一方面提供的是，将防沫剂混入所述水基溶液/悬浮液中。

本发明的又一方面提供的是，将导电材料混入所述水基溶液/悬浮液中。

本发明的另一方面提供的是，通过利用多个渐进(incremental)温度阶段进行的热对流、热传导和/热辐射干燥方法来干燥电极薄膜。