[发明专利]用于锂电池的电极

说明书

本申请要求了DE 10 2010 061 485.8的优先权。该优先权文件通过参考全部引入本申请公开内容中。

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本发明涉及提高电池电极的环境友好性和使用这些电极的锂电池，用于制备电池阴极和阳极的环境友好的的方法以及含有一个或多个这些组件(Komponenten)的电池。

本发明特别涉及用于锂电池的电极，所述电极包含纤维素、优选天然纤维素、和/或可溶于离子液体的纤维素衍生物，用于制备这些电极的方法和它们的用途。

现有技术：

对于便携式电子器械例如个人数字辅助设备(PDA)、蜂窝电话和笔记本电脑的需求一直不断增加。设计这些便携式器械使得它们更加紧凑、更薄和更轻的需要同样也日益增加。除了这一已经非常广泛且连续增长的市场之外，基于混合动力驱动的车辆看起来也处于非常先进的开发状态并将持续增长使用。相应地，为这些器械供应电源的电池是这些器械中更加重要的组成部分。迄今为止特别使用锂电池作为用于该类便携式器械的主要电源并被认为是向混合动力、插电(plug-in)混合动力(电池也在电源处充电)和完全电动车辆供应电源的唯一可能，因为它们非常轻且具有高的能量密度。

锂电池尤其包含活性阴极材料、活性阳极材料和隔膜。例如，可以用于锂电池的活性阴极材料和活性阳极材料由US 5,837,015、US 5,635,151已知。用于锂电池的活性阴极材料可以由含锂过渡金属氧化物构成，例如LiCoO₂、LiMnO₂、LiNiO₂ 和二元或三元化合物(LiCo_(1-x-y)Ni_xMn_yO₂)、硫属元素化合物如MoS₂、和金属磷酸盐如LiFePO₄。由于这些化合物具有层状晶体结构，锂离子可以可逆地嵌入这些结构中/从这些结构中解脱。为此，常常使用这些化合物作为用于锂电池的活性阴极材料。

所述活性阳极材料可以是金属锂，但是针形锂枝状体（Dendriten）可以接着在锂表面生长。这种情况会发生，因为锂在电池充电/放电过程中反复溶解和再沉淀。由此，针形枝状体对放电/充电效率会具有不利影响并通过与阴极接触甚至可能引起内部短路。为了对抗这些问题，可以使用可逆地嵌入和解脱锂离子的材料作为阳极材料。这种材料可以是锂合金、金属粉末、石墨或含碳材料、金属氧化物或金属硫化物。

需要粘合剂以便将粉末电极材料与电流输出引线（Stromableiter）粘合在一起和形成片状电极。

迄今为止，使用合成制备的聚合物制造锂电池电极和隔膜，所述聚合物如PE (聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PEO(聚环氧乙烷)、PPO (聚环氧丙烷)、PTFE(聚四氟乙烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PAN(聚丙烯腈)、PS (聚苯乙烯)、SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)和许多其它聚合物，分别单独或以这些材料的混合物使用。尽管如此，PVdF(聚偏二氟乙烯，原样或作为共聚物，则通常为PVdF-HFP，其中HFP是六氟丙烯)迄今为止已经是最广泛使用的粘合剂。这些粘合剂中的大多数要求使用挥发性的有机溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，这些有机溶剂对人类是有毒的并且根本不是环境友好的。结果是制备方法非常复杂并且需要非常高的装置费用。为了对抗这些问题，日本公开的说明书JP 05-074461公开了使用苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)-基粘合剂和羧甲基纤维素(CMC)-基粘合剂用于制备活性阳极材料的含水淤浆的方法。在此情况下，使用水作为溶剂。另外，US 2005 074669 A1公开了CMC粘合剂中羧基取代对使用已经用此粘合剂制备的阳极制成的锂电池的性能的影响。

羧甲基纤维素或CMC，即:具有结合在纤维素骨架的某些羟基上的羧甲基基团(-CH₂-COOH)的纤维素衍生物，通过纤维素与氯乙酸的碱催化反应制备。然而，此方法较昂贵且要求使用有毒的化学品。

另一方面，纤维素是环境友好的粘合剂，它不要求另外的化学处理(除了除去其植物源的残余物之外)。纤维素是地球上最丰富的有机化合物。所有植物材料的大约33%是纤维素(棉花中高达90%，木材中高达50%)。另外，基本上可以由任何植物得到。

目的：