[发明专利]锂粉末阳极

说明书

目前可重复充电的电化学存储系统对于日常生活的许多领域具有越来越重要的意义。除了已存在已久的作为汽车起动电池以及作为携带型电子设备的电源的应用外，预见到未来对于电动汽车的驱动以及稳态储能方面的应用的显著增长。对于新的应用，传统的铅/硫酸蓄电池并不合适，因为它们具有太小的容量并且它们不能足够频繁地循环。而锂电池提供了最好的可能性。

一次电池（即，不可重复充电的锂电池）通常具有锂金属阳极，而可重复充电的锂电池（其通常为锂离子电池）出于安全的理由不包含金属锂，而是使用石墨材料作为阳极。但是，以充电状态可以最多充电至临界组成LiC₆的石墨的使用却使得容量相对于使用金属锂明显较小。与石墨相比，使用金属锂作为阳极材料显著提高体积容量和重量容量。

理论容量石墨锂金属重量（Ah/kg）3723860体积（Ah/L）8412061

由片状锂构成的锂阳极的使用因此尤其是不可行的，因为所述锂尤其在高电流密度下在充电过程中通常并非平面地而是枝晶状即针状析出。由此，部分的锂可能被截断，即，失去与阳极的其余部分的电接触。结果是在原电池的持续循环时相对较快的容量下降。另一个问题为，枝晶可穿透隔板。这会引起短路并释放出高热量。由此可轻易超过锂的熔点。熔融的锂极具反应性并且在与可燃的电池组分（例如有机电解质）接触时电池的爆炸性击穿（“热击穿”）不可避免（M.Winter,J.O.Besenhard,ChemieinunsererZeit33(1999)320-331）。已知，枝晶形成的趋势取决于与面积相关的电流强度。片状锂（锂箔）比由粉末状锂金属构成的电极具有明显更小的比表面积。通过BET-测量（按照Brunauer、Emmet、Teller的分析方法）可表明，在15MPa的压力下，机械压实的锂-颗粒（直径20μm）具有约0.4m²/g的比表面积，而片状锂仅具有约0.1m²/g（M.S.Park,W.T.Yoon,J.PowerSources114(2003)237-243）。结果是，如此制成的粉末阳极显著更耐循环。如，用压制的粉末阳极在C/2的循环速率下至少100次循环不会观察到明显的容量损失，而用膜电极自第40次的循环起观察到容量急剧下降（J.S.Kim,S.Baek,W.Y.Yoon,J.Electrochem.Soc.157(2010)A984-A987）。但是，用于制备锂粉末阳极的压制工艺的缺点是该工艺不能扩大规模或仅能以高成本扩大规模。电极带生产的现代、有效的工艺为，将黏合剂添加在溶剂中来制备活性材料的悬浮液并且通过涂覆工艺（浇铸、压制等）将该悬浮液施加在引流膜（Stromableiterfolie）上。例如部分氟化的聚合物如聚偏二氟乙烯（PVdF）适合作为黏合剂。但该聚合物仅溶解在极性非常强的溶剂如甲基吡咯烷酮（NMP）或二甲亚砜（DMSO）中，此外（由条件决定的）还溶解在丙酮或四氢呋喃（THF）中。已描述了以悬浮工艺使用PVdF-黏合剂和THF作为溶剂制备Li-粉末阳极（C.W.Kwon等人,J.PowerSources93(2001)145-150）。