[发明专利]电极组合物、电化学电池及制备电化学电池的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2013年5月30日提交的美国临时专利申请号61/828,848的优先权，该申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及电极组合物、电化学电池、以及制备电化学电池电极的方法。

背景技术

粉末状合金和导电粉末诸如炭黑已被用于制备用于锂离子电池的电极，其过程涉及将粉末状活性成分与聚合物粘合剂诸如聚偏二氟乙烯混合。将混合的成分在聚合物粘合剂的溶剂中制备为分散体，并涂覆到金属箔基底或集电器上。所得的复合电极在附着到金属基底的粘合剂中包含粉末状活性成分。

二次电化学电池诸如锂离子电池能够可逆地进行多次充电和放电。就锂离子蓄电池而言，通过使电池电极锂化和脱锂来实现锂离子电化学电池的充电和放电。

当构造锂离子电池时，其通常在正极中包含锂离子，并且在负极中无锂离子。在电池的初始循环反应(充电)期间，锂从正极转移至负极，直到负极已经达到其吸收锂离子的容量。在第一放电时，锂离子从锂化的负极迁移回到正极。

通常，在第一充电后并不是所有在负极中的锂离子都能够迁移出负极。这导致所谓的电池容量中不可逆的损耗。来自附加循环(在第一循环后)的电池容量中的损耗被称为容量衰减。容量衰减的原因包括在重复循环时电极材料的形态上的改变、在重复循环时有源电极材料上绝缘层的积聚或其它理由。

发明内容

期望的锂离子电池是在循环中具有低体积膨胀并且在多次循环后具有低容量损耗(衰减)的锂离子电池。

提供可用于制备电极的电极组合物将是有利的，所述电极提供在多次循环后的减小的容量损耗和在循环中较低的体积膨胀。

在第一方面，本发明因此提供电极组合物，该电极组合物包含：硅合金、石墨碳、粘合剂和含有碳纳米管的导电添加剂，该硅合金包含硅、铁并任选地包含碳，硅合金能够经历锂化和脱锂。

出人意料的是，本发明人已发现在制备电极组合物中使用包含碳纳米管的导电添加剂提供在多次循环后的减小的衰减和降低的体积膨胀。所公开的包含碳纳米管导电/导电性添加剂的电极可改善采用基于(优选微粒)合金粉末的电极的可再充电锂离子电池中的循环寿命。所公开的导电性添加剂还可允许制造具有改善的容量的可再充电锂离子电池。

优选地，组合物包含10重量％至80重量％的硅合金，优选地20重量％至70重量％的硅合金，更优选地30重量％至70重量％的硅合金，并且最优选地40重量％至70重量％的硅合金。

优选地，组合物包含80重量％至10重量％的石墨碳，40重量％至15重量％的石墨碳，并且更优选地35重量％至20重量％的石墨碳。

优选地，组合物包含1重量％至20重量％的粘合剂，2重量％至20重量％的粘合剂，更优选地4重量％至15重量％的粘合剂或4重量％至12重量％的粘合剂，最优选地4重量％至10重量％的粘合剂。

优选地，组合物包含0.2重量％至10重量％的碳纳米管，更优选地0.5重量％至5重量％的碳纳米管，并且最优选地1重量％至3重量％的碳纳米管。

根据本发明的电极组合物可用于负极或正极中。

然而优选地，组合物将用于负极(阳极)中。

粘合剂优选地包含聚丙烯酸盐。更优选地，粘合剂包含聚丙烯酸锂。聚丙烯酸锂可由被氢氧化锂中和的聚(丙烯酸)制成。

在本专利申请中，聚(丙烯酸)包括丙烯酸或甲基丙烯酸或它们的衍生物的任何聚合物或共聚物，其中共聚物的至少约50摩尔％、至少约60摩尔％、至少约70摩尔％、至少约80摩尔％、或至少约90摩尔％是使用丙烯酸或甲基丙烯酸制备的。可用于形成这些共聚物的可用的单体包括例如具有含1至12个碳原子的烷基基团(支化或非支化的)的丙烯酸或甲基丙烯酸的烷基酯、丙烯腈、丙烯酰胺、N-烷基丙烯酰胺、N，N-二烷基丙烯酰胺、丙烯酸羟烷基酯等。特别要关注的是水溶性(特别是在中和或部分中和之后)丙烯酸或甲基丙烯酸的聚合物或共聚物。水溶性取决于聚合物或共聚物和/或组合物的分子量。聚(丙烯酸)是高水溶性的，并且优选地与包含大摩尔份数丙烯酸的共聚物一起使用。聚(甲基丙烯酸)的水溶性稍弱，特别是在较大分子量时。

粘合剂可与其它聚合物材料共混以制备材料的共混物。这样做可例如提高粘附力、提供增强的传导性、改变热特性或影响粘合剂的其它物理特性。

电极组合物可包含促进粉末状材料或导电添加剂粘附至粘合剂的增粘剂。增粘剂与粘合剂的组合可帮助电极组合物更好地适应在重复的锂化/脱锂循环期间粉末状材料中可发生的体积变化。