[发明专利]用于锂离子电池的水基阴极浆料

说明书

技术领域和背景

本发明涉及用于锂离子可充电电池的正电极的水基电极涂覆技 术。

锂离子电池基本上为胶冻卷，浸渍有电解质，附接到电流连接器， 并且插入到电池外壳中。胶冻卷至少由负电极(阳极)、多孔电绝缘 膜(隔板)和正电极(阴极)组成。通常，电极是通过电活性复合材 料涂覆在两侧上的金属箔(或衬底)。电活性复合材料是多孔的并且 由活性材料的颗粒组成，该电活性复合材料包含粘结剂以将颗粒粘合 到彼此并粘合到衬底上，并且该电活性复合材料包含导电添加剂以增 加导电性。在电池组装之后，气孔将由电解质填充。

负电极(阳极)通常由作为集流体的铜箔组成，>90％的活性复合 材料通常由石墨型碳组成，剩余<10％由粘结剂以及导电添加剂组成。

传统电极制备技术是湿涂工艺，其中将粘性浆料涂覆到集流体衬 底上。在传统方法中，浆料是NMP(正甲基吡咯烷酮)有机溶剂基分 散体。粘结剂(典型地为PVDF(聚偏二氟乙烯)基共聚物)被溶解于 溶剂中，并且导电添加剂以及电活性电极材料悬浮在浆料中。

NMP/PVDF基浆料具有良好的粘机械特性，这允许在高涂覆速度 (典型地为每小时数公里)下的高质量工业涂覆。

PVDF并不是最好的粘结剂，但是非常适用于有机NMP基涂覆技 术。PVDF作为粘结剂的重要方面是所谓的溶胀能力。用于电池中的电 解质不能溶解但能软化PVDF粘结剂。所得“溶胀”PVDF具有Li离 子导电性。在干燥电极之后，活性材料颗粒的部分被PVDF覆盖。如 果PVDF不是离子绝缘体，则表面覆盖将阻挡锂的运输。由于溶胀聚 合物的离子导电特性，并且不管PVDF覆盖范围，良好的容量和倍率 性能得以实现。NMP是易燃的并且具有一定的毒性。NMP蒸气由于吸 入和爆炸危险而成为主要关注的问题，并且不能大量地释放到环境中。

传统有机涂覆工艺(即将NMP/PVDF基浆料涂覆到集流体衬底上) 并不便宜。NMP具有相对较高的蒸发温度，所以干燥电极在相对较高 的温度(例如，120℃)下进行。由于成本和环境原因，NMP需要循环 出热干燥气体。循环可通过冷凝来完成，但是需要能量和相对昂贵的 装备。NMP的易燃性要求设备是防爆的，这进一步增加了设备的成本。 因此，尝试用水基涂覆工艺代替有机NMP基涂覆工艺。该尝试对于负 电极(阳极)已完全成功。而10年前，专门通过NMP工艺来涂覆阳 极，如今阳极的主要部分通过水基涂覆工艺制备。水基涂覆工艺的优 点是(a)非易燃性，以及因此无需防爆设备，(b)较低干燥温度以及(c)无 需溶剂循环。

用于阳极涂层的典型水基浆料如下制备：将CMC(羧甲基纤维素) 溶解于水中，以用于改善粘机械特性，从而允许工业涂覆操作。同时， CMC用作用于(通常为疏水性的)石墨基碳电活性材料和碳导电添加 剂的表面活性剂。在电极干燥之后，CMC剩余，用作粘结剂，但CMC 是易碎的。为了软化电极，使其更有弹性以及为了提高衬底和涂层SBR (苯乙烯-丁二烯橡胶)之间的粘附力，将细颗粒作为粘结剂添加到浆 料。粘结剂颗粒不溶解。这种先进的SBR胶乳粘结剂可从例如日本东 京的JSR公司(JSRCorporation,Tokyo,Japan)获得。

就正电极(阴极)而言，需要类似的方法。类似于阳极技术，就 阴极而言，水基涂覆将降低成本并且是环境友好的。然而，与阳极相 反，对于阴极的水基涂覆更困难。主要问题是许多阴极材料在水中并 非惰性的事实，这导致了问题并且使对于阴极实施水基涂覆工艺复杂 化。使用水基涂覆技术以用于制备阴极的例子可见于US2013-0034651。 在电池内，阴极在高电压下(当相对于Li/Li+测量时)。而橡胶在低阳 极电压下是稳定的，大多数橡胶在高电压下分解。因此，已开发了更 适合的橡胶，诸如氟化丙烯酸胶乳橡胶。一种这样的粘结剂是氟丙烯 酸杂化胶乳(TRD202A)，并且由JSR公司供应。在本说明书中，我们 称其为“FAP”：氟丙烯酸酯聚合物。