[发明专利]用于液体配制剂、特别是锂离子电池中的碳基导电填料的母料

说明书

本发明涉及用于液体配制剂、特别是锂离子电池中的碳基导电填料的母料。本发明涉及附聚的固体形式的母料，包含：a)碳纳米纤维和/或纳米管和/或炭黑，其含量相对于母料的总重量为15重量％‑40重量％，优选为20重量％‑35重量％；b)至少一种溶剂；c)至少一种聚合物粘合剂，其相对于母料的总重量占1重量％至40重量％，优选2重量％‑30重量％。本发明还涉及浓缩的母料，其特征在于其通过从前述母料中除去全部或部分的溶剂而获得。本发明还涉及制备所述母料的方法和所述母料的用途，特别是在制造电极或电极用复合材料中的用途。

本申请是申请号为201180015499.8、申请日为2011年03月22日、发明名称为“用于液体配制剂、特别是锂离子电池中的碳基导电填料的母料”的专利申请的分案申请。

本发明涉及包含碳基导电填料例如碳纳米管的母料，以及它的制备方法，和该母料用于制造锂离子电池和超级电容器的元件的用途，更通常涉及用于将碳纳米管整合进水基或有机基的液体配制剂中的用途。

锂离子电池至少包含由铜制成的与集流体(current collector)耦合的一个负极或阳极、由铝制成的与集流体耦合的一个正极或阴极、隔板和电解质(electrolyte)。所述电解质由与溶剂混合的通常是六氟磷酸锂的锂盐组成，所述溶剂是选择用来最优化离子的迁移和解离的有机碳酸酯的混合物。高的介电常数有利于离子的解离，因此有利于在给定体积内的可获得的离子数目，而低粘度有利于离子扩散，在其它参数中，其在电化学体系的充放电速率中扮演了重要的角色。

电极通常包含至少一个其上沉积有复合材料的集流体，所述复合材料由以下组成：一种活性材料，由于它具有相对于锂的电化学活性；一种作为粘合剂的聚合物，其通常是用于正电极的偏二氟乙烯共聚物；和用于负电极的羧甲基纤维素或丁苯胶乳型的水基粘合剂；再加上导电的添加剂，通常是超P(Super P)炭黑或乙炔黑。

在充电时，锂嵌到负电极(阳极)活性材料中，通过从正电极(阴极)活性材料中提取相等的量，它的浓度在溶剂中保持恒定。嵌入负电极使锂还原，因此，通过外部电路，提供从正电极到这个电极的电子是必要的。在放电时，相反的反应发生。

以前的研究已经证明将炭黑或乙炔黑用碳纳米管(CNT)替换，或者将CNT加入这种导电的添加剂中，表现出了许多优点：导电率的增加；围绕着活性材料粒子的更好整合性(better integration)；优良的本征机械性能；形成在电极的本体中和金属的集流体和活性材料之间更好地连接的电力网络的能力；在电极复合材料中的循环过程中优异的容量保持率等。

例如，K.Sheem等(J.Power Sources，158，(2006)，1425)表明用LiCoO2作为阴极材料，以相对于电极材料为5重量％的CNT可以提供比超P炭黑更好的循环性能。关于W.Guoping等(Solid State Ionics 179(2008)263-268)，他们报道了当电极包含3重量％的CNT代替3重量％的乙炔黑或纳米纤维时，在循环过程中有更好的容量性能且作为LiCoO2阴极的电流密度的函数。

然而，将碳纳米管引入形成电极的材料的配制剂仍然有一些不足之处需要改善。

当CNT的分散直接地在液体配制剂(特别是在有机溶剂基体)中进行时，观察到分散体的增粘(viscosification)和这种分散体的低稳定性。为了克服这个缺点，使用了球混合器和高剪切的磨机和混合器。但是，能被引入液体配制剂的CNT含量仍然限于1-2％。因为由于它们的高缠绕结构导致的CNT聚集，这些困难限制了CNT在由电极材料构成的材料的配制剂中的实际用途。

而且，从毒物学的观点看，CNT通常是以附聚的粉末颗粒(agglomerated powdergrains)形式存在，平均尺寸是约几百微米。尺寸、形态和物理性能的差异意味着CNT粉末的毒物学的性质还没有完全已知。因此优选用宏观尺寸的附聚的固体形式的CNT生产。