[发明专利]电极材料及其制备方法

说明书

本申请描述了一种电极材料，其包含分散在聚合物粘合剂中的电化学活性材料的粒子，其中所述聚合物粘合剂是酸性聚合物或是包含可溶于水性溶剂或非水溶剂(例如NMP)的粘合剂和酸性聚合物的混合物。本申请还进一步涉及制备所述电极材料的方法和含有所述材料的电极，以及电化学电池和它们的用途。

相关申请

本申请要求2016年6月30日提交的美国临时申请No.62/356,952和2016年12月20日提交的美国临时申请No.62/436,718的优先权，它们的内容出于所有目的全部经此引用并入本文。

技术领域整体上涉及电极材料及其制备方法，例如使用含有酸性聚合物或含有水溶性粘合剂和酸性聚合物的粘合剂的电极材料。本申请还涉及所述电极材料用于制备电极的用途和它们在电化学电池，例如锂离子电池中的用途。

背景

聚合物粘合剂在电化学中广泛使用以提供活性材料的内聚和粘附在电极的集流体上。这些粘合剂无电化学活性并且化学惰性。它们还已知对电池的质量(mass)和稳定性作出显著贡献(Yamamoto,H.等人,Lithium-Ion Batteries:Science and Technologies,Springer New York,2009；第163-179页，经此引用并入本文)。

最常用的聚合物粘合剂是聚(偏二氟乙烯)(PVDF)。通常将该聚合物溶解在有毒溶剂，即具有极高沸点温度(202℃)的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，然后将其与活性材料粒子合并，并将该混合物施加在集流体上((a)Guerfi,A.等人,J.of Power Sources,2007,163(2),1047-1052；(b)Lux,S.F.等人,J.of The Electrochem.Soc.,2010,157(3),A320-A325，经此引用并入本文)。尽管该聚合物作为粘合剂有效并且电化学惰性，但其对工业应用具有显著缺点，例如关于生产成本和与涂布电极后的溶剂蒸发(这需要大量能量)相关的成本(参见Lux等人，见上文)。此外，与PVDF接触的电池的电解质引起氟化锂的形成，其加速粘合剂的化学降解(参见Guerfi等人，见上文)，因此相应地提高电池和电池单元寿命的降解速率。

所用的另一聚合物粘合剂是苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)和甲基纤维素(CMC)的混合物。SBR促进粘附在集流体上的粘合，而CMC增稠该分散体并增强活性材料粒子之间的粘合(参见Guerfi等人，见上文)。这种混合物在LiFePO₄和LTO的情况下非常有效(Chou,S.L.等人,Phys.Chem.Chem.Phys.,2014,16(38),20347-20359，经此引用并入本文)，但对LCO无效(Lee,J.-T.等人,J.of Power Sources,2007,173(2),985-989，经此引用并入本文)。这种混合物也无电化学活性并且对电池的效率没有积极贡献。

聚(丙烯腈)(PAN)、聚(丙烯酸)(PAA)和聚(乙烯醇)(PVA)过去也已用作电极的聚合物粘合剂((a)Cai,Z.P.等人,J.of Power Sources,2009,189(1),547-551；(b)Gong,L.等人,Electrochem.Comm.,2013,29,45-47；(c)Park,H.-K.等人,Electrochem.Commun.,2011,13(10),1051-1053，经此引用并入本文)。但是，这些聚合物的柔性不足(玻璃化转变较高)是主要缺点，因为电极在大量循环时会形成裂纹(Tran,B.等人,Electrochim.Acta,2013,88,536-542，经此引用并入本文)。

因此，可溶于具有较低沸点的环保溶剂如水的聚合物的使用对电极制造而言是有益的改进。另外，也希望粘合剂增强活性材料的分散并对电极的离子和/或电子电导率作出贡献。例如，离子电导率的提高可能有助于降低电极的内电阻，因此使锂能够传输。