[发明专利]基于硅颗粒和聚合物的可再分散颗粒

说明书

本发明涉及用于生产基于硅颗粒和聚合物的可再分散颗粒的方法，其特征在于a)将包含具有>600nm的平均粒径d₅₀的硅颗粒、一种或多种聚合物，以及一种或多种溶剂的混合物干燥，该聚合物含有选自包括羧基‑、酯‑、烷氧基‑、酰胺‑、酰亚胺‑和羟基基团的组的官能团；以及b)在从80℃直至低于聚合物分解温度的温度下进行热处理。

技术领域

本发明涉及基于硅颗粒和聚合物的可再分散颗粒，用于生产其的方法以及其用于生产锂离子电池的电极材料，特别是用于生产锂离子电池的负极的用途。

背景技术

可充电锂离子电池是当今实用的电化学储能器，其具有最高的重量能量密度。硅具有特别高的理论材料容量(4200mAh/g)，因此特别适合作为锂离子电池负极的活性材料。负极通过负极油墨生产，其中负极材料的单个成分分散在溶剂中。在工业规模上，由于经济原因和生态原因，通常用水作为溶剂。然而，硅的表面对水是非常反应性的，并且与水接触后被氧化形成氧化硅和氢气。氢气的释放导致负极油墨的加工相当困难。例如，由于含有气泡，这种油墨可能产生不均匀的电极涂层。此外，氢气的形成使得需要复杂的安全预防措施。最后，硅的不良氧化也会导致负极中硅的比例降低，从而降低锂离子电池的容量。

为了减少水性负极油墨的加工中氢气的形成，Touidjine(Journal of TheElectrochemical Society，2015，162，第A1466页至A1475页)教导了首先通过在高温下用水或空气预处理，以针对性的方式氧化硅颗粒的表面，且仅在此之后将以这种方式处理后的硅颗粒加入水性负极油墨中。Touidjine描述了具有150nm的平均粒径、14m²/g的BET比表面积的聚集的硅颗粒。通过空气氧化后，硅颗粒中SiO₂的含量为按重量计11％。颗粒的高含氧量必然导致元素硅的比例低。如此大的二氧化硅比例导致高初始容量损失。

K.Zaghib，Hydro Quebéc在一次演讲中(Conference DoE Annual Merit Review，2016年6月6日至10日，美国华盛顿特区，论文es222)提出了一系列用于减少水性硅颗粒分散体中的氢气形成的可替代方法供讨论，例如硅颗粒表面的涂层或pH控制添加剂的添加或硅颗粒表面的氧化或硅颗粒的老化。

具有含硅颗粒的负极材料的锂离子电池也可从EP1313158中获知。EP1313158的硅颗粒具有100至500nm的平均粒径。相对来说，大粒径被认为不利于相应电池的库仑效率。这些颗粒是通过研磨以及随后用含氧气体的氧化处理或者随后用聚合物涂覆来制备的。在聚合物涂覆的情况下，EP1313158还建议在存在硅颗粒的情况下聚合烯属不饱和单体。

DE102015215415.7(申请号)描述了在锂离子电池的负极材料中使用具有d₁₀≥0.2μm和d₉₀≤20.0μm，并且宽度d₉₀-d₁₀≤15μm的体积加权粒径分布的硅颗粒。

发明内容

鉴于该背景，本发明的目的是提供硅颗粒，当其用于水性油墨制剂以生产锂离子电池的负极时，不会导致氢气的形成，或者仅导致极少量氢气的形成，尤其是不会引起水性油墨制剂发泡或者不会引起油墨的任何不良的可泵送性，此外允许有利地在负极中引入非常高比例的硅，并提供非常均匀的负极涂层。对于具有中性pH值的油墨制剂，也应优选地实现该目的。此外，如果可能的话，还应实现具有含有硅颗粒的负极的相应锂离子电池的电化学性能的改善。

本发明提供了用于生产基于硅颗粒和聚合物的可再分散颗粒的方法，其特征在于：

a)将含有平均粒径d₅₀>600nm的硅颗粒、一种或多种聚合物以及一种或多种的溶剂的混合物干燥，该聚合物包含选自由羧基、酯基、烷氧基、酰胺基、酰亚胺基和羟基组成的组的官能团。

b)然后在从80℃至低于聚合物分解温度的温度下进行热处理。