[发明专利]离子交联聚合物电极浆料

说明书

本发明一般涉及电化学电池材料，例如用于锂离子电池等电池的材料。例如，本发明的某些实施例提供了一种用于制备电化学电池电极的水性浆料或水性浆料组合物。某些实施例中，浆料包括离子交联聚合物，粘结剂，导电剂，电活性材料和水的组合。在一些实施例中，所述离子交联聚合物包括聚合物主链，一个或多个阴离子取代基(其可以位于主链和/或一个或多个侧基中)以及一个或多个阳离子。

技术领域

本发明一般涉及电化学电池材料及方法，用于锂离子电池等电池及其他用途

背景技术

目前，电池电极制备需要将常规的锂离子粘结剂(例如聚偏二氟乙烯；(PVDF))用有机溶剂溶解，用粉末状电极材料和导电剂使溶液均匀化，然后将该浆料应用于金属集流体材料上，例如铝或铜。当溶剂蒸发时，有机溶剂可将粉末状电极颗粒彼此结合，并与集流体结合。最广泛应用的电极材料(例如钴酸锂，镍钴锰酸锂，镍钴铝酸锂和碳基阳极)在水性环境中不稳定，必须使用有毒且易燃的有机溶剂。电池工业上，最普遍应用的有机溶剂是N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

NMP具有高危险性，容易通过皮肤吸收，并且在暴露时会刺激眼睛，皮肤，鼻子和喉咙。毒理学研究表明，NMP损坏雄性和雌性实验动物的生殖系统，妊娠动物暴露于NMP后，表现出胎儿发育异常。长期过量接触NMP影响中枢神经系统，并且会导致疲劳，失眠，协调不良，注意力集中困难，短期记忆丧失以及抑郁，焦虑和易怒等精神/人格障碍等症状。由于它的致癌的和诱导有机体突变的特性，欧洲化学品局已经评定NMP的健康风险等级为“极高关注”。加州公共卫生部已经修订了“健康危害咨询准则”，为那些使用NMP的人们设定了允许的接触限值。作为有机溶剂，NMP是易燃的，闪点是95℃，这使它在生产过程中成为火灾隐患。考虑与使用NMP有关的的环境和安全问题，迫切需要避免使用有机溶剂的技术。

水基技术被认为是电极制造中涉及NMP的步骤的一种替代方法。水被认为是最有前景的溶剂候选，因为它是环保的和极便宜的。用去离子水替代价格昂贵的NMP，将大大减少电极制造在材料和间接费用方面的成本，因为用水性系统制造电极时所需的安全预防措施较少。

使用水作为溶剂/分散剂能够降低生产成本，在易燃性、环境影响和人类健康方面大大提高生产安全性。然而，不确定如何在水中成功的分散材料阻碍了电极生产的水处理的实施。由于粒子间相互作用很强，以及阴极分散在铝箔集流体上的润湿性差，水处理带来了团聚等问题。乳化剂和水溶性聚合物粘结剂已被建议使用，但是并没有成功实行。乳化剂在干燥后不能被移除，并且降低阴极材料的电导率，导致能量容量降低，循环性能不稳定。含羟基或羧基的水溶性聚合物在加工过程中会改变浆料的PH值，从而破坏阴极浆料的均匀性。因此，需要改进生产技术等等。

发明内容

本发明一般涉及电化学电池的材料和方法，例如用于锂离子电池等电池的材料和方法以及其他应用。本发明的主题在某些情况下涉及相互关联的产品、特定问题的备选解决方案和/或一个或多个系统和/或物品的多种不同用途。

在某些方面，本发明一般提供一种浆料组合物，或者用于生产电化学电池电极的浆料。例如，某些实施例提供一种浆料，包括：x％的离子交联聚合物，y％的粘结剂和导电剂按照摩尔比a/(1-a)的混合物，a是从0到1范围内的数值(0<a<1)，以及(100-x-y)％的电活性材料的水溶液，其中，x％,y％,和(100-x-y)％都是重量百分比。在一些实施例中，离子交联聚合物控制的粘结剂可以用在水基浆料中，这样可能更容易处理，减少环境污染，和/或降低生产成本，同时保留粘结剂，导电剂和电活性材料的化学和电化学优点。

在一些实施例中，a是从0到1范围内的数值(0<a<1)，x是在从0.01到49.99范围内的数值，y是在从0.01到49.99范围内的数值,100-x-y大于0。