[发明专利]带有具有化学附着至其的电活性材料的聚合物网络的高性能电极

说明书

公开了用于电化学设备的高性能电极，其具有带有化学附着到交联的聚合物基质的电活性材料的聚合物网络。一种方法包括混合电极浆料并在电极浆料内形成聚合物网络。电极浆料包括电活性材料、导电性填料、多个聚合物链、以及多种化学交联前体。每种化学交联前体都配置成(i)使多个聚合物链进行化学交联并且(ii)将电活性材料化学附着到多个聚合物链。

引言

本公开涉及用于锂离子电化学设备的高性能电极，并且更具体地涉及将电活性材料化学附着到用于优化锂离子电化学设备中的电极性能的化学交联聚合物。

诸如锂离子电池的高能量密度电化学电池可以用于各种消费产品，诸如包括膝上型电脑、平板电脑和蜂窝电话的移动设备和诸如混合动力电动车(HEV)和电动车(EV)等的车辆。

用于电化学电池的高性能电极具有明显的缺点。例如，具有含硅电活性材料的电极在充电-放电循环期间会经历大量的库仑衰减。充电-放电循环期间的体积变化可以限制蓄电池的性能和/或寿命。

发明内容

虽然不受理论束缚，但是据信蓄电池的缩减性能和/或寿命通常是由于导电性填料和粘合剂与电活性材料和集电器的物理接触的破坏，这是由电活性颗粒在充电-放电循环期间经历的体积变化引起的。

根据本公开的系统和方法通过使用具有化学附着到化学交联聚合物基质的粘合剂提供了蓄电池的优化性能和/或寿命。有利地，具有化学附着到化学交联聚合物基质的电活性材料的粘合剂优化了电极的机械坚固性并增强了粘合剂与电活性材料之间的界面粘合性。再者，如本文中所述，化学交联基质和电活性材料的化学附着两者的同时形成优化了电极的加工和形成、以及机械和电气特性。

根据本公开的方面，一种方法包括混合电极浆料并在电极浆料内形成聚合物网络。电极浆料包括电活性材料、导电性填料、多个聚合物链、以及多种化学交联前体。每种化学交联前体都配置成(i)使多个聚合物链进行化学交联并且(ii)将电活性材料化学附着到多个聚合物链。

根据本公开的进一步方面，该方法进一步包括将其中悬浮有聚合物网络的电极浆料涂敷到集电器，并且干燥电极浆料，从而形成电极。

根据本公开的进一步方面，该方法进一步包括将多种化学交联前体接枝到多个聚合物链。接枝包括将多个化学交联前体与多个聚合物链混合，从而形成接枝溶液，并且在形成聚合物网络之前使接枝溶液静置至少约10min，使得将基本上所有的多种化学交联前体都接枝到多个聚合物链上。

根据本公开的方面，电极包括聚合物网络和分散在聚合物网络内的导电性填料。聚合物网络包括具有化学附着至其的电活性材料的多个聚合物链。多个聚合物链的每个都与多个聚合物链的另一个进行化学交联。电活性材料是在蓄电池单元的充电和放电期间经历体积变化的材料。聚合物网络通过混合电极浆料并形成聚合物网络来形成。电极浆料包括电活性材料、导电性填料、多个聚合物链、以及多种化学交联前体。多种化学交联前体配置成(i)使多个聚合物链进行化学交联并且(ii)将电活性材料化学附着到多个聚合物链。导电性填料配置成从电活性材料中输送电能。

根据本公开的方面，用于蓄电池单元的粘合剂包括聚合物网络。聚合物网络包括具有化学附着至其的电活性材料的多个聚合物链。每个聚合物链的每个都与多个聚合物链的另一个进行化学交联。电活性材料是在蓄电池单元的充电和放电期间经历体积变化的材料。聚合物网络通过混合电极浆料并在电极浆料内形成聚合物网络来形成。电极浆料包括电活性材料、导电性填料、多个聚合物链、以及多种化学交联前体。多种化学交联前体配置成(i)使多个聚合物链进行化学交联并且(ii)将电活性材料化学附着到多个聚合物链。

根据本公开的进一步方面，化学交联前体选自由异氰酸酯-硅烷、环氧化物-硅烷、和聚异氰酸酯构成的组。

根据本公开的进一步方面，将电活性材料化学附着到多个化学交联前体包括在电活性材料上形成羟基基团并且使羟基基团与多种化学交联前体之一进行反应。