[发明专利]用于电池电极的黏结剂

说明书

本文提供了用于电池电极的黏结剂，包含该黏结剂的黏结剂组合物、电极和电池，及其制备方法。

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月2日提交的美国临时申请号62/754,659的优先权权益，出于所有目的，该申请的内容通过引用整体合并于此。

技术领域

本公开总体上涉及能量存储领域。更具体而言，本公开涉及用于电池电极的黏结剂以及包含该黏结剂的黏结剂组合物、电极和能量存储装置及其制备方法。

背景技术

锂离子电池于1991年由索尼(Sony)首次商业化，其名称源于石墨(Li_xC₆)负极(anode)与层状氧化物(Li_1-xTO₂)正极(cathode)之间的Li⁺离子交换，其中T是过渡金属(通常是钴，但有时是镍或锰)。它在平均电压3.8V时存储的能量(≈180Wh/kg)是许多老式铅酸电池的5倍。

大量研究已经针对开发更好的用于正极、负极、电解质、黏结剂等的材料。由于正极和负极材料是电池架构的主要组成部分，因此更多的重点放在正极和负极材料上。尽管当前的负极材料主要由碳基材料主导，但这已导致了各种各样的正极和负极材料的商业可用性。像硅和锡等高容量合金负极材料尚未在商业上采用，因为它们对锂离子电池中这些材料的有效功能提出了各种挑战。

硅(Si)由于提供高理论容量而已成为研究最广泛的负极材料之一。在纯相中，Si负极容量的实际极限是4200mAh/g。Si具有令人印象深刻的理论值，是地壳中含量第二高的元素，并且由于在半导体(包括光伏)行业的广泛使用，Si的加工技术也得到了发展。因此，Si负极的研究发展迅速。Si负极的性能优势和局限性及其运行和失效原理(图2)已得到广泛研究，并且获得的知识可作为了解其他类型合金电极的基础。

在锂化时，非晶Si(a-Si)和晶体Si(c-Si)负极均先变为非晶态，然后可形成相对于Li低于≈0.05V的亚稳态Li₁₅Si₄晶相。如果最初是晶体，则Si将主要在110方向上各向异性膨胀，如图3所示。该初始锂化被认为受晶体Si和非晶锂化相之间的界面处的反应速率限制。但是，随着锂化相变厚，较大的体积变化会导致应力GPa水平升高，尤其是在高充电率下。因此，纳米结构对于减轻表面应力并为膨胀提供必要的空隙空间是必需的。如果不采取这种措施，应力会通过诱发极大的极化而导致裂纹形成并限制容量。

尽管在Si负极领域中取得了长足的进步，但除了一些最新的设计之外，目前尚无商业负极以Si或含Si的复合材料为基础，该最新的设计采用添加到石墨负极中的少量含有碳涂覆的氧化硅(SiOx)的小颗粒来稍微增加负极的质量比容量(gravimetric capacity)或脉冲功率性能。硅在锂离子电池中的商业应用应当需要进一步的技术开发，并克服维持恒定的颗粒体积和粒径这一主要挑战，以及以大型商业规模合成的颗粒来实现。

因此，需要解决至少一些上述问题的改善的黏结剂材料。

发明概述

因此，本公开提供了克服本文所述的至少一些问题的性能改善的电极黏结剂，其制备方法以及包含该电极黏结剂的电极和能量存储装置。

在第一方面，本文提供了用于电池电极的黏结剂，该黏结剂包含壳聚糖和至少一种磷酸盐或其共轭酸，其中至少一种磷酸盐选自由正磷酸金属盐、焦磷酸金属盐和多磷酸金属盐组成的组。

在第一方面的第一实施方案中，本文提供了第一方面的黏结剂，其中至少一种磷酸盐和壳聚糖以1:1至1:100的质量比存在。

在第一方面的第二实施方案中，本文提供了第一方面的黏结剂，其中至少一种磷酸盐是三聚磷酸钠。