[发明专利]用于锂离子电池的电池单元的阴极的电极组合物、包含其的阴极浆料组合物、阴极以及电池

说明书

本发明涉及一种用于锂离子电池的电池单元的阴极的电极组合物，该电极组合物包含含环氧基的无氟共聚物；一种包含该电极组合物的阴极浆料组合物；一种阴极；一种用于制造此阴极的方法；以及一种锂离子电池，该锂离子电池具有并入此阴极的一个或多个电池单元。

技术领域

本发明涉及一种用于锂离子电池的电池单元的阴极的电极组合物，该电极组合物包含含环氧基的无氟共聚物；一种包含该电极组合物的阴极浆料组合物；一种阴极；一种用于制造此阴极的方法；以及一种锂离子电池，该锂离子电池具有并入此阴极的一个或多个电池单元。

背景技术

锂离子电池由至少两个具有不同极性的导电库仑电极组成：负电极或阳极(通常由石墨制成)和正电极或阴极，这两个电极之间设置隔膜，该隔膜由用基于Li⁺离子阳离子的非质子电解质浸透的电绝缘体组成，从而确保离子导电性。这些锂离子电池中使用的电解质典型地由锂盐例如LiPF₆、LiAsF₆、LiCF₃SO₃或LiCO₄组成，该锂盐溶解在非水溶剂诸如乙腈、四氢呋喃或更常见的碳酸酯(例如碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸亚乙烯酯或碳酸丙烯酯)的混合物中。锂离子电池阴极的活性材料允许可逆地将锂离子插入此阴极/从此阴极移出，并且此活性材料在阴极中的质量分数越高，其容量就越高。阴极还必须含有导电化合物，诸如炭黑，以及聚合物粘合剂，以使其具有足够的机械内聚性，这也是与集电箔良好粘附所需的。因此，粘合剂必须与活性材料和电导体两者相互作用，同时保持电化学稳定性和高柔韧性。因此，锂离子电池基于锂离子在电池充电和放电过程中在阳极与阴极之间的可逆交换，并且对于非常低的重量，由于锂的物理性质，此种电池具有高能量密度。

锂离子电池的阴极通常使用依次包括以下步骤的方法制造：将聚合物粘合剂、活性材料、导电材料和任选地分散剂溶解和/或分散在溶剂中的步骤，将获得的阴极浆料组合物涂覆在集电器上的步骤，以及然后最后将此溶剂蒸发的步骤。

将聚合物粘合剂分散在阴极浆料组合物中，以改善阴极活性材料之间的粘着性以及阴极活性材料与集电器的粘附性。同时，聚合物粘合剂有助于分散导电材料。聚合物粘合剂的电解质保持能力改善了电池特性。

在充电-放电过程中，锂离子被加载和卸载到活性材料中。由于锂离子的这种移动，可能发生阴极和阳极材料的膨胀和扩张。因此，对于锂离子电池，非常希望使用弹性材料作为粘合剂，以使活性材料在使用过程中能够灵活移动，而不会从集电器分层或形成裂纹。不幸的是，高度结晶的粘合剂可能太硬而不能移动，并且将优选橡胶型粘合剂。

聚合物粘合剂是电极的重要部分，并且用于帮助将活性材料和导电材料分散在阴极浆料组合物中，以在阴极制备过程中使这些材料在浆料中稳定，并且使光滑阴极具有明确的孔结构。在使用过程中，阴极的内聚性及其与集电器的粘附性非常重要，并且受到所用粘合剂的类型和聚合物对应功能部分的强烈影响。粘附性和内聚性是聚合物粘合剂的关键性质，这决定了锂离子电池的最终性能，尤其是长期性能。良好的聚合物粘合剂保证活性材料和导电材料的均匀分散以及与金属集电器的稳定结合。

可以使用许多类型的聚合物粘合剂，然而使用基于容易与在高操作电压下操作的阴极兼容的PVDF(聚偏氟乙烯)或PVDF与各种其他聚合物粘合剂(例如羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)或聚丙烯酸(PAA))的混合物的氟化聚合物的传统电极正在发生逐渐转变。PVDF是锂离子电池中最广泛使用的聚合物粘合剂，因为它表现出电化学稳定性、结合强度和低热降解性。由于其高结晶度水平，均聚物PVDF在锂离子电池中使用的典型电解质中提供高电阻。然而，由于阴极活性材料在循环过程中发生持久的膨胀/收缩过程时，阴极活性材料与导电材料之间的键断裂，因此PVDF的柔韧性较低，可能不满足阴极长循环寿命的要求。