锂离子二次电池及其制作方法技术

提供一种锂离子二次电池，其包括正电极和负电极、隔板元件、电导体元件和粘合剂，其中所述正电极包含涂布有具有选自石墨烯相和非晶相的至少一个相的碳材料的含锂金属磷酸盐化合物并且进一步包含炭黑和碳纤维材料，并且其中所述负电极材料包含具有选自石墨烯相和非晶相的至少一个碳相的石墨碳材料并且进一步包含炭黑和碳纤维材料，并且其中所述粘合剂包含水溶性合成树脂或水分散性合成树脂。最优选的正电极包含LiFePO4。最优选的负电极包含人造石墨或可石墨化粉末。最优选的粘合剂是羧基甲基纤维素，其进一步包括表面活性剂。还提供一种制造本发明专利技术的锂离子二次电池的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及锂离子二次电池及其制作方法，尤其涉及用于锂离子二次电池的正电极和负电极和制作所述正电极和负电极的方法。
技术介绍
提供具有负电极的锂离子二次电池是已知的，所述负电极是通过使用除了金属锂以外的材料来形成并且能够吸收和排放锂离子，从而与由金属锂制成的负电极相比，限制枝晶的沉积。这类已知电池有助于防止正电极和负电极之间发生短路并且由此改进安全性。另外，这类电池具有相当好的容量和能量密度。然而，一直需要这种类型锂离子二次电池具有更高的容量、能量密度和较长电池寿命。这种需求在汽车和便携式电子设备中尤其明显。这类电池必须承受在较高电流下反复充电和放电多达成千上万个循环而不会有明显的容量损失。一般来说，更高的容量是通过降低电池内的电阻来获得。已经提出通过以下各项来满足这些需求：(a)具有由锂金属氧化物制成的正电极材料和由碳制成的负电极材料(参见专利文件2、3和4)，(b)通过降低颗粒的直径或增加电极的表面积来增加电池的反应物质颗粒的比表面积，(c)通过使隔膜变薄来降低液体扩散阻力。当然，在电池的反应材料颗粒的直径变小时，颗粒的比表面积增加。这转而使粘合剂的量必须增加。因此，在存在更多粘合剂时，难以提供高容量电池。另外，正电极和负电极材料可从用作集电器的金属箔上剥落或掉下，这可以导致在电池内部发生内部短路或电池输出电压的一些降低并且发生热失控。因此，锂二次电池的容量和安全性受损。为了增加金属箔对于正电极和负电极材料的粘附力，改变粘合剂物质的方法是已知的(专利文件1)。然而，在电池在较高电流下循环地充电和放电时，正电极和负电极材料膨胀并收缩。因此正电极和负电极之间的颗粒的导电路径受损。因此，在初始充电和放电循环之后，电池很快失去容量并且具有较短寿命。最近，含锂金属磷酸盐化合物如橄榄石型磷酸铁锂作为用于锂离子二次电池的正电极的活性物质已经吸引越来越多的注意(专利文件5、6)。虽然价格便宜，但是所述活性物质遭受高电阻和由此降低的容量。现有技术专利文件专利文件1：日本专利申请公开号5-226004专利文件2：日本专利申请公开号2005-19399专利文件3：日本专利申请公开号2001-126733专利文件4：日本专利申请公开号2003-168429专利文件5：日本专利申请公开号2000-509193专利文件6：日本专利申请公开号9-134724
技术实现思路
本专利技术总体上旨在降低含有含锂金属磷酸盐化合物的正电极的电阻和负电极的电阻，所述负电极是所述正电极的反极。本专利技术提供锂离子二次电池，其价格便宜并且能够维持在较高电流下完成反复充电和放电循环的寿命性能。另外，本专利技术提供制作这类锂离子二次电池的方法。本专利技术的锂离子二次电池具有通过将负电极板和正电极板相互层叠或通过卷绕负电极板和正电极板来形成的电极板组，其中在两种情况下都涉及隔板和电解质，所述电极组浸没于所述电解质中。锂离子二次电池的电极组是由正电极材料、负电极材料和分别添加到正电极材料和负电极材料以形成板的粘合剂构建而成。根据本专利技术的各方面，提供：锂离子二次电池，其包括正电极和负电极、隔板元件、电导体元件和粘合剂，其中正电极包括涂布有具有选自石墨烯相和非晶相的至少一个相的碳材料的含锂金属磷酸盐化合物并且进一步包括碳黑和碳纤维材料，并且其中负电极材料包括具有选自石墨烯相和非晶相的至少一个碳相的石墨碳材料并且进一步包括碳黑和碳纤维材料，并且其中粘合剂包括水溶性合成树脂或水分散性合成树脂。优选的是，含锂金属磷酸盐化合物是LiFePO4、LiCoPO4或LiMnPO4，最优选的是LiFePO4。优选的是，石墨碳是人造石墨或可石墨化粉末。优选的是，碳黑是选自乙炔黑和科琴黑的导电碳黑。优选的是，碳纤维材料是碳纳米管、碳纳米纤维或上述两者的混合物，并且可以是纤维直径和/或纤维长度不同的至少两种类型碳纤维材料的混合物。最优选的是，碳纤维材料是以下各项的组合：(a)较小纤维直径如约5nm至15nm，优选的是约10nm，和较小长度如约1μm至3μm，优选的是3μm以及(b)较大纤维直径如约70nm至150nm，优选的是约100nm，和较长纤维长度如约5μm至10μm，优选的是约5μm。优选的是，碳纤维材料主要存在于含锂金属磷酸盐颗粒的表面上，并且具有较大纤维直径和较长纤维长度的碳纤维材料主要存在于含锂金属磷酸盐颗粒之间。优选的是，水溶性合成树脂或水分散性合成树脂是聚丙烯酸、丁苯橡胶、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚环氧乙烷、聚乙烯基吡咯烷酮或聚丙烯酰胺并且可进一步包括粘合剂，所述粘合剂进一步包括粘合剂分散剂，如羧基甲基纤维素。粘合剂可有利地包括表面活性剂，例如：极性溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或二甲亚砜；或脂肪酸如油酸或油酸锂、脂肪酸酯、脂肪醇酯、烷氧基化醇、烷氧基化胺、脂肪醇硫酸酯、磷酸酯、咪唑鎓或季铵盐、环氧乙烷/环氧丙烷；由Uniquema生产的表面活性剂如80和81(聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯)；阴离子或非离子表面活性剂如磺基琥珀酸盐(Triton-GR系列)、硫酸盐和磺酸盐(Triton XN)和辛基酚乙氧基化物(Triton-X)；低泡表面活性剂如Triton-DF、CF系列、醇乙氧基化物(Tergitol-TMN和S系列)、壬基酚乙氧基化物(Tergitol NP系列)和烷基二苯醚二磺酸盐(Dowfax系列)。最优选的是，表面活性剂是N-甲基-2-吡咯烷酮或TritonTM。还最优选的是，表面活性剂的量占粘合剂的量的约0.5质量％至5质量％。优选的是，涂层厚度为约1nm至10nm，最优选的是约2nm至5nm。优选的是，在正电极中，碳黑和碳纤维材料的总含量与经涂布的含锂金属磷酸盐化合物的总含量的比率不小于约2质量％，优选的是约2质量％至10质量％。再优选的是，在负电极中，碳黑和碳纤维材料的总含量与经涂布的石墨碳材料的总含量的比率不小于约2质量％，优选的是约2质量％至10质量％。优选的是，在本专利技术的锂离子二次电池中，由于碳原子之间的键所导致的复合性，电子传导发生在石墨烯相或非晶相的表面、碳黑的表面和碳纤维材料的表面之间。根据本专利技术的其它方面，提供制作如上文所定义的锂离子二次电池的方法，其包括：(a)通过使用压缩剪切冲击型颗粒合成方法，分别将经涂布的含锂金属磷酸盐化合物与碳黑混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子二次电池，其包括正电极和负电极、隔板元件、电导体元件和粘合剂，其中：所述正电极包含涂布有具有选自石墨烯相和非晶相的至少一个相的碳材料的含锂金属磷酸盐化合物，并且进一步包含碳黑和碳纤维材料；所述负电极材料包含具有选自石墨烯相和非晶相的至少一个碳相的石墨碳材料，并且进一步包含碳黑和碳纤维材料；并且所述粘合剂包含水溶性合成树脂或水分散性合成树脂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.08 CA 2,776,2051.一种锂离子二次电池，其包括正电极和负电极、隔板元件、电导体
元件和粘合剂，其中：
所述正电极包含涂布有具有选自石墨烯相和非晶相的至少一个相的碳
材料的含锂金属磷酸盐化合物，并且进一步包含碳黑和碳纤维材料；
所述负电极材料包含具有选自石墨烯相和非晶相的至少一个碳相的石
墨碳材料，并且进一步包含碳黑和碳纤维材料；并且
所述粘合剂包含水溶性合成树脂或水分散性合成树脂。
2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述含锂金属磷酸盐
化合物是LiFePO4、LiCoPO4或LiMnPO4。
3.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述含锂金属磷酸盐
化合物是LiFePO4。
4.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述石墨碳是人造石
墨或可石墨化粉末。
5.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述碳黑是选自乙炔
黑和科琴黑(Ketjen black)的导电碳黑。
6.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述碳纤维材料是碳
纳米管、碳纳米纤维或上述两者的混合物。
7.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述碳纤维材料是纤
维直径和/或纤维长度不同的至少两种类型碳纤维材料的混合物。
8.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述碳纤维材料是具
有较小纤维直径和较短纤维长度的碳纤维材料与具有较大纤维直径和较长
纤维长度的碳纤维材料的混合物。
9.根据权利要求8所述的锂离子二次电池，其中具有较小纤维直径和
较短纤维长度的所述碳纤维材料主要存在于所述含锂金属磷酸盐颗粒的表
面上，并且具有较大纤维直径和较长纤维长度的所述碳纤维材料主要存在
于所述含锂金属磷酸盐颗粒之间。
10.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述水溶性合成树
脂或水分散性合成树脂是聚丙烯酸、丁苯橡胶、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、
聚环氧乙烷、聚乙烯基吡咯烷酮或聚丙烯酰胺。
11.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述粘合剂进一步
包括粘合剂分散剂。
12.根据权利要求11所述的锂离子二次电池，其中所述粘合剂分散剂
是羧基甲基纤维素。
13.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其中所述粘合剂进一步
包括表面活性剂。
14.根据权利要求13所述的锂离子二次电池，其中所述表面活性剂是
极性溶剂，所述极性溶剂是N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙
酰胺或二甲亚砜。
15.根据权利要求13所述的锂离子二次电池，其中所述表面活性剂是：
脂肪酸如油酸或油酸锂、脂肪酸酯、脂肪醇酯、烷氧基化醇、烷氧基化胺、
脂肪醇硫酸酯、磷酸酯、咪唑鎓或季铵盐、环氧乙烷/环氧丙烷；由Uniquema
生产的表面活性剂如80和81(聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸
酯)；阴离子或非离子表面活性剂如磺基琥珀酸盐(Triton-GR系列)、硫酸
盐和磺酸盐(Triton XN)和辛基酚乙氧基化物(Triton-X)；低泡表面活性剂如
Triton-DF、CF系列、醇乙氧基化物(Tergitol-TMN和S系列)、壬基酚乙
氧基化物(Tergitol NP系列)和烷基二苯醚二磺酸盐(Dowfax...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·扎吉布，齐藤慎治，A·盖尔斐，泽井岳彦，浦尾和则，中川纯，F·巴雷，J·弗雷谢特，
申请(专利权)人：魁北克电力公司，斯亦安有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA