具有高含量无机材料的含氟聚合物组合物制造技术

本发明专利技术提供了一种包含电活性材料的含氟聚合物组合物颗粒，其中所述电活性材料包含石墨和金属化合物以及它们的组合；所述组合物还包含水和沸点介于70℃和200℃之间的有机液体。本发明专利技术还提供了制备糊料的方法和制备电极的方法以及用所述糊料制成的电极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高含量无机材料的含氟聚合物组合物
本公开涉及具有高含量电活性材料的含水含氟聚合物组合物。本公开还涉及涂覆有所述组合物的制品以及制备此类制品和此类组合物的方法。
技术介绍
在一些应用中，含氟聚合物用作无机材料的粘结剂。需要提供具有高含量的实质上无机材料的含氟聚合物组合物。此类组合物可用于(例如)制备能量产生装置(诸如燃料电池或蓄电池)的部件。典型部件包括电极。电子工业有一种生产由较小和较轻的电池供电的较小装置的趋势。锂电池，例如具有包含具有锂离子的锂化合物或含碳材料的负极和包含锂金属氧化物或盐的正极的电池可提供更高的功率和更低的重量。电极通常通过用包含电活性材料、含氟聚合物作为粘结剂和任选的填料的电极形成组合物涂覆多孔或织物样载体材料来制备。使涂层经受热处理以形成电极。含氟聚合物已用作用于形成电极的粘结剂，因为它们具有优异的耐电-化学品性。聚四氟乙烯(PTFE)已用作如例如美国专利6,156,453中所述的粘结剂。然而，PTFE不溶于水或溶剂中，并且仅通过施加高温而形成光滑膜，这继而可能损坏或降低热敏电极材料的反应性。聚偏二氟乙烯(PVDF)(部分氟化的含氟聚合物)已用作替代或附加粘结剂，因为其可溶解于有机溶剂中。由于其部分氟化单元的高含量，PVDF具有减小的化学惰性和减小的工作温度。有机溶剂的使用从环境角度呈现出问题。有机溶剂必须是可再循环的，废弃或焚烧。在美国专利9,202,638B2中，公开了用于制备锂电池中的电极的水性含氟聚合物组合物，该组合物被报道为具有良好的成膜特性。
技术实现思路
申请人已发现，持续需要提供适于制备电极的水基组合物。优选地，所述组合物具有足够的粘度以允许涂覆用于电极制备中的多孔和织物样载体材料。有利地，此类组合物允许高载量的电活性材料。以下提供了一种含氟聚合物组合物，所述含氟聚合物组合物包含(i)含氟聚合物颗粒，所述含氟聚合物颗粒包含来源于以下的重复单元：至少一种全氟化共聚单体，所述全氟化共聚单体选自四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)以及它们的组合，和一种或多种非全氟化共聚单体，所述非全氟化共聚单体选自偏二氟乙烯(VDF)、乙烯(E)、丙烯(P)、以及它们的组合；其中基于共聚单体以摩尔为单位的总量计，所述全氟化共聚单体的总量为至少40摩尔％，并且其中所述含氟聚合物为可熔融加工的；(ii)包含电活性材料的颗粒，其中所述电活性材料选自石墨、金属化合物、以及它们的组合；(iii)任选地，与石墨不同的含碳颗粒；(iv)水；以及(v)沸点介于70℃和200℃之间的有机液体，所述有机液体选自非官能烃和官能烃，所述官能烃包含一种或多种选自腈、氯和含氧官能团的官能团，所述含氧官能团选自醚、醇、羧酸盐、羧酸酯以及它们的组合，其中所述实质上无机颗粒(ii)按重量计的量大于含氟聚合物颗粒(i)的量，并且其中水按重量计的量大于有机液体的量。在另一方面，提供一种制备含氟聚合物组合物的方法，所述方法包括制备含水混合物，所述含水混合物包含水和：a)包含电活性材料的颗粒，所述电活性材料选自石墨、金属化合物以及它们的组合，以及任选地与石墨不同的含碳颗粒；b)含氟聚合物颗粒；c)有机液体；其中所述包含电活性材料的颗粒按重量计的量大于所述含氟聚合物颗粒的量并且其中水按重量计的量大于有机液体的量，并且其中所述含氟聚合物颗粒包含来源于以下的重复单元：至少一种全氟化共聚单体，所述全氟化共聚单体选自四氟乙烯(TFE)、六氟丙烯(HFP)以及它们的组合，以及一种或多种非全氟化共聚单体，所述非全氟化共聚单体选自偏二氟乙烯(VDF)、乙烯(E)、丙烯(P)以及它们的组合；其中基于共聚单体按摩尔计的总量计，所述全氟化共聚单体的总量为至少40摩尔％，并且其中所述含氟聚合物为可熔融加工的，并且其中所述有机液体具有介于70℃和200℃之间的沸点并且选自非官能烃和官能烃，所述官能烃包含一种或多种选自腈、氯和含氧官能团的官能团，所述含氧官能团选自醚、醇、羧酸盐、羧酸酯以及它们的组合。在另一方面，提供一种制备电极的方法，所述方法包括用包含含氟聚合物组合物的糊料涂覆用于电极的载体材料并使所述糊料经受干燥。在另一方面，提供一种电极，所述电极包括从含氟聚合物组合物获得的涂层。具体实施方式在详细解释本公开内容的任何实施方案之前，应当理解，本公开内容的应用并不限于下面描述中给出的构造与部件布置方式的细节。本专利技术能够具有其它实施方案并能够以各种方式实施或执行。如本文所用，术语“一个”、“一种”和“所述”可互换使用并且意指一个或多个；并且“和/或”用于指示一种或两种所描述的情况可能发生，例如A和/或B包括(A和B)和(A或B)。而且，在本文中，由端点表述的范围包括该范围内包含的所有数值(例如，1至10包括1.4、1.9、2.33、5.75、9.98等)。而且，在本文，表述“至少一个”包括一个及大于一的所有数字(例如，至少2、至少4、至少6、至少8、至少10、至少25、至少50、至少100等)。而且，应当理解，本文使用的措辞和术语是用于说明目的而不应视为限制性的。与意在具有限制性的“由……组成”的使用相反，使用“包括”、“含有”、“包含”或“具有”以及它们的变型形式意在具有非限制性，并且涵盖之后所列的项目以及附加的项目。除非另外指明，否则组合物的成分的量可以以重量％(或“％wt”或“wt.-％”或“重量百分比”)指示。除非另外指明，否则所有成分的量给出100重量％。如果用摩尔％标识成分的量，除非另外指明，否则各自成分的量给出100摩尔％。除非另外指出，否则本公开的所有实施方案可以自由地组合。在下文中，提供含氟聚合物组合物，所述组合物包含高含量的电活性材料，例如基于所述组合物的重量计量为至少10重量％或至少50重量％的电活性材料。所述组合物可为可铺展的。它们适用于制备电极。通常，所述组合物包含含氟聚合物颗粒和包含电活性材料的颗粒。优选地，电活性材料颗粒适于用作电活性电极材料。此类颗粒包含电活性材料，所述电活性材料包含涉及化学电池的电极反应的化合物。在一个实施方案中，所述组合物适于制备用于锂电池的电极。所述组合物为含水(水性)，其意指所述组合物的主要液体组分(按重量计)为水。组合物的固体含量可高于液体组分的量。术语“液体”是指在环境条件(20℃，101325Pa)下的液体状态。基于组合物的重量计，固体的量包括但不限于约30重量％至约70重量％。含氟聚合物颗粒本公开的含氟聚合物颗粒是可熔融加工的。这意味着含氟聚合物在297℃和5kg负载下具有至少0.1g/10min的熔体流动指数(MFI297/5)，优选至少5g/10min(MFI297/5)。通常上限为500g/10min，优选至多150g/10min，更优选至多100g/10min。含氟聚合物颗粒可用作包含电活性材料的颗粒在电极制备中的粘结剂，通常通过将含氟聚合物带到熔体中。含氟聚合物的熔点可为约90℃至约280℃。在一个实施方案中，使用熔点为约100℃至约200℃，优选约105℃至约161℃的含氟聚合物。有利的是，低熔点含氟聚合物可作为粘结剂在相当低的温度下活化，并且还可在电极形成组合物中使用热敏电活性材料。含氟聚合物可以是全氟化或部分氟化的。全氟化聚合物仅包含来源于全氟化单体的单元。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含氟聚合物组合物，所述含氟聚合物组合物包含：(i)含氟聚合物颗粒，所述含氟聚合物颗粒包含(a)来源于至少一种全氟化共聚单体的重复单元，所述全氟化共聚单体选自四氟乙烯、六氟丙烯以及它们的组合；和(b)一种或多种非全氟化共聚单体，所述非全氟化共聚单体选自偏二氟乙烯、乙烯、丙烯以及它们的组合；其中基于共聚单体以摩尔为单位的总量计，所述全氟化共聚单体的总量为至少40摩尔％，并且其中所述含氟聚合物为可熔融加工的；(ii)包含电活性材料的颗粒，其中所述电活性材料选自石墨、金属化合物以及它们的组合；(iii)水；(iv)沸点介于70℃和200℃之间的有机液体，所述有机液体选自非官能烃和官能烃，所述官能烃包含一种或多种选自腈、氯和含氧官能团的官能团，所述含氧官能团选自醚、醇、羧酸盐、羧酸酯以及它们的组合，其中所述包含电活性材料的颗粒(ii)按重量计的量大于含氟聚合物颗粒(i)的量，并且其中水按重量计的量大于有机液体的量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.14 EP 16160197.61.一种含氟聚合物组合物，所述含氟聚合物组合物包含：(i)含氟聚合物颗粒，所述含氟聚合物颗粒包含(a)来源于至少一种全氟化共聚单体的重复单元，所述全氟化共聚单体选自四氟乙烯、六氟丙烯以及它们的组合；和(b)一种或多种非全氟化共聚单体，所述非全氟化共聚单体选自偏二氟乙烯、乙烯、丙烯以及它们的组合；其中基于共聚单体以摩尔为单位的总量计，所述全氟化共聚单体的总量为至少40摩尔％，并且其中所述含氟聚合物为可熔融加工的；(ii)包含电活性材料的颗粒，其中所述电活性材料选自石墨、金属化合物以及它们的组合；(iii)水；(iv)沸点介于70℃和200℃之间的有机液体，所述有机液体选自非官能烃和官能烃，所述官能烃包含一种或多种选自腈、氯和含氧官能团的官能团，所述含氧官能团选自醚、醇、羧酸盐、羧酸酯以及它们的组合，其中所述包含电活性材料的颗粒(ii)按重量计的量大于含氟聚合物颗粒(i)的量，并且其中水按重量计的量大于有机液体的量。2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述有机液体具有3至12个碳原子。3.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述有机液体为沸点为至少80℃至至多150℃的无环化合物。4.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述有机液体能够与水形成共沸物。5.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述含氟聚合物的熔点在90℃和280℃之间。6.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述含氟聚合物颗粒包含共聚物，所述共聚物包含选自以下的单元：(a)四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯；(b)四氟乙烯、六氟丙烯和乙烯；(c)四氟乙烯和乙烯；以及(d)四氟乙烯和丙烯。7.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，基于所述组合物的总重量计，所述组合物包含小于1.0重量％的乳化剂。8.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，所述组合物还包含与石墨不同的含碳颗粒，其中所述与石墨不同的含碳颗粒选自...

【专利技术属性】
技术研发人员：克劳斯·辛策，迈克尔·达达拉斯，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US