包含含有水性粘合剂的负极的锂二次电池制造技术

本发明专利技术公开了一种锂二次电池，所述锂二次电池包含涂布有包含负极活性材料的负极混合物的负极、涂布有包含正极活性材料的正极混合物的正极、以及非水电解质，其中所述负极混合物包含羧甲基纤维素(CMC)和丁苯橡胶(SBR)作为水性粘合剂，所述羧甲基纤维素(CMC)的羧甲基(-CH2CO2H)对羟基(-OH)的取代度为0.7～1.2、分子量(Mn)为500000～900000且pH为6.5～8.0，所述丁苯橡胶(SBR)的粒径为90nm～150nm且拉伸强度为90kgf～160kgf，且所述负极的电极涂布量为10～20mg/cm2，所述锂二次电池增强电极加工性并降低溶胀现象。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含含有水性粘合剂的负极的锂二次电池
本专利技术涉及一种包含含有水性粘合剂的负极的锂二次电池，更特别地，涉及一种锂二次电池，所述锂二次电池包含涂布有包含负极活性材料的负极混合物的负极、涂布有包含正极活性材料的正极混合物的正极、以及非水电解质，其中所述负极混合物包含羧甲基纤维素(CMC)和丁苯橡胶(SBR)作为水性粘合剂，所述羧甲基纤维素(CMC)的羧甲基(-CH2CO2H)对羟基(-OH)的取代度为0.7～1.2、分子量(Mn)为500000～900000且pH为6.5～8.0，所述丁苯橡胶(SBR)的粒径为90nm～150nm且拉伸强度为90kgf～160kgf，且所述负极的电极涂布量为10～20mg/cm2。
技术介绍
随着化石燃料使用的急剧增加，使用替代能源或清洁能源的需求在增加。由此，对利用电化学反应的发电和电力存储领域进行了最积极地研究。作为使用电化学能的电化学装置的代表性实例，目前使用二次电池且其使用逐渐扩展。近来，随着关于便携式装置如便携式计算机、便携式电话、照相机等的技术的持续开发和由其造成的需求的持续增加，对作为能源的二次电池的需求急剧增加。在这些二次电池中，正在对具有高能量密度、高运行电压、长循环寿命和低自放电倍率的锂二次电池进行研究且这种锂二次电池可商购获得并被广泛使用。另外，随着对环境问题的关注的日益增加，正在对电动车辆、混合动力车辆等进行研究，所述电动车辆和混合动力车辆等能够代替使用化石燃料的车辆如汽油车辆、柴油车辆等，所述使用化石燃料的车辆是空气污染的一个主要原因。作为电动车辆、混合动力车辆等的电源，主要使用镍-金属氢化物二次电池。然而，对具有高能量密度和高放电电压的锂二次电池进行了积极研究且一部分锂二次电池可商购获得。常规的锂二次电池使用石墨作为负极活性材料并在正极的锂离子重复嵌入负极并从负极脱嵌的同时实施充电和放电工序。尽管电池的理论容量随电极活性材料的类型而存在差别，但在大部分情况中，充电和放电容量随循环的进行而劣化。这种现象主要归因于活性材料的非功能化，所述非功能化是由如下造成的：随着电池充电和放电的进行发生的电极体积变化导致电极活性材料组分分离或电极活性材料与集电器之间分离。另外，在嵌入和脱嵌过程中，嵌入负极的锂离子不能适当从其脱嵌并由此负极活性位点减少，因此随着循环的进行，电池的充电和放电容量以及寿命特性劣化。特别地，为了提高放电容量，当组合使用具有372mAh/g理论放电容量的天然石墨和具有高放电容量的材料如硅、锡、Si-Sn合金等时，这些材料的体积膨胀随充电和放电的进行而明显增大。因此，负极材料与电极材料分离，并因此电池容量随循环的重复而急剧下降。由此，本领域迫切需要研究如下粘合剂和电极材料，其可以具有强胶粘强度以在制造电极时防止电极活性材料组分之间的分离和电极活性材料与集电器之间的分离，并可以具有强的物理性质以通过对由重复充放电造成的电极活性材料的体积膨胀进行控制而实现电极的结构稳定性，并因此增强电池性能。常规的有机溶剂基粘合剂即聚偏二氟乙烯(PVdF)不满足这种要求，由此近来提出了一种使用通过如下制备的粘合剂的方法且这种粘合剂可商购获得：通过水基粘合剂如丁苯橡胶(SBR)的水性聚合制备乳液粒子并将所述乳液粒子与增稠剂等混合。这些粘合剂是生态友好的且以少量使用，由此可以提高电池的容量。然而，现有的增稠剂如羧甲基纤维素，由于难以在具有高粘度和稳定性的同时增加电极浆料的固体，所以劣化了电池的加工性。另外，增稠剂经历高温下羧基的分解并由此经历溶胀，在所述溶胀中当将电极组件放置在高温下时由于在高温下产生气体而导致所述电极组件膨胀。因此，迫切需要开发一种包含水性粘合剂的锂二次电池，所述水性粘合剂增强电池的总体特性、对电极赋予结构稳定性并具有高的胶粘强度。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是解决相关领域的上述问题并实现长期寻求的目标。作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，如下所述，本专利技术的专利技术人开发了一种锂二次电池，所述锂二次电池包含含有满足预定物理性质的作为水性粘合剂的CMC和SBR的负极，并确认，当将包含这些水性粘合剂的负极用于二次电池中时，可以增强电池的加工性并可以降低溶胀，由此完成了本专利技术。技术方案根据本专利技术的一个方面，提供一种锂二次电池，所述锂二次电池包含涂布有包含负极活性材料的负极混合物的负极、涂布有包含正极活性材料的正极混合物的正极、以及非水电解质，其中所述负极混合物包含羧甲基纤维素(CMC)和丁苯橡胶(SBR)作为水性粘合剂，所述羧甲基纤维素(CMC)的羧甲基(-CH2CO2H)对羟基(-OH)的取代度为0.7～1.2、分子量(Mn)为500000～900000且pH为6.5～8.0，所述丁苯橡胶(SBR)的粒径为90nm～150nm且拉伸强度为90kgf～160kgf，且所述负极的电极涂布量为10～20mg/cm2。将作为水性粘合剂的SBR以乳液的形式分散在水中并由此不需要使用有机溶剂。另外，SBR具有强的胶粘强度并由此以减少的量使用并提高负极活性材料的量，由此适合实现锂二次电池的高容量。此处，为了调节负极活性材料的粘度而添加的作为增稠剂的CMC在高温下产生气体，由此当将电极组件放置在高温下时，发生溶胀。由于根据本专利技术的锂二次电池包含满足预定物理性质的CMC和SBR，所以单位体积的活性材料的比例可以提高并由此可以实现高容量，且如同通过如下实验例所确认的，电极的加工性会因负极浆料中固体含量的提高而增强且溶胀会下降。通常，当负极的电极涂布量太大时，电阻增大并由此会造成C倍率的急剧下降，由此通常，电极具有13mg/cm2以下的电极涂布量。相比之下，本专利技术的专利技术人确认，当使用满足预定物理性质的负极水性粘合剂时，即使当电极涂布量大且电池的寿命特性等增强时，仍可防止电池特性的劣化。根据本专利技术的负极可以具有13～8mg/cm2的电极涂布量。当电极涂布量太小或太大时，电极的加工性会劣化。所述负极可以具有1.5～1.7g/cc的电极密度。在一个实施方式中，CMC的取代度可以为0.9～1.1且分子量为750000～850000，且其1％的水溶液可以具有7.5～8.0的pH。在另一个例示性实施方式中，SBR可以具有110nm～130nm的粒径和100kgf～155kgf的拉伸强度。基于重量比，CMC对SBR的量比可以为1:0.1～1:5。所述CMC的取代度、分子量和pH，SBR的粒径和拉伸强度以及CMC对SBR的量比处于最佳范围而增强电极的加工性并降低溶胀，且当超出上述范围时，可能不能获得期望的效果。根据本专利技术的负极活性材料没有特别限制且其实例包括碳和石墨材料如天然石墨、人造石墨、膨胀石墨、碳纤维、硬碳、炭黑、碳纳米管、富勒烯和活性炭；可与锂合金化的金属如Al、Si、Sn、Ag、Bi、Mg、Zn、In、Ge、Pb、Pd、Pt、Ti等以及含有这些元素的化合物；金属及其化合物的复合物与碳和石墨材料的复合物；以及含锂的氮化物。其中，优选碳基材料。作为非限制性实例，所述碳基材料可以为选自如下的至少一种：石墨基碳、焦炭基碳和硬碳。另外，所述石墨基碳可以由球形粒子组成并可以为具有其中拉曼(Raman)光谱的R值[R＝I1350/I1580](I1350为在1350cm-1附近本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂二次电池，所述锂二次电池包含涂布有包含负极活性材料的负极混合物的负极、涂布有包含正极活性材料的正极混合物的正极、以及非水电解质，其中所述负极混合物包含羧甲基纤维素(CMC)和丁苯橡胶(SBR)作为水性粘合剂，所述羧甲基纤维素(CMC)的羧甲基(‑CH2CO2H)对羟基(‑OH)的取代度为0.7～1.2、分子量(Mn)为500000～900000且pH为6.5～8.0，所述丁苯橡胶(SBR)的粒径为90nm～150nm且拉伸强度为90kgf～160kgf，且所述负极的电极涂布量为10～20mg/cm2。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.16 KR 10-2012-00156451.一种锂二次电池，所述锂二次电池包含涂布有包含负极活性材料的负极混合物的负极、涂布有包含正极活性材料的正极混合物的正极、以及非水电解质，其中所述负极混合物包含羧甲基纤维素和丁苯橡胶作为水性粘合剂，所述羧甲基纤维素的羧甲基(-CH2CO2H)对羟基(-OH)的取代度为0.7～1.2、分子量(Mn)为500000～900000且pH为6.5～8.0，所述丁苯橡胶的粒径为90nm～150nm且拉伸强度为90kgf～160kgf，所述负极的电极涂布量为10～20mg/cm2，且其中基于重量比，羧甲基纤维素对丁苯橡胶的量比为1:0.1～1:5。2.根据权利要求1的锂二次电池，其中所述负极的电极涂布量为13～18mg/cm2。3.根据权利要求1的锂二次电池，其中羧甲基纤维素的取代度为0.9～1.1。4.根据权利要求1的锂二次电池，其中羧甲基纤维素的分子量为750000～850000。5.根据权利要求1的锂二次电池，其中羧甲基纤维素的pH为7.5～8.0。6.根据权利要求1的锂二次电池，其中丁苯橡胶的粒径为110nm～130nm。7.根据权利要求1的锂二次电池，其中丁苯橡胶的拉伸强...

【专利技术属性】
技术研发人员：丘昌完，安炳勋，裴峻晟，郑在彬，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR