电极组合物、电化学电池及制备电化学电池的方法技术

本发明专利技术公开了包含硅合金的电极组合物，该硅合金包含硅、铁并任选地包含碳。所述硅合金能够经历锂化和脱锂。该电极组合物还包含石墨碳、粘合剂和含有碳纳米管的导电添加剂。此类电极组合物可用在用于还包含正极和电解质的电化学电池的负极中。本发明专利技术还公开了包括此类电化学电池的蓄电池及使用电极组合物来制备电化学电池的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极组合物、电化学电池及制备电化学电池的方法相关申请的交叉引用本专利申请要求2013年5月30日提交的美国临时专利申请号61/828,848的优先权，该申请全文以引用方式并入本文。
本专利技术涉及电极组合物、电化学电池、以及制备电化学电池电极的方法。
技术介绍
粉末状合金和导电粉末诸如炭黑已被用于制备用于锂离子电池的电极，其过程涉及将粉末状活性成分与聚合物粘合剂诸如聚偏二氟乙烯混合。将混合的成分在聚合物粘合剂的溶剂中制备为分散体，并涂覆到金属箔基底或集电器上。所得的复合电极在附着到金属基底的粘合剂中包含粉末状活性成分。二次电化学电池诸如锂离子电池能够可逆地进行多次充电和放电。就锂离子蓄电池而言，通过使电池电极锂化和脱锂来实现锂离子电化学电池的充电和放电。当构造锂离子电池时，其通常在正极中包含锂离子，并且在负极中无锂离子。在电池的初始循环反应(充电)期间，锂从正极转移至负极，直到负极已经达到其吸收锂离子的容量。在第一放电时，锂离子从锂化的负极迁移回到正极。通常，在第一充电后并不是所有在负极中的锂离子都能够迁移出负极。这导致所谓的电池容量中不可逆的损耗。来自附加循环(在第一循环后)的电池容量中的损耗被称为容量衰减。容量衰减的原因包括在重复循环时电极材料的形态上的改变、在重复循环时有源电极材料上绝缘层的积聚或其它理由。
技术实现思路
期望的锂离子电池是在循环中具有低体积膨胀并且在多次循环后具有低容量损耗(衰减)的锂离子电池。提供可用于制备电极的电极组合物将是有利的，所述电极提供在多次循环后的减小的容量损耗和在循环中较低的体积膨胀。在第一方面，本专利技术因此提供电极组合物，该电极组合物包含：硅合金、石墨碳、粘合剂和含有碳纳米管的导电添加剂，该硅合金包含硅、铁并任选地包含碳，硅合金能够经历锂化和脱锂。出人意料的是，本专利技术人已发现在制备电极组合物中使用包含碳纳米管的导电添加剂提供在多次循环后的减小的衰减和降低的体积膨胀。所公开的包含碳纳米管导电/导电性添加剂的电极可改善采用基于(优选微粒)合金粉末的电极的可再充电锂离子电池中的循环寿命。所公开的导电性添加剂还可允许制造具有改善的容量的可再充电锂离子电池。优选地，组合物包含10重量％至80重量％的硅合金，优选地20重量％至70重量％的硅合金，更优选地30重量％至70重量％的硅合金，并且最优选地40重量％至70重量％的硅合金。优选地，组合物包含80重量％至10重量％的石墨碳，40重量％至15重量％的石墨碳，并且更优选地35重量％至20重量％的石墨碳。优选地，组合物包含1重量％至20重量％的粘合剂，2重量％至20重量％的粘合剂，更优选地4重量％至15重量％的粘合剂或4重量％至12重量％的粘合剂，最优选地4重量％至10重量％的粘合剂。优选地，组合物包含0.2重量％至10重量％的碳纳米管，更优选地0.5重量％至5重量％的碳纳米管，并且最优选地1重量％至3重量％的碳纳米管。根据本专利技术的电极组合物可用于负极或正极中。然而优选地，组合物将用于负极(阳极)中。粘合剂优选地包含聚丙烯酸盐。更优选地，粘合剂包含聚丙烯酸锂。聚丙烯酸锂可由被氢氧化锂中和的聚(丙烯酸)制成。在本专利申请中，聚(丙烯酸)包括丙烯酸或甲基丙烯酸或它们的衍生物的任何聚合物或共聚物，其中共聚物的至少约50摩尔％、至少约60摩尔％、至少约70摩尔％、至少约80摩尔％、或至少约90摩尔％是使用丙烯酸或甲基丙烯酸制备的。可用于形成这些共聚物的可用的单体包括例如具有含1至12个碳原子的烷基基团(支化或非支化的)的丙烯酸或甲基丙烯酸的烷基酯、丙烯腈、丙烯酰胺、N-烷基丙烯酰胺、N，N-二烷基丙烯酰胺、丙烯酸羟烷基酯等。特别要关注的是水溶性(特别是在中和或部分中和之后)丙烯酸或甲基丙烯酸的聚合物或共聚物。水溶性取决于聚合物或共聚物和/或组合物的分子量。聚(丙烯酸)是高水溶性的，并且优选地与包含大摩尔份数丙烯酸的共聚物一起使用。聚(甲基丙烯酸)的水溶性稍弱，特别是在较大分子量时。粘合剂可与其它聚合物材料共混以制备材料的共混物。这样做可例如提高粘附力、提供增强的传导性、改变热特性或影响粘合剂的其它物理特性。电极组合物可包含促进粉末状材料或导电添加剂粘附至粘合剂的增粘剂。增粘剂与粘合剂的组合可帮助电极组合物更好地适应在重复的锂化/脱锂循环期间粉末状材料中可发生的体积变化。如果使用增粘剂，那么增粘剂可作为聚丙烯酸锂粘合剂的一部分(例如，以添加的官能团的形式)制成，可为粉末状材料上的涂层，可添加至导电添加剂，或者可为此类措施的组合。增粘剂的示例包括硅烷、钛酸酯和膦酸酯。可以采用多种硅合金以制备电极组合物。除硅和铁之外，示例性硅合金可例如包含银、锂、锡、铋、铅、锑、锗、锌、金、铂、钯、砷、铝、镓、铟、铊、钼、铌、钨、钽、铜、钛、钒、铬、镍、钴、锆、钇、碳、氧、镧系元素、锕系元素，或包含上述金属或准金属中任一种的合金，以及本领域技术人员将熟悉的其它粉末状活性金属和准金属。组合物的硅合金和/或石墨组分优选地为颗粒/粉末形式。此类粉末可在一个尺寸上具有不大于60μm、不大于40μm、或不大于20μm、或甚至更小的最大长度。粉末的最大粒径可例如为亚微米、至少1μm、至少2μm、至少5μm、或至少10μm或甚至更大。例如，合适的粉末的最大尺寸通常为1μm至60μm、10μm至60μm、20μm至60μm、40μm至60μm、1μm至40μm、2μm至40μm、10μm至40μm、5μm至20μm，或10μm至20μm，或1μm至30μm、1μm至20μm、1μm至10μm，或0.5μm至30μm、0.5μm至20μm、0.5μm至10μm。合金阳极材料通常为无定形或纳米晶(即，具有50mm或更小尺寸的微晶晶粒，微晶的尺寸通过X射线衍射和谢勒法测定)以改善循环性能。此类微观结构通常由熔体纺丝、机械研磨或溅射制成。对于这些，熔体纺丝和机械研磨是最具商业可行性的。可用的合金可具有纳米晶或无定形微观结构。X射线衍射可用于测定存在于合金中的晶粒尺寸。可用的合金可具有微观结构，其中如由谢勒公式所测定的最大晶粒尺寸为小于50nm、更优选地小于40nm、更优选地小于30nm、更优选地小于15nm、更优选地小于10nm、最优选地小于5nm。可用的Si合金的示例是由式SixMyCz表示的合金，其中x、y和z表示原子％值，并且a)x＞2y+z；(b)x、y和z大于0；并且(c)M为至少铁并且可为与选自锰、钼、铌、钨、钽、铜、钛、钒、铬、镍、钴、锆、钇、或它们的组合中的一种或多种金属结合的铁。因此，优选地，硅合金可为由式SixFeyCz表示的合金，其中x、y和z表示原子％值，并且a)x＞2y+z，并且b)x、y和z各自大于0。优选地，x≥60，和/或y≥5。特别优选的硅合金包含约60原子％至约80原子％的硅，约5原子％至约20原子％的铁，以及约5原子％至约15原子％的碳。最优选的硅合金可具有式Si73Fe17C10，其中数字表示原子％，并且具有对于每种组分±10原子％、优选地±7原子％、更优选地±5原子％并且最优选地±3原子％的原子％范围。合金的颗粒可包括至少部分包围颗粒的涂层。所谓的“至少部分包围”意味着涂层与颗粒的外部之间存在共同边界。涂层可起化学保护层的作用，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极组合物，所述电极组合物包含：硅合金，所述硅合金包含硅、铁并任选地包含碳，所述硅合金能够经历锂化和脱锂；石墨碳，粘合剂，和导电添加剂，所述导电添加剂包含碳纳米管。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.05.30 US 61/828,8481.一种电极组合物，所述电极组合物包含：硅合金，所述硅合金能够经历锂化和脱锂，并且由式SixFeyCz表示，其中x、y和z表示原子％值，并且a)x＞2y+z，并且b)x、y和z各自大于0；石墨碳，粘合剂，和导电添加剂，所述导电添加剂包含碳纳米管。2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物包含10重量％至80重量％的硅合金。3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物包含80重量％至10重量％的石墨碳。4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物包含2重量％至15重量％的粘合剂。5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述组合物包含0.2重量％至10重量％的碳纳米管。6.根据权利要求1所述的组合物，其中所述粘合剂包含聚丙烯酸盐。7.根据权利要求6所述的组合物，其中所述粘合剂包含聚丙烯酸锂。8.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃格伯特·F·菲格米尔，文森特·J·谢弗里耶，黎丁巴，刘力，杰西·D·伦德，
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