制备电池电极的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于水性浆料制备电池电极的方法。本申请所公开的方法的优点是在制造方法中可使用水性溶剂，其可通过避免需要处理或循环利用危险的有机溶剂而节省工艺时间和设施。因此，通过简化总工艺，降低了成本。此外，具有通过本申请所公开的方法而制备的电极的电池显示出优异的能量保持性能。

Method for preparing electrode of battery

The present invention provides a method for preparing battery electrode based on aqueous slurry. The advantages of the method are disclosed in the manufacturing method can be used in aqueous solvent, which can avoid the need for treatment or by recycling the organic solvent and the risk reducing processing time and facilities. Therefore, by simplifying the total process, the cost is reduced. In addition, batteries with electrodes prepared by this method show excellent energy retention performance.

【技术实现步骤摘要】
制备电池电极的方法
本专利技术涉及在可持续能源领域应用中的锂离子电池。更具体地，本专利技术涉及用于制备电池电极的水基浆料的用途。
技术介绍
在过去的二十年中，锂离子电池(LIB)因其在便携式电子设备(例如，移动电话和笔记本电脑)中的广泛应用已经引起了广泛关注。由于电动车辆(EV)和电网储能的快速发展，高性能、低成本的LIB对大规模储能设备提供了当前最有前景的选择之一。通常，锂离子电池包括隔膜、阴极和阳极。当前，通过将活性电池电极材料、导电剂和粘结剂材料的精细粉末分散在合适的溶剂中，制备电极。可以将该分散液涂覆在诸如铜金属箔或者铝金属箔的集流器上，然后在高温下干燥以去除溶剂。阴极板和阳极板随后与隔开阴极和阳极的隔膜堆叠或卷在一起以形成电池。聚偏二氟乙烯(PVDF)对阴极电极和阳极电极两者已是最广泛使用的粘结剂材料。与非PVDF粘结剂材料相比，PVDF提供了良好的电化学稳定性以及对电极材料和集流器的高粘附性。然而，PVDF仅可以溶解在一些特定的有机溶剂(例如，N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))中，其需要特定的处理、生产标准和以环境友好的方式循环利用有机溶剂。这将导致在制造工艺中的高昂的成本。出于环境和处置的原因，优选使用水溶液来代替有机溶剂，因此已经考虑使用水基浆料。已经尝试水溶性粘结剂，例如羟甲基纤维素(CMC)和丁苯橡胶(SBR)。然而，CMC和SBR通常限于阳极用途。美国专利第8,956,688B2号描述了制备电池电极的方法。该方法包括测量活性电极材料和导电添加剂材料的ζ电势；基于该ζ电势，选择阳离子分散剂或阴离子分散剂；测定活性电极材料和导电添加剂材料的等电点(IEP)；利用至少一种分散剂将活性电极材料和导电添加剂分散在水中以形成混合的分散液；处理集流器的表面以升高表面的表面能，使其至少为混合分散液的表面张力；将所分散的活性电极材料和导电添加剂沉积在集流器上；然后加热所涂覆的表面以从涂层去除水。然而，该方法是复杂的，包括测量活性电极材料和导电添加剂材料的ζ电势以及活性电极材料和导电添加剂材料的等电点(IEP)。并且需要用于处理集流器的表面的附加的表面处理步骤，以便提高容量保持率。美国专利第8,092,557B2号描述了使用具有7.0至11.7的pH值的水基浆料，制作用于可充电锂离子电池的电极的方法，其中，电极包括电活性材料、(聚苯乙烯丁二烯橡胶)-聚(丙烯腈-丙烯酸铵)共聚物和导电添加剂。然而，该方法没有提供用于评价通过该方法所制备的电极的电化学性能的任何数据。美国专利申请第2013/0034651A1号描述了用于制造电极的浆料，其中浆料包括在水溶液和可电化学激活的化合物中的聚丙烯酸(PAA)、羟甲基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)和聚偏二氟乙烯(PVDF)中的至少三种的组合。然而，用于制备阴极电极的浆料包括丙酮或其他有机溶剂，例如，NMP和DMAC。鉴于上文，一直存在开发一种使用简单的、廉价的和环境友好的方法来制备用于锂离子电池的阴极电极和阳极电极的方法的需求。
技术实现思路
通过本申请所公开的各个方面和实施方式满足了前述需要。在一个方面中，本申请提供了一种制备电池电极的方法，包括以下步骤：1)在具有约2.0至约7.5的pH值的第一水溶液中，预处理活性电池电极材料以形成第一悬浮液；2)将所述第一悬浮液干燥以获得预处理的活性电池电极材料；3)将所述预处理的活性电池电极材料、导电剂和粘结剂材料分散在第二水溶液中，以形成浆料；4)通过均质器将所述浆料均质化以获得均质化的浆料；5)将所述均质化的浆料施加在集流器上以在集流器上形成涂膜；和6)使集流器上的涂膜干燥以形成所述电池电极。在一些实施方式中，活性电池电极材料是阴极材料，其中所述阴极材料选自由LiCO2、LiNiO2、LiNixMnyO2、Li1+zNixMnyCo1-x-yO2、LiNixCoyAlzO2、LiV2O5、LiTiS2、LiMoS2、LiMnO2、LiCrO2、LiMn2O4、LiFeO2、LiFePO4及其组合构成的群组，其中各个x独立地是0.3至0.8；各个y独立地是0.1至0.45；以及各个z独立地是0至0.2。在一些实施方式中，第一水溶液的pH值在约4至约7的范围内，以及将所述第一悬浮液搅拌持续约2分钟至约12小时的时段。在另外的实施方式中，第一水溶液包括选自由H2SO4、HNO3、H3PO4、HCOOH、CH3COOH、H3C6H5O7、H2C2O4、C6H12O7、C4H6O5及其组合构成的群组中的一种或多种酸。在一些实施方式中，第一水溶液还包括乙醇、异丙醇、甲醇、丙酮、正丙醇、叔丁醇或其组合。在一些实施方式中，通过双锥真空干燥器、微波干燥器或微波真空干燥器，将所述第一悬浮液干燥。在一些实施方式中，导电剂选自由碳、炭黑、石墨、膨胀石墨、石墨烯、石墨烯纳米片、碳纤维、碳纳米纤维、石墨化碳片、碳管、碳纳米管、活性炭、介孔碳及其组合构成的群组。在一些实施方式中，将导电剂在碱性溶液或碱的溶液中预处理持续约30分钟至约2小时的时段，其中所述碱性溶液或碱的溶液包括选自由H2O2、LiOH、NaOH、KOH、NH3·H2O、Be(OH)2、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Li2CO3、Na2CO3、NaHCO3、K2CO3、KHCO3及其组合构成的群组中的碱。在一些实施方式中，在步骤3)之前将导电剂分散在第三水溶液中以形成第二悬浮液。在一些实施方式中，粘结剂材料选自由丁苯橡胶(SBR)、羟甲基纤维素(CMC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯腈共聚物、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、乳胶、海藻酸盐及其组合构成的群组。在另外的实施方式中，海藻酸盐包括选自Na、Li、K、Ca、NH4、Mg、Al或其组合的阳离子。在一些实施方式中，在步骤3)之前将粘结剂材料溶解在第四水溶液中以形成得到的溶液。在一些实施方式中，第一水溶液、第二水溶液、第三水溶液和第四水溶液中的每一者独立地是净化水、纯水、去离子水、蒸馏水或其组合。在一些实施方式中，浆料或均质化的浆料还包括选自由乙醇、异丙醇、正丙醇、叔丁醇、正丁醇、十二烷基硫酸锂、三甲基十六烷基氯化铵、醇乙氧基化物、壬基苯酚乙氧基化物、十二烷基苯磺酸钠、硬脂酸钠及其组合构成的群组中的分散剂。在一些实施方式中，均质器是搅拌混合器、混合机、磨机、超声发生器、转子-定子均质器或高压均质器。在一些实施方式中，超声发生器是探针型超声发生器或超声流动池。在一些实施方式中，超声发生器在约10W/L至约100W/L或者约20W/L至约40W/L的功率密度下运行。在一些实施方式中，使用刮刀涂布机、狭缝式模头涂布机、转送涂布机、或者喷雾涂布机，将所述均质化的浆料施加在集流器上。在一些实施方式中，正极和负极的各个集流器独立地是不锈钢、钛、镍、铝、铜或导电树脂。在一些实施方式中，正极的集流器是铝薄膜。在一些实施方式中，负极的集流器是铜薄膜。在一些实施方式中，在约45℃至约100℃、或者约55℃至约75℃的温度下，将所述涂膜干燥持续约1分钟至约30分钟或者约2分钟至约10分钟的时段。在一些实施方式中，通过传送带式热风干燥箱、传送带式电阻干燥箱、传送带式电感干燥箱或者传送带式微波干燥箱，干燥所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备电池电极的方法，包括以下步骤：1)在包含水和具有约2.0至约7.5的pH值的第一水溶液中，预处理活性电池电极材料以形成第一悬浮液；2)将所述第一悬浮液干燥以获得预处理的活性电池电极材料；3)将所述预处理的活性电池电极材料、导电剂和粘结剂材料分散在第二水溶液中，以形成浆料；4)通过均质器将所述浆料均质化以获得均质化的浆料；5)将所述均质化的浆料施加在集流器上以在所述集流器上形成涂膜；和6)使所述集流器上的所述涂膜干燥以形成所述电池电极。

【技术特征摘要】
2016.01.18 US 62/2798411.一种制备电池电极的方法，包括以下步骤：1)在包含水和具有约2.0至约7.5的pH值的第一水溶液中，预处理活性电池电极材料以形成第一悬浮液；2)将所述第一悬浮液干燥以获得预处理的活性电池电极材料；3)将所述预处理的活性电池电极材料、导电剂和粘结剂材料分散在第二水溶液中，以形成浆料；4)通过均质器将所述浆料均质化以获得均质化的浆料；5)将所述均质化的浆料施加在集流器上以在所述集流器上形成涂膜；和6)使所述集流器上的所述涂膜干燥以形成所述电池电极。2.如权利要求1所述的方法，其中所述活性电池电极材料是阴极材料以及其中所述阴极材料选自由LiCO2、LiNiO2、LiNixMnyO2、Li1+zNixMnyCo1-x-yO2、LiNixCoyAlzO2、LiV2O5、LiTiS2、LiMoS2、LiMnO2、LiCrO2、LiMn2O4、LiFeO2、LiFePO4及其组合构成的群组，其中各个x独立地是0.3至0.8；各个y独立地是0.1至0.45：以及各个z独立地是0至0.2。3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一水溶液的pH值在约4至约7的范围内，以及所述第一悬浮液被搅拌持续约2分钟至约12小时的时段。4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一水溶液包括选自由H2SO4、HNO3、H3PO4、HCOOH、CH3COOH、H3C6H5O7、H2C2O4、C6H12O7、C4H6O5及其组合构成的群组中的一种或多种酸。5.如权利要求1所述的方法，其中所述第一水溶液还包括乙醇、异丙醇、甲醇、丙酮、正丙醇、叔丁醇或其组合。6.如权利要求1所述的方法，其中通过双锥真空干燥器、微波干燥器或微波真空干燥器，将所述第一悬浮液干燥。7.如权利要求1所述的方法，其中所述导电剂选自由碳、炭黑、石墨、膨胀石墨、石墨烯、石墨烯纳米片、碳纤维、碳纳米纤维、石墨化碳片、碳管、碳纳米管、活性炭、介孔碳及其组合构成的群组。8.如权利要求1所述的方法，其中，所述导电剂在碱的溶液中被预处理持续约30分钟至约2小时的时段，其中所述碱的溶液包括选自由H2O2、LiOH、NaOH、KOH、NH3·H2O、Be(...

【专利技术属性】
技术研发人员：申培华，黃星雄，
申请(专利权)人：皓智环球有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港,81