含有不同炭黑颗粒的电极和电池制造技术

电极，包括：第一基于锂离子的电活性材料；具有第一吸油值的第一炭黑颗粒；和不同于第一炭黑颗粒的第二炭黑颗粒，第二炭黑颗粒具有大于第一吸油值的第二吸油值。还公开了其它电极和制造电极的方法。

Electrodes and batteries with different carbon black particles

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含有不同炭黑颗粒的电极和电池相关申请的交叉引用本申请要求于2017年6月15日提交的美国临时专利申请No.62/520,138的优先权，其通过引用的方式纳入本文。
本专利技术涉及包括不同炭黑颗粒的电极和电池(battery)。
技术介绍
锂离子电池是用于各种应用(例如电子设备和电动机动车)的常用电能来源。锂离子电池典型地包括负极(例如，石墨)和正极(如下所述)，其在充电和放电期间允许锂离子和电子往返于电极移动。与电极接触的电解质溶液提供了离子可在其中移动的导电介质。为了防止电极之间的直接反应，使用离子可渗透的隔膜(separator)来物理地和电学地隔离电极。当电池用作装置的能量来源时，与电极进行电接触，允许电子流动通过该装置以提供电能，并且允许锂离子通过电解质从一个电极移动到另一个电极。正极典型地包括支撑具有至少电活性材料、粘合剂和导电添加剂的混合物(例如，作为糊料施加)的导电集电体。电活性材料(例如锂过渡金属氧化物)能够接收和释放锂离子。粘合剂(例如聚偏二氟乙烯)用于提供对电活性颗粒的内聚力和对集电体的粘附力。典型地，由于电活性材料和粘合剂是电绝缘的或导电性差的，因此，添加导电添加剂(例如，石墨和炭黑)以增强电极的电子传导性(electronicconductivity)。对于电池的良好运行而言，这样的电子传导性是合乎期望的。
技术实现思路
在一个方面中，本专利技术的特征在于包括两种或更多种不同群组(population)的炭黑颗粒的电极和电池。炭黑颗粒的群组的不同之处可在于一种或多种以下性质(以其任意组合)：结构、或形态；表面积；粒度分布；表面能；密度；和/或它们在组合物中的分散水平。由于炭黑颗粒通常不参与产生电能的电化学反应，因此，这些颗粒可负面地影响电池的某些性能特征，因为它们有效地降低了在电极中可含有的电活性物质的量。但是，通过选择尽可能高效地向电极提供目标导电性的炭黑颗粒，可减少炭黑颗粒的负面影响(例如，对于电极的容量和能量密度)，并且可改进电极和电池的性能。不受理论的束缚，据信，通过增强在电极中的不同类型的导电性，不同群组的炭黑颗粒可增强电极和使用该电极的电池的整体性能。更具体地说，选择不同群组的炭黑颗粒，并且用于增强在电极中的短程导电性和长程导电性。短程导电性是指电活性材料的颗粒之间的电子传导性。短程导电性通过使用炭黑颗粒在电活性材料的颗粒之间建立导电桥或连接点来实现。在一些实施方案中，当炭黑颗粒包覆电活性材料的颗粒时，可形成这样的桥。适合于提供短程导电性的炭黑颗粒包括：具有低结构并且在某些实施方案中具有高表面积的颗粒；具有相对高的表面能以提供对电活性材料颗粒的亲和性的颗粒；具有相对低的密度的颗粒；和/或具有相对低的粒度分布(例如，相对于电活性材料的颗粒尺寸)的颗粒。长程导电性是指电活性材料的颗粒和集电体之间的电子传导性。适合于提供长程导电性的炭黑颗粒包括：具有高结构并且在某些实施方案中具有低表面积的颗粒；具有相对低的表面能以提供对电活性材料颗粒的较小亲和性的颗粒；具有相对高的密度的颗粒；和/或具有相对高的粒度分布(例如，相对于电活性材料的颗粒尺寸)的颗粒。通过使用可提供短程和长程导电性这两者的不同群组的炭黑颗粒的共混物(例如，物理掺合物)，可在整个电极上均匀地建立导电路径。结果，可改进电极和电池的整体性能。这样的改进可通过更高的能量密度和/或更高的功率容量而得以证明，对于诸如电动机动车和高端电子设备的应用而言，这两者的需求都在增长。在另一方面中，本专利技术的特征在于包括以下的电极：第一基于锂离子的电活性材料；具有第一吸油值的第一炭黑颗粒；和不同于第一炭黑颗粒的第二炭黑颗粒，第二炭黑颗粒具有大于第一吸油值的第二吸油值。一个或多个方面的实施方案可包括以下特征中的一个或多个。第一炭黑颗粒具有第一BET表面积，并且第二炭黑颗粒具有小于第一BET表面积的第二BET表面积。第一吸油值为100至200mL/100g。第二吸油值为200至350mL/100g。第一炭黑颗粒的第一BET表面积为150至1500m2/g。第二炭黑颗粒的第二BET表面积为50至150m2/g。第一炭黑颗粒以相对于第二炭黑颗粒1:10至10:1的比率存在。第一和第二炭黑颗粒的存在量为0.5重量％至10重量％，相对于基于锂离子的电活性材料。第一和第二炭黑颗粒具有0.5至20微米的粒度分布。第一和第二炭黑颗粒具有双峰粒度分布。第一炭黑颗粒具有0.5至2微米的粒度分布。第二炭黑颗粒具有2至20微米的粒度分布。第一炭黑颗粒具有第一表面能，并且第二炭黑颗粒具有低于第一表面能的第二表面能。第一炭黑颗粒的第一表面能为5至20mJ/m2，并且第二炭黑颗粒的第二表面能为0.1至5mJ/m2。第一炭黑颗粒具有第一密度，并且第二炭黑颗粒具有高于第一密度的第二密度。第一炭黑颗粒的第一密度为0.05至0.2g/cm3，并且第二炭黑颗粒的第二密度为0.2至0.5g/cm3。第一基于锂离子的电活性材料具有0.1至20微米的粒度分布。电极还包括第二基于锂离子的电活性材料，其中第一基于锂离子的电活性材料具有1微米≤D50≤5微米的粒度分布，并且第二基于锂离子的电活性材料具有5微米<D50≤15微米的粒度分布。电极的厚度为40至200微米。在另一个方面中，本专利技术的特征在于电池，其包括本文所述的电极的实施方案。在另一个方面中，本专利技术的特征在于包括以下的电极：第一基于锂离子的电活性材料；具有第一表面能的第一炭黑颗粒；和不同于第一炭黑颗粒的第二炭黑颗粒，第二炭黑颗粒的第二表面能小于第一表面能。一个或多个方面的实施方案可包括以下特征中的一个或多个。第一炭黑颗粒具有第一BET表面积，并且第二炭黑颗粒具有小于第一BET表面积的第二BET表面积。第一表面能为5至20mJ/m2。第二表面能为0.1至5mJ/m2。第一炭黑颗粒的第一BET表面积为150至1500m2/g。第二炭黑颗粒的第二BET表面积为50至150m2/g。第一炭黑颗粒以相对于第二炭黑颗粒1:10至10:1的比率存在。第一和第二炭黑颗粒的存在量为0.5重量％至10重量％，相对于基于锂离子的电活性材料。第一和第二炭黑颗粒具有0.5微米至20微米的粒度分布。第一和第二炭黑颗粒具有双峰粒度分布。第一炭黑颗粒具有0.5至20微米的粒度分布。第二炭黑颗粒具有2至20微米的粒度分布。第一炭黑颗粒具有第一密度，并且第二炭黑颗粒具有高于第一密度的第二密度。第一炭黑颗粒的第一密度为0.05至0.2g/cm3，并且第二炭黑颗粒的第二密度为0.2至0.5g/cm3。第一基于锂离子的电活性材料具有0.1至20微米的粒度分布。电极还包括第二基于锂离子的电活性材料，其中第一基于锂离子的电活性材料具有1微米≤D50≤5微米的粒度分布，并且第二基于锂离子的电活性材料具有5微米<D50≤15微米的粒度分布。电极的厚度为40微米至200微米。在另一个方面中，本专利技术的特征在于包括以下的电极：第一基于锂离子的电活性材料；具有第一密度的第一炭黑颗粒；和不同于第一炭黑颗粒的第二炭黑颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电极，包括：/n第一基于锂离子的电活性材料；/n具有第一吸油值的第一炭黑颗粒；和/n不同于第一炭黑颗粒的第二炭黑颗粒，第二炭黑颗粒具有大于第一吸油值的第二吸油值。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170615 US 62/520,1381.电极，包括：
第一基于锂离子的电活性材料；
具有第一吸油值的第一炭黑颗粒；和
不同于第一炭黑颗粒的第二炭黑颗粒，第二炭黑颗粒具有大于第一吸油值的第二吸油值。


2.权利要求1的电极，其中第一炭黑颗粒具有第一BET表面积，并且第二炭黑颗粒具有小于第一BET表面积的第二BET表面积。


3.权利要求1或2的电极，其中第一吸油值为100至200mL/100g。


4.前述权利要求中任一项的电极，其中第二吸油值为200至350mL/100g。


5.前述权利要求中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有150至1500m2/g的第一BET表面积。


6.前述权利要求中任一项的电极，其中第二炭黑颗粒具有50至150m2/g的第二BET表面积。


7.前述权利要求中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒以相对于第二炭黑颗粒1:10至10:1的比率存在。


8.前述权利要求中任一项的电极，其中第一和第二炭黑颗粒以0.5至10重量％的量存在，相对于基于锂离子的电活性材料。


9.前述权利要求中任一项的电极，其中第一和第二炭黑颗粒具有0.5至20微米的粒度分布。


10.前述权利要求中任一项的电极，其中第一和第二炭黑颗粒具有双峰粒度分布。


11.前述权利要求中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有0.5至2微米的粒度分布。


12.前述权利要求中任一项的电极，其中第二炭黑颗粒具有2至20微米的粒度分布。


13.前述权利要求中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有第一表面能，并且第二炭黑颗粒具有低于第一表面能的第二表面能。


14.前述权利要求中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有5至20mJ/m2的第一表面能，并且第二炭黑颗粒具有0.1至5mJ/m2的第二表面能。


15.前述权利要求中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有第一密度，并且第二炭黑颗粒具有高于第一密度的第二密度。


16.前述权利要求中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有0.05至0.2g/cm3的第一密度，并且第二炭黑颗粒具有0.2至0.5g/cm3的第二密度。


17.前述权利要求中任一项的电极，其中第一基于锂离子的电活性材料具有0.1至20微米的粒度分布。


18.前述权利要求中任一项的电极，进一步包括第二基于锂离子的电活性材料，其中第一基于锂离子的电活性材料具有1微米≤D50≤5微米的粒度分布，并且第二基于锂离子的电活性材料具有5微米<D50≤15微米的粒度分布。


19.前述权利要求中任一项的电极，其中电极的厚度为40至200微米。


20.电池，包括前述权利要求中任一项的电极。


21.电极，包括：
第一基于锂离子的电活性材料；
具有第一表面能的第一炭黑颗粒；和
不同于第一炭黑颗粒的第二炭黑颗粒，第二炭黑颗粒具有小于第一表面能的第二表面能。


22.权利要求21的电极，其中第一炭黑颗粒具有第一BET表面积，并且第二炭黑颗粒具有小于第一BET表面积的第二BET表面积。


23.权利要求21或22的电极，其中第一表面能为5至20mJ/m2。


24.权利要求21-23中任一项的电极，其中第二表面能为0.1至5mJ/m2。


25.权利要求21-24中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有150至1500m2/g的第一BET表面积。


26.权利要求21-25中任一项的电极，其中第二炭黑颗粒具有50至150m2/g的第二BET表面积。


27.权利要求21-26中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒以相对于第二炭黑颗粒1:10至10:1的比率存在。


28.权利要求21-27中任一项的电极，其中第一和第二炭黑颗粒以0.5至10重量％的量存在，相对于基于锂离子的电活性材料。


29.权利要求21-28中任一项的电极，其中第一和第二炭黑颗粒具有0.5微米至20微米的粒度分布。


30.权利要求21-29中任一项的电极，其中第一和第二炭黑颗粒具有双峰粒度分布。


31.权利要求21-30中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有0.5至20微米的粒度分布。


32.权利要求21-31中任一项的电极，其中第二炭黑颗粒具有2至20微米的粒度分布。


33.权利要求21-32中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有第一密度，并且第二炭黑颗粒具有高于第一密度的第二密度。


34.权利要求21-33中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有0.05至0.2g/cm3的第一密度，并且第二炭黑颗粒具有0.2至0.5g/cm3的第二密度。


35.权利要求21-34中任一项的电极，其中第一基于锂离子的电活性材料具有0.1至20微米的粒度分布。


36.权利要求21-35中任一项的电极，进一步包括第二基于锂离子的电活性材料，其中第一基于锂离子的电活性材料具有1微米≤D50≤5微米的粒度分布，并且第二基于锂离子的电活性材料具有5微米<D50≤15微米的粒度分布。


37.权利要求21-36中任一项的电极，其中电极的厚度为40微米至200微米。


38.电池，包括权利要求21-37中任一项的电极。


39.电极，包括：
第一基于锂离子的电活性材料；
具有第一密度的第一炭黑颗粒；和
不同于第一炭黑颗粒的第二炭黑颗粒，第二炭黑颗粒具有大于第一密度的第二密度。


40.权利要求39的电极，其中第一炭黑颗粒具有第一BET表面积，并且第二炭黑颗粒具有小于第一BET表面积的第二BET表面积。


41.权利要求39或40的电极，其中第一密度为0.05至0.2g/cm3。


42.权利要求39-41中任一项的电极，其中第二密度为0.2至0.5g/cm3。


43.权利要求39-42中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有150至1500m2/g的第一BET表面积。


44.权利要求39-43中任一项的电极，其中第二炭黑颗粒具有50至150m2/g的第二BET表面积。


45.权利要求39-44中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒以相对于第二炭黑颗粒1:10至10:1的比率存在。


46.权利要求39-45中任一项的电极，其中第一和第二炭黑颗粒以0.5至10重量％的量存在，相对于基于锂离子的电活性材料。


47.权利要求39-46中任一项的电极，其中第一和第二炭黑颗粒具有0.5微米至20微米的粒度分布。


48.权利要求39-47中任一项的电极，其中第一和第二炭黑颗粒具有双峰粒度分布。


49.权利要求39-48中任一项的电极，其中第一炭黑颗粒具有0.5至2微米的粒度分布。


50.权利要求39-49中任一项的电极，其中第二炭黑颗粒具有2至20微米的粒度分布。


51.权利要求39-50中任一项的电极，其中第一基于锂离子的电活性材料具有0.1至20微米的粒度分布。


52.权利要求39-51中任一项的电极，进一步包括第二基于锂离子的电活性材料，其中第一基于锂离子的电活性材料具有1微米≤D50≤5微米的粒度分布，并且第二基于锂离子的电活性材料具有5微米<D50≤15微米的粒度分布。


53.权利要求39-52中任一项的电极，其中电极的厚度为40微米至200微米。


54.电池，包括权利要求39-53中任一项的电极。


55.制造电极的方法，包括：
形成具有第一分散水平的第一炭黑颗粒；
形成具有低于第一分散水平的第二分散水平的第二炭黑颗粒；和
将第一和第二炭黑颗粒与第一基于锂离子的电活性材料组合。


56.权利要求55的方法，其中第一炭黑颗粒具有第一吸油值，并且第二炭黑颗粒具有大于第一吸油值的第二吸油值。


57.权利要求55或56的方法，其中第一炭黑颗粒具有第一BET表面积，并且第二炭黑颗粒具有小于第一BET表面积的第二BET表面积。


58.权利要求55-57中任一项的方法，其中第一炭黑颗粒具有100至200mL/100g的吸油值。


59.权利要求55-58中任一项的方法，其中第二炭黑颗粒具有200至350mL/g的吸油值。


60.权利要求55-59中任一项的方法，其中第一炭黑颗粒具有150至1500m2/g的第一BET表面积。


61.权利要求55-60中任一项的方法，其中第二炭黑颗粒具有50至150m2/g的第二BET表面积。


62.权利要求55-61中任一项的方法，其中第一炭黑颗粒以相对于第二炭黑颗粒1:10至10:1的比率存在。


63.权利要求55-62中任一项的方法，其中第一和第二炭黑颗粒以0.5至10重量％的量存在，相对于基于锂离子的电活性材料。

【专利技术属性】
技术研发人员：AL杜帕斯奎尔，PB拉克斯顿，M奥尔贾卡，A科谢夫，
申请(专利权)人：卡博特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US