阳极、阳极制备方法以及锂离子电池技术

本发明专利技术提供一种阳极，该阳极包括集流体和涂覆在该集流体上的阳极材料堆叠体，该阳极材料堆叠体包括阳极活性材料层，该阳极活性材料层包括多孔碳材料和第一粘合剂，该多孔碳材料与第一粘合剂混合。该阳极材料堆叠体还包括夹在集流体和阳极活性材料层之间的碳中间层。本发明专利技术还提供一种制备阳极的方法。此外，本发明专利技术还提供一种具有上述阳极的锂离子电池。

Anode, anode preparation method and lithium ion battery

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】阳极、阳极制备方法以及锂离子电池
本公开涉及用于锂离子二次电池的阳极及其制备方法，以及具有该阳极的锂离子电池。
技术介绍
与传统的铅酸电池或镍氢(NiMH)电池相比，锂离子二次电池具有更高的能量密度。因此，它们已被广泛用作便携式电子设备的电源，例如移动电话、数码相机和笔记本电脑。近年来，节能和环保日益受到重视。作为清洁且环保的能源，锂离子电池已经在混合动力电动汽车(HEV)，电池电动汽车(BEV)以及太阳能发电和风力发电行业的储能中找到了商业应用。然而，在这些领域中的进一步技术发展需要增加电池容量和更长的使用寿命。传统上，锂金属氧化物，例如钴酸锂(LiCoO2)，锰酸锂(LiMn2O4)，镍酸锂(LiNiO2)或磷酸铁锂(LiFePO4)已被用作锂离子二次电池的阴极活性材料。关于阳极材料，尽管已经对Si和Sn合金进行了大量研究，但是由于某些缺点例如膨胀限制、导电性差和充放电效率低，这些合金尚未投入商业使用。同时，锂金属或含锂合金现已被认为是具有高能量密度的阳极活性材料。在充电过程中，发生还原反应并生成锂金属。放电时，锂金属被氧化成锂离子。然而，当该锂金属或含锂合金用于电池中时也具有其缺点。首先，在充电期间，产生的锂金属结晶以在阳极上形成小的锂颗粒或锂枝状晶体，这样的小锂颗粒或锂枝状晶体主要积聚在阳极的表面上，将快速降低电池的寿命。其次，锂枝状晶体在积累到一定程度时会刺穿锂电池隔板，从而导致电池短路和安全隐患。第三，这种小的锂颗粒具有高比表面积以及高活性，特别是在高温下，这也会导致安全隐患。第四，伴随着锂离子的氧化还原反应的过程，锂金属沉积在阳极上，这将会增加阳极的厚度。第五，沉积在阳极表面上的锂金属趋于从阳极表面分离。若锂金属脱离，则其不再参与充电或放电过程，这将缩短电池的寿命。第六，如果电极被陶瓷固体电解质覆盖，则由于锂的沉淀，固体电解质在充电/放电时会发生膨胀/收缩。当存在外部振动时，这种膨胀/收缩致使固体电解质中出现裂纹，这种裂纹将阻碍锂离子的移动并使电池失效。上述所有缺点都会导致电池安全隐患。为了使锂金属的氧化还原反应可逆并解决上述安全问题，现已有对薄膜层压电池和实际应用进行了重要研究，其中将锂金属沉积在集流体上。然而，这种薄膜层压电池的制备需要真空蒸发设备，这将导致电池生产效率低和电池制造成本高。同时，薄膜层压电池还需要更多的薄片层，更多的隔板以及更多的集流体，所有的这些都不可避免地导致能量密度的降低。因此，薄膜层压电池不能解决安全问题。鉴于上述情况，有待提供一种使电池具有更高容量，更高能量密度和更长寿命的阳极以及具有该种阳极的电池。
技术实现思路
本专利技术提供一种阳极，包括集流体和涂覆在该集流体上的阳极材料堆叠体,该阳极材料堆叠体包含阳极活性材料层，该阳极活性材料层包括多孔碳材料和第一粘合剂，该多孔碳材料与第一粘合剂混合。在一个实施例中，所述第一粘合剂选自：聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚氯乙烯、羧基聚氯乙烯、聚氟乙烯、环氧乙烷聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸丁酯橡胶、环氧树脂和尼龙。在一个实施例中，所述多孔碳材料为无定形结构，所述多孔碳材料包括多个中孔和微孔，所述中孔的孔径为2-50nm，所述微孔的孔径小于2nm。在一个实施例中，所述多孔碳材料为布满孔的硬碳，孔的体积占所述多孔碳材料的总体积的20％-50％。在另一个实施例中，所述多孔碳材料为由沥青合成的软碳。在另一实施例中，所述多孔碳材料选自炭黑、木炭、焦炭、骨黑、糖炭、活性炭和纤维素碳。在一个实施例中，所述多孔碳材料的孔隙率在5％至50％的范围内。在另一实施例中，所述多孔碳材料为活性粉末状，且所述多孔碳材料的电导率在10-2S/cm至103S/cm的范围内。在一个实施例中，所述阳极材料堆叠体还包括碳中间层，所述碳中间层被设置在所述集流体和所述阳极活性材料层之间，所述碳中间层包括第二碳材料和第二粘合剂，所述第二碳材料与所述第二粘合剂混合。在一个实施例中，所述第二粘合剂的材料不同于所述第一粘合剂的材料。第二粘合剂选自但不限于：聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚氯乙烯、羧基聚氯乙烯、聚氟乙烯、环氧乙烷聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸丁二烯橡胶、环氧树脂和尼龙。在一个实施例中，所述碳中间层由导电碳材料制成，且所述导电碳材料的电导率高于所述多孔碳材料的电导率。在一个实施例中，所述阳极活性材料层和/或所述碳中间层还包含导电材料，所述导电材料选自：天然石墨、人造石墨、炭黑、乙炔黑、碳纤维、铜的金属粉末、镍的金属粉末、铝的金属粉末、银的金属粉末、铜的金属纤维、镍的金属纤维、铝的金属纤维、银的金属纤维、多苯基衍生物；或上述材料的混合物。在一个实施例中，所述阳极材料堆叠体的密度为0.5g/cc至1.0g/cc。本专利技术提供的一种制备阳极的方法，包括以下步骤：提供集流体；将多孔碳材料和第一粘合剂与溶剂混合以形成阳极活性材料混合物；将所述阳极活性材料混合物涂覆到所述集流体上以形成阳极活性材料层；以及干燥并辊压以制得阳极。在一个实施例中，该方法还包括以下步骤：将第二碳材料和第二粘合剂与溶剂混合以形成碳中间混合物；在涂覆所述阳极活性材料混合物之前，将所述碳中间混合物涂覆在所述集流体上以形成碳中间层；以及将所述阳极活性材料混合物涂覆到所述碳中间层上。本专利技术还提供一种锂离子电池，包括阳极、阴极、夹在所述阳极和所述阴极之间的隔板，以及浸入所述阳极和所述阴极的电解液，其中，所述阳极如上所述。本专利技术的阳极可以使电池具有更高容量，更高能量密度和更长使用寿命。在这种电池中，当锂金属沉积在阳极上时，由于阳极中存在多孔碳材料，因此可减少阳极的膨胀/收缩。此外，由于在阳极的集流体上存在多孔碳材料，在充电时，阳极表面不会形成小锂颗粒或锂枝状晶体，也不会产生脱落的锂金属。因而，所述电池的容量不会减少。因此，本专利技术的电池具有更高容量、更高能量密度和更长使用寿命。本专利技术的阳极是通过常规涂覆设备生产的厚膜电极，而不是通过CVD(化学气相沉积)或PVD(物理气相沉积)生产的薄膜电极。具体实施方式现在将参考以下实施例更具体地描述本专利技术。应当注意，出于说明和描述的目的，下面仅描述本专利技术的优选实施例。这些描述并非穷举，本专利技术也不限于所公开的特定形式。本公开提供了一种阳极，包括集流体和阳极材料堆叠体，该阳极材料堆叠体涂覆在集流体上。在一个实施例中，集流体为薄膜集流体。在另一个实施例中，阳极的集流体主要由过渡金属组成。在又一个实施例中，集流体由铜箔制成。在一个实施例中，阳极材料堆叠体包括涂覆在集流体上的阳极活性材料层。在一个实施例中，涂覆在集流体上的阳极活性材料层包括多孔碳材料和第一粘合剂，其中多孔碳材料与粘合剂均匀混合。在另一个实施例中，多孔碳材料包括多个孔且具有无定形结构。在一个实施例中，第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阳极，包括集流体和涂覆在所述集流体上的阳极材料堆叠体，其特征在于：所述阳极材料堆叠体包括阳极活性材料层，所述阳极活性材料层包括多孔碳材料和第一粘合剂，所述多孔碳材料与所述第一粘合剂混合。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种阳极，包括集流体和涂覆在所述集流体上的阳极材料堆叠体，其特征在于：所述阳极材料堆叠体包括阳极活性材料层，所述阳极活性材料层包括多孔碳材料和第一粘合剂，所述多孔碳材料与所述第一粘合剂混合。


2.如权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述第一粘合剂选自：聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚氯乙烯、羧基聚氯乙烯、聚氟乙烯、环氧乙烷聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸丁酯橡胶、环氧树脂和尼龙。


3.如权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述多孔碳材料为无定形结构，所述多孔碳材料包括多个中孔和微孔，所述中孔的孔径为2-50nm，所述微孔的孔径小于2nm。


4.如权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述多孔碳材料为布满孔的硬碳，孔的体积占所述多孔碳材料的总体积的20％-50％；或所述多孔碳材料为由沥青合成的软碳。


5.如权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述多孔碳材料选自炭黑、木炭、焦炭、骨黑、糖炭、活性炭和纤维素碳。


6.如权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述多孔碳材料的孔隙率在5％至50％的范围内。


7.如权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述多孔碳材料为活性粉末状，且所述多孔碳材料的电导率在10-2S/cm至103S/cm的范围内。


8.如权利要求1所述的阳极，其特征在于：所述阳极材料堆叠体还包括碳中间层，所述碳中间层夹在所述集流体和所述阳极活性材料层之间，所述碳中间层包括第二碳材料和第二粘合剂，所述第二碳材料与所述第二粘合剂混合。


9.如权利要求8所述的阳极，其特征在于：所述第二粘合剂的材料不同于所述第一粘合剂的材料。


10.如权利要求8的阳极，其特征在于：第二粘合剂选自但不限于：聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚氯乙烯、羧基聚氯乙烯、聚氟乙烯、环氧乙烷聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸丁二烯橡胶、环氧树脂和尼龙。


11.如权利要求8所述的阳极，其特征在于：所述碳中间层由导电碳材料制成，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨圣晨，吴凯强，郑卓群，李翔，石田澄人，文娟·刘·麦蒂斯，
申请(专利权)人：微宏动力系统湖州有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33