用于改善粘合剂粘附性的阴极活性材料的表面改性制造技术

本发明专利技术涉及一种用于制造锂离子电池的阴极材料(1)的方法，该阴极材料包括阴极活性材料(2)、聚合物粘合剂和任选的导电添加剂，所述方法包括以下步骤：‑将阴极活性材料、聚合物粘合剂和任选的导电添加剂在液体溶剂中混合，和‑任选地将混合物施加到电极载体上以形成阴极。根据本发明专利技术，用聚合物粘合剂的单体(3)对所述阴极活性材料进行表面改性。本发明专利技术还涉及包括通过所述方法制造的阴极材料的阴极。有利地，用根据本发明专利技术的方法可实现活性颗粒与聚合物之间的改进的粘附性能，并且在电极制备期间的专门与电极适配的网络结构的生成允许使用较少量的粘合剂，从而改善得到的电极的性能。

Surface modification of cathode active materials for improving adhesive adhesion

【技术实现步骤摘要】
用于改善粘合剂粘附性的阴极活性材料的表面改性
技术实现思路
本专利技术涉及一种用于制造锂离子电池的阴极材料的方法，所述锂离子电池特别地在电动汽车中用作牵引电池，该方法具有权利要求1的前序部分的特征。
技术介绍
在锂离子电池的制造中，电极片材的制造是一个重要过程。在这种情况下，将活性材料、导电添加剂和粘合剂的混合物施加到导电载体材料上。粘合剂对于确保电极块(Elektrodenmasse)的内部凝聚力和粘附力是必需的，但其本身是一种惰性材料。如果可能的话，使用尽可能少的粘合剂以确保结构完整性和保持良好的接触性能。粘合性能的任何改善都允许这种非活性部分的进一步减少。在现有技术中，电极材料的表面改性是已知的，特别地在硅阳极材料领域中。通常，将极性基团例如OH基团置于颗粒的表面上以实现改善的与粘合剂的相互作用。已知的解决方案通常基于极小(轻微)的极性相互作用，例如氢键。通常，该解决方案也极其具体地适合于个别情况，其中这些情况中的大多数都涉及硅阳极。硅阳极是一种特殊情况，因为它们在电池反应过程中会经历高得多的体积变化。这导致电极中的更大的机械应力，因此许多构思旨在改善粘合剂在硅阳极上的接触。然而，将这些构思应用于已确立的阴极材料是困难的。还已知的是，用现有的粘合剂聚合物涂覆活性材料颗粒，但本质上是保护材料免于水分和二氧化碳的吸收。因此，美国公开US2014/0079996A1描述了一种改善锂电池阴极材料免受环境影响的方法。为此，将粘合剂材料例如PVDF和PTFE与阴极活性材料混合或涂覆在其上。此外，DE102016224382A1描述了一种制造用于锂离子电池的电极的电极糊的方法。首先，在步骤a)中，将电极的活性材料与至少一种导电添加剂例如特别地石墨和/或导电炭黑、与第一粘合剂一起干式混合。随后，在步骤b)中添加第一量的水，用于产生糊状物料。在随后的步骤c)中，将该糊状物料捏合、特别是硬捏合。优选地将所述糊状物料捏合如此长的时间并且如此确定所述第一量的水，使得在捏合期间由糊状物料形成一个或两个捏合球。这于是说明糊状物料的所有组分均已最佳地或均匀地混合。随后，添加至少第二量的水并在之后的步骤e)中将糊状物料与水混合。在完成充分混合后，在步骤f)中加入第二粘合剂，然后在步骤g)中将混合物进一步混合。由此产生有利的电极糊。可向糊状物料中添加酸、特别地硫酸、聚丙烯酸共马来酸、聚丙烯酸、藻酸或柠檬酸。通过添加酸来实现糊状物料的pH值降低。由此，可在pH值不超过临界值的情况下对电极糊料中的具有高镍含量的阴极活性材料进行处理，超过临界值可导致载体膜在用电极糊涂覆载体膜和干燥之间的时间内已被腐蚀。因此，对于阴极材料而言，涂层和表面改性的重点主要在于保护功能或动力学性能的改善的领域。在这种情况下，在很大程度上忽略了对粘合剂材料的粘附。正是对于具有更高体积膨胀的阴极材料，仍有改进的空间。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种制造改进的阴极材料的方法。该方法应是可与现有方法中的简单步骤集成的，并使用在阴极材料的制造中常规的物质。另外，该方法应是可易于实施的，并且与现有技术相比，附加步骤的数量应尽可能少。本专利技术的另一个目的是提供一种通过简单的方法制备的改进的阴极材料，其具有改进的粘合剂的粘附性能并且能够降低所得到的电极中的粘合剂的含量。由此应能够制造更有效的单元电池，并且尽管粘合剂含量较低，但材料的稳定性以及得到的包含阴极材料的电极和单元电池的稳定性仍应得到改善。该目的通过具有权利要求1的特征的用于制造阴极材料的方法来实现。本专利技术包括一种用于制造锂离子电池的阴极材料的方法，该阴极材料包括阴极活性材料、聚合物粘合剂和任选地导电添加剂，该方法包括以下步骤：-将阴极活性材料、聚合物粘合剂和任选地导电添加剂在液体溶剂中混合，和-任选地将混合物施加到电极载体上以形成阴极。根据本专利技术，用聚合物粘合剂的单体对阴极活性材料进行表面改性。在本专利技术的上下文中，术语表面改性特别地应理解为是指，以这样的方式使聚合物粘合剂的单体与阴极活性材料的颗粒接触，使得单体结合到颗粒的表面上。单体与表面的结合优选地通过形成共价键进行。例如，丙烯酸单体可通过缩合反应与存在于锂钴氧化物颗粒表面上的OH基团共价连接。然而，可使用其他类型的反应，例如自由基反应，并且一方面根据阴极活性材料的表面上的官能团以及另一方面根据单体的官能团进行选择或调整。在表面改性步骤之后，则将根据本专利技术改性的阴极活性材料包括在粘合剂的聚合反应中，例如在电极浆料内。因此，以这种方式，阴极活性材料或阴极活性材料颗粒的表面官能牢固地结合到粘合剂的聚合物结构中，从而形成交联的聚合物网络，该聚合物网络共价地键合至阴极的活性颗粒上。可自由地选择表面改性的阴极活性材料和粘合剂的共同聚合的时间点，并且该方法的一些变型将在下面被进一步解释。通过用聚合物粘合剂的单体对阴极活性材料进行表面改性的步骤，可实现与粘合剂网络的连接。由于与之相关联的、阴极活性材料与粘合剂的改善的粘合，可使粘合剂在根据本专利技术的阴极材料中的比例(含量)保持较小，从而减少在得到的电极中的惰性比例。同时，可实现改善的长期稳定性。另外，在本专利技术的方法中仅需要一个额外的步骤，该步骤可用常规设备并且用对于阴极材料的制造来说常规的组分和反应条件来实施。由此可确保有效的制造。换句话说，本专利技术基于以下核心构思：使所用的聚合物粘合剂的单体组分通过表面改性而共价地键合到活性颗粒上，并使它们与聚合物结构连接。由此获得的粘合剂的改善的粘附性能允许减少电极中的粘合剂含量并改善得到的电极的性能。在本专利技术的一种实施方式中，在预备步骤中进行阴极活性材料的表面改性。以这种方式可确保发生有针对性的、充分的表面改性并因此使聚合物粘合剂的单体连接在阴极材料表面上。在本专利技术的一种实施方式中，可在将阴极活性材料、聚合物粘合剂和任选地导电添加剂在液体溶剂中混合的步骤中添加聚合物粘合剂的另外的单体。以这种方式，可针对性地控制成，即使在包含任选的导电添加剂的情况下，也可实现单体在阴极活性材料和粘合剂的表面上的最佳交联。交联度是对得到的材料的机械和化学性质进行控制的重要参数。在本专利技术的另一实施方式中，表面改性的阴极活性材料在单独的步骤中与粘合剂聚合。在该实施方式中，表面改性的阴极活性材料与粘合剂的聚合在与其他组分混合之前或之后进行。在本专利技术的另一实施方式中，在与其他组分混合的过程中，使表面改性的阴极活性材料与粘合剂聚合。如果活性材料和粘合剂之间的聚合是单独进行的，则需要将该材料进一步加工成浆料。此外，在该实施方式中，电极中的导电添加剂甚至更强地集成到聚合物网络中。在该方法中，粘合剂聚合物的所需用量也较低。如果已经存在的聚合物只在随后才与活性颗粒连接，则由于粘合剂的已经给定的结构和链长而导致形成网络的可能性减少。与此相反，如果根据方法的优选实施方式在完成的混合物中进行聚合，则这时形成的网络更适合于已存在的颗粒。阴极活性材料可优选地选自：锂钴氧化物(LCO)、锂锰氧化物(LM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于制造锂离子电池的阴极材料(1)的方法，该阴极材料包括阴极活性材料(2)、聚合物粘合剂和任选地导电添加剂，所述方法包括以下步骤：/n-将阴极活性材料、聚合物粘合剂和任选地导电添加剂在液体溶剂中混合，和/n-任选地将混合物施加到电极载体上以形成阴极，/n其特征在于，用聚合物粘合剂的单体(3)对所述阴极活性材料进行表面改性。/n

【技术特征摘要】
20181123 DE 102018220125.01.用于制造锂离子电池的阴极材料(1)的方法，该阴极材料包括阴极活性材料(2)、聚合物粘合剂和任选地导电添加剂，所述方法包括以下步骤：
-将阴极活性材料、聚合物粘合剂和任选地导电添加剂在液体溶剂中混合，和
-任选地将混合物施加到电极载体上以形成阴极，
其特征在于，用聚合物粘合剂的单体(3)对所述阴极活性材料进行表面改性。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在预备步骤中进行所述阴极活性材料(2)的表面改性。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在将所述阴极活性材料、所述聚合物粘合剂和任选地导电添加剂在液体溶剂中混合的步骤中添加所述聚合物粘合剂的另外的单体(3)。


4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，经表面改性的阴极活性材料在单独的步骤中与粘合剂聚合。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，经表面改性的阴极活性材料与粘合...

【专利技术属性】
技术研发人员：P西奇特尔，DA韦伯，
申请(专利权)人：大众汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE