电极材料、制备电极材料方法、电极和包括该电极的电池技术

公开了一种电极材料、其制备方法、包括该电极材料的电极和包括该电极的电池。该电极材料包括含水溶性导电聚合物和水溶性聚合物的粘合剂和活性材料。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电极材料，其制备方法，一种电极和包括该电极的电池，特别涉及一种在活性材料之间或在活性材料和集电极之间具有大粘结强度、具有柔韧性、较高充电-放电容量和提高的循环寿命特性的电极材料，其制备方法和包括该电极材料的电池。
技术介绍
由于高技术电子工业的发展导致电子设备越来越小并越来越轻，便携式电子仅器的使用日益增长。根据在这些便携式电子仪器中用作电源的、具有高能量密度的电池的日益增加的要求，正积极地进行对锂二次电池的研究。因为电池的容量与活性材料的数量成正比，所以为了获得具有高能量密度的锂二次电池并增加每单位活性材料重量的容量，通过清除除活性材料以外的材料而在电极板中尽可能多的装填活性材料是重要的。目前通常用作负极粘合剂(negative electrode binder)的聚偏氟乙烯(PVdF)可溶于有机溶剂，例如N-甲基-2-吡咯烷酮中。尽管PVdF没有专门用作粘合剂，但是人们发现通过加入8到10重量％(以碳量为基准)，其能为电极提供粘结强度，此外，它还与石墨材料相容。然而，甚至在纤维被充分粘结的状态下，PVdF也能涂敷活性材料，因此不能使活性材料的容量、效率和其它固有的电池性能最佳化。对于将锂离子完全插入(intercalation)/deintercalation到活性材料中，电极阻抗将会迅速减小，但常规的粘合剂是不导电的。因此，必须减少加入的粘合剂的数量并增加粘合剂的传导率。有人建议向粘合剂中引入导电聚合物从而获得优异的电池性能，而这用常规方法不能实现。PVdF具有大的粘结强度，但柔韧性差。当活性材料是碳料，例如具有小表面倾角(pitch)的天然石墨时，由于活性材料之间的键断裂，PVdF低的柔韧性容易使锂二次电池的循环寿命特性恶化，并因此在充电和放电过程中有大的膨胀收缩比。因此，为了在充电和放电过程中吸收活性材料的膨胀和收缩应力，有人建议采用具有弹性的粘合剂。就安全而论，可溶于有机溶剂的粘合剂，例如PVdF对人和环境有害，所以应该回收有机溶剂。因此，使用对环境无害且不需要回收的水性粘合剂是有益的。用于锂二次电池的示范性的水性粘合剂是乳胶(latex)，例如丁苯橡胶(SBR)。丁苯橡胶具有高的弹性，当丁苯橡胶与增稠剂，例如纤维素一起用作粘合剂时，预计在充电和放电过程中有助于电极减轻膨胀和收缩。然而，因为该乳胶粘合剂是粘的，与聚偏氟乙烯相比，与活性材料接触的表面积较小。因此，由于活性材料之间的粘结强度变弱使活性材料容易与电极分离，而且与包括PVdF粘合剂的电池相比，包括该电极的电池的循环寿命特性会变差。尤其是，人造石墨具有小的比表面积和不好的润湿性。因此，当粘合剂只与乳胶和增稠剂一起用于人造石墨时，在成百上千次的反复充电和放电循环过程中，活性材料容易与电极分离。
技术实现思路
在一个实施方案中，本专利技术提供一种包括粘合剂和活性材料的电极材料，该粘合剂包括水溶性导电聚合物和水溶性聚合物。在另一个实施方案中，本专利技术提供一种制备该电极材料的方法，该方法包括混合含水溶性导电聚合物和水溶性聚合物的粘合剂、活性材料和水的步骤，以及干燥该混合物的步骤。本专利技术进一步提供一种包括该电极材料的电极。本专利技术进一步提供一种包括该电极的锂二次电池。专利技术详述在下面的详细描述中，仅仅通过实施本专利技术的专利技术人认为是最佳实施模式的方法，展示并描述了本专利技术的优选实施方案。正如将会认识到的，本专利技术能够在不背离本专利技术下，对各方面进行改进。因此，说明书在本质上被认为是说明性的而不是限制的。为了制备具有大充电和放电容量、提高循环寿命特性和柔韧性的电池，本专利技术的电极材料包括含水溶性导电聚合物和水溶性聚合物的粘合剂以及活性材料。本专利技术的粘合剂既包括水溶性导电聚合物又包括水溶性聚合物。其进一步可以包括乳胶。通过将粘合剂粘附到活性材料上制备本专利技术的电极材料。优选地，水溶性导电聚合物包括水溶性基于苯胺的聚合物。优选的水溶性基于苯胺的聚合物包括聚苯胺磺酸和聚苯胺碳酸，更优选的是聚苯胺磺酸。聚苯胺磺酸与通常用作锂二次电池负极材料(negative material)的碳料有高度的反应性，从而其容易粘附到碳料上。在下文中，将水溶性基于苯胺的聚合物详细地描述为示范性的水溶性导电聚合物。水溶性基于苯胺的聚合物包括聚苯胺，其是一种导电聚合物。当将聚苯胺用作粘合剂时，包括该粘合剂的电极显示比包括常规粘合剂聚合物的电极低的电极阻抗。在日本专利公开No.Hei10-219739中公开了制备包括聚苯胺在内的水溶性导电聚合物的方法，本文引用其公开文本作为参考。因为只含水溶性导电的基于苯胺聚合物和活性材料的粘合剂不具有足够的粘结强度，所以本专利技术的粘合剂除了水溶性导电的基于苯胺聚合物和活性材料之外，进一步包括水溶性聚合物。获得的本专利技术的粘合剂在活性材料之间以及在活性材料和集电极之间具有大的粘结强度，而这为制备均匀的电极提供了足够的粘度和涂敷性能。为了制备柔韧性和循环寿命特性都改善的电极，该粘合剂除了水溶性基于苯胺的聚合物和水溶性聚合物之外，还可以进一步包括乳胶。通过使用与常规粘合剂相比数量较小的本专利技术粘合剂还能够提供足够的粘结强度。从而增加了活性材料的含量，并能够制备具有大容量的锂二次电池。优选的是水溶性基于苯胺的聚合物的含量占电极材料总重量的0.1到10重量％，更优选的是0.3到2重量％。当水溶性基于苯胺的聚合物的含量低于0.1重量％时，会降低活性材料之间的粘结强度。当水溶性基于苯胺的聚合物的含量大于10重量％时，由于电池容量减少以及电池阻抗增加会造成，在高速率下、电池循环寿命特性缩短。此外，涂有用粘合剂、活性材料和水制备的浆料的集电极不是优选的，因为用该浆料涂敷集电极不充分。目前将水溶性聚合物，例如纤维素用作增稠剂。在本专利技术中，向一种或多种水溶性基于苯胺的聚合物中加入水溶性粘合剂，该水溶性粘结剂起增稠剂和粘合剂的作用，从而增加活性材料之间或一种或多种活性材料和集电极之间的粘结强度。为了增加电极的柔韧性，优选的是还将乳胶加入到水溶性基于苯胺的聚合物和水溶性聚合物中。本专利技术的示范性的水溶性聚合物包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺、聚N-异丙烯酰胺、聚N，N-二甲基丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚氧乙烯、聚(2-甲氧基乙氧基乙烯)、聚(3-吗啉乙烯)、聚乙烯磺酸、聚偏氟乙烯和直链淀粉，优选的是聚乙烯醇。因为聚乙烯醇在反复充电和放电的过程中稳定而不引起电池退化或沉积，所以聚乙烯醇适合用于制造具有大充电和放电容量以及循环寿命特性提高的电池。水溶性聚合物的含量优选的是占本专利技术电极材料重量的0.1到10重量％，更优选的是0.3到3重量％。当水溶性聚合物的含量小于0.1重量％时，由粘合剂、活性材料和水组成的浆料的粘度显著下降，因此难以制备均匀的电极，而且活性材料之间或活性材料和集电极之间的粘结强度下降。当水溶性聚合物的含量大于10重量％时，浆料的粘度显著增加，因此用该浆料涂敷集电极不充分，并且使电池柔韧性变差。此外，由于活性材料减少，电池容量降低。优选地，本专利技术中使用的乳胶是包括丁苯橡胶、丁腈橡胶、异丁烯酸甲酯丁二烯橡胶或氯丁橡胶，更优选地，包括丁苯橡胶。优选的是向电极材料中加入乳胶从而提供具有高度柔韧性的电极并制备循环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极材料，包括：具有水溶性导电聚合物和水溶性聚合物的粘合剂，和活性材料。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：松原惠子，津野利章，高椋辉，沈揆允，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]