具有碳添加剂的半固体电极及其制备方法技术

本文描述的实施方案涉及具有碳添加剂的半固体电极及其制备方法。在一些实施方案中，半固体电极可包括以体积计约35％至约75％的活性材料、以体积计约0.5％至约8％的传导材料和以体积计约0.2％至约5％的碳添加剂。所述碳添加剂不同于所述传导材料。所述活性材料、所述传导材料和所述碳添加剂与非水性电解质混合以形成所述半固体电极。在一些实施方案中，所述碳添加剂包括碳纳米纤维、气相生长碳纤维(VCGF)、碳纳米管(CNT)、单壁碳纳米管(SWNT)和/或多壁碳纳米管(MWNT)。在一些实施方案中，所述半固体电极可具有小于约100kPa的屈服应力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有碳添加剂的半固体电极及其制备方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年9月24日提交的并且题目为“Semi
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Solid Electrodes with Carbon Additives,and Methods of Making the Same”的美国临时申请号63/082,629的优先权和权益，其公开内容通过引用以其全文并入本文。
[0003]概述
[0004]本文描述的实施方案涉及具有碳添加剂的半固体电极及其制备方法。在一些实施方案中，半固体电极可包括以体积计约35％至约75％的活性材料、以体积计约0.5％至约8％的传导材料和以体积计约0.2％至约5％的碳添加剂。所述碳添加剂不同于所述传导材料。活性材料、传导材料和碳添加剂与非水性电解质混合以形成半固体电极。在一些实施方案中，碳添加剂包括碳纳米纤维、气相生长碳纤维(VCGF)、碳纳米管(CNT)、单壁碳纳米管(SWNT)和/或多壁碳纳米管(MWNT)。在一些实施方案中，半固体电极可具有小于约100kPa的屈服应力。在一些实施方案中，半固体电极可具有至少约30mS/cm、至少约100mS/cm或至少约130mS/cm的传导率。在一些实施方案中，传导材料可包括科琴黑(Ketjen)、气相生长碳纤维、碳纳米管和/或碳纳米纤维。在一些实施方案中，传导材料可包括传导材料，还包含以下中的至少一种：金属、金属碳化物、金属氮化物、金属氧化物、碳的同素异形体、炭黑、石墨碳、碳纤维、碳微纤维、VGCF、富勒烯碳、“巴基球”、CNT、MWNT、SWNT、石墨烯片、石墨烯片的聚集体、包含富勒烯片段的材料、通过与电子传导聚合物混合或共混而具有电子活性的电子绝缘有机氧化还原化合物、基于聚苯胺的传导聚合物、基于聚乙炔的传导聚合物、聚(3,4
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亚乙基二氧基噻吩)(PEDOT)、聚吡咯、聚噻吩、聚(对亚苯基)、聚(三亚苯基)、聚聚芴、聚萘、聚蒽、聚呋喃、聚咔唑、四硫富瓦烯取代的聚苯乙烯、二茂铁取代的聚乙烯、咔唑取代的聚乙烯、聚氧吩嗪、聚并苯和/或聚(杂并苯)(polyheteroacene)。在一些实施方案中，碳添加剂可包括VGCF。在一些实施方案中，碳添加剂可包括碳纳米纤维、CNT、SWNT、炭黑和/或MWNT。
[0005]附图的简要说明
[0006]图1是根据一种实施方案的电化学电芯的示意说明。
[0007]图2A
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2C和图3A
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3C是根据各种实施方案的半固体悬浮液的示意说明。
[0008]图4是根据各种实施方案的半固体电极的传导率相对于传导添加剂负载量的图。
[0009]图5A
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5C描述根据各种实施方案的具有不同传导添加剂负载量的电极浆料混合物。
[0010]图6
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9是说明根据各种实施方案的浆料配制物的流变特性的图。
[0011]图10
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12是说明根据各种实施方案的混合曲线的图。
[0012]图13是说明根据各种实施方案的混合指数与比能量输入和传导添加剂负载量的关系的图。
[0013]图14是根据各种实施方案说明混合对一些浆料参数的影响的图。
[0014]图15说明对于两种不同阴极组成而言在100rpm下混合指数和传导率随混合持续时间的演变。
[0015]图16说明对于两种不同阳极组成而言在100rpm下混合指数和传导率随混合持续时间的演变。
[0016]图17是根据各种实施方案说明对于两种剪切条件而言传导率随混合时间变化的图。
[0017]图18说明对于两种不同的示例性阴极组成而言相对于时间的混合指数。
[0018]图19说明对于两种不同的示例性阳极组成而言相对于时间的混合指数。
[0019]图20说明与可商购得到的电池相比，七种包括至少一种本文描述半固体电极的不同电化学电芯在各种C倍率下的面积比容量相对于电流密度。
[0020]图21说明具有各种VGCF含量的半固体电极的传导率相对于屈服强度。
[0021]图22说明各种传导材料的表面积相对于油吸附的图。
[0022]图23显示在Nippon Coke中研磨之后NMC和VGCF的图像。
[0023]图24显示比较具有和没有CNF的电化学电芯的容量保持率的图。
[0024]图25显示对于包括具有多种组成的半固体阴极的电芯而言容量保持率和ASI生长的图。
[0025]图26显示对于具有多种组成的半固体阴极而言传导率相对于屈服应力的图。
[0026]详细描述
[0027]消费电子电池随着锂离子电池技术的进步逐渐提高能量密度。所制造的电池的储存能量或充电容量与以下有关：(1)活性材料固有的充电容量(mAh/g)，(2)电极的体积(cm3)(即电极厚度、电极面积和层数(堆叠体)的乘积)，和(3)电极介质中活性材料的负载量(例如活性材料的克数/cm3的电极介质)。因此，为了增加商业吸引力(例如提高的能量密度和降低的成本)，通常期望提高面积充电容量(mAh/cm2)，在本文中也称作“面积比容量”或“面积容量”。可例如通过使用具有较高的固有充电容量的活性材料、提高总电极配制物中活性电荷储存材料的相对百分比(即“负载量”)和/或提高在任何给定的电池形状因子中使用的电极材料的相对百分比来提高面积充电容量。换句话说，提高活性电荷储存组分(例如电极)与非活性组分(例如分隔体和集流体)之比通过消除或减小不会有助于电池总体性能的组分来提高电池的总能量密度。完成提高面积充电容量并因此减小非活性组分的相对百分数的一种方式是通过提高电极的厚度。
[0028]常规电极组成具有大约150
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200mAh/g的容量并由于一些性能和制造限制而通常不能制备得比约100μm更厚。例如，i)具有厚度大于100μm(单侧涂覆的厚度)的常规电极典型地由于穿过电极厚度的扩散限制(例如孔隙率、弯曲度、阻抗等)而具有它们倍率性能的显著降低，所述扩散限制随着厚度提高快速增长；ii)厚的常规电极由于干燥和后加工限制而难以制造，例如溶剂去除速率、导致电极开裂的干燥期间的毛细管力、导致分层的电极与集流体的差的附着(例如在用于制造常规电极的高速辊到辊压延过程期间)、在溶剂去除过程期间粘合剂的迁移和/或随后压缩过程期间的变形；iii)不受任何特定理论的束缚，常规电极中使用的粘合剂可堵塞电极的孔结构并通过由占据电极的功能组分(即活性和传导组分)之间大部分空间从而减小可用的孔体积和提高弯曲度(即有效路径长度)来提高离子的扩散阻力。还已知的是常规电极中使用的粘合剂可至少部分涂覆电极活性材料的表面，这减缓或完全阻塞离子向活性材料的流动，由此提高弯曲度。
[0029]此外，已知的常规电池要么具有高容量要么具有高倍率性能，而不是都具有。在第
一C倍率例如0.5C下具有第一充电容量的电池当在较高的第二C倍率例如2C下放电时通常具有较低的第二充电容量。这是由于在常规本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.半固体电极，包含：以体积计约35％至约75％的活性材料；以体积计约0.5％至约8％的传导材料；和以体积计约0.2％至约5％的碳添加剂，所述碳添加剂不同于所述传导材料，其中所述活性材料、所述传导材料和所述碳添加剂与非水性电解质混合以形成所述半固体电极。2.根据权利要求1所述的半固体电极，其中所述碳添加剂包括碳纳米纤维、气相生长碳纤维、碳纳米管、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的至少一种。3.根据权利要求1所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有小于约100kPa的屈服应力。4.根据权利要求1所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有至少约30mS/cm的传导率。5.根据权利要求4所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有至少约100mS/cm的传导率。6.根据权利要求5所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有至少约130mS/cm的传导率。7.根据权利要求1所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有在约120μm和约2000μm之间的厚度。8.根据权利要求1所述的半固体电极，其中所述传导材料包含科琴黑、气相生长碳纤维、碳纳米管或碳纳米纤维中的至少一种。9.根据权利要求8所述的半固体电极，其中所述传导材料还包含以下中的至少一种：金属、金属碳化物、金属氮化物、金属氧化物、碳的同素异形体、炭黑、石墨碳、碳纤维、碳微纤维、气相生长碳纤维(VGCF)、富勒烯碳、“巴基球”、碳纳米管(CNT)、多壁碳纳米管(MWNT)、单壁碳纳米管(SWNT)、石墨烯片、石墨烯片的聚集体、包含富勒烯片段的材料、通过与电子传导聚合物混合或共混而具有电子活性的电子绝缘有机氧化还原化合物、基于聚苯胺的传导聚合物、基于聚乙炔的传导聚合物、聚(3,4
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亚乙基二氧基噻吩)(PEDOT)、聚吡咯、聚噻吩、聚(对亚苯基)、聚(三亚苯基)、聚聚芴、聚萘、聚蒽、聚呋喃、聚咔唑、四硫富瓦烯取代的聚苯乙烯、二茂铁取代的聚乙烯、咔唑取代的聚乙烯、聚氧吩嗪、聚并苯或聚(杂并苯)。10.根据权利要求9所述的半固体电极，其中所述碳添加剂包含气相生长碳纤维。11.根据权利要求10所述的半固体电极，其中所述碳添加剂还包含碳纳米纤维、碳纳米管、单壁碳纳米管、炭黑或多壁碳纳米管中的至少一种。12.半固体电极，包含：以体积计约35％至约75％的活性材料；以体积计约0.5％至约8％的传导材料；和以体积计约0.5％至约5％的碳添加剂，其中所述活性材料、所述传导材料和所述碳添加剂与非水性电解质混合以形成所述半固体电极，并且其中所述半固体电极具有至少约30mS/cm的传导率和小于约100kPa的屈服强度。
13.根据权利要求12所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有至少约100mS/cm的传导率。14.根据权利要求13所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有至少约130mS/cm的传导率。15.根据权利要求14所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有至少约140mS/cm的传导率。16.根据权利要求12所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有小于约80kPa的屈服强度。17.根据权利要求16所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有小于约70kPa的屈服强度。18.根据权利要求17所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有小于约60kPa的屈服强度。19.根据权利要求12所述的半固体电极，其中所述半固体电极具有在约150μm和约2000μm之间的厚度。20.根据权利要求12所述的半固体电极，其中所述半固体电极包括以体积计约2％至约4％的碳添加剂。21.根据权利要求12所述的半固体电极，其中所述半固体电极包括以体积计约1％至约2％的碳添加剂。22.根据权利要求12所述的半固体电极，其中所述半...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈君政，J，
申请(专利权)人：二四M技术公司，
类型：发明
国别省市：