制备用于高能量密度电池的电解质填充高质量负载电极的方法技术

本发明专利技术涉及一种制备高能量密度电池的方法。更具体地涉及一种改进的制备用于基于金属离子的高能量密度电池的高质量负载电极的方法。该方法包括通过混合盐、溶剂、粘合剂和活性材料以产生机械稳定的浆料，从而制备电解质填充的固态电极的方法。充的固态电极的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制备用于高能量密度电池的电解质填充高质量负载电极的方法
[0001]本专利技术涉及一种制备高能量密度电化学电池的方法。特别是涉及一种改进的制备用于基于金属离子的高能量密度电池的高质量负载电极的方法。该方法包括通过混合盐、溶剂、粘合剂和活性材料以产生浆料，从而制备电解质填充的固态电极的方法。
专利

[0002]电化学电池中的电荷存储基于电池充电时在负电极(阳极材料还原和和电解成分氧化)和正电极(阴极材料氧化和电解成分还原)同时发生的法拉第反应。通过这些氧化还原反应，通过将外部电能转换为化学能来为电池充电。来自外部电源的电子向阳极移动，并且在外部电路的另一侧，电子离开阴极。反之，通过将化学能转换为电能而使电池放电，以向外部用电系统供电。阴极的活性材料通常是金属氧化物，所述金属由镍、钴和锂等关键金属构成。在电池制造链中发挥重要作用的其他典型金属是铝、锰、铜、镁和铁。阳极的活性材料通常是含石墨的高硅和低硅复合材料，含有含碳材料、金属氧化物或锂、钠等金属。电解质在阳极和阴极之间的离子传输中起着重要作用。此外，当电极厚度增加或例如使用离子液体(比有机电解质更粘稠)时，难以将电解质填充到紧密缠绕的电池装置中。该电解质填充步骤通常是在电化学电池单元组装后进行的，并且可能会耗费时间，填充时间随着电解质粘度的增加而增加。
[0003]现有电解质技术使用易燃且具有高蒸气压的溶剂。这会导致在温度变化或高温情况下设备中积聚高压。
[0004]现有技术描述了生产电化学电池的各种方法。例如，US 10，276，856描述了一种包括溶剂蒸发步骤的方法。
[0005]此外，EP3444869描述了一种干法制造用于锂二次电池的电极的方法，包括以下步骤：
[0006](S1)对导电材料和电极活性材料进行干混；
[0007](S2)将步骤(S1)得到的产物与粘合剂干混，得到电极混合粉料；
[0008](S3)将电极混合粉料涂在集流体的至少一个表面上。
[0009]此外，为了改善电池的能量密度，应该优化电极的厚度。制备现有技术的这类电极的方法需要载体来控制电极的厚度，例如如US 10，361，460中所描述的那样。
[0010]此外，现有电极制备技术使用易燃且具有高蒸气压的溶剂。这需要高温干燥过程。当厚度增加时，溶剂的蒸发速度成为引起电极开裂风险的制约性参数。
[0011]鉴于这些原因，现有技术的方法与工业规模的制造不兼容。
[0012]需要一种适用于工业水平的制备高能量密度电池的方法。

技术实现思路

[0013]本专利技术的专利技术人提出了一种制造用于高能量密度的电极的方法。这种方法在于按照以下步骤制备用于高能量密度电池的电解质填充的高质量负载电极的方法，所述步骤在
于：
[0014]a)通过将金属盐与溶剂混合，制备包含所述电解质的混合物A；
[0015]b)将所述混合物A与活性材料混合以获得浆料；
[0016]在步骤a)或b)之一添加粘合剂；
[0017]c)形成具有预计厚度的所述电极。
[0018]本专利技术还涉及一种用于实施所述方法的设备，以及通过所述方法获得的电解质填充的高质量负载电极和包括所述电极的高能量密度电池。
[0019]专利技术的优点
[0020]本专利技术提出一种新型高能量密度电池，包括通过创新方法制备的电解质填充的高质量负载电极。这种方法允许控制电极的厚度，这样可以提高电池的能量密度，因为这两个参数是相关的：事实上，电极越厚，电池所含的能量就越多。
[0021]根据本专利技术的方法具有若干优点。
[0022]首先，制备电极无需载体即可获得预期的厚度。基于电极材料的浆料(具有一定机械强度)具有一定稠度这一事实，电极的厚度在该方法中是可控制的。在现有技术的制备方法中，浆料应该在供电前涂覆在集流体上，然后才能在电池生产线中进行“辊对辊”型组装。在本专利技术中，机械稳定且填充电解质的电极可以在没有载体的情况下直接压延，并且可以在“辊对辊”型的电池装配生产线上轻松地实现。
[0023]其次，电极组分与电解质一起搅拌以形成浆料，这允许优化活性材料与电解质之间的内聚力。这种构象允许电极材料表面与电解质离子之间紧密接触并直接接近。通常，常规电极的厚度限制在100μm，这不仅是由于电极的不稳定行为和对集流体的低粘附性，还由于不均匀性造成的动力不佳，以及厚膜中长而曲折的离子/电子扩散路径。本专利技术即允许降低电极/电解质界面的串联电阻，又允许提高电解质对电极颗粒的动力和可及性，从而优化电池的功率。与现有技术的干电极制备方法相比，电解质材料与电极的混合通过使电解质离子直接靠近活性材料颗粒的表面，缩短电解质扩散到电极质量中所需的时间，从而使动力得到改善。通过缩短扩散时间并提高电解质在电极的整个体积中的分布均匀性，可以使输送的功率得到改善。
[0024]第三，这种方法允许制备新一代的高能量密度电池。
[0025]因此，可以利用电解质填充电极的原理，根据电池需求组合不同类型的组分，例如溶剂、盐、粘合剂和活性材料，以制备多种产品。
[0026]第四，该方法相比现有技术的方法得到了简化，减少了步骤数量(无溶剂蒸发、无需载体)。
[0027]第五，该方法省去了浆料优化和利用浆料涂覆的繁琐步骤。在现有技术的方法中，电极浆料应该从其流变特性的角度进行优化，以获得良好的相互作用表面，从而以预期孔隙率实现压延。应该对该方法的每种不同类型的活性材料、电极组分和介质(水性或有机溶剂)进行这种优化。此外，在干燥步骤中应该吸收电极中的差分毛细管应力，以尽量减少开裂。浆料的制备很重要，并且有必要控制其粘度和抗沉降性，这两者都会对电极的物理和电化学性能产生负面影响。浆料的粘度直接影响涂覆过程。流动过快的材料在涂覆过程中容易分散，这会导致涂覆不均匀，而过粘的材料需要更长的时间来涂覆、干燥并且会降低真空压力下的效率。
[0028]浆料的粘度取决于固体物质与溶剂的比例。为了保护环境，重要的是使固体含量最大化并降低溶剂含量。有两种方法来制备浆料：1)使用有机溶剂，例如N
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甲基
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吡咯烷酮(NMP)，这是一种危险化学品，2)使用水作为溶剂，这需要费力调整浆料的pH值以确保电极材料的稳定性。浆料的粘度也可以通过改变温度来调节。在本专利技术中，混合介质中的溶剂是电解质，因此，由于没有有机溶剂，该方法可以在室温下进行，因此无需优化浆料的粘度、pH值或温度。
[0029]可以在电解质中加入添加剂，以进一步改善电池的容量。
[0030]此外，根据本专利技术制备包括电极的高能量密度电池在工业层面上是有利的，因为电解质已经在电极中；因此省去了在电池组装后添加电解质的步骤。
[0031]基于上述优点，该方法非常通用，并且可以在工业层面轻松实施。
具体实施方式
[0032]本专利技术的第一个目的涉及一种制备用于高能量密度电池的电解质填充的高质量负载电极的方法，所述高能量密度电池包括两个集流体，被电解质组合物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制备用于高能量密度电池的电解质填充的高质量负载电极的方法，所述高能量密度电池包括两个集流体，所述集流体被电解质组合物、隔膜和以下之一隔开：a.两个电极(一个阳极、一个阴极)，与所述两个集流体物理和电气接触；或者b.阴极，仅与一个集流体接触，另一集流体与所述隔膜接触；所述方法包括以下步骤：i.通过将金属盐与溶剂混合，制备包含所述电解质的混合物A；ii将所述混合物A与活性材料混合以获得浆料；在步骤a)或b)时添加粘合剂；iii.形成具有预计厚度的所述电极。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属盐包括(i)阳离子，选自锂、钠、钾、钙、镁和锌，以及(ii)阴离子，选自六氟磷酸根(PF6)、四氟硼酸根(BF4)、双(三氟甲磺酰)亚胺(TFSI)、双(氟磺酰)亚胺(FSI)、双氰胺(DCA)、4，5
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二氰基
‑2‑
(三氟甲基)咪唑内酯(TDI)、氟磺酰
‑
(三氟甲磺酰)亚胺(FTFSI)、(二氟甲磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺(DFTFSI)、双(草酸)硼酸盐(BOB)、二氟(草酸)硼酸盐(DFOB)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述溶剂选自非质子有机溶剂、质子有机溶剂或它们的混合物。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述非质子有机溶剂选自离子液体、碳酸丙烯酯、聚乙烯醚、浓缩到水性体系中的盐溶液。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述离子液体包含(i)阳离子，选自基于烷基吡咯烷、吗啉、吡啶、哌啶、磷、铵的烷基咪唑，以及(ii)阴离子，选自六氟磷酸根(PF6)、四氟硼酸根(BF4)、双(三氟甲磺酰)亚胺(TFSI)、双(氟磺酰)亚胺(FSI)、双氰胺(DCA)、4，5
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二氰基
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(三氟甲基)咪唑内酯(TDI)、氟磺酰
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(三氟甲磺酰)亚胺(FTFSI)、(二氟甲磺酰)(三氟甲磺酰)亚胺(DFTFSI)、双(草酸)硼酸盐(BOB)、二氟(草酸)硼酸盐(DFOB)。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粘合剂选自丁苯橡胶共聚物(SBR)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯共六氟丙烯(PVdF
‑
HFP)、聚偏二氟乙烯共三氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯共醋酸乙烯酯、聚环氧乙烷、醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、醋酸普立丙酸酯纤维素、氰乙基支链烷、聚乙烯醇、氰乙基纤维素、蔗糖氰乙基、支链淀粉和羧甲基纤维素(CMC)、聚四氟乙烯(PTFE)或其中至少两种的组合，以及聚合物及其衍生物和/或复合物，例如聚苯胺复合材料(PANI)、聚(3，4
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乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT：PSS)、含导电聚合物/羧基的聚苯胺
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聚丙烯酸聚合物复合物(PANI：PAA)、聚吡咯
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羧甲基纤维素PPy/CMC、水凝胶基聚合物，例如(2
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丙烯酰胺基
‑2‑
甲基
‑1‑
丙烷磺酸
‑
共丙烯腈)(PAMPS)和离子液体聚合物。7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述阴极材料选自a.对于离子电池：嵌锂化合物，选自磷酸铁锂(LiFePO4)、锂镍锰钴氧化物(LiNi
x
Mn
y
Co
z
O2)、掺杂锂镍锰钴氧化物(LiNi
x
Mn
y
Co
z
O2)、锂钴氧化物(LiCoO2)、掺杂锂钴氧化物、锂镍氧化物(LiNiO2)、掺杂锂镍氧化物、锂锰氧化物(LiMn2O4)、掺杂锂锰氧化物、锂钒氧化物、掺杂锂钒氧化物、锂和混合金属的氧化物(LMNO)、锂和混合过渡金属的氧化物、掺杂锂和混合过渡金属的氧化物、磷酸锂
‑
钒、磷酸锂
‑
锰、磷酸锂
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钴、锂和混合金属的磷酸盐、金属硫化物以及它们的组合，
b.对于钠离子和钾离子电池：i.金属氧化物；ii层状NaMOX；iii.一维隧道型氧化物；iv.氟化物；v.硫酸盐；vi.磷酸盐；vii焦磷酸盐；viii.氟磷酸盐；ix.混合磷酸盐；x.六氰金属酸盐；xi.不含关键金属的阴极；xii普鲁士白类似物；c.对于锌离子和镁离子电池：i.过渡金属氧化物，MxV2O5(M＝Na、Ca、Zn、Mg、Ag、Li...)；ii钒酸盐；iii.基于钒的层状和隧道型化合物；iv.类似于普鲁士蓝的聚阴离子材料；v.金属二硫化物；vi.NASICON型化合物；vii.AxMM0(XO4)3(A：Li、Na、Mg、Zn等；M：Mn、Ti、Fe等；X：P、Si、S等)；viii.有机材料，例如醌类；d.对于镁离子电池：层状硫化物/硒化物；e.对于钙离子电池：i.三维隧道结构，如尖晶石CaMn2O4；ii.che...

【专利技术属性】
技术研发人员：林荣英，阿奈，
申请(专利权)人：索尔维派公司，
类型：发明
国别省市：