具有增强导电率和离子导电率的锂电池电极的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种具有增强导电率和离子导电率的锂电池电极的制造方法。所述方法包括使用IPL、激光、等离子体或微波施加光电磁能，从而将能量施加到电极纳米复合材料(包括活性材料、粘合剂和导电碳添加剂)上。粘合剂和导电碳添加剂)上。粘合剂和导电碳添加剂)上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有增强导电率和离子导电率的锂电池电极的制造方法


[0001]本专利技术公开了一种锂电池电极的制造方法，具体公开了一种锂电池电极的制造方法，包括对碳添加剂和聚合物粘合剂进行光电磁处理、去除聚合物粘合剂中的结晶度以及电场或磁场诱导碳添加剂材料排列。

技术介绍

[0002]与其他可充电电池相比，锂离子电池等锂电池因其高能量密度、高充放电和相对较长的预期寿命而被广泛用作便携式储能设备。
[0003]随着对便携式电子设备和电动汽车需求的增长，对锂电池的需求也迅速增长。在锂电池中，电极由活性材料、粘合剂和导电碳添加剂组成。活性材料为锂离子储存提供位点，它们可以是导电或非导电材料。粘合剂允许活性材料粘附在集电器上，并通过机械方式将其固定在电极中。导电碳添加剂与聚合物粘合剂和活性材料混合，在电极内形成导电网络，提供导电率。
[0004]碳黑因其高表面积
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体积比和相对较低的成本而最常用作导电碳添加剂。然而，最近的趋势是使用碳纳米粒子，如碳纳米管(CNT)、石墨烯或石墨烯纳米片(GNP)。与碳黑相比，碳纳米粒子具有出色的长径比和导电率。因此，电极只需较少的碳添加剂(约20wt.％)就能达到所需的导电率，从而增加活性材料的用量，进而增加电池的能量容量。碳添加剂(如具有高长径比的CNT)也可用作电极复合材料中的机械支撑。
[0005]CNT以其高拉伸强度而闻名，常用于聚合物纳米复合材料，以提高机械性能和电性能。作为电极添加剂，CNT通过在电极内保持导电网络，防止导电率在机械应力和应变下损失。此外，CNT通过机械结合聚合物粘合剂和活性材料来确保电极的结构稳定性[Gonzalez等人，2017]。各种类型的CNT，如单壁CNT(SWCNT)、多壁CNT(MWCNT)或薄壁碳纳米管(TWCNT)形成不同配置，从而增强锂电池的电性能。
[0006]有关在锂电池电极中使用CNT的文献如下。
[0007]碳纳米管聚合物锂离子电池及其制备方法，CN 2016/105 720 265 A
[0008]本文涉及一种由钴酸锂和镍钴锰酸锂制成的正极，其包覆为碳纳米管聚合物。此外，还介绍了这种电池的制备工艺。根据本文，包括正极的电池增加了克容量、能量密度、提高了重复充电/放电后的剩余容量，并延长了循环寿命。
[0009]锂离子电池的混合纳米丝阳极组合物，US 2017/9 564 629 B2
[0010]本文涉及一种用于混合纳米丝电化学电池电极的组合物。该组合物由碳纳米管(CNT)和碳纳米纤维(CNF)等材料制成的纳米级导电丝集合体组成，这些材料相互连接并形成连通孔隙网络。纤丝涂覆在一个微/纳米级表面上，该表面由一种能够吸收/解吸锂离子的阳极活性材料组成，这种材料可由多种材料制成，包括硅、硅合金和硅氧化物。
[0011]包括纳米粒子和纳米结构支撑基体的组合物及其作为储能系统中可逆高容量阳极的制备方法，US 2020/10 878 977 B2
[0012]本文涉及一种有关锂离子电池阳极电极的组合物及其制备方法，其中电极由CNT
等纳米结构组成，并在其中形成垂直排列的纳米结构支撑基体。纳米结构支撑基体与纳米粒子之间的界面结合形成了一种电极，其性能得到了改善，可用于锂离子电池。支撑基体也可以生长在由集电器材料组成的基底上。
[0013]适用于锂离子电池应用的纳米管复合阳极材料，US 2011/0 104 551 A1
[0014]本文涉及一种由碳纳米管复合材料组成的锂离子电池使用的阳极材料。这种材料由排列整齐的碳纳米管组成，碳纳米管的内表面或外表面涂有锂合金材料。硅是典型的锂合金材料。硅和排列整齐的碳纳米管的结合可以加快充电/放电速率，提高容量，并在循环过程中保持更高的稳定性。这要归功于CNT的弹性变形能力，这种能力可以补偿大体积膨胀并防止分层。
[0015]锂离子电池负极材料的制备方法，WO 2015/124 049 A1
[0016]本文涉及锂离子电池负极材料的开发。碳纳米管分散在溶液中，经过烧结和干燥等几个加工步骤，形成由CNT、硅和碳组成的复合材料。硅夹在碳纳米管网络和碳外壳之间，作为缓冲层防止膨胀。此外，通过CNT网络和碳外层可以提高硅的导电率。
[0017]上述文件涉及使用CNT和其他碳添加剂提高电极的电、电化学和机械性能。然而，由于CNT在电极纳米复合材料中的分散较低，因此将其用作碳导电添加剂存在一定的局限性。由于范德华力的作用，碳添加剂具有固有的团聚倾向，导致其分散较差。为了提高碳添加剂在混合物中的分散，除了通过官能化对碳纳米管进行化学和物理修饰外，还使用了球磨或行星式球磨混合等各种混合工艺。
[0018]官能化CNT改善了CNT在复合材料中的分散，从而提高了整体导电率，但与原始CNT相比，官能化CNT的导电率略有降低。使用表面活性剂通常会使非导电表面活性剂材料在分散后留在复合材料中。这些用于分散CNT的方法有助于提高整体导电率，但可能无法达到最大潜在导电率。关于在溶液中将官能化CNT去官能化为原始CNT的研究报告很少。
[0019]对溶液中的官能化碳纳米管进行热处理以影响其去官能化，WO 2005049488A2
[0020]本文涉及CNT在溶液状态下的热去官能化，使其易于重新悬浮。现有技术是在干燥状态下热去官能化恢复原始CNT，由于多个CNT之间存在共价交联，因此无法在液体中重新悬浮，与现有技术不同的是，本方法涉及热去官能化，同时可以悬浮在溶液中。溶液中可能混有聚合材料和表面活性剂。对混合物或混合材料进行热处理，使悬浮状态的CNT去官能化。
[0021]然而，很难将这种方法应用于电极的制造，因为悬浮形式的原始CNT在粘性浆料混合物中的分散度较低。因此，需要一种适用于制造电极的方法，即在CNT分散和复合材料固化后进行去官能化。一种潜在的方法是强脉冲光(IPL)辐照，这是一种光电磁能施加。
[0022]电极的制造方法、根据此方法制造的电极、包括此电极的超级电容器和包括此电极的可充电锂电池，US 2014/0255776 A1
[0023]本文涉及施加氙气强脉冲光(IPL)处理由金属氧化物、导电聚合物和碳材料制成的电极。在本文中，实施例表明，应用于导电率相对较弱的材料(金属氧化物和石墨烯氧化物等)的IPL工艺可将材料还原为导电金属和石墨烯，使其可用作电极材料。这是一种快速、简单的电极制备方法。
[0024]另一种提高电极导电率的方法是将相对便宜且导电率较差的材料碳化。与该工艺相关的现有技术有很多，本文给出了一些示例。
[0025]一种软碳或硬碳复合而成的负极材料、制备方法及包括此负极材料的电容器，CN107993853B
[0026]本文涉及在电极制备中使用软碳和硬碳前体，通过碳化工艺将其转化为碳电极。软碳前体包括煤焦油沥青和沥青，而硬碳前体包括蔗糖。本文中的实施例示出了长时间高温下的预碳化和碳化工艺，并详细介绍了不同材料的温度、持续时间和大气条件信息。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种锂电池电极的制造方法，包括：(a)混合活性材料、碳添加剂和聚合物粘合剂并形成浆料混合物；(b)将浆料混合物沉积在基底上并形成涂层；(c)干燥涂层；以及(d)对干燥涂层施加能量。2.根据权利要求1所述的方法，其中，(a)中的碳添加剂经过化学官能化或与表面活性剂混合，并且由于(d)中的能量施加，所述碳添加剂发生去官能化或表面活性剂发生碳化。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，由于(d)中的能量施加，所述聚合物粘合剂发生碳化。4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，由于(d)中的能量施加，至少一部分所述聚合物粘合剂发生非晶化，或者至少一部分所述聚合物粘合剂的结晶相发生变化。5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，由于(d)中的能量施加，干燥涂层中包含的金属杂质发生氧化。6.根据权利要求5所述的方法，其中，(d)中的能量施加在真空气氛或惰性气氛中进行，并且在能量施加时从表面活性剂或聚合物粘合剂中释放的氧气用于金属杂质的氧化。7.根据权利要求1所述的方法，其中，(d...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴西蒙，朴灿一，赵洪奭，金宗成，朴京洙，姜志勋，
申请(专利权)人：马克森公司，
类型：发明
国别省市：