本申请描述了一种包含纳米颗粒形式的电子活性材料(EAM)和基体，优选由它们组成的电极，所述基体由其中掺有石墨烯薄片的热解产物和任选离子锂源组成。还描述了生产包含由掺有石墨烯薄片的热解材料形成的基体的颗粒基，尤其是纤维基电极材料的方法，和包含这种电极的再充式电池组。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种改进的电极材料和生产这种改进的电极材料的方法和包含这种电极材料的电池组(battery)。
技术介绍
许多再充式电池组是已知的。然而，它们仍带有几个缺点，例如重量高、容量低、充电缓慢、老化快等。特别对于具有减少空间或意欲的移动性的应用如计算机、汽车和电动自行车而言，需要低重量、高容量、快速充电和长寿命。在最近几年期间，已作出了高度努力以改进电极材料或减少上述缺点。在最近几年中得到关注的许多材料为以纳米颗粒形式使用的陶瓷基材料。这些纳米颗粒可以为多边形、球形，或在一个方向上伸长直至称它们为纤维的伸长。一种这类纤维材料为H2V3O8。H2V3O8为已描述于1970年且在1990年进行结构分析的已知化合物。作为阴极材料，还研究了 HyNai_yV308。HyNai_yV308被描述为在第一个放电循环期间插入 (intercalate)至多3个锂离子。当充电时，将这三个锂离子解除插入(deintercalated)。尽管纤维H2V3O8能可逆地交换大量(至多4. 5eq.)锂W]，但由于与其相关的体积变化，纤维分解成小片段，其显示出在特定碎裂下最佳的可交换性，其中当进一步碎裂时容量显著降低，使得电极的稳定性受损。其它阴极材料包括Li4V3O8、NaV3O8和 LiL3_yCuyV308、LixFePO4, LixCoO2, LixMn204、Lix (MnuCovNiyAlz) O2，其中 u+v+y+z ^ 1。合适的阳极材料也是已知的。这些包括LixC6和锂合金。合适的EA材料通常借助导电填充有例如导电炭黑和/或石墨，和/或本身可有电子传导性的粘合剂形成电极。粘合剂和导电填料显著增加体积和电池组的总重量而不实际地参与充电放电循环。还已进行几种尝试以降低粘合剂/填料基体的的重量，例如通过使用纳米颗粒形式的导电粘合剂(参见出版的欧洲专利申请EP 2228855)或通过制备经热解产物作为聚合物粘合剂的替代品。将以上现有出版物的公开内容全部并入本文中。尽管这些尝试带来了一些重量降低，但仍需要进一步降低量的任选导电填充粘合材料。所述任选包含导电填料的粘合材料也称为粘合剂基体或基体。
技术实现思路
因此，本专利技术的一般目的是提供在大的机械稳定性下具有低或降低的基体含量和高基体导电性的电极。本专利技术的另一目的是提供一种生产在大的机械稳定性下具有低基体含量和高基体导电性的电极的方法。5本专利技术的另一方面是提供包含至少一种具有降低的或低的基体含量的阴极或阳极，优选这两种电极的电池组。本专利技术的另一目的是提供一种具有增强的循环稳定性的电极。现在，为实现当进行描述时会变得更容易了解的本专利技术这些和又另外的目的，本专利技术电极表现为以下特征它包含纳米颗粒形式的电子活性材料(EAM)和基体，优选由它们组成，所述基体由具有掺入其中的石墨烯(graphene)薄片的热解产物和任选的离子锂源和-取决于EAM-任选还有稳定剂(对于H2V3O8，例如硫酸钒(IV))组成。热解产物通过将合适的可热解材料热解，例如以也属于本专利技术的方法得到。为良好地粘合，最终产品，即活性电极中基体与纳米颗粒材料的重量比参考活性电极，即不具有集电器或电子活性涂层的电极的重量，为至多10重量％，优选5士2重量％。 基体包含无定形含碳材料与石墨烯之比为约2 1至约1 1，优选约3 2的氧化石墨火布。任何阴极材料以及阳极材料可用作EAM，条件是它们以纳米颗粒的形式存在。非常优选的EAM在第一次充电或放电以前为LixH2_xV308，其中该式单元中3个V原子中至少一个具有氧化态4+，且其中χ为0. 1-1. 5，通常为1左右。该绿黄色EAM的有利特征是至少部分锂(该式单元中的Lix)可在第一次充电期间被移去。生产颗粒基，尤其是纤维基电极材料的方法表现为以下步骤(A)制备包含电子活性前体材料的分散体，所述悬浮液包含(i)可溶性锂源和氢氧化物源，尤其是氢氧化锂，和(ii)可溶于水且-与电子活性材料混合-可热解的至少部分有机物质，和(iii)电子活性材料(EAM)JP(iv)氧化石墨烯(GO)，(B)将固体电子活性前体材料从液相中分离，(C)干燥步骤⑶的电子活性前体材料，(D)热解步骤(C)的电子活性前体材料以得到活性电极材料，和任选(E)将步骤⑶的电子活性前体材料应用于基材，尤其是集电器上，和/或将活性电极材料切割成型并将活性电极材料放在集电器上。可将这种电极进一步加工成电池通过用至少一种隔离物覆盖电极，然后将电池用电解质填充，用阳极完成电池，然后紧密地密封电池。下面进一步定义一些所用术语-电子活性前体材料=在热解步骤以前的湿或干材料。-电子活性涂层或活性电极或活性电极材料分别=即用于电极的经热解材料，或不具有集电器的电极。取决于所用EAM，可有利或甚至必须在电极制备期间稳定EAM，例如通过加入稳定剂如可溶且包含合适氧化态的金属如V(IV)的金属化合物，如硫酸盐，以稳定H2V3O8。在第一具体实施方案中，生产颗粒基，尤其是纤维基电极材料的方法表现为以下步骤(a)制备包含锂源和氢氧化物源，尤其是氢氧化锂，和可溶于水中且-与电子活性材料混合-可热解的至少部分有机物质的溶液，所述溶液通过将有机化合物、锂源和氢氧化物源溶于有机溶剂和/或水，优选水中而制备，(b)加入氧化石墨烯的水分散体/溶液，同时确保pH保持在8-10之间，(c)将电子活性材料(EAM)分散在步骤(b)中制备的分散体中并均化，(d)进行水热步骤以在压力增强条件下将氧化石墨烯锂化、自组装和热分解成石墨烯，产生包含电子活性前体材料的分散体，所述分散体为具有致密固体漂浮于其中的黑色液体的形式，(e)不洗涤地将电子活性前体材料从液相中分离，(f)将步骤(e)的电子活性前体材料应用于基材如集电器上，(g)干燥电子活性前体材料，(h)热解电子活性前体材料以得到电极。在第二具体实施方案中，本专利技术方法表现为以下步骤(a)将任选稳定化的EAM分散在有机溶剂和/或水中，优选水中，(b)加入氧化石墨烯溶液，(c)使步骤(b)中所得悬浮液冻结，(d)通过将它加暖，优选至室温(RT)而将冻结的悬浮液融化，(e)加入锂源和氢氧化物源，尤其是氢氧化锂，和可溶于水中且-与电子活性材料混合-可热解的至少部分有机物质，(f)等待直至包含电子活性前体材料的悬浮液为深蓝色，然后回收电子活性前体材料，(g)将电子活性前体材料首先在有机溶剂和/或水的沸点温度以下的温度下，如在RT下干燥，然后在有机溶剂和/或水的沸点温度以上的温度下干燥，(h)将干燥的电子活性前体材料热解以得到活性电极材料，(g)将热活性电极材料抽空至少30分钟并(在该抽空时间期间)冷却活性电极材料，和任选(h)将电极材料切割成型并将它放在集电器上。合适的热解材料为在约150°C至约350°C内，优选在约200°C下可热分解并且在阴极电子活性材料(EAM)的情况下为氧化性(尤其是羟基羧酸和糖)，在阳极EAM的情况下为还原性(尤其是具有低氧含量的有机材料如聚苯胺)的材料。反应优选在水中进行。然而，在水敏感性EAM的情况下，可使用其它溶剂，例如可与水溶混的非质子极性溶剂。在本专利技术的范围内，术语溶剂还包括两种或更多种溶剂的混合物。极性非质子溶剂的实例为乙腈和/或四氢呋喃。水不归类在术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：R·耐斯珀尔，T·卡斯帕，Y·麦坦，
申请(专利权)人：巴莱诺斯清洁能源控股公司，
类型：发明
国别省市：
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