用于二次电池单元的粘结剂制造技术

本发明专利技术提供粘结剂组合物，其用于包括在复合材料中，该复合材料用在用于包括在二次电池中的电极的形成中。该粘结剂组合物包括聚合物或共聚物的羧酸的金属离子盐，其中所述聚合物或共聚物包括一个或多个含羧基的基团作为取代基，所述含羧基的基团得自选自如下的含羧基的单体单元：丙烯酸、丙烯酸衍生物、马来酸、马来酸衍生物、马来酸酐和马来酸酐衍生物，其特征在于，所述羧基的80-20%得自丙烯酸、丙烯酸衍生物、马来酸或马来酸衍生物且所述羧基的20-80%得自马来酸酐或马来酸酐衍生物，但排除聚乙烯-交替-马来酸锂以及聚(马来酸-共-丙烯酸)锂和聚(马来酸-共-丙烯酸)钠。提供包括所述粘结剂的复合电极材料、电极混合物、电极和电化学电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术提供粘结剂组合物，其用于包括在复合材料中，该复合材料用在用于包括在二次电池中的电极的形成中。该粘结剂组合物包括聚合物或共聚物的羧酸的金属离子盐，其中所述聚合物或共聚物包括一个或多个含羧基的基团作为取代基，所述含羧基的基团得自选自如下的含羧基的单体单元：丙烯酸、丙烯酸衍生物、马来酸、马来酸衍生物、马来酸酐和马来酸酐衍生物，其特征在于，所述羧基的80-20%得自丙烯酸、丙烯酸衍生物、马来酸或马来酸衍生物且所述羧基的20-80%得自马来酸酐或马来酸酐衍生物，但排除聚乙烯-交替-马来酸锂以及聚(马来酸-共-丙烯酸)锂和聚(马来酸-共-丙烯酸)钠。提供包括所述粘结剂的复合电极材料、电极混合物、电极和电化学电池。【专利说明】用于二次电池单元的粘结剂本专利技术涉及用于电极材料的粘结剂；包括所述粘结剂的复合电极材料；包括所述复合电极材料的电极，尤其是负电极；包含包括所述粘结剂和/或复合电极材料的电极或负极的电池；以及包括所述电池的装置。二次电池，例如锂离子可再充电电池包括一类其中一种或多种载流子例如锂、钠、钾、钙或镁离子在放电期间从负电极移动到正电极并且在充电期间再移回的电池。这样的二次电池在消费电子装置中是常见的，因为它们通常呈现良好的能量对重量比、可忽略的记忆效应和在不使用时低的充电损失。这些电池的高的能量密度特性意味着它们还可用在航空航天、军事和汽车应用中。二次电池的另一类别是金属-空气电池，例如硅-空气电池，其利用氧气在正极处的还原和在负极处的氧化产生电流流动。二次电池例如锂离子可再充电电池典型地包括负电极(本文中称作负极)、正电极(本文中称作正极)和电解质。负极常规地包括具有施加在其上的基于石墨的复合层的铜集流体。正极通常由包括载流子物质的材料形成或者包括具有包含施加到其上的载流子物质的复合层的集流体。通常使用的载流子的实例包括碱金属离子例如锂、钠和钾的离子以及碱土金属离子例如钙和镁。对于锂离子可再充电电池，正极常规地包括具有施加到其上的基于含锂的金属氧化物的铝集流体。多孔塑料间隔物或隔板提供在负极和正极之间，且液体电解质分散在多孔塑料间隔物、复合负极层和复合正极层之间。所述电池可通过跨越负极和正极的集流体施加充电电压来充电。在锂离子电池的充电期间，锂离子从正极的含锂的复合金属氧化物层迁移到负极，在负极处，它们在称为嵌入的过程中变得嵌入在石墨中以形成锂碳嵌入化合物例如LiC6。在放电过程期间，锂从石墨撤出或移出并通过电解质行进回到正极。类似地，基于钠或镁的电池的充电和放电要求钠或镁离子分别从一个电极到另一电极的可逆转移。通过将电池放置成跨接外部电路，在放电时由该电池获得功。所获得的有用功的量取决于施加的充电电压的大小以及负极和正极活性材料的质量容量。例如，锂嵌入的石墨材料具有372mAh/g的最大理论质量容量。尽管由基于石墨的电极所提供的质量容量对于许多应用是足够的，但是具有更大功率要求的新的应用的开发已经使得必须开发包括具有比石墨大的质量容量的电极材料的锂离子可再充电电池。这又导致其中基于硅、锗、锡或镓的复合层施加到集流体的电极例如负极的开发。像石墨一样，硅在电池的充电阶段期间也与锂形成插入化合物。锂-硅插入化合物Li21Si5具有4200mAh/g的最大理论质量容量。锗也形成锂插入化合物Li2iGe5 ;其具有1624mAh/g的最大理论。锡形成插入化合物Li21Sn5,其具有800-1000mAh/g的最大理论质量容量。还已知镓的锂插入化合物具有577mAh/g的最大理论质量容量。包括基于硅、锗、镓和锡的负极的电池潜在地具有比包括基于石墨的负极的那些显著高的内在容量；这些较高的能量密度意味着这样的电池潜在地适宜用在具有相当大的功率要求的装置中。不幸地，锂插入以及撤出或移出(在充电和放电阶段期间分别插入硅、锗、镓和锡负极材料中以及从硅、锗、镓和锡负极材料撤出或移出)的过程与比对于含有石墨负极的电池所观察到的相应体积变化大得多的巨大的体积变化相关联。这些显著的体积变化导致在电极结构内增加显著量的应力，其导致电极材料破裂并导致复合材料内的内聚力(cohesion)的损失和复合电极材料与集流体的粘附力的损失。对于大部分二次电池应用，施加到电极集流体的复合层(硅或石墨)典型地包括电活性材料例如硅、锡、锗、镓或石墨以及粘结剂。粘结剂用于提供复合电极材料的组分之间的良好内聚、电活性材料对集流体的良好粘附并促进电活性材料和集流体之间的良好导电性。术语“复合电极材料”，其应理解为意指包括电活性材料、粘结剂以及任选的一种或多种选自包括导电材料、粘度调节剂、填料、交联促进剂、偶联剂和粘附促进剂的组的进一步的成分的混合物、优选基本上均匀的混合物的材料。将所述复合材料的组分适宜地混合在一起以形成均匀的复合电极材料，其可作为涂层施加到基底或集流体上以形成复合电极层。优选地，复合电极材料的组分与溶剂混合以形成电极混合物，该电极混合物可然后施加到基底或集流体并干燥以形成所述复合电极材料。术语“电极混合物”，其应理解为意指电活性材料在作为载体或溶剂的粘结剂的溶液中的浆料或分散体。其还应被理解为意指电活性材料和粘结剂在溶剂或液体载体中的浆料或分散体。术语“电活性材料”，其应理解为意指在电池的充电阶段和放电阶段期间能够向其结构中引入和从其基本上释放金属离子载流子例如锂、钠、钾、钙或镁的材料。优选地，所述材料能够引入(或插入)和释放锂。根据EP 2 058 882，用于可再充电锂离子电池的粘结剂必须呈现下列性质:-其必须通过为集流体提供保护层以防止由电解质造成的损坏而提供良好的耐腐蚀性；-其必须能够将复合电极材料的组分保持在一起作为内聚性块体(粘聚性块体，cohesive mass)；-其必须提供复合层和集流体之间的强的粘附。-其在电池条件下必须是稳定的；和-其必须导电或者具有低的内阻。典型地用在石墨复合电极的制造中的粘结剂包括热塑性聚合物例如聚偏氟乙烯(PVdF)、聚乙烯醇(PVA)或丁苯橡胶(SBR)。然而，在硅体系中使用这样的粘结剂还未产生具有足够的强度或充电特性以容许在商业规模上使用的电极。例如，根据KR 2008038806A,在基于硅的负极体系中的PVA粘结剂不能在铜集流体上产生均匀的涂层。另外，已观察到(KR 2008038806A)电绝缘聚合物粘结剂PVDF和SBR不能在电池的充电和放电阶段期间保持在复合电极材料的主体内的内聚或该材料对负极集流体的粘附。该内聚和/或粘附的损失导致电极的内阻的增大并导致包括含有这些粘结剂的复合电极材料的电池的电性能的迅速恶化。为了克服这些问题，KR 2008038806A教导在制造之前对其中公开的复合材料的粘结剂和导电组分进行紫外线和臭氧处理。已发现包括含硅复合负极材料以及选自包括PVDF、芳族和脂族聚酰亚胺以及聚丙烯酸酯(盐)的组的一种或多种粘结剂的电池的第一循环不可逆容量损失是不可接受地大的(W0 2008/097723)。这可能是由于这些粘结剂在电池中所使用的电解质溶液中的溶胀倾向所导致的。从前文将理解，与传统地用于基于硅的体系和基于石墨的体系中的粘结剂(例如PVdF、PVA和SBR)的使用有关的主要问题是由于复合电极材料自身的降解所导致的在电极结构内的电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：F库沃，ME阿布德尔萨拉姆，
申请(专利权)人：耐克森有限公司，
类型：
国别省市：