电池用电极组合物制造技术

本发明专利技术公开了碳纳米管基组合物以及制造电池用电极的方法。本发明专利技术公开了用于电池电极的组合物，其中引入了碳质材料的三维网络，所述碳质材料的三维网络包含具有双峰直径分布的碳纳米管CNT(A)和CNT(B)、石墨烯、炭黑以及可任选的其他形式的碳基糊。通过本发明专利技术的组合物，电池的性能得到了增强。

【技术实现步骤摘要】
优先权本专利申请要求于2014年7月22日提交的美国非临时专利申请No.14/338,325的优先权和权益，该申请的全部内容以引用方式并入本文。本申请是于2012年4月2日提交的美国申请No.13/437,205的部分续接申请并要求该申请的优先权，并且该申请的全部内容以引用方式并入本文。相关申请的交叉引用本申请涉及U.S.7,563,427、U.S.2009/0208708、2009/0286675；U.S.12/516,166；于2011年1月13日提交的美国申请13/006,266和13/006,321、以及于2011年10月31日提交的美国申请13/285,243，所有这些申请的全部内容均以引用方式并入本文。
本专利技术公开涉及碳质材料的三维网络、碳增强电极(carbonenhancedelectrode)的组合物以及制备电池用电极的方法，其中所述碳质材料包含CNT(A)、CNT(B)、石墨烯、炭黑、以及可任选的其他形式的碳基糊。碳纳米管(CNT)因其小尺寸、圆柱状石墨结构和高纵横比而具有许多独特的性质。单壁碳纳米管(SWCNT)由卷积而成圆柱状管的单层石墨或石墨烯片构成。多壁碳纳米管(MWCNT)包含以0.34纳米的层间距沿纤维轴排列的同轴单层纳米管组。碳纳米管具有极高的抗拉强度(～150Gpa)、高模量(～1Tpa)、良好的化学和环境稳定性、以及高导热性和导电性。已经发现碳纳米管可用于许多应用，包括制备具有传导性、电磁性能和微波吸收性能以及高强度的复合材料、纤维、传感器、场发射显示器、油墨、能量储存和能量转换装置、辐射源和纳米尺寸的半导体装置、探针和互连(interconnect)等。通常，碳纳米管根据管的直径而有不同的表现。直径较小的材料表现出较大的表面积和纤维强度；对于大直径纳米管，其表面积与体积之比较小，并且由于缠绕较少，所以与较小的纳米管相比，其表面积更容易利用。此外，大直径纳米管通常比小直径纳米管更直；因此，大直径纳米管在复合材料的基体中延伸通过更大的空间或体积。碳纳米管具有出色的材料性能，但是其难以加工并且在多数溶剂中是不可溶的。此前，使用诸如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚磺化苯乙烯(PSS)、聚苯乙炔(PAA)、聚间亚苯亚乙烯(PmPV)、聚吡咯(PPy)、聚对苯撑苯并二唑(PBO)和天然聚合物之类的聚合物来包裹或涂敷碳纳米管，并使之可溶于水或有机溶剂中。此外，之前的工作还报道了单壁碳纳米管(SWCNT)与三种类型的两性材料分散于含水溶液中：(i)脂肪族阴离子表面活性剂，十二烷基硫酸钠(SDS)；(ii)环脂肽生物表面活性剂，表面活性蛋白；以及(iii)水溶性聚合物，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。常规的导电糊或油墨主要由聚合物粘结剂和液体介质组成，所述聚合物粘结剂包含或混合有少量导电性填料，其中所述填料例如为金属(如银、金、铜、镍、钯或铂)和/或碳质材料(如炭黑或石墨)的微细颗粒。聚合物粘结剂可使导电性填料附着至基底上并且/或者将导电性填料保持为导电图案，该导电图案起到导电电路的作用。液体介质包括溶剂(如溶解固体成分的液体)和非溶剂(如不溶解固体成分的液体)。液体介质起到了辅助将聚合物粘结剂和导电性填料施加或沉积至某些基底上的载体的作用。其中分散有碳纳米管的导电糊是一种多用途材料，其中碳纳米管形成了低电阻导电网络。
技术介绍
背景和支持技术信息可以在以下参考文献中找到，所有这些文献的全部内容均以引用方式并入本文：U.S.4,427,820、U.S.5,098,711、U.S.6,528,211、U.S.6,703,163、U.S.7,008,563、U.S.7,029,794、U.S.7,362,100、U.S.7,563,427、U.S.7,608,362、U.S.7,682,590、U.S.7,682,750、U.S.7,781,103、U.S.2004/0038251、U.S.2007/0224106、U.S.2008/0038635、U.S.2009/0208708、U.S.2009/0286675、U.S.2010/0021819、U.S.20100273050、U.S.2010/0026324、U.S.2010/0123079、2010/0143798、2010/0176337、U.S.2010/0300183、U.S.2011/0006461、U.S.2011/0230672、U.S.2011/0171371、U.S.2011/0171364、U.S.2014/0045065、U.S.2014/0079991、U.S.2014/0154577。
技术实现思路
本专利技术公开了碳纳米管基组合物以及制备电池(可任选地为Li离子电池)用电极的方法。这种新公开的技术为一种用于制备锂离子电池的电极的组合物，该组合物掺入了碳纳米管，并且其通过具有更低的导电性填料用量和更低的粘结剂用量而具有更多的活性材料，使得电池性能得以增强。在一个实施方案中，性能得以增强的电极组合物使用了更少的粘结剂(例如PVDF)，由此使组合物中的电极材料的绝对量和比例(以重量计)升高，这进而提高了总存储容量。本发明公开的技术提出了用于通过掺入碳纳米管来制备锂离子电池的阴极或阳极的组合物，该组合物通过具有更低的导电性填料用量、更低的粘结剂用量和更多的活性材料从而增强电池的性能。本专利技术的技术提出了组合使用大直径碳纳米管和小直径碳纳米管，并可任选地与其他形式的碳组合，从而提供不同尺寸的阴极或阳极材料。通常，粒径较小的阴极和/或阳极材料在压制下往往具有较小的孔径，而具有大颗粒的阴极和/或阳极材料在压制下会具有更大的孔体积。小直径碳纳米管适合填入阴极和/或阳极颗粒之间的小空间中。当大直径颗粒存在于电极中时，小直径纳米管不容易填充空隙。大的碳纳米管和小的碳纳米管的组合、以及可任选地与其他形式的碳的组合为处理不同粒径的各种阴极和阳极材料提供了解决方法。大直径纳米管与小直径纳米管的比例取决于阴极和/或阳极材料的选择(例如尺寸、电性能等)，以及用于将所有材料压至集电器的压力。如美国临时专利申请No.61/294,537所述，基于碳纳米管的导电糊包含碳纳米管和作为分散剂和/或粘结剂的优选量的液体介质。在研究过程中，令人吃惊地发现：通过与其他形式的碳(例如CNT、石墨烯和炭黑)以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电池电极上的导电层的材料组合物，其包含：导电性添加剂，其包含选自由第一直径的碳纳米管CNT(A)、第二直径的碳纳米管CNT(B)、石墨烯和炭黑构成的组中的至少两种碳质材料的三维网络；电极材料；分散剂；以及聚合物粘合剂；其中在所述材料组合物的成分中，所述聚合物粘合剂为约0.01重量份至约0.05重量份；所述电极材料为约0.30重量份至0.90重量份；所述碳质材料为约0.005重量份至约0.10重量份；并且所述分散剂为约0.001重量份至约0.005重量份。

【技术特征摘要】
2014.07.22 US 14/338,3251.一种用于电池电极上的导电层的材料组合物，其包含：
导电性添加剂，其包含选自由第一直径的碳纳米管CNT(A)、第
二直径的碳纳米管CNT(B)、石墨烯和炭黑构成的组中的至少两种碳
质材料的三维网络；
电极材料；
分散剂；以及
聚合物粘合剂；其中在所述材料组合物的成分中，所述聚合物
粘合剂为约0.01重量份至约0.05重量份；所述电极材料为约0.30重
量份至0.90重量份；所述碳质材料为约0.005重量份至约0.10重量
份；并且所述分散剂为约0.001重量份至约0.005重量份。
2.权利要求1所述的材料组合物，其中所述材料组合物的体电
阻率为约0.01ohm-cm至10ohm-cm。
3.权利要求1所述的材料组合物，其中所述分散剂选自由聚乙
烯吡咯烷酮和HypermerKD-1构成的组，使得所述分散剂在约4.4伏
的电压下是稳定的。
4.权利要求1所述的材料组合物，其中所述聚合物粘结剂为
PVDF。
5.权利要求1所述的材料组合物，其中所述电极材料选自由锂
钴氧化物、磷酸铁锂、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍钴锰复合氧化
物、Li-S、锂镍钴铝氧化物以及它们的组合所构成的组。
6.权利要求1所述的材料组合物，其中所述碳质材料的三维网
络包含由小直径碳纳米管CNT(A)构成的第一部分、以及由大直径碳
纳米管CNT(B)构成的第二部分，使得第一部分CNT(A)与第一部分

\t和第二部分的总重量的重量比值为约0.50至约0.95。
7.权利要求1所述的材料组合物，其中所述碳质材料的三维网
络进一步包含石墨烯，使得石墨烯与所述CNT(A+B)的重量比为约
0.05至约0.5。
8.权利要求7所述的材料组合物，其中所述碳质材料的三维网
络进一步包含炭黑，其中所述导电性添加剂的碳质成分包含约70重
量％±10重量％的CNT(A+B)、约20重量％±5重量％的石墨烯、以及
约10重量％±5重量％的炭黑。
9.一种制备用于电池电极上的导电层的材料组合物的方法，其
包括以下步骤：
形成包含碳质材料的三维网络、分散剂和聚合物粘结剂的第一
组合物；
将全部所述第一组合物中的所述三维网...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·马，Y·张，C·邢，O·毛，
申请(专利权)人：天奈科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US