使用高表面积纳米管的改进型锂离子电池制造技术

要求保护高表面积碳纳米管，其在管壁的内部和外部具有目标的或选择性的氧化水平和/或含量。这种碳纳米管可以几乎没有或没有内管表面氧化，或者在管的内表面和外表面之间的氧化量和/或类型不同。另外，这种高表面积碳纳米管可以具有较大的长度和直径，从而产生有用的机械性能、电性能和热性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用高表面积纳米管的改进型锂离子电池
本专利技术涉及一种改进的能量存储装置，其包括具有增加的表面积、目标氧化水平和/或含量的新型碳纳米管组合物及其制剂。
技术介绍
许多能量存储装置(例如电池、电容器和光伏电池)可以利用粘合剂和/或电解液和隔离膜来提供增强的机械稳定性能、改善的在阴极或电极中所用粉末的导电性以及电活性或光活性材料和电解液中的离子传输。锂离子电池广泛用于便携式电子设备，而诸如锂离子和铅酸的电池则越来越多地用于为风能和太阳能提供电备份。通常已知用于锂离子电池中的阴极材料的盐具有差的导电性和差的电化学稳定性，这导致差的循环(充电/放电)能力。许多电池类型(如锂离子基电池)中的阴极材料和阳极材料在电池充电和放电时都会发生溶胀和消溶胀。这种空间运动导致一些颗粒进一步分离并增加了电阻。电池的高内阻，特别是在诸如电动车辆中使用的锂离子电池的大阵列中，会导致产生过多的热量，从而由于有机液体电解质引起失控的化学反应和起火。锂一次电池由例如锂、聚(一氟化碳)和四氟硼酸锂与溶剂例如γ-丁内酯一起作为电解质组成。这些锂一次电池具有优异的存储寿命，但是仅能提供低电流，并且其容量约为理论上可能的十分之一。这归因于聚(一氟化碳)的导电性差。在某些情况下，添加一部分二氧化锰以帮助锂电池的导电性和功率。克服对集流体的粘附力差的缺点并防止可再充电电池膨胀和收缩期间的微裂纹的尝试包括开发粘合剂。在锂基电池中使用粘合剂，例如用于阴极的聚丙烯酸(PAA)，用于阳极的聚(苯乙烯丁二烯)、羧甲基纤维素(CMC)、苯乙烯-丁二烯(SBR)，特别是用于阴极和阳极的聚偏二氟乙烯(PVDF)，以将活性材料颗粒保持在一起并保持与集流体(即铝(Al)或铜(Cu)箔)接触。PAA和SBR作为水性悬浮液或溶液使用，并且被认为比基于有机溶剂的系统(例如带有PVDF的N-甲基2-吡咯烷酮(NMP))对环境更无害。锂离子电池的阴极电极通常通过将活性材料粉末(例如磷酸铁锂)、粘合剂粉末(即高分子量PVDF)、溶剂(例如如果使用PVDF，则使用NMP)和添加剂(例如炭黑)混合为浆料(糊剂)并将此浆料泵送到涂布机而制成。类似地，通常通过将石墨或其他材料(例如硅)作为活性材料与粘合剂、溶剂和添加剂一起混合，来制造用于锂离子电池的阳极电极。涂布机将混合的浆料(糊剂)铺展在用于阴极的Al箔和用于阳极的Cu箔的两侧。随后将涂覆的箔压延以使电极厚度更均匀，然后进行纵切操作以适当调整电极尺寸并干燥。对于锌碳电池，正极可以由二氧化锰、粉状炭黑和电解质(如氯化铵和水)的湿粉末混合物组成。炭黑可以增加二氧化锰颗粒的导电性，但是需要是高重量百分比，其范围为二氧化锰的约10至50重量％。由于每单位体积的正极浆料混合物可以使用更少的二氧化锰，因此改善的导电性或降低的电池阻抗所需的大量炭黑降低了电池的每单位体积的容量。因此，通常需要在使每单位体积的活性材料量最大化的同时改善电池的阻抗。对于铅酸电池，阳极可以由碳颗粒与粘合剂一起制成，以提供较高的比容量(每单位重量的容量)。锌-碳电池的阳极通常是典型地由压缩的碳颗粒、石墨和诸如沥青的粘合剂制成的碳棒。碳颗粒阳极倾向于具有差的机械强度，从而在振动和机械冲击的条件下导致断裂。粘合剂材料的特性对于电池的制造和性能而言都是重要的。这些相关性的一些特征是电导率和离子电导率、拉伸强度和可延展性、对颗粒以及箔的粘附性以及电解质的溶胀。需要改善电导率和离子电导率以改善电池容量和功率。诸如用于阴极的锂锰氧化物和用于阳极的硅颗粒的材料表现出比理论上可得的低得多的实际比容量。较高的电导率和离子电导率的粘合剂材料将最有利于获得与其理论值更接近的比容量。期望提高粘合剂的拉伸强度和粘合强度，从而可以使用较少的粘合剂材料，并且还可以改善电池循环寿命。导电颗粒(例如炭黑)的添加降低粘合剂的拉伸强度和延展性。控制粘合剂在电解质中的溶胀也很重要。如果发生过多的溶胀，这将使颗粒分离，并显著增加颗粒间的欧姆电阻。另外，由于阳极或阴极的颗粒涂覆有粘合剂，因此粘合剂的层厚度可以薄至50至100纳米。该层厚度阻止尺寸大于粘合剂层厚度的颗粒的均匀分布。例如，通常在气相反应器中制造的多壁碳纳米管由直径在约50至500微米范围内的束组成，并且因此将仅驻留在颗粒之间的间隙中。伴随粘合剂的诸如非锂盐、铁和锰等杂质也会严重损害电池性能。通常，粘合剂材料以及用以改善导电性的构成粘合剂材料的其他添加剂(例如炭黑)的高纯度是使电化学过程中不希望的副反应最小化的重要因素。例如，在碱性二氧化锰电池中，二氧化锰中的总铁小于100ppm，以防止在阳极处氢气析出。市售的碳纳米管，例如NC7000TM(Nanocyl)或(Arkema)，可包含多达10重量％或更多的残余金属催化剂，并且处于这些杂质水平时对于电池而言并不被认为是有利的。通常，本文使用的纳米管的杂质残余物可以小于约5重量％，或小于约2重量％，或小于约1重量％。对于光伏电池，将由溶剂、粘合剂、金属粉和玻璃粉制成的导电糊状油墨线丝网印刷到太阳能电池板模块上。粘合剂通常是以聚合物为基础的，以改善可印刷性，例如ETHOCELTM(陶氏化学公司)。在聚合物烧尽和冷却期间，线会因收缩力而破裂，因此会增加阻抗。非常希望有一种更坚固的导电糊状油墨，以防止在加热和冷却期间破裂。改善锂离子电池安全性的努力包括使用不易燃的液体，例如离子液体，例如乙基-甲基-咪唑双(三氟甲磺酰基)-亚胺盐(EMI-TFSI)，和固体聚合物，有时包含其他添加剂，例如具有二氧化钛纳米颗粒的聚环氧乙烷，或无机固体电解质，例如玻璃陶瓷类型的陶瓷或玻璃，Li1+x+yTi2-xAlxSiyP3-yO12(LTAP)。有机液体电解质的电导率值通常在10-2至10-1S/cm的范围内。取决于温度，聚合物电解质的电导率值在约10-7至10-4S/cm的范围内，而无机固体电解质的电导率值通常在10-8至10-5S/cm的范围内。在室温下，大多数聚合物电解质的电导率值约为10-5S/cm。聚合物和无机固体电解质的低离子电导率目前限制了它们在能量存储和收集装置中的一般用途。因此，非常需要提高电解质的电导率，特别是对于聚合物和无机电解质，因为它们相对于有机液体具有改善的可燃性。同样，期望在需要在高振动或机械冲击环境下具有耐久性以及其易于装置制造的电池应用中提高固体电解质的机械强度。在碱性电池中，电解质通常是氢氧化钾。已知碱性电池在高电流放电时的容量明显低于低电流放电。电解质离子迁移限制以及锌阳极的极化是已知的原因。非常期望增加电解质离子传输。在新一代薄膜光伏技术中，就其性价比而言，染料敏化太阳能电池(DSSC)具有最有前途的潜力之一。当前DSSC技术的最严重的缺点之一是使用液体和腐蚀性电解质，这严重限制了它们的商业开发。当前用于DSSC的电解质的一个实例是碘化钾/碘。期望替换当前使用的电解质，但是候选电解质具有差的离子传输。典型的电解电容器由钽、铝或陶瓷制成，并带有电解质体系(例如硼酸、硫酸)或固体电解质(例如聚吡咯)。期望的改进包括较高的充电和放电速率，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合物，其用作能量存储或收集装置的粘合剂材料、电解质材料或隔离膜材料，其包括：/n多个高表面积碳纳米管，其中至少一部分所述高表面积碳纳米管是开口的。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种组合物，其用作能量存储或收集装置的粘合剂材料、电解质材料或隔离膜材料，其包括：
多个高表面积碳纳米管，其中至少一部分所述高表面积碳纳米管是开口的。


2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述多个高表面积纳米管是单壁或双壁纳米管，并且其中所述多个高表面积纳米管的BET表面积根据ASTMD6556-16为约550m2/g至约1500m2/g。


3.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包括至少一种聚合物。


4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述碳纳米管是进一步官能化的。


5.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包括至少一种分散助剂。


6.根据权利要求3所述的组合物，其中所述聚合物选自由以下组成的组：乙烯基聚合物、聚(苯乙烯-丁二烯)、部分或完全氢化的含聚(苯乙烯-丁二烯)的共聚物、官能化的聚(苯乙烯-丁二烯)共聚物例如羧化的聚(苯乙烯丁二烯)、聚(苯乙烯-异戊二烯)、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、氟化聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、导电聚合物、源自天然来源的聚合物、聚醚、聚酯、聚氨酯和聚酰胺；均聚物...

【专利技术属性】
技术研发人员：马尔科姆·弗朗西斯·芬利森，克莱夫·P·波斯尼亚克，耶日·加兹达，维奈·巴特，南希·亨德森，埃米莉·巴顿·科尔，
申请(专利权)人：钢筋分子设计有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US