水性聚偏二氟乙烯组合物制造技术

本发明专利技术涉及一种用于制造电极的水性氟聚合物(并且优选聚偏二氟乙烯(PVDF))组合物，这些电极用于非水型电化学装置中，如电池以及双电层电容器。该组合物包含水性PVDF粘合剂，以及一种或多种粉末状形成电极的材料。在一个实施方案中，该组合物不含氟化的表面活性剂。在另一个实施方案中，加入了一种或多种短效的助黏附剂。由本发明专利技术的组合物形成的电极显示出从使用水性PVDF粘合剂得到的相互连接性以及不可逆性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于制造电极的水性氟聚合物(并且优选地聚偏二氟乙烯 (PVDF))组合物，这些电极用于非水型电化学装置中，如电池以及双电层电容器。该组合物包含水性PVDF粘合剂，以及一种或多种粉末状形成电极的材料。在一个实施方案中，该起始氟聚合物分散体以及还有优选地该组合物是不含氟化的表面活性剂的。在另一个实施方案中，加入了一种或多种短效的助黏附剂。由本专利技术的组合物形成的电极显示出从水性 PVDF粘合剂得到的相互连接性以及不可逆性。
技术介绍
在电子产业中存着生产更小和更轻的电池供电的更小的装置的一个趋势。与一个负极电极(如具有锂离子的一种锂化合物或者含碳的材料)和一个正极电极(如锂的金属氧化物)相组合的非水电解液的电池能够提供更高的电能以及更低的重量。聚偏二氟乙烯(由于其在氟聚合物中的优异的耐电化学性以及极好的粘附性)已经发现是一种有用的粘合剂用于形成有待在非水电解装置中使用的电极。US 5，776，637以及US 6，200，703(将其通过引用结合在此)说明了在有机溶剂中的一种PVDF粘合剂溶液与一种粉末状的电极材料，该材料用于在有待使用的一种非水型电池中形成一个电极。JP 2000357505说明了与一种正极活性材料和碳共混并且然后溶解在作为溶剂的NMP中以生产一种糊剂的PVDF。该方法符合常规的、用于电极的溶剂流延方法，其中大量的NMP溶剂被用作一种分散介质。有机溶剂的作用总体上是溶解PVDF以在该有机溶剂蒸发时提供在这些粉末状的电极材料颗粒中良好的粘附性(不可逆的粘附性)。目前，选择的有机溶剂是N-甲基-2-批咯烷酮(NMP)。来自一种溶剂溶液的PVDF粘合剂的流延提供了在多个电极中的不可逆的粘附性以及在该电极组合物中的所有的活性成分的相互连接性。这些粘结的成分在充电和放电的循环过程中能够承受大体积的膨胀和收缩而不损失这些电极内部的相互连接性。在一个电极中活性成分的相互连接性在电池的性能上是极其重要的，尤其是在充电和放电的循环过程中，因为电子必须跨过电极，并且锂离子的迁移率要求在粉末状颗粒之间的电极内部的相互连接性。不幸的是，这些基于有机溶剂的粘合剂组合物存在着若干问题。大量的溶剂被要求用于传统的电极流延方法中，因为在更高浓度水平的PVDF(高于10wt% -20wt% )时，浆料显示一种反常地高的粘度，这使得形成电极的组合物难以制备并且同样使形成电极的组合物的凝胶作用难以抑制。另外，基于有机溶剂的浆料表现出水性系统中不存在的安全、健康，以及环境危险。有机溶剂类总体上是有毒的并且可燃的、挥发性质的，并且涉及多种特殊的制造控制以缓和风险并且减少来自有机溶剂的环境的污染。此外，与有机溶剂的使用相关联的大量的碳足迹不是在环境上所希望的。此外，涉及额外的耗费时间、金钱以及能量的制造步骤来分离出在水性介质中形成的PVDF，将该PVDF干燥成一种粉末，然后将该粉末溶解在一种溶剂中。存在着一种环境驱动的、以及安全驱动的愿望以便能够生产优异的、互连的、基于 PVDF的电极，而不使用大量的有机溶剂。为有效利用在形成电极的方法中的水生浆料，重要的是开发多种粘合剂系统，这些系统与目前制造的实际相容并且提供了中间产物和最终产物的希望的多种特性。一些常见的指标包括a)具有足够的保质期的水生氟聚合物分散体的稳定性，b)在混合了粉末状材料之后浆料的稳定性，c)浆料的用于促进良好的水性流延的适当粘度，以及d)干燥之后不可逆的、在电极内足够的相互连接性。此外，从法规的角度，没有含氟表面活性剂类制造的氟聚合物是优选的。名称为“电极添加剂”的US 7，282, 528说明了用于负极电极的氟聚合物分散体， 它们是通过使用全氟化的表面活性剂类制造的。将干燥之后实质上没有保留在电极中的表面活性剂类在分散体的浓缩的过程中后加入至该氟聚合物分散体中。该专利没有传授或建议使用由未氟化的表面活性剂制造的氟聚合物的，或者使用短效的助黏附剂类以提供在不可逆的电极中的相互连接性，但示范了使用仅聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂类、或其他的具有 50%或更多的PTFE的氟聚合物类的共混物。这些实例的负极电极使用了一种常规的基于溶剂的PVDF溶液。US 7，659，335说明了作为电极粘合剂类有用的类似的氟聚合物分散体，与一个具体类的非离子的后聚合反应稳定剂。尽管列举了许多的氟聚合物，但“优选的是PTFE，因为熔融加工实质上是不可能的”。没有提及能够提供电极内的相互连接性的短效的助黏附剂类或者所要求的任何其他的成分。在PTFE和PVDF粘合剂类的特性上、处理上、并且在它们形成的最终电极中存在着巨大差异。PTFE聚合物具有非常高的熔点并且对于常见的溶剂类显示出非常强的耐受性。其结果是，PTFE颗粒不能够软化、流动、并且粘附到粉末状的颗粒上并且以提供一个电极内的相互连接性。此外，PTFE和它与其他的氟聚合物类的共混物不满足形成适当电极所需要的一些指标(这些指标包括具有足够的保质期的水生氟聚合物分散体的稳定性)，并且PTFE粘合剂类不提供在多个电极中的不可逆的足够的相互连接性。根据本专利技术制造的基于PVDF的粘合剂类显示足够的存储稳定性，不需要浓缩步骤，并且如与基于PTFE的粘合剂类对比，通过加入短效的助黏附剂类提供了连接性。PVDF聚合物颗粒在电极制造过程中能够软化、流动并且粘附到粉末状的材料上，生成的不可逆的电极具有高的连接性。出人意料地，现已发现一种稳定的、水性的、形成电极的组合物用于生产高品质的电极，这些电极用于非水的电池以及其他的具有相互连接性和不可逆性的装置。该组合物包含一种或多种氟聚合物，优选地PVDF、粉末状的电极材料、以及可任选的表面活性剂类、 以及短效的助黏附剂类。优选地，该水性组合物没有氟化的表面活性剂。本专利技术的水性组合物提供了超过基于溶剂的PVDF组合物类和溶剂或水性PTFE组合物类的许多性能、制造以及环境的优点a)水性的基于PVDF的组合物比基于溶剂的PVDF组合物是对使用和方法更安全、 对健康更少危险、并且更环境友好的。b)水性PVDF分散体是使用非氟化的表面活性剂来有利地合成的。c)水性PVDF分散体可以如合成原样使用，而不需要分离和干燥成一种粉末、或浓缩成胶乳-节省时间以及能量。7c)水具有比典型使用的有机溶剂更低的沸点，因此涂层可以在更低的温度下，或更短的时间期间(如果希望的话)来干燥。d)水性PVDF分散体包含PVDF颗粒，这些颗粒能够被软化以通过使用短效的助黏附剂粘附到形成电极的颗粒上-产生在粉末状的电极材料之间的不可逆的连接性。相互连接性可以在无需完全涂覆该粉末状的电极材料下完成-要求更少的聚合物并且还产生了更小的电阻。e)基于PVDF的组合物提供了良好的连接性，而基于PTFE的组合物中的PTFE依然是在电极中作为离散的颗粒。f)碳黑容易分散在PVDF中，但不容易分散在PTFE中，并且增加的分散体增加了导电性。专利技术概述本专利技术涉及一种组合物，该组合物包括a) 0. 2至150份的氟聚合物颗粒，这些颗粒具有小于500nm的重量平均粒度；b)可任选地从10至500份的一种或多种粉末状的形成电极的材料；c)可任选地从0至10份的一种或多种增稠剂；d)可任选地一种或多种pH调节试剂；e)从0至10份的一种或多种添加剂本文档来自技高网...

【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：R·阿明萨纳伊，R·R·古普塔，
申请(专利权)人：阿科玛股份有限公司，
类型：发明
国别省市：