柔性电池电极及其制造制造技术

本发明专利技术描述用于制造电极的糊和用此糊制造电极的方法以及用其制造的电极和电池。糊包含至少一种电化学活性材料的颗粒、粘合剂、作为溶剂的水和具有酯样性质的至少一种增塑剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】柔性电池电极及其制造本专利技术涉及用于制造电池电极(具体地讲，用于锂离子电池)的含水糊，还涉及制造此类电极的方法。本专利技术还涉及可从该糊或通过该方法制造的电极和具有该电极的电池。术语“电池”最初是指在壳中串联连接多个电化学单电池。然而，单一电化学单电池现今也通常被称为电池。在电池放电期间，发生供能化学反应，反应由两个电偶合但物理分离的亚反应组成。在较低氧化还原电势发生的一个亚反应在负极进行，而在较高氧化还原电势的亚反应在正极进行。在放电期间，在负极通过氧化过程释放电子，使电子通过外部负载流到接纳相应量电子的正极。因此，在正极发生还原过程。同时，在单电池内出现相应于电极反应的离子流。该离子流通过离子导电电解质达到。在蓄电池和蓄电池组中，此放电反应是可逆的，因此，可使化学能反向转化成在放电期间出现的电能。如果在本文使用术语阳极和阴极，则一般根据放电功能命名电极。因此，在这些电池中，负极为阳极，而正极为阴极。在很大程度取决于放电条件，从电池提取的电荷被称为容量(单位Ah)。比电荷(单位Ah/kg)或电荷密度(单位Ah/Ι)为每单位质量或体积释放或接纳的电子数的量度，因此为电极和电池的存储容量的量度。负极和正极之间的大电势差与具有高比电荷或电荷密度的电极材料组合得到高值比能(单位Wh/kg)或能量密度(单位Wh/Ι)。在电池工作期间，电池内电子转移和离子转移的速度(具体地讲，电极内在相界面离子转移的速度)限制功率。就此而言，电池的性质可从参数比功率(单位W/kg)和功率密度(单位W/1)看到。在蓄电池和蓄电池组中，锂离子电池得到较高的能量密度。这些电池一般具有包含电化学活性组分与电化学非活性组分的复合电极。用于锂离子电池的可能的电化学活性组分(通常也被称为活性材料)原则上为能够接纳锂离子并且将它们再次释放的所有材料。具体地讲，用于负极的从现有技术了解的此类型材料为基于碳的颗粒，例如，能够插入锂的石墨碳或非石墨碳材料。另外，也可使用能够与锂成合金的金属和半金属材料。因此，例如，元素锡、锑和硅能够与锂形成金属间相。所有的电化学活性材料一般以颗粒形式存在于电极中。作为电化学非活性组分，可提到第一和主要的电极粘合剂和集电器。电子通过集电器(例如，电导片、网或栅)提供到电极或从电极释放。电极粘合剂保证电极的机械稳定性和电化学活性材料颗粒相互接触和与集电器接触。导电性改进添加剂，可同样包含在集合名词“电化学非活性组分”下，可促进电化学活性颗粒与集电器改善的电接触。至少在相应电极的可能范围，所有的电化学非活性组分应电化学稳定，并且对通常的电解质溶液具有化学惰性性质。基于碳的活性材料使最高400Ah/kg的可逆比容量成为可能。然而，此类活性材料的锂化与伴随显著体积增加。因此，在接纳锂离子时，单独颗粒的体积可增加最高10%。在所述金属和半金属存储材料的情况下，此体积增加甚至更大。虽然这些一般具有比基于碳的材料显著更高的存储容量，但体积膨胀对例如锡、锑和硅的锂化也显著更大(在第一充电循环最高300%)。当再次去除锂离子时，相应活性材料的体积再次收缩，并且活性材料颗粒内的大应力可能也导致电极结构变化。电极上的相关机械应力有时也在相当大程度导致活性材料相邻颗粒之间的接触损失。因此，甚至在第一充电循环后，接触的活性材料也只在减小的范围可用，并且对所涉及电池的容量和寿命具有相应的不利影响。特别在具有作为活性材料的能够插入锂的石墨碳和/或作为替代非石墨碳的负极的情况下，通常使用基于氟化聚合物和共聚物的电极粘合剂。在此环境下，具体地讲，可提到例如聚偏二氟乙烯和聚偏二氟乙烯-六氟丙烯。具有这些粘合剂的电极描述于例如EPI 261 048 和 US 5,296,318。然而，从生态和经济的观点，这些氟化聚合物粘合剂仍存在问题。它们需要使用有机溶剂，例如N-甲基吡咯烷-2-酮或丙酮。使用这些处理溶剂需要精细的安全和工人保护措施。EP I 489 673公开具有基于苯乙烯-丁二烯橡胶的粘合剂的电极。在制造这些电极中，水用作处理溶剂。用于制造电极的糊不仅包含活性材料，而且包含选自柠檬酸、柠檬酸盐、酒石酸、酒石酸盐、琥珀酸和琥珀酸盐的阴离子聚合电解质。另外，糊包含少量羧甲基纤维素钠。WO 2009/012899描述用至少一种多糖作为粘合剂制造的电极。合成的聚合物化合物不必存在于所述电极中。电极优选从包含羧甲基纤维素钠和作为活性材料的可与锂成合金的金属或半金属的分散颗粒的水基糊制备。以此方式制造的电极显示极佳的环化性质。尽管在锂化过程期间上述金属和/或半金属存储材料经历大体积膨胀，但活性材料的相邻颗粒之间的上述接触损失似乎在这些电极的情况下只在减小程度发生。然而，有一个问题是，与聚合物粘合剂材料比较，例如，上述聚偏二氟乙烯和聚偏二氟乙烯-六氟丙烯，羧甲基纤维素显示较脆和相对非弹性性质，这可具体归因于羧甲基纤维素的热固性质。这种性质对电极的加工性具有很不利的影响。在制造锂离子电池中，电极在多阶段过程中连接到集电器和分离器，并形成适合的配合形状。为此目的，可将它们滚压，压制，在高温经过层压过程，卷绕并切割。具有羧甲基纤维素作为粘合剂的电极特别容易在此类过程中受到损坏。具体地讲，它们一般显示很差地粘合到集电器，并且容易剥落。本专利技术的一个目的是提供电极，所述电极显示理想地与WO 2009/012899中所述电极一样好的环化性质，但同时具有显著改进的加工性。通过具有权利要求1的特征的糊和具有权利要求9的特征的方法，可达到此目的。本专利技术的糊的优选实施方案在从属权利要求2至8中指明。另外，本专利技术也提供具有权利要求10和11的特征的电极和具有权利要求13的特征的电池。本专利技术的电极的优选实施方案在从属权利要求12中指明。所有权利要求的文本通过引用结合到本说明书中。本专利技术提供用于制造电极(具体地讲，电化学蓄电池和蓄电池组的负极)的糊。具体地讲，这些电极为用于锂离子电池的电极。本专利技术的糊特别优选地用于制造可再充锂离子电池的负极。它通常包含至少一种电化学活性材料的颗粒、粘合剂和作为溶剂的水。具体地讲，在特别优选的实施方案中，本专利技术的糊包含具有酯样性质的至少一种增塑剂。按照本专利技术的意图，具有酯样性质的增塑剂为由具有至少一个酯基的有机化合物组成的增塑剂。具体地讲，可从塑料加工了解这些增塑剂。它们优选为优选通过它们的溶解和溶胀能力与高聚物物理作用而没有化学反应并且可与这些高聚物形成均匀系统的有机物质。通常，增塑剂给予高聚物改善的弹性性质，减小的硬度，和任选增加的粘着力。已发现，这些增塑剂，具体地讲，从塑料加工了解的增塑剂，也适合作为添加剂用于含水电解质糊。由包含这些增塑剂的电解质糊组成的电极显示在加工性方面显著改进的性质。涉及电极粘着到电极集电器的上述问题可在很大程度上排除，意外的是不用加入对电极电化学性质具有不利影响的增塑剂。按照本专利技术的意图，具有酯样性质的可能的增塑剂优选为有机酯化合物，例如，衍生自己二酸、癸二酸、壬二酸和邻苯二甲酸与二醇(例如，I, 3-丁二醇、1，2-丙二醇、1，4-丁二醇、1，6_己二醇)和与三醇(例如，甘油)的邻苯二甲酸酯、偏苯三酸酯、脂族羧酸酯(具体地讲，脂族二羧酸酯)、聚酯(具有两个或更多个酯基的化合物)、磷酸酯、脂肪酸酯、羟基羧酸酯。另外，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】2010.08.17 DE 102010039416.51.一种制造用于锂离子电池的电极的糊，所述糊包含至少一种电化学活性材料的颗粒、粘合剂、作为溶剂的水和具有酯样性质的至少一种增塑剂。2.权利要求1的糊，其特征在于至少一种增塑剂具有120°C至350°C的沸点，优选200。。至 300。。。3.前述权利要求中任一项的糊，其特征在于增塑剂为脂族聚酯，或者包含脂族聚酯，所述脂族聚酯 -具有7至12个碳原子， -由元素碳(C)、氢(O)和氧(O)组成， -具有150至300g/mol的摩尔质量，并且 -沸点在200°C和300°C之间。4.前述权利要求中任一项的糊，其特征在于增塑剂为羟基羧酸酯，或者包含羟基羧酸酯，所述羟基羧酸酯 -具有7至12个碳原子， -由元素碳(C)、氢(O)和氧(O)组成， -具有150至300g/mol的摩尔质量，并且 -沸点在200°C和300°C之间。5.前述权利要求中任一项的糊，其特征在于至少一种增塑剂为三乙酸甘油酯和/...

【专利技术属性】
技术研发人员：H克伦，A德罗伊斯纳，S科勒，
申请(专利权)人：瓦尔达微创新有限责任公司，
类型：
国别省市：