[发明专利]用于锂离子电池组的电池的阴极、其制备方法以及含有它的电池组

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于锂离子电池组的电池的阴极，涉及一种生产所述阴极的方法，以及涉及一种锂离子电池组，其含有一个或多个包括所述阴极的电池。

背景技术

有两种主要的锂蓄电池：锂-金属电池组，其中，负极由锂金属制备（在液体电解质存在的情况下，其材料引起安全性问题）；以及锂离子电池组，其中锂以离子状态存在。

锂离子电池组由至少两个不同极性的导电的库伦电极（Coulombic electrode）组成，其中，负极或阳极（一般由石墨制成）、以及正极或阴极（一般由过渡金属氧化物制成，如钒或钴的氧化物，或者由锂化铁磷酸盐制成，如US-B1-6514640或WO-A1-2011/092283中所描述的），在所述电极之间，放置有隔离部件，所述隔离部件由电绝缘体组成，电绝缘体吸附有基于Li⁺阳离子的非质子电解质，以确保离子的传导性。用在这些锂离子电池组的电极通常由锂盐组成，所述锂盐的例子如分子式LiPF₆、LiAsF₆、LiCF₃SO₃或LiClO₄，其溶于一种非水溶剂的混合物中，如乙腈、四氢呋喃、或更常用的一种碳酸酯，例如乙烯酯或丙烯酯。

锂离子电池组的阴极的活性材料允许锂可逆地进入到阴极中或可逆地从阴极移出，并且阴极中所述活性材料质量份数越高，容量越高。阴极还必须含有一种导电化合物，例如炭黑，以及，为了提供足够的机械黏聚力，还含有一种聚合物粘结剂。因此，锂离子电池组基于在电池组充电和放电过程中，锂离子在阳极和阴极之间可逆地交换，并且，对于非常低的重量，由于锂的物理性能上的优点，这种电池组具有高的能量密度。

锂离子电池组的阴极最常用的生产方法，按照顺序包括：溶解和扩散各种阴极组分到溶剂中的步骤，将所得到的溶液涂撒或分散在金属集电器上的步骤，以及最后的蒸发所述溶剂的步骤。可以使用多种聚合物粘结剂，所提及的粘结剂中，优选用PVDF（聚偏氟乙烯）制备，由于氟的存在，其与阴极在高的工作电压下（大于4V）容易相容，还可以是，例如聚丙烯酸丁酯浸渍的聚丙烯腈（PAN）。

使用有机溶剂生产锂离子电池组阴极的方法具有一些关于环境和安全性的缺点。尤其是，在此情况下，需要蒸发大量的有毒的或易燃的有机溶剂。

对于使用水溶剂生产所述阴极的方法，其最大缺点是阴极必须在使用前充分干燥，已知痕量的水会影响锂蓄电池的使用寿命。

因此，对于锂离子电池组，高度期望制备一种阴极，其不使用溶剂进行生产，在此背景下，使用熔融工艺技术（例如挤出）生产用于锂离子电池组的阴极已在文献中描述。

遗憾地是，就锂离子电池来讲，这些熔融方法带来了极大困难，如已知的，在阴极的聚合物组合物中，需要活性材料的重量份数至少为80%，以在锂离子电池组中具有足够的容量。然而，在这种活性材料重量份数情况下，阴极聚合物混合物的粘度变得非常高，导致混合物过热的风险、或一旦使用时降低其机械黏聚力。

文献US-B2-6939383描述了一种聚合物组合物的挤出，聚合物组合物包括聚（氧化乙烯）-聚（氧化丙烯）-聚（缩水甘油醚）共聚物，用于离子型导电聚合物，所述离子型导电聚合物用于锂-聚合物电池组阴极的无溶剂制备。但是该文献中制备的单一阴极聚合物组分中，活性材料重量份数仅为64.5%。

文献US-A-5749927公开了一种通过挤出连续制备锂-聚合物电池组的方法，所述方法包括将导电材料以及固体电解质组合物与活性材料混合，所述固体电解质组合物包括一种聚合物、超过所述聚合物的一种锂盐以及碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯混合物，在该文献中，活性材料在阴极聚合物组合物中的重量份数也低于70%。

因此，这些已知的熔融方法生产锂蓄电池组阴极的重大缺陷是，活性材料在阴极聚合物组合物中的重量份数不足以得到的高性能的阴极，尤其是用于锂离子电池组时。

发明内容