[发明专利]用于改进的电池电极配制剂的分散剂

说明书

背景技术

用于锂离子电池电极的大规模生产的主要制造方法涉及称为狭缝涂布的过程，一种卷到卷过程。衬底，也称载体，一般由薄金属箔构成，对于阴极，通常是铝，或对于阳极，通常是铜。一系列辊和张紧器引导载体在适当的速度和平整度下通过涂布机。油墨或浆料的沉积在称为背衬辊的特定辊处进行。在背衬辊处，箔发生急转弯，从而在辊上施加足够的张力以提供良好的沉积表面。狭缝模头紧邻衬底布置，并且随着金属箔移动通过模头，油墨流过模头以沉积在金属箔上。典型的涂布速度在1至20米每分钟的范围内。

在涂布过程完成后，膜通过干燥器以移除溶剂。干燥后，纵断器将经涂布箔切割成较窄的条，所述条经压延以减小厚度变化和增大膜密度。所述膜也可在真空和热下经进一步处理以移除任何潜在的水。阴极和阳极电极二者均以这种方式制造。最后，组合阴极电极膜与隔板和阳极膜以产生电池。

由于狭缝涂布过程的性质，故需要小心控制油墨的流变性以获得高品质的电极膜。浆料中的任何不均匀性都将导致膜具有不一致的厚度。这对组装后的电池具有负面影响。浆料通常由水性或非水性配制剂组成。在过去，非水性配制剂优先，因为水是最终产品中的污染物而需通过干燥和真空处理来移除。然而，由于对化学品的释放和处置的法规越来越严格，故电池工业开始偏向于使用水，因为蒸发后无需溶剂回收。

非水性阴极浆料通常具有四种主要组分：活性材料，如锂钴氧化物、锂铁磷酸盐等；炭黑；聚偏二氟乙烯(PVDF)；和N-甲基吡咯烷酮(NMP)，一种极性溶剂。非水性阳极浆料具有类似的组分，只是活性材料由介孔石墨而不是含锂化合物组成。一般来说，水性溶液仅用于阳极侧上。水性配制剂通常包含：石墨材料；炭黑；羧甲基纤维素；和丁苯橡胶(SBR)。

在向配制剂中添加组分时，制造商必须非常小心，因为任何额外的组分都可能无意中缩短电池寿命。例如，电解质中不相容的物质可能在放电时氧化并随时间覆盖阳极表面，从而抑制锂离子的运动。添加到配制剂以改善湿态油墨或浆料的流变性的加工助剂则将降低干态电化学性能。为此，电池制造商不在浆料配制剂中使用分散剂。

分散剂为改善颗粒悬浮体的稳定性的添加剂，其中稳定性指颗粒在溶剂中团聚的趋势。不稳定的悬浮体含有有着彼此团聚的趋势的颗粒，常常导致流体的增稠或沉降。相反，稳定的悬浮体具有或不相互作用或相排斥的颗粒，使得颗粒保持分离。提高悬浮体稳定性可通过使得涂层更均匀来改善印刷和涂布性能。常规的电池制造可能不如此依赖于分散剂，因为常规电池浆料的固含量相对较低，因此颗粒-颗粒相互作用较小。随着浆料中颗粒含量的增大，粘度将按指数规律增大，并且对分散剂的需要增大。

具体实施方式

常规的电池制造通常依赖于具有大约1-1000mPa-s的低粘度的油墨。通常，这些油墨含大约20体积％的固体颗粒，如活性材料和导电剂(如炭黑)。对于共挤出应用，一般需要较高的固体含量和粘度，故有必要使用分散剂来增加油墨均匀性、减少堵塞和改善适印性。若无分散剂或分散剂太少，则印刷或共挤出的膜可能含有将影响最终装置性能的印刷缺陷。例如，因不充分的油墨覆盖所致的电极中的针孔缺陷可能导致最终电池中的电气短路。

分散剂选择中的一个因素在于与预期电解质的相容性。实验中发现，在组合某些分散剂与电解质，如用于锂离子电池系统的有机碳酸盐的混合物后，其最终反应并使得电解质从澄清变为棕色，表明发生了一些反应。在一些情况下，此反应是即刻的，而在其它情况下，此反应在过去多天后才出现。经发现一种分散剂——十二烷基硫酸锂(LDS)在电解质中不显示出任何可见的劣化。更重要的是，LDS的添加改善了所得电极的性能。对于阳极和阴极二电极，与无LDS的油墨相比，具有LDS的油墨组合物在一定的充/放电速率范围上显示出更高的电荷容量。LDS的又一优势在于其为可溶于水性和非水性溶剂二者中的表面活性剂，这使得其可以用于更广泛的配制剂种类中。