[发明专利]含碳纳米管的分散体及其在电极制造中的用途

说明书

本发明涉及包含分散介质、分散助剂和分散在该分散介质中的碳纳米管的分散体。其还涉及包含该分散体和常规用于二次电池并能根据应用在放电和充电过程中在正极或负极中脱出或嵌入锂离子的活性材料和任选其它添加剂的浆料。其还涉及包含本发明的分散体或浆料的正极或负极。其另外涉及制造这种分散体的方法、制造这种浆料的方法、制造包含该分散体或浆料的电极的方法、由其获得的电极和包含该电极的电化学元件。

碳纳米管（CNT）以它们的优异性质为人所知。例如，其拉伸强度为钢（例如ST52）的大约100倍，其热导率大致与金刚石一样高，其热稳定性在减压下延伸到2800℃，且其电导率可以为铜的电导率的数倍。但是，通常只有在可能均匀分布碳纳米管并建立管与介质之间的最大接触，即，使它们与介质相容并因此可以稳定方式分散时才可以在分子水平上实现这些结构相关特征。

关于电导率，另外必须形成管的网络，其中它们理想地仅在末端互相接触或足够互相靠近。同时，碳纳米管应最大程度单个化，即不含附聚体，并且没有对齐。在这种情况下，碳纳米管可能以刚好能形成这种网络（这体现为随着碳纳米管的浓度，电导率突然升高）的浓度存在（渗滤限）。

在此特别感兴趣的是将CNT作为导电添加剂添加到锂离子电池和蓄电池的电极材料中。为此，应该使用最低量的分散助剂将CNT分散在优选的分散介质中。此外，对于工业相关用途，应该确保该分散体中的CNT最大浓度，这在远高于1重量%并优选高于3重量%，更优选高于4重量%的范围内。已经发现，对这种电极的性能而言重要的因素不仅是与CNT的固有形态性质，例如长度、纵横比、表面积或缺陷密度有关的分散体品质，还有分散度或附聚体含量。后者最终取决于CNT围绕活性材料的单粒子形成均匀网络的能力。此外，分散助剂的类型和量影响CNT网络的电性质，尤其是阻抗，因此也影响整个电极。

高性能电极以高功率和能量密度以及长寿命或可循环性著称。尤其通过电极的高电导率实现电池中的高功率密度，为此必须良好润湿活性材料。总体而言，电化学阻抗的各分量应处于最低限度，这包括充分分散的CNT之间和这些与电极输出端之间的最低接触电阻。因此，还应该在该分散体中用最低量的电绝缘分散助剂实现充分稳定化，但这还应具有至少几个月的足够长的贮存寿命。

在现有技术中，US2007/224106A1例如涉及CNT分散体。在这种情况下，描述了非离子表面活性剂用于分散CNT的功能。根据这一专利申请，发现酰胺基有机溶剂和聚乙烯吡咯烷酮或酰胺基有机溶剂、非离子表面活性剂和聚乙烯吡咯烷酮的混合物可有效分散CNT。超声处理被描述为分散CNT所必需的。可以在非离子表面活性剂和/或酰胺基极性有机溶剂中分散CNT的步骤中进行超声处理。或者，可以制备非离子表面活性剂和/或酰胺基极性有机溶剂和聚乙烯吡咯烷酮的混合物并在其中分散CNT的过程中进行超声处理。

US2007/224106A1中描述的方法的缺点在于，持续许多分钟或小时的超声基分散操作不能或仅能以高成本用作工业方法，并且这种方法，如本领域技术人员已知，只能用于具有低浓度和低粘度的分散体的情况。此外，CNT的超声处理通常造成纳米管破裂，因此存在更少的具有高长径比的所需CNT。

DE102005043054A1（WO2007/028369A1）涉及由分散液和分布在该分散液中的至少一种固体构成的分散体，其中该分散液为水基和/或非水基的，所述至少一种固体由石墨和/或由多孔碳和/或由碳纳米材料和/或由焦炭形成，且所述至少一种固体均匀和稳定分布在该分散液中。在这一专利申请的实施例3中，在不加入添加剂的情况下，将10克碳纳米管（CNTMW）分散在500毫升2-丙醇中。该碳纳米管具有10-20纳米的直径和1-10微米的长度，其BET比表面积为200平方米/克。在1000巴压力下对具有600mPas粘度的预分散体施以2500000/sec的剪切速率。但是，这一实验的内部（in-house）重复表明，此处获得的粒子仍然太大。

含CNT的电极的一个实例是专利申请WO2012/114590。其涉及基于非水电解质的二次电池电极。该电极包含活性材料、粘合剂、CNT和非纤维导电碳材料，相对于100重量份CNT，PVP基聚合物以5至25重量份的比例存在。

本发明的一个目的是至少部分消除现有技术中的缺点。一个特定目的是提供可用于制造电池和蓄电池或超级电容器的改进的电极的CNT分散体。制造这种分散体的方法同样是本发明的一个目的。