[发明专利]具有高结构炭黑的电极、组合物、以及设备

说明书

用于储能设备的电极，其包括具有以下性质的炭黑颗粒：(a)70～120m²/g的Brunauer‑Emmett‑Teller(BET)表面积；(b)180～310mL/100g的吸油值(OAN)；(c)小于或等于15mJ/m²的表面能；和(d)小于或等于的L_a微晶尺寸、或者小于或等于24nm的初级粒度。

相关申请

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2016年5月5日提交的美国临时申请No.62/332,142的优先权，其在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及包括高结构炭黑的电极、组合物、以及设备。

背景技术

锂离子电池(battery)是用于各种应用(例如电子设备和电动车辆)的常用的电能来源。锂离子电池典型地包括负极(例如石墨)和正极(其在下面描述)，其允许锂离子和电子在充电和放电期间移向电极和移出电极。与电极接触的电解液提供了离子可以在其中移动的传导性介质。为了防止电极之间的直接反应，使用能够透过离子的分隔物来物理地和电学地隔离电极。当将电池用作设备的能量来源时，与电极电接触，允许电子流过设备以提供电能，且允许锂离子穿过电解质从一个电极移动到另一个电极。

正极典型地包括传导性基材，所述传导性基材承载至少具有电活性材料、粘合剂和传导性添加剂的混合物(例如，作为糊剂施用)。电活性材料(例如锂过渡金属氧化物)能够接收和释放锂离子。粘合剂(例如聚偏二氟乙烯)用于为电极提供机械完整性和稳定性。典型地，由于电活性材料和粘合剂在电学上的传导性或绝缘性是差的，因此，加入传导性添加剂(例如，石墨和炭黑)以增强电极的导电性。然而，传导性添加剂和粘合剂通常不参与产生电能的电化学反应，因此，这些材料可对电池的某些性能特性(例如，容量和能量密度)产生不利影响，因为它们有效地降低了正极中所能含有的电活性材料的量。

发明内容

在一个方面中，本发明的特征在于高度结构化的炭黑颗粒(或炭黑)、以及这样的炭黑在储能应用(例如锂离子电池)中的应用。已经发现，这样的炭黑能够以相对低的加载量(即，浓度)用于电极(例如，锂离子电池的正极)中。结果，对于给定的电极体积，能够引入相对更多的电活性材料，从而改善电池的性能(例如，容量、体积能量、及能量密度)。

此外，本文所述的高度结构化的炭黑能够提供可加工性的益处，所述可加工性的益处能够增强用于制造电极的工艺。例如，高度结构化的炭黑易于分散。在制造工艺中，需要较少的能量来将易分散的炭黑结合到电极配制物中，从而增强工艺的成本效能和效率。本文所述的高度结构化的炭黑还能够提供具有相对低粘度的配制物。因此，配制物可被制成具有高的固含量，这意味着，对于给定的配制物批料，能够形成更多的电极，且利用率提高。

在另一方面中，本发明的特征在于用于储能设备的电极，其包括具有以下的炭黑颗粒：(a)70～120m²/g的Brunauer-Emmett-Teller(BET)表面积；(b)180～310mL/100g的吸油值(OAN)；(c)小于或等于15mJ/m²的表面能；和(d)小于或等于的L_a微晶尺寸、或者小于或等于24nm的初级粒度。所述电极可包含在储能设备中，所述储能设备例如锂离子电池、一次碱性电池、一次锂电池、镍金属氢化物电池、钠电池、锂硫电池、锂空气电池、混合式电池-超级电容器设备、金属-空气电池、液流电池、或超级电容器。