[发明专利]用于锂离子电池组的电极组合物和制备方法、电极和包含该电极的电池组

说明书

本发明涉及用于锂离子电池组的电极组合物、制备该组合物的方法、电极和包含该电极的锂离子电池组。组合物包含能够在电极中进行锂的可逆嵌入/脱嵌的活性物质、导电填料和包含至少一种改性聚烯烃的聚合物粘合剂，改性聚烯烃(If1)衍生自非极性脂族聚烯烃并包含氧合的CO和OH基团，具有2％‑10％的氧原子重量含量。改性聚烯烃可以是非极性脂族聚烯烃在含氧气氛下在200℃‑300℃的温度下与氧的受控热氧化反应的产物。

本发明涉及可用于锂离子电池组的电极组合物，制备该组合物的方法，电极，以及其中电池或每个电池包含该电极的锂离子电池组。

存在主要两种锂蓄电池电池组：锂金属电池组，其中负极由锂金属(这种材料在存在液体电解质的情况下会带来安全问题)组成，和锂离子电池组，其中的锂保留在离子形式。

锂离子电池组由至少两个极性不同的导电法拉第电极组成，分别是负极或阳极以及正极或阴极，在两个电极之间有一个隔膜，该隔膜由电绝缘体组成，电绝缘体用基于Li⁺阳离子的非质子电解质浸渍而确保离子电导率。这些锂离子电池组中使用的电解质通常由锂盐组成，例如式LiPF₆、LiAsF₆、LiCF₃SO₃或LiClO₄，其溶解在非水性溶剂如乙腈、四氢呋喃、或通常碳酸酯如乙烯或丙烯碳酸酯的混合物中。

锂离子电池组基于在电池组充电和放电期间锂离子在阳极和阴极之间的可逆交换，由于锂的物理特性，它对于非常低的质量具有高的能量密度。

锂离子电池组阳极的活性材料设计为可逆嵌入/脱嵌锂的位置，通常由石墨(理论容量为370mAh/g，氧化还原电势为0.05V，关于Li⁺/Li对)或可选的混合金属氧化物(例如其中列出的是式Li₄Ti₅O₁₂的锂钛氧化物)形成。关于阴极的活性材料，它通常由过渡金属氧化物或磷酸铁锂形成。这些活性材料因此允许锂可以在电极中可逆地嵌入/脱嵌，并且它们的质量分数越大，电极的容量越大。

这些电极还必须包含导电化合物如炭黑，并且为了在其上赋予足够的机械内聚力，还包含聚合物粘合剂。

锂离子电池组电极通常是通过液体路径方法制造的，该方法依次包括将电极成分溶解或分散在溶剂中的步骤，将所得溶液或分散体散布在金属集流体上的步骤，最后是将溶剂蒸发的步骤。使用有机溶剂的方法(例如在文件US-A1-2010/0112441中提出的方法)在环境和安全领域中表现出缺点，特别是由于必须蒸发大量这些溶剂这一事实，其是有毒或易燃的。关于使用水性溶剂的方法，它们的主要缺点是电极必须在使用前非常彻底地干燥，痕量水限制了锂电池组的使用寿命。例如，可以提及文件EP-B1-1489673，描述了基于石墨和弹性体粘合剂的阳极并使用水性溶剂的制造方法。

因此，过去已经尝试不使用溶剂来制造用于锂离子电池组的电极，特别是通过熔融路径技术(例如通过挤出)。不幸的是，在这些电池组的情况下，这些熔融路径方法造成了很大的困难，其要求阳极的聚合物混合物中的活性材料的质量分数大于85％，使得所述阳极在电池组内表现出足够的容量。现在，在活性材料的这种含量下，混合物的粘度变得非常高，并导致混合物过热和在应用后失去机械内聚力的风险。US-A-5749927提出了一种通过挤压锂聚合物电池组电极来连续制备的方法，该方法包括将电极活性材料与电导体以及包含聚合物粘合剂如聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的固体电解质组合物，锂盐和相对于该聚合物大量过量的丙烯碳酸酯/乙烯碳酸酯混合物进行混合。在所述文件中，存在于所得阳极聚合物组合物中的活性材料的质量分数小于70％，这对于锂离子电池组显然是不足的。