[发明专利]水性氟聚合物组合物

说明书

本发明涉及对于制造锂离子电池(LIB)的电极有用的一种水性氟聚合物组合物。该氟聚合物组合物包含一种有机碳酸酯化合物，该化合物是比目前在水性氟聚合物粘合剂中使用的其他短效的助黏附剂更加环境友好的。特别有用的碳酸酯化合物是在室温下是固体的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸亚乙烯酯(VC)，和在室温下是液体的其他碳酸酯类如碳酸亚丙酯、碳酸甲酯、和碳酸乙酯。本发明的组合物是低成本的、环境友好的、更安全的，并且与目前的组合物相比具有提升的性能。

分案申请说明

本申请系申请日为2012年07月19日、国际申请号为PCT/US2012/047298、进入中国国家阶段后的国家申请号为201280030598.8、题为“水性氟聚合物组合物”的发明专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及一种对于制造锂离子电池(LIB)的电极有用的水性氟聚合物组合物。该氟聚合物组合物包含一种有机碳酸酯化合物，它是比目前在水性氟聚合物粘合剂中使用的其他短效的助黏附剂更加环境友好的。特别有用的碳酸酯化合物是在室温下是固体的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸亚乙烯酯(VC)，和在室温下是液体的其他碳酸酯类如碳酸亚丙酯、碳酸甲酯、和碳酸乙酯。本发明的组合物是低成本的、环境友好的、更安全的，并且与目前的组合物相比具有提高的性能。

发明背景

氟聚合物类是一个独特的材料家族，最经常用于要求异常高的性能、免维护、和服务寿命持久的地方。在氟聚合物类中，聚偏二氟乙烯(PVDF)具有极好的性能平衡和作为唯一的商业可接受的用于LIB阴极的粘合剂以及作为在聚合物电池中的隔膜(separator)长久历史。这种有用性来自在PVDF主链中交替的、产生高偶极矩导致与一大批材料的良好附着性和相容性的CH₂和CF₂基团。

US 5,776,637和US 6,200,703描述了使一种在有机溶剂中、特别是在NMP中的PVDF粘合剂溶液与一种粉末状的电极材料混合，以形成在非水型电池中使用的一种电极。该有机溶剂的作用主要是溶解PVDF以在该有机溶剂蒸发时提供在这些粉末状的电极材料颗粒之间的良好的粘附性(不可逆的粘附性)和相互连接性。这些黏结的粉末状电极材料一同应该能够容许在充电和放电的循环过程中大体积的膨胀和收缩而不损失这些电极内部的相互连接性。在一个电极中这些活性成分的相互连接性在电池性能上(尤其是在充电和放电循环过程中)是极其重要的，因为电子必须移动穿过该电极到集电体上并且锂离子必须在活性材料的粉末状颗粒之内以及在阳极和阴极之间移动。为了实现所希望的性能，将PVDF粘合剂以20比1的比率溶解在大体积的有机溶剂(如NMP)中，并且随后与粉末状的电极形成材料混合以生产浆料，在流延并干燥时该浆料将形成电极。

一种基于有机溶剂的浆料代表安全、健康、和环境危险。有机溶剂类通常是有毒的并且可燃的、本质上是挥发性的，并且涉及多种特殊的制造控制以缓和并且减少环境的污染和安全风险。此外，与有机溶剂的使用相关联的大量的碳足迹不是在环境上所希望的。此外，额外的制造步骤与捕获并再循环大量的在浆料制备和电极制作中所使用的NMP有关。一种合适的水性氟聚合物(特别是基于PVDF的一种)连同合适的配方可以消除在制作用于二次锂离子电池的电极时对大体积的有机溶剂的需要、并且克服与这类溶剂的使用相关的环境危害。

存在着一种环境驱动的、以及安全驱动的愿望以便能够生产优异的、基于互连的PVDF的电极，而不大量使用有机溶剂。

为了在电极形成过程中有效利用水性浆料，重要的是开发与当前制造惯例相容并且提供了中间产物和最终产物的所希望的多种特性的多种粘合剂系统。一些常见的指标包括：a)具有足够的保质期的水生氟聚合物分散体的稳定性，b)在混合了粉末状材料之后浆料的稳定性，c)浆料的用于促进良好的水性流延的适当粘度，以及d)干燥之后不可逆的、在电极内足够的相互连接性。此外，从法规的角度，没有含氟表面活性剂类制造的氟聚合物是优选的。