[發明專利]制造鋰系電化學電池用電極的方法

有效

• 申請號: 200980107810.4
• 申請日: 2009-03-06
• 公開（公告）號: CN101965658A
• 公開（公告）日: 2011-02-02
• 發明（設計）人: 帕特里克·勒布朗;弗雷德里克·科頓;戴夫·萊薩德;阿蘭·瓦利
• 申請（專利權）人: 加拿大巴斯姆有限公司
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;C08J5/22;C08L71/02;H01M4/60
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 顧晉偉;吳鵬章

技術領域

本發明涉及用于鋰系電化學電池的電極的制造方法。

背景技術

制造用于鋰離子型電化學電池的正極薄片的方法典型地包括將通常為粉末狀的活性電極材料與導電材料如碳或石墨顆粒以及聚合物粘合劑混合到有機溶劑中，然后共混形成勻化的電極漿料。然后，將電極漿料涂覆到薄層或膜狀的集流體片上，并且通過加熱薄膜蒸發有機溶劑來將其從薄膜去除。所得干燥正極薄片通常是多孔的，并且不含電解質。干燥的正極薄片與隔離器和對應的負極進行組裝，并且用其中溶解有鋰鹽的離子導電的液體電解質使組合件變得飽和，從而形成鋰離子電化學電池。多孔正極填充有電解質以確保在正極和負極之間進行離子交換。

當以大的批次或連續工藝進行生產時，可能超過環境指標的大量蒸發溶劑可能需要被回收以避免環境污染，而回收工藝需要特殊裝置以防止氣態形式的溶劑逃逸到環境中，以及特種設備以用于操作和儲存用過的溶劑，該溶劑后續必須被處置掉或重新使用。

制造用于固體型鋰系電化學電池的正極材料薄片的其他涂覆工藝將由鋰鹽溶劑化聚合物和鋰鹽(用作粘合劑以及電解質)組成的電解質引入電極混合物中。包含活性電極材料、導電材料、溶劑化聚合物和鋰鹽的正極混合物與有機溶劑共混在一起形成勻化的電極漿料。然后將電極漿料涂覆到薄層或膜狀的集流體片上，并且通過加熱薄膜蒸發有機溶劑來將其從薄膜去除。因為電解質已經在電極中并且填充活性電極顆粒之間的空間，所以由此產生的正極薄片幾乎沒有孔隙。然后將正極薄片與由相同或不同聚合物和鋰鹽構成的固體的離子導電電解質片以及對應的負極進行組裝，從而形成鋰系電化學電池。

在兩種情形中，調節有機溶劑的量以充分稀釋電極混合物，目的是降低其粘度，使得電極混合物可以鋪展成薄層。在兩種情形中，在與電解質隔離器和負極進行組裝形成電化學電池之前，必須除去有機溶劑。當以大批量或連續工藝進行生產時，可能必須對有機溶劑進行回收和/或處理以避免以氣態形式排放到環境中。

US專利申請US2006/0166093公開了一種制造正極和/或負極材料的方法，其中加工溶劑是水。該公開的方法使用混有增稠劑的所謂水溶性合成橡膠(SBR)作為電極粘合劑。制備適于鋪展的水溶液，其包括電化學活性材料、水溶性合成橡膠、增稠劑、任選的電子導電材料和作為溶劑的水。電極材料的水溶液不包含鋰鹽，原因是鋰鹽已知具有吸濕性，其將使電極在鋪展成膜形式后難以進行干燥以除去水。長時間(12-24小時)干燥膜以將含水量降低至低于2000ppm，最優選低于50ppm。所生產的電極片是多孔的，目的是允許包含鋰鹽的液體或凝膠化電解質滲入，從而為電極中的電化學活性材料顆粒提供離子導電路徑。因此，所公開的用于制造電極的方法是兩步法，其中首先將不包含電解質的電極組分在水中混合并干燥，并且在干燥基礎電極時，添加包含鋰鹽的電解質以形成工作電極。因此，所公開的方法專用于鋰離子型電化學電池，而不適于制造具有固體電解質的鋰系電化學電池，所述鋰系電化學電池需要在組裝到電化學電池中之前將鋰鹽引入正極中。

因此，需要有成本效益的且對環境友好的電極制造方法和工藝，所述電極引入離子導電電解質以用于鋰系電化學電池。

發明內容

本發明的一個方面是提供一種用于制造鋰系電化學電池用電極片的方法，其包括如下步驟：a)將可溶于水的聚醚聚合物或共聚物、至少一種鋰鹽、至少一種電化學活性材料和水混合以形成包含至少20wt％的活性電極材料、至少5wt％的聚醚聚合物或共聚物以及至少1.5wt％的鋰鹽的水基(water-based)溶液/懸浮液；b)以電極薄膜的形式將所述水基溶液/懸浮液涂覆到電極支撐體上；和c)干燥所述電極薄膜以獲得殘留水少于1000ppm的電極薄片。

本發明的另一方面提供的是，所述電極薄片在干燥之后具有小于10％的孔隙度。

本發明的另一方面提供的是，將至多10％的導電材料混入所述水基溶液/懸浮液中。

本發明的另一方面提供的是，所述水基溶液/懸浮液包含水和一種或更多種可與水混溶的有機溶劑，所述有機溶劑最多為50體積％。

本發明的另一方面提供的是，所述有機溶劑選自醇、醇混合物、酮、酮混合物、醇和酮的混合物以及多種醇和多種酮的混合物。

本發明的另一方面提供的是，將防沫劑混入所述水基溶液/懸浮液中。

本發明的又一方面提供的是，將導電材料混入所述水基溶液/懸浮液中。

本發明的另一方面提供的是，通過利用多個漸進(incremental)溫度階段進行的熱對流、熱傳導和/熱輻射干燥方法來干燥電極薄膜。