[發明專利]電極復合物的制備方法

無效

• 申請號: 201080009929.0
• 申請日: 2010-01-28
• 公開（公告）號: CN102341938A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: B·萊斯特里斯;D·居約馬爾;D·馬祖齊;L·魯埃
• 申請（專利權）人: 國立科學研究中心
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 過曉東

技術領域

本發明涉及用于制備鋰離子電池負極復合電極的組合物、所述組合物和電極的制備方法以及包含所述電極的電池。

背景技術

鋰離子電池包含至少一個負電極或陽極以及至少一個正電極或陰極，在它們之間設置浸有電解質的隔板。電解質是由溶解在溶劑中的鋰鹽形成的，該溶劑的選擇使離子的傳遞和離解最優化。

在鋰離子電池中，各個電極通常包含集流體，在其上沉積有復合材料，其包含對鋰有活性的材料、發揮粘合劑作用的聚合物(例如偏氟乙烯共聚物(PVdF))以及提供電子傳導性的試劑(例如炭黑)。在電池工作時，鋰離子從一個電極通過電解質傳輸至另一個電極。在電池放電時，一定量的鋰與來自電解質的正電極活性材料反應，并將相等的量從負電極活性材料引入電解質中，因此鋰濃度在電解質中保持恒定。嵌入正電極中的鋰通過從負電極經由外電路供應電子而加以補償。在充電時，發生相反的現象。

鋰離子電池用于許多設備中，包括手提式儀器，尤其是例如移動電話、電子計算機和輕便工具，或者較重的儀器，例如雙輪交通工具(自行車、摩托自行車)或四輪交通工具(電動或混合動力機動車)。對于所有這些應用至關重要的是，電池具有盡可能最高的每單位質量的能量密度(Wh/kg)以及每單位體積的能量密度(Wh/L)。在用于移動電話、電子計算機和輕便工具中的商用鋰離子電池中，負電極活性材料通常是石墨，而正電極活性材料是鈷的氧化物。基于此對的鋰離子電池的單位質量的能量密度為200Wh/kg。該電池的安全性不足以用于交通運輸應用。已投放市場的用于涉及交通運輸的應用的鋰離子電池包含石墨作為負電極上的活性材料以及正電極上的鐵的磷酸鹽，其單位質量的能量密度為110Wh/kg。

石墨的理論容量為372mAh/g石墨，而Si和Sn分別為3580mAh/gSi和1400mAh/g?Sn。因此，使用Si或Sn代替石墨能夠以更小的體積獲得相同的容量，或者以相同體積的材料獲得更大的容量。因此，在鋰離子電池中用硅代替石墨能夠獲得對于手提式應用320Wh/kg的能量密度，以及在交通運輸領域的應用中180Wh/kg的能量密度。

然而使用諸如Si、Sn或Ge的活性材料由于由充電和放電引起的Si顆粒的大的體積變化(高至300％)導致機械約束以及電極粘合力損失而具有缺點。該損失隨著時間伴隨著非常大的容量下降和內阻增加(N.Obrovac，L.Christensen，Electrochem.Solid-State?Lett.，2004，7，A93)。該缺點對于薄的Si薄膜更加有限，其會顯示出良好的循環性能(250nm的Si薄膜，在200次循環后，3600mAh·g^-1)，但是由于其厚度小而具有低的表面容量(小于0.5mAh·cm^-2)[T.Takamura，S.Ohara，M.Uehara，J.Suzuki，K.Sekine，J.Power?Sources，2004，129，96]。然而，與這些薄膜的沉積方法相關的高成本限制了其對于所有的手提式應用和交通運輸應用的商業發展[U.Kasavajjula，C.Wang，A.J.Appleby，J.Power?Sources，2007，163，1003]。

對于手提式應用，表面容量為3.0mAh·cm^-2的厚的負電極是通過將Si顆粒與電子傳導性試劑(例如炭黑)和聚合物粘合劑(例如PVdF)加以混合而獲得的。因為Si顆粒的膨脹及然后收縮以及其在形成與鋰的合金期間破碎成非常小的顆粒而導致由炭黑形成的網狀物的塌陷以及Si/碳接觸的損失，所以這些電極的循環性能差[J.H.Ryu，J.W.Kim，Y.-E.Sung，S.M.Oh，Electrochem.Solid-State?Lett.，2004，7，A306；W.-R.Liu，Z.Z.Guo，W.-S.Young，D.-T.Shieh，H.-C.Wu，M.-H.Yang，N.-L.Wu，J.，Power?Sources，2005，140，139]。碳/碳和Si/碳接觸的損失限制了陽極中的電子傳遞及因此限制了合金反應。