[發明專利]用于鋰離子可再充電電池組電池的粘合劑

在審

• 申請號: 201080018745.0
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN102439768A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: M·J·洛夫里奇;M·J·萊恩;E·克朗弗里
• 申請（專利權）人: 奈克松有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/134
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 劉金輝;林柏楠

技術領域

本發明涉及鋰離子可再充電電池組電池，尤其涉及一種用于這類電池中的粘合劑。

背景技術

目前，鋰離子可再充電電池組電池使用碳/石墨基陽極。包含石墨基陽極電極的傳統鋰離子可再充電電池組電池的基本構成如圖1所示。電池組可包含單個電池，但也可包含多于一個電池。

電池組電池通常包含用于陽極的銅集電器10和用于陰極的鋁集電器12，其適當地可外連至負載源或再充電電源上。應當注意的是，術語“陽極”和“陰極”在本說明書中作為連有負載的電池組意義上理解的那些術語使用，即術語“陽極”表示電池組的負極，術語“陰極”表示正極。石墨基復合陽極層14覆蓋集電器10，含鋰金屬氧化物基復合陰極層16覆蓋集電器12。在石墨基復合陽極層14與含鋰金屬氧化物基復合陰極層16之間提供有多孔塑料間隔物或隔離物20；在多孔塑料間隔物或隔離物20、復合陽極層14和復合陰極層16中分散有液體電解質材料。在一些情況下，可用聚合物電解質材料代替多孔塑料間隔物或隔離物20，在這些情況下聚合物電解質材料存在于復合陽極層14和復合陰極層16中。

當電池組電池充滿電荷時，鋰經由電解質從陰極中的含鋰金屬氧化物輸送至石墨基陽極中，在此通過與石墨反應以產生鋰碳化合物，通常為LiC₆而插入。復合陽極層中的電化學活性材料石墨的最大容量為372mAh/g。

公知的是可用硅代替石墨作為活性陽極材料(例如參見M.Winter，J.O.Besenhard，M.E.Spahr和P.Novak，Insertion?Electrode?Materials?for?Rechargeable?Lithium?Batteries，Adv.Mater.1998，10，第10期)。通常認為當用作鋰離子可再充電電池中的活性陽極材料時，硅可提供顯著高于目前所用石墨的容量。當通過在電化學電池中與鋰反應而轉化成化合物Li₂₁Si₅時，硅具有4,200mAh/g的理論最大容量，遠遠高于石墨的最大容量。因此，如果能在鋰可再充電電池組中用硅代替石墨，則可實現每單位質量和每單體體積儲能的極大提高。

在使用石墨基陽極的鋰離子可再充電電池組電池中，石墨呈其顆粒通過粘合劑保持在一起的細粉末形式。聚偏二氟乙烯(PVDF)和丁苯橡膠(SBR)為石墨陽極中最常用的粘合劑，但已提出其它粘合劑，例如US-5660948公開了在鋰離子電池的碳陽極中使用如下粘合劑：乙烯-丙烯-二烯三單體、PVDF、乙烯-丙烯酸共聚物和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物。

US-6399246教導了聚丙烯酸不能在鋰離子電池組電池的石墨陽極中提供良好的粘合性能并主張使用聚丙烯酰胺粘合劑。

US-6620547公開了具有碳陽極的鋰二次電池，其中可插入鋰，且通過基體聚合物保持由過渡金屬形成的陰極。所用聚合物對過渡金屬離子具有親合性，從而使得其保持在聚合物鏈上。所述聚合物可選自大量材料如聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯和聚氯乙烯。

US5260148公開了一種具有由粘合劑保持且由鋰化合物形成的陽極的鋰二次電池，所述粘合劑可為淀粉、羧甲基纖維素(CMC)、二乙酰纖維素、羥丙基纖維素、乙二醇、聚丙烯酸、聚四氟乙烯和聚偏二氟乙烯。

在鋰離子電池的石墨陽極中最常用的粘合劑(PVDF和SBR)在連續充電循環后，無法將硅基陽極中的硅電極材料粘結在一起，據信這是由于與電池充放電階段過程中鋰離子在硅材料中的插入和脫除有關的較大體積變化所導致的。該體積變化遠遠大于相應的石墨電極，當硅電極由于在放電過程中脫除鋰離子而收縮時，這可導致各硅顆粒并不能總是重新建立彼此之間以及與集電器的電接觸。

對硅體系所提出的替代粘合劑為羧甲基纖維素鈉(NaCMC)。當與用于生產集成電路(IC)Si-晶片的高純度硅類型聯合使用時，Na-CMC足以起到粘合劑的作用。然而，這種硅非常昂貴。當使用較廉價的較低品級硅時，則存在與粘合劑溶液化學不相容且導致硅/粘合劑混合物粘度降低的微量雜質。因此，所得涂層無法與集電器保持充分接觸，以致在喪失其保持電荷的能力之前，只能經歷有限次放電/再充電循環。