[發(fā)明專利]用于鋰離子電池組中的新的硅/石墨烯陽極的導(dǎo)電性聚合物粘結(jié)劑

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201780055194.7
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN109690836B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A-C·詹特舍夫;T·朗格爾;S·拉克斯;Z·賈;G·劉;H·趙
• 申請（專利權(quán)）人: 寶馬股份公司
• 主分類號: H01M4/133
• 分類號: H01M4/133;H01M4/62;H01M4/134;H01M4/1393;H01M4/1395;H01M10/0525
• 代理公司: 中國貿(mào)促會專利商標事務(wù)所有限公司 11038
• 代理人: 宓霞

從硅?石墨烯材料和導(dǎo)電性聚合物粘結(jié)劑聚(甲基丙烯酸1?芘甲酯?共?甲基丙烯酸)制備用于鋰離子電池組中的復(fù)合電極。還公開了制造方法。

政府支持說明

本文中描述和要求保護的發(fā)明部分地利用由美國能源部根據(jù)合同號DE-AC02-05CH11231提供的資金。政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開內(nèi)容一般地涉及鋰離子電池組并且更具體地涉及使用硅-石墨烯和導(dǎo)電性聚合物粘結(jié)劑復(fù)合電極的的鋰離子電池組。

背景技術(shù)

由于鋰離子可再充電電池組的高能量容量和輕的重量，它們是各種裝置，包括電動車輛(EV)和混合電動車輛(HEV)應(yīng)用的主要候選者。所有電池均由通過薄的隔膜電隔離并且與液體傳輸介質(zhì)電解質(zhì)組合的正電極(陰極)和負電極(陽極)構(gòu)成。典型地，常規(guī)Li離子電池的陽極為包括至少一種活性材料，即含碳材料、導(dǎo)電性添加劑和聚合物粘合劑的復(fù)合電極，陰極典型地也為復(fù)合電極，其具有作為活性材料的金屬氧化物、導(dǎo)電性添加劑和聚合物粘合劑，以及電解質(zhì)。陽極和陰極二者含有活性材料，鋰離子插入所述活性材料和從中提取。鋰離子通過電解質(zhì)在放電期間從負電極(陽極)移動至正電極(陰極)，并且在再充電期間從正電極(陰極)到負電極(陽極)反向移動。

電極設(shè)計一直是實現(xiàn)電動車輛(EV)電池組所需的能量和功率密度以及壽命性能的關(guān)鍵方面。現(xiàn)有技術(shù)的鋰離子電極已使用聚合物粘結(jié)劑來保證用于尺寸穩(wěn)定的層合體的復(fù)合電極的完整性。在鋰插入和去除過程中，聚合物粘結(jié)劑在維持機械電極穩(wěn)定性和導(dǎo)電性方面起關(guān)鍵作用。可以使用的典型粘結(jié)劑為淀粉、羧甲基纖維素(CMC)、二乙酰基纖維素、羥丙基纖維素、乙二醇、聚丙烯酸酯、聚(丙烯酸)、聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚氧化乙烯、聚(偏二氟乙烯)和橡膠，例如乙烯-丙烯-二烯單體(EPDM)橡膠或苯乙烯丁二烯橡膠(SBR)，或其共聚物，或其混合物。典型地，陽極和陰極需要不同的粘結(jié)劑。例如，苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)為主要用于制備陽極電極的粘結(jié)劑。聚偏二氟乙烯(PVDF)主要用于制備陰極電極。經(jīng)典的電極材料如鈷酸鋰(LiCoO₂)和石墨粉末是在電化學(xué)過程期間尺寸穩(wěn)定的材料。聚合物粘結(jié)劑材料如聚偏二氟乙烯(PVDF)適合于將這些顆粒粘合在一起并且保持層合體之內(nèi)的電連接的物理接觸。

該現(xiàn)有技術(shù)途徑相當好地工作，直至在復(fù)合電極中引入更高容量的電極材料如硅(Si)。硅(Si)材料作為鋰離子電池組最有希望的陽極候選物之一已被廣泛研究，因為它能提供比常規(guī)石墨基陽極大十倍以上的理論比容量。另外，由于硅含量豐富，當與鋰離子電池組應(yīng)用的其它替代品相比時，使用成本更低。然而，循環(huán)期間的Si體積變化已在復(fù)合電極中產(chǎn)生過度的應(yīng)力和移動并且增加了表面反應(yīng)。具體而言，Li與Si的電化學(xué)合金化得到Li_4.4Si作為最終鋰化狀態(tài)以及容量為4,200mAh/g。然而，隨著材料在充電期間從Si轉(zhuǎn)變至Li_4.4Si相，發(fā)生了近320％的體積膨脹。因為該高的體積變化，復(fù)合電極的電子完整性被破壞，并且引起高且連續(xù)的表面副反應(yīng)，這兩者都導(dǎo)致電池組的快速容量衰減，并且總體上降低了電池組壽命。

為了使用Si材料，必須采用新方法來組裝Si活性材料制品以及Si表面穩(wěn)定化。隨著對電池組應(yīng)用的Si表面性質(zhì)的深入了解和Si的增加的商業(yè)供應(yīng)，有機會/需要研究更好的Si組件和電極應(yīng)用的穩(wěn)定化。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的目的在于克服或至少減輕與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的一個或更多個困難和缺陷。將從以下公開內(nèi)容清楚本發(fā)明的這些和其它目的和特征。

本發(fā)明組合了硅-石墨烯材料和導(dǎo)電性聚合物粘結(jié)劑以構(gòu)建用于鋰離子電池組中的復(fù)合電極。設(shè)計導(dǎo)電性聚合物粘結(jié)劑以實現(xiàn)硅-石墨烯陽極材料的穩(wěn)定循環(huán)。