[發(fā)明專利]用于提高鋰離子電池性能的高純度SWCNT添加劑

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202080068657.5
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN114503320A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 席恩伊姆迪亞茲·布拉西姆;斯特凡·馬特
• 申請（專利權(quán)）人: 矢崎總業(yè)株式會社
• 主分類號: H01M10/02
• 分類號: H01M10/02;B82Y30/00;B82Y99/00
• 代理公司: 北京商專永信知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11400
• 代理人: 鄔玥;方挺

本發(fā)明涉及一種具有陰極的鋰離子電池，所述陰極包含活性材料和約1至5重量％的單壁碳納米管(SWCNT)作為導(dǎo)電添加劑，其中所述SWCNT具有小于5重量％的無機(jī)雜質(zhì)含量。與僅在所述陰極中使用常規(guī)導(dǎo)電碳添加劑的LiB電池相比，本發(fā)明的LiB陰極改善了性能特性，例如更高的容量、更低的電池電阻，以及在完全組裝的電池的循環(huán)中保持更大的容量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及純化的單壁碳納米管(SWCNT)作為鋰離子電池陰極中的導(dǎo)電添加劑的用途，與在陰極中僅使用常規(guī)導(dǎo)電碳添加劑(如炭黑)的鋰離子電池相比，其顯著改善完全組裝的電池的性能特性。

背景技術(shù)

鋰離子電池(LiB)通常用在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，并且對于用在混合氣電和全電動車輛中是有吸引力的。然而，對于廣泛的車輛應(yīng)用，需要電池性能的改進(jìn)。具體地，期望增加的能量密度、功率密度，更輕的重量和更好的可靠性。特別有吸引力的是更薄和/或更輕的電極材料，其具有更低的電阻、更有效的離子傳輸能力和用于電池的足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

越來越需要開發(fā)能夠提供比目前用LiB技術(shù)獲得的性能指標(biāo)更好的性能指標(biāo)的電池化學(xué)物質(zhì)。US DOE已經(jīng)為LiB電池設(shè)定了這樣的性能目標(biāo)－容量為350Wh/kg(750Wh/L)，連續(xù)操作至少1,000個循環(huán)，壽命預(yù)期為10+年。在電池模塊和電池組水平，目標(biāo)同樣是崇高的；在15至30分鐘內(nèi)快速充電(80％充電狀態(tài))，電池組成本降低至$125至$80/kWh。為了實現(xiàn)這些雄心勃勃的目標(biāo)，新的電池化學(xué)物質(zhì)將是關(guān)鍵的，特別是對于這種能量存儲裝置的陰極配方。常規(guī)的LiB組合物由具有Li金屬氧化物作為活性材料(例如鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)、鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)、磷酸鋰鐵(LFP)、鋰鈷氧化物(LCO)、鋰錳氧化物(LMO))的陰極組成。這些氧化物在形態(tài)上是顆粒狀的，并且需要包含聚合物粘合劑如聚偏二氟乙烯(PVDF)以在集流體上形成粘性電極涂層。PVDF粘合劑是絕緣的。此外，Li金屬氧化物是電阻性的。因此，導(dǎo)電添加劑(如炭黑)被包括在陰極配方中以降低總電極電阻。將所有這些組分與合適的溶劑如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、異丙醇(IPA)或水混合，并加工成用于涂層應(yīng)用的漿料。盡管必須包含粘合劑和導(dǎo)電添加劑，但這些組分對LiB電池的容量沒有貢獻(xiàn)。事實上，通常的做法是以最低的實際水平摻入這些非活性添加劑，從而使活性材料的濃度最大化。這種定制的陰極配方的結(jié)果是能量密度提高。

碳納米管(CNT)是主要由sp²雜化碳原子組成的一維圓柱形石墨納米結(jié)構(gòu)。CNT根據(jù)構(gòu)成其單個納米管結(jié)構(gòu)的圓柱形石墨片或“壁”的數(shù)目進(jìn)行分類。具有一個壁的納米管被稱為單壁碳納米管(SWCNT)，以將它們與具有兩個或更多個壁的對應(yīng)納米管(稱為多壁碳納米管(MWCNT))區(qū)分開來。具有兩個壁的MWCNT也稱為雙壁碳納米管(DWCNT)。兩種類型的CNT、SWCNT和MWCNT都具有納米尺寸的直徑和微米尺寸的長度，提供高的表面與體積比并產(chǎn)生高的縱橫比特性。由于單個SWCNT的典型直徑比單個MWCNT的直徑小5-50倍，所以SWCNT具有比MWCNT高得多的縱橫比。

需要用于LiB電池陰極的有益添加劑的新材料，以提高性能指標(biāo)，例如更高容量、更低電池電阻、更高的充電和放電倍率能力，以及在循環(huán)中保持更大的容量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)下一代先進(jìn)的Li離子電池。

附圖說明

圖1示出了Al箔上的含有SWCNT作為導(dǎo)電添加劑的LiB陰極材料的狹縫型擠壓式輥對輥涂層的圖像；(A)用于LiB能量電池的涂層，(B)用于LiB電源電池的涂層。

圖2是一組兩個圖表，示出了與具有常規(guī)炭黑導(dǎo)電添加劑(或“SP”,加拿大魁北克省泰勒博恩的益瑞石石墨和碳公司(Imerys GraphiteCarbon,Terrebonne,Quebec,Canada))的LiB電池相比，純化的SWCNT作為導(dǎo)電添加劑的18650型LiB能量電池的性能增益。

圖3是比較含有6重量％標(biāo)準(zhǔn)炭黑(SP)導(dǎo)電添加劑(標(biāo)記為“對照”)，1重量％純化的SWCNT+1重量％炭黑(SP)和2重量％純化的SWCNT的18650型LiB能量電池的壽命周期容量的圖表。