專利名稱：用于鋰電池的陽極組合物及使用它的陽極和鋰電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及鋰電池。更具體地，本發(fā)明涉及用于鋰電池的陽極組合物，該組合物能提高陽極特性和電池特性，同時使用水作為溶劑，并還涉及使用該組合物的陽極和鋰電池。
相關(guān)技術(shù)的描述近年來，隨著便攜式電子設(shè)備如個人數(shù)據(jù)助理(PDAs)、便攜式電話和筆記本電腦在各種領(lǐng)域被廣泛地使用，驅(qū)動這些電子設(shè)備的電池變得更小、更薄、更輕和品質(zhì)更佳。
由于具有諸如重量輕和高能量密度的優(yōu)點(diǎn)，鋰電池被用作許多便攜式電子設(shè)備的主要驅(qū)動源。與所有電池相同，鋰電池具有陽極和陰極，它們均由電活性材料組成。用于形成陰極的活性材料(下面稱為陰極活性材料)可以是含鋰過渡金屬氧化物比如LiCoO2和LiNiO2或硫族化合物比如MoS2。由于它們具有層狀的晶體結(jié)構(gòu)，這些化合物能允許鋰離子可逆地嵌入或脫出，從而被廣泛地用作鋰電池的陰極活性材料。
用作鋰電池的陽極的活性材料(下面稱為陽極活性材料)是鋰金屬。但是，在鋰電池充電/放電循環(huán)期間鋰金屬被嵌入和脫出時，有時針狀的鋰枝狀晶體會反復(fù)地沉積于陽極表面。這些針狀的鋰枝狀晶體不僅會降低電池的充電/放電效率，而且可與陰極接觸，從而導(dǎo)致內(nèi)部短路。
考慮到這些問題，已有建議另選陽極活性材料。例子有能讓鋰可逆嵌入/脫出的鋰合金，金屬粉末，含碳材料如石墨，金屬氧化物，或金屬硫化物。但是，當(dāng)在使用鋰合金板作為陽極的鋰電池中重復(fù)充電/放電循環(huán)時，由于合金板粉末化而使得集電效率降低，從而損壞電池的充電/放電循環(huán)特性。
由于這些缺點(diǎn)，陽極板不能僅由金屬粉末、含碳材料、金屬氧化物或金屬硫化物制成。因而，通常加入粘合劑。例如，可行的陽極是由含碳陽極活性材料和彈性的、基于橡膠的聚合物粘合劑的混合物制成的。
當(dāng)金屬氧化物或金屬硫化物被用作基礎(chǔ)陽極活性材料時，除了粘合劑外，還可使用導(dǎo)電材料以增強(qiáng)電池的充電/放電特性。一般，用于陽極的含碳材料被碾碎成粉末并與粘合劑混合，制成陽極板。然后，基于橡膠的聚合物被用作粘合劑，以包裹含碳材料微粒，但這會使鋰離子的嵌入和脫出反應(yīng)變得困難。結(jié)果，鋰電池的高效放電特性被顯著降低。
另一個缺點(diǎn)是，不管所用含碳材料的類型和形狀，僅使用常用的粘合劑而不用其它的添加劑，會使含碳材料與由金屬制成的金屬基底之間的粘附力差。作為補(bǔ)償，需要大量的粘合劑。含碳材料可被粘合劑覆蓋，但這會降低電池的高效放電特性。另一方面，如果為了維持放電特性而使用少量的粘合劑，那么陽極活性材料層會與基底分離。但是，這種構(gòu)造使得難于形成陽極板并且增加了形成低劣陽極板的可能性。在這點(diǎn)上，注意力集中在了尋找一種能增加含碳陽極活性材料與基底的粘附力，同時避免在鋰電池中過量使用粘合劑的替代方法。一種以前嘗試的解決方案披露了一種用于陽極的混合粘合劑，它包括聚酰胺酸和選自聚酰胺樹脂、聚乙烯吡咯烷酮和羥烷基纖維素的至少一種聚合物，用以確保有長的壽命周期并增強(qiáng)安全性。
但是，由于在干燥陽極板期間，在200-400℃的熱處理溫度下，用于混合粘合劑的聚酰胺酸一定會被除去，因而生產(chǎn)方法復(fù)雜并且在生產(chǎn)過程中陽極的物理性質(zhì)可能會改變。因而，建議聚乙烯吡咯烷酮和苯乙烯丁二烯橡膠(SBR)的混合粘合劑作為陽極的替代粘合劑材料。但是，由于其對兩種材料間的粘附力強(qiáng)度差異，使用該混合粘合劑會降低陽極的均一性，并導(dǎo)致在充電/放電循環(huán)期間陽極活性材料分離或使固體成分松散。
另外，生產(chǎn)陽極組合物的粘合劑通常需要有機(jī)溶劑比如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，它對人是有害的。因此，由于陽極生產(chǎn)方法復(fù)雜，需要多步驟處理和設(shè)備，以及污染物如有機(jī)溶劑排放帶來的環(huán)境污染，出現(xiàn)了問題。為了解決上述問題，提出了一種制備含水陽極活性材料的懸浮液的方法，該懸浮液含有作為溶劑的水和水溶的SBR粘合劑。但是，該方法的一個缺點(diǎn)是，少量使用僅基于SBR的粘合劑會導(dǎo)致上述粘附力和陽極特性的降低，因?yàn)镾BR的點(diǎn)接觸粘附性能以及與活性材料的接觸面積小導(dǎo)致SBR粘合劑的粘附力弱。結(jié)果，僅使用SBR粘合劑會導(dǎo)致活性材料從電極板上分離或降低活性材料間的粘附力。因而，僅使用SBR粘合劑會降低鋰電池的充電/放電循環(huán)特性。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于鋰電池的含水陽極組合物。本發(fā)明的含水陽極組合物對環(huán)境友好并且提供改善的懸浮液分散性，以及提高了一個或多個陽極活性材料與陽極板間的粘附力。另外，本發(fā)明提供一種由該陽極組合物制成的陽極。本發(fā)明還提供使用本發(fā)明的含水陽極組合物制成的陽極的鋰電池。
附圖簡介

圖1圖示了使用根據(jù)實(shí)施例1和對比實(shí)施例1制造的陽極的鋰蓄電池的低溫放電容量特性。
圖2圖示了使用根據(jù)實(shí)施例1-3和對比實(shí)施例1和2制造的陽極的鋰蓄電池的壽命周期特性。
本發(fā)明的詳細(xì)描述提供了一種陽極特性和電池性能有所改善的鋰電池，特別是具有高能量密度和優(yōu)異的低溫容量特性和周期特性。例如，在一個實(shí)施方案中，水溶的陰離子聚合電解質(zhì)被加入使用水作為溶劑的含水陽極組合物中，從而增加了懸浮液分散性和陽極活性材料與陽極板間的粘附力。
在一個實(shí)施方案中，合成橡膠粘合劑、水、基于纖維素的分散劑和水溶的陰離子聚合電解質(zhì)與陽極活性材料混合以制備陽極組合物，該陽極組合物被用于制造鋰電池。由于含有水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的陽極組合物能比常用方法更有效的分散，從而增強(qiáng)了陽極活性材料與陽極板間的粘附力并增加了陽極中陽極活性材料的量。粘附力的增強(qiáng)和陽極活性材料量的增加使得生產(chǎn)具有優(yōu)異電池特性的鋰電池成為可能。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案，作為陽極組合物一組分的陽極活性材料可以是，但不局限于，含碳材料如天然石墨、人造石墨、焦炭或碳纖維?？商娲?，陽極活性材料可以是含有一個或多個選自能形成鋰基合金的Al、Si、Sn、Ag、Bi、Mg、Zn、In、Ge、Pb和Ti的化合物。在另一個實(shí)施方案中，陽極活性材料可以是含碳材料和含有一個或多個選自Al、Si、Sn、Ag、Bi、Mg、Zn、In、Ge、Pb和Ti的化合物的絡(luò)合物。在另一個實(shí)施方案中，陽極活性材料是含鋰氮化物。
陽極活性材料對電池性能起到重要的作用，并且為了提高電池性能，其在陽極組合物中應(yīng)占主要。在本文中，陽極活性材料用量為90-99重量％，基于陽極組合物的總量。如果陽極活性材料的量低于90重量％，電池性能會由于缺少陽極活性材料而降低。另一方面，如果超過99重量％，陽極活性材料的分散性和粘附力會下降。
對鋰電池的陽極集電器沒有限制，只要它是在鋰電池中不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的導(dǎo)電體。作為例證地，陽極集電器可由不銹鋼、鎳、銅、鈦或銅合金制成?？商娲兀捎赏糠罅颂?、鎳、鈦或銀的銅或不銹鋼制成。
在一個實(shí)施方案中，含水陽極組合物中所含的水溶的陰離子聚合電解質(zhì)是在其聚合鏈上含有離解基團(tuán)的聚合物或是與該聚合物性質(zhì)相似的化合物。換句話說，水溶的陰離子聚合電解質(zhì)是當(dāng)離解基團(tuán)(如鈉離子或氫離子)在溶劑如水中離解時，分子帶負(fù)電荷的化合物。本發(fā)明的實(shí)施方案使用水溶的陰離子聚合電解質(zhì)通過陽極組合物中帶負(fù)電荷的粒子間的電子相互排斥作用增加分散性。適宜的水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的例子有檸檬酸，檸檬酸鹽，酒石酸，酒石酸鹽，琥珀酸，琥珀酸鹽，聚(甲基)丙烯酸，聚(甲基)丙烯酸鹽，以及它們的混合物。為了增加在水中的溶解性，水溶的陰離子聚合電解質(zhì)可以是上述物質(zhì)的鈉鹽或銨鹽。
在多個實(shí)施方案中，水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的用量為約0.1-4.0重量％，優(yōu)選0.2-2.0重量％，基于陽極組合物的總量。如果水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的用量少于約0.1重量％，則不能獲得足夠的添加效果。另一方面，如果超過約4重量％，則粘度增加且不能進(jìn)一步增加分散性，這不適于制備陽極活性材料懸浮液。
本發(fā)明的鋰電池的陽極組合物中所含的合成橡膠粘合劑例如可以是苯乙烯丁二烯橡膠，腈丁二烯橡膠，(甲基)丙烯酸甲酯丁二烯橡膠，氯丁二烯橡膠，羧基改性的苯乙烯丁二烯橡膠，改性的聚有機(jī)硅氧烷聚合物，或它們的混合物。
合成橡膠粘合劑與水溶的陰離子聚合電解質(zhì)混合使用，可減少由于陽極活性材料的粘附力差導(dǎo)致的陽極活性材料分層和內(nèi)部短路。由此，鋰電池的充電/放電循環(huán)特性得以增強(qiáng)。此外，由于含水陽極組合物的分散性好，陽極活性材料的量增加，這使得生產(chǎn)具有高能量密度和良好安全性的鋰電池成為可能。
合成橡膠粘合劑的用量為約0.1-4.0重量％，優(yōu)選約1.0-3.0重量％，基于陽極組合物的總量。如果合成橡膠粘合劑的用量少于約0.1重量％，則陽極活性材料會脫離陽極集電器。這使得難于制造陽極板并且增加了形成低劣陽極板的可能性。另一方面，如果超過4.0重量％，則陽極被合成橡膠粘合劑覆蓋，使得陽極的內(nèi)部電阻增加并且降低了電池的放電容量效率。
在一個實(shí)施方案中，陽極組合物中所含的基于纖維素的分散劑是羧甲基纖維素，羧乙基纖維素，氨乙基纖維素，乙氧基纖維素，或它們的混合物。為了增加在水中的溶解性，基于纖維素的分散劑可以是上述物質(zhì)的鈉鹽或銨鹽。
在一個示例中，基于纖維素的分散劑的用量為約0.1-4.0重量％，優(yōu)選約1.0-3.0重量％，基于陽極組合物的總量。如果基于纖維素的分散劑的用量少于約0.1重量％，則陽極組合物的粘度會很低，這會使涂撒困難。另一方面，如果超過4.0重量％，則陽極組合物的粘度增加，并且陽極活性材料的懸浮液不適于作為涂敷材料。為了消除該問題，需要減少陽極活性材料的用量。但是，減少陽極活性材料的用量會有損陽極特性。
為了生產(chǎn)高容量的鋰電池，每單位重量或體積的活性材料的量應(yīng)盡可能高。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，向陽極組合物中添加水溶的陰離子聚合電解質(zhì)能增加陽極組合物的分散性(如導(dǎo)致更大量的活性材料沉積)。陽極組合物中活性材料量的增加，反過來又增強(qiáng)了鋰電池的性能。
為了增加粘合劑的粘附力以及活性材料的分散性，本發(fā)明的一個實(shí)施例將合成橡膠粘合劑與水溶的陰離子聚合電解質(zhì)以及基于纖維素的分散劑混合使用。這導(dǎo)致鋰電池具有增高的性能。
現(xiàn)在將詳細(xì)地介紹根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方案生產(chǎn)鋰電池的方法。
首先，根據(jù)生產(chǎn)鋰電池常用的方法制備陰極板。為此，將陰極活性材料和粘合劑溶于溶劑中。所得混合物中再加入增塑劑或?qū)щ姴牧希频藐帢O組合物。然后鋁箔被包裹上陰極組合物并干燥，制得陰極板。陰極活性材料可以是一種或多種選自下述的材料鋰金屬復(fù)合氧化物，硫元素，溶有Li2Sn(n≥1)的硅鉛鈾礦，有機(jī)硫，和(C2Sx)y其中x為2.5-20且y≥2。
根據(jù)本發(fā)明的陽極板通過實(shí)施例1所示的方法制備，描述如下。
現(xiàn)在將解釋在本發(fā)明制備過程中使用的電解質(zhì)的制備方法。
在本文中使用的電解質(zhì)所含的鋰鹽沒有特別的限制，只要在有機(jī)溶劑中它能離解出鋰離子。例如，該鋰鹽可以是至少一種選自下述的鋰鹽高氯酸鋰(LiClO4)，四氟硼酸鋰(LiBF4)，六氟磷酸鋰(LiPF6)，三氟甲烷磺酸鋰(LiCF3SO3)，和二三氟甲烷磺酰胺鋰(LiN(CF3SO2)2)。在一個實(shí)施方案中，鋰鹽的濃度為約0.5-2.0M。如果鋰鹽的濃度超出該給出的范圍，則離子的電導(dǎo)率會不足。含有上述無機(jī)鹽的有機(jī)電解質(zhì)能允許鋰離子在陰極和陽極間移動。
在本文中描述的本發(fā)明實(shí)施方案中所用的電解質(zhì)中所含的有機(jī)溶劑可以是一種或多種選自下述的聚甘醇二醚化合物，二氧戊環(huán)化合物，碳酸酯化合物，2-氟苯，3-氟苯，4-氟苯，二甲氧基乙烷，和二乙氧基乙烷。
聚甘醇二醚化合物可以是一種或多種選自下述的二(乙二醇)二甲醚，二(乙二醇)二乙醚，三(乙二醇)二甲醚，三(乙二醇)二乙醚。
二氧戊環(huán)化合物可以是一種或多種選自下述的1，3-二氧雜環(huán)戊烷，4，5-二乙基-二氧雜環(huán)戊烷，4，5-二甲基-二氧雜環(huán)戊烷，4-甲基-1，3-二氧雜環(huán)戊烷，和4-乙基-1，3-二氧雜環(huán)戊烷。
碳酸酯化合物可以是一種或多種選自下述的碳酸亞甲酯，碳酸亞乙酯，碳酸亞丙酯，碳酸二乙酯，碳酸二甲酯，γ-丁內(nèi)酯，碳酸二甲酯，碳酸甲乙酯，碳酸二乙酯，和碳酸亞乙烯酯。
在一個實(shí)施方案中，有機(jī)溶劑是碳酸亞乙酯(EC)、碳酸乙甲酯(EMC)、碳酸亞丙酯(PC)和氟苯(FB)的混合物；或二甘醇二甲醚(DGM)、二甲氧基乙烷(DME)和1，3-二氧戊烷(DOX)的混合物。
有機(jī)溶劑的用量可以是在鋰電池中的常規(guī)用量。
根據(jù)本發(fā)明的鋰電池可以利用本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何一種常用方法生產(chǎn)，只要陰極板、陽極板和電解質(zhì)按上面描述的生產(chǎn)。
例如，鋰電池可根據(jù)下述非限制性的三種方法生產(chǎn)。其它方法也可以使用。但是，將介紹三種說明性的方法。在一種方法中，含有陽極、隔板和陰極的電極裝置被裝入電池箱中，隨后加入由上述制成的電解質(zhì)。在另一種方法中，用于基體形成的聚合物樹脂與本發(fā)明的電解質(zhì)混合，形成聚合電解質(zhì)組合物，將聚合電解質(zhì)組合物涂敷在電極或隔板上，形成電極裝置，隨后電極裝置被裝入電池箱中用以生產(chǎn)鋰電池。在另一種方法中，用聚合物樹脂的預(yù)聚物或聚合單體用于基體形成，將含有預(yù)聚物或聚合單體和本發(fā)明電解質(zhì)的聚合電解質(zhì)組合物涂敷在電極或隔板上，形成電極裝置，隨后電極裝置被裝入電池箱中，然后加熱或光化射線輻射電池箱，使得預(yù)聚物或聚合單體聚合，生產(chǎn)得到鋰電池。
一般，對在上述方法中使用的隔板沒有特別的限制，只要它能用于鋰電池。但是，在一個實(shí)施方案中，使用了對電解離子移動低阻力且具有好的保持電解液能力的隔板。在另一個實(shí)施方案中，使用了由玻璃纖維、聚酯、特氟隆、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、PE/PP、PE/PP/PE、PP/PE/PP或它們的混合物制成的無織物或織物隔板?？商娲?，隔板可以是聚乙烯和/或聚丙烯多孔膜，它幾乎不與有機(jī)溶劑反應(yīng)，從而更加安全。
在上述方法中用于基體形成的聚合物樹脂沒有特別的限制。可使用任何用于電極板的粘合劑材料，例如聚偏二氟乙烯/六氟丙烯共聚物，聚偏二氟乙烯，聚丙烯腈，聚甲基丙烯酸甲酯，或它們的混合物。
用于基體形成的聚合物樹脂還可以包含填充劑如硅石、高嶺土和礬土，以增加聚合電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度。用于基體形成的聚合物樹脂還可以包含增塑劑。
在本文中，對于含有電解質(zhì)的鋰電池的類型沒有特別的限制。例如可使用原電池，蓄電池和鋰硫電池。
在本文中，對于含有根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的電解質(zhì)的鋰電池的形狀沒有特別的限制。例如可使用棱形鋰電池和圓柱形鋰電池。
下面將用實(shí)施例和對比實(shí)施例更具體的描述本發(fā)明。但下述實(shí)施例僅用于說明而對本發(fā)明沒有限制。
實(shí)施例1在水中加入97重量％的天然石墨，1.0重量％的羧甲基纖維素(CMC)，1.0重量％的苯乙烯丁二烯橡膠(SBR)和1.0重量％的聚(甲基丙烯酸)(Aldrich)，并用陶瓷球球磨約10小時。用300μm的刮刀將混合物涂撒到銅箔上，并在約90℃烘箱內(nèi)干燥約10小時，得到陽極板。陽極板經(jīng)輥壓并切割成預(yù)定的大小，得到厚度為120μm的陽極板樣品。
實(shí)施例2除了在水中加入97重量％的天然石墨，1.0重量％的CMC，1.0重量％的SBR和1.0重量％的聚(丙烯酸)(Aldrich)外，用與實(shí)施例1相同的方式制備陽極板樣品。
實(shí)施例3除了在水中加入95重量％的天然石墨，2.0重量％的CMC，2.0重量％的SBR和1.0重量％的聚(甲基丙烯酸)(Aldrich)外，用與實(shí)施例1相同的方式制備陽極板樣品。
實(shí)施例4除了在水中加入96重量％的天然石墨，1.5重量％的CMC，1.0重量％的SBR，0.9重量％的檸檬酸鹽和0.6重量％的酒石酸(Aldrich)外，用與實(shí)施例1相同的方式制備陽極板樣品。
實(shí)施例5除了在水中加入97重量％的天然石墨，1.0重量％的CMC，1.0重量％的SBR和1.0重量％的聚(丙烯酸鈉鹽)(Aldrich)外，用與實(shí)施例1相同的方式制備陽極板樣品。
實(shí)施例6
除了在水中加入97重量％的天然石墨，1.0重量％的CMC，1.0重量％的甲基丙烯酸甲酯丁二烯橡膠和1.0重量％的聚(甲基丙烯酸)(Aldrich)外，用與實(shí)施例1相同的方式制備陽極板樣品。
對比實(shí)施例1除了在水中加入97重量％的天然石墨，1.5重量％的CMC，1.5重量％的SBR外，用與實(shí)施例1相同的方式制備陽極板樣品。
對比實(shí)施例2除了在水中加入98重量％的天然石墨，1.0重量％的CMC，1.0重量％的SBR外，用與實(shí)施例1相同的方式制備陽極板樣品。
制備1鋰電池將96重量％的LiCoO2，作為粘合劑的2重量％的聚(偏二氟乙烯)(PVDF)，和作為傳導(dǎo)劑的2重量％的炭黑(產(chǎn)品名Supper-P)混合在一起，并向其中加入100ml的N-甲基吡咯烷酮(NMP)。所得混合物在200ml的塑料瓶中用陶瓷球球磨約10小時，用250μm的刮刀將混合物涂撒到15μm厚的鋁箔上，并在約110℃的烘箱內(nèi)干燥約12小時，以完全蒸發(fā)NMP。然后，所得陰極板經(jīng)輥壓并切割成預(yù)定的大小，得到厚度為95μm的陰極板樣品。
厚度為20μm的聚乙烯/聚丙烯多孔膜(Celgard Inc.產(chǎn)品號#2300)被用作隔板。
將多孔膜放入陰極板樣品和根據(jù)實(shí)施例1-6和對比實(shí)施例1和2的每個陽極板樣品之間，并且將其螺旋卷曲得到膠卷結(jié)構(gòu)的電池裝置。隨后，電池裝置被裝入圓柱形電池箱中并且無水電解質(zhì)被注入該圓柱形電池箱然后密封，得到1,800mAh級的鋰蓄電池。
同時，5.3g的含有1.1M LiPF6的碳酸亞乙酯(EC)、碳酸乙甲酯(EMC)、碳酸亞丙酯(PC)和氟苯(FB)(EC/EMC/PC/FB＝30/55/5/10，體積比)的混合有機(jī)溶劑被用作無水電解質(zhì)。
評價1放電容量在-10℃下，用0.2庫侖(C)的電流評價根據(jù)制備1得到的鋰電池的放電容量，并且結(jié)果示于圖1。從圖1可以看出，使用實(shí)施例1的陽極板樣品的鋰電池在低溫下顯示出好的容量特性。這表明陽極板的電特性通過聚甲基丙烯酸酯的分散增強(qiáng)作用而增強(qiáng)，聚甲基丙烯酸酯被用作實(shí)施例1中的水溶的陰離子聚合電解質(zhì)。在圖1和2中，“E”表示實(shí)施例且“CE”表示對比實(shí)施例。
評價2粘附力為了評價粘附力，將不銹鋼棒(直徑4mm)垂直地放在實(shí)施例1-6和對比實(shí)施例1和2的陽極板樣品上，并且用變化垂直重力的棒刮陽極樣品。當(dāng)涂敷膜從銅箔上剝離時測量垂直重力，并在下表1中給出了涂敷膜的剝離力結(jié)果。
表1
評價3壽命周期特性評價了根據(jù)制備1得到的鋰蓄電池的壽命周期特性，并且結(jié)果示于圖2。圖2顯示了具有標(biāo)準(zhǔn)1,800mAh放電容量的鋰蓄電池在以1庫侖速率充放電的200次循環(huán)過程中放電容量的變化。從圖2可以看出，使用實(shí)施例1-3的陽極板樣品的鋰蓄電池在經(jīng)200次循環(huán)后放電容量仍維持在約1,620mAh或更高，它們與使用對比實(shí)施例1和2的陽極板樣品的鋰蓄電池相比，具有優(yōu)異的放電容量維持率，即壽命周期。
在下表2中給出了結(jié)果。表2顯示了根據(jù)制備1得到的具有標(biāo)準(zhǔn)1,800mAh放電容量的鋰蓄電池在經(jīng)過以1庫侖速率充放電的200次循環(huán)后的放電容量，以及與標(biāo)準(zhǔn)放電容量的放電容量百分比。
表2
從表2中看出，與使用對比實(shí)施例1和2的陽極板樣品的鋰蓄電池相比，使用實(shí)施例1-3的陽極板樣品的鋰蓄電池在200次循環(huán)后顯示出顯著提高的壽命周期特性。從上述結(jié)果中可以看出，含有水溶的陽離子聚合電解質(zhì)的陽極組合物對基底的粘附力增加，如上述表1所示，這提高了鋰電池的壽命周期和其它特性。
從上述描述中可明顯看出，根據(jù)本發(fā)明的鋰電池陽極組合物含有水溶的陰離子聚合電解質(zhì)、合成橡膠粘合劑和基于纖維素的分散劑，用以增強(qiáng)懸浮液的分散性和對陽極板的粘附力。由此可避免在反復(fù)充電/放電循環(huán)期間由于內(nèi)部電池電阻增加和陽極板粘附力下降而導(dǎo)致的陽極板脫離和內(nèi)部短路，從而使鋰電池具有長的壽命周期。此外，本發(fā)明的陽極組合物能確保陽極內(nèi)陽極活性材料的量增加。本發(fā)明的陽極組合物懸浮液的高分散性還確保了在低溫下的良好電池容量特性。
例如，本發(fā)明的鋰電池使用了含有對人體無害的水作為溶劑的含水陽極組合物。因此，不必回收溶劑并且減少了環(huán)境污染。另外，本發(fā)明的鋰電池可有效地用作便攜式電子設(shè)備如便攜式電話、PDA和筆記本電腦以及常規(guī)電子設(shè)備的能源。
盡管本發(fā)明已用其具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是可以理解，在不脫離由下述權(quán)利要求限定的本發(fā)明精神和范圍的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可作出各種形式和細(xì)節(jié)的變化。
權(quán)利要求
1.一種用于鋰電池的陽極組合物，該陽極組合物含有陽極活性材料；合成橡膠粘合劑基于纖維素的分散劑；和水溶的陰離子聚合電解質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1的陽極組合物，其中陽極活性材料的用量是90-99重量％，合成橡膠粘合劑的用量是0.1-4.0重量％，基于纖維素的分散劑的用量是0.1-4.0重量％，以及水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的用量是0.1-4.0重量％。
3.如權(quán)利要求1的陽極組合物，其中水溶的陰離子聚合電解質(zhì)選自檸檬酸，酒石酸，琥珀酸，聚(甲基)丙烯酸，它們的鹽以及它們的混合物。
4.如權(quán)利要求1的陽極組合物，其中水溶的陰離子聚合電解質(zhì)選自鈉鹽和銨鹽。
5.如權(quán)利要求1的陽極組合物，其中合成橡膠粘合劑選自苯乙烯丁二烯橡膠，腈丁二烯橡膠，(甲基)丙烯酸甲酯丁二烯橡膠，氯丁二烯橡膠，羧基改性的苯乙烯丁二烯橡膠，改性的聚有機(jī)硅氧烷聚合物，和它們的混合物。
6.如權(quán)利要求1的陽極組合物，其中基于纖維素的分散劑選自羧甲基纖維素，羧乙基纖維素，氨乙基纖維素，乙氧基纖維素，和它們的混合物。
7.如權(quán)利要求6的陽極組合物，其中基于纖維素的分散劑選自鈉鹽和銨鹽。
8.如權(quán)利要求1的陽極組合物，其中陽極活性材料選自天然石墨、人造石墨、焦炭和碳纖維的含碳材料。
9.一種鋰電池的陽極，該陽極含有含有陽極活性材料、合成橡膠粘合劑、基于纖維素的分散劑和水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的陽極組合物，該水溶的陰離子聚合電解質(zhì)選自檸檬酸，酒石酸，琥珀酸，聚(甲基)丙烯酸，它們的鹽以及它們的混合物。
10.使用權(quán)利要求9的陽極的鋰電池。
11.如權(quán)利要求1的陽極組合物，其中陽極活性材料是選自Al、Si、Sn、Ag、Bi、Mg、Zn、In、Ge、Pb和Ti的化合物。
12.如權(quán)利要求1的陽極組合物，其中陽極活性材料是含鋰氮化物。
13.如權(quán)利要求1的陽極組合物，其中陽極活性材料是選自Al、Si、Sn、Ag、Bi、Mg、Zn、In、Ge、Pb和Ti的絡(luò)合物。
14.含有陽極的鋰電池，該陽極含有含有陽極活性材料、合成橡膠粘合劑、基于纖維素的分散劑和水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的陽極組合物，其中該水溶的陰離子聚合電解質(zhì)選自下述組中的一組第一組為檸檬酸，酒石酸，琥珀酸，聚(甲基)丙烯酸，它們的鹽以及它們的混合物；和第二組為鈉鹽和銨鹽。
15.如權(quán)利要求14的鋰電池，其中陽極活性材料的用量是90-99重量％，合成橡膠粘合劑的用量是0.1-4.0重量％，基于纖維素的分散劑的用量是0.1-4.0重量％，以及水溶的陰離子聚合電解質(zhì)的用量是0.1-4.0重量％。
16.如權(quán)利要求14的鋰電池，其中合成橡膠粘合劑選自苯乙烯丁二烯橡膠，腈丁二烯橡膠，(甲基)丙烯酸甲酯丁二烯橡膠，氯丁二烯橡膠，羧基改性的苯乙烯丁二烯橡膠，改性的聚有機(jī)硅氧烷聚合物，和它們的混合物。
17.如權(quán)利要求14的鋰電池，其中基于纖維素的分散劑選自羧甲基纖維素，羧乙基纖維素，氨乙基纖維素，氧乙基纖維素，和它們的混合物。
18.如權(quán)利要求14的鋰電池，其中基于纖維素的分散劑選自鈉鹽和銨鹽。
19.如權(quán)利要求14的鋰電池，其中陽極活性材料選自天然石墨、人造石墨、焦炭和碳纖維的含碳材料。
20.如權(quán)利要求14的鋰電池，其中陽極活性材料是含鋰氮化物的含碳材料。
全文摘要
提供了一種用于鋰電池的陽極組合物，以及使用該陽極組合物的陽極和鋰電池。該陽極組合物能提高陽極和電池特性，同時使用對人體無害的水作為溶劑。該陽極組合物包括陽極活性材料、合成橡膠粘合劑、基于纖維素的分散劑和水溶的陰離子聚合電解質(zhì)。
文檔編號H01M4/38GK1574425SQ20041005503
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月20日
發(fā)明者崔榮敏, 金庚鎬, 白云揆 申請人:三星Sdi株式會社