[发明专利]用于锂离子电池电极的导电性聚合物粘合剂

说明书

相关申请的交叉引用

本PCT申请要求Liu等发明人在2009年5月18日提交的美国临时申请61/179,258号和在2009年9月16日提交的美国临时申请61/243,076号的优先权，这两篇美国临时专利申请的标题都为“用于锂离子电池电极的导电性聚合物粘合剂”，其各自通过引用结合到本文中，如同将它们整体陈述一般。

政府资助声明

本文描述并要求保护的本发明部分地利用由美国能源部以合约DE-AC02-05CH 11231号提供的资助进行。美国政府对本发明享有一定权利。

发明领域

概括地讲，本发明涉及锂离子电池，更具体讲，涉及用于形成产生电荷密度增加的电池电极的硅电极的改善的聚合物粘合剂。

发明背景

锂离子电池是一类可再充电电池，其中锂离子在负极与正极之间移动。在放电期间锂离子从负极经电解质移动到正极，反过来，在再充电期间锂离子从正极经电解质移动到负极。负极最常由石墨制成，该材料由于在充电和放电循环期间的稳定性而特别优选，因为其形成具有极小体积变化的固态电解质界面(SEI)层。

锂离子电池被日益接受作为需要高能密度和长寿命的便携式电子设备如移动式电话和膝上型计算机的电源。这类电池也作为电源而在再充电循环能力和能量密度为关键要求的汽车中获得应用。在这方面，正在改善电解质和改善电极的领域进行研究。为了满足当前作为目标的40英里插电式混合动力汽车的能量密度要求，还有待开发用于锂离子电池的大容量电极。

一种方法是用硅代替石墨作为负极。值得注意的是，石墨电极按LiC₆倍率为372mAh/g(毫安小时/克)，而硅电极按Li_4.4Si倍率为4,200mAh/g，其要好十倍以上。然而，许多问题妨碍该材料用作锂离子电池的负极材料。Si的全容量循环由于在嵌锂(锂化)和脱锂(去锂化)期间的大体积变化而导致显著容量衰减。在合理循环率期间的该体积变化在微米尺寸粒子中引发显著量的应力，导致粒子破碎。因此，用微米尺寸粒子制成的电极必须在有限的电压范围内循环以使体积变化减至最小。

使粒度降低到纳米尺寸可为适应体积变化的有效方法。然而，循环期间的重复体积变化也可引起粒子在电极基体中再定位和导致粒子自导电基体脱位。即使硅粒子没有破碎，该粒子脱位也导致电极容量在循环期间迅速衰减。已经使用了新的纳米制造策略来解决硅电极中见到的一些问题，并获得了一定程度的成功。然而，这些方法引起生产成本显著升高，因为一些方法与当前的锂离子制造技术不相容。因此，仍然需要改善供锂离子电池用的硅电极的稳定性和循环能力的简单、有效且成本有效的方法。

发明概述

通过本发明，设计并合成了将在含硅电极的制造中使用的新一类粘合剂。这些新粘合剂在首次充电时变得导电，它们对Si表面提供改善的结合力以帮助整个电极保持优良的电连通性，因此促进电流流过电极。用这些粘合剂制成的电极具有改善的Si循环能力，这部分归因于其弹性和与在电极制造中使用的硅粒子的结合能力。

更详细地讲，发现了可用作供阳极电极使用的导电粘合剂的新一类导电聚合物。这些聚合物包括聚9，9-二辛基芴和9-芴酮共聚物。所述聚芴聚合物可降低约1.0V(相对于金属锂电位)且从0-1.0V变得非常导电。因为负极(如Si)在0-1.0V窗内操作，这允许聚芴用作锂离子电池中的阳极粘合剂以提供机械结合和电通路。作为该聚合物的独特特征，通过将与Si纳米晶体结合的官能团如-COOH使聚芴导电聚合物的侧链改性，可实现粘着性的显著改善。

附图简述

在结合附图阅读时，技术人员从说明性实施方案的以下描述中可以容易地理解上述方面等。

图1表示根据本发明的一个实施方案的导电聚合物粘合剂的化学通式。

图2为用根据本发明的一个实施方案的图1的导电粘合剂制成的Si阳极的电极容量与循环次数的图，其中R₁＝R₂＝(CH₂)₇CH₃，R₅＝COOCH₃，R₆＝H且x＝0.5，x′＝0，y＝0.175且z＝0.325。

图3为图2的相同Si阳极/导电粘合剂电极的库仑效率(％)与循环次数关系的图。

图4表示在嵌锂和脱锂的最初数次循环中图2的电极的电压曲线。

图5表示相同电极在不同充电速率下的脱锂性能。