[发明专利]形成电极用组合物

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年12月19日提交的欧洲专利申请号11194214.0的优先权，出于所有目的将该申请的全部内容通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及一种基于溶剂、包括石墨烯的形成电极用组合物，涉及一种用于制造所述形成电极用组合物的方法，以及其用于制造二次锂电池的电极的用途。

背景技术

二次锂电池(在消费性电子产品领域经常被称为可充电锂电池)由于其相对高的能量密度、可忽略的记忆效应以及不使用时的低电荷损失已经显示出极大的商业前景。

一种典型的二次锂电池由三个基本的功能部件组成：一个由锂金属氧化物制成的正电极(阴极)、一个由锂金属或锂嵌入材料(如锂合金或碳)制成的负电极(阳极)以及一种连通这两个电极的电解液。每一个电池电极包括一种活性材料(AM)作为主要组分，用于在充电/放电循环中进行锂离子的可逆电化学嵌入-脱嵌。在充电过程中，外部电源迫使在阴极活性材料中容纳的锂离子通过电解液并且插入阳极活性材料中，从而产生一个充电电流电路。在放电过程中，进行一个相反的过程，其中使锂离子是从阳极提取出并且插入阴极中。

为了使能进行这种电化学充电/放电循环，锂二次电池中的各电极需要在其活性材料结构中容纳锂离子并且还具有锂离子和电子这二者的高电导率。因此，由于电极中的典型的活性材料(例如阴极中的锂金属氧化物或阳极中的锂合金材料)具有低或极小的电子电导率，必须将一种导电剂(如碳基纳米材料)与该低导电性活性材料一起添加以形成一个工作电极。此外，在电极材料中还共混了一种粘合剂，以将阴极或阳极复合材料附接到其相应的集电体上同时提供粉状活性材料与导电剂的之间充分的结合。一种适合的粘合剂材料是偏二氟乙烯(VDF)聚合物，如本领域已知的。

总体上，用于制造电极的技术包括使用有机溶剂(如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))用于溶解VDF聚合物(PVDF)粘合剂并使它们与粉状电极材料和所有其他适合的组分(包括上述的导电添加剂)均质化，以生产一种施用到金属集电体上的浆料。其结果是，导电碳添加剂在有机溶剂中的分散行为是一个重要的因素，因为在溶剂中具有絮凝倾向的碳微粒对形成电极过程是不利的。此外，发现诸如导电添加剂的表面面积和颗粒大小的因素对电极的充电-放电能力和体积能量密度有强烈的影响。在典型地使用的导电添加剂材料之中，炭黑由于其在有机溶剂中的令人满意的分散稳定性、相对大的表面面积、以及在工业上易于获取，是优选使用的。由炭黑制成的导电添加剂相比由碳纳米管(CNT)制成的那些也是便宜得多，碳纳米管由于在其合成和纯化过程中的低产率是昂贵的。

然而，在使用炭黑作为电极导电添加剂时，已经发现这种导电剂与电极中相关的活性材料的相互作用将值得注意地减少每体积单位的电极上可利用的载流子的数目，从而导致电池组电池的“能量密度”(以Wh/L为单位)的所不需要的降低。

因此，为了提高目前锂电池的能量密度，用具有更高电导率的导电添加剂(它能够以更小的重量比给予该电池电极所要求的电子电导率)来取代炭黑用于最小化电池组活性材料的能量密度损失将是有益的。在此方面，最近发现石墨烯的碳纳米材料(碳原子的单层和2维纳米结构)具有高的表面面积与体积之比以及非寻常的电子传输特性，这两个特性都优于炭黑，在理论上使之成为有吸引力的导电添加剂材料。石墨烯片晶在其合成过程中可以被氧化到不同程度，并且因此成为氧化石墨烯片材。因此，为了本发明的目的，术语“石墨烯”用来包括原始的、未氧化的石墨烯以及它的氧化形式这两者，而术语“氧化石墨烯”旨在仅指代氧化的石墨烯。