[发明专利]用于电极的粘合剂组合物和其生产方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.119(e)要求2013年5月23日提交的美国临时专利申请序列号61/826,794的权益并且根据35U.S.C.要求2013年6月27日提交的美国临时专利申请序列号61/840,098的权益，所述临时专利申请的全部内容在此以引用方式明确并入本文中。

技术领域

1、所公开和要求保护的发明构思的领域

本发明公开和/或要求保护的发明工艺、程序、方法、产品、结果和/或构思(在下文统称为“本发明公开和/或要求保护的发明构思”)大体上涉及用于电池电极中的粘合剂组合物和制备所述组合物的方法。更特定来说但不作为限制，本发明公开和/或要求保护的发明构思涉及用于生产和制造锂离子电池的电极的粘合剂组合物，其包含可电离的水溶性聚合物和含有乳胶、保护性胶体和防结块剂的可再分散粉末。另外，本发明公开和/或要求保护的发明构思大体上涉及利用含有可电离的水溶性聚合物和可再分散粉末的粘合剂组合物制备电极(阳极和阴极二者)的电极组合物和方法。

2、背景技术

锂离子电池用于一系列产品中，包括医疗装置、电动汽车、飞机和最显著的消费产品(例如膝上型计算机、手机和照相机)。由于锂离子电池的高能量密度、高操作电压和低自放电，因此其已占领二次电池市场并且在开发工业和产品中不断找到新应用。

通常，锂离子电池(LIB)包含阳极、阴极和电解质材料(例如含有锂盐的有机溶剂)。更具体来说，阳极和阴极(总起来说，“电极”)通过下列方式形成：将阳极活性材料或阴极活性材料与粘合剂和溶剂混合以形成膏糊或浆体，然后在集电器(例如铝或铜)上涂布所述膏糊或浆体并干燥，以在集电器上形成膜。然后，将阳极和阴极分层并且卷绕，之后将其收容在含有电解质材料的加压外壳中，它们全部一起形成锂离子电池。

在制备电极时，重要的是选择具有足够的粘着性质和化学性质的粘合剂，使得在集电器上涂布的膜即使在被操作以装进加压电池外壳中时也将维持与集电器的接触。由于膜含有电极活性材料，因此如果膜不维持与集电器的足够接触，那么将可能显著干扰电池的电化学性质。因此，粘合剂在锂离子电池的性能方面起重要作用。因此，目前需要不仅改善现有粘合剂的性能而且提供易于快速生产的粘合剂。

目前，用于锂离子电池中的粘合剂通常由纤维质流变改性剂和乳胶材料(例如苯乙烯丁二烯(SB))组成，将它们在多步骤方法中与电极活性材料和分散剂混合。参见例如由Choi等人提交的US 2004/0258991和其相应欧洲申请EP 1489673，其二者以全文引用方式并入本文中。由于纤维质材料通常呈粉末形式，因此除非在纤维质材料的低浓度(例如，小于3％)下经受高剪切，否则其不易溶于水并且需要长时间来溶解。然而，苯乙烯丁二烯乳胶在高剪切(和高温度)下是不稳定的，且因此无法在单一混合步骤中与纤维质材料和电极活性材料混合在一起。因此，方法中乳胶材料的使用通常需要将纤维质材料和电极活性材料与水单独混合，以首先形成个别溶液，然后将所述溶液混合在一起，之后添加乳胶材料。因此，生产含有乳胶材料的粘合剂所需要的步骤的数量使生产锂离子电池电极所需要的总体成本和时间增加。此外，苯乙烯丁二烯乳胶(约40％到60％水)在室温下不稳定并且需要杀生物剂以将其储存较长时段。因此，对于多步骤方法来说不方便储存和运输苯乙烯丁二烯乳胶，特别是在温度通常低于室温(也就是低于25℃)的冬月期间。

考虑到先前技术方法需要可能大大增加制备为锂离子电池电极的生产所需要的浆体的费用的多阶段费时步骤，工业上需要可以在对于生产浆体来说较容易且成本较有效的单一步骤方法中与纤维质粉末和粉末状电极活性材料混合的粉末状复合粘合剂。这种需要可通过(例如但不作为限制)使用可再分散粉末代替粘合剂组合物中的个别乳胶来满足。可再分散粉末在本领域内被充分开发。例如，由Willimann等人提交且以全文引用方式并入本文中的US 2011/0104378描述可用于构建材料组合物的可再分散粉末。

另外，目前的锂离子电池技术教示羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、氨乙基纤维素和/或羟乙基纤维素作为纤维质材料的使用，其中羧甲基纤维素(CMC)已成为将要包括在含有石墨作为阳极活性材料的LIB粘合剂中的纤维素材料的优选选择。参见例如由Young-MinChoi等人提交并且以全文引用方式并入本文中的US2004/0258991。然而，随着替代阴极和阳极活性材料的变化和演化，将需要改善的粘合剂以(例如)防止循环期间大容量衰退。