[发明专利]用于锂离子电池组中的新的硅/石墨烯阳极的导电性聚合物粘结剂

说明书

从硅‑石墨烯材料和导电性聚合物粘结剂聚(甲基丙烯酸1‑芘甲酯‑共‑甲基丙烯酸)制备用于锂离子电池组中的复合电极。还公开了制造方法。

政府支持说明

本文中描述和要求保护的发明部分地利用由美国能源部根据合同号DE-AC02-05CH11231提供的资金。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本公开内容一般地涉及锂离子电池组并且更具体地涉及使用硅-石墨烯和导电性聚合物粘结剂复合电极的的锂离子电池组。

背景技术

由于锂离子可再充电电池组的高能量容量和轻的重量，它们是各种装置，包括电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)应用的主要候选者。所有电池均由通过薄的隔膜电隔离并且与液体传输介质电解质组合的正电极(阴极)和负电极(阳极)构成。典型地，常规Li离子电池的阳极为包括至少一种活性材料，即含碳材料、导电性添加剂和聚合物粘合剂的复合电极，阴极典型地也为复合电极，其具有作为活性材料的金属氧化物、导电性添加剂和聚合物粘合剂，以及电解质。阳极和阴极二者含有活性材料，锂离子插入所述活性材料和从中提取。锂离子通过电解质在放电期间从负电极(阳极)移动至正电极(阴极)，并且在再充电期间从正电极(阴极)到负电极(阳极)反向移动。

电极设计一直是实现电动车辆(EV)电池组所需的能量和功率密度以及寿命性能的关键方面。现有技术的锂离子电极已使用聚合物粘结剂来保证用于尺寸稳定的层合体的复合电极的完整性。在锂插入和去除过程中，聚合物粘结剂在维持机械电极稳定性和导电性方面起关键作用。可以使用的典型粘结剂为淀粉、羧甲基纤维素(CMC)、二乙酰基纤维素、羟丙基纤维素、乙二醇、聚丙烯酸酯、聚(丙烯酸)、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚氧化乙烯、聚(偏二氟乙烯)和橡胶，例如乙烯-丙烯-二烯单体(EPDM)橡胶或苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)，或其共聚物，或其混合物。典型地，阳极和阴极需要不同的粘结剂。例如，苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)为主要用于制备阳极电极的粘结剂。聚偏二氟乙烯(PVDF)主要用于制备阴极电极。经典的电极材料如钴酸锂(LiCoO₂)和石墨粉末是在电化学过程期间尺寸稳定的材料。聚合物粘结剂材料如聚偏二氟乙烯(PVDF)适合于将这些颗粒粘合在一起并且保持层合体之内的电连接的物理接触。

该现有技术途径相当好地工作，直至在复合电极中引入更高容量的电极材料如硅(Si)。硅(Si)材料作为锂离子电池组最有希望的阳极候选物之一已被广泛研究，因为它能提供比常规石墨基阳极大十倍以上的理论比容量。另外，由于硅含量丰富，当与锂离子电池组应用的其它替代品相比时，使用成本更低。然而，循环期间的Si体积变化已在复合电极中产生过度的应力和移动并且增加了表面反应。具体而言，Li与Si的电化学合金化得到Li_4.4Si作为最终锂化状态以及容量为4,200mAh/g。然而，随着材料在充电期间从Si转变至Li_4.4Si相，发生了近320％的体积膨胀。因为该高的体积变化，复合电极的电子完整性被破坏，并且引起高且连续的表面副反应，这两者都导致电池组的快速容量衰减，并且总体上降低了电池组寿命。

为了使用Si材料，必须采用新方法来组装Si活性材料制品以及Si表面稳定化。随着对电池组应用的Si表面性质的深入了解和Si的增加的商业供应，有机会/需要研究更好的Si组件和电极应用的稳定化。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服或至少减轻与现有技术相关的一个或更多个困难和缺陷。将从以下公开内容清楚本发明的这些和其它目的和特征。

本发明组合了硅-石墨烯材料和导电性聚合物粘结剂以构建用于锂离子电池组中的复合电极。设计导电性聚合物粘结剂以实现硅-石墨烯阳极材料的稳定循环。