[发明专利]用于锂离子电化学电池的材料及其制造和使用方法

说明书

一种负电极材料，其包含含硅材料；和组合物，该组合物包含(i)第一(共)聚合物，其源自包含四氟乙烯、六氟丙烯、偏氟乙烯或氯三氟乙烯的两种或更多种单体的聚合；和(ii)第二(共)聚合物，其源自包含(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸锂的单体的聚合。

技术领域

本发明涉及可用于电化学电池(例如锂离子电池组)的负电极的组合物及其制备和使用方法。

背景技术

不同的组分已经引入来用于锂离子电池组的负电极中。这样的组分描述在例如美国专利8354189，美国专利7875388和M.N.Obrovac和V.L.Chevrier，Chemical Reviews2014，114，11444-11502中。

发明内容

在一些实施方案中，提供了一种负电极材料。该材料包含：含硅材料；和组合物，其包含：(i)第一(共)聚合物，其源自包括四氟乙烯、六氟丙烯、偏氟乙烯或氯三氟乙烯的两种或更多种单体的聚合；和(ii)第二(共)聚合物，其源自包括(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸锂的单体的聚合。

上述发明内容并在意在描述本发明的每个实施方案。本发明的一个或多个实施方案的细节也在下面的说明书中阐明。本发明的其他特征、目标和优点将从说明书和权利要求书清楚可见。

附图说明

可以通过考虑下面的本发明的不同实施方案的详细说明，并且结合附图来更完全地理解本发明，其中：

图1是使用本发明的负电极材料和对比负电极材料所制备的锂半电池的电化学循环结果的图。

具体实施方式

电化学储能已经变成用于许多应用，包括网格存储、电动车辆和便携式电子装置的一项关键技术。锂离子电池组(LIB)是一种可行的电化学储能系统，这是由于它相对高的能量密度和良好的比率放电能力(rate capability)。为使工业相关的电池组应用例如电动车辆变得商业上大规模可行，令人期望的是降低锂离子电池组化学的成本。

基于硅的高能量密度阳极材料已经被确定为用于应用例如电动车辆和手持电子器件的锂离子电池组降低成本和改进能量密度的一项手段。某些硅合金材料提供良好的颗粒形态(优化的粒度，低表面积)和高的首次循环效率，产生更高能量的电池(基于体积(Wh/L)和重量(Wh/kg)能量密度二者)。阳极粘合剂在将含有基于硅合金或硅合金与石墨的共混物的阳极的锂电池的性能最大化中也起到关键作用。为了实现最大的Wh/L，硅合金在阳极中的重量百分比应当最大化，和粘合剂在阳极中的重量百分比应当降低。

某些硅合金(例如电容大于1100mAh/g和密度是约3.4g/cc)在充放电循环中经历明显的体积变化(高至约140％或更大)。粘合剂通常与石墨阳极一起使用，例如聚(偏氟乙烯)和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯/羧甲基纤维素钠(SBS/Na-CMC)对于用于含有大于约15wt％硅合金的阳极来说是不可行的选择，因为这些材料不能耐受电极中这种程度的体积膨胀。用引入这些粘合剂的阳极制造的电池组表现出非常差的容量保持性。

聚(丙烯酸)的锂盐(LiPAA)已经表现出作为基于硅合金的阳极的粘合剂的有前景的循环寿命性能，特别是在较高合金含量时(例如石墨/硅合金阳极配制物中大于约20％合金)。但是，已经观察到对于用于一些工业中有效的粘合剂来说，LiPAA过于易碎或过于吸湿而无法加工。LiPAA还表现出对于阳极(铜箔)集电器不足的粘附性。因此，存在着开发新阳极材料的需要，其能够在下一代锂离子电池组中使用高容量阳极材料例如硅合金。开发的材料从加工和原材料成本的角度应当是可放大的和经济的，并且在常规的电池组电解质中应当是不溶的。