CN102074705B - 一种负极添加剂、负极和锂离子电池 - Google Patents

一种负极添加剂、负极和锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负极添加剂、负极和锂离子电池，提供一种能提高电池循环性能及增加电池寿命的负极添加剂、负极和锂离子电池。该锂电子电池包括电池壳体、电极组和电解液，所述电极组和所述电解液密封在所述电池壳体内，所述电极组包括正极、隔膜和负极，所述负极包括集流体、涂覆在所述集流体上的负极材料、负极添加剂，所述负极材料包括负极活性材料、导电剂、粘结剂，所述负极添加剂为F(CF2CF2)m(CH2CH2O)nR；其中，0＜m≤8,0＜n≤8,2≤m+n≤12，m、n均为整数，R为烷烃基、烯烃基、芳基或杂芳基等；R中的氢原子可以部分或全部被氟原子取代。本发明广泛应用于锂离子电池领域。

Description

一种负极添加剂、负极和锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种负极添加剂、负极和锂离子电池。
背景技术
锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来，目前已在电源及储能市场有广泛应用，至今为止，人们对锂离子电池负极材料的研究做了很多工作，被研发出来的负极活性物质主要包括以下几种：碳材料如石墨化碳材料、无定形碳材料，非碳材料如金属氧化物、金属氮化物、锂合金，含碳化合物如硅基材料、锡基材料其中的一种，常规的电池负极制备方法主要是将负极活性物质、导电剂、粘结剂等以一定的比例用适当的溶剂混合分散均匀，涂覆于负极集流体上，然后干燥，压制成负极，这种常规的方法存在着浆料分散不均匀，电池一致性差等问题，从而导致电池整体循环性能差、容量保持率下降，以及电池的寿命减短等一系列问题，如何解决这些问题，是目前商家研究的一个重大课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能提高电池循环性能及增加电池寿命的负极添加剂、负极和锂离子电池。
本发明一种负极添加剂所采用的技术方案是：所述负极添加剂为具有下列分子式的化合物：
F(CF2CF2)m (CH2CH2O)n R
其中，0＜m≤8, 0＜n≤8, 2≤m+n≤12，m、n均为整数，R为氢原子、直链或含有支链的碳原子数为1到20的烷烃基、直链或含有支链的碳原子数为2到20的烯烃基、直链或含有支链的碳原子数为6到20的芳基和直链或含有支链的碳原子数为6到20的杂芳基，R中的氢原子可以部分或全部被氟原子取代。
本发明一种负极所采用的技术方案是：所述负极包括集流体、负极材料和所述负极添加剂，所述负极添加剂添加到所述负极材料中，并与所述负极材料涂覆在所述集流体上，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.01%-5%。
所述的负极材料包括负极活性物质、导电剂和粘结剂，所述负极活性物质在所述负极材料中的重量比含量为85%-98%、所述导电剂在所述负极材料中重量比含量为1%-10%、所述粘结剂在所述负极材料中重量比含量为1%-5%。
所述集流体的材质可选铜、镍、不锈钢等所述负极活性物质为碳材料如石墨化碳材料、无定形碳材料，非碳材料如金属氧化物、金属氮化物、锂合金，含碳化合物如硅基材料、锡基材料其中的至少一种。所述导电剂为炭黑、天然石墨、人造石墨、碳纤维、碳纳米管中的至少一种。所述粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、苯乙烯与丁二烯的共聚物(SBR)、丙烯腈与丁二烯的共聚物(NBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)中的至少一种。
本发明一种锂离子电池所采用的技术方案是：所述锂离子电池包括电池壳体、电极组和电解液，所述电极组和所述电解液密封在所述电池壳体内，所述电极组包括正极、隔膜和所述负极。
本发明的有益效果是：由于本发明在制备负极过程中加入了含氟的醚化物作为负极添加剂，此醚化物的添加使混合后的负极浆料更均匀，制成的电池一致性好，尤其是对高容量、高压实的电池体系，还能够提高电解液的保有量，电池循环性能、容量及容量保持率均有所提高，添加剂使用量少，电池的成本变化不大，所以本发明电池一致性好、能提高电解液的保有量、电池循环性能及增加电池寿命。
具体实施方式
本发明提供了一种负极添加剂、负极和锂离子电池。
所述锂离子电池包括电池壳体、电极组和电解液，所述电极组和所述电解液密封在所述电池壳体内，所述电极组包括正极、隔膜和负极，所述负极包括集流体、负极材料和负极添加剂，所述负极添加剂添加到所述负极材料中，并与所述负极材料涂覆在所述集流体上，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.01%-5%，若所述负极添加剂的含量少于0.01%，则不能达到本发明的目的，若高于5%，则会降低电池的导电性，所述集流体的材质可选铜、镍、不锈钢等，所述负极材料包括负极活性物质、导电剂、粘结剂，所述负极活性物质在所述负极材料中重量比含量为85%-98%、所述导电剂在所述负极材料中重量比含量为1%-10%、所述粘结剂在所述负极材料中重量比含量为1%-5%。
所述负极添加剂为具有下列分子式的化合物：
F(CF2CF2)m (CH2CH2O)n R
其中，0＜m≤8, 0＜n≤8, 2≤m+n≤12，m、n均为整数，R为氢原子、直链或含有支链的碳原子数为1到20的烷烃基、直链或含有支链的碳原子数为2到20的烯烃基、直链或含有支链的碳原子数为6到20的芳基和直链或含有支链的碳原子数为6到20的杂芳基，R中的氢原子可以部分或全部被氟原子取代。
作为本发明中使用的化合物的取代基，烷烃基的实例包括碳原子数为1到20直链或含有支链的基团，优选碳原子数为1到12直链或含有支链的基团，更优选碳原子数为1到4的直链或含有支链的基团，这种基团的实例包括甲基、乙基、正丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、异戊基、己基等，上面列举的烷烃基可以被一个或多个卤原子如氟、氯、溴等取代，从而得到卤代烷基，这种基团的实例包括氟甲基、三氟乙基、氟丙基等。
    [0014]作为本发明中使用的化合物的取代基，烯烃基是指具有碳碳双键的碳原子数为2到20直链或支链的脂肪烃基，优选的烯烃基的碳原子数为2到12，更优选的链稀基的碳原子数为2到6，支链的烯烃基具有至少一个低级烷基或低级烯烃基附着在直连的烯烃基上，这种烯烃基的实例可以是乙烯基、丙烯基等。
作为本发明中使用的化合物的取代基，可以单独或者组合使用的芳基是指包含至少一个环的碳原子数为6到20的碳环芳香系，其中该环可以悬垂方式连接在一起，也可以相互稠合，术语“芳基”包括芳香性基团如苯基、萘基、四氢化萘基、茚满基等，优选苯基。芳基可以具有一个、两个或三个选自例如羟基、卤素、卤代烷基、硝基、氰基的取代基。
作为本发明中使用的化合物的取代基，杂芳基是指碳原子数为6到20的单环或双环的芳基，其除碳原子之外还包括一个、两个、或三个选自N、O、P和S的杂原子，该杂原子通过氧化或季铵化形成例如N-氧化物或季铵盐，杂芳基的实例包括但不限于噻吩基、苯并噻吩基、吡啶基、吡嗪基、嘧啶基、哒嗪基、喹啉基、喹喔啉基、咪唑基、呋喃基等。
现将参照下面的实施例更详细的说明本发明，下面的实施例仅用于说明而不是对本发明的范围限制。
实施例一：
本实施例包括电池壳体、电极组和电解液，所述电极组和所述电解液密封在所述电池壳体内，所述电极组包括正极、隔膜和负极，所述负极包括负极集流体和涂覆在所述负极集流体上的负极材料、负极添加剂，所述集流体的材料选用铜箔，所述负极添加剂为F(CF2CF2)3(CH2CH2O)4CF3，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.01%，所述负极材料包括负极活性物质、导电剂、粘结剂，所述负极活性物质选用天然石墨，所述导电剂选用乙炔黑，所述粘结剂选用聚偏氟乙烯(PVDF)，所述负极添加剂和所述负极材料与适量的溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合均匀后，涂覆在铜箔集流体上，并且在120℃下干燥，最后压制成所述负极。
实施例二：
本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)4(CH2CH2O)C6H5，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.01%。
实施例三：
本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)4(CH2CH2O)3CH3，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.3%。
实施例四：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)6(CH2CH2O)6CH3，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.3%。
实施例五：
本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)3(CH2CH2O)3C2H5，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.5%。
实施例六：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)8(CH2CH2O)C2H5，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.5%。
实施例七：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)(CH2CH2O)H，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的1%。
实施例八：
本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)3(CH2CH2O)H，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的1%。
实施例九：
本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)(CH2CH2O)8CH3，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的1%。
实施例十：
   本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)2(CH2CH2O)2CF3，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的1%。
实施例十一；
本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)2(CH2CH2O)C2H5，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的1%。
实施例十二：
本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)3(CH2CH2O)3H，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的3%。
实施例十三：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)5(CH2CH2O)2H，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的3%。
实施例十四：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)(CH2CH2O)8C2F5，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的5%。
实施例十五：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)(CH2CH2O)C2H5，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.01%。
实施例十六：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)8(CH2CH2O)4CF3，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.01%。
实施例十七：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2)8(CH2CH2O)4CF3，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的5%。
实施例十八：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2) 4 (CH2CH2O)8C6H5，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.01%。
实施例十九：
    本实施例其他条件与实施例一基本相同，不同的是，本发明所述负极添加剂为F(CF2CF2) 4 (CH2CH2O)8C6H5，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的5%。
比较例：
    按与实施例相同的方法制作电池，只是不使用所述负极添加剂。
上述实施例中的负极经制成电池后，测量电池在室温下的充放电性能等，结果如下所示：
项目    电池吸液量        初始放电容量      80%容量循环次数
           (g)               (mAh)             (T：25℃)
实施例一    3.98               1214               747
实施例二     3.96              1108               740
实施例三    3.99               1191               756
实施例四    3.94               1045               739
实施例五    3.98               1240               731
实施例六    3.95               1075               700
实施例七    3.98               1105               690
实施例八    4.03               1189               639
实施例九    3.95               1032               672
实施例十    4.00               1047               684
实施例十一  4.01               1196               699
实施例十二  4.00               1176               718
实施例十三  3.97               1068               745
实施例十四  3.97               1023               693
实施例十五  3.96               1040               674
实施例十六  4.02               1074               712
实施例十七  3.98               1066               733
实施例十八  3.97               1126               698
实施例十九  4.00               1084               685
比较例      3.92               998                630 。
由上述试验结果可以看出，相对于比较例，使用了所述添加剂后，电池的吸液量略有增加，同时，电池的初始放电容量以及电池的循环寿命也明显增加。而且本发明所述的添加剂使用量少，电池的成本变化不大。因此，采用本发明既经济又有效。

Claims (7)

1.一种负极添加剂，其特征在于：所述负极添加剂为具有下列分子式的化合物：
F(CF2CF2)m (CH2CH2O)n R
其中，0＜m≤8, 0＜n≤8, 2≤m+n≤12，m、n均为整数，R为氢原子、直链或含有支链的碳原子数为1~20的烷烃基、直链或含有支链的碳原子数为2~20的烯烃基、直链或含有支链的碳原子数为6~20的芳基和直链或含有支链的碳原子数为6~20的杂芳基，R中的氢原子可以部分或全部被氟原子取代。
2.一种包括权利要求1所述负极添加剂的负极，其特征在于：所述负极还包括集流体和负极材料，所述负极添加剂添加到所述负极材料中，并与所述负极材料涂覆在所述集流体上，所述负极添加剂的使用质量相当于所述负极材料总质量的0.01%~5%。
3.根据权利要求2述的负极，其特征在于：所述的负极材料包括负极活性物质、导电剂和粘结剂，所述负极活性物质在所述负极材料中的重量比含量为85%~98%、所述导电剂在所述负极材料中的重量比含量为1%~10%、所述粘结剂在所述负极材料中的重量比含量为1%~5%。
4.根据权利要求3所述的负极，其特征在于：所述负极活性物质为石墨化碳材料、无定形碳材料、金属氧化物、金属氮化物、锂合金、硅基材料、锡基材料中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的负极，其特征在于：所述导电剂为炭黑、天然石墨、人造石墨、碳纤维、碳纳米管中的至少一种。
6.根据权利要求3所述的负极，其特征在于：所述粘结剂为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、苯乙烯与丁二烯的共聚物(SBR)、丙烯腈与丁二烯的共聚物(NBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)中的至少一种。
7.一种锂电子电池，所述锂离子电池包括电池壳体、电极组和电解液，所述电极组和所述电解液密封在所述电池壳体内，所述电极组包括正极、隔膜和负极，其特征在于：所述负极为上述权利要求2~6中任一项所述的负极。
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