CN102237528B - 导电剂以及包含该导电剂的正极浆料组合物和锂二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有非零的表面电荷的导电剂、包含该导电剂的锂二次电池的正极浆料组合物以及包含该导电剂的锂二次电池。
Description
本申请要求于2010年4月30日提交到韩国知识产权局的第10-2010-0040808号韩国专利申请的权益,该申请的公开通过引用全部包含于此。
技术领域
一个或更多个实施例涉及一种具有非零的表面电荷的导电剂、包含该导电剂的锂二次电池的正极浆料组合物以及包括该浆料组合物的锂二次电池。
背景技术
根据信息和通信产业的发展,使用了各种便携式装置,并且各种类型的电池被用作这种便携式装置的电源。随着便携式装置技术的发展并且对便携式装置的需求增多,对作为电源的二次电池的需求也增多。在二次电池中,具有高能量密度和高电压的锂二次电池被商业化并且被广泛地使用。
锂二次电池在充电和放电过程中利用锂离子的嵌入-脱嵌反应。锂二次电池包括负极、正极、分隔件和有机溶剂的电解质,负极使用石墨作为负极活性材料,正极使用锂过渡金属氧化物作为正极活性材料。近来,容量比石墨的容量大的基于锡或基于硅的复合物用作负极活性材料而受到关注。
发明内容
一个或更多个实施例包括具有改善的分散性的导电剂。
一个或更多个实施例还包括包含该导电剂的锂二次电池的正极浆料组合物。
一个或更多个实施例包括包含该导电剂的锂二次电池。
一个或更多个实施例包括锂二次电池,该锂二次电池具有孔隙尺寸相对小的正极。
附加方面将在下面的描述中部分地阐述,部分地,将通过描述而清楚,或者可通过实施这些实施例来了解。
根据一个或更多个实施例,导电剂具有非零的表面电荷。
导电剂相对于水的表面电荷可为大约-100mV至大约-0.1mV或大约+0.1mV至大约+100mV。
导电剂的颗粒可由包含氨基、胺基或氟基的分散剂进行表面处理。
导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包含氨基或胺基并具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包含氟基并具有大约90g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包括基于非芳香烃(例如,基于烷或基于烯)的主链、基于芳基的主链或基于聚氨酯的主链,在主链的端部含有氟基、氨基或胺基,并且分散剂可具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
导电剂可包括碳质材料、金属粉、金属纤维或导电聚合物。
分散剂可以是从由非芳香烃(例如,烷或烯)、芳基化合物、聚乙烯吡啶、聚丙烯酸酯、二醇、聚偏1,1-二氟乙烯、聚氨酯、酮、碳酸酯以及它们的混合物组成的组中选择的一种,所述芳基化合物例如可为苯。
根据一个或更多个实施例,提供了一种锂二次电池的正极浆料组合物,所述正极浆料组合物包括正极活性材料、导电剂、分散剂和溶剂,其中,导电剂具有非零的表面电荷。
在一些实施例中,导电剂相对于水的表面电荷可为大约-100mV至大约-0.1mV或大约+0.1mV至大约+100mV。
在一些实施例中,导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包含氨基、胺基或氟基。
导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包含氨基或胺基并具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
在一些实施例中,导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包括基于非芳香烃(例如,基于烷或基于烯)的主链、基于芳基的主链或基于聚氨酯的主链,在主链的端部含有氟基、氨基或胺基,并且分散剂可具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
导电剂可包括碳质材料、金属粉、金属纤维或导电聚合物。
分散剂可以是从由非芳香烃(例如,烷或烯)、芳基化合物、聚乙烯吡啶、聚丙烯酸酯、二醇、聚偏1,1-二氟乙烯、聚氨酯、酮、碳酸酯以及它们的混合物组成的组中选择的一种,所述芳基化合物例如可为苯。
正极浆料组合物还可包括粘合剂,其中,粘合剂可以是聚偏1,1-二氟乙烯类粘合剂。
溶剂可溶解分散剂。
溶剂可从由N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇及其混合物以及水组成的组中选择。
基于100wt%的正极浆料组合物,正极活性材料、导电剂、分散剂、粘合剂和溶剂的含量可以分别为大约24wt%至大约72wt%、大约0.6wt%至大约3wt%、大约0.05wt%至大约0.6wt%、大约0.6wt%至大约3wt%以及大约25wt%至大约70wt%。
根据一个或更多个实施例,锂二次电池包括导电剂。
根据一个或更多个实施例,锂二次电池包括:正极,包含具有非零的表面电荷的导电剂;负极,包含负极活性材料;电解质溶液。
在一些实施例中,导电剂相对于水的表面电荷可为大约-100mV至大约-0.1mV或大约+0.1mV至大约+100mV。
在一些实施例中,导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包含氨基、胺基或氟基。
在一些实施例中,导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包含氨基或胺基并具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
在一些实施例中,导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包含氟基并具有大约90g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
在一些实施例中,导电剂的颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包括基于非芳香烃(例如,基于烷或基于烯)的主链、基于芳基的主链或基于聚氨酯的主链,在主链的端部含有氟基、氨基或胺基,并且分散剂可具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
在一些实施例中,导电剂可包括碳质材料、金属粉、金属纤维或导电聚合物。
在一些实施例中,正极的平均孔隙尺寸可为大约9nm至大约16nm。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述,这些和/或其它方面将变得清楚且更容易理解,在附图中:
图1A是示意性地示出当活性材料和导电剂彼此混合时导电剂聚集的图示;
图1B是示意性地示出根据实施例的当活性材料和导电剂彼此混合时导电剂分散的图示;
图2是根据实施例的锂二次电池的分解透视图;
图3是比较根据示例1、示例2和对比示例1制备的混合液体的粘度的曲线图;
图4是比较锂二次电池的正极浆料组合物的粘度的曲线图,所述正极浆料组合物是根据示例3、示例4和对比示例2制备的;
图5是利用示例3的正极浆料组合物制造的正极的扫描电子显微镜(SEM)照片;
图6是利用示例4的正极浆料组合物制造的正极的SEM照片;
图7是利用对比示例2的正极浆料组合物制造的正极的SEM照片;
图8是根据4点探针法比较电极表面电阻的图,例如,比较根据对比示例3、示例5和示例6制备的锂二次电池的每个正极的表面电阻的图,根据对比示例3、示例5和示例6制备的锂二次电池的每个正极是使用对比示例2、示例3和示例4的正极浆料组合物制备的;
图9是比较对比示例3和示例7的锂二次电池的电池单体寿命的曲线图。
具体实施方式
现在将对实施例详细地进行描述,在附图中示出了实施例的示例,其中,相同的标号始终表示相同的元件。在这方面,这些实施例可具有不同的形式并且不应理解为局限于在此阐述的描述。因此,在下面仅参照附图描述实施例以解释本描述的各方面。
正极层由诸如正极活性材料、碳导电剂和粘合剂(例如聚偏1,1-二氟乙烯(PVdF))的混合物形成。为了形成正极层,通过将每种混合物适当地混合并分散在溶剂中来制备正极浆料,将正极浆料涂覆在集流体上并干燥。这里,正极层的导电性很大程度上取决于碳导电剂在正极层中的分布的均匀性,并且这由碳导电剂在正极浆料中的分散性来确定。通常,使用珠磨工艺来提高碳导电剂的分散性,然而这种物理方法受到限制。
现在将参照附图更充分地描述实施例。
根据实施例的导电剂具有非零的表面电荷(例如,正电荷或负电荷)。
图1A是示意性地示出当活性材料和导电剂彼此混合时导电剂聚集的图示。
如图1所示,导电剂的颗粒容易聚集到一起。由于导电剂的这种聚集特性,所以电极的导电性劣化,因此电池的特性劣化。在实施例中,通过使导电剂的颗粒的表面荷电来解决这种聚集特性问题。
导电剂用于为电极提供导电性。可使用不引起电池的化学变化的任何电子传导材料。导电剂的示例可包括碳质材料、金属类材料、导电材料或它们的混合物,碳质材料例如为天然石墨、人造石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑和碳纤维等;金属类材料例如为粉末形式或纤维形式的铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、银(Ag)等;导电材料包括诸如聚亚苯基衍生物的导电聚合物等。
图1B是示意性地示出根据实施例的当导电剂和活性材料彼此混合时导电剂分散的图示。
参照图1B,根据当前实施例的导电剂具有非零的表面电荷(例如,正电荷或负电荷),因此,导电剂的颗粒不聚集到一起,而是根据电斥力而彼此分离开,从而表现出良好的分散性。
包含导电剂的电极的表面具有电极膜的微结构的高均匀性。
当导电剂具有非零的表面电荷时,颗粒根据颗粒之间的静电斥力而不聚集到一起。这里,导电剂的全部颗粒具有相同的电荷极性。导电剂的基本上所有颗粒具有正(+)电荷或负(-)电荷。如果一些颗粒具有正电荷而其它颗粒具有负电荷,则颗粒由于静电吸引力而容易聚集到一起。
导电剂可具有大约-100mV至大约-0.1mV或大约+0.1mV至大约+100mV表面电荷,例如,大约-30mV至大约-0.1mV或大约+0.1mV至大约+30mV的表面电荷。表面电荷的范围不受限制。
可通过利用包含氨基或胺基的分散剂或包含氟基的分散剂对导电剂的颗粒进行表面处理来使导电剂具有非零的表面电荷(例如,正电荷或负电荷)。
包含氨基或胺基的分散剂可具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量。包含氟基的分散剂可具有大约90g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
分散剂包括例如基于非芳香烃(例如,基于烷或基于烯)的主链、基于芳基的主链或基于聚氨酯的主链,在主链的端部含有氟基、氨基或胺基,并且分散剂可具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量。利用这种分散剂对根据当前实施例的导电剂的颗粒进行表面处理。
分散剂可以是例如但不限于非芳香烃(例如,烷或烯)、芳基化合物、聚乙烯吡啶、聚丙烯酸酯、二醇、聚偏1,1-二氟乙烯、聚氨酯、酮、碳酸酯以及它们的混合物,所述芳基化合物例如可为苯。
可通过测量相对于水的ζ电位(例如,通过测量导电剂颗粒的表面电荷)来检测由分散剂进行表面处理的导电剂的颗粒。
由包含氨基或胺基的分散剂进行表面处理的导电剂的颗粒具有正表面电荷,由包含氟基的分散剂进行表面处理的导电剂的颗粒具有负表面电荷。
根据实施例的用于锂二次电池的正极浆料组合物包括正极活性材料、导电剂、分散剂和溶剂,其中,导电剂具有非零的表面电荷。
在一些实施例中,导电剂相对于水的表面电荷可为大约-100mV至大约-0.1mV或大约+0.mV至大约+100mV。
在一些实施例中,导电剂颗粒可由分散剂进行表面处理,分散剂可包含氨基、胺基或氟基。
例如,正极浆料组合物的分散剂可包含氨基或胺基并具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量,或者可包含氟基并具有大约90g/mol至大约100,000g/mol的分子量。
分散剂的示例包括但不限于具有基于非芳香烃(例如,基于烷或基于烯)的主链的分散剂(例如油胺)。或者,分散剂可具有基于芳基的主链,例如氟苯。或者,分散剂可具有基于聚氨酯的主链。例如,分散剂可具有基于聚氨酯的主链,具有大约100g/mol至大约100,000g/mol的分子量并可在主链的端部具有氨基、胺基或氟基。
正极浆料组合物的导电剂和分散剂的示例可为如上所述,然而不限于此。
正极浆料组合物还可包括通常用于制备正极浆料组合物的粘合剂。
包含在正极浆料组合物中的粘合剂将正极活性材料的颗粒牢固地粘结在一起并粘结到集流体。粘合剂的示例包括但不限于聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化聚氯乙烯、聚氟乙烯和含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1,1-二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶(SBR)、丙烯酸(酯)化的SBR、环氧树脂和尼龙。粘合剂可以是例如聚偏1,1-二氟乙烯类粘合剂。
只要分散剂溶解在正极浆料组合物的溶剂中,该溶剂就不受限制。溶剂的示例包括N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、它们的混合物以及水。
基于100wt%的正极浆料组合物,正极活性材料、导电剂、分散剂、粘合剂和溶剂的含量可以分别为大约24wt%至大约72wt%、大约0.6wt%至大约3wt%、大约0.05wt%至大约0.6wt%、大约0.6wt%至大约3wt%以及大约25wt%至大约70wt%。
考虑到可执行涂覆工艺的便利性、制备的正极的特性以及制备的电池的特性,上述含量是最佳的。
上述导电剂和正极浆料组合物可用于制备锂二次电池。例如,可制备包括上述导电剂的正极和锂二次电池。
导电剂和分散剂在溶剂中混合,使得导电剂颗粒的表面荷电。
如上描述了导电剂和溶剂,分散剂可包含如上所述的氨基、胺基或氟基。
然后,将表面荷电的导电剂的颗粒、正极活性材料和粘合剂混合,以制备正极浆料组合物。正极浆料组合物可直接涂覆在铝集流体上并干燥以制备正极板。或者,可将正极浆料组合物浇铸在单独的支撑件上,然后将从支撑件剥离的正极浆料组合物膜层叠在铝集流体上,以制备正极板。
允许可逆地嵌入和脱嵌锂的化合物(锂化插层化合物)可用作正极活性材料。具体地说,正极活性材料可以是锂和从由钴、锰、镍和它们的组合组成的组中选择的金属的至少一种复合氧化物。正极活性材料的示例可包括由下式表示的化合物。
LiaA1-bXbD2(其中0.95≤a≤1.1和0≤b≤0.5);LiaE1-bXbO2-cDc(其中0.95≤a≤1.1、0≤b≤0.5和0≤c≤0.05);LiE2-bXbO4-cDc(其中0≤b≤0.5和0≤c≤0.05);LiaNi1-b-cCobBcDα(其中0.95≤a≤1.1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05和0<α≤2);LiaNi1-b-cCobXcO2-αMα(其中0.95≤a≤1.1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05和0<α<2);LiaNi1-b-cCobXcO2-αM2(其中0.95≤a≤1.1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05和0<α<2);LiaNi1-b-cMnbXcDα(其中0.95≤a≤1.1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05和0<α≤2);LiaNi1-b-cMnbXcO2-αMα(其中0.95≤a≤1.1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05和0<α<2);LiaNi1-b-cMnbXcO2-αM2(其中0.95≤a≤1.1、0≤b≤0.5、0≤c≤0.05和0<α<2);LiaNibEcGdO2(其中0.90≤a≤1.1、0≤b≤0.9、0≤c≤0.5和0.001≤d≤0.1);LiaNibCocMndGeO2(其中0.90≤a≤1.1、0≤b≤0.9、0≤c≤0.5、0≤d≤0.5和0.001≤e≤0.1);LiaNiGbO2(其中0.90≤a≤1.1和0.001≤b≤0.1);LiaCoGbO2(其中0.90≤a≤1.1和0.001≤b≤0.1);LiaMnGbO2(其中0.90≤a≤1.1和0.001≤b≤0.1);LiaMn2GbO4(其中0.90≤a≤1.1和0.001≤b≤0.1);QO2;QS2;LiQS2;V2O5;LiV2O5;LiZO2;LiNiVO4;Li(3-f)J2(PO4)3(其中0≤f≤2);Li(3-f)Fe2(PO4)3(其中0≤f≤2);和LiFePO4。
在上面的式中,A从由镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)及其组合组成的组中选择;X从由铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、铬(Cr)、铁(Fe)、镁(Mg)、锶(Sr)、钒(V)、稀土元素及其组合组成的组中选择;D从由氧(O)、氟(F)、硫(S)、磷(P)及其组合组成的组中选择;E从由钴(Co)、锰(Mn)及其组合组成的组中选择;M从由氟(F)、硫(S)、磷(P)及其组合组成的组中选择;G从由铝(Al)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、镁(Mg)、镧(La)、铈(Ce)、锶(Sr)、钒(V)及其组合组成的组中选择;Q从由钛(Ti)、钼(Mo)、锰(Mn)及其组合组成的组中选择;Z从由铬(Cr)、钒(V)、铁(Fe)、钪(Sc)、钇(Y)及其组合组成的组中选择;J从由钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)及其组合组成的组中选择。
上面列出的作为正极活性材料的化合物的颗粒可具有表面涂覆层(在下文中称为“涂覆层”)。或者,可使用这样的混合物,所述混合物是具有无涂覆层的颗粒的化合物与具有存在涂覆层的颗粒的化合物的混合物,所述化合物从上面所列的化合物中选择。涂覆层可包括从由涂覆元素的氧化物、涂覆元素的氢氧化物、涂覆元素的羟基氧化物、涂覆元素的碳酸氧盐(oxycarbonate)、涂覆元素的羟基碳酸盐(hydroxyl carbonate)组成的组中选择的涂覆元素的至少一种化合物。涂覆层的化合物可以是非晶的或结晶的。包含在涂覆层中的涂覆元素可以是镁(Mg)、铝(Al)、钴(Co)、钾(K)、钠(Na)、钙(Ca)、硅(Si)、钛(Ti)、钒(V)、锡(Sn)、锗(Ge)、镓(Ga)、硼(B)、砷(As)、锆(Zr)或它们的混合物。
在使用该涂覆元素的化合物时,可利用不对正极活性材料的物理性质产生不利影响的任何方法(例如喷涂法、浸渍法等)形成涂覆层。这对本领域普通技术人员来讲是明显的,因此将不在此提供对其的详细描述。
粘合剂为如上所述。
在这方面,正极活性材料、导电剂、粘合剂和溶剂的含量可与上面描述的相同。
利用根据实施例的正极浆料组合物制备的正极可具有大约9nm至大约16nm的平均孔隙尺寸。
这里,正极的孔隙尺寸表示由于将正极浆料组合物涂覆在电极板上并且正极浆料组合物的挥发部分挥发而形成在电极板上的空间的尺寸。
在包括未荷电的导电材料的正极浆料组合物中,导电剂的颗粒聚集到一起,因此,与上述正极浆料组合物相比,存在于大的聚集块(不挥发部分)之间的挥发部分的含量相对大。当挥发部分在干燥工艺过程中挥发时,制备的正极的孔隙尺寸大。
然而,由于根据实施例的正极浆料组合物的导电剂可具有电荷,所以导电剂的颗粒相对好地分散而不聚集,因此存在于不挥发部分之间的挥发部分的含量相对低。当挥发部分在干燥工艺过程中挥发时,制备的正极的孔隙尺寸小。
当使用根据当前实施例的正极浆料组合物时,制备的正极具有上述范围的平均孔隙尺寸。
可利用一般的孔隙测量方法来测量正极的孔隙尺寸,因此这里将不对其详细描述。
然后,将负极活性材料、导电剂、粘合剂和溶剂混合以制备负极活性材料组合物。将负极活性材料组合物直接涂覆在铜集流体上以制备负极板。或者,可将负极活性材料组合物浇铸在单独的支撑件上以形成负极活性材料膜,然后将负极活性材料膜从支撑件剥离并随后层叠在铜集流体上,以制备负极板。负极活性材料、导电剂、粘合剂和溶剂的含量与通常用于锂电池中的负极活性材料、导电剂、粘合剂和溶剂的含量相同。
负极活性材料的示例包括但不限于锂金属、锂合金和碳质材料(例如,石墨)。负极活性材料组合物中的导电剂、粘合剂和溶剂可与正极浆料组合物中的导电剂、粘合剂和溶剂相同。如果需要,则可将增塑剂添加到正极浆料组合物和负极活性材料组合物中,以在电极板内部形成孔隙。
用于锂电池的合适的分隔件可在形成锂电池时使用。具体地说,分隔件可以对离子迁移率具有低的阻碍,并可具有良好的电解质溶液保持特性。分隔件的示例可包括玻璃纤维、聚酯、特氟纶、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)及其组合,它们中的每个均可以是无纺织物或纺织物。例如,锂离子电池使用由聚乙烯或聚丙烯等形成的可卷绕分隔件,锂离子聚合物电池使用具有优异的有机电解质溶液浸渍能力的分隔件。现在将详细描述这些分隔件的制备方法。
将聚合物树脂、填充剂和溶剂混合以制备分隔件组合物。可将分隔件组合物直接涂覆在电极上并随后干燥以形成分隔件膜。或者,可将分隔件组合物浇铸在支撑件上并随后干燥以形成分隔件组合物膜。将分隔件组合物膜从支撑件剥离并层叠在电极上以形成分隔件膜。
聚合物树脂不受限制,并且聚合物树脂可以是用作电极板的粘合剂的任何合适的材料。聚合物树脂的示例包括偏1,1-二氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏1,1-二氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯及它们的混合物。例如,聚合物树脂可以是偏1,1-二氟乙烯/六氟丙烯共聚物,其中,六氟丙烯的含量在大约8wt%至大约25wt%的范围内。
分隔件可置于正极板和负极板之间以形成电池结构。电池结构被卷绕或折叠并装入圆柱形电池壳体或矩形电池壳体中,然后将有机电解质溶液注入到电池壳体中,以完成锂离子电池。或者,也可将电池结构层叠以形成双电池单体结构并利用有机电解质溶液浸渍,将获得的结构装入袋中并密封,以完成锂离子聚合物电池。
有机电解质溶液可包括非水有机溶剂和锂盐。另外,如果需要,则有机电解质溶液还可包括各种添加剂,例如抗过充剂。
非水有机溶剂可作为电池中的电化学反应涉及的离子的迁移介质。
非水有机溶剂的示例可包括碳酸酯、酯、醚、酮、醇和非质子性溶剂。可用作非水有机溶剂的碳酸酯的示例可包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)和碳酸乙甲酯(EMC)。可用作非水有机溶剂的酯的示例可包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲瓦龙酸内酯(mevalonolactone)和己内酯。可用作非水有机溶剂的醚的示例可包括二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、乙二醇二甲醚、2-甲基四氢呋喃和四氢呋喃。可用作非水有机溶剂的酮的示例可以是环己酮。可用作非水有机溶剂的醇的示例可包括乙醇、异丙醇等。非质子溶剂的示例可包括:腈,例如R-CN(其中,R是可包括双键、芳香环或醚键的C2至C20的直链烃基、支链烃基或环烃基);酰胺,例如二甲基甲酰胺;二氧戊环,例如1,3-二氧戊环;环丁砜。
可单独使用非水有机溶剂。或者,可以以组合方式使用至少两种非水有机溶剂。在这种情况下,可根据电池的性能来适当地改变所述至少两种非水有机溶剂的混合比,这对本领域普通技术人员来讲是显而易见的。
锂盐溶解在有机溶剂中并用作电池中的锂离子源,使得能够进行锂电池的基本操作。另外,锂盐有助于锂离子在正极和负极之间迁移。锂盐的示例可包括从由LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiN(SO2C2F5)2、Li(CF3SO2)2N、LiC4F9SO3、LiClO4、LiAlO2、LiAlCl4、LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(其中x和y是自然数)、LiCl、LiI和LiB(C2O4)2(LiBOB;双草酸硼酸锂)组成的组中选择的至少一种支持电解质盐。锂盐的浓度可在大约0.1M至大约2.0M的范围内。当锂盐的浓度在该范围内时,电解质溶液可具有适当的导电性和粘度,因此可表现出良好的性能,使得锂离子有效地迁移。
图2是根据实施例的锂二次电池100的结构的示意图。参照图2,根据本实施例的锂二次电池100包括:正极114;负极112;分隔件113,设置在正极114和负极112之间;电解质溶液(未示出),浸入到正极114、负极112和分隔件113中;电池壳体120;密封构件140,用于密封电池壳体120。如下制造锂二次电池100:顺序地堆叠正极114、分隔件113和负极112来形成堆叠件;以螺旋形式卷绕该堆叠件;将卷绕的堆叠件容纳在电池壳体120中。
现在将参照下面的示例描述这些实施例。仅以说明性的目的提供这些示例,这些示例不意图限制这些实施例的范围。
示例
分散评价
示例1
将用作导电剂的6wt%的乙炔黑、用作分散剂的0.6wt%的油胺以及用作溶剂的93.4wt%的N-甲基吡咯烷酮在室温下彼此混合10分钟,使得导电剂的表面荷电。
示例2
除了将0.6wt%的氟苯用作分散剂之外,用与示例1相同的方式使导电剂的表面荷电。
对比示例1
除了不使用分散剂之外,用与示例1相同的方式制备导电剂和溶剂的混合物。
通过测量示例1、示例2和对比示例1的导电剂的粘度来比较根据示例1、示例2和对比示例1制备的导电剂的分散性,在图3中示出了结果。
参照图3,示例1和示例2的导电剂的粘度低于对比示例1的导电剂的粘度,并且表现出牛顿(Newtonian)流动行为。因此,确定了示例1和示例2的导电剂比对比示例1的导电剂分散得更好。
ζ电位测量
测量示例1、示例2和对比示例1的导电剂相对于水的ζ电位。
示例1的导电剂的ζ电位为+23.7mV,示例2的导电剂的ζ电位为-13.3mV。由于对比示例1的导电剂未被润湿,所以不能测量对比示例1的导电剂的ζ电位。
这里,由于示例1的导电剂的颗粒利用包含氨基或胺基的分散剂进行表面处理,所以根据在导电剂的颗粒表面上存在的氨基或胺基而测量到正电荷值,由于示例2的导电剂的颗粒利用包含氟基的分散剂进行表面处理,所以根据在导电剂颗粒的表面上存在的氟基而测量到负电荷值。
锂二次电池的正极浆料组合物的分散性比较
示例3
通过混合作为导电剂的1.3wt%的乙炔黑、作为分散剂的0.13wt%的油胺、作为粘合剂的1.3wt%的PVdF、作为正极活性材料的63.4wt%的NCM(Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2)以及作为溶剂的剩余重量百分数的N-甲基吡咯烷酮来制备100wt%的混合物。在室温下使该混合物混合10分钟以制备锂二次电池的正极浆料组合物。
示例4
除了使用0.13wt%的氟苯作为分散剂之外,用与示例3相同的方式制备锂二次电池的正极浆料组合物。
对比示例2
除了使用1.3wt%的乙炔黑而不使用分散剂之外,用与示例3相同的方式制备锂二次电池的正极浆料组合物。
通过测量示例3、示例4和对比示例2的正极浆料组合物的粘度来比较示例3、示例4和对比示例2的导电剂的分散性,在图4中示出了结果。
参照图4,示例3和示例4的正极浆料组合物的粘度低于对比示例2的正极浆料组合物的粘度,并表现出接近牛顿流动行为。因此,确定示例3和示例4的导电剂比对比示例2的导电剂分散得更好。
制备锂二次电池并评估微结构
示例5
将示例3的正极浆料组合物涂覆在铝(Al)箔上以形成厚度为90μm的薄正极板,以135℃干燥3小时或更久,并挤压至70μm的厚度。将获得的正极板冲压成冲压直径为13mm的圆形片。圆形片用于形成具有适于焊接的形状的正极。将正极焊接至2032钮扣电池单体的底部并在抽空的真空炉中以250℃放置5小时。然后,装配具有20μm的厚度的聚乙烯分隔件、锂电极(负极)和电解质溶液(包含体积比为3∶7的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸乙甲酯(EMC)以及1.3M的LiPF6的混合物)来制造锂二次电池。
示例6
除了使用示例4的正极浆料组合物之外,用与示例5相同的方式制造锂二次电池。
示例7
通过混合作为导电剂的1.3wt%的乙炔黑、作为分散剂的0.13wt%的Disperbyk-2163(由BYK Chemie GmbH公司(德国威塞尔)制造)、作为粘合剂的1.3wt%的PVdF、作为正极活性材料的63.4wt%的NCM(Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2)以及作为溶剂的剩余重量百分数的N-甲基吡咯烷酮来制备100wt%的混合物。在室温下将该混合物混合10分钟以制备锂二次电池的正极浆料组合物。
除了使用该正极浆料组合物之外,用与示例5相同的方式制造锂二次电池。
对比示例3
除了使用对比示例2的正极浆料组合物之外,用与示例5相同的方式制造锂二次电池。
正极的孔隙尺寸的比较评估
测量示例7和对比示例3的锂二次电池的正极的孔隙尺寸。由于用于制备示例7的正极的导电剂具有良好的分散性,所以示例7的锂二次电池的正极的孔隙尺寸在大约9.5nm至大约15.5nm的范围内,因此平均为12.5nm。对比示例3的锂二次电池的正极的孔隙尺寸在大约15nm至大约28nm的范围内,因此平均为21.5nm。
图5是使用示例3的正极浆料组合物制造的正极的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图6是使用示例4的正极浆料组合物制造的正极的SEM照片。
图7是使用对比示例2的正极浆料组合物制造的正极的SEM照片。
参照图5、图6和图7,图7的导电剂的颗粒聚集到一起并且随机地分散,而图5和图6的导电剂的颗粒是分散的且整体上均匀地分布。
图8是根据4点探针法比较电极表面电阻的图,例如,比较根据对比示例3、示例5和示例6制备的锂二次电池的每个正极的表面电阻的图,根据对比示例3、示例5和示例6制备的锂二次电池的每个正极是使用对比示例2、示例3和示例4的正极浆料组合物制备的。
参照图8,当利用示例3和示例4的正极浆料组合物制备正极时,电极表面电阻分别为243Ω/cm2和425Ω/cm2,这显著地低于利用对比示例2的正极浆料组合物制备的正极的电极表面电阻(例如,638Ω/cm2)。
在下面的表1中示出了对比示例3以及示例5和示例6的锂二次电池的电池单体电阻。
表1
对比示例3 | 示例5 | 示例6 | |
电池单体电阻[mΩ] | 31.9 | 29.3 | 26.8 |
参照表1,确定示例5和示例6的锂二次电池的电池单体电阻低于对比示例3的锂二次电池的电池单体电阻。这种结果与电极电阻根据导电剂的分散性的增加而减小相对应。
图9是比较对比示例3和示例7的锂二次电池的电池单体寿命的曲线图。
参照图9,示例7的锂二次电池的电池单体寿命比对比示例3的锂二次电池的电池单体寿命长。
如上所述,根据上述的一个或更多个实施例,通过使用导电剂来提高锂二次电池的正极浆料组合物的分散性,并且当使用正极浆料组合物时,包含导电剂的电极的表面具有电极膜的微结构的高的均匀性,因此制备的正极具有高导电性以及高稳定性。
应该理解的是,这里描述的示例性实施例仅应以描述性的意义来考虑,而不是出于限制的目的。在每个实施例中的特征或方面的描述应通常视为可用于其它实施例中的其它相似的特征或方面。
Claims (8)
1.一种正极浆料组合物,所述正极浆料组合物包括:
导电剂,所述导电剂的颗粒是由分散剂进行表面处理的,所述分散剂包括基于非芳香烃的主链或基于芳基的主链,在主链的端部含有氟基、氨基或胺基,并且所述分散剂具有100g/mol至100,000g/mol的分子量。
2.如权利要求1所述的正极浆料组合物,其中,所述导电剂包括碳质材料、金属粉、金属纤维或导电聚合物。
3.如权利要求1所述的正极浆料组合物,其中,所述分散剂是从由非芳香烃或芳基化合物组成的组中选择的一种。
4.如权利要求1所述的正极浆料组合物,所述正极浆料组合物还包括粘合剂,其中,所述粘合剂是聚偏1,1-二氟乙烯类粘合剂。
5.如权利要求4所述的正极浆料组合物,所述正极浆料组合物还包括正极活性材料和溶剂,其中,基于100wt%的所述正极浆料组合物,所述正极活性材料、所述导电剂、所述分散剂、所述粘合剂和所述溶剂的含量分别为24wt%至72wt%、0.6wt%至3wt%、0.05wt%至0.6wt%、0.6wt%至3wt%以及25wt%至70wt%。
6.一种锂二次电池,所述锂二次电池包括:
正极,包含具有非零的表面电荷的导电剂;
负极,包含负极活性材料;和
电解质溶液,
其中,所述导电剂的颗粒是由分散剂进行表面处理的,所述分散剂包括基于非芳香烃的主链或基于芳基的主链,在主链的端部含有氟基、氨基或胺基,并且所述分散剂具有100g/mol至100,000g/mol的分子量。
7.如权利要求6所述的锂二次电池,其中,所述导电剂包括碳质材料、金属粉、金属纤维或导电聚合物。
8.如权利要求6所述的锂二次电池,其中,所述正极的平均孔隙尺寸为9nm至16nm。
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