CN105009331A - 锂二次电池用负极、其制造方法和包含其的锂二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂二次电池用负极，其包含碳类负极活性材料、粘合剂和导电聚合物，其中所述导电聚合物为纤维形式。本发明还提供了包含所述负极的锂二次电池。由于用于锂二次电池的负极包含纤维形式的导电聚合物，所以可以克服碳类负极活性材料所具有的差的导电性的问题，且可以容易地制造所述负极。

Description

锂二次电池用负极、其制造方法和包含其的锂二次电池
技术领域
本发明涉及一种锂二次电池用负极、其制造方法和包含其的锂二次电池。更特别地，本发明涉及一种含有导电聚合物的锂二次电池用负极、其制造方法和包含其的锂二次电池。
背景技术
通常，锂二次电池包含由碳材料或锂金属合金形成的负极、由锂金属氧化物形成的正极和包含溶解在有机溶剂中的锂盐的电解质。特别地，最初将锂金属用作用于锂二次电池用负极的负极活性材料。然而，锂存在低可逆性和安全性的问题。目前用作锂二次电池用负极活性材料的为碳材料。碳材料与锂金属相比具有低的容量，但在低体积变化、高可逆性和优惠的价格方面是有利的。
然而，这样的碳类负极活性材料具有有限的导电性，且由于在电极制造时在活性材料之间的边界部分形成空的空间而可能会导致电极电阻增加。
因此，正在对提高低导电性进行深入的研究。例如，韩国专利申请公开号2012-0129983公开了一种使用炭黑增加导电性的负极材料，但由于复杂的制备过程和不充分的导电性而是不利的。
发明内容
技术问题
已经考虑到相关领域中的以上问题而完成了本发明，本发明的一个目的为提供可采用导电聚合物的锂二次电池用负极，由此解决碳类负极活性材料所具有的差的导电性问题，并且使负极容易制造。
技术方案
为了实现以上目的，本发明提供锂二次电池用负极，其包含碳类负极活性材料、粘合剂和导电聚合物，其中所述导电聚合物为纤维形式。
另外，本发明提供制造锂二次电池用负极的方法，包括：(A)将碳类负极活性材料和导电聚合物分散在粘合剂溶液中，由此制备浆料；(B)将所述浆料施加在要形成有负极活性材料层的集电器的表面上；以及(C)对在(B)中涂布的所述集电器进行干燥，其中所述导电聚合物为纤维形式。
有益效果
根据本发明，锂二次电池用负极包含聚-3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT/PSS)作为导电聚合物，由此防止被视为在碳类负极活性材料中的问题的导电性降低，并且容易地控制负极的制造。
附图说明
图1为说明根据本发明的制造过程的示意图；
图2为说明实施例1和比较例1的电池的寿命和效率特性的图；以及
图3为说明实施例1和比较例1的电池的电阻特性的图。
具体实施方式
下文中，将给出本发明的详细说明。
根据本发明，锂二次电池用负极包含碳类负极活性材料、粘合剂和导电聚合物。同样地，所述导电聚合物为纤维形式。
根据本发明，碳类负极活性材料可以包括通常使用的碳类负极活性材料。碳类负极活性材料优选包含碳材料。碳材料可以包括低结晶碳和高结晶碳。低结晶碳的实例可以包括软碳和硬碳，高结晶碳的实例可以包括高温煅烧的碳如天然石墨、结晶石墨、热解炭、中间相沥青基碳纤维、中间相碳微球、中间相沥青和源自石油或煤焦油沥青的焦炭。
在本发明中，碳类负极活性材料的量没有特别限制，只要其落在通常的范围内即可，但基于负极的总重量，可以设定为20重量％～95重量％。当碳类负极活性材料的量满足以上范围时，电池的导电性可以变得优异。
在本发明中，粘合剂可以包括通常使用的水性粘合剂。在本发明中可用的粘合剂可以包含选自如下中的任一种或者两种以上的混合物：丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶、(甲基)丙烯酸甲酯-丁二烯橡胶、氯丁二烯橡胶、羧基改性的丁苯橡胶、羧甲基纤维素(CMC)和改性的聚硅氧烷聚合物。优选使用丁苯橡胶。
尽管粘合剂的量没有特别限制，只要其落在通常的范围内即可，但粘合剂的含量为剩余物的量，使得负极的总重量为100重量％，且可以根据其它组分的量对粘合剂的量进行调节。
根据本发明的导电聚合物可以为纤维形式。特别有用的纤维形式的导电聚合物为PEDOT/PSS。将PEDOT/PSS构造为使得噻吩结构具有环状的乙撑二氧基，且对于空气或热具有优异的稳定性。此外，这样的导电聚合物与常规负极材料相比是轻质的，由此降低电池的重量。
在本发明中，基于负极的固体含量，导电聚合物的含量为0.1重量％～3重量％，优选为0.5重量％～2重量％，更优选为0.8重量％～1.5重量％。当导电聚合物的量满足以上范围时，可以防止导电性降低，且可以容易地控制负极的形成。
根据本发明，制造负极的方法没有特别限制，且可以包括在本领域中通常已知的方法，包括：将包含负极活性材料、粘合剂和导电聚合物的电极浆料施加在集电器上，并对其进行干燥。此外，根据需要可以使用分散剂或表面活性剂。
根据本发明，锂二次电池包含：负极，所述负极包含用于非碳类锂二次电池的碳类负极活性材料；正极，所述正极包含正极活性材料；和电解质。
在本发明中，正极活性材料优选包含含有锂的过渡金属氧化物。例如，使用选自如下物质中的任一种或者两种以上的混合物：LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li(NiaCobMnc)O2(0<a<1，0<b<1，0<c<1，a+b+c＝1)、LiNi1-yCoyO2、LiCo1-yMnyO2、LiNi1-yMnyO2(0≤y<1)、Li(NiaCobMnc)O4(0<a<2，0<b<2，0<c<2，a+b+c＝2)、LiMn2-zNizO4(0<z<2)、LiMn2-zCozO4(0<z<2)、LiCoPO4和LiFePO4。除这些氧化物以外，还可以使用硫化物、硒化物和卤化物。
对于在本发明中使用的电解液，可以使用可作为电解质含有的锂盐而没有特别限制，只要其为通常用于锂二次电池用电解液的即可。锂盐的阴离子可以包括例如选自如下中的任一种：F-、Cl-、Br-、I-、NO3 -、N(CN)2 -、BF4 -、ClO4 -、PF6 -、(CF3)2PF4 -、(CF3)3PF3 -、(CF3)4PF2 -、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、CF3SO3 -、CF3CF2SO3 -、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、(CF3SO2)3C-、CF3(CF2)7SO3 -、CF3CO2 -、CH3CO2 -、SCN-和(CF3CF2SO2)2N-。
根据本发明的锂二次电池可以用于作为小型装置如移动电话的电源的电池单元，还可以用作用于包含多个电池单元的中型或大型电池模块的单元电池。可适用的中型或大型装置的实例可以包括电动工具；电动车辆类，包含电动车辆(PHEV)、混合电动车辆(HEV)和插电式混合电动车辆(PHEV)；电动机动车，包含电动自行车和电动踏板车；电动高尔夫球车；电动卡车；电动商业车辆；和储能系统。
通过为了说明而提出的以下实施例可以更好地理解本发明，但所述实施例不解释为限制本发明。本发明的范围在附属权利要求中进行说明，且包含在与权利要求等价的范围和意思内的全部修改。除非另有说明，以下实施例和比较例中显示量的“％”和“份”基于质量。
发明模式
实施例
负极的制造
使用天然石墨作为碳类负极活性材料、丁苯橡胶作为粘合剂和PEDOT/PSS作为导电聚合物，以下表1中所示的组成制备了负极混合物。然后，将所述负极混合物添加至N-甲基吡咯烷酮以制备负极活性材料浆料，然后将该浆料施加在铜箔上并且在约130℃下干燥2小时，由此制造负极。
[表1]
天然石墨(重量％) SBR(重量％) PEDOT/PSS(重量％)
合成例1 93 6 1
合成例2 92 5 0
PEDOT/PSS：Baytron P
使用表面电阻计(四点探针)对以合成例1和2的组成制造的负极的表面电阻进行了测量。结果示于下表2中。
[表2]
负极 表面电阻(mΩ/m2)
合成例1 46.9
合成例2 16.1
半单元电池的制造
[实施例1]
使用合成例1的负极、锂对电极、微孔聚乙烯隔膜和电解质在充满氦气的手套箱中制造了硬币型半单元电池(2016R-型半电池)。通过在50:50体积比的碳酸亚乙酯和碳酸二甲酯的溶剂混合物中溶解1MLiPF6获得了电解质。
[比较例1]
以与实施例1中相同的方式制造了硬币型半单元电池(2016R-型半电池)，不同之处在于使用了合成例2的负极。
试验例1.电池的寿命和效率
将实施例1和比较例1的半单元电池各自在0V与1.5V之间以0.5C充放电50个循环，并对库仑效率和充电容量的变化进行了测量。结果示于图2(a)和2(b)中。
如在图2(a)中所示，与比较例1的电池相比，实施例1的电池显示了稳定的高库仑效率。
如在图2(b)中所示，即使在50个循环后实施例1的电池仍保持了98％以上的初始容量，但比较例1的电池的充电容量降低至97％以下。最终，增加了实施例1的电池的寿命。
基于以上测量结果，与常规技术相比，根据本发明的锂离子电池具有长的寿命，并且可以在高充放电倍率下进行快速充电。
试验例2.高倍率下电池的电阻
将实施例1和比较例1的半单元电池各自在0V与1.5V之间以5C进行高倍率放电，并对其内阻进行了测量。结果示于图3中。
如在图3中所示，实施例1的电池具有比比较例1的电池降低了至少约8的电阻特性。

Claims (13)

1.一种锂二次电池用负极，包含碳类负极活性材料、粘合剂和导电聚合物，其中所述导电聚合物为纤维形式。
2.权利要求1的负极，其中所述导电聚合物为聚-3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸酯(PEDOT/PSS)。
3.权利要求1的负极，其中基于所述负极的固体含量，所述导电聚合物的含量为0.1重量％～3重量％。
4.权利要求1的负极，其中基于所述负极的固体含量，所述导电聚合物的含量为0.5重量％～2重量％
5.权利要求1的负极，其中基于所述负极的固体含量，所述导电聚合物的含量为0.8重量％～1.5重量％。
6.权利要求1的负极，其中所述粘合剂为选自如下物质中的任一种或两种以上的混合物：丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶、(甲基)丙烯酸甲酯-丁二烯橡胶、氯丁二烯橡胶、羧基改性的丁苯橡胶、羧甲基纤维素(CMC)和改性的聚硅氧烷聚合物。
7.权利要求1的负极，其中所述碳类负极活性材料为选自如下物质中的任一种或两种以上的混合物：软碳、硬碳、天然石墨、结晶石墨、热解炭、中间相沥青基碳纤维、中间相碳微球、中间相沥青和源自石油或煤焦油沥青的焦炭。
8.一种制造权利要求1的负极的方法，包括：
(A)将碳类负极活性材料和导电聚合物分散在粘合剂溶液中，由此制备浆料；
(B)将所述浆料施加在要形成有负极活性材料层的集电器的表面上；以及
(C)对在(B)中涂布的所述集电器进行干燥。
9.权利要求8的方法，其中所述导电聚合物为PEDOT/PSS。
10.权利要求8的方法，其中基于所述负极的固体含量，所述导电聚合物的含量为0.1重量％～3重量％。
11.权利要求8的方法，其中基于所述负极的固体含量，所述导电聚合物的含量为0.5重量％～2重量％
12.权利要求8的方法，其中基于所述负极的固体含量，所述导电聚合物的含量为0.8重量％～1.5重量％。
13.一种锂二次电池，其包含正极、负极和电解质，其中所述负极为权利要求1～7中任一项的负极。
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