СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 2010 года по МПК H01M4/62 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении литий-ионного аккумулятора (ЛИА)

Литий ионный аккумулятор (ЛИА) [1] по своим удельным электрохимическим характеристикам превосходят все известные типы аккумуляторов. При этом обладают рядом недостатков, таких как повышенная необратимая емкость в первом цикле заряда и высокая стоимость.

Известен способ изготовления литий-ионного аккумулятора, при котором в качестве материала связующего компонента используют поливинилиденфторид PVDF и политетрафторэтилен PTFE, а в качестве растворителя связующего используют в основном N-метилпирролидон [1].

Недостатком способа изготовления электродов с использованием фторопластов PVDF и PTFE является необходимость использования в качестве растворителя N-метилпирролидона [1]. Данный растворитель относится к токсичным веществам, что создает угрозу экологии и здоровью людей. При этом температура кипения данного растворителя составляет 206°С, что требует повышенной температуры и времени сушки, повышая тем самым себестоимость изготовления электродов и аккумулятора в целом.

Использование в качестве связующего компонента водных растворов различных полимеров позволяет снизить температуру и время сушки электродов, себестоимость и вредное воздействие на окружающую среду.

Известен способ изготовления электродов для ЛИА с использованием в качестве связующего водного раствора полиакрилата [2, 3], водных растворов бутадиен стирольного латекса (латекс SBR), латекса каучука нитрилового бутадиена (латекс NBR) и латекс каучука бутадиена метакрилата (латекс MBR) [4]. Применение данных материалов позволило повысить плотность активной массы электродов, производительность, плотность энергии, циклируемость.

Недостатком известных способов является необходимость приготовления латексов с определенной концентрацией, увеличивая тем самым число операций и соответственно трудозатраты и себестоимость электродов.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления электродов электрического аккумулятора, описанный в патенте РФ [5], сущность которого заключается в смешении 100 мас.ч. активного материала с 2,4-24 мас.ч водной дисперсии сополимера бутадиена и метилметакрилата и 10-40 мас.ч. воды, с последующим нанесением полученной смеси на токоотвод и сушкой.

К недостаткам данного способа можно отнести наличие излишних операций по ведению в активную массу электродов дополнительного количества воды, сушке активной массы перед нанесением на коллектор тока, необходимость приготовления водной дисперсии сополимера бутадиена и метилметакрилата. При этом низкая степень осушки электродов, остаточная влажность 1,0-2,5% не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к активным массам электродов ЛИА.

Изобретение решает задачу создания нового способа изготовления электрода литий-ионного аккумулятора, который по сравнению с другими способами обеспечивал бы упрощение технологического процесса, снижение себестоимости производства, увеличение степени осушки электродов, увеличение удельной разрядной емкости ЛИА.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологического процесса путем уменьшения количества операций и оборудования для его осуществления, уменьшение экологического риска и снижение себестоимости, взрывобезопасности и повышение удельной разрядной емкости ЛИА.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления электродов литий-ионного аккумулятора, включающем смешивание активного материала со связующем, в виде водной дисперсии полимера или сополимера и органического вещества, нанесение смеси на токовод и сушку, новым является то, что смешение проводят одновременно с диспергированием, в качестве связующего берут дисперсию полиакрилата или сополимера стирола и акрилата в воде или органических растворителях при следующих соотношениях компонентов смеси, % (мас.сух.в-ва):

активный материал 77-97,

ацетиленовый технический углерод 1-12%,

водная дисперсия полиакрилата или стирол-акрилата 2-12%,

а сушку электродов ведут до остаточной влажности 0,005% (мас. сух. в-ва).

Заявленный способ обеспечивает расширение технологических возможностей в части использования различных методов нанесения активной массы на токоотвод и обеспечивает получение повышенной гибкости электрода (без разрушения основы) за счет использования нового связующего с соответствующим соотношением компонентов и сушки электродов до определенной остаточной влажности. Снижение себестоимости - за счет использования серийно выпускаемых водных дисперсий полиакрилата (А 1100, А2001) и стирол-акрилата (А 10), не требующих осуществления дополнительных операций по приготовлению раствора связующего.

Способ изготовления электродов литий-ионного аккумулятора осуществляется следующим образом.

Для изготовления активной массы электродов берется 100 мас.ч. активного материала 1,1-24 мас.ч. ацетиленового технического углерода перемешивается (n=300-500 об/мин), добавляется 2,4-24 мас.ч. связующего. В качестве связующего используют промышленно выпускаемые водные дисперсии полиакрилата (латексы A1100, А2001) или сополимера стирола и акрилата (латекс А10) с содержанием основного вещества 50-70%. Латекс берут из расчета 2-12%, ацетиленового технического углерода А-437 - 1-12%, основного активного материала - 77-97% по сухому веществу. После введения водной дисперсии связующего масса перемешивается (n=300-500 об/мин) с одновременным ультразвуковым диспергированием. Полученную массу наносят на токоотвод, производят сушку при температуре 80°С в течение 0,5 ч, прокатку и прессование. Затем сушат при температуре 80°С и давлении 0,02 МПа в течение 1 ч до остаточной влажности 0,005%.

Полученные электроды обладают высокой прочностью и гибкостью, активная масса электродов не разрушается при многократном изгибе на 180 градусов. Образуемая с помощью используемых латексов гидрофильная пространственная структура обладает высокой прочностью и проводимостью. Испытания показали, что электроды ЛИА, полученные данным способом, не разрушаются при многократном циклировании при плотности тока до 2С.

Пример 1. Берут 90 г порошка графита для спектрального анализа, добавляют электропроводный ацетиленовый технический углерод в количестве 5 г (5%) и перемешивают (n=300-500 об/мин). В данную смесь добавляют раствор 50% -ной водной дисперсии сополимера стирола и акрилата (латекс А10). На 100 г смеси берут 9,6 см³ (10 г, ρ=1,04 г/см³) 50%-ного латекса, что обеспечивает 5%-ное содержание сухого остатка сополимера в активной массе. Добавляют 50 см³ дистиллированной воды и производят перемешивание и ультразвуковое диспергирование в течение 5 мин.

Полученную массу наносят на медную фольгу толщиной 0,05 мм, производят сушку при температуре 80°С в течение 0,5 ч, прокатку на вальцах и прессование. Толщина наносимого слоя составляет 50-200 мкм, что контролируется толщиномером. Полученную электродную ленту разрезают на электроды нужного типоразмера, приваривают токоотвод. Затем сушат при температуре 80°С и давлении 0,02 МПа в течение 1 ч до остаточной влажности 0,005% и используют для сборки аккумуляторов.

Пример 2. В условиях примера 1 вводят 10 см³ (10,4 г, ρ=1,04 г/см³) раствора 48%-ной водной дисперсии полиакрилата (латекс А2001).

Пример 3. В условиях примера 1 вводят 8 см³ (7,6 г, ρ=1,06 г/см³) раствора 62%-ной водной дисперсии полиакрилата (латекс А1100).

Пример 4. В условиях примера 1 вместо графита для спектрального анализа использовали кобальтат лития.

Пример 5. В условиях примера 2 вместо графита для спектрального анализа использовали кобальтат лития.

Пример 6. В условиях примера 3 вместо графита для спектрального анализа использовали кобальтат лития.

Были также изготовлены активные массы для положительных и отрицательных электродов для литий-ионных аккумуляторов.

Для положительных электродов применялась масса, состоящая из кобальтата лития, для отрицательного - графит для спектрального анализа, природный графит Курейского месторождения, синтетические графиты CZ-50 и SLC-200 (применяется в серийном производстве) и предлагаемых латексов, процентное содержание которых варьировалось от 2 до 12% по сухому веществу.

Предлагаемый способ позволяет изготавливать электроды для литий-ионного аккумулятора с воспроизводимыми высокими удельными электрохимическими характеристиками, применим также для изготовления электродов для других первичных и вторичных ХИТ.

Источники информации

1. И.А.Кедринский, В.Г.Яковлев Li-ионные аккумуляторы. Красноярск.: ИПК "Платина". 2002. 266 с.

2. Positive Electrode For Lithium Secondary Battery, And Nonaqueous Lithium Secondary Battery. Патент Япония. JP 2008123824. H01M 4/62; H01M 4/02; H01M 4/04; H01M 4/48; H01M 10/40; H01M 4/62; H01M 4/02; H01M 4/04; H01M 4/48; H01M 10/36. Заявл. 2006.11.10. Опубл. 2008.05.29.

3. Anode For Lithium Battery And Lithium Battery Employing The Same. Патент США. US 2008166633 H01M 4/62; H01M 4/62; H01M 4/62B; H01M 4/04 C4; H01M 4/1393; H01M 4/1395. Заявл. 2007.01.05. Опубл. 2008.07.10.

4. Aqueous Phenolic Resin Composition And Binder. Патент Япония. C08L 61/10; C08G 8/00; C08G 8/10; C08L 21/02; C09J 109/04; C09J 109/08;0 C09J 109/10; C09J 161/10; C08L 61/00; C08G 8/00; C08L 21/00; C09J 109/00; C09J 161/00. Заявл. 2006.02.02. Опубл. 2007.08.16.

5. Способ изготовления электродов электрического аккумулятора. Патент РФ 2071621. МКИ 6 Н01М 4/26, H01M 4/62, Н01М 10/28. Заявл. 1994.11.29. Опубл. 1997.01.10.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении литий-ионного аккумулятора (ЛИА). Техническим результатом изобретения является повышение удельной разрядной емкости, уменьшение экологического риска и снижение себестоимости взрывобезопасности. Согласно изобретению для изготовления активной массы электродов в качестве связующего используют водные растворы полиакрилатов и их сополимеров. Смешение компонентов проводят одновременно с ультразвуковым диспергированием, в качестве связующего берут водную дисперсию полиакрилата или сополимера стирола и акрилата при следующих соотношениях компонентов смеси, % (мас. сух. в-ва): активный материал 77-97; ацетиленовый технический углерод 1-12%, водная дисперсия полиакрилата или стирол-акрилата 2-12%, а сушку электродов ведут до остаточной влажности 0,005%.

Способ изготовления электродов литий-ионного аккумулятора путем смешивания активного материала со связующим в виде водной дисперсии полимера или сополимера, отличающийся тем, что смешение смеси проводят совместно с ультразвуковым диспергированием, в качестве связующего берут дисперсию полиакрилата или сополимера стирола и акрилата в воде или органических растворителях при следующих соотношениях компонентов смеси, % (мас.сух.в-ва):
Активный материал 77-97 Ацетиленовый технический углерод 1-12, Водная дисперсия полиакрилата или стирол-акрилата 2-12,