Способ изготовления электродов литий-ионного аккумулятора

Авторы патента:

Кедринский Илья-Май Анатольевич (RU)

H01M4/62 - выбор неактивных веществ, используемых в качестве ингредиентов активной массы, например связующие вещества или наполнители

Владельцы патента RU 2390078:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный технологический университет" (RU)

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%.

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.

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,

а сушку электродов ведут до остаточной влажности 0,005%.

Похожие патенты:

Электрод для аккумулятора // 2295803

Изобретение относится к биполярным электродам для свинцовой аккумуляторной батареи. .

Способ определения расширителя фс в пасте для отрицательного электрода свинцово-кислотных аккумуляторных батарей // 2279160

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к аналитическому контролю количества расширителя ФС в пасте для отрицательного электрода свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Паста положительного электрода свинцового аккумулятора (батареи) для транспортных средств // 2276820

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве положительных электродов свинцового аккумулятора (батареи), используемого в транспортных средствах.

Высокоактивная прочная паста для положительного электрода свинцового аккумулятора (батареи) // 2256258

Паста для положительного электрода свинцового аккумулятора и способ ее приготовления // 2237316

Изобретение относится к электротехнической промышленности и в частности к источникам тока - свинцовым аккумуляторам. .

Жидкая полимеризационноспособная композиция для получения твердых электролитов и способ ее отверждения // 2234168

Изобретение относится к электрохимии, а именно к твердым электролитам для различных электрохимических устройств. .

Гидридный электрод аккумулятора // 2231869

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродам металл-гидридных аккумуляторов. .

Отрицательный электрод из сплава, запасающего водород // 2212737

Изобретение относится к производству отрицательных электродов химических источников тока. .

Паста для положительного электрода свинцового аккумулятора // 2187864

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к пастам для положительных электродов свинцовых аккумуляторов. .

Паста для положительного электрода свинцового аккумулятора // 2182386

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству свинцовых аккумуляторов. .

Состав активной массы для изготовления отрицательного электрода металлогидридного аккумулятора и способ получения активной массы // 2427059

Изобретение относится к области применения нано-технологий в электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных аккумуляторов с металлогидридным электродом в качестве анода

Паста для положительного электрода свинцового аккумулятора // 2446513

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве положительных электродов свинцовых аккумуляторов

Паста для отрицательного электрода свинцово-кислотного аккумулятора и способ ее изготовления // 2454756

Изобретение относится к составам паст для отрицательных электродов стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов и технологии их изготовления

Биполярный электрод, биполярная аккумуляторная батарея с его использованием и способ изготовления биполярного электрода // 2524572

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к биполярному электроду биполярной аккумуляторной батареи и к способу ее изготовления. Биполярный электрод состоит из первого слоя активного материала, который представляет собой, например, слой активного материала положительного электрода, сформированный из первого активного материала на одной стороне токоотвода, и второго слоя активного материала, который представляет собой слой активного материала отрицательного электрода, сформированный из второго активного материала с меньшей прочностью на сжатие, чем у первого активного материала, на другой стороне токоотвода. Кроме того, во второй слой активного материала введена регулирующая плотность добавка, которая представляет собой добавочный материал с большей прочностью на сжатие, чем у второго активного материала. Снижение механических напряжений в обоих слоях активного материала, размещенного на передней и задней поверхностях токоотвода, когда оба слоя активного материала сжимаются одновременно, предотвращает возможность коробления биполярной аккумуляторной батареи. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил. 1 табл.5 прим.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея // 2533829

Изобретение относится к свинцово-кислотной аккумуляторной батарее заливного типа, содержащей контейнер, заключающий в себе: пакет пластин, полученный укладкой отрицательной пластины с набитым в отрицательный токосъемник отрицательным активным материалом, положительной пластины с набитым в положительный токосъемник положительным активным материалом и проложенного между ними сепаратора; и электролит. При этом зарядка осуществляется периодически, а высокоскоростная разрядка на нагрузку осуществляется в состоянии частичного заряда. К отрицательному активному материалу добавлены по меньшей мере углеродистый электропроводный материал и органическое соединение, способное подавлять укрупнение отрицательного активного материала вследствие зарядки и разрядки, и положительные пластины имеют суммарную площадь поверхности [м2] положительного активного материала на единицу объема пакета пластин [см3], составляющую в интервале от 3,5 до 15,6 [м2/см3]. Использование настоящего изобретения позволяет улучшить характеристики приема заряда и срок службы батареи. 23 з.п. ф-лы, 7 табл., 72 пр.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея // 2535303

Изобретение относится к свинцово-кислотной аккумуляторной батарее с клапанным регулированием, в которой зарядка выполняется периодически за очень короткое время, а стартерный разряд на нагрузку выполняется в состоянии частичного заряда. При этом отрицательный активный материал содержит чешуйчатый графит и продукт конденсации формальдегида, бисфенолов и аминобензолсульфоновой кислоты, средний диаметр первичных частиц чешуйчатого графита составляет 100 мкм или более и вплоть до 220 мкм, положительная пластина включает положительную пластину с удельной площадью поверхности активного материала 5,5 м2/г или более, плотность электролита составляет в интервале 1,30 или более и 1,35 или менее. Данная батарея обладает улучшенной способностью к приему заряда и увеличенным сроком службы. 2 з.п. ф-лы, 8 табл., 2 ил.

Способ изготовления электродов литий-ионного аккумулятора // 2547819

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении литий-ионного и литий-полимерного аккумулятора. Техническим результатом изобретения является повышение удельной разрядной емкости, уменьшение экологического риска и снижение взрывобезопасности. Согласно изобретению для изготовления активной массы электродов в качестве связующего используют гель-полимерный электролит на основе бутадиен-нитрильного каучука и его сополимеров, или полиакрилата, или сополимера стирола и акрилата. Смешение компонентов проводят одновременно с ультразвуковым диспергированием. При следующих соотношениях компонентов смеси, % (масс. сух. в-ва): активный материал 76-96; ацетиленовый технический углерод 0,1-12, гель-полимерный электролит на основе бутадиен-нитрильного каучука и его сополимеров, или полиакрилата, или стирол-акрилата 4-12, а сушку электродов ведут до остаточной влажности 0,001%. В качестве электропроводной добавки и связующего используют гель-полимерные или твердо-полимерные электролиты переменного состава. В качестве пластификатора гель-полимерного электролита используют: пропиленкарбонат, диметилкарабонат, диэтилкарбонат и их смеси с этиленкарбонатом, в качестве ионогенной соли лития: LiPF6, LiClO4, LiBF4, LiAsF6, в качестве материала отрицательного электрода: природные или синтетические графиты, в качестве материала отрицательного электрода: LiFePO4, LiCoO2, LiNiO2. 2 табл., 5 пр.

Литиевые батареи, содержащие литий-несущий фосфат железа и углерод // 2551849

Изобретение относится к литий-несущему фосфату железа в форме микрометрических смешанных агрегатов нанометрических частиц, к электроду и элементу, образованным из них, к способу их производства, который характеризуется стадией наноразмола, на которой посредством микроковки образуются микрометрические смешанные агрегаты нанометрических частиц. Также изобретение относится к электродам и Li-ионному электрохимическому элементу. Использование настоящего изобретения позволяет производить электродные материалы, с которыми можно достигнуть практической плотности энергии больше чем 140 Вт ч/кг в литий-ионном элементе, из которого могут быть сформированы толстые электроды в промышленном масштабе. 6 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл., 6 пр.

Маточная смесь углеродных проводящих наполнителей для жидких композиций, в частности, в литий-ионных батареях // 2564029

Настоящее изобретение относится к маточной смеси в твердой агломерированной форме для электродов литий-ионных батарей или суперконденсаторов, способу получения такой маточной смеси, концентрированной маточной смеси, способу изготовления электрода, электроду, полученному таким способом, способу изготовления активного композитного материала для электрода, активному композитному материалу для электрода, полученному таким способом, и применению маточной смеси. Маточная смесь содержит: a) углеродные нановолокна, и/или нанотрубки, и/или углеродную сажу, доля которых составляет от 15 до 40 вес.%, предпочтительно от 20 до 35 вес.% от полного веса маточной смеси; b) по меньшей мере один растворитель; c) по меньшей мере одно полимерное связующее, которое составляет от 1 до 40 вес.%, предпочтительно от 2 до 30 вес.% от полного веса маточной смеси. Растворитель является органическим растворителем, водой или их смесью и составляет от 20 до 84 вес.% от полного веса маточной смеси. Технический результат - получение маточной смеси и изделий на ее основе, решающей задачу введения углеродных нанотрубок в жидкие композиции на водной или органической основе. 9 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 11 пр.

Литий-ионная вторичная батарея // 2582666

Настоящее изобретение относится к литий-ионной вторичной батарее, имеющей электродный элемент, в котором положительный электрод и отрицательный электрод размещены таким образом, чтобы быть напротив друг друга, раствор электролита и наружный корпус контейнера для содержания электродного элемента и раствора электролита, в которой: отрицательный электрод формируют с использованием второго активного материала отрицательного электрода, который получают легированием литием первого активного материала отрицательного электрода, который содержит металл (а), способный образовывать сплав с литием, оксид (b) металла, способный абсорбировать и десорбировать ионы лития, и углеродсодержащий материал (с), способный абсорбировать и десорбировать ионы лития; и раствор электролита содержит соединение на основе фторированного простого эфира, представленное предварительно заданной формулой, в которой содержатся алкильная группа или фторзамещенная алкильная группа. Повышение плотности энергии и эффективности зарядно-разрядного цикла литий-ионной батареи является техническим результатом изобретения. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 11 пр.