【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及用于堿金屬離子二次電池單元的電極前體組合物。本專利技術還涉及由這種前體組合物制成的電極、電池單元和能量存儲裝置，以及制備用于堿金屬離子二次電池單元的電極的方法。
技術介紹
1、鋰離子二次電池是目前從小型個人裝置到電動車輛應用中使用的領先電池技術。鋰離子電池因其高能量密度和長循環壽命等優點而受到青睞。它們包含多個鋰離子二次電池單元，其是堿金屬離子二次電池單元的一個示例。
2、傳統的鋰離子電池部件(比如電極)由使用犧牲溶劑的溶劑澆鑄過程制成。這是能量昂貴的步驟，因此需要一種避免使用犧牲溶劑的過程。
3、鋰離子技術和其它堿金屬離子二次電池單元技術的另一個主要缺點是，在電池的鋰離子電池單元內經常使用液體電解質，以在固體、溶劑澆鑄陽極和陰極之間在電池單元內提供鋰離子的導電性。這導致安全問題，因為液體電解質通常是高度易燃的。這對于電動車輛來說是特別的問題，其中與另一輛車輛的碰撞可能相對較大，并且由此產生的沖擊可能導致電池損壞和電解液點燃。這對于家用設備來說也是問題，因為鋰離子電池著火可能會造成財產損失或嚴重傷害。
4、一種避免使用犧牲溶劑和需要電池單元內的液體電解質的方法是制備凝膠電極。這些電極可以由組合物形成，組合物通過混合必要的組分比如電化學活性材料、聚合物和液體電解質，并且隨后對該組合物進行熱處理來制備。
5、凝膠電極中使用的聚合物的選擇會在電池單元的操作期間導致問題。凝膠電極組合物包含少量的液體電解質以幫助聚合物的凝膠化，因此聚合物在該電解質中具有一定的溶解性是有益的，使
6、需要既易于處理且又能提供有利于良好電池單元壽命的堅固電極的凝膠電極前體組合物。
技術實現思路
1、本專利技術總體涉及一種用于堿金屬離子二次電池單元的電極前體組合物，尤其涉及一種包括包含聚合物共混物的聚合物-電解質凝膠基質相的電極前體組合物。
2、本專利技術的第一方面是一種用于堿金屬離子二次電池單元的電極前體組合物，包括：
3、聚合物-電解質凝膠基質相，其包含第一聚合物、不同于第一聚合物的第二聚合物的共混物以及液體電解質；和
4、分散相，其包含電化學活性材料；
5、其中，液體電解質包含有機溶劑和堿金屬鹽；
6、其中，第一聚合物在液體電解質中的溶解度高于第二聚合物在液體電解質中的溶解度；并且
7、第一聚合物與第二聚合物的體積比為0.2至7。
8、電極前體組合物可用作制備凝膠電極的前體材料。
9、電極前體組合物包含聚合物-電解質凝膠基質相，其包含第一聚合物、不同于第一聚合物的第二聚合物的共混物以及液體電解質。液體電解質包含有機溶劑，并且第一聚合物在液體電解質中的溶解度高于第二聚合物在液體電解質中的溶解度。這樣，電極前體組合物提供了可處理性（通過更易溶解的聚合物的存在）和電池單元使用期間的耐久性（通過更不易溶解的聚合物的存在）之間的平衡。溶解性更高的(第一)聚合物使得在凝膠電極的制造期間能夠形成更容易處理的凝膠。溶解性較低的(第二)聚合物在電池單元使用期間不容易溶解到電池電解質中，因此確保了良好的電池單元壽命。
10、此外，第一聚合物與第二聚合物的體積比為0.2至7。在此范圍內，聚合物共混物獲得了可處理性和耐久性的良好平衡。
11、電極前體組合物的另一個好處是堿金屬鹽在整個組合物中的濃度高于不存在聚合物共混物時可能的濃度。較高的鹽濃度增加凝膠電極的導電性，改善電池單元的電化學性能。由于在共混物中存在更易溶解的第一聚合物，更大量的液體電解質可以摻入到電極前體組合物中，而第二聚合物的存在改善了對電極結構穩定性的任何有害影響。更大量的液體電解質意味著更高的鹽濃度和因此改善的電極性能，而對電極結構穩定性沒有任何顯著影響。
12、第一聚合物在液體電解質中的溶解發生在至少30℃或至少50℃或至少80℃的溫度下，并形成在室溫下非常穩定的凝膠。
13、本專利技術的第二方面是一種用于堿金屬離子二次電池單元的電極，包括：
14、聚合物-電解質凝膠基質相，其包含第一聚合物、不同于第一聚合物的第二聚合物的共混物以及液體電解質；和
15、分散相，其包含電化學活性材料；
16、其中，液體電解質包含有機溶劑和堿金屬鹽；
17、其中，第一聚合物在液體電解質中的溶解度高于第二聚合物在液體電解質中的溶解度；并且
18、第一聚合物與第二聚合物的體積比為0.2至7。
19、本專利技術的第三方面是一種生產電極的方法，包括處理根據第一方面的電極前體組合物以形成膜或涂層。
20、本專利技術的第四方面是一種包括根據第二方面的電極的電化學二次電池單元。
21、本專利技術的第五方面是一種包括根據第四方面的電化學二次電池單元的電化學能量存儲裝置。
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1.一種用于堿金屬離子二次電池單元的電極前體組合物，包括：
2.根據權利要求1所述的電極前體組合物，其中，所述第一聚合物選自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇(PEG)和PVDF-HFP。
3.根據權利要求1或2所述的電極前體組合物，其中，所述第二聚合物是聚偏二氟乙烯(PvDF)，其包括PVDF的共聚物。
4.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述液體電解質是所述電極前體組合物的至少31體積%。
5.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述第一聚合物與所述第二聚合物的體積比為0.75至0.85。
6.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述電化學活性材料是正極活性材料。
7.根據權利要求6所述的電極前體組合物，其中，所述電化學活性材料是鋰過渡金屬氧化物材料。
8.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述分散相還包括導電添加劑。
9.根據權利要求8所述的電極前體組合物，其中，所述導電添加劑包括炭黑和石墨中的一種或多種。
10.根據權利要求8或9所述的電極前體組合物，其中，基于電極前體組合物的總重量，所述導電添加劑以0.2重量%至2.5重量%的量存在。
11.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述有機溶劑包含一種或多種環狀或線性碳酸酯化合物。
12.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述有機溶劑包含以下中的一種或多種：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基-甲基酯、碳酸丁烯酯、碳酸亞乙烯酯、碳酸氟代乙烯酯、碳酸氟代丙烯酯和γ-丁內酯。
13.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述堿金屬鹽包含以下中的一種或多種：LiPF6、LiBF4、雙(氟磺酰基)酰亞胺鋰(LiFSI)、雙(三氟甲磺酰基)酰亞胺鋰(LiTFSI)和2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑鋰(LiTDI)。
14.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，基于液體電解質的總重量，所述有機溶劑中的鋰鹽的濃度為10至30重量%。
15.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，基于組合物總體積，所述電極前體組合物包含50至75體積%的電化學活性材料。
16.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述電化學活性材料占所述電極前體組合物的至少60體積%。
17.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，基于組合物總體積，所述電極前體組合物包含20體積%至50體積%的聚合物-電解質凝膠基質相。
18.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，基于聚合物-電解質凝膠基質相總體積，所述聚合物-電解質凝膠基質相包含5至30體積%的聚合物。
19.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其用于鋰離子二次電化學電池單元。
20.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述第一聚合物在所述液體電解質中的溶解發生在至少30℃或至少50℃或至少80℃的溫度下，并形成在室溫下非常穩定的凝膠。
21.一種用于堿金屬離子二次電池單元的電極，包括：
22.根據權利要求21所述的電極，其通過處理根據權利要求1-21中任一項所述的電極前體組合物以形成膜或涂層來生產。
23.根據權利要求22所述的電極，其中，所述處理包括熱處理或擠出。
24.根據權利要求23所述的電極，其中，所述熱處理包括使所述電極前體組合物在至少50℃、至少60℃、至少70℃、至少80℃、至少90℃或至少100℃的溫度下通過輥組件。
25.一種生產電極的方法，包括處理根據權利要求1至21中任一項所述的電極前體組合物以形成膜或涂層。
26.一種電化學二次電池單元，包括根據權利要求21-25中任一項所述的電極。
27.一種電化學能量存儲裝置，包括根據權利要求26所述的電化學二次電池單元。
...【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.一種用于堿金屬離子二次電池單元的電極前體組合物，包括：
2.根據權利要求1所述的電極前體組合物，其中，所述第一聚合物選自聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚乙二醇(peg)和pvdf-hfp。
3.根據權利要求1或2所述的電極前體組合物，其中，所述第二聚合物是聚偏二氟乙烯(pvdf)，其包括pvdf的共聚物。
4.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述液體電解質是所述電極前體組合物的至少31體積%。
5.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述第一聚合物與所述第二聚合物的體積比為0.75至0.85。
6.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述電化學活性材料是正極活性材料。
7.根據權利要求6所述的電極前體組合物，其中，所述電化學活性材料是鋰過渡金屬氧化物材料。
8.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述分散相還包括導電添加劑。
9.根據權利要求8所述的電極前體組合物，其中，所述導電添加劑包括炭黑和石墨中的一種或多種。
10.根據權利要求8或9所述的電極前體組合物，其中，基于電極前體組合物的總重量，所述導電添加劑以0.2重量%至2.5重量%的量存在。
11.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述有機溶劑包含一種或多種環狀或線性碳酸酯化合物。
12.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述有機溶劑包含以下中的一種或多種：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基-甲基酯、碳酸丁烯酯、碳酸亞乙烯酯、碳酸氟代乙烯酯、碳酸氟代丙烯酯和γ-丁內酯。
13.根據前述權利要求中任一項所述的電極前體組合物，其中，所述堿金屬鹽包含以下中的一種或多種：lipf6、libf4、雙(氟磺酰基)酰亞胺鋰(lifsi)、雙(三氟甲磺酰基)酰亞胺鋰(litfsi)和2-三氟甲基-4,5-二氰基咪唑鋰(litdi)。
【專利技術屬性】
技術研發人員：A·馬德森，D·鮑斯，唐翹楚，M·克羅米克，
申請(專利權)人：戴森技術有限公司，
類型：發明
國別省市：
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