用于杂化电容型电极的基于纤维素的纤维型分散剂的制作方法

本发明公开了用于杂化电容型电极的基于纤维素的纤维型分散剂。

背景技术：

1、这一节提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。

2、本公开涉及通过包含电活性材料而具有高能量容量和通过包含电容材料而具有高功率容量的杂化锂离子电化学电池。这样的电容器辅助型杂化锂离子电化学电池具有增强的电容材料分布以实现高性能。

3、高能量密度电化学电池，如锂离子电池组可用于各种消费品和车辆，如混合动力汽车或电动汽车，包括启停系统（例如12v启停系统）、电池辅助系统（“µbas”）、混合动力汽车（“hev”）和电动汽车（“ev”）。典型的锂离子电池组包括各自具有第一电极（例如正极或阴极）和第二电极（例如负极或阳极）、液体、半固体/凝胶或固体形式的电解质和当存在液体电解质时微孔聚合物隔离件的电池。

4、锂离子电池组通过在负极与正极之间可逆传送锂离子来工作。电解质适于传导锂离子。锂离子在电池组充电过程中从阴极（正极）向阳极（负极）移动并在电池组放电时反向移动。锂离子电池组电池的堆叠体可电连接在电化学装置中以提高总输出。堆叠体内的负极和正极各自连接到集流体（通常是金属，如用于阳极的铜箔和用于阴极的铝箔）。在电池组使用过程中，与这两个电极关联的集流体通过外电路连接，所述外电路允许由电子生成的电流在电极之间传送以补偿锂离子的传输。

5、提高锂离子电化学电池的功率的一种方法是创建包括杂化电极（hybridelectrodes）的系统，所述杂化电极既有存储和循环锂离子的高能量容量电活性材料，又有可为电容材料的高功率容量材料。能量容量或密度是电池组相对于其质量而言可存储的能量的量（瓦时/千克（wh/kg））。功率容量或密度是电池组相对于其质量而言可生成的功率的量（瓦特/千克（w/kg））。因此，杂化电池可通过包含电活性材料而具有高能量容量并通过包含电容材料而具有高功率容量。这些杂化电池可被称为电容器辅助型锂离子电池组。

6、电活性材料和电容材料可独立地或组合地包含在单个电极中。杂化电极可被称为电容器辅助型电极，其可包括正极或阴极电容器辅助型电极，也称为“含电容电极（cabodes）”。将高能量容量电极和高功率容量电极一起混合在单个杂化电极中可提供性能优势并简化制造。但是，某些碳基高功率电容材料，如活性炭，带来挑战。活性炭具有相对较高的表面积，因此活性炭粒子可能在制造过程中团聚在一起并进一步可与也可能存在于电极中的碳基导电粒子团聚。当这些粒子形成团块时，这些材料没有充分和均匀地分散在活性层中，因此可不合意地降低活性组分的均匀性，提高电极电阻并降低电极功率性能。开发除高功率容量和高能量容量外还具有低电阻、均匀电流密度和良好的电极功率性能的用于高功率杂化锂离子电池的杂化电极将是有利的。

技术实现思路

1、这一节提供本公开的一般概述，并且不是其完整范围或其所有特征的全面公开。

2、本公开涉及一种制造用于锂离子电化学电池的电容器辅助型杂化电极的方法。在某些方面中，所述方法包括混合溶剂、基于纤维素的分散剂和许多含碳的电容粒子以形成分散体。基于纤维素的分散剂与含碳的电容粒子上的一个或多个羰基形成氢键。所述方法还包括将所述分散体与电活性材料、导电材料和聚合物粘合剂合并以形成浆料。将所述浆料施加到集流体上，然后固化以形成在集流体上具有复合杂化活性层的电容器辅助型杂化电极。

3、在一个方面，基于纤维素的分散剂选自：甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素及其组合。

4、在一个方面，所述分散体是第一分散体并且所述方法进一步包括通过将聚合物粘合剂与第二溶剂合并而形成第二分散体。所述方法还进一步包括将导电材料添加到聚合物粘合剂和第二溶剂中。接着，合并第一分散体和第二分散体。然后将电活性材料引入合并的第一和第二分散体中以形成浆料。

5、在一个方面，所述粘合剂为粉末形式并且所述方法进一步包括将粘合剂、导电材料和电活性材料干混在一起以形成干混合物。将第二溶剂添加到所述干混合物中以形成掺合物。捏合所述掺合物，然后加入第三溶剂并与所述掺合物混合以形成浆料。

6、在一个方面，基于纤维素的分散剂与所述许多含碳的电容粒子的质量比为大于或等于大约1:10,000至小于或等于大约1:4。

7、在一个方面，基于纤维素的分散剂与所述许多含碳的电容粒子的质量比为大于或等于大约1:200至小于或等于大约1:20。

8、在一个方面，所述分散体进一步包含非离子型基于酯的表面活性剂。

9、在一个方面，基于纤维素的分散剂的质量与复合杂化活性层的总质量的比率为大于或等于大约1:100,000至小于或等于大约1:20。

10、在一个方面，基于纤维素的分散剂的质量与复合杂化活性层的总质量的比率为大于或等于大约1:5,000至小于或等于大约1:100。

11、在一个方面，所述许多含碳的电容粒子包括活性炭，且所述导电材料包括炭黑。

12、在一个方面，所述许多含碳的电容粒子均匀分布在复合杂化活性层中。

13、在一个方面，所述电活性材料是正电活性材料，其选自：岩盐层状氧化物、尖晶石、多聚阴离子（polyanion）阴极、锂-过渡金属氧化物、硼酸锂、锂-硅合金化合物、锂-锡合金化合物、锂金属、锂合金、锂化金属氧化物/硫化物、硫化锂、硫及其组合。

14、在一个方面，所述复合杂化活性层包含复合杂化活性层的大于或等于大约50质量%至小于或等于大约96质量%的电活性材料、复合杂化活性层的大于或等于大约2质量%至小于或等于大约30质量%的所述许多含碳的电容粒子、复合杂化活性层的大于或等于大约0.5质量%至小于或等于大约15质量%的导电材料、复合杂化活性层的大于或等于大约0.5质量%至小于或等于大约10质量%的聚合物粘合剂和复合杂化活性层的大于或等于大约0.01质量%至小于或等于大约5质量%的基于纤维素的分散剂。

15、本公开进一步涉及一种用于锂离子电化学电池的电容器辅助型杂化电极。在某些方面中，所述电容器辅助型杂化电极包括复合杂化活性层，所述复合杂化活性层包含用于循环锂离子的许多电活性粒子、各自具有改性表面的许多含碳的电容粒子、许多含碳的导电粒子和将所述许多电活性粒子和所述许多电容粒子分布在其中的聚合物基质。所述许多含碳的电容粒子的改性表面包含与各个含碳的电容粒子上的羰基结合的基于纤维素的分散剂。所述电容器辅助型杂化电极进一步包括将所述复合杂化活性层布置于其上的集流体。

16、在一个方面，所述许多电容粒子和所述许多导电粒子均匀分布在整个复合杂化活性层中。

17、在一个方面，所述许多含碳的电容粒子和所述许多含碳的导电粒子均匀分布在复合杂化活性层中。

18、在一个方面，所述许多电活性粒子包含正电活性材料，其选自：岩盐层状氧化物、尖晶石、多聚阴离子阴极、锂-过渡金属氧化物、硼酸锂、锂-硅合金化合物、锂-锡合金化合物、锂金属、锂合金、锂化金属氧化物/硫化物、硫化锂、硫及其组合。

19、在一个方面，所述复合杂化活性层包含复合杂化活性层的大于或等于大约50质量%至小于或等于大约96质量%的所述许多电活性粒子、复合杂化活性层的大于或等于大约2质量%至小于或等于大约30质量%的所述许多含碳的电容粒子、复合杂化活性层的大于或等于大约0.5质量%至小于或等于大约15质量%的导电粒子、复合杂化活性层的大于或等于大约0.5质量%至小于或等于大约10质量%的聚合物粘合剂和复合杂化活性层的大于或等于大约0.01质量%至小于或等于大约5质量%的基于纤维素的分散剂。

20、在一个方面，基于纤维素的分散剂与所述许多含碳的电容粒子的质量比为大于或等于大约1:10,000至小于或等于大约1:4。

21、在一个方面，基于纤维素的分散剂的质量与复合杂化活性层的总质量的比率为大于或等于大约1:100,000至小于或等于大约1:20。

22、本发明公开了以下技术方案。

23、1. 一种制造用于锂离子电化学电池的电容器辅助型杂化电极的方法，所述方法包括：

24、混合溶剂、基于纤维素的分散剂和许多含碳的电容粒子以形成分散体，其中所述基于纤维素的分散剂与含碳的电容粒子上的一个或多个羰基形成氢键；

25、将所述分散体与电活性材料、导电材料和聚合物粘合剂合并以形成浆料；和

26、将所述浆料施加到集流体上并固化所述浆料以形成在集流体上具有复合杂化活性层的电容器辅助型杂化电极。

27、2. 根据方案1所述的方法，其中所述基于纤维素的分散剂选自：甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素及其组合。

28、3. 根据方案1所述的方法，其中所述分散体是第一分散体并且所述方法进一步包括：

29、通过将聚合物粘合剂与第二溶剂合并而形成第二分散体；

30、将导电材料添加到聚合物粘合剂和第二溶剂中；和

31、合并第一分散体和第二分散体并将电活性材料引入其中以形成浆料。

32、4. 根据方案1所述的方法，其中所述聚合物粘合剂为粉末形式并且所述方法进一步包括：

33、将聚合物粘合剂、导电材料和电活性材料干混在一起以形成干混合物；

34、将第二溶剂添加到所述干混合物中以形成掺合物；

35、捏合所述掺合物；和

36、将第三溶剂添加到所述掺合物中并混合以形成浆料。

37、5. 根据方案1所述的方法，其中基于纤维素的分散剂与所述许多含碳的电容粒子的质量比为大于或等于大约1:10,000至小于或等于大约1:4。

38、6. 根据方案1所述的方法，其中基于纤维素的分散剂与所述许多含碳的电容粒子的质量比为大于或等于大约1:200至小于或等于大约1:20。

39、7. 根据方案1所述的方法，其中所述分散体进一步包含非离子型基于酯的表面活性剂。

40、8. 根据方案1所述的方法，其中基于纤维素的分散剂的质量与复合杂化活性层的总质量的比率为大于或等于大约1:100,000至小于或等于大约1:20。

41、9. 根据方案1所述的方法，其中基于纤维素的分散剂的质量与复合杂化活性层的总质量的比率为大于或等于大约1:5,000至小于或等于大约1:100。

42、10. 根据方案1所述的方法，其中所述许多含碳的电容粒子包含活性炭，且所述导电材料包含炭黑。

43、11. 根据方案1所述的方法，其中所述许多含碳的电容粒子均匀分布在复合杂化活性层中。

44、12. 根据方案1所述的方法，其中所述电活性材料是正电活性材料，其选自：岩盐层状氧化物、尖晶石、多聚阴离子阴极、锂-过渡金属氧化物、硼酸锂、锂-硅合金化合物、锂-锡合金化合物、锂金属、锂合金、锂化金属氧化物/硫化物、硫化锂、硫及其组合。

45、13. 根据方案1所述的方法，其中所述复合杂化活性层包含复合杂化活性层的大于或等于大约50质量%至小于或等于大约96质量%的电活性材料、复合杂化活性层的大于或等于大约2质量%至小于或等于大约30质量%的所述许多含碳的电容粒子、复合杂化活性层的大于或等于大约0.5质量%至小于或等于大约15质量%的导电材料、复合杂化活性层的大于或等于大约0.5质量%至小于或等于大约10质量%的聚合物粘合剂和复合杂化活性层的大于或等于大约0.01质量%至小于或等于大约5质量%的基于纤维素的分散剂。

46、14. 一种用于锂离子电化学电池的电容器辅助型杂化电极，所述电容器辅助型杂化电极包括：

47、复合杂化活性层，其包含：

48、用于循环锂离子的许多电活性粒子；

49、各自具有改性表面的许多含碳的电容粒子，其中所述改性表面包含与各个含碳的电容粒子上的羰基结合的基于纤维素的分散剂；

50、许多含碳的导电粒子；

51、将所述许多电活性粒子和所述许多电容粒子分布在其中的聚合物粘合剂基质；和

52、将所述复合杂化活性层布置于其上的集流体。

53、15. 根据方案14所述的电容器辅助型杂化电极，其中所述许多电容粒子和所述许多导电粒子均匀分布在整个复合杂化活性层中。

54、16. 根据方案14所述的电容器辅助型杂化电极，其中所述许多含碳的电容粒子和所述许多含碳的导电粒子均匀分布在复合杂化活性层中。

55、17. 根据方案14所述的电容器辅助型杂化电极，其中所述许多电活性粒子包含正电活性材料，其选自：岩盐层状氧化物、尖晶石、多聚阴离子阴极、锂-过渡金属氧化物、硼酸锂、锂-硅合金化合物、锂-锡合金化合物、锂金属、锂合金、锂化金属氧化物/硫化物、硫化锂、硫及其组合。

56、18. 根据方案14所述的电容器辅助型杂化电极，其中所述复合杂化活性层包含复合杂化活性层的大于或等于大约50质量%至小于或等于大约96质量%的所述许多电活性粒子、复合杂化活性层的大于或等于大约2质量%至小于或等于大约30质量%的所述许多含碳的电容粒子、复合杂化活性层的大于或等于大约0.5质量%至小于或等于大约15质量%的导电粒子、复合杂化活性层的大于或等于大约0.5质量%至小于或等于大约10质量%的聚合物粘合剂基质和复合杂化活性层的大于或等于大约0.01质量%至小于或等于大约5质量%的基于纤维素的分散剂。

57、19. 根据方案14所述的电容器辅助型杂化电极，其中基于纤维素的分散剂与包含活性炭的所述许多电容粒子的质量比为大于或等于大约1:10,000至小于或等于大约1:4。

58、20. 根据方案14所述的电容器辅助型杂化电极，其中基于纤维素的分散剂的质量与复合杂化活性层的总质量的比率为大于或等于大约1:100,000至小于或等于大约1:20。

59、由本文中提供的描述将显而易见其它适用领域。这一概述中的描述和具体实例仅意在举例说明而无意限制本公开的范围。