СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА
METHOD FOR MANUFACTURING OF LITHIUM-ION ACCUMULATOR ELECTRODES

Изобретение относится к области химических источников тока, а именно к изготовлению электродов литий-ионного аккумулятора.
Известен способ изготовления электродов [Р.Дж.Брод, К.Тагава. Основы производства литий-ионных аккумуляторов. Электрохимическая энергетика. 2004. Т.4. №4], заключающийся в приготовлении смеси, состоящей из электрохимически активного материала, связующего вещества и растворителя, нанесении ее на токоотвод с последующей сушкой. В качестве связующего вещества используется поливинилиденфторид, растворенный в N-метилпирролидоне.
Недостатком этого способа является введение сравнительно большого количества балластного вещества поливинилиденфторида ~10%, что снижает емкость электродов. Также недостатком этого способа является взаимодействие поливинилиденфторида с заряженным анодом с образованием LiF, что приводит к росту импеданса отрицательного электрода.
Общим признаком аналога с заявляемым способом является приготовление смеси, содержащей электрохимически активный материал, и нанесение слоев активной массы на обе стороны токоотвода с использованием клеящего раствора для создания контакта между активной массой и токоотводом электрода.
Известен способ изготовления анодов (патент США №6432576, опубл. 2002 г.), заключающийся в приготовлении смеси, состоящей из электрохимически активного материала, связующего вещества и растворителя, нанесении ее на токоотвод с последующей сушкой. В качестве клеящего раствора используется водный раствор стирен-бутадиенового латекса, загущенный карбоксиметилцеллюлозой.
Недостатком этого способа является большая доля непокрытой поверхности графита (анодного активного материала), так как карбоксиметилцеллюлоза образует нитеподобный узор на поверхности, что приводит к образованию некачественной пленки межфазного твердого электролита (solid electrolyte interface), и, как следствие, возрастают потери первого цикла и снижается ресурс аккумулятора.
Недостатком способа является также сравнительно малая адгезия активной массы к поверхности электродных токоотводов из-за уровня смачиваемости клеящего раствора на водной основе.
Общим признаком аналога с заявляемым способом является приготовление смеси, содержащей электрохимически активный материал, и нанесение слоев активной массы на обе стороны токоотвода с использованием клеящего раствора для создания контакта между активной массой и токоотводом электрода.
Известен способ изготовления электродов [(S.Pejovnik and other. “Electrochemical binding and wiring in battery materials”. Journal of Power Sources, 184 (2008) стр.593-597)] (выбранный за прототип), заключающийся в приготовлении смеси, состоящей из электрохимически активного материала, связующего вещества и растворителя, и нанесении ее на токоотвод с последующей сушкой. В качестве клеящего раствора используется водный раствор желатина. Желатин, в отличие от карбоксиметилцеллюлозы, образует гомогенную непрерывную пленку на поверхности частиц активного материала.
Недостатком этого способа является сравнительно малая адгезия активной массы к поверхности электродных токоотводов (как медного - на аноде, так и алюминиевого - на катоде) из-за недостаточного уровня смачиваемости клеящего раствора на водной основе.
Общим признаком прототипа с заявляемым способом является приготовление смеси, содержащей электрохимически активный материал, и нанесение слоев активной массы на обе стороны токоотвода с использованием клеящего раствора для создания контакта между активной массой и токоотводом электрода - водного раствора желатина.
Техническим результатом заявляемого способа является изготовление электродов, имеющих улучшенный контакт между активной массой и токоотводом.
Этот результат достигается тем, что в известном способе изготовления электрода, заключающемся в изготовлении активной массы, получении слоев активной массы, соединение их с токоотводом при помощи наклеивания, проведении последующей сушки при соединении слоев активной массы с токоотводом, используют водный раствор желатина, содержащего N-метилпирролидон в диапазоне концентраций 70-80 вес.% от общего количества жидкой составляющей раствора (N-метилпирролидон и вода).
При концентрации N-метилпирролидона менее 70% ухудшается смачиваемость токоотводов (Фиг.1), а при концентрации N-метилпирролидона более 80% коагулирует (выпадает в осадок) желатин. Смачиваемость определяется следующим образом. На поверхность токоотвода, расположенного под постоянным углом к горизонтальной поверхности, наносится капля водного раствора
N-метилпирролидона различной концентрации. Капли имеют одинаковый объем. Измеряется площадь следа капли в тот момент, когда «хвост» капли начинает движение. Смачиваемость вычисляется по формуле: С=100-(b/l)×100, где b, l - ширина и длина капли, соответственно. Сравнение качества контакта для анодов, изготовленных с применением N-метилпирролидона и без него, представлены на Фиг.2. Контроль качества производили перегибом электрода на 360°С и обратно.
Изготовление ведется в следующей последовательности. Приготавливается водный раствор желатина требуемой концентрации добавкой в деионизованную воду при температуре 60-70°С навески желатина. Затем при перемешивании полностью растворяют желатин, раствор при температуре 2-5°С выдерживается в течение суток. После чего добавляется необходимое количество N-метилпирролидона.
В смеситель загружается электрохимически активный материал с добавкой клеящего вещества и растворителя, после приготовления однородной пасты растворитель сушкой удаляется, а шихта пропускается через сито. Далее, прокаткой получают листы, содержащие активную массу, и производят их наклейку на токоотвод приготовленным водным раствором.
Отличительные признаки предлагаемого способа изготовления электродов литий-ионного аккумулятора от прототипа, обуславливающие его соответствие критерию «новизна», следующие: при соединении наклеиванием слоев активной массы с токоотводом используется клей в виде водного раствора желатина, содержащего N-метилпирролидон в диапазоне концентраций 70-80% от общего количества жидких компонентов. При проведении поиска в литературных источниках не обнаружен способ, содержащий вышеперечисленные отличительные признаки, дающий в совокупности с известными признаками вышеупомянутый технический результат. Поэтому, по мнению авторов, предлагаемый способ изготовления электродов литий-ионного аккумулятора соответствует критерию «изобретательский уровень».
Примеры реализации заявляемого способа
1. Анод
96% графита перемешивается с 4% водным раствором желатина в миксере в течение 2 часов с дальнейшим удалением воды вакуумной сушкой при 70-90°С при непрерывном перемешивании. Высушенную пасту протирают через сита с уменьшающимся размером ячеек для получения шихты. Размер ячеек последнего сита 100 мкм. Далее прокаткой получают листы активной массы.
Медная лента обезжиривается ацетоном, затем термообрабатывается при температуре 450°С в течение часа в среде водорода. Готовится 27 вес.% водный раствор желатина добавлением навески желатина в деионизованную воду при температуре 50-60°С с последующим перемешиванием до полного его растворения; раствор при температуре 2-5°С выдерживают в течение суток. После чего добавляют 63 вес.% N-метилпирролидона от общей массы раствора, перемешивая до полного его растворения. Наносят слой раствора на обе стороны медной ленты и накаткой приклеивают прокат на обе стороны токоотвода. Далее производят сушку при температуре 120-130°С.
2. Катод
2
91% LiCoO смешивают с 4% графита KS-6, 2% сажи Super Р и 3% поливинилиденфторида с добавкой N-метилпирролидона. Далее удаляют растворитель вакуумной сушкой при 60-75°С при непрерывном перемешивании. Высушенную пасту протирают через сита с уменьшающимся размером ячеек для получения шихты. Размер ячеек последнего сита 100 мкм. Далее прокаткой получают листы активной массы.
Алюминиевая лента обезжиривается ацетоном, затем термообрабатывается при температуре 270°С в течение часа в среде водорода. Готовится 27 вес.% водный раствор желатина добавлением навески желатина в деионизованную воду при температуре 50-60°С с последующим перемешиванием до полного его растворения; раствор при температуре 2-5°С выдерживают в течение суток. После чего добавляют 63 вес.% N-метилпирролидона от общей массы раствора, перемешивая до полного его растворения.
Наносят слой раствора на обе стороны алюминиевой ленты и накаткой приклеивают прокат на обе стороны токоотвода. Далее производят сушку при температуре 120-130°С.