CN108352496A - 用于锂离子电池电极的黏合剂组合物 - Google Patents

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Abstract

一种电极材料，包括：(a)聚合物黏合剂，(b)基于锂的电化学活性材料，和(c)导电填料；其中所述聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；且其中所述电极材料的特征在于一种或多于一种基于硫的官能团与基于锂的电化学活性材料之间的结合能为约0.3eV至约2.5eV。一种制备电池电极的方法，所述方法包括：(i)将基于锂的电化学活性材料、导电填料和聚合物黏合剂混合，以形成电极材料，其中所述聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；和(ii)使所述电极材料与集流体接触，以形成电池电极。

Description

用于锂离子电池电极的黏合剂组合物
技术领域
本公开涉及锂离子电池(LIB)，更具体地，涉及用于LIB的黏合剂组合物以及制备和使用其的方法。
背景技术
过去二十年，对于锂离子(LIB)电池、特别是高能量密度LIB的开发付诸了巨大努力。LIB的能量密度取决于其阴极和阳极的比容量，还取决于电池能够循环的电压窗口。硅(Si)作为高能量密度LIB的有前景的阳极材料之一而涌现。Si提供了用于阳极的合适低电压，以及基于Li22Si5合金的形成的-4200mAh/g的高理论比容量，所述Li22Si5合金的比容量比常规碳基阳极的比容量(-372mAh/g)高约10倍。然而，Si一旦完全***锂形成Li22Si5合金，体积则膨胀高达400％，并且一旦抽出锂便收缩。
已有的(例如常规的)黏合剂如聚偏二氟乙烯(PVDF)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)及其他黏合剂无法用在Si基电极中，原因在于，它们无法与硅或锂硅酸盐良好结合，并且无法在电极材料颗粒(例如电化学活性材料颗粒、导电填料颗粒等)与集流体接触(例如导电接触)时不产生损失的情况下膨胀和/或收缩以允许体积变化。LIB中使用的常规黏合剂(例如PVDF、SBR)通过弱范德华力附着在硅和/或锂硅酸盐上，因而无法在充电和放电过程中适应电极材料颗粒间距离的大的变化。在反复充电/放电过程中，常规黏合剂变得不足以将电极材料颗粒容纳在一起并保持电极内良好的导电性，结果导致容量下降且电阻增加。
由于常规黏合剂(例如PVDF、SBR)缺少黏合强度，制备电极(例如阳极和阴极)需要相对大量的常规黏合剂材料。制备电极通常使用5重量％至15重量％的常规黏合剂。由于黏合剂不直接贡献LIB的能量密度，减少黏合剂的量能够带来使用更大量的电化学活性材料，由此使得LIB的能量密度增加。电极中过高的黏合剂含量也可以导致电极的离子电导率因离子绝缘黏合剂的离子阻塞性能而下降。此外，黏合剂含量的降低会导致LIB的原料成本和加工成本降低。因此，不断的需要研发用于LIB的黏合剂材料组合物。
发明内容
本文公开了一种电极材料，其包括：(a)聚合物黏合剂，(b)基于锂的电化学活性材料，和(c)导电填料；其中，聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；且其中电极材料的特征在于一种或多于一种基于硫的官能团与基于锂的电化学活性材料之间的结合能为约0.3eV至约2.5eV。
本文还公开了一种制备电池电极的方法，其包括：(i)将基于锂的电化学活性材料、导电填料和聚合物黏合剂混合，以形成电极材料，其中聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；和(ii)使电极材料与集流体接触，以形成电池电极。
附图说明
为了详细描述所公开的优选实施方案，将参考附图，其中：
图1A示出锂离子电池(LIB)的充电和放电过程中包含常规黏合剂的硅阳极的示意图；
图1B示出LIB的充电和放电过程中包含聚合物黏合剂的硅阳极的示意图，所述聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；以及
图2示出不同基于硫的官能团与多种锂化硅阳极(A)和不同阴极活性材料(B)的结合相互作用(以结合能表示)的图。
具体实施方式
本文公开了聚合物黏合剂以及制备和使用其的方法。本文还公开了包含聚合物黏合剂的电极材料以及制备和使用其的方法。在实施方案中，电极材料可以包含：(a)聚合物黏合剂，(b)基于锂的电化学活性材料，和(c)导电填料；其中，聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；且其中电极材料的特征在于，一种或多于一种基于硫的官能团与基于锂的电化学活性材料之间的结合能为约0.3eV至约2.5eV。
在实施方案中，电池电极可以包括电极材料，所述电极材料包含聚合物黏合剂。在一些实施方案中，电池电极可以配置为阳极。在另一些实施方案中，电池电极可以配置为阴极。
在实施方案中，制备电池电极的方法可以包括：(i)将基于锂的电化学活性材料、导电填料和聚合物黏合剂混合，以形成电极材料，其中聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；和(ii)使电极材料与集流体接触，以形成电池电极。
除了操作实施例或除另有说明外，本说明书和权利要求中使用的所有涉及成分量的数字和表述、反应条件等，在所有情况下均应理解为由术语“约”修饰。本文公开了不同的数值范围。由于这些范围是连续的，因此其包括最小值与最大值之间的每个值。列举同一特征或组分的所有范围的端点是相互独立地可结合的，并且包括所记载的端点。除另有明确说明外，否则本申请中描述的各数值范围为近似范围。针对同一组分或性能的所有范围的端点包括端点且是相互独立地可结合的。术语“大于0至某一量”指提及的组分以大于0的某个量存在，且最高为提及的较高的量并且包括该较高的量。
要素前没有数量词不表示量的限制，而是表示存在至少一个引用的项目。如本文所使用的，要素前没有数量词包括多个参考物。
如本文所使用的，“其组合”包括一种或多于一种提及的要素，任选地与未提及的类似要素的结合，例如，包括一种或多于一种提及的组分与任选地一种或多于一种具有基本相同功能的未具体提及的其他组分的组合。如本文所使用的，术语“组合”包括共混物、混合物、合金、反应产物等。
说明书通篇提及的“实施方案”、“另一实施方案”、“其他实施方案”、“一些实施方案”等指关于实施方案描述的具体要素(例如特征、结构、性能和/或特性)包括在至少本文描述的实施方案中，且可以存在于或不存在于其他实施方案中。此外，应理解，所描述的要素可以以任意合适的方式与多个实施方案结合。
如本文所使用的，术语“抑制”或“减少”或“防止”或“避免”或这些术语的任意变型包括任何可测量的减少或完全抑制，以实现期望的结果。
如本文所使用的，术语“有效的”指足以完成期望的、预期的或想要的结果。
如本文中使用的，术语“包含”、“具有”、“包括”或“含有”是包含性的或开放式的，且不排除附加的、未记载的要素或方法步骤。
除另有说明外，本文中使用的技术术语和科学术语具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。
使用标准命名法描述本文的化合物。例如，未被任何给定基团取代的任何位置应理解为，其具有由给出的键或氢原子填充的化合价。不在两个字母或符号之间的破折号(“-”)用来指示取代基的连接点。例如，-CHO通过羰基的碳连接。
在实施方案中，电池电极可以包括：(i)集流体和(ii)电极材料，其中电极材料可以包括：(a)聚合物黏合剂，(b)基于锂的电化学活性材料，和(c)导电填料；其中，聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团。
在实施方案中，电极材料的特征可以在于，一种或多于一种基于硫的官能团与基于锂的电化学活性材料之间的结合能为约0.3eV至约2.5eV，或者为约0.4eV至约2.0eV，或者为约0.5eV至约1.6eV。结合能通常指将体系分解为其组成部分所需要的能量。为了本文所公开的目的，“结合能”指从基于锂的电化学活性材料分离基于硫的官能团所需的能量。计算结合能的方法在实施例中提供。不希望被理论束缚，在将基于硫的官能团结合(例如使用多于一种基于硫的官能团)在聚合物骨架上时，通过考虑密度泛函理论(DFT)计算的精确性，并通过考虑协同效应(例如提高结合能的值)，结合能的上限值为最高约2.5eV。
适于在本公开中使用的集流体的非限制性实例包括任何合适的电导体、金属、铜(Cu)、铝(Al)、镍(Ni)、铁(Fe)、钢、不锈钢、石墨、石墨烯、碳纳米管、金属纳米线等，或其组合。在实施方案中，电池电极包含阳极，且集流体包含Cu。在另一实施方案中，电池电极包含阴极，且集流体包含Al。
在实施方案中，电极材料可以包含聚合物黏合剂，其中该聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团。通常，黏合剂(例如聚合物黏合剂)可以用在电极材料中，以将电化学活性材料颗粒容纳在一起并与集流体接触。
在实施方案中，一种或多于一种基于硫的官能团的每一个可以独立地选自：磺酰基、磺酸基、硫醇基、S-亚硝基硫醇基、硫醚基、二硫醚基、次磺酸基、亚磺酸基、磺酸酯基、亚砜基、硫氰酸酯基、异硫氰酸酯基等，或其组合。
在实施方案中，磺酰基可以包括：磺酰卤基、磺酰氯基、磺酰溴基、磺酰氟基、对甲苯磺酰基、对溴苯磺酰基，2-硝基苯磺酰基、4-硝基苯磺酰基、甲磺酰基、三氟甲磺酰基、5-(二甲基氨基)萘-1-磺酰基等，或其组合。
在实施方案中，硫醚基可以包括：烷基硫醚、甲基硫醚、乙基硫醚、丙基硫醚、丁基硫醚、芳基硫醚、芳基烷基硫醚等，或其组合。
在实施方案中，磺酸酯可以包括：烷基磺酸酯、甲基磺酸酯、乙基磺酸酯、丙基磺酸酯、丁基磺酸酯、芳基磺酸酯、芳基烷基磺酸酯等，或其组合。
在实施方案中，亚砜基可以包括：烷基亚砜、甲基亚砜、乙基亚砜、丙基亚砜、丁基亚砜、芳基亚砜、芳基烷基亚砜等，或其组合。
在实施方案中，磺酸基可以包括：烷基磺酸基、甲基磺酸基、乙基磺酸基、丙基磺酸基、丁基磺酸基、芳基磺酸基、芳基烷基磺酸基等，或其组合。
在实施方案中，次磺酸基可以包括：烷基次磺酸基、甲基次磺酸基、乙基次磺酸基、丙基次磺酸基、丁基次磺酸基、芳基次磺酸基、芳基烷基次磺酸基等，或其组合。
在实施方案中，亚磺酸基可以包括：烷基亚磺酸基、甲基亚磺酸基、乙基亚磺酸基、丙基亚磺酸基、丁基亚磺酸基、芳基亚磺酸基、芳基烷基亚磺酸基等，或其组合。
在实施方案中，聚合物黏合剂可以包括：聚合物骨架，其选自：乙烯基聚合物、聚乙烯酯、聚乙烯醚、聚乙烯酮、聚卤代乙烯、聚酯、聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、聚芳硫醚、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、聚硫酯、聚硫醚、聚苯醚、聚苯乙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸酯、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯酰胺、酚醛聚合物、含氟聚合物、呋喃聚合物、聚氨基甲酸酯、聚氨酯、聚碳酸酯；导电聚合物；聚乙炔、聚二乙炔、聚吡咯、聚噻吩；聚苯撑、聚(对苯撑)、聚(对-苯撑乙烯)、聚(苯撑乙炔)、聚苯胺、多烯、极化子、双极化子、孤子；聚芴；其类似物；其共聚物；及其组合。如本领域技术人员可以理解的，借助本公开，聚合物黏合剂的聚合物骨架可以是与电极材料相容并与电池环境相容的任意聚合物骨架。
在实施方案中，聚合物黏合剂可以包括导电聚合物。适于在本公开中使用的导电聚合物的非限制性实例包括：聚乙炔、聚二乙炔、聚吡咯、聚噻吩；聚苯撑、聚(对苯撑)、聚(对-苯撑乙烯)、聚(苯撑乙炔)、聚苯胺、多烯、极化子、双极化子、孤子；聚芴；其类似物；其共聚物；或其组合。
在实施方案中，聚合物黏合剂的聚合物骨架不包括聚酰亚胺。
在一些实施方案中，聚合物黏合剂可以通过使至少一种包含一种或多于一种基于硫的官能团的单体聚合进入聚合物骨架来获得。
在其他实施方案中，聚合物黏合剂可以通过用一种或多于一种基于硫的官能团化学官能化聚合物骨架来获得。该聚合物骨架可以使用合适的方法官能化。如本领域技术人员所理解的，借助于本公开，已知在电池电极环境下可运行的任何合适的聚合物骨架均可以用一种或多于一种基于硫的官能团化学官能化，以获得本文公开类型的聚合物黏合剂。
聚合物黏合剂的多种实施方案均是可能的，其中聚合物黏合剂可以包含一种或多于一种类型的黏合剂，且每种类型的黏合剂可以包含聚合物骨架和一种或多于一种基于硫的官能团。如上所述，一种或多于一种基于硫的官能团的每一种可以独立地选自本文所述的基团。同样地，可以独立地选择本文描述的聚合物骨架。在一些实施方案中，全部一种或多于一种基于硫的官能团和全部聚合物骨架是相同的。在其他实施方案中，一种或多于一种基于硫的官能团和/或一种或多于一种聚合物骨架是不同的。因此，聚合物黏合剂的多种实施方案是可能的，其中一种或多于一种类型的聚合物黏合剂可以包含聚合物骨架与基于硫的官能团的多种组合，包括：(i)具有多个同一(即单一)类型的基于硫的官能团的多个同一(即单一)类型的聚合物骨架；(ii)具有多个不同类型的基于硫的官能团的多个同一(即单一)类型的聚合物骨架；(iii)多个不同类型的聚合物骨架，其中每个不同类型的聚合物骨架具有多个同一(即单一)类型的基于硫的官能团；(iv)多个不同类型的聚合物骨架，其中每个不同类型的聚合物骨架具有多个不同类型的基于硫的官能团；及其组合。
如本领域技术人员所理解的，并借助本公开，聚合物黏合剂可以基于电极材料和/或电极材料环境来选择。例如，一些电极材料如基于硅的电极材料，能够在充电和放电循环过程中表现出大的体积变化(有时最高为400％的体积变化)，由此，本领域技术人员借助本公开的内容，可以根据电极中存在的电化学活性材料的类型以及根据充电/放电循环情况下电极材料的膨胀/收缩特性来选择适合作为聚合物黏合剂的聚合物材料(或用一种或多于一种基于硫的官能团官能化的聚合物骨架)。
在实施方案中，当与包括不含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似电极材料相比时，基于电极材料的总重量，聚合物黏合剂可以以如下量存在于电极材料中：降低了等于或大于约25重量％，或者降低了等于或大于约30重量％，或者降低了等于或大于约40重量％。
在实施方案中，电池电极可以配置为阳极，其中基于锂的电化学活性材料包含锂-硅化合物，所述锂-硅化合物的特征在于式LixSiy；其中x为1至约25的整数，或者2至约22的整数，或者为3至约15的整数；其中y为1至约10的整数，或者为1至约7的整数，或者为1至约5的整数；且其中x等于或大于y。阳极为原电池或不可充电电池的负电极，且通常与氧化或将电子释放进入外部回路相关。在二次电池或可充电电池中，阳极在电池放电过程中为负极，而在电池充电过程中为正极。在电池充电过程中，锂***阳极，其中锂可以使硅材料的体积增加最多约400％。在电池放电过程中，锂从阳极中被提取出来，硅材料会经历最多约400％的体积减少。如本领域技术人员所理解的，借助本公开，当电极(例如阳极)经历大的体积膨胀时，在常规电极中，电极材料颗粒会失去彼此之间的电接触，导致电极电阻增加而电极容量下降。不希望被理论束缚，本文公开的聚合物黏合剂可以牢固结合至电极材料(例如电化学活性材料、导电材料等)，并且能够将电极材料紧密地容纳在一起，使得电极材料保持彼此之间的电接触，从而减少或消除可能由材料膨胀引起的电极电阻的增加以及电极容量的下降。
适于用在本公开中的锂-硅化合物的非限制性实例包括：Li15Si4、Li22Si5、Li12Si7、Li2Si1、Li1Si1、Li13Si4、Li7Si3、Li7Si2等，或其组合。
在实施方案中，阳极的特征可以在于，与包括不含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似阳极相比，在电池的循环寿命内的比容量降低等于或大于约30％，或者等于或大于约40％，或者等于或大于约50％。通常，电极的比容量是指电池电极材料包含的单位重量、单位体积或单位面积的电荷量，通常表示为mAh/g、mAh/cm3或mAh/cm2。电极的比容量为电极材料的基本特性，且取决于其氧化还原化学和结构。
在实施方案中，阳极的特征可以在于，在电池的循环寿命内的比容量降低小于约30％，或者小于约20％，或者小于约10％。通常，常规的基于锂的阳极的特征可以在于，在电池的循环寿命内的比容量降低等于或大于约30％，或者等于或大于约40％，或者等于或大于约50％。
在实施方案中，电池电极可以配置为阴极，其中基于锂的电化学活性材料包含锂-过渡金属氧化物、FeF3、FeF2、CoF2、NiF2、FeS2、V2O5等，或其组合。阴极为原电池或不可充电电池的负电极，且通常与电子的还原或电子从外部回路的引入相关。在二次电池或可充电电池中，阴极在放电过程中为正极，而在充电过程中为负极。
适于在本公开中使用的锂-过渡金属氧化物的非限制性实例包括：锂钴氧化物(LiCoO2，LCO)、锂锰氧化物(LiMn2O4，LMO)、锂镍锰钴氧化物(LiNiMnCoO2，NMC)、锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2)、钛酸锂(Li4Ti5O12)、硼酸锂铁(LiFeBO3)、锂钒氟磷酸盐(LiVPO4F)、锂锰磷酸盐(LiMnPO4)、锂锰硅酸盐(Li2MnSiO4)等，或其组合。
在实施方案中，阴极的特征可以在于，与包括不含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似阴极相比，能量密度增加等于或大于约5％，或者等于或大于约10％，或者等于或大于约15％。通常，材料(例如电极材料)的能量密度是指材料单位体积或单位重量的能量，通常表示为Wh/L或Wh/kg。电极的能量密度为电压与每单位体积或单位重量容量的乘积。
在实施方案中，与包括不含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似电极材料相比，基于电极材料的总重量，电极材料中存在的基于锂的电化学活性材料的量可以增加等于或大于约25重量％，或者等于或大于约30重量％，或者等于或大于约40重量％。不希望被理论束缚，基于硫的官能团与基于锂的电化学活性材料之间的结合能的值使得能够使用减少量的本文公开的聚合物黏合剂，这进而使得能够使用增加量的基于锂的电化学活性材料。
在实施方案中，电极材料可以包含导电填料。通常，电极可以使用导电填料，以保持电极材料颗粒间的导电性并减少电极内的欧姆损失。
适于在本公开中使用的导电填料的非限制性实例包括：碳、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨、金属纤维、铜、铜纳米颗粒等，或其组合。
在实施方案中，制备电池电极的方法可以包括：(i)将基于锂的电化学活性材料、导电填料和聚合物黏合剂混合，以形成电极材料，其中聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；和(ii)使电极材料与集流体接触，以形成电池电极。
在实施方案中，电极材料可以使用任意合适的方法形成。在一些实施方案中，形成电极材料可以为干法工艺或无溶剂过程，例如美国专利第6127474号中提到的有原纤维黏合技术，其全文通过引用并入本文。在其他实施方案中，形成电极材料可以涉及最小量的溶剂，例如在紫外固化法或电子束固化法中。在某些实例中，无溶剂过程可以在形成电极材料所需的一个或多于一个步骤中使用最少量的溶剂。如本领域技术人员所理解的，借助本公开，无溶剂过程在某些情况下事实上为“几乎无溶剂”。
在一些实施方案中，电极材料可以在水、水性溶剂、有机溶剂、乳液等或其结合中形成。
在实施方案中，制备电池电极的方法还可以包括：将第一电池电极配置为阳极；将第二电池电极配置为阴极；以及将阳极、阴极和电解质置于壳中，其中电解质布置在阳极与阴极之间。通常，电解质提供为正锂离子在阴极与阳极之间的转移。
在实施方案中，电解质(例如用于锂离子电池的电解质)可以为基于液体的锂离子电解质、基于凝胶的锂离子电解质、或固态锂离子电解质。
在实施方案中，锂离子电池(LIB)中的基于液体的锂离子电解质可以包括在有机溶剂中的锂盐，所述锂盐例如LiPF6、LiBF4、LiClO4等，或其组合，所述有机溶剂例如有机碳酸酯，如碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸乙基甲基酯等，或其组合。
在实施方案中，锂离子电池(LIB)中的基于凝胶的锂离子电解质和/或固态锂离子电解质可以包含聚合物，例如聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(甲基-丙烯酸甲酯)(PMMA)等；其共聚物；或其组合。通常，聚合物电解质(例如基于凝胶的锂离子电解质和/或固态锂离子电解质)的使用可以克服某些电池配置的限制，且可以使薄膜锂离子聚合物电池可行。在固体电解质的情况下，锂盐可以包含在聚合物膜中，例如包含LiPF6的PEO。固体电解质和凝胶电解质均使用聚合物膜作为主体基质，固体电解质与凝胶电解质之间的区别为溶剂含量：凝胶电解质包含的溶剂大于固体电解质包含的溶剂。
在实施方案中，电池(LIB)可以包括壳，所述壳内布置有：(1)配置为阳极的本文公开的电池电极，(2)配置为阴极的本文公开的电池电极，和(3)布置在阳极和阴极之间的电解质。
LIB为多种装置提供轻重量、高能量密度的电源。LIB可以用于便携式装置、移动电话、智能手机、笔记本电脑、平板电脑、数码相机、便携摄像机、电子烟、掌上游戏机、电子火炬(手电筒)；电动工具、无线电钻、无线砂磨机、无线锯、无线篱笆修剪机；电动车辆、电动汽车、混合动力车、高级电动轮椅、无线电遥控模型、航模；电信设备、备用电源等。
在实施方案中，电池电极可以配置为阳极，其中集流体包含Cu，其中聚合物黏合剂包含一种或多于一种磺酰基，其中基于锂的电化学活性材料包含Li15Si4，且其中导电填料包含碳。
在实施方案中，电池电极可以配置为阴极，其中集流体包含Al，其中聚合物黏合剂包含一种或多于一种磺酰基，其中基于锂的电化学活性材料包含LCO和NMC，且其中导电填料包含碳。
在实施方案中，电池(例如LIB)可以包括壳，所述壳内布置有：(1)配置为阳极的本文公开的电池电极，其中集流体包含Cu，其中聚合物黏合剂包含一种或多于一种磺酰基，其中基于锂的电化学活性材料包含Li15Si4，且其中导电填料包含碳；(2)配置为阴极的本文公开的电池电极，其中集流体包含Al，其中聚合物黏合剂包含一种或多于一种磺酰基，其中基于锂的电化学活性材料包含LCO和NMC，且其中导电填料包含碳；和(3)布置在阳极和阴极之间的电解质，其中电解质包含LiPF6和有机碳酸酯。
在实施方案中，与不包括含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似电极材料组合物相比，如本文中所公开的包括含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的电极材料组合物及制备和使用方法可以有利地表现出改进的一种或多于一种组合物特性。图1A示出了LIB充电和放电过程中常规硅阳极的示意图，图1B示出了LIB充电和放电过程中包含本文所公开的聚合物黏合剂的硅阳极的示意图。常规黏合剂(图1A)不提供与硅、锂硅酸盐、导电碳与集流体之间的必要结合，因而颗粒在充电和放电过程中彼此之间未保持电接触。在聚合物黏合剂中使用基于硫的官能团(图1B)使得能够在充电和放电过程中有利地保持电极材料颗粒彼此之间的电接触所需的必要结合。本文所公开的具有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂以及使用其的方法的其他优势是本领域技术人员在考虑本公开的基础上能够明显知晓的。
实施例
在已经一般性描述主题的情况下，提供以下实施例作为公开内容的具体实施方案，并旨在阐明其实践和有益效果。应理解，提供的实施例以说明的方式给出，并非旨在以任何方式限制权利要求。
实施例1
为了验证能够提供更高结合强度(例如更高结合能)的官能团，在密度泛函理论(DFT)框架下进行从头算模拟。对连接至以通式-(CH2-CHR)n-为特征的烯基聚合物的各官能团(如表1中列出)进行从头算量子力学计算。
表1
官能团 式
羟基 ROH
醛基 RCHO
酰胺基 RCONR2
胺基 RNH2
二亚胺基 RN2R'
酯基 RCOOR'
羧基 RCOOH
氰酸酯基 RCOCN
醚基 ROR'
亚胺基 RCNH2
酮基 RCOR'
硝酸酯基 RONO2
腈基 RCN
亚硝酸酯基 RONO
酰亚胺基 (RCO)2NR'
磺酰基 RSO2R'
磺酸基 RSO3H
硫醇基 RSH
S-亚硝基硫醇基 RSNO
硫醚基 RSR'
二硫醚基 RSSR'
次磺酸基 RSOH
亚磺酸基 RSO2H
磺酸酯基 RSO3R'
亚砜基 R—S(＝O)—R'
通过构造合适的包含有与电极材料相互作用倾向官能团的乙烯基聚合物单元的分子模型考察官能团与阳极材料(硅、碳、锂硅酸盐)之间的结合能(BE)相互作用。
方法：使用Gaussian-09量子化学程序、编入Schrodinger程序包的Jaguar模型、并使用编入Materials Design(MedeA)程序包的Vienna Ab Initio Simulation Package(VASP)进行计算化学的计算。用于研究周期性体系的基于VASP的DFT方法使用了基于平面波基组的GGA-PW。针对非周期性体系的DFT计算在M06-2X//6-31++G(d,p)理论水平下进行，该M06-2X//6-31++G(d,p)理论水平使用了具有两倍非局部交换量(2X)的M06-2X高非局部泛函。所有分子结构的几何使用M06-2X法并使用6-31++G(d,p)基组(以弥散函数扩大的劈裂价键高斯基组)进行全优化，表示为M06-2X/6-31++G(d,p)//M06-2X/6-31++G(d,p)。使用频率计算来表征作为最小值的驻点，并获得零点振动能(ZPE)。本文为了讨论目的，计算的结合能在本文中表示为“DFT结果”。
通常，官能团是键合原子的可辨认/已归类的分子的一部分。官能团的使用在研发用于许多应用的黏合剂中是常规手段。官能团的选择对于实现电极不同成分间更好的结合是关键的。结合能相互作用被认为是在黏合剂和电极的其他组分之间具有较高相互作用的关键参数。结合能能够提供与官能团和电化学活性材料一旦相互作用时的稳定性有关的信息。如本文所指出的，结合能对应于初始态(具有与电化学活性材料相互作用的官能团的聚合物模型)与终态(具有官能团的聚合物，以及与官能团无相互作用的电化学活性材料)之间的能量差。不希望被理论束缚，结合能为将整个体系分解为独立组成部分的能量。通过这一定义，结合能对应于正的结合能。
锂离子电池(LIB)中用作阳极的硅在充电过程中可以与锂反应，以形成不同的锂-硅化合物，如Li15Si4、Li22Si5、Li12Si7、Li2Si1、Li7Si2和Li1Si1。Li15Si4视为完全锂化态。产生本文所描述的结果的计算程序是基于三种不同体系的优化，即独立的LixSiy体系、包含官能团的独立的聚合物单元、以及包括与LixSiy相互作用的官能团的整个体系。使用Li4Si1簇模拟LixSiy体系用于分子计算，并使用Li15Si4、Li22Si5、Li12Si7、Li2Si1和Li1Si1的(100)面用于周期性计算。在这两种情况下，黏合剂均通过包含官能团的单个乙烯基单元来模拟。阳极的活性材料基于纯铜(集流体)或具有不同Li/Si比的锂化硅。
分子结构计算(Gaussian-09和Jaguar程序包)的结果列于表2中，表2示出官能团与Li4Si之间的结合能(BE)相互作用值。
表2
官能团 BE[eV]
亚砜基 1.57
羧基 1.52
亚磺酸基 1.44
磺酰基 1.38
酰胺基 1.37
亚胺基 1.31
磺酸酯基 1.30
酰亚胺基 1.29
磺酸基 1.28
醛基 1.24
胺基 1.23
次磺酸基 1.21
酯基 1.19
酮基 1.16
醚基 1.14
羟基 1.13
氰酸酯基 1.12
硝酸酯基 1.01
硫醚基 0.98
腈基 0.97
二亚胺基 0.97
硫醇基 0.93
亚硝酸基 0.88
二硫醚基 0.88
S-亚硝基硫醇基 0.79
DFT结果表明，诸如亚砜基、羧基、亚磺酸基、磺酰基、酰胺基和亚胺基的官能团具有与Li4Si的显著结合相互作用，Li4Si是Li15Si4簇体系的替代物。亚砜官能团提供最强的相互作用，结合能的值为1.57eV。如表2中可以看出的，亚砜基、亚磺酸基、磺酰基、磺酸酯基和磺酸基与Li4Si的相互作用可与羧基、酰亚胺基、亚胺基和酰胺基与Li4Si的相互作用相当，表明含硫官能团的存在对于更强的硅颗粒结合是令人期望的。表2中显示的结果表明，含硫官能团(例如基于硫的官能团)在黏合剂中的存在可以在充电至全锂化态的过程中提供更强的结合。这种更强的结合使得硅颗粒在与硅的锂化相关的体积膨胀过程中能够保持电接触。
基于硫的官能团(例如亚砜基、次磺酸基、磺酸酯基、磺酰基、磺酸基、硫醚基和硫醇基)与其他锂化硅体系的结合相互作用示于图2A中，图2A示出所选择官能团与不同锂-硅化合物的结合能，以eV表示。
图2A中的结果表明，一般来说，与LixSiy体系的相互作用弱于与Li15Si4体系的相互作用，Li7Si2体系除外。
实施例2
还确定了阴极的电化学活性材料与所选择的基于硫的官能团之间的结合能。阴极情况下的电化学活性材料是基于锂钴氧化物(LCO)和锂镍锰钴氧化物(NMC)。计算方法描述于实施例1中，且其是基于三种不同体系的优化，即独立的阴极活性材料、包含官能团的独立的聚合物单元、以及包括与阴极活性材料相互作用的官能团的整个体系。通过含有官能团的单一乙烯基单元模拟黏合剂。与基于硫的官能团和LCO和NMC相互作用相关的结果列于图2B中，图2B示出所选择的官能团与LCO和NMC的结合能值(结合能[eV])。
如从图2B中可以看出的，磺酸酯基、亚砜基、磺酰基和次磺酸基显示出与LCO和NMC的显著相互作用。
使用第一性原理计算的分子结构优化和能量最低点表明，含硫官能团对于在用于基于硅的阳极、基于LCO和NMC的阴极的黏合剂中的使用具有有利的结合能，所述含硫官能团包括但不限于磺酰基、磺酸基、亚砜、磺酸酯、砜基、亚磺酸、次磺酸、硫醚、二硫醚、硫醇和亚硝基硫醇。含硫官能团可以是聚合物的固有部分，或者可以经由化学官能化连接至基体聚合物。含硫官能团的量和类型可以根据结合能的值变化。此外，官能团的量和种类可以根据活性材料的粒径以及官能团的易加工性来调整。相比其他，活性材料的较小粒径具有较大的比表面积，因而需要更多官能团。用作聚合物黏合剂的微粒状聚合物可以是可溶于水或有机溶剂的，或可以是基于乳液的，或可以是经由无溶剂或干电极加工法制备的。
出于本申请的任何美国国家阶段申请的目的，本公开提及的所有公开和专利的全文均通过引用并入本文，目的在于描述和公开这些公开中描述的结构和方法，所述结构和方法可以与本公开的方法结合使用。本文讨论的任何公开或专利均仅因其公开日早于本申请的申请日而提供。本文的任何地方均不应解释为承认发明人没有权利作为在先发明而早于这些公开内容。
在向美国专利商标局提出的任何申请中，均提供该申请的摘要以满足37C.F.R.§1.72的要求，和37C.F.R.§1.72(b)中阐明的目的“美国专利商标局和公众能够从粗略的浏览快速确定本技术公开的特性和要点”。因此，本申请的摘要并非旨在约束权利要求的范围或限制本文中公开的主题范围。此外，本文中可以使用的任何标题也非旨在约束权利要求的范围或限制本文中公开的主题范围。用于描述表示为结构性或预见性的实施例的过去式并非旨在反映该结构性或预见性实施例事实上已被实施。
本公开通过实施例进一步阐明，实施例不应以任何方式解释为对本公开的范围进行限定。相反，应清楚地理解，在阅读本说明书后，本领域技术人员可以在不偏离本发明精神或所附权利要求范围的前提下寻求各个实施例的其他方面、实施方案、修改和等价方案。
补充公开内容
第一实施方案，其是一种电极材料，所述电极材料包括：(a)聚合物黏合剂，(b)基于锂的电化学活性材料，和(c)导电填料；其中聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；且其中电极材料的特征在于一种或多于一种基于硫的官能团与基于锂的电化学活性材料之间的结合能为约0.3eV至约2.5eV。
第二实施方案，其是第一实施方案的电极材料，其中一种或多于一种基于硫的官能团包括：磺酰基、磺酸基、硫醇基、S-亚硝基硫醇基、硫醚基、二硫醚基、次磺酸基、亚磺酸基、磺酸酯基、亚砜基、硫氰酸酯基、异硫氰酸酯基、或其组合。
第三实施方案，其是第二实施方案的电极材料，其中磺酰基包括：磺酰卤基、磺酰氯基、磺酰溴基、磺酰氟基、对甲苯磺酰基、对溴苯磺酰基，2-硝基苯磺酰基、4-硝基苯磺酰基、甲磺酰基、三氟甲磺酰基、5-(二甲基氨基)萘-1-磺酰基、或其组合。
第四实施方案，其是第一实施方案至第三实施方案中任一个的电极材料，其中硫醚基包括：烷基硫醚、甲基硫醚、乙基硫醚、丙基硫醚、丁基硫醚、芳基硫醚、芳基烷基硫醚、或其组合。
第五实施方案，其是第一实施方案至第四实施方案中任一个的电极材料，其中磺酸酯包括：烷基磺酸酯、甲基磺酸酯、乙基磺酸酯、丙基磺酸酯、丁基磺酸酯、芳基磺酸酯、芳基烷基磺酸酯、或其组合。
第六实施方案，其是第一实施方案至第五实施方案中任一个的电极材料，其中亚砜基包括：烷基亚砜、甲基亚砜、乙基亚砜、丙基亚砜、丁基亚砜、芳基亚砜、芳基烷基亚砜、或其组合。
第七实施方案，其是第一实施方案至第六实施方案中任一个的电极材料，其中聚合物黏合剂包括：聚合物骨架，其选自：乙烯基聚合物、聚乙烯酯、聚乙烯醚、聚乙烯酮、聚卤代乙烯、聚酯、聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、聚芳硫醚、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、聚硫酯、聚硫醚、聚苯醚、聚苯乙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸酯、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯酰胺、酚醛聚合物、含氟聚合物、呋喃聚合物、聚氨基甲酸酯、聚氨酯、聚碳酸酯；导电聚合物；聚乙炔、聚二乙炔、聚吡咯、聚噻吩；聚亚苯基、聚(对亚苯基)、聚(对-亚苯基乙烯撑)、聚(亚苯基乙炔撑)、聚苯胺、多烯、极化子、双极化子、孤子；聚芴；其类似物；其共聚物；及其组合。
第八实施方案，其是第七实施方案的电极材料，其中聚合物黏合剂通过使至少一种包含一种或多于一种基于硫的官能团的单体聚合进入聚合物骨架来获得。
第九实施方案，其是第七实施方案的电极材料，其中聚合物黏合剂通过用一种或多于一种基于硫的官能团化学官能化聚合物骨架来获得。
第十实施方案，其是第一实施方案至第九实施方案中任一个的电极材料，其中与包括不含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似电极材料相比，基于电极材料的总重量，电极材料中存在的聚合物黏合剂的量降低等于或大于约25重量％。
第十一实施方案，其是第一实施方案至第十实施方案中任一个的电极材料，其中与包括不含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似电极材料相比，基于电极材料的总重量，电极材料中存在的基于锂的电化学活性材料的量增加等于或大于约25重量％。
第十二实施方案，其是一种电池电极，所述电池电极包括：(i)集流体和(ii)第一实施方案的电极材料。
第十三实施方案，其是一种电池，所述电池包括壳，所述壳内布置有：(1)配置为阳极的第十二实施方案的电池电极，(2)配置为阴极的第十二实施方案的电池电极，和(3)布置在阳极和阴极之间的电解质。
第十四实施方案，其是第十二实施方案的电池电极，配置为阳极，其中基于锂的电化学活性材料包括锂-硅化合物，所述锂-硅化合物的特征在于式LixSiy，其中x为1至约25的整数，其中y为1至约10的整数，且其中x等于或大于y。
第十五实施方案，其是第十四实施方案的电池电极，锂-硅化合物包括Li15Si4、Li22Si5、Li12Si7、Li2Si1、Li1Si1、Li13Si4、Li7Si3、Li7Si2、或其组合。
第十六实施方案，其是第十四实施方案至第十五实施方案中任一个的电池电极，其中阳极的特征在于，与包括不含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似阳极相比，在电池的循环寿命内的比容量降低等于或大于约30％。
第十七实施方案，其是第十四实施方案至第十六实施方案中任一个的电池电极，其中阳极的特征在于，在电池的循环寿命内的比容量降低小于约30％。
第十八实施方案，其是第十二实施方案的电池电极，配置为阴极，其中基于锂的电化学活性材料包括：锂-过渡金属氧化物、FeF3、FeF2、CoF2、NiF2、FeS2、V2O5、或其组合。
第十九实施方案，其是第十八实施方案的电池电极，其中锂-过渡金属氧化物包括：锂钴氧化物(LiCoO2，LCO)、锂锰氧化物(LiMn2O4，LMO)、锂镍锰钴氧化物(LiNiMnCoO2，NMC)、锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2)、钛酸锂(Li4Ti5O12)、硼酸锂铁(LiFeBO3)、锂钒氟磷酸盐(LiVPO4F)、锂锰磷酸盐(LiMnPO4)、锂锰硅酸盐(Li2MnSiO4)、或其组合。
第二十实施方案，其是第十八实施方案至第十九实施方案中任一个的电池电极，其中阴极的特征在于，与包括不含有一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似阴极相比，能量密度增加等于或大于约5％。
第二十一实施方案，其是第十三实施方案的电池，其中电解质为基于液体的锂离子电解质、基于凝胶的锂离子电解质、或固态锂离子电解质。
第二十二实施方案，其是第一实施方案至第十一实施方案中任一个的电极材料，其中磺酸基包括：烷基磺酸基、甲基磺酸基、乙基磺酸基、丙基磺酸基、丁基磺酸基、芳基磺酸基、芳基烷基磺酸基、或其组合。
第二十三实施方案，其是第一实施方案至第十一实施方案中任一个的电极材料，其中次磺酸基包括烷基次磺酸基、甲基次磺酸基、乙基次磺酸基、丙基次磺酸基、丁基次磺酸基、芳基次磺酸基、芳基烷基次磺酸基、或其组合。
第二十四实施方案，其是第一实施方案至第十一实施方案中任一个的电极材料，其中亚磺酸基包括烷基亚磺酸基、甲基亚磺酸基、乙基亚磺酸基、丙基亚磺酸基、丁基亚磺酸基、芳基亚磺酸基、芳基烷基亚磺酸基、或其组合。
第二十五实施方案，其是一种制备电池电极的方法，所述方法包括：(i)将基于锂的电化学活性材料、导电填料和聚合物黏合剂混合，以形成电极材料，其中聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；和(ii)使电极材料与集流体接触，以形成电池电极。
第二十六实施方案，其是第二十五实施方案的方法，其中形成电极材料为干法工艺。
第二十七实施方案，其是第二十五实施方案的方法，其中电极材料在水、水性溶剂、有机溶剂、乳液、或其组合中形成。
第二十八实施方案，其是第二十五实施方案至第二十七实施方案中任一个的方法，其还包括：将第一电池电极配置为阳极；将第二电池电极配置为阴极；以及将阳极、阴极和电解质置于壳中，其中电解质布置在阳极与阴极之间。
虽然已示出并描述了本公开的实施方案，但在不偏离本发明精神和教导的情况下，可以对其进行修改。本文描述的实施方案和实施例仅是示例性的，并非旨在限制本发明。本文公开的本发明的许多变型和修改均是可行的，并且也落在本发明的范围内。
因此，本发明的范围并非由上述说明限定，而是仅由以下权利要求所限定，范围包括权利要求主题的所有等同方案。每项权利要求均作为本发明的实施方案纳入说明书中。因此，权利要求为进一步说明，且为本发明详细说明的补充说明。本文引用的所有专利、专利申请和公开文本均通过引用并入本文。

Claims (20)

1.一种电极材料，其包含：(a)聚合物黏合剂，(b)基于锂的电化学活性材料，和(c)导电填料；其中所述聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；且其中所述电极材料的特征在于，所述一种或多于一种基于硫的官能团与所述基于锂的电化学活性材料之间的结合能为约0.3eV至约2.5eV。
2.根据权利要求1所述的电极材料，其中所述一种或多于一种基于硫的官能团包括：磺酰基、磺酸基、硫醇基、S-亚硝基硫醇基、硫醚基、二硫醚基、次磺酸基、亚磺酸基、磺酸酯基、亚砜基、硫氰酸酯基、异硫氰酸酯基、或其组合。
3.根据权利要求2所述的电极材料，其中所述磺酰基包括：卤代磺酰基、氯代磺酰基、溴代磺酰基、氟代磺酰基、对甲苯磺酰基、对溴苯磺酰基，2-硝基苯磺酰基、4-硝基苯磺酰基、甲磺酰基、三氟甲磺酰基、5-(二甲基氨基)萘-1-磺酰基、或其组合；
其中所述硫醚基包括：烷基硫醚、甲基硫醚、乙基硫醚、丙基硫醚、丁基硫醚、芳基硫醚、芳基烷基硫醚、或其组合；
其中所述磺酸酯包括：烷基磺酸酯、甲基磺酸酯、乙基磺酸酯、丙基磺酸酯、丁基磺酸酯、芳基磺酸酯、芳基烷基磺酸酯、或其组合；
其中所述亚砜基包括：烷基亚砜、甲基亚砜、乙基亚砜、丙基亚砜、丁基亚砜、芳基亚砜、芳基烷基亚砜、或其组合；其中所述磺酸基包括：烷基磺酸基、甲基磺酸基、乙基磺酸基、丙基磺酸基、丁基磺酸基、芳基磺酸基、芳基烷基磺酸基、或其组合；
其中所述次磺酸基包括：烷基次磺酸基、甲基次磺酸基、乙基次磺酸基、丙基次磺酸基、丁基次磺酸基、芳基次磺酸基、芳基烷基次磺酸基、或其组合；
其中所述亚磺酸基包括：烷基亚磺酸基、甲基亚磺酸基、乙基亚磺酸基、丙基亚磺酸基、丁基亚磺酸基、芳基亚磺酸基、芳基烷基亚磺酸基、或其组合；以及
其中所述聚合物黏合剂包含：聚合物骨架，其选自：聚乙烯化合物、聚乙烯酯、聚乙烯醚、聚乙烯酮、聚卤代乙烯、聚酯、聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯、聚芳硫醚、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、聚硫酯、聚硫醚、聚苯醚、聚苯乙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸酯、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯酰胺、酚醛聚合物、含氟聚合物、呋喃聚合物、聚氨基甲酸酯、聚氨酯、聚碳酸酯；导电聚合物；聚乙炔、聚二乙炔、聚吡咯、聚噻吩；聚亚苯基、聚(对亚苯基)、聚(p-亚苯基乙烯撑)、聚(亚苯基乙炔撑)、聚苯胺、多烯、极化子、双极化子、孤子；聚芴；其类似物；其共聚物；及其组合。
4.根据权利要求3所述的电极材料，其中所述聚合物黏合剂通过使包含所述一种或多于一种基于硫的官能团的至少一种单体聚合进入所述聚合物骨架来获得；或其中所述聚合物黏合剂通过用所述一种或多于一种基于硫的官能团化学官能化所述聚合物骨架来获得。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电极材料，其中与包含不含有所述一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似电极材料相比，基于所述电极材料的总重量计，所述电极材料中存在的所述聚合物黏合剂的量降低了等于或大于约25重量％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电极材料，其中与包括不含有所述一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似电极材料相比，基于所述电极材料的总重量计，所述电极材料中存在的所述基于锂的电化学活性材料的量增加了等于或大于约25重量％。
7.一种电池电极，其包括：(i)集流体和(ii)权利要求1所述的电极材料。
8.一种电池，其包括壳，所述壳内布置有：(1)配置为阳极的根据权利要求7所述的电池电极，(2)配置为阴极的根据权利要求7所述的电池电极，和(3)布置在所述阳极和阴极之间的电解质。
9.根据权利要求7所述的电池电极，其配置为阳极，其中所述基于锂的电化学活性材料包含锂-硅化合物，所述锂-硅化合物的特征在于式LixSiy，其中x为1至约25的整数，y为1至约10的整数，且其中x等于或大于y。
10.根据权利要求9所述的电池电极，其中所述锂-硅化合物包括：Li15Si4、Li22Si5、Li12Si7、Li2Si1、Li1Si1、Li13Si4、Li7Si3、Li7Si2、或其组合。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的电池电极，其中所述阳极的特征在于：与包含不含有所述一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似阳极相比，在电池的循环寿命内的比容量降低了等于或大于约30％。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的电池电极，其中所述阳极的特征在于在电池的循环寿命内的比容量降低了小于约30％。
13.根据权利要求7所述的电池电极，其配置为阴极，其中所述基于锂的电化学活性材料包含锂-过渡金属氧化物、FeF3、FeF2、CoF2、NiF2、FeS2、V2O5、或其组合。
14.根据权利要求13所述的电池电极，其中所述锂-过渡金属氧化物包括：锂钴氧化物(LiCoO2，LCO)、锂锰氧化物(LiMn2O4，LMO)、锂镍锰钴氧化物(LiNiMnCoO2，NMC)、锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2)、钛酸锂(Li4Ti5O12)、硼酸锂铁(LiFeBO3)、锂钒氟磷酸盐(LiVPO4F)、锂锰磷酸盐(LiMnPO4)、锂锰硅酸盐(Li2MnSiO4)、或其组合。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的电池电极，其中所述阴极的特征在于：与包含不含有所述一种或多于一种基于硫的官能团的聚合物黏合剂的其他类似阴极相比，能量密度增加了等于或大于约5％。
16.根据权利要求8所述的电池，其中所述电解质为基于液体的锂离子电解质、基于凝胶的锂离子电解质、或固态锂离子电解质。
17.一种制备电池电极的方法，所述方法包括：
(i)将基于锂的电化学活性材料、导电填料和聚合物黏合剂混合，以形成电极材料，其中所述聚合物黏合剂包含一种或多于一种基于硫的官能团；和
(ii)使所述电极材料与集流体接触，以形成电池电极。
18.根据权利要求17所述的方法，其中形成所述电极材料为干法工艺。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述电极材料在水、水性溶剂、有机溶剂、乳液、或其组合中形成。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其还包括：将第一电池电极配置为阳极；将第二电池电极配置为阴极；以及将所述阳极、阴极和电解质置于壳中，其中所述电解质布置在阳极与阴极之间。
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