CN101794884A

CN101794884A - 用于组成锂离子电池负极的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂

Info

Publication number: CN101794884A
Application number: CN201010144896A
Authority: CN
Inventors: 乔红斌
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2010-08-04

Abstract

本发明提供一种用于组成锂离子电池负极的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂，属于锂离子电池制造技术领域。该粘结剂为经过碱性物质中和后的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂，中和后的pH值为5.3-7.2；粘结剂与负极活性材料组成锂离子电池负极，其中所述粘结剂占负极组成的质量比为8-25％。本发明所提供的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂经过碱性物质中和之后能够稳定电池制造工艺，并且增加电极活性材料的分散性和粘结力，尤其适用于硅负极，可以制造出具有优异性能的锂离子电池。此外，本发明还采用水作浆料介质，制造工艺具有环境友好的特点。

Description

用于组成锂离子电池负极的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂

技术领域：

本发明属于锂离子电池制造技术领域，具体涉及一种用于组成锂离子电池负极的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂。

背景技术：

锂离子电池由于具有能量密度高、质量轻、自放电小、循环寿命长、贮存寿命长、工作电压平稳、无记忆效应、环境污染小等一系列突出优点，目前已广泛应用于手机、笔记本计算机、摄像机等新型便携式通信、电子产品上。

锂离子电池用粘结剂种类很多，多数采用聚偏氟乙烯(PVDF)。但聚偏氟乙烯为结晶性聚合物，结晶度一般为50％左右，结晶熔融温度在140℃附近，因此在电池通常的使用温度下，PVDF的结晶性使存在于电解液体的分子很难流通，充放电负荷增大；在制备电池时的干燥速度等不合适时，PVDF的收缩率与集电体的收缩率差异比较大，含活性物质的涂膜会从集电体上脱离；即使涂布干燥后没问题，但随着时间的迁移，在使用过程中，也有由于电极的内部应力使电极合剂层从集电体上部分或全部剥离，负荷特性变差，引起容量劣化。

通常采用如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的有机溶剂来生产锂离子电池负极，上述溶剂对于人体和环境存在危害。为了解决上述问题，采用丁苯橡胶(SBR)基粘结剂和羧甲基纤维素基粘结剂形成含水负极活性材料浆料的方法。在这种情况下，水用作溶剂。通常采用羧甲基纤维素基粘结剂和SBR-基材料的混合物形成负极活性材料浆料来改善锂离子电池负极。羧甲基纤维素水溶液通过溶解水溶性的羧甲基纤维素基粘结剂，随后将SBR-基材料和负极活性材料加入到羧甲基纤维素含水溶液中并混合形成浆料来制备。然而在该工艺中，产生不溶于水的针状材料。该针状材料存在于负极活性材料浆料中，其能够与电极材料混合或者削弱浆料的分散性。因此，负极的粘合力变弱，导致锂离子电池显示出不良的循环寿命特性。

虽然可以获得较高性能的锂离子电池，但是对于改善浆料的分散性和负极的粘结力，羧甲基纤维素基粘结剂几乎没有什么成效，尤其在应用于硅负极时，由于硅在形成硅锂合金的时候因锂的嵌入而产生很大的体积变化，导致电极的结构崩塌与粉碎。硅的最大嵌锂理论容量可达4200mAh/g，目前尚未解决的问题是合理选择粘结剂，既充分利用硅材料较高的理论容量特性，又部分避免硅在锂离子的嵌入脱出过程中的体积变化引起结构坍塌。

发明内容：

本发明涉及一种用于组成锂离子电池负极的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂，所述粘结剂为经过碱性物质中和后的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂，中和后的pH值为5.3～7.2；所述粘结剂与负极活性材料组成锂离子电池负极，其中所述粘结剂占负极组成的质量比为8～25％；所述的碱性物质为LiOH或NaOH或氨水。

在本发明的一个实施例中，采用负极制备材料制造锂离子电池负极。特别地，负极制备材料可以包括有含碳材料、硅以及部分水解聚丙烯酰胺粘结剂，但是并不限定于这些。部分水解聚丙烯酰胺粘结剂可以用作锂离子电池负极的粘结剂。用于锂离子电池中的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂包括通过适当的碱中和以调整其pH值。在更进一步的实施例中，负极活性材料和部分水解聚丙烯酰胺粘结剂，其中部分水解聚丙烯酰胺粘结剂的重量在负极组成8％～25％的范围之内。

结构式1示出了部分水解聚丙烯酰胺粘结剂的结构；结构式2示出了部分水解聚丙烯酰胺粘结剂经过LiOH完全中和之后的结构。

本发明所提供的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂经过碱性物质中和之后能够稳定电池制造工艺，并且增加电极活性材料的分散性和粘结力，尤其适用于硅负极，可以制造出具有优异性能的锂离子电池。此外，本发明还采用水作浆料介质，制造工艺具有环境友好的特点。

附图说明：

将参照附图通过具体描述本发明的典型实施例，使得本发明的上述以及其他特征和有益效果变得更加鲜明。

图1采用部分水解聚丙烯酰胺粘结剂的实例1和实例2的锂离子电池的循环性能曲线；

图2采用部分水解聚丙烯酰胺粘结剂与实施例2相同的制备方法得到的锂离子电池的循环伏安曲线；

图3本发明部分水解聚丙烯酰胺粘结剂的红外光谱图。

具体实施方式：

实施例1：分别称量65％(重量)的硅粉末、15％(重量)的乙炔碳黑粉末、作为粘结剂的20％(重量)的经过氢氧化锂中和的pH值为6.6的部分水解聚丙烯酰胺。首先，在搅拌状态下将部分水解聚丙烯酰胺溶解于蒸馏水中，以制备5％(重量)的部分水解聚丙烯酰胺溶液。之后，将硅粉末和碳黑粉末添加到5％(重量)的部分水解聚丙烯酰胺溶液中，然后混合。将双倍于上述蒸馏水体积的乙醇和陶瓷球加入其中，置于塑料瓶内，之后混合14小时。用300微米间隔的刮板将混合物浇注到12微米厚的铜箔上，在90微米时置于烘箱中107℃干燥10小时，碾压并切割成预定尺寸从而制出具有120微米厚度的负极板。分别以金属锂片作电池的对电极和参比电极。

非水电解质溶液为以体积比50∶50混合的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)并溶解了1.0MLiPF₆的有机溶剂混合物。

电池样品当以电流密度0.1C，截止电压为0.02～1.2V充放电时，经过28次循环之后，从初始的放电容量127mAh/g变为120mAh/g，为初始放电容量的94.5％。

实施例2：分别称量60％(重量)的硅粉末、20％(重量)的乙炔碳黑粉末、作为粘结剂的20％(重量)的经过氢氧化锂中和的pH值为7.2的部分水解聚丙烯酰胺。首先，在搅拌下将部分水解聚丙烯酰胺溶解到蒸馏水中，以制备6.7％(重量)的部分水解聚丙烯酰胺溶液。之后，将硅粉末和碳黑粉末添加到6.7％(重量)的部分水解聚丙烯酰胺溶液中，然后混合。将双倍于上述蒸馏水体积的乙醇和陶瓷球加入其中，置于塑料瓶内，之后混合20小时。用300微米间隔的刮板将混合物浇注到12微米厚的铜箔上，在大约90微米时置于烘箱于105℃真空干燥大约20小时，碾压并切割成为预定的尺寸从而制出具有120微米厚度的负极板。分别以金属锂片作电池的对电极和参比电极。

非水电解质溶液为以体积比50∶50混合的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)并溶解了1.0MLiPF₆的有机溶剂混合物。

电池样品当以电流密度0.1C，截止电压为0.07～1.2V充放电时，经过50次循环之后，从初始的放电容量90mAh/g变为108mAh/g，为初始放电容量的120％。

Claims

1.一种用于组成锂离子电池负极的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂，其特征在于：所述粘结剂为经过碱性物质中和后的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂，中和后的pH值为5.3～7.2；所述粘结剂与负极活性材料组成锂离子电池负极，其中所述粘结剂占负极组成的质量比为8～25％。

2.根据权利要求1所述的部分水解聚丙烯酰胺粘结剂，其特征在于：所述的碱性物质为LiOH或NaOH或氨水。