CN105633411A - 适用于锂离子电池硅基负极材料的复合粘结剂、复合粘结剂的制法及负极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于锂离子电池硅基负极材料的复合粘结剂。所述复合粘结剂包括主粘结剂和配合粘结剂，所述主粘结剂为部分中和的聚丙烯酸。本发明提出的部分中和的聚丙烯酸锂不仅提高了复合粘结剂的分散性，而且改善了复合粘结剂的力学性能及加工性，有利于进一步提高材料的电化学性能。此粘结剂主粘结剂和配合粘结剂的混合物，主粘结剂为聚丙烯酸和聚丙烯酸锂的中间态，但性能优于两者，显著地提高了硅基负极材料电化学性能。配合粘结剂为丁苯橡胶。此外，此复合粘结剂制备时消耗的含锂原料用量少、价格较低，易于工业化，具有一定的锂离子传导性，具有较好的市场潜力。

Description

适用于锂离子电池硅基负极材料的复合粘结剂、复合粘结剂的制法及负极材料
技术领域
本发明涉及一种粘结剂，尤其涉及一种适用于锂离子电池硅基负极材料的粘结剂，本发明也涉及了该粘结剂的制备方法和由该粘结剂制得的锂离子电池硅负极材料。
背景技术
锂离子电池由于其能量密度高、循环性能好而受到人们的关注，近20年来得到了飞速的发展。目前商品化锂离子电池的负极材料主要是各类石墨材料，其理论比容量为372mAh/g。然而目前商品化石墨负极材料已接近其理论比容量，要进一步提高锂离子电池的能量密度就必须开发新型的高容量锂离子电池负极材料。目前，硅基负极材料由于理论比容量高(4200mAh/g)、来源丰富、价格低廉等优点越来越受到重视。但是硅负极材料在嵌脱锂过程中产生巨大的体积变化，导致电极容量衰减快，循环性能差，制约了其商业化应用。
在锂离子电池中，粘结剂是将活性材料和导电添加剂粘结到集流体上，形成电子导路，保证电池正常运行的高分子材料。在充放电过程中，粘结剂有效地维持电极结构完整，确保电极材料能够可重复的嵌脱锂。所以，粘结剂是锂离子电池正常运行的一个至关重要的因素，对提高硅基负极材料的循环性能也有着重要的作用。
聚丙烯酸（PAA）是一种相对较好硅基负极材料粘结剂，但其中的羧基基团和羟基基团容易发生团聚而影响其分散性。完全中和其羧基得到聚丙烯酸锂（PAA-Li）后，由于羧酸根之间的静电排斥作用粘结剂会分散得更均匀，同时聚丙烯酸锂也能够增强锂离子和电子的电导率，因而用于硅基负极材料时，材料表现的循环性能更好，但聚丙烯酸锂热力学性能不好，加工性能差。
丁苯橡胶是石墨类负极中常用的粘结剂，与铜箔集流体的粘结性也较好，但应用于硅基负极时，对循环效果的提升并不理想。聚丙烯酸锂粘结性能好，还能够增强锂离子和电子的电导率，因而用于硅基负极材料时，材料表现的循环性能较好。但是聚丙烯酸锂与锂离子电池负极中的铜箔集流体的粘结性较差，容易造成掉料，会导致电池容量的衰减。本发明提出将一定量的丁苯橡胶加入到完全中和或部分中和的聚丙烯酸锂中，由于硅基负极材料与的铜箔集流体的粘结性增强，材料的电化学性能进一步提高。
发明内容
本发明要解决上述技术问题，从而提供了一种适用于锂离子电池负极材料的复合粘结剂。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
一种适用于锂离子电池负极材料的复合粘结剂，所述复合粘结剂包括主粘结剂和配合粘结剂，所述主粘结剂为部分中和的聚丙烯酸。
作为上述技术方案的优选，所述主粘结剂占复合粘结剂的质量比为50%及以上。
作为上述技术方案的优选，所述配合粘结剂为丁苯橡胶。
作为上述技术方案的优选，所述主粘结剂为锂中和的聚丙烯酸，中和度为X，分子式简写为PAAH1-x-Lix，其中0＜X＜1。
作为上述技术方案的优选，0.2＜X＜0.8。
作为上述技术方案的优选，所述主粘结剂的平均分子量＞30万。
本发明的另一个目的是，提供上述复合粘结剂的制法。其技术方案如下：
复合粘结剂的制法，由主粘结剂和配合粘结剂混合而成，所述主粘结剂采用不足量的氢氧化锂、碳酸锂、碳酸氢锂或其组合与聚丙烯酸反应获得。
本发明的再一个目的是提供一种锂离子电池负极材料。其技术方案如下：
锂离子电池负极材料，采用硅基材料和复合粘结剂制成，所述复合粘结剂包括主粘结剂和配合粘结剂，所述主粘结剂为锂中和的聚丙烯酸，中和度为X，分子式简写为PAAH1-x-Lix，其中0＜X＜1。
作为上述技术方案的优选，0.2＜X＜0.8。
作为上述技术方案的优选，所述主粘结剂的平均分子量＞30万。
作为上述技术方案的优选，所述主粘结剂采用不足量的氢氧化锂、碳酸锂、碳酸氢锂或其组合与聚丙烯酸反应获得。
作为上述技术方案的优选，所述硅基材料为纳米硅、微米硅、多孔硅、非晶硅等各类硅基材料或以此硅基材料为基础的硅碳复合材料。
作为上述技术方案的优选，所述复合粘结剂的使用量为所述锂离子电池负极材料质量的1-50wt%。
作为上述技术方案的优选，所述复合粘结剂的使用量为所述锂离子电池负极材料质量的2-20wt%。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出的部分中和的聚丙烯酸锂不仅提高了复合粘结剂的分散性，而且改善了复合粘结剂的力学性能及加工性，有利于进一步提高材料的电化学性能。此粘结剂主粘结剂和配合粘结剂的混合物，主粘结剂为聚丙烯酸和聚丙烯酸锂的中间态，但性能优于两者，显著地提高了硅基负极材料电化学性能。配合粘结剂为丁苯橡胶。此外，此复合粘结剂制备时消耗的含锂原料用量少、价格较低，易于工业化，具有一定的锂离子传导性，具有较好的市场潜力。
附图说明
图1为本发明实施例与对比例相应半电池循环性能与库伦效率的对比。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所做的任何改变，只要在权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。
实施例1
称取硅纳米材料0.70g、导电炭黑0.15g、PAAH0.5-Li0.50.10g和丁苯橡胶0.05g加入烧杯，量取3mL蒸馏水加入烧杯，在1200rpm转速下搅拌分散。将混合均匀的浆液均匀地涂抹到处理好的Cu箔上并干燥。将干燥后的极片裁剪成直径为1cm的小圆片，并在90℃下真空干燥12h。将干燥后的极片移到手套箱中，以锂片作为对电极，组装2032扣式电池。其中电解液为1MLiPF6为导电盐的体积比为1:1:1的EC/DMC/DEC溶液，并加入质量分数为2%的VC和质量分数为10%的FEC作为添加剂。将组装的电池封口，静置10h。将静置好的电池在充放电测试仪上恒电流测试电化学性能，设置充放电电流为100mA/g，电压范围在0.01-2V。测定锂离子电池在循环30次后的容量保持率为56.8%。
对比例1
称取硅纳米颗粒0.70g、导电炭黑0.15g和丁苯橡胶0.15g加入烧杯，量取3mL蒸馏水加入烧杯，在1200rpm转速下搅拌分散。将混合均匀的浆液均匀地涂抹到处理好的Cu箔上并干燥。将干燥后的极片裁剪成直径为1cm的小圆片，并在90℃下真空干燥12h。将干燥后的极片移到手套箱中，以锂片作为对电极，组装2032扣式电池。其中电解液为1MLiPF6为导电盐的体积比为1:1:1的EC/DMC/DEC溶液，并加入质量分数为2%的VC和质量分数为10%的FEC作为添加剂。将组装的电池封口，静置10h。将静置好的电池在充放电测试仪上恒电流测试电化学性能，设置充放电电流为100mA/g，电压范围在0.01-2V。测定锂离子电池在循环30次后的容量保持率为12.7%。
对比例2
称取硅纳米颗粒0.70g、导电炭黑0.15g和PAAH0.5-Li0.50.15g加入烧杯，量取3mL蒸馏水加入烧杯，在1200rpm转速下搅拌分散。将混合均匀的浆液均匀地涂抹到处理好的Cu箔上并干燥。将干燥后的极片裁剪成直径为1cm的小圆片，并在90℃下真空干燥12h。将干燥后的极片移到手套箱中，以锂片作为对电极，组装2032扣式电池。其中电解液为1MLiPF6为导电盐的体积比为1:1:1的EC/DMC/DEC溶液，并加入质量分数为2%的VC和质量分数为10%的FEC作为添加剂。将组装的电池封口，静置10h。将静置好的电池在充放电测试仪上恒电流测试电化学性能，设置充放电电流为100mA/g，电压范围在0.01-2V。测定锂离子电池在循环30次后的容量保持率为50.3%。
通过上述实施例和对比例可以看出，使用本发明提出的聚丙烯酸锂-丁苯橡胶复合粘结剂能够更好地提升锂离子电池硅基负极材料的循环性能。

Claims (10)

1.一种适用于锂离子电池负极材料的复合粘结剂，其特征在于：所述复合粘结剂包括主粘结剂和配合粘结剂，所述主粘结剂为部分中和的聚丙烯酸。
2.根据权利要求1所述的一种适用于锂离子电池负极材料的复合粘结剂，其特征在于：所述主粘结剂占复合粘结剂的质量比为50%及以上。
3.根据权利要求1所述的一种适用于锂离子电池负极材料的复合粘结剂，其特征在于：所述配合粘结剂为丁苯橡胶。
4.根据权利要求1所述的一种适用于锂离子电池负极材料的复合粘结剂，其特征在于：所述主粘结剂为锂中和的聚丙烯酸，中和度为X，分子式简写为PAAH1-x-Lix，其中0＜X＜1。
5.根据权利要求4所述的一种适用于锂离子电池负极材料的复合粘结剂，其特征在于：0.2＜X＜0.8。
6.根据权利要求4所述的一种适用于锂离子电池负极材料的复合粘结剂，其特征在于：所述主粘结剂的平均分子量＞30万。
7.一种适用于锂离子电池负极材料的复合粘结剂的制备方法，其特征在于：所述主粘结剂采用不足量的氢氧化锂、碳酸锂、碳酸氢锂或其组合与聚丙烯酸反应获得。
8.锂离子电池负极材料，采用硅基材料和复合粘结剂制成，其特征在于：所述复合粘结剂包括主粘结剂和配合粘结剂，所述主粘结剂为锂中和的聚丙烯酸，中和度为X，分子式简写为PAAH1-x-Lix，其中0＜X＜1。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：0.2＜X＜0.8。
10.根据权利要求8所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述主粘结剂的平均分子量＞30万。
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