CN105914376A - 一种锂离子电池负极增强型复合粘结剂及其应用 - Google Patents

一种锂离子电池负极增强型复合粘结剂及其应用 Download PDF

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赵龙
张弢
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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池负极增强型复合粘结剂及其应用。采用的技术方案是：将增稠剂与适量无水乙醇搅拌均匀后，加入去离子水，在20～55℃下搅拌至完全溶解，得到糊状胶液；将导电剂和锂盐加入到糊状胶液中，搅拌均匀，得到混合液；将负极活性材料加入到混合液中，搅拌均匀，得浆料；将交联剂和粘结剂同时加入到浆料中，搅拌均匀，制成水性浆料；将水性浆料涂覆在负极集流体上，加热烘干后，辊压、分切、焊接极耳，得到锂离子电池负极。本发明的锂离子电池具有良好的低温放电性能和高温循环稳定性。

Description

一种锂离子电池负极增强型复合粘结剂及其应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种应用于锂离子电池负极的增强型复合粘结剂及制备锂离子电池负极的方法。
背景技术
粘结剂是锂离子电池极片中的非活性成分，是制备锂离子电池极片必不可少的材料，其主要作用是使电极活性物质、导电剂和集流体具有整体连接性。锂离子电池中的锂离子在活性物质中的嵌入-脱出，引起活性物质的膨胀-收缩(如石墨层间距变化达到10～11％)，所以要求粘结剂能够起到缓冲作用。粘结剂必须具有足够的粘结强度和柔韧性，其体积随锂离子的嵌入和脱出而变化，保证活性物质在反复膨胀和收缩过程中不脱落。粘结剂由于长期浸泡在电解液中，其形状、结构和性质必须保持稳定，并且在低电压条件下不会被还原。过多粘合剂的添加不仅会对电池产生较大副作用，如电池内阻增加和充放电倍率性能下降，而且由于负极片中活性物质减少引起电池能量密度的降低。因此，满足浆料增稠作用和极片粘结作用的同时，应尽量减少粘合剂的总量，这样才能有效提高电池的能量密度和性能。设计粘结剂的最佳使用量，不仅可以提升电池容量，延长循环寿命，而且可降低内阻及进行大倍率充放电。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供一种可增强剥离强度，提升电池容量，延长循环寿命的锂离子电池负极增强型复合粘结剂及应用其制备锂离子电池负极的方法。
本发明采用的技术方案如下：一种锂离子电池负极增强型复合粘结剂，所述的增强型粘结剂由增稠剂、交联剂和粘结剂按重量比1:0.001-0.1:0.5-2.0组成。
上述的锂离子电池负极增强型复合粘结剂，所述的增稠剂是羧甲基纤维素钠(CMC)、羧乙基纤维素(HEC)或乙基纤维素(EC)中的一种或二种以上的混合；所述的交联剂是戊二醛、聚乙烯亚胺(PEI)或环氧氯丙烷中的一种或二种以上的混合；所述的粘结剂是丁苯橡胶(SBR)、水性LA133、水性PVDF、聚乙烯醇(PVA)或聚丙烯酸(PAA)中的一种或二种以上的混合。
上述的锂离子电池负极增强型复合粘结剂在制备锂离子电池负极中的应用，方法包括如下步骤：
1)将增稠剂与适量无水乙醇搅拌均匀后，加入去离子水，在20～55℃下搅拌至完全溶解，得到糊状胶液；
2)将导电剂和锂盐加入到糊状胶液中，搅拌均匀，得到混合液；
3)将负极活性材料加入到步骤2)中获得的混合液中，搅拌均匀，得浆料；
4)将交联剂和粘结剂同时加入到浆料中，搅拌均匀，制成水性浆料；
5)将水性浆料涂覆在负极集流体上，加热烘干后，辊压、分切、焊接极耳，得到锂离子电池负极。
优选的，上述的方法，按质量比，负极活性物质:导电剂:增强型复合粘结剂＝1:0-0.03:0.01-0.04。
优选的，上述的方法，所述的锂盐是LiOH、Li2CO3、LiF、HCOLi或ROLi中的一种或二种以上的混合，其中R代表烷基。
优选的，上述的方法，锂盐用量为调节混合液的pH值在6～11之间。
优选的，上述的方法，步骤5)中，加热烘干的温度为60～120℃。
优选的，上述的方法，所述的水性浆料的粘度为800～3000mPa·s。
本发明的有益效果是：
1.本发明，通过添加交联剂对粘结剂进行改性，使其粘结性增加，且对极片的加工性能和强度均没有影响，同时降低了电池中粘结剂的添加量。由于粘结剂总量的降低和粘结强度的提高，电池的电化学性能得到提高，尤其表现在电池的内阻，循环寿命，低温放电容量等方面。
2.本发明，利用纤维素高活性的羟基，进行化学交联改性，改变原有的结构和理化性质，提高其吸附能力和粘结性。本发明能够有效提高充放电过程中活性材料的牢固性及电池循环稳定性，可以显著降低粘结剂用量的同时满足粘结强度要求，从而提高极片的能量密度及电池容量。测试结果表明，本发明的锂离子电池具有良好的低温放电性能和高温循环稳定性。
3.本发明通过使增稠剂进行交联达到粘结剂总体强度提高的作用。粘结剂在较低掺量下具有较高的保水性，且浆料粘度随温度变化不明显，耐温性增强。而且极片中活性物质间粘结力提升，能有效提高电极在充放电过程中的整体牢固性和锂离子电池的循环稳定性。同时，粘结剂总量的降低，有效提高了锂离子电池的容量和倍率性，降低内阻。
附图说明
图1是两种不同粘结剂制备的电池的循环寿命曲线。
具体实施方式
实施例1一种制备锂离子电池负极的方法
(一)步骤如下：
锂离子电池负极增强型复合粘结剂，由羧甲基纤维素钠、戊二醛和SBR，按重量比1：0.03：0.75组成。
1)将26.8g羧甲基纤维素钠(CMC)与53.6ml无水乙醇搅拌均匀后，加入2.53L去离子水，在45℃下搅拌至完全溶解，得到糊状胶液；
2)将37.5g导电剂Super P Li导电炭黑加入到糊状胶液中，搅拌均匀，加入Li2CO3，调节溶液的pH至8.0，搅拌2h，得到混合液；
3)将2500g负极活性材料人造石墨加入到步骤2)中获得的混合液中，搅拌均匀，得浆料；
4)将0.8g戊二醛和40g SBR(50％溶液)同时加入到上述浆料中，搅拌均匀，制成水性浆料，所得水性浆料固含量约46.5％，粘度1760mPa·s；
5)将水性浆料涂覆在铜箔(负极集流体)上，80℃烘干后，辊压、分切、焊接极耳，得到锂离子电池负极。
(二)对比试验，步骤如下：
1)将26.8g羧甲基纤维素钠(CMC)，加入2.58L去离子水，在45℃下搅拌至完全溶解，得到糊状胶液；
2)将37.5g导电剂Super P Li导电炭黑加入到糊状胶液中，搅拌均匀，加入Li2CO3，调节溶液的pH至9.0，搅拌2h，得到混合液；
3)将2500g负极活性材料人造石墨加入到步骤2)中获得的混合液中，搅拌均匀，得浆料；
4)将40g SBR(50％溶液)加入到上述浆料中，搅拌均匀，制成水性浆料，所得水性浆料固含量约46.5％，粘度1800mPa·s；
5)将水性浆料涂覆在铜箔(负极集流体)上，80℃烘干后，辊压、分切、焊接极耳，得到锂离子电池负极。
1、将本实施例和对比例制备的锂离子电池负极片分别进行剥离强度实验，结果如表1。
2、将制备的锂离子负极片，制备成14500电池(正极532三元，天赐电解液)，进行电化学测试。结果如图1所示，实施例1电池容量高些，电池充放电循环前200周，两种电池容量衰减都不明显。而循环200周后，实施例1电池容量衰减缓慢，对比例电池容量衰减较快，且呈加速衰减。这是因为循环充放电过程中，锂离子在负极活性物质中的嵌入-脱出，引起活性物质的膨胀-收缩。粘结剂在反复膨胀和收缩过程中，逐渐老化失效或粘结强度降低，使得活性物质从极片脱离，造成容量不可逆损失。实施例1电池复合增强型粘结剂的粘结强度及稳定性好，所以电池循环寿命长。
表1
本实施例 对比例
剥离强度N/m 13.5 10.7
电池容量mAh 758.1 747.6
循环寿命(80％) 798 512
实施例2一种制备锂离子电池负极的方法
方法同实施例1，改变增稠剂的种类，结果如表2。
表2
HEC EC
剥离强度N/m 12.15 11.37
电池容量mAh 755.6 758.9
循环寿命(80％) 637 668
实施例3一种制备锂离子电池负极的方法
方法同实施例1，改变交联剂的种类，结果如表3。
表3
聚乙烯亚胺 环氧氯丙烷
剥离强度 13.1 12.9
电池容量 749.6 750.6
循环寿命 668 712
实施例4一种制备锂离子电池负极的方法
方法同实施例1，改变粘结剂的种类，结果如表4。
表4
水性LA133 水性PVDF (PVA) (PAA)
剥离强度 13.8 14.2 11.0 12.8
实施例5一种制备锂离子电池负极的方法
方法同实施例1，取26.8g羧甲基纤维素钠，改变戊二醛和SBR的用量，增稠剂、交联剂、粘结剂的配比和结果如表5。
表5
1:0.03:1.0 1:0.05:1.0 1:0.03:1.2
剥离强度 13.9 14.2 13.4
电池容量 759.1 802.7 751.8
循环寿命 795 810 787
实施例6一种制备锂离子电池负极的方法
方法同实施例1，改变pH，结果如表5。
表5

Claims (9)

1.一种锂离子电池负极增强型复合粘结剂，其特征在于，所述的增强型粘结剂由增稠剂、交联剂和粘结剂，按重量比1:0.001-0.1:0.5-2.0组成。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极增强型复合粘结剂，其特征在于，所述的增稠剂是羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素或乙基纤维素中的一种或二种以上的混合；所述的交联剂是戊二醛、聚乙烯亚胺或环氧氯丙烷中的一种或二种以上的混合；所述的粘结剂是丁苯橡胶、水性LA133、水性PVDF、聚乙烯醇或聚丙烯酸中的一种或二种以上的混合。
3.权利要求1或2所述的锂离子电池负极增强型复合粘结剂在制备锂离子电池负极中的应用。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，制备锂离子电池负极的方法包括如下步骤：
1)将增稠剂与适量无水乙醇搅拌均匀后，加入去离子水，在20～55℃下搅拌至完全溶解，得到糊状胶液；
2)将导电剂和锂盐加入到糊状胶液中，搅拌均匀，得到混合液；
3)将负极活性材料加入到步骤2)中获得的混合液中，搅拌均匀，得浆料；
4)将交联剂和粘结剂同时加入到浆料中，搅拌均匀，制成水性浆料；
5)将水性浆料涂覆在负极集流体上，加热烘干后，辊压、分切、焊接极耳，得到锂离子电池负极。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，按质量比，负极活性物质：导电剂：增强型复合粘结剂＝1:0-0.03:0.01-0.04。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的锂盐是LiOH、Li2CO3、LiF、HCOLi或ROLi中的一种或二种以上的混合，其中R代表烷基。
7.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，锂盐用量为调节混合液的pH值在6～11之间。
8.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，步骤5)中，加热烘干的温度为60～120℃。
9.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的水性浆料的粘度为800～3000mPa·s。
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