一种高比容量硅基负极复合粘结剂及含有该粘结剂的负极片
的制备方法
技术领域
本发明涉及电池粘结剂领域,尤其涉及一种高比容量硅基负极复合粘结剂及含有该粘结剂的负极片的制备方法。
背景技术
硅嵌锂理论容量高达4200mAh/g,是目前商业化负极石墨材料(理论容量372mAh/g)的10倍以上, 有重要应用前景。但经过数次充放电循环,硅材料体积膨胀率高达300%(远高于石墨10%)。巨大的体积效应引起硅材料发生粉化,活性物质从集流体上脱落,造成电池循环稳定性非常差, 是国际学术界、产业界非常关注的热点问题。
针对硅材料在脱嵌锂前后伴随有巨大体积变化从而导致电池性能迅速衰减问题的一个解决办法是将硅(合金)与石墨等进行混合制得硅碳复合材料。在保证硅的较大容量的前提下,利用石墨具有较大比表面积的优点,石墨材料可弹性缓冲硅(合金)材料在充放电过程中体积的膨胀和缩小。硅碳复合材料与碳材料相比,一方面,通过硅(合金)的添加提高了嵌锂容量;另一方面,碳材料的引入缓冲了硅的膨胀,提高了电子导电性。
针对硅材料存在的体积膨胀问题,另一解决办法是采用抑制其膨胀的粘接剂。
目前,运用非常广泛的电极粘接剂为聚偏二氟乙烯(PVDF),PVDF具有非常高的粘结力,但是PVDF与电解液中的丙烯碳酸酯作用时容易发生溶胀,造成电极结构变形,同时粘结剂的粘结力降低,从而导致电池性能下降,电池的循环性能变差。另一种常用的粘接剂为丁苯橡胶(SBR),SBR具有优异的弹性能力,但SBR的粘结力较差,使得活性物质颗粒与活性物质颗粒之间、活性物质与集流体之间的粘结效果一般,目前还无法满足抑制硅负极膨胀的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种高比容量硅基负极复合粘结剂及含有该粘结剂的负极片的制备方法。本发明的复合粘结剂能够解决现有硅基负极材料在锂离子嵌入脱出过程中伴随的巨大体积变化而导致电池循环寿命较短的技术难题。
本发明的具体技术方案为:一种高比容量硅基负极复合粘结剂,包括羧甲基纤维素钠5-50wt%、聚丙烯酸5-30wt%和丁苯橡胶20-90wt%。
在本发明的技术方案中,羧甲基纤维素钠的电化学窗口宽,不会影响锂离子在活性材料中的嵌入脱出。羧甲基纤维素钠机械强度大,但缺乏弹性,所以本发明选用具有高弹性的丁苯橡胶乳液与羧甲基纤维素钠一起使用,能够互相弥补缺点。羧甲基纤维素钠中的羧基能够与SiO表面的羟基之间形成共价键,相比于PVDF与活性物质之间微弱的范德华力,这种共价键更有利于稳定电极结构。此外,无定型结构的聚丙烯酸能在SiO颗粒表面形成一层均匀的保护膜,而且它与SiO之间还存在键合作用,这些特性共同作用稳定了电极的结构,使得SiO具有较好的电化学性能。对以上三种材料的配比严格控制,在三种材料协同作用下,可显著提高硅基负极循环稳定性能,并且负极不易膨胀。
作为优选,所述羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和丁苯橡胶的质量比为2:1:3。
作为优选,所述羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和丁苯橡胶的质量比为2:2:3。
一种含有高比容量硅基负极复合粘结剂的负极片的制备方法,包括以下步骤:
1)、将0.5-5份羧甲基纤维素钠粉末添加到去离子水中并以2000-4000rpm的转速进行搅拌,搅拌均匀后添加0.5-3份聚丙烯酸使液体中固含量为5-25wt%,在400-1200rpm转速下搅拌25-35min,去泡,制得胶液。
2)、向上述胶液中添加1-7份导电剂并以2000-4000rpm的转速搅拌1.5-2.5h,制得导电液。
3)、向上述导电液中添加10-92份SiO负极粉末,以400-1200rpm的转速搅拌8-12min后,再以2000-4000rpm的转速搅拌50-70min,然后加入1-20份石墨材料,以400-1200rpm的转速搅拌8-12min后,添加去离子水调节溶液粘度为800-2000 mPa·s,以2000-4000rpm转速搅拌50-70min,添加2-9份丁苯橡胶,以2000-4000rpm转速搅拌1.5-2.5h,再以400-1200rpm转速搅拌25-35min,去泡,过120目筛后制得浆料,控制浆料的水分使浆料固含量控制在40-50wt%,粘度为1000-2000 mPa·s。
4)、将过筛后的浆料涂布于负极集流体上,其中涂布温度80-90℃,涂布速度2.5m/min,涂布过程中伴随鼓风,涂布车间控制水分含量在100ppm以下。
5)、将负极集流体进行真空高温聚合处理,其中温度为100-130℃,相对真空度值小于等于-0.1MPa,处理时间10-120min。
6)、对涂布于负极集流体上的浆料进行辊压,控制浆料的压实密度为1.1-2.0g/cm3,制得负极片半成品。
7)、将辊压后的负极片半成品冲裁成设计尺寸。
上述各物质的份数均为质量份。
在负极片的制备过程中,各步骤的搅拌速率具有非常重要的作用,在个别步骤中若搅拌速率过高,会导致原料发生团聚,无法完全溶解,从而影响负极片性能;若搅拌速率过低,则又会导致搅拌不充分,粘度达不到要求。
作为优选,所述石墨材料为硬碳、软碳、天然石墨、人造石墨中的一种或多种。
作为优选,所述导电剂为Super P导电剂。
作为优选,所述羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和丁苯橡胶的质量比为2:1:3。
作为优选,所述羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和丁苯橡胶的质量比为2:2:3。
与现有技术对比,本发明的有益效果是:本发明的复合粘结剂能够解决现有硅基负极材料在锂离子嵌入脱出过程中伴随的巨大体积变化而导致电池循环寿命较短的技术难题。
附图说明
图1为电池循环曲线对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种高比容量硅基负极复合粘结剂,包括羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和丁苯橡胶。其中所述羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和丁苯橡胶的质量比为2:1:3。
一种含有高比容量硅基负极复合粘结剂的负极片的制备方法,包括以下步骤:
1)、将3.3份羧甲基纤维素钠粉末添加到去离子水中并以3000rpm的转速进行搅拌,搅拌均匀后添加1.7份聚丙烯酸使液体中固含量为15wt%,在800rpm转速下搅拌30min,去泡,制得胶液。
2)、向上述胶液中添加4份Super P导电剂并以3000rpm的转速搅拌2h,制得导电液。
3)、向上述导电液中添加51份SiO负极粉末,以800rpm的转速搅拌10min后,再以3000rpm的转速搅拌60min,然后加入2.5份硬碳石墨材料、2.5份软碳石墨材料、2.5份天然石墨、2.5份人造石墨,以800rpm的转速搅拌10min后,添加去离子水调节溶液粘度为1400mPa·s,以3000rpm转速搅拌60min,添加5份丁苯橡胶,以3000rpm转速搅拌2h,再以800rpm转速搅拌30min,去泡,过120目筛后制得浆料,控制浆料的水分使浆料固含量控制在45wt%,粘度为1500 mPa·s。
4)、将过筛后的浆料涂布于负极集流体上,涂布温度85℃,涂布速度2.5m/min,涂布过程中伴随鼓风,涂布车间控制水分含量在100ppm以下。
5)、将负极集流体进行真空高温聚合处理,其中温度为115℃,相对真空度值小于等于-0.1MPa,处理时间65min。
6)、对涂布于负极集流体上的浆料进行辊压,控制浆料的压实密度为1.65g/cm3,制得负极片半成品。
7)、将辊压后的负极片半成品冲裁成设计尺寸。
上述各物质的份数均为质量份。
实施例2
一种高比容量硅基负极复合粘结剂,包括羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和丁苯橡胶。其中所述羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸和丁苯橡胶的质量比为2:2:3。
一种含有高比容量硅基负极复合粘结剂的负极片的制备方法,包括以下步骤:
1)、将2.85份羧甲基纤维素钠粉末添加到去离子水中并以2800rpm的转速进行搅拌,搅拌均匀后添加2.85份聚丙烯酸使液体中固含量为5wt%,在800rpm转速下搅拌30min,去泡,制得胶液。
2)、向上述胶液中添加4份Super P导电剂并以2800pm的转速搅拌2h,制得导电液。
3)、向上述导电液中添加50份SiO负极粉末,以800rpm的转速搅拌10min后,再以2800rpm的转速搅拌60min,然后加入2.5份硬碳石墨材料、2.5份软碳石墨材料、2.5份天然石墨、2.5份人造石墨,以800rpm的转速搅拌10min后,添加去离子水调节溶液粘度为1400mPa·s,以2800rpm转速搅拌60min,添加4.3份丁苯橡胶,以2800rpm转速搅拌2h,再以800rpm转速搅拌30min,去泡,过120目筛后制得浆料,控制浆料的水分使浆料固含量控制在45wt%,粘度为1500 mPa·s。
4)、将过筛后的浆料涂布于负极集流体上,其中涂布温度85℃,涂布速度2.5m/min,涂布过程中伴随鼓风,涂布车间控制水分含量在100ppm以下。
5)、将负极集流体进行真空高温聚合处理,其中温度为115℃,相对真空度值小于等于-0.1MPa,处理时间65min。
6)、对涂布于负极集流体上的浆料进行辊压,控制浆料的压实密度为1.6g/cm3,制得负极片半成品。
7)、将辊压后的负极片半成品冲裁成设计尺寸。
上述各物质的份数均为质量份。
实施例3
一种高比容量硅基负极复合粘结剂,包括羧甲基纤维素钠5wt%、聚丙烯酸30wt%和丁苯橡胶65wt%。
一种含有高比容量硅基负极复合粘结剂的负极片的制备方法,包括以下步骤:
1)、将0.5份羧甲基纤维素钠粉末添加到去离子水中并以2000rpm的转速进行搅拌,搅拌均匀后添加3份聚丙烯酸使液体中固含量为5wt%,在400rpm转速下搅拌35min,去泡,制得胶液。
2)、向上述胶液中添加1份Super P导电剂并以2000rpm的转速搅拌2.5h,制得导电液。
3)、向上述导电液中添加92份SiO负极粉末,以400rpm的转速搅拌12min后,再以2000rpm的转速搅拌70min,然后加入1份为天然石墨,以400rpm的转速搅拌12min后,添加去离子水调节溶液粘度为800 mPa·s,以2000rpm转速搅拌70min,添加6.5份丁苯橡胶,以2000rpm转速搅拌2.5h,再以400rpm转速搅拌35min,去泡,过120目筛后制得浆料,控制浆料的水分使浆料固含量控制在40wt%,粘度为1000 mPa·s。
4)、将过筛后的浆料涂布于负极集流体上,其中涂布温度80℃,涂布速度2.5m/min,涂布过程中伴随鼓风,涂布车间控制水分含量在100ppm以下。
5)、将负极集流体进行真空高温聚合处理,其中温度为100℃,相对真空度值小于等于-0.1MPa,处理时间120min。
6)、对涂布于负极集流体上的浆料进行辊压,控制浆料的压实密度为1.1g/cm3,制得负极片半成品。
7)、将辊压后的负极片半成品冲裁成设计尺寸。
上述各物质的份数均为质量份。
实施例4
一种高比容量硅基负极复合粘结剂,包括羧甲基纤维素钠50wt%、聚丙烯酸5wt%和丁苯橡胶45wt%。
一种含有高比容量硅基负极复合粘结剂的负极片的制备方法,包括以下步骤:
1)、将5份羧甲基纤维素钠粉末添加到去离子水中并以4000rpm的转速进行搅拌,搅拌均匀后添加0.5份聚丙烯酸使液体中固含量为25wt%,在1200rpm转速下搅拌25min,去泡,制得胶液。
2)、向上述胶液中添加7份Super P导电剂并以4000rpm的转速搅拌1.5h,制得导电液。
3)、向上述导电液中添加10份SiO负极粉末,以1200rpm的转速搅拌8min后,再以4000rpm的转速搅拌50min,然后加入20份为人造石墨,以1200rpm的转速搅拌8min后,添加去离子水调节溶液粘度为2000 mPa·s,以4000rpm转速搅拌50min,添加4.5份丁苯橡胶,以4000rpm转速搅拌1.5h,再以1200rpm转速搅拌25min,去泡,过120目筛后制得浆料,控制浆料的水分使浆料固含量控制在50wt%,粘度为2000 mPa·s。
4)、将过筛后的浆料涂布于负极集流体上,其中涂布温度90℃,涂布速度2.5m/min,涂布过程中伴随鼓风,涂布车间控制水分含量在100ppm以下。
5)、将负极集流体进行真空高温聚合处理,其中温度为130℃,相对真空度值小于等于-0.1MPa,处理时间10min。
6)、对涂布于负极集流体上的浆料进行辊压,控制浆料的压实密度为2.0g/cm3,制得负极片半成品。
7)、将辊压后的负极片半成品冲裁成设计尺寸。
上述各物质的份数均为质量份。
实施例5
一种高比容量硅基负极复合粘结剂,包括羧甲基纤维素钠50wt%、聚丙烯酸30wt%和丁苯橡胶20wt%。
一种含有高比容量硅基负极复合粘结剂的负极片的制备方法,包括以下步骤:
1)、将5份羧甲基纤维素钠粉末添加到去离子水中并以2000-4000rpm的转速进行搅拌,搅拌均匀后添加3份聚丙烯酸使液体中固含量为20wt%,在600rpm转速下搅拌25min,去泡,制得胶液。
2)、向上述胶液中添加3份Super P导电剂并以2500rpm的转速搅拌2h,制得导电液。
3)、向上述导电液中添加80份SiO负极粉末,以600rpm的转速搅拌9min后,再以2500rpm的转速搅拌60min,然后加入5份硬碳石墨材料、5份软碳石墨材料,以600rpm的转速搅拌9min后,添加去离子水调节溶液粘度为1000 mPa·s,以2500rpm转速搅拌60min,添加2份丁苯橡胶,以2500rpm转速搅拌2h,再以600rpm转速搅拌30min,去泡,过120目筛后制得浆料,控制浆料的水分使浆料固含量控制在40wt%,粘度为1200 mPa·s。
4)、将过筛后的浆料涂布于负极集流体上,其中涂布温度85℃,涂布速度2.5m/min,涂布过程中伴随鼓风,涂布车间控制水分含量在100ppm以下。
5)、将负极集流体进行真空高温聚合处理,其中温度为110℃,相对真空度值小于等于-0.1MPa,处理时间60min。
6)、对涂布于负极集流体上的浆料进行辊压,控制浆料的压实密度为1.5g/cm3,制得负极片半成品。
7)、将辊压后的负极片半成品冲裁成设计尺寸。
上述各物质的份数均为质量份。
实施例6
一种高比容量硅基负极复合粘结剂,包括羧甲基纤维素钠5wt%、聚丙烯酸5wt%和丁苯橡胶90wt%。
一种含有高比容量硅基负极复合粘结剂的负极片的制备方法,包括以下步骤:
1)、将0.5份羧甲基纤维素钠粉末添加到去离子水中并以2000-4000rpm的转速进行搅拌,搅拌均匀后添加0.5份聚丙烯酸使液体中固含量为10wt%,在900rpm转速下搅拌25min,去泡,制得胶液。
2)、向上述胶液中添加5份Super P导电剂并以3500rpm的转速搅拌2h,制得导电液。
3)、向上述导电液中添加50份SiO负极粉末,以900rpm的转速搅拌9min后,再以3500rpm的转速搅拌60min,然后加入5份人造石墨,以900rpm的转速搅拌9min后,添加去离子水调节溶液粘度为1500 mPa·s,以3500rpm转速搅拌60min,添加9份丁苯橡胶,以3500rpm转速搅拌2h,再以900rpm转速搅拌25min,去泡,过120目筛后制得浆料,控制浆料的水分使浆料固含量控制在50wt%,粘度为1600 mPa·s。
4)、将过筛后的浆料涂布于负极集流体上,其中涂布温度80℃,涂布速度2.5m/min,涂布过程中伴随鼓风,涂布车间控制水分含量在100ppm以下。
5)、将负极集流体进行真空高温聚合处理,其中温度为120℃,相对真空度值小于等于-0.1MPa,处理时间40min。
6)、对涂布于负极集流体上的浆料进行辊压,控制浆料的压实密度为1.8g/cm3,制得负极片半成品。
7)、将辊压后的负极片半成品冲裁成设计尺寸。
上述各物质的份数均为质量份。
对比例
一种高比容量硅基负极粘结剂,包括羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶。其中所述羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶的质量比为2:3。
一种含有高比容量硅基负极复合粘结剂的负极片的制备方法,包括以下步骤:
1)、将3.3份羧甲基纤维素钠粉末添加到去离子水使液体中固含量为15wt%,并以3000rpm的转速进行搅拌均匀,接着在800rpm转速下搅拌30min,去泡,制得胶液。
2)、向上述胶液中添加4份Super P导电剂并以3000rpm的转速搅拌2h,制得导电液。
3)、向上述导电液中添加51份SiO负极粉末,以800rpm的转速搅拌10min后,再以3000rpm的转速搅拌60min,然后加入2.5份硬碳石墨材料、2.5份软碳石墨材料、2.5份天然石墨、2.5份人造石墨,以800rpm的转速搅拌10min后,添加去离子水调节溶液粘度为1400mPa·s,以3000rpm转速搅拌60min,添加5份丁苯橡胶,以3000rpm转速搅拌2h,再以800rpm转速搅拌30min,去泡,过120目筛后制得浆料,控制浆料的水分使浆料固含量控制在45wt%,粘度为1500 mPa·s。
4)、将过筛后的浆料涂布于负极集流体上,涂布温度85℃,涂布速度2.5m/min,涂布过程中伴随鼓风,涂布车间控制水分含量在100ppm以下。
5)、将负极集流体进行真空高温聚合处理,其中温度为115℃,相对真空度值小于等于-0.1MPa,处理时间65min。
6)、对涂布于负极集流体上的浆料进行辊压,控制浆料的压实密度为1.65g/cm3,制得负极片半成品。
7)、将辊压后的负极片半成品冲裁成设计尺寸。
上述各物质的份数均为质量份。
性能测试
对实施例1、实施例2以及对比例中的负极片组装成电池后,对电池的循环性能进行测试,如图1所示,图中A sample代表实施例1的负极片组成后的电池的循环曲线,B sample代表实施例的负极片组成后的电池的循环曲线,Control代表对比例的负极片组成后的电池的循环曲线。可以发现,实施例1与实施例2的负极片组装后的电池的负极循环稳定性能更高,在循环次数达到375-400之后还能保持大约88%,而对比例在175-200次之间就仅剩88%。
本发明中所用原料、设备,若无特别说明,均为本领域的常用原料、设备;本发明中所用方法,若无特别说明,均为本领域的常规方法。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换,均仍属于本发明技术方案的保护范围。