CN107170989A - 一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂 - Google Patents

一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂 Download PDF

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曲群婷
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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂，它包括以下质量分数的组分：透明质酸钠50%~100%；海藻酸钠0~50%。通过将透明质酸钠单独或者与海藻酸钠混合使用，由于透明质酸钠能分散在水中形成粘稠液，其分子内含有较多羟基极性官能团，可与硅表面氧化硅层形成更多氢键，进一步增强粘结剂与硅材料间的粘结力；而且成本较低，可以显著提高硅基负极材料的电化学性能，具有较高的性价比和较好的市场潜力。

Description

一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂
技术领域
本发明属于电池粘结剂领域，涉及一种锂离子电池粘结剂，具体涉及一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂。
背景技术
锂离子电池已广泛应用于手机、数码相机和笔记本电脑等便携式电子设备，更有望成为近年来兴起的电动车和混合动力车的能源，具有重要的商业价值。目前商品化锂离子电池的正极材料以氧化物正极材料如LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4等为主；负极材料是石墨以及以石墨为前躯体的各种碳材料。虽然碳材料具有良好的可逆充放电性能，但是其理论容量低（372mAh/g），高倍率充放电性能差。并且当电池过充电时，碳材料表面易形成锂枝晶，引起短路，产生安全隐患。由于碳材料已经很难满足当今电子信息、能源技术飞速发展的需要，因此开发新型且可靠的高容量锂离子电池负极材料成为高性能锂离子电池发展的技术瓶颈。
硅可作为锂离子电池的负极材料，并且以其高的质量比容量（4200mAh/g）和材料丰富、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，难以商业化。纳米尺度的硅材料可望解决这一问题。近年来，许多硅纳米材料已被合成，并且有效地提高了硅基负极材料的电化学性能。但是，强健的粘结剂是硅基纳米负极材料应用的先决条件。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。现在用于硅基负极材料的粘结剂主要是聚氟高分子材料，如聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯等，价格较为昂贵，对环境也会产生负面的影响。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂，它包括以下质量分数的组分：
透明质酸钠 50~100%；
海藻酸钠 0~50%。
优化地，它包括以下质量分数的组分：
透明质酸钠 60~80%；
海藻酸钠 20~40%。
进一步地，它包括以下质量分数的组分：
透明质酸钠 66.7%；
海藻酸钠 33.3%。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明锂离子电池硅基负极材料粘结剂，通过将透明质酸钠单独或者与海藻酸钠混合使用，由于透明质酸钠能分散在水中形成粘稠液，其分子内含有较多羟基极性官能团，可与硅表面氧化硅层形成更多氢键，进一步增强粘结剂与硅材料间的粘结力，使得制得的电极具有更好的循环稳定性，不容易导致电极活性材料的剥离或脱落；而且成本较低，可以显著提高硅基负极材料的电化学性能，具有较高的性价比和较好的市场潜力。
附图说明
图1为实施例1中电池的循环性能图；
图2为实施例2中电池的循环性能图；
图3为实施例1中电池循环500周后硅负极的SEM图。
具体实施方式
本发明锂离子电池硅基负极材料粘结剂，它包括以下质量分数的组分：透明质酸钠50%~100%；海藻酸钠0~50%。通过将透明质酸钠单独或者与海藻酸钠混合使用，由于透明质酸钠能分散在水中形成粘稠液，其分子内含有较多羟基极性官能团，可与硅表面氧化硅层形成更多氢键，进一步增强粘结剂与硅材料间的粘结力；而且成本较低，可以显著提高硅基负极材料的电化学性能，具有较高的性价比和较好的市场潜力。
上述透明质酸钠和海藻酸钠的质量分数分别优选为60%~80%、20~40%，最优选为透明质酸钠66.7%、海藻酸钠33.3%；因为透明质酸钠和海藻酸钠的交联作用增强了粘结剂的机械强度，进一步提高纳米硅电极的循环稳定性。
下面将结合附图实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂及其应用，该锂离子电池硅基负极材料粘结剂为透明质酸钠，具体应用为：
量取1.5mL的去离子水加入称量瓶，称量0.03g透明质酸钠（100%）加入称量瓶，搅拌溶解；称量硅纳米颗粒0.14g和乙炔黑0.03g，研磨均匀，加入称量瓶，搅拌10h，分散均匀；将和好的浆液均匀地涂抹到处理好的Cu箔上，在真空条件下80℃干燥12h，切片；将干燥的极片移到手套箱中，以锂片作为对电极，组装2032扣式电池（电解液为1M LiPF6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（其中充放电倍率均为0.2C，电压范围在0.01~1V）。测得该硅负极首次放电容量达到3036.45mAh/g，循环500圈之后，放电容量为1819.05mAh/g，容量保持率为60%（如图1和图3所示），具有优异的循环性能。
实施例2
本实施例提供一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂及其应用，该锂离子电池硅基负极材料粘结剂为透明质酸钠和海藻酸钠的混合物，具体应用为：
量取1.5mL 的去离子水加入称量瓶，称量0.02g透明质酸钠（66.7%）和0.01g（33.3%）海藻酸钠加入称量瓶，搅拌溶解；称量硅纳米颗粒0.14g 和乙炔黑0.03g，研磨均匀，加入称量瓶，搅拌10h，分散均匀；将和好的浆液均匀地涂抹到处理好的Cu箔上，在真空条件下80℃干燥12h，切片。将干燥的极片移到手套箱中，以锂片作为对电极，组装2032扣式电池（电解液为1M LiPF6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。测得该硅负极首次放电容量达到2161.6mAh/g，循环500圈之后，放电容量为1810.2mAh/g，容量保持率为83.7%（如图2所示）。
实施例3
本实施例提供一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂及其应用，该锂离子电池硅基负极材料粘结剂为透明质酸钠和海藻酸钠的混合物，具体应用为：
量取1.5mL 的去离子水加入称量瓶，称量0.015g 透明质酸钠（50%）和0.015g 海藻酸钠（50%）加入称量瓶，搅拌溶解；称量硅纳米颗粒0.14g 和乙炔黑0.03g，研磨均匀，加入称量瓶，搅拌10h，分散均匀；将和好的浆液均匀地涂抹到处理好的Cu箔上，在真空条件下80℃干燥12h，切片；将干燥的极片移到手套箱中，以锂片作为对电极，组装2032扣式电池（电解液为1M LiPF6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。由于海藻酸钠的比例增加，导致电极容量保持率有所下降，测得该硅负极首次放电容量达到2038.1Ah/g，循环500圈之后，放电容量为1467.2mAh/g，容量保持率为70.33%）。
实施例4
本实施例提供一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂及其应用，该锂离子电池硅基负极材料粘结剂为透明质酸钠和海藻酸钠的混合物，具体应用为：
量取1.5mL 的去离子水加入称量瓶，称量0.024g 透明质酸钠（80%）和0.006g 海藻酸钠（20%）加入称量瓶，搅拌溶解；称量硅纳米颗粒0.14g 和乙炔黑0.03g，研磨均匀，加入称量瓶，搅拌10h，分散均匀；将和好的浆液均匀地涂抹到处理好的Cu箔上，在真空条件下80℃干燥12h，切片；将干燥的极片移到手套箱中，以锂片作为对电极，组装2032扣式电池（电解液为1M LiPF6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。测得该硅负极首次放电容量达到2931.8Ah/g，循环500圈之后，放电容量为2087.8mAh/g，容量保持率为71.2%。
实施例5
本实施例提供一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂及其应用，该锂离子电池硅基负极材料粘结剂为透明质酸钠和海藻酸钠的混合物，具体应用为：
量取1.5mL 的去离子水加入称量瓶，称量0.018g 透明质酸钠（60%）和0.012g 海藻酸钠（40%）加入称量瓶，搅拌溶解；称量硅纳米颗粒0.14g 和乙炔黑0.03g，研磨均匀，加入称量瓶，搅拌10h，分散均匀；将和好的浆液均匀地涂抹到处理好的Cu箔上，在真空条件下80℃干燥12h，切片；将干燥的极片移到手套箱中，以锂片作为对电极，组装2032扣式电池（电解液为1M LiPF6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。测得该硅负极首次放电容量达到2988.7Ah/g，循环500圈之后，放电容量为2207.6mAh/g，容量保持率为73.86%。
对比例1
本实施例提供一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂及其应用，该锂离子电池硅基负极材料粘结剂为透明质酸钠，具体应用为：
量取1.5mL的去离子水加入称量瓶，称量0.03g海藻酸钠（100%）加入称量瓶，搅拌溶解；称量硅纳米颗粒0.14g和乙炔黑0.03g，研磨均匀，加入称量瓶，搅拌10h，分散均匀；将和好的浆液均匀地涂抹到处理好的Cu箔上，在真空条件下80℃干燥12h，切片；将干燥的极片移到手套箱中，以锂片作为对电极，组装2032扣式电池（电解液为1M LiPF6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（其中充放电倍率均为0.2C，电压范围在0.01~1V）。测得该硅负极首次放电容量达到3188.2Ah/g，循环500圈之后，放电容量为1802.5mAh/g，容量保持率为56.53%。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂，其特征在于，它包括以下质量分数的组分：
透明质酸钠 50~100%；
海藻酸钠 0~50%。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池硅基负极材料粘结剂，其特征在于，它包括以下质量分数的组分：
透明质酸钠 60~80%；
海藻酸钠 20~40%。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池硅基负极材料粘结剂，其特征在于，它包括以下质量分数的组分：
透明质酸钠 66.7%；
海藻酸钠 33.3%。
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