CN109802139A - 一种水性粘结剂、电池的制备方法及电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水性粘结剂、电池的制备方法及电池，水性粘结剂包括粘结成分和增稠成分，所述粘结成分包括丁苯乳胶、聚丙烯酸中的一种，所述增稠成分包括环糊精、壳聚糖中的一种，在电池制备过程中使用本申请中的水性粘结剂能够有效减少中间产物的穿梭效应，降低脱落风险，增加电池的电化学性能。

Description

一种水性粘结剂、电池的制备方法及电池

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种水性粘结剂、电池的制备方法及电池。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、对环境友好等优点，因此，其不仅在3C数码领域获得了广泛应用，近年来在电动车领域也得到了飞速发展。

锂离子电池一般包括正极片、负极片、隔膜、电解液等主要部分，其中，现有的正极片的制备过程是将活性物质、导电剂、粘结剂在干燥状态下混合后，向混合物中加入溶剂并均匀混合后得到正极浆料，再将浆料涂布至集流体表面，经烘干后得到正极片。

其中，粘结剂能够为活性物质、导电剂以及集流体提供粘合力，使锂离子电池在充放电过程中，保持电极的稳定性和完整性，因此，粘结剂对锂离子电池性能具有非常重要的影响。

目前，常用的粘结剂主要为聚偏氟乙烯、丁苯乳胶、羧甲基纤维素和聚丙烯酸等，品种较少，可选择性较小。且上述粘结剂由于粘结性能相对较弱，造成电池的电化学性能降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种水性粘结剂、电池的制备方法及电池，以解决现有技术中存在的水性粘结剂品种较少、粘结效果较弱，容易造成电池电化学性能降低的问题。

为达到上述目的，第一方面，本发明采用以下技术方案：

一种水性粘结剂，包括粘结成分和增稠成分，所述粘结成分包括丁苯乳胶、聚丙烯酸中的一种，所述增稠成分包括环糊精、壳聚糖中的一种。

优选地，所述粘结成分与增稠成分的重量比为1-5:1。

优选地，所述丁苯乳胶与环糊精的重量比为1-2：1；或者，

所述丁苯乳胶与所述壳聚糖的重量比为1-4：1；或者，

所述聚丙烯酸与所述环糊精的重量比为1-3：1；或者，

所述聚丙烯酸与所述壳聚糖的重量比为1-5：1。

优选地，所述水性粘结剂能够与S-C、Si@C、天然石墨、人造石墨、硬碳混合。

为达上述目的，第二方面，本发明采用以下技术方案：、

一种电池的制备方法，在所述电池制备过程中使用粘结剂，所述粘结剂包括如上所述的水性粘结剂。

优选地，所述制备方法包括：

制备硫碳极片的步骤，在该步骤中，将纳米硫、多孔碳、碳纳米管按照第一预定比例的摩尔比均匀混合，在第一保护气体中进行第一预定时长的球磨加工后，将球磨后的粉末密封于水热釜中，在第一预定温度下加热第二预定时长后，再在第二预定温度下加热第三预定时长，得到S-C复合材料。

优选地，将所述S-C复合材料、乙炔黑、所述水性粘结剂按照摩尔比为第二预定比例混合，使用去离子水调制成浆料涂布至铝箔表面制得所述硫碳极片。

优选地，所述制备方法包括：

制备硅碳极片的步骤，在该步骤中，将第一预定重量的聚丙烯腈溶于第一预定体积的二甲基甲酰胺溶液中，向其中加入第二预定质量的纳米硅，进行超声分散至均匀后进行静电纺丝，而后，将其置于管式炉中，在第二保护气体中并处于第三预定温度下煅烧第四预定时长，再在第四预定温度下煅烧第五预定时长，得到Si@C复合材料。

优选地，将所述Si@C复合材料、乙炔黑、所述水性粘结剂按照摩尔比为第三预定比例混合，使用去离子水调制成浆料涂布至铝箔表面制得所述硅碳极片。

优选地，所述第一预定比例为8：1：1；和/或，

所述第一保护气体包括氮气；和/或，

所述第一预定时长为3小时至5小时；和/或，

所述第一预定温度为155℃至175℃；和/或，

所述第二预定时长为8小时至10小时；和/或，

所述第二预定温度为200℃至250℃；和/或，

所述第三预定时长为3小时至4小时；和/或，

所述第二预定比例和第三预定比例为9:0.5:0.5；和/或，

所述第一预定重量为0.2g至0.5g；和/或，

所述第一预定体积为10ml至15ml；和/或，

所述第二预定质量为0.35g至0.5g；和/或，

所述第二保护气体包括氩气；和/或，

所述第三预定温度为350℃至400℃；和/或，

所述第四预定时长为3小时至5小时；和/或，

所述第四预定温度为800℃至850℃；和/或，

所述第五预定时长为1小时至2小时。

为达上述目的，第三方面，本发明采用以下技术方案：

一种电池，所述电池采用如上所述的电池的制备方法进行制备。

本申请中的水性粘结剂采用丁苯乳胶、聚丙烯酸中的一种作为粘结成分，采用环糊精、壳聚糖中的一种作为增稠成分，在电池制备过程中使用本申请中的水性粘结剂能够有效减少中间产物的穿梭效应，降低脱落风险，增加电池的电化学性能。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明具体实施方式提供的电池的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

本申请提供了一种水性粘结剂，包括粘结成分和增稠成分，粘结成分包括丁苯乳胶A、聚丙烯酸B中的一种，增稠成分包括环糊精a、壳聚糖b中的一种。在进行水性粘结剂制备时，粘结成分与增稠成分的比例为1-5:1，以获得粘结性能较好的水性粘结剂。本申请中的水性粘结剂能够与S-C复合材料、Si@C复合材料、天然石墨、人造石墨和硬碳等材料混合使用，由于本申请中的水性粘结剂具有非常好的粘结性，因此能够有效避免活性物质脱落，降低脱落风险，进而增强使用水性粘结剂制作的电池的电化学性能。

具体地，由上述成分组成的粘结成分与增稠成分的组合具有以下几种：

Aa、丁苯乳胶A和环糊精a，丁苯乳胶与环糊精的重量比为1-2：1；

Ab、丁苯乳胶A和壳聚糖b，丁苯乳胶与壳聚糖的重量比为1-4：1；

Ba、聚丙烯酸B和环糊精a，聚丙烯酸与环糊精的重量比为1-3：1；

Bb、聚丙烯酸B和壳聚糖b，聚丙烯酸与壳聚糖的重量比为1-5：1。

下面会在电池制备过程中，以上述四种组合形成的水粘结剂作为试验对象，对使用上述四种水性粘结剂制备的电池的电化学性能进行测试。

本申请还提供了一种电池的制备方法，在电池制备过程中使用上述水性粘结剂。如图1所示，本申请中的电池的制备方法包括：

制备硫碳极片的步骤，在该步骤中，将纳米硫、多孔碳、碳纳米管按照第一预定比例的摩尔比均匀混合，在第一保护气体中进行第一预定时长的球磨加工后，将球磨后的粉末密封于水热釜中，在第一预定温度下加热第二预定时长后，再在第二预定温度下加热第三预定时长，得到S-C复合材料。其中，优选地，第一预定比例为8：1：1，第一保护气体包括氮气，第一预定时长为3小时至5小时，第一预定温度为155℃至175℃，第二预定时长为8小时至10小时，第二预定温度为200℃至250℃，第三预定时长为3小时至4小时。

接着，将S-C复合材料、乙炔黑、水性粘结剂按照摩尔比为第二预定比例混合，使用去离子水调制成浆料涂布至铝箔表面制得硫碳极片。其中，第二预定比例为第二预定比例为9:0.5:0.5，以保证硫碳电极片的使用可靠性和安全性。现有的S-C复合材料的中间产物容易溶解于电解液中，并穿梭至负极，导致电化学性能降低，影响电池的正常使用。本申请中的水溶性粘结剂能够有效捕捉S-C复合材料的中间产物，减小穿梭效应，从而提高电池的电化学性能。

制备方法还包括：

制备硅碳极片的步骤，在该步骤中，将第一预定重量的聚丙烯腈溶于第一预定体积的二甲基甲酰胺溶液中，向其中加入第二预定质量的纳米硅，进行超声分散至均匀后进行静电纺丝，而后，将其置于管式炉中，在第二保护气体中并处于第三预定温度下煅烧第四预定时长，再在第四预定温度下煅烧第五预定时长，得到Si@C复合材料。其中，优选地，第一预定重量为0.2g至0.5g，第一预定体积为10ml至15ml，第二预定质量为0.35g至0.5g，第二保护气体包括氩气，第三预定温度为350℃至400℃，第四预定时长为3小时至5小时。

接着，将Si@C复合材料、乙炔黑、水性粘结剂按照摩尔比为第三预定比例混合，使用去离子水调制成浆料涂布至铝箔表面制得硅碳极片。其中，第三预定比例为9:0.5:0.5。Si@C复合材料在充放电过程中，体积会膨胀300％左右，活性物质容易脱落，从而导致电化学性能降低。本申请中的水性粘结剂有利于束缚和束缚Si@C复合材料，降低脱落风险，增强电化学性能。

本申请还提供了一种电池，使用上述电池的制备方法进行制备，将上述制备好的硫碳极片和硅碳极片装配呈扣式电池，电池的负极采用金属锂片，对制备好的电池进行电化学试验，测试电池的电化学性能，测试的结果如表一所示。

从表一中可以看出，以丁苯乳胶作为粘结成分的水性粘结剂和以聚丙烯酸作为粘结成分的水性粘结剂在电池使用过程中，电池的电化学性能没有明显差异，说明在选用粘结成分的时候，选用水性粘结剂和聚丙烯酸对电池的电化学性能并没有多大影响。将丁苯乳胶A，丁苯乳胶A和环糊精a(Aa)，丁苯乳胶A和壳聚糖b(Ab)定义为丁苯乳胶体系，将聚丙烯酸B、聚丙烯酸B和环糊精a(Ba)、聚丙烯酸B和壳聚糖b(Bb)定义为聚丙烯酸体系，将丁苯乳胶A和环糊精a(Aa)、丁苯乳胶A和壳聚糖b(Ab)、聚丙烯酸B和环糊精a(Ba)、聚丙烯酸B和壳聚糖b(Bb)定义为混合体系。

表一采用不同的水性粘结剂制备的电池的电化学性能

从表一中还可以看出，混合体系的电化学性能明显优于独立组分丁苯乳胶A和聚丙烯酸B，说明增稠成分的使用能有效增加电池的电化学性能，使得制备出的浆料更加稳定，也使得材料在浆料中分散的更加均匀。含有环糊精a的水性粘结剂的电化学性能最佳，其次是含有壳聚糖b的丁苯乳胶A和壳聚糖b(Ab)、聚丙烯酸B和壳聚糖b(Bb)。产生这种差异的原因是由于环糊精a是笼状结构，壳聚糖b呈链状结构。但是，由于S-C符合材料作为电极材料使用时存在缺陷，其中间产物(多硫化物)易于溶解在电解液中，进而穿梭至负极，导致电化学性能降低，而笼状结构的环糊精a能够通过其特殊的结构捕捉多硫化物，减小穿梭效应，提高电池的电化学性能。

从Si@C复合材料的电化学性能可以看出，聚丙烯酸体系(B、Ba、Bb)的电化学性能高于丁苯乳胶体系(A、Aa、Ab)，说明聚丙烯酸(B)对电池性能提升帮助更大。同样，混合体系(Aa、Ab、Ba、Bb)的电化学性能明显优于独立组分的丁苯乳胶A和聚丙烯酸B，说明增稠剂的使用能使浆料更稳定，且使材料在浆料中分散更均匀，进而增加电池电化学性能。当粘结成分中含壳聚糖(b)时，其电化学性能最佳(AII、BII)，其次，是含环糊精(a)的AI、BI体系，这与水性粘结剂的粘度有关，具体的粘度参数见表二。

表二不同水性粘结剂在25℃下的粘度

由表2可知，聚丙烯酸体系(B、Ba、Bb)的粘度略高于丁苯乳胶体系(A、Aa、Ab)，混合体系(Aa、Ab、Ba、Bb)的粘度明显高于独立组分体系(A、B)，壳聚糖体系(Ab、Bb)的粘度高于环糊精(Aa、Ba)体系。

本申请中的水性粘结剂具有非常好的粘结效果，能够有效提高电池的电化学性能，增强接粘结剂的多样性，提供给用户更多的选择。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种水性粘结剂，其特征在于，包括粘结成分和增稠成分，所述粘结成分包括丁苯乳胶、聚丙烯酸中的一种，所述增稠成分包括环糊精、壳聚糖中的一种。

2.根据权利要求1所述的水性粘结剂，其特征在于，所述粘结成分与增稠成分的重量比为1-5:1。

3.根据权利要求2所述的水性粘结剂，其特征在于，所述丁苯乳胶与所述环糊精的重量比为1-2：1；或者，

所述丁苯乳胶与所述壳聚糖的重量比为1-4：1；或者，

所述聚丙烯酸与所述环糊精的重量比为1-3：1；或者，

所述聚丙烯酸与所述壳聚糖的重量比为1-5：1。

4.根据权利要求1至3之一所述的水性粘结剂，其特征在于，所述水性粘结剂能够与S-C、Si@C、天然石墨、人造石墨、硬碳混合。

5.一种电池的制备方法，在所述电池制备过程中使用粘结剂，其特征在于，所述粘结剂包括如权利要求1至4之一所述的水性粘结剂。

6.根据权利要求5所述的电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

制备硫碳极片的步骤，在该步骤中，将纳米硫、多孔碳、碳纳米管按照第一预定比例的摩尔比均匀混合，在第一保护气体中进行第一预定时长的球磨加工后，将球磨后的粉末密封于水热釜中，在第一预定温度下加热第二预定时长后，再在第二预定温度下加热第三预定时长，得到S-C复合材料。

7.根据权利要求6所述的电池的制备方法，其特征在于，将所述S-C复合材料、乙炔黑、所述水性粘结剂按照摩尔比为第二预定比例混合，使用去离子水调制成浆料涂布至铝箔表面制得所述硫碳极片。

8.根据权利要求7所述的电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

制备硅碳极片的步骤，在该步骤中，将第一预定重量的聚丙烯腈溶于第一预定体积的二甲基甲酰胺溶液中，向其中加入第二预定质量的纳米硅，进行超声分散至均匀后进行静电纺丝，而后，将其置于管式炉中，在第二保护气体中并处于第三预定温度下煅烧第四预定时长，再在第四预定温度下煅烧第五预定时长，得到Si@C复合材料。

9.根据权利要求8所述的电池的制备方法，其特征在于，将所述Si@C复合材料、乙炔黑、所述水性粘结剂按照摩尔比为第三预定比例混合，使用去离子水调制成浆料涂布至铝箔表面制得所述硅碳极片。

10.根据权利要求9所述的电池的制备方法，其特征在于，所述第一预定比例为8：1：1；和/或，

所述第一保护气体包括氮气；和/或，

所述第一预定时长为3小时至5小时；和/或，

所述第一预定温度为155℃至175℃；和/或，

所述第二预定时长为8小时至10小时；和/或，

所述第二预定温度为200℃至250℃；和/或，

所述第三预定时长为3小时至4小时；和/或，

所述第二预定比例和第三预定比例为9:0.5:0.5；和/或，

所述第一预定重量为0.2g至0.5g；和/或，

所述第一预定体积为10ml至15ml；和/或，

所述第二预定质量为0.35g至0.5g；和/或，

所述第二保护气体包括氩气；和/或，

所述第三预定温度为350℃至400℃；和/或，

所述第四预定时长为3小时至5小时；和/或，

所述第四预定温度为800℃至850℃；和/或，

所述第五预定时长为1小时至2小时。

11.一种电池，其特征在于，所述电池采用如权利要求4至10之一所述的电池的制备方法进行制备。