CN109935833A - 一种锂电池正极浆料的粘结剂体系 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池技术领域，针对现有陶瓷隔膜存在阻抗大，在过充电条件下无法有效阻隔离子导通，无法达到安全效果的问题，公开了一种锂电池正极浆料的粘结剂体系。所述粘结剂体系包括质量比为0.1~2:98~99.9的分散剂和改性PVDF。所述改性PVDF为改性泡沫二氧化钛改性的PVDF，提高了PVDF的流动性。本发明利用分散剂和高粘结性改性PVDF复合组成正极浆料的粘结剂体系，采用此粘结剂体系可大幅降低粘结剂使用量，提升电池的能量密度，同时可大幅提高正极浆料的稳定性，抑制浆料凝胶的发生，在保证较高固含量情况下有良好的浆料流动性。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂电池正极浆料的粘结剂体系。
背景技术
粘结剂作为锂离子电池电极片中的非活性成分，是制备锂离子电池电极片必须使用的重要材料之一。粘结剂的主要作用是连接电极活性物质、导电剂和电极集流体，使它们之间具有整体的连接性，从而减小电极的阻抗，更好地稳定电极片结构。目前一般的正极粘结剂（PVDF）添加量较多，影响电池整体的能量密度，而使用一些高粘结性改性的PVDF，经常会遇到浆料不稳定，造成材料间团聚，浆料表现高粘度，凝胶状，流动性差的现象。
中国专利申请号为CN201510609533.4的专利，公开了一种锂电池用水性粘结剂及其制备方法、锂电池极片。其中，锂电池用水性粘结剂的制备方法包括：将聚乙烯醇溶于水中，在第一搅拌状态下搅拌至全部溶解以形成聚乙烯醇溶液，往聚乙烯醇溶液中加入引发剂，混合均匀得到混合溶液，往混合溶液中逐滴加入至少包括苯乙烯与第一单体的单体混合物，待单体混合物全部滴加完毕，在第二搅拌状态下持续搅拌至充分反应，得到锂电池用水性粘结剂。通过该方法能够制备得到高粘度的锂电池用水性粘结剂。然而，该水性粘结剂容易造成材料间团聚，且流动性差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锂电池正极浆料的粘结剂体系。本发明利用改性二氧化钛PVDF，并采用粘结剂和分散剂复合交联的方法，改善了浆料的流动性，抑制了凝胶的发生。
本发明的具体技术方案为：一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，所述粘结剂体系包括分散剂和改性PVDF。
为了保证正极材料在制成极片后的粘结力，目前一般的正极粘结剂的添加量较多，影响电池整体的能量密度，而使用一些高粘结性改性的PVDF，经常会遇到浆料不稳定，造成材料间团聚，浆料表现高粘度，凝胶状，流动性差的现象。本发明采用粘结剂和分散剂复合交联的方法，改善浆料的流动性，抑制凝胶的发生。分散剂表面的基团能够与改性PVDF表面的基团产生相互作用，抑制凝胶的发生，同时改善粘结剂的流动相。采用此粘结剂体系可大幅降低粘结剂使用量，提升电池的能量密度，同时可大幅提高正极浆料的稳定性，抑制浆料凝胶的发生，在保证较高固含量情况下有良好的浆料流动性。
作为优选，所述分散剂和改性PVDF的质量比为0.1~2:98~99.9。当分散剂和改性PVDF的质量比为0.1~2:98~99.9时，粘结剂体系具有良好的流动性，同时无凝胶现象发生。
作为优选，所述分散剂为硬脂酰胺、乙烯基双硬脂酰胺、硬脂酸单甘油酯和三硬脂酸甘油酯中的至少一种。
作为优选，所述改性PVDF为改性二氧化钛改性的PVDF，其制备方法为：将泡沫氧化钛加入硅烷偶联剂的水-乙醇溶液中，在30~50℃搅拌20~28h，过滤后用无水乙醇清洗、干燥后得到硅烷偶联剂改性的泡沫氧化钛；将PVDF中加入2~5%PVDF质量的硅烷偶联剂改性的泡沫氧化钛，混合均匀，在100~150℃搅拌反应1~2h，得到改性PVDF。
本发明的改性PVDF为改性二氧化钛改性的PVDF，能有效避免PVDF的凝胶，提高PVDF粘结剂的高温强度，增加PVDF的流动性。同时，本发明的改性PVDF的制备方法操作简单，操作温度较低。
作为优选，所述泡沫氧化钛和硅烷偶联剂的质量比为1：0.3~0.5，硅烷偶联剂和水-乙醇溶液的质量体积比为1g：50~80mL。所述泡沫氧化钛和硅烷偶联剂的质量比为1：0.3~0.5时，泡沫二氧化碳在PVDF树脂中分散均匀，能够显著提高PVDF的流动性，抑制PVDF的凝胶化。
作为优选，所述改性二氧化钛为泡沫二氧化钛，其制备方法为：将粒径为600~800nm的金属钛粉制成固含量为30~40%的水基浆料，将所述加入装有团成絮状的改性棕榈纤维的模具中，加入浆料质量0.15~0.25wt%的十二烷基磺酸盐，调节pH为5~8，在4500~6500rmp的搅拌速率下搅拌15~20min，在23~27℃干燥22~26h，然后在75~85℃干燥10~14h，得到干坯；最后将干坯在1~3℃/min的升温速率升至1000~1500℃焙烧2.5~3.5h，研磨至700~800nm，得到泡沫氧化钛粉末。
本发明制备泡沫二氧化钛的方法简单，焙烧后形成的泡沫二氧化钛中二氧化钛的纯度高。制备泡沫二氧化钛的过程中，采用团成絮状的直径为40~50nm改性椰棕纤维作为模板，在二氧化钛晶粒间形成介孔的孔道，丰富泡沫二氧化钛中的孔洞。改性后的椰棕纤维表面接枝有大量的模板剂基团，有利于增加椰棕纤维在泡沫二氧化钛中形成的通孔周围的孔洞。
作为优选，所述改性棕榈纤维的制备方法为：将棕榈纤维中加入异氰酸酯，棕榈纤维和异氰酸酯的质量比为1:0.55~0.65，然后加入正丁胺，棕榈纤维与正丁胺的质量体积比为1g:15~20mL，加入0.09~0.12%棕榈纤维质量的TEA和0.09~0.12%棕榈纤维质量的DBT，在惰性气氛保护下，在45~55℃反应23~25h，过滤、干燥后得到改性棕榈纤维。
作为优选，一种锂电池正极浆料的粘结剂体系的制备方法包括以下步骤：按重量份数计，称取70~110份磷酸铁锂、1~8份导电炭黑SP、0.1~7份ECP、0.5~9份PVDF和50~100份N-N-二甲基吡咯烷酮，搅拌形成混合浆液。
作为优选，所述粘结剂体系中磷酸铁锂、导电炭黑SP、ECP、PVDF和N-N-二甲基吡咯烷酮的量分别为磷酸铁锂85~100份、导电炭黑SP 2~5份、ECP 0.5~1.5份、PVDF 1~4份和N-N-二甲基吡咯烷酮65~75份。
本发明的锂电池正极浆料的粘结剂体系制备方法简单，粘结剂的流动性好，且不易凝胶化。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明针对正极浆料在使用高粘结性改性PVDF后产生的凝胶，流动性差，分散性差的问题，利用改性二氧化钛PVDF，并采用粘结剂和分散剂复合交联的方法，改善浆料的流动性，抑制凝胶的发生。
附图说明
图1是本发明的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系从低剪切速率到高剪切速率阶段下的粘度变化图；
图2是本发明的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系从高剪切速率到低剪切速率阶段下的粘度变化图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。在本发明中所涉及的装置、连接结构和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、连接结构和方法。
实施例1
一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，所述粘结剂体系包括质量比为0.2:99.8的硬脂酰胺和改性PVDF。
所述改性PVDF为改性二氧化钛改性的PVDF，其制备方法为：将泡沫氧化钛加入硅烷偶联剂的水-乙醇溶液中，泡沫氧化钛和硅烷偶联剂的质量比为1：0.4，硅烷偶联剂和水-乙醇溶液的质量体积比为1g：65mL，在40℃搅拌24h，过滤后用无水乙醇清洗、干燥后得到硅烷偶联剂改性的泡沫氧化钛；将PVDF中加入3.5%PVDF质量的硅烷偶联剂改性的泡沫氧化钛，混合均匀，在125℃搅拌反应1.5h，得到改性PVDF。
所述改性二氧化钛为泡沫二氧化钛，其制备方法为：将粒径为700nm的金属钛粉制成固含量为35%的水基浆料，将所述加入装有团成絮状的改性棕榈纤维的模具中，加入浆料质量0.2wt%的十二烷基磺酸盐，调节pH为7，在5500rmp的搅拌速率下搅拌18min，在25℃干燥24h，然后在80℃干燥12h，得到干坯；最后将干坯在2℃/min的升温速率升至1300℃焙烧3h，研磨至750nm，得到泡沫氧化钛粉末。
所述改性棕榈纤维的制备方法为：将棕榈纤维中加入异氰酸酯，棕榈纤维和异氰酸酯的质量比为1:0.6，然后加入正丁胺，棕榈纤维与正丁胺的质量体积比为1g:18mL，加入0.1%棕榈纤维质量的TEA和0.1%棕榈纤维质量的DBT，在惰性气氛保护下，在50℃反应24h，过滤、干燥后得到改性棕榈纤维。
一种锂电池正极浆料的粘结剂体系的制备方法包括以下步骤：按重量份数计，称取磷酸铁锂93份、导电炭黑SP 3.5份、ECP 1份、PVDF 2.5份和N-N-二甲基吡咯烷酮70份，搅拌形成混合浆液。
实施例2
一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，所述粘结剂体系包括质量比为0.5:99.5的硬脂酸单甘油酯和改性PVDF。
所述改性PVDF为改性二氧化钛改性的PVDF，其制备方法为：将泡沫氧化钛加入硅烷偶联剂的水-乙醇溶液中，泡沫氧化钛和硅烷偶联剂的质量比为1：0.3，硅烷偶联剂和水-乙醇溶液的质量体积比为1g：50mL，在30℃搅拌28h，过滤后用无水乙醇清洗、干燥后得到硅烷偶联剂改性的泡沫氧化钛；将PVDF中加入2%PVDF质量的硅烷偶联剂改性的泡沫氧化钛，混合均匀，在100℃搅拌反应2h，得到改性PVDF。
所述改性二氧化钛为泡沫二氧化钛，其制备方法为：将粒径为600nm的金属钛粉制成固含量为30%的水基浆料，将所述加入装有团成絮状的改性棕榈纤维的模具中，加入浆料质量0.15wt%的十二烷基磺酸盐，调节pH为8，在6500rmp的搅拌速率下搅拌15min，在23℃干燥26h，然后在85℃干燥14h，得到干坯；最后将干坯在1℃/min的升温速率升至1000℃焙烧3.5h，研磨至700nm，得到泡沫氧化钛粉末。
所述改性棕榈纤维的制备方法为：将棕榈纤维中加入异氰酸酯，棕榈纤维和异氰酸酯的质量比为1:0.55，然后加入正丁胺，棕榈纤维与正丁胺的质量体积比为1g:15mL，加入0.09%棕榈纤维质量的TEA和0.09%棕榈纤维质量的DBT，在惰性气氛保护下，在45℃反应25h，过滤、干燥后得到改性棕榈纤维。
一种锂电池正极浆料的粘结剂体系的制备方法包括以下步骤：按重量份数计，称取磷酸铁锂98.5份、导电炭黑SP 2份、ECP 0.5份、PVDF 4份和N-N-二甲基吡咯烷酮65份，搅拌形成混合浆液。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于：实施例3中所述粘结剂体系包括质量比为0.7:99.3的分散剂和改性PVDF。其他均与实施例1相同。
实施例4
实施例4与实施例1的不同之处在于：实施例4中所述粘结剂体系包括质量比为1:99的分散剂和改性PVDF。其他均与实施例1相同。
对比例
对比例与实施例1的不同之处在于：对比例中所述粘结剂体系为100%改性PVDF。其他均与实施例1相同。
检测实施例1~4和对比例制得的锂电池正极浆料的粘结剂体系在剪切速率由低到高和由高到低时的初始粘度。检测结果分别如图1和图2所述。
由图1的结果可以看出，从低剪切速率到高剪切速率阶段下，低剪切速率初始粘度对比例高达15000pa.s，而实施例4已降到9700pa.s，在高剪切速率对比例的粘度为1130pa.s，实施例4为519pa.s。由图2的结果可以看出，从高剪切速率到低剪切速率的阶段下，高剪切速率对比例的粘度为1120pa.s，实例4为513pa.s，到低剪切速率，对比例的粘度为5070pa.s，实施例4为1760pa.s
由以上实验结果数据可看出，在添加分散剂后，浆料的流动性能显著改善，在低剪切速率下浆料凝胶风险大大降低。
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、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，其特征在于：所述粘结剂体系包括分散剂和改性PVDF。
2.如权利要求1所述的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，其特征在于：所述分散剂和改性PVDF的质量比为0.1~2:98~99.9。
3.如权利要求2所述的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，其特征在于：所述分散剂为硬脂酰胺、乙烯基双硬脂酰胺、硬脂酸单甘油酯和三硬脂酸甘油酯中的至少一种。
4.如权利要求2所述的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，其特征在于：所述改性PVDF为改性二氧化钛改性的PVDF，其制备方法为：将泡沫氧化钛加入硅烷偶联剂的水-乙醇溶液中，在30~50℃搅拌20~28h，过滤后用无水乙醇清洗、干燥后得到硅烷偶联剂改性的泡沫氧化钛；将PVDF中加入2~5%PVDF质量的硅烷偶联剂改性的泡沫氧化钛，混合均匀，在100~150℃搅拌反应1~2h，得到改性PVDF。
5.如权利要求4所述的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，其特征在于：所述泡沫氧化钛和硅烷偶联剂的质量比为1：0.3~0.5，硅烷偶联剂和水-乙醇溶液的质量体积比为1g：50~80mL。
6.如权利要求4所述的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，其特征在于：所述改性二氧化钛为泡沫二氧化钛，其制备方法为：将粒径为600~800nm的金属钛粉制成固含量为30~40%的水基浆料，将所述加入装有团成絮状的改性棕榈纤维的模具中，加入浆料质量0.15~0.25wt%的十二烷基磺酸盐，调节pH为5~8，在4500~6500rmp的搅拌速率下搅拌15~20min，在23~27℃干燥22~26h，然后在75~85℃干燥10~14h，得到干坯；最后将干坯在1~3℃/min的升温速率升至1000~1500℃焙烧2.5~3.5h，研磨至700~800nm，得到泡沫氧化钛粉末。
7.如权利要求6所述的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，其特征在于：所述改性棕榈纤维的制备方法为：将棕榈纤维中加入异氰酸酯，棕榈纤维和异氰酸酯的质量比为1:0.55~0.65，然后加入正丁胺，棕榈纤维与正丁胺的质量体积比为1g:15~20mL，加入0.09~0.12%棕榈纤维质量的TEA和0.09~0.12%棕榈纤维质量的DBT，在惰性气氛保护下，在45~55℃反应23~25h，过滤、干燥后得到改性棕榈纤维。
8.如权利要求1~7任一所述的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，其特征在于其制备方法包括以下步骤：按重量份数计，称取70~110份磷酸铁锂、1~8份导电炭黑SP、0.1~7份ECP、0.5~9份PVDF和50~100份N-N-二甲基吡咯烷酮，搅拌形成混合浆液。
9.如权利要求8所述的一种锂电池正极浆料的粘结剂体系，其特征在于：所述粘结剂体系中磷酸铁锂、导电炭黑SP、ECP、PVDF和N-N-二甲基吡咯烷酮的量分别为磷酸铁锂85~100份、导电炭黑SP 2~5份、ECP 0.5~1.5份、PVDF 1~4份和N-N-二甲基吡咯烷酮65~75份。
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