CN110350195A - 一种锂离子电池负极粘结剂及锂离子电池负极的制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池负极粘结剂及锂离子电池负极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池负极粘结剂及锂离子电池负极的制备方法，属于锂离子电池领域。所述的粘结剂是由商业化的聚丙烯酰胺进行交联改性后应用于锂离子电池硅基负极；改性后的交联粘结剂具有三维交联网状结构，可以提升电极的结构稳定性，进而改善锂离子电池的性能。锂离子电池负极包括硅基负极材料、导电剂和粘结剂，电极中交联三维网状粘结剂的重量百分比为1～30％。本发明使用的原料为水溶性原料，具有无毒无害等特点，在生产过程中对生态环境及人体无危害；本发明的生产工艺简便，可显著降低生产成本，具有较好的市场潜力。

Description

一种锂离子电池负极粘结剂及锂离子电池负极的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池负极粘结剂及锂离子电池负极的制备方法。
背景技术
随着新能源领域的飞速发展，锂离子电池已经被广泛应用于便携电子产品、纯电动汽车、智能电网等领域。硅材料的理论容量为4200mAh/g，成为下一代负极材料的研究重点，但由于硅在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀会严重破坏电池的循环性能而极大的限制了应用。因此，控制硅材料在充放电过程中的体积膨胀是改善锂离子电池性能的关键。
粘结剂作为锂离子电池电极的关键组成部分，主要作用是将活性物质和导电剂粘附在集流体上，性能优良的粘结剂能够在一定程度上缓解电极材料的体积效应。目前行业中常用的粘结剂主要为聚偏氟乙烯(PVDF)，使用有机溶剂N甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，具有一定的毒性，对人体和环境有不利影响，且粘结剂为直链结构，对硅基材料的束缚力较差，因此不能有效的抑制硅材料在充放电过程中的体积膨胀，使电池在循环过程中容量迅速衰减。
近年来，国内外研究表明羧甲基纤维素钠(CMC)，聚丙烯酸(PAA)，海藻酸钠(SA)，聚乙烯醇(PVA)，壳聚糖及其衍生物等一系列水溶性高分子作为硅基负极粘结剂具有一定优势。这些水溶性高分子聚合物通常具有丰富的官能团，能够与活性材料形成强的相互作用，从而提高活性材料和粘结剂的粘附能力。但是通常这类水溶性高分子为长直链结构，当硅颗粒发生剧烈的体积变化时，不能有效的缓解其体积效应，最终造成材料的粉化、剥离等，使电极失去完整的导电网络，从而造成容量损失。因此粘结剂通过官能团分子之间共价键发生交联反应形成三维网络结构能够有效的缓解活性物质的体积效应，从而提高电极的电化学稳定性。
发明内容
本发明提供了一种锂离子电池硅基负极粘结剂的制备方法，本发明通过化学交联制备一种三维交联网络粘结剂。
本发明的另一目的在于提供一种用所述交联三维网状粘结剂制备的硅基负极电极。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子电池负极粘结剂，所述粘结剂是交联三维网状粘结剂，由原料聚丙烯酰胺和聚丙烯酸按照一定比例混合均匀后，在室温下通过交联剂的作用下进行化学交联，从而得到三维网状粘结剂。所述粘结剂的分子结构为：
进一步地，所述的聚丙烯酰胺为分子量400w及以上的阴离子型聚合物。
进一步地，所述的聚丙烯酸为分子量50～400w及以上的聚合物。
进一步地，所述聚丙烯酰胺和聚丙烯酸的组成比例为30～70％:70～30％。
进一步地，所述的交联引发剂为碳酰二亚胺盐酸盐、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺、N-羟基丁二酰亚胺、过氧化二异丙苯、二亚乙基三胺等中的一种或几种。
一种采用上述粘接剂制备锂离子电池硅基负极电极的方法，负极电极包括硅基负极材料、导电剂和粘结剂，所述粘结剂为上述的锂离子电池用交联三维网状粘结剂，所述硅基负极材料为纳米硅粉，所述电极中交联三维网状粘结剂的重量百分比为1～30％。制备步骤如下：
(1)将上述的硅基负极、导电剂和粘结剂混合，加入适量的蒸馏水，将浆料搅拌混合均匀并调整浆料合适的粘度；
(2)将混合均匀的浆料涂覆在铜箔集流体上，干燥、滚压处理后，在80℃真空条件下热处理8～10h。
由于上述方案的运用，本发明与现有技术相比，取得了有益的效果：本发明提供了一种三维交联网络粘结剂的制备方法，采用聚丙烯酰胺和聚丙烯酸两种水性高分子聚合物作为交联基体，通过交联剂的作用，使直链聚合物发生交联反应形成三维结构，从而粘结剂形成三维骨架，能够与硅颗粒形成强相互作用，有效控制硅材料的体积效应，进而大幅度提升硅基负极循环稳定性，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的交联三维网状粘结剂红外光谱图。
图2为实施例2制备的交联三维网状粘结剂分子结构图。
图3为本发明实施例3制备的电极剥离力-距离图。
图4为本发明实施例4制备的电极剥离测试后的极片光学照片。
图5为本发明实施例5制备的电池的充放电循环图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步的阐述，而非本发明的进一步限定；以下实施例中所用到的原料均为本领域常规化学品。
实施例1
一种交联型锂离子电池硅负极粘结剂制备方法，包括如下步骤：
(1)将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸按照3:7的质量分数比混合均匀，溶于100ml去离子水中，使用磁力搅拌，配制成均匀溶液。
(2)将0.2g EDC和0.3g NHS溶解于10ml去离子水中，溶解完全后加入(1)获得的混合溶液中，室温条件下磁力搅拌10h，得到粘稠均质溶液。
(3)将步骤(4)中得到的粘稠溶液使用去离子水进行透析2次。然后置于冰箱冷冻层中冷冻至凝固后，放入冷冻干燥机中真空冷冻干燥，即得到交联粘结剂。
(4)将步骤(3)得到的交联粘结剂取0.3g溶于2ml去离子水中得到均匀的粘结剂溶液，然后称取0.3g硅粉和0.1g导电剂super P与粘结剂溶液混合均匀，得到电极浆料。使用刮刀将浆料均匀涂布在铜箔上，真空烘箱中80℃烘12h。
(5)将步骤(4)中得到的干燥电极使用冲片机冲成移动大小的极片，将极片转移到充满氩气的手套箱中组装成扣式电池。
实施例2
(1)将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸按照4：6的质量分数比混合均匀，溶于100ml去离子水中，使用磁力搅拌，配制成均匀溶液。
(2)将0.2g EDC和0.3g NHS溶解于10ml去离子水中，溶解完全后加入(1)获得的混合溶液中，室温条件下磁力搅拌10h，得到粘稠均质溶液。
(3)将步骤(4)中得到的粘稠溶液使用去离子水进行透析2次。然后置于冰箱冷冻层中冷冻至凝固后，放入冷冻干燥机中真空冷冻干燥，即得到交联粘结剂。
(4)将步骤(3)得到的交联粘结剂取0.3g溶于2ml去离子水中得到均匀的粘结剂溶液，然后称取0.3g硅粉和0.1g导电剂super P与粘结剂溶液混合均匀，得到电极浆料。使用刮刀将浆料均匀涂布在铜箔上，真空烘箱中80℃烘12h。
(5)将步骤(4)中得到的干燥电极使用冲片机冲成移动大小的极片，将极片转移到充满氩气的手套箱中组装成扣式电池。
实施例3
(1)将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸按照5:5的质量分数比混合均匀，溶于100ml去离子水中，使用磁力搅拌，配制成均匀溶液。
(2)将0.2g EDC和0.3g NHS溶解于10ml去离子水中，溶解完全后加入(1)获得的混合溶液中，室温条件下磁力搅拌10h，得到粘稠均质溶液。
(3)将步骤(4)中得到的粘稠溶液使用去离子水进行透析2次。然后置于冰箱冷冻层中冷冻至凝固后，放入冷冻干燥机中真空冷冻干燥，即得到交联粘结剂。
(4)将步骤(3)得到的交联粘结剂取0.3g溶于2ml去离子水中得到均匀的粘结剂溶液，然后称取0.3g硅粉和0.1g导电剂super P与粘结剂溶液混合均匀，得到电极浆料。使用刮刀将浆料均匀涂布在铜箔上，真空烘箱中80℃烘12h。
(5)将步骤(4)中得到的干燥电极使用冲片机冲成移动大小的极片，将极片转移到充满氩气的手套箱中组装成扣式电池。
实施例4
(1)将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸按照6:4的质量分数比混合均匀，溶于100ml去离子水中，使用磁力搅拌，配制成均匀溶液。
(2)将0.2g EDC和0.3g NHS溶解于10ml去离子水中，溶解完全后加入(1)获得的混合溶液中，室温条件下磁力搅拌10h，得到粘稠均质溶液。
(3)将步骤(4)中得到的粘稠溶液使用去离子水进行透析2次。然后置于冰箱冷冻层中冷冻至凝固后，放入冷冻干燥机中真空冷冻干燥，即得到交联粘结剂。
(4)将步骤(3)得到的交联粘结剂取0.3g溶于2ml去离子水中得到均匀的粘结剂溶液，然后称取0.3g硅粉和0.1g导电剂super P与粘结剂溶液混合均匀，得到电极浆料。使用刮刀将浆料均匀涂布在铜箔上，真空烘箱中80℃烘12h。
(5)将步骤(4)中得到的干燥电极使用冲片机冲成移动大小的极片，将极片转移到充满氩气的手套箱中组装成扣式电池。
实施例5
(1)将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸按照7:3的质量分数比混合均匀，溶于100ml去离子水中，使用磁力搅拌，配制成均匀溶液。
(2)将0.2g EDC和0.3g NHS溶解于10ml去离子水中，溶解完全后加入(1)获得的混合溶液中，室温条件下磁力搅拌10h，得到粘稠均质溶液。
(3)将步骤(4)中得到的粘稠溶液使用去离子水进行透析2次。然后置于冰箱冷冻层中冷冻至凝固后，放入冷冻干燥机中真空冷冻干燥，即得到交联粘结剂。
(4)将步骤(3)得到的交联粘结剂取0.3g溶于2ml去离子水中得到均匀的粘结剂溶液，然后称取0.3g硅粉和0.1g导电剂super P与粘结剂溶液混合均匀，得到电极浆料。使用刮刀将浆料均匀涂布在铜箔上，真空烘箱中80℃烘12h。
(5)将步骤(4)中得到的干燥电极使用冲片机冲成移动大小的极片，将极片转移到充满氩气的手套箱中组装成扣式电池。

Claims (6)

1.一种锂离子电池负极粘结剂，其特征在于，所述的粘结剂是交联三维网状粘结剂，由聚丙烯酰胺和聚丙烯酸按一定比例在交联引发剂的作用下，室温下聚合而成；所述粘结剂的分子结构为：
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极粘结剂，其特征在于所述的聚丙烯酰胺分子量为400w及以上。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极粘结剂，其特征在于所述的聚丙烯酸分子量为50～400w。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极粘结剂，其特征在于所述交联引发剂为碳酰二亚胺盐酸盐、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺、N-羟基丁二酰亚胺、过氧化二异丙苯、二亚乙基三胺中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池负极粘结剂，其特征在于所述聚丙烯酰胺和聚丙烯酸的组成比例为30～70％:70～30％。
6.一种采用如权利要求1所述粘接剂制备锂离子电池硅基负极电极的方法，其特征在于负极电极包括硅基负极材料、导电剂和粘结剂，所述粘结剂为上述的锂离子电池用交联三维网状粘结剂，所述硅基负极材料为纳米硅粉；所述电极中交联三维网状粘结剂的重量百分比为1～30％；制备步骤如下：
(1)将所述的硅基负极材料、导电剂和粘结剂混合，加入适量的蒸馏水，将浆料搅拌混合均匀并调整浆料合适的粘度；
(2)将混合均匀的浆料涂覆在铜箔集流体上，干燥、滚压处理后，在80℃真空条件下热处理8～10h。
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