CN111106349B - 一种含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的应用及一种硅基负极片、锂离子电池 - Google Patents

一种含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的应用及一种硅基负极片、锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的应用及一种硅基负极片、锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。本发明的应用为含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物作为锂离子电池用粘结剂的应用，该粘结剂结构中含离域Π键，有助于提高粘结剂的电子电导率，此外，粘结剂的结晶度较低，柔韧性较好，粘结剂中含有大量的氧原子，氧原子与硅表面的羟基形成了氢键，增强了两者间的结合力，提升了粘结剂吸电解液的能力，进而增强了硅基负极片传导锂离子的能力。硅基负极片的制备过程中，粘结剂在电极表面原位形成了三维交联网络结构，包覆整个电极，有效地维持了整个电极结构的完整性。

Description

一种含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的应用及一种硅基负 极片、锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的应用及一种硅基负极片、锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
硅的理论比容量远大于石墨的理论比容量，可达到4200mAh/g，同时，硅在自然界中的储量非常大，所以，众多研究者认为硅材料最有希望取代石墨，可以成为下一代锂离子电池负极材料。但是，在锂离子电池的持续充放电过程中，硅材料(硅基负极材料)非常容易发生体积膨胀和收缩的问题，进而导致硅材料与导电剂、粘结剂之间产生空隙，影响电子和锂离子转移，使得锂电池内部发生极化，容量越来越小。研究表明粘结剂对硅碳负极性能的发挥起着非常大的作用。若粘结剂粘结强度不足，则会对电极极片以及电池性能有很大的影响。粘结剂主要有三个作用：第一，粘结剂将电极极片的各个组分如集流体、活性物质、导电剂等粘结在一起形成稳定的极片结构，同时使得导电剂和活性物质更好的接触，形成良好的导电网络；第二，粘结剂可以降低电极材料在电池充放电过程对体积变化的影响；第三，粘结剂溶解于溶剂中可以形成胶状溶液，使活性物质和导电剂可以很好的悬浮于胶状溶液中形成分散性良好且不易沉降的浆料。所以，通过对粘结剂的结构和性能进行优化，可以提高硅碳负极在锂电池中的应用性能。
目前，硅碳负极材料普遍选用的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。但是，PVDF 是一种具有高结晶度的高分子材料，其柔韧性不好，和硅碳负极材料的相容性比较差，吸液能力较差，电阻也较大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的应用，该含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物作为锂离子电池用粘结剂时具有较高的吸液能力和离子传导性能。
此外，本发明还提供一种硅基负极片。该硅基负极片导电性能更强，离子传导性更好，电极结构更加稳定。
最后，本发明提供一种锂离子电池。该锂离子电池含上述硅基负极片，具有更强的循环性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的应用，所述应用为含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物作为锂离子电池用粘结剂的应用，所述含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的结构式如下所示：
Figure BDA0001843895710000021
其中，n为7～20的自然数。
本发明的含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物作为锂离子电池用粘结剂，其结构中含有离域Π键，有助于提高粘结剂的电子电导率。同时，该粘结剂的结晶度较低，柔韧性较好，能够允许硅基材料在极片内部膨胀收缩，进而提高固液界面的SEI膜的稳定性。
本发明的含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物中含有大量的氧原子，氧原子与硅表面的羟基形成了氢键，增强了两者间的结合力，提升了粘结剂吸电解液的能力。
本发明的含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物在加热的情况下，能够发生原位聚合反应，从而形成一种具有三维网络结构的聚合物。该聚合物有助于维持整个硅基负极片结构的稳定性、缓解硅碳复合材料体积形变的问题。
一种硅基负极片，包括负极集流体以及设置在负极集流体表面的负极材料层，所述负极材料层包括硅基负极材料、粘结剂，所述粘结剂为含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物，含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的结构式如下所示：
Figure BDA0001843895710000031
其中，n为7～20的自然数。
上述硅基负极片具有较高的电子电导率和离子传导性，电极材料结构更加稳定。
该硅基负极片以含有聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物作为粘结剂，该粘结剂中含有离域Π键，有助于提高硅基负极片的电子电导率，该粘接剂还含有大量的氧原子，氧原子与硅表面的羟基形成了氢键，增强了两者间的结合力，提升了粘结剂的吸电解液能力。这种结构的形成能够允许硅基材料在其中膨胀收缩而不发生粉化现象。
在该硅基负极片的制备过程中，粘结剂原位聚合形成了三维交联网络结构，包覆整个电极，从而有效地维持整个电极结构的完整性。
所述硅基负极材料、粘结剂的质量比为60～80:5～20。该质量比的硅基负极片在保证粘结剂粘结性能的同时，可以提高硅基负极材料的导电性。
所述负极材料层还包括导电剂，所述硅基负极材料、粘结剂、导电剂的质量比为60～80:5～20:5～20。该质量比的硅基负极片综合性能高，既能使粘结剂达到很好的粘结性，又能保证硅基负极片有较好的导电性。
所述硅基负极材料为硅碳复合材料。所述硅碳复合材料中硅的质量分数为 3％～8％。硅作为活性物质，可以提供储锂容量，碳既能缓冲充放电过程中硅质材料的体积变化，又能改善硅质材料的导电性，避免硅在充放电循环中体积膨胀过大导致硅碳复合材料的结构破坏。硅的质量分数为3％～8％时，硅基负极材料的储锂容量和导电性能均能达到较高水平。
一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔膜和电解液，所述负极极片为上述硅基负极片。该锂离子电池采用上述硅基负极片作为负极时，具有更强的传导锂离子的能力。采用本发明的硅基负极片组装的锂离子电池，具有较高的比容量，并且电池循环性能好。
附图说明
图1为本发明试验例中1-1#锂离子电池的循环性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
下面实施例中硅基负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅基负极材料、粘结剂、导电剂按照60～80:5～20:5～20的比例制成浆料；
(2)将浆料涂布在铜箔集流体上，在常压下，80～100℃干燥8～10h，然后在-0.1MPa的压力下，100～120℃真空干燥8～10h。
(3)干燥后裁片，即得硅基负极片。
硅基负极片的实施例1
本实施例的硅基负极片，包括负极集流体铜箔以及设置在铜箔两个表面的负极材料层，负极材料层包括硅基负极材料、粘结剂和导电剂，粘结剂为含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物，含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的结构式如下所示：
Figure BDA0001843895710000041
其中，n＝10。
上述硅基负极材料、粘结剂、导电剂的质量比为3：1：1。所述硅基负极材料为硅碳复合材料，硅在硅碳复合材料中的质量分数为5％，导电剂为Super P。
本实施例的硅基负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述硅基负极材料、粘结剂、导电剂按照质量比3：1：1的比例制成浆料；
(2)将浆料涂布在负极集流体铜箔上，在常压下90℃干燥9h，然后在 -0.1MPa的压力下，110℃真空干燥9h；
(3)干燥后裁片，即得硅基负极片。
硅基负极片的实施例2
本实施例的硅基负极片，包括负极集流体铜箔以及设置在铜箔两个表面的负极材料层，负极材料层包括硅基负极材料、粘结剂和导电剂，粘结剂为含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物，含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的结构式如下所示：
Figure BDA0001843895710000051
其中，n＝15。
上述硅基负极材料、粘结剂、导电剂的质量比为14：3：3。所述硅基负极材料为硅碳复合材料，硅在硅碳复合材料中的质量分数为3％，导电剂为Super P。
本实施例的硅基负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述硅基负极材料、粘结剂、导电剂按照质量比14：3：3的比例制成浆料；
(2)将浆料涂布在铜箔负极集流体上，在常压下80℃干燥10h，然后在 -0.1MPa的压力下，100℃真空干燥10h；
(3)干燥后裁片，即得硅基负极片。
硅基负极片的实施例3
本实施例的硅基负极片，包括负极集流体铜箔以及设置在铜箔两个表面的负极材料层，负极材料层包括硅基负极材料、粘结剂和导电剂，粘结剂为含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物，含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的结构式如下所示：
Figure BDA0001843895710000052
其中，n＝20。
上述硅基负极材料、粘结剂、导电剂的质量比为8：1：1。所述硅基负极材料为硅碳复合材料，硅在硅碳复合材料中的质量分数为8％，导电剂为Super P。
本实施例的硅基负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述硅基负极材料、粘结剂、导电剂按照质量比8：1：1的比例制成浆料；
(2)将浆料涂布在铜箔负极集流体上，在常压下100℃干燥8h，然后在 -0.1MPa的压力下，120℃真空干燥8h；
(3)干燥后裁片，即得硅基负极片。
硅基负极片的对比例
本对比例的硅基负极片，包括负极集流体铜箔以及设置在铜箔两个表面的负极材料层，负极材料层包括硅基负极材料、粘结剂和导电剂，粘结剂为PVDF。硅基负极材料、粘结剂、导电剂的质量比为8：1：1。所述硅基负极材料为硅碳复合材料，硅在硅碳复合材料中的质量分数为5％，导电剂为Super P。
本对比例的硅基负极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将上述硅基负极材料、粘结剂、导电剂按照质量比8：1：1的比例制成浆料；
(2)将浆料涂布在铜箔负极集流体上，在常压下100℃干燥8h，然后在 -0.1MPa的压力下，120℃真空干燥8h；
(3)干燥后裁片，即得硅基负极片。
锂离子电池的实施例1
本实施例的锂离子电池为R2032型扣式电池。将硅基负极片的实施例1所述的硅基负极片转移至充满氩气的手套箱中，以锂片为对电极，以Celgard 2325 为隔膜，其中电解液的组分为1mol/L的LiPF6-(EC+DEC)(EC和DEC的质量比为1：1)，电解液中加入质量分数为0.5％的乙烯基磺酰氟和2％的氟代碳酸乙烯酯，即得本实施例的锂离子电池，本实施例的锂离子电池记为1-1#。
锂离子电池的实施例2
本实施例的锂离子电池与锂离子电池的实施例1中锂离子电池的区别在于，将锂离子电池的实施例1中的硅基负极片替换为硅基负极片的实施例2所述的硅基负极片；本实施例的锂离子电池记为2-1#。
锂离子电池的实施例3
本实施例的锂离子电池与锂离子电池的实施例1中锂离子电池的区别在于，将锂离子电池的实施例1中的硅基负极片替换为硅基负极片的实施例3所述的硅基负极片；本实施例的锂离子电池记为3-1#。
锂离子电池的对比例
本对比例的锂离子电池与锂离子电池的实施例1中锂离子电池的区别在于，将锂离子电池的实施例1中的硅基负极片替换为硅基负极片的对比例所述的硅基负极片；本对比例的锂离子电池记为4-1#。
试验例
将锂离子电池的实施例1、2、3和锂离子电池的对比例封装好的1-1#、2-1#、 3-1#和4-1#锂离子电池，在25℃条件下，测定0.3C和1C倍率下循环100周，锂离子电池的循环性能，测试结果如表1所示。25℃、0.3C倍率条件下，1-1# 锂离子电池的循环性能曲线图如图1所示。
结果证明，采用本发明的硅基负极片和锂离子电池循环性能更好，容量保持率更高。
表1循环性能测试结果
Figure BDA0001843895710000071

Claims (6)

1.一种硅基负极片，包括负极集流体以及设置在负极集流体表面的负极材料层，所述负极材料层包括硅基负极材料、粘结剂，其特征在于：所述粘结剂为含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物，含聚乙二醇基团的降冰片烯衍生物的结构式如下所示：
Figure FDA0002970196120000011
其中，n为7～20的自然数。
2.根据权利要求1所述的硅基负极片，其特征在于：所述硅基负极材料、粘结剂的质量比为60～80:5～20。
3.根据权利要求1所述的硅基负极片，其特征在于：所述负极材料层还包括导电剂，所述硅基负极材料、粘结剂、导电剂的质量比为60～80:5～20:5～20。
4.根据权利要求1～3任一项所述的硅基负极片，其特征在于：所述硅基负极材料为硅碳复合材料。
5.根据权利要求4所述的硅基负极片，其特征在于：所述硅碳复合材料中硅的质量分数为3％～8％。
6.一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔膜和电解液，其特征在于：所述负极极片为如权利要求1所述的硅基负极片。
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