CN112002903B - 一种油性粘结剂及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种油性粘结剂及其用途，所述油性粘结剂包括油性聚丙烯酸、油性聚丙烯酸酯、油性苯乙烯丙烯酸酯、油性聚丙烯腈、油性聚丙烯酰胺、油性聚酰亚胺及油性聚酰胺酰亚胺中的至少一种，其分子量选自5W～200W；将上述油性粘结剂替代传统水系粘结剂用于负极浆料，有效解决了水系负极制浆分散不均、涂布颗粒多、水系粘结剂上浮及冷压粘辊的问题；且相较于传统水系粘结剂，由本发明所述油性粘结剂所得电芯具有直流内阻低、快充性能良好、快充温升小、副反应少，电芯循环寿命长的特点；且本发明所述油性粘结剂相较于油性聚偏氟乙烯作为粘结剂，所得电芯具有更高的能量密度。

Description

一种油性粘结剂及其用途
技术领域
本发明属于电池材料领域，涉及一种油性粘结剂及其用途。
背景技术
石墨及硅基材料作为电池负极常用的材料，被广泛应用于动力电池领域及消费类电池领域。
石墨或硅基负极常采用水系体系，其中，纯水作为常用溶剂用于负极制浆。水系负极常出现负极浆料分散均一性差，负极极片容易出现颗粒，负极粘结剂苯乙烯丁二烯搅拌时容易破乳，涂布时容易出现粘结剂上浮，导致极片粘结力变差，冷压极片粘辊等一系列问题。此外，水系负极电芯直流内阻偏大，快充性能较差，电芯大倍率充电时，电芯温升较高，加速电芯副反应发生，从而影响电芯使用寿命。
而常用的油性粘结剂聚偏氟乙烯，其存在硬度较大、弹性较差，且其与集流体铜箔的粘结力较低，相较水系负极粘结剂，常常需要大幅度增加聚偏氟乙烯使用量，才能解决负极制片过程掉粉问题，从而降低负极活性材料的使用量，降低负极活性材料容量的发挥以及降低电芯能量密度。
CN101227015A公开了一种高倍率及高安全性能的圆柱型锂离子电池，其特征在于正极片采用的活性材料为LiMn2O4或LiFePO4；正极片粘结剂采用水性聚氧化乙烯和油性聚偏氟乙烯两种；正极片集流体为铝箔，所述正极片采用一个正极耳且以集流体为准居中设置；负极片采用活性材料为石墨类碳材，粘结剂采用水性丁苯橡胶和油性聚偏氟乙烯两种；负极集流体为铜箔；CN102117931A公开了正极采用改性锰酸锂的高倍率圆柱形锂离子电池，包括正极片、负极片、隔膜、非水电解液和外壳，所述正极片采用的活性物质材料是改性LiMn2O4，粘结剂采用油性聚偏氟乙烯；负极片的活性材料是小粒径人造石墨，粘结剂采用水性丁苯橡胶。正极片集流体为铝箔，正极耳采用铝；负极集流体为铜箔，负极耳采用铜或镍，正极片和负极片分别设有两个极耳；上述文献中负极浆料的粘结剂均采用水系粘结剂或油性聚偏氟乙烯粘结剂，由其所得电芯的直流内阻高，循环性能差，快充温升高的问题；
因此，开发一种能使得负极浆料分散均一、涂布颗粒少、粘结剂不上浮、不粘辊，同时，由其所得电芯的直流内阻低、快充性能、循环性能优异且能量密度大的负极粘结剂仍具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种油性粘结剂及其用途，所述油性粘结剂包括油性聚丙烯酸、油性聚丙烯酸酯、油性苯乙烯丙烯酸酯、油性聚丙烯腈、油性聚丙烯酰胺、油性聚酰亚胺及油性聚酰胺酰亚胺中的至少一种，其分子量选自5W～200W；将上述油性粘结剂替代传统水系粘结剂用于负极浆料，有效解决了水系负极制浆分散不均、涂布颗粒多、水系粘结剂上浮及冷压粘辊的问题；且相较于传统水系粘结剂，由本发明所述油性粘结剂所得电芯具有直流内阻低、快充性能良好、快充温升小、副反应少，电芯循环寿命长的特点；且本发明所述油性粘结剂相较于油性聚偏氟乙烯作为粘结剂，所得电芯具有更高的能量密度。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种负极浆料用油性粘结剂，所述油性粘结剂包括油性聚丙烯酸、油性聚丙烯酸酯、油性苯乙烯丙烯酸酯、油性聚丙烯腈、油性聚丙烯酰胺、油性聚酰亚胺及油性聚酰胺酰亚胺中的至少一种；所述油性粘结剂的分子量选自5W～200W，例如10W、30W、50W、100W、120W、150W或180W等。
传统石墨或硅基负极常采用水系体系，其采用水系粘结剂，并采用纯水作为溶剂用于负极浆料制备；水系负极制备过程中常出现负极浆料分散均一性差，负极极片容易出现颗粒，负极粘结剂(水系粘结剂，例如苯乙烯丁二烯)在搅拌时容易破乳，涂布时易出现粘结剂上浮，导致极片粘结力变差，冷压极片时会出现粘辊等一系列问题；且水系负极所得电芯存在直流内阻偏大，快充性能差、电芯大倍率充电时，电芯温升较高，加速电芯副反应发生，从而影响电芯的使用寿命的问题；为了解决上述技术问题，本发明中采用上述组成和分子量的油性粘结剂，在负极制浆过程中采用油性有机溶剂，所得浆料分散均匀，且粘结剂用量少，粘结效果明显改善；其很好地解决了水系负极制浆分散不均、涂布颗粒多、粘结剂上浮及冷压粘辊的问题；且由其所得电芯直流内阻低、快充性能好，快充时温升小，副反应少，循环寿命明显延长。
传统常用的油性粘结剂为聚偏氟乙烯，其存在硬度较大、弹性较差，且其结构不具备与集流体铜箔形成有效的氢键作用的官能团，进而无法形成化学键的结合，导致其粘结力偏低，相比水性负极粘结剂，常常需要大幅增加粘结剂用量，进而降低了负极活性物质容量的发挥，降低了电芯的能量密度；而本发明中上述油性粘结剂包含羧基、羟基、氨基或氢氟键等官能团(例如，油性聚丙烯酸中包含羧基官能团)，其能与集流体铜箔形成有效的氢键作用，进而具有高的粘结力；相较于聚偏氟乙烯，其用量明显较少，进而有利于改善电芯的能量密度。
本发明中油性聚丙烯酸、油性聚丙烯酸酯、油性苯乙烯丙烯酸酯、油性聚丙烯腈、油性聚丙烯酰胺、油性聚酰亚胺及油性聚酰胺酰亚胺指的是聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、苯乙烯丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚酰亚胺及聚酰胺酰亚胺具有上述特定的分子量，且包含疏水官能团，使得其均呈油性。
优选地，所述油性粘结剂的分子量选自50W～120W，例如60W、70W、80W、90W、100W或110W等。
优选地，所述油性粘结剂包含疏水官能团。
优选地，所述疏水官能团包含C10～C20，例如C11、C13、C15、C17或C19等，的烃基。
优选地，所述疏水官能团包含烃基，所述烃基中包含芳基、酯基、醚基、胺基及酰胺基中的至少一种。
优选地，所述疏水官能团包含烃基，所述烃基中包含双键。
优选地，所述疏水官能团包含聚氧丙烯基、长链全氟烷基及聚硅氧烷基中的至少一种。
此处聚氧丙烯基、长链全氟烷基及聚硅氧烷基均属于亲油基团。
优选地，所述疏水官能团包括长链烷基胺、甲基苯乙烯异氰酸酯、氟碳及碳氢基团中的至少一种。
本发明中油性粘结剂包含上述疏水官能团，使得所述粘结剂均呈油性，从而有利于改善粘结剂在使用过程的分散性，解决了水系粘结剂在使用过程中存在的负极制浆分散不均、涂布颗粒多、粘结剂上浮及冷压粘辊的问题，进而降低由其所得电芯的直流内阻，改善快充性能及循环性能。
第二方面，本发明提供了一种负极浆料，所述负极浆料中包含如第一方面所述的油性粘结剂。
本发明中负极浆料采用第一方面所述油性粘结剂，其能改善水系粘结剂使用过程中存在的制浆分散不均、涂布颗粒多、粘结剂上浮及冷压粘辊的问题；降低由其所得电芯的内阻，改善电芯的快充性能及循环寿命。
优选地，所述负极浆料包含溶剂、分散在所述溶剂中的负极活性材料、油性粘结剂及导电剂，所述油性粘结剂包含如第一方面所述的油性粘结剂。
优选地，所述负极活性材料包括硬碳、软碳、人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、硅碳材料及硅氧材料中的至少一种。
本发明所述油性粘结剂尤其适用于上述负极活性材料，其能明显改善上述负极活性材料在制浆过程的分散性，减少浆料涂布过程颗粒多的问题，进而降低由其所得电芯的直流内阻，改善电芯的快充性能和循环寿命。
优选地，所述导电剂包括乙炔黑、科琴黑、多孔碳、石墨烯、单壁或多壁导电碳纳米管中的至少一种。
优选地，所述溶剂选自油性有机溶剂，优选为N-甲基吡咯烷酮。
优选地，以负极活性材料、油性粘结剂和导电剂的质量之和为100％计，所述油性粘结剂的质量百分含量为2.0％～4.0％，例如2.5％、3％或3.5％等。
本发明所述负极浆料中油性粘结剂的添加量在上述范围内，即可满足粘结力的要求，且制浆过程中浆料分散均匀，涂布颗粒明显减少，粘结剂上浮及冷压粘辊的问题明显改善，相较于采用聚偏氟乙烯作为粘结剂，其用量明显减少，使得电芯能量密度明显提高。
第三方面，本发明提供了一种负极片，所述负极片包括集流体及位于所述集流体表面的负极活性材料层；所述负极活性材料层通过如下方法制备得到，所述方法包括：
将如第二方面所述的负极浆料涂布于集流体上，干燥。
第四方面，本发明提供了一种电化学储能装置，所述电化学储能装置包含如第三方面所述的负极片。
本发明中电化学储能装置采用第三方面所述负极片，相较于传统水系负极(即制浆过程采用水系粘结剂)，其电芯直流内阻明显降低，且快充性能明显改善，电芯内部副反应减少，电芯循环性能明显改善。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述负极浆料用油性粘结剂采用上述特定的组成和分子量，相较于传统水系粘结剂，其能明显改善负极制浆过程分散不均、涂布颗粒多、粘结剂上浮及冷压粘辊的问题，且其所得电芯的直流内阻低，快充性能良好，副反应少，电芯循环寿命长；
(2)本发明所述负极浆料用油性粘结剂相较于传统采用的油性聚偏氟乙烯，其在使用过程中能与集流体铜箔间形成氢键，粘结力明显大于聚偏氟乙烯，从而使得其用量明显减少，进而使得所得电芯的能量密度得到提高。
附图说明
图1是本发明所述电化学储能装置制备工艺的流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
本发明中电化学储能装置制备工艺的流程图如图1所示，由图1可以看出，所述制备工艺的流程包括：
负极浆料制备：将导电剂、油性粘结剂和负极活性材料分散混合在溶剂中，得到负极浆料；及
将所述负极浆料涂覆在集流体(铜箔)上，干燥，得到负极片；及
将负极片装配得到电化学储能装置。
实施例1
本实施例中油性粘结剂为油性聚丙烯酸，其分子量为50W；其疏水官能团包括长链烷基胺、甲基苯乙烯异氰酸酯、氟碳及碳氢基团；
负极浆料制备：
负极活性材料为天然石墨，导电剂为石墨烯；溶剂为N-甲基吡咯烷酮；
其中，负极活性材料、油性粘结剂、导电剂和溶剂的质量之比为47.5:1:0.5:51；
负极浆料制备过程将负极活性材料、油性粘结剂、导电剂加入溶剂中分散均匀，得到负极浆料。
负极片制作：
以铜箔为集流体，将上述负极浆料涂布在集流体的两侧表面，干燥，得到负极片。
电化学储能装置制作：
正极活性物质为NCM523，PVDF作为粘结剂，加入导电炭黑后搅拌制浆涂覆在铝箔上，最后经过烘干碾压制得正极片，其中，活性物质:导电剂:粘结剂(PVDF)＝97％:1.5％:1.5％；PP作为隔膜，LiPF6/EC+DEC+DMC(EC、DEC和DMC的体积比为1:1:1)作为电解液，组装成测试电池，用蓝电测试仪进行电化学测试。
本实施例中油性聚丙烯酸包含羧基和羟基基团，其能与铜箔表面形成有效的氢键作用，进而具有优异的粘结力，有利于减少粘结剂的用量，改善电芯的能量密度。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，将油性粘结剂替换为油性聚丙烯酸酯，其疏水基团包括氟碳基团；其他参数和条件与实施例1中完全相同。
本实施例中油性聚丙烯酸酯包含氢氟键基团，其能与铜箔表面形成有效的氢键作用，进而具有优异的粘结力，有利于减少粘结剂的用量，改善电芯的能量密度。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，将油性粘结剂替换为油性聚丙烯腈，其疏水基团包括碳氢基团；其他参数和条件与实施例1中完全相同。
本实施例中油性聚丙烯腈包含氨基基团，其能与铜箔表面形成有效的氢键作用，进而具有优异的粘结力，有利于减少粘结剂的用量，改善电芯的能量密度。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，将油性粘结剂替换为油性聚酰亚胺，其疏水基团包括长链烷基胺；其他参数和条件与实施例1中完全相同。
本实施例中油性聚酰亚胺包含氨基基团，其能与铜箔表面形成有效的氢键作用，进而具有优异的粘结力，有利于减少粘结剂的用量，改善电芯的能量密度。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，油性粘结剂的分子量为10W，其他参数和条件与实施例1中完全相同。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，油性粘结剂的分子量为150W，其他参数和条件与实施例1中完全相同。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于，油性粘结剂的分子量为70W，其他参数和条件与实施例1中完全相同。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，粘结剂采用水系粘结剂(苯乙烯丁二烯)，溶剂采用去离子水，其他参数和条件与实施例1中完全相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，粘结剂采用油性聚偏氟乙烯，其中，负极活性材料、油性粘结剂、导电剂和溶剂的质量之比为45:2.4:1:51.6；其他参数和条件与实施例1中完全相同。
由于聚偏氟乙烯的结构不能与铜箔表面形成有效的氢键作用，其采用如实施例1中所述粘结剂添加量时，粘结力不足，负极制备过程中易出现掉粉现象，对电芯性能造成不利影响，且易造成安全性问题；为了缓解掉粉问题，需增加粘结剂的用量，进而使得负极活性材料的用量减少，影响极片的能量密度。
性能测试：
对实施例和对比例得到的电池进行首效、循环性能及快充测试；测试方法如下所示：
首效测试条件为将得到的电池，在25±2℃环境下进行充放电测试，充放电电压为2.8V-4.2V，充放电电流密度为1C，测试首次充电容量及首次放电容量，首次放电容量除以首次充电容量即为首次库伦效率；
循环性能测试条件为在25±2℃条件下，充放电电压为2.8V-4.2V，用1.0C电流对电芯进行充放电一次，截止电流0.05C，测试电芯初始放电容量为A1，按上述流程循环100周测试，第100周放电容量为A2，A2/A1代表100周循环保持率，容量保持率越高，代表电芯循环性能越好，通过以上方法测试正极材料的循环性能；
快充测试条件为25±2℃环境下进行充放电测试，充放电电压为2.8V-4.2V，充电电流密度分别为0.33C及3C，计算3C倍率下充电容量除以0.33C倍率下充电容量，获取百分比数值，数值越大，代表快充性能越好，从而测试电池的快充性能。
上述性能测试结果如表1所示；
表1
Figure BDA0002647175570000101
由上表1可以看出，负极浆料采用本发明所述油性粘结剂，其能明显改善传统水系粘结剂使用过程存在的制浆分散不均，涂布颗粒多、粘结剂上浮及冷压粘辊的问题；且由其所得电芯的直流内阻小，首效明显改善，且循环性能优异，快充温升小，使用寿命及安全性明显改善，且其相较于聚偏氟乙烯作为粘结剂，其能与集流体形成有效氢键作用，减少了粘结剂添加量，进而改善电芯的能量密度。
对比实施例1、5-7可以看出，油性粘结剂的分子量为5W-200W之间，其使用过程中，在负极制浆的过程中均能保持良好的分散性，降低涂布颗粒含量，且不易出现粘结剂上浮现象，所得电芯的直流内阻减小，电芯首效明显改善，且循环性能及快充性能均有所提高，且分子量优选为50W～120W。
本发明所述油性粘结剂用于负极浆料，解决了水系负极制浆分散不均、涂布颗粒多、粘结剂上浮及冷压粘辊的问题，且相较于水系粘结剂，由本发明所述油性粘结剂得到的电芯直流内阻低、快充性能良好、快充时，电芯升温小，副反应少，电芯循环寿命长，大幅度延长了电芯的使用寿命；且其相较于油性聚偏氟乙烯，其与集流体铜箔的粘结力更大，解决了油性聚偏氟乙烯用量偏大，电芯能量密度偏低的问题。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (12)

1.一种负极浆料用油性粘结剂，其特征在于，所述油性粘结剂包括油性聚丙烯酸、油性聚丙烯酸酯、油性苯乙烯丙烯酸酯、油性聚丙烯腈、油性聚丙烯酰胺、油性聚酰亚胺及油性聚酰胺酰亚胺中的至少一种；所述油性粘结剂的分子量选自50W～120W；
所述油性粘结剂包含疏水官能团；
所述疏水官能团包含烃基，所述烃基中包含芳基、醚基、胺基中的至少一种；
所述疏水官能团包含聚氧丙烯基、长链全氟烷基及聚硅氧烷基中的至少一种。
2.如权利要求1所述的负极浆料用油性粘结剂，其特征在于，所述疏水官能团包含C10～C20的烃基。
3.如权利要求1所述的负极浆料用油性粘结剂，其特征在于，所述疏水官能团包含烃基，所述烃基中包含双键。
4.一种负极浆料，其特征在于，所述负极浆料中包含如权利要求1-3任一项所述的油性粘结剂。
5.如权利要求4所述的负极浆料，其特征在于，所述负极浆料包含溶剂、分散在所述溶剂中的负极活性材料、油性粘结剂及导电剂。
6.如权利要求5所述的负极浆料，其特征在于，所述负极活性材料包括硬碳、软碳、人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、硅碳材料及硅氧材料中的至少一种。
7.如权利要求5所述的负极浆料，其特征在于，所述导电剂包括乙炔黑、科琴黑、多孔碳、石墨烯、单壁或多壁导电碳纳米管中的至少一种。
8.如权利要求5所述的负极浆料，其特征在于，所述溶剂选自油性有机溶剂。
9.如权利要求8所述的负极浆料，其特征在于，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
10.如权利要求5所述的负极浆料，其特征在于，以负极活性材料、油性粘结剂和导电剂的质量之和为100％计，所述油性粘结剂的质量百分含量为2.0％～4.0％。
11.一种负极片，其特征在于，所述负极片包括集流体及位于所述集流体表面的负极活性材料层；所述负极活性材料层通过如下方法制备得到，所述方法包括：
将如权利要求4-10任一项所述的负极浆料涂布于集流体上，干燥。
12.一种电化学储能装置，其特征在于，所述电化学储能装置包含如权利要求11所述的负极片。
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