CN115340624A - 聚合物、导电浆料、正极极片、二次电池和用电装置 - Google Patents

聚合物、导电浆料、正极极片、二次电池和用电装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种聚合物、导电浆料、正极极片、二次电池和用电装置。所述聚合物包括式(1)所示的结构单元和式(2)所示的结构单元,式(2)中,R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1‑C10烷基。本申请实施例的聚合物具有良好的分散性,在聚合物应用于二次电池时,尤其是应用于导电浆料的制备时,可以作为分散剂使用,使得浆料中的颗粒不易发生团聚,并能够均匀分散,从而保证二次电池的电化学性能。
Figure 886718DEST_PATH_IMAGE001
式(1);
Figure 995619DEST_PATH_IMAGE002
式(2)。

Description

聚合物、导电浆料、正极极片、二次电池和用电装置
技术领域
本申请涉及电池领域,具体涉及一种聚合物、导电浆料、正极极片、二次电池和用电装置。
背景技术
二次电池具有容量高、寿命长等特性,因此广泛应用于电子设备,例如手机、笔记本电脑、电瓶车、电动汽车、电动飞机、电动轮船、电动玩具汽车、电动玩具轮船、电动玩具飞机和电动工具等等。
随着电池应用范围越来越广泛,对二次电池性能的要求也逐渐严苛。为了提高二次电池的性能,通常对二次电池内的极片进行优化改善。然而,目前极片中的膜层的性能不均一,其应用于二次电池时,二次电池的电化学性能较差。
发明内容
本申请是鉴于上述课题而进行的,其目的在于,提供一种聚合物、导电浆料、正极极片、二次电池和用电装置。
本申请的第一方面提供了一种聚合物,所述聚合物包括式(1)所示的结构单元和式(2)所示的结构单元,
Figure 615616DEST_PATH_IMAGE001
式(1);
Figure 590526DEST_PATH_IMAGE002
式(2);
式(2)中,R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C10烷基;可选地,R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C5烷基。
本申请实施例的聚合物具有良好的分散性,并同时仍具有一定的粘结性,在聚合物应用于二次电池时,尤其是应用于导电浆料的制备时,可以作为分散剂使用,并同时能够作为粘结剂的辅助用料,降低粘附性能较高的粘结剂的使用量,使得浆料中的颗粒不易发生团聚,并能够均匀分散,且能够改善颗粒之间的粘结力,以及颗粒和集流体之间的粘结力,保证极片的结构稳定性,从而保证二次电池的电化学性能。
在一些实施方式中,式(2)所示的结构单元包括式(2-1)至式(2-10)所示的结构单元中的一种或多种:
Figure 744426DEST_PATH_IMAGE003
式(2-1)、
Figure 971139DEST_PATH_IMAGE004
式(2-2)、
Figure 58044DEST_PATH_IMAGE005
式(2-3)、
Figure 344800DEST_PATH_IMAGE006
式(2-4)、
Figure 248647DEST_PATH_IMAGE007
式(2-5)、
Figure 341367DEST_PATH_IMAGE008
式(2-6)、
Figure 158145DEST_PATH_IMAGE009
式(2-7)、
Figure 146961DEST_PATH_IMAGE010
式(2-8)、
Figure 541033DEST_PATH_IMAGE011
式(2-9)、
Figure 106619DEST_PATH_IMAGE012
式(2-10)。
在一些实施方式中,聚合物的重均分子量为1.5×105 Da至2.0×105 Da。
在一些实施方式中,式(1)所示的结构单元的数量为n,100≤n≤150;和/或式(2)所示的结构单元的数量为m,100≤m≤150。聚合物的重均分子量在上述范围时,能够保证聚合物一定的溶解度,从而保证聚合物的粘度;且粘度反弹小,能够与活性材料等较好的粘附。
在一些实施方式中,聚合物满足条件(1)至条件(3)中的至少一条:(1)聚合物的粘度为C mPa*s,500≤C≤3000; (2)聚合物的玻璃化转变温度Tg ℃,150≤Tg≤180; (3)聚合物于差示扫描量热仪DSC测试下的结晶度为40%至50%。
由此,本申请的聚合物的粘度在上述范围时,其粘度适中;在将聚合物应用于二次电池时,能够均匀分散活性材料颗粒等,不易引起颗粒之间的团聚,使得极片的性能更均一,有利于充分发挥二次电池的电化学性能。聚合物的玻璃化转变温度在上述范围时,能够改善极片的韧性,增强极片的力学性能,并且能够使得聚合物的粘度适中。聚合物的结晶度在上述范围时,其基本不会对电解液中的分子的流通造成影响,能够保证二次电池的充放电性能。
在一些实施方式中,聚合物为颗粒状;聚合物的体积平均粒径为Dv50 μm,1≤Dv50≤5。聚合物的体积平均粒径在上述范围时,其能够在一定程度上溶解于浆料体系中,起到粘结剂和分散剂的作用。
本申请的第二方面还提供了一种制备聚合物的方法,所述方法包括:提供第一单体和包含式(2)所示的结构单元的第二单体;将第一单体和第二单体在自由基引发剂的存在下,聚合形成聚合物,其中,第一单体包括偏氟乙烯;式(2)所示的结构单元如下:
Figure 902537DEST_PATH_IMAGE013
式(2);
式(2)中,R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C10烷基;可选地,R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C5烷基。
在一些实施方式中,将第一单体和第二单体在自由基引发剂的存在下,聚合形成聚合物的步骤,包括:将第一单体在自由基引发剂的存在下均聚形成第一嵌段聚合物;将第一单体和第二单体以及第一嵌段聚合物在自由基引发剂的存在下共聚形成第二嵌段聚合物;将第一单体和第二嵌段聚合物在自由基引发剂的存在下共聚形成聚合物。
在一些实施方式中,基于第一单体和第二单体的总摩尔量计,第二单体的摩尔百分含量与第一单体的摩尔百分含量的比值为A,0.10≤A≤0.30。
本申请第三方面还提供了一种制备导电浆料的方法,所述方法包括:将聚合物加入溶剂中混合为预制胶液;将导电剂分散于预制胶液中形成导电浆料,其中,所述聚合物包括根据本申请第一方面任一实施方式的聚合物或根据本申请第二方面任一实施方式的方法得到的聚合物。
在一些实施方式中,基于导电浆料的总质量计,聚合物的质量含量记为p%;基于导电浆料的总质量计,导电剂的质量含量记为q%,2≤q/p≤20,进一步可选地,3≤q/p≤15。
本申请第四方面还提供了一种导电浆料,所述导电浆料包括导电剂和聚合物,所述聚合物包括根据本申请第一方面任一实施方式的聚合物、根据本申请第二方面任一实施方式的方法得到的聚合物。
在一些实施方式中,基于导电浆料的总质量计,聚合物的质量含量记为p%;基于导电浆料的总质量计,导电剂的质量含量记为q%,2≤q/p≤20,进一步可选地,3≤q/p≤15。
本申请第五方面还提供了一种制备正极极片的方法,所述方法包括:提供正极集流体;将正极活性材料、聚合物、导电剂和粘结剂加入溶剂中混合为正极浆料,将正极浆料涂覆于正极集流体上,经固化形成正极极片;其中,聚合物包括根据本申请第一方面任一实施方式的聚合物或根据本申请第二方面任一实施方式的方法得到的聚合物。
在一些实施方式中,将正极活性材料、聚合物、导电剂和粘结剂加入溶剂中混合为正极浆料的步骤,包括:将聚合物加入溶剂中混合为预制胶液;将导电剂分散于预制胶液中形成导电浆料;将导电浆料和活性材料混合为正极浆料。
在一些实施方式中,基于导电浆料的总质量计,聚合物的质量含量记为p%;基于导电浆料的总质量计,导电剂的质量含量记为q%,2≤q/p≤20,进一步可选地,3≤q/p≤15。
本申请第六方面还提供了一种正极极片,由本申请第五方面任一实施方式所述的方法制备得到。
本申请第七方面还提供了一种二次电池,包括本申请第六方面任一实施方式所述的正极极片。
本申请第八方面还提供了一种用电装置,包括如本申请第七方面所述的二次电池。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据附图获得其他的附图。
图1是本申请的二次电池的一实施方式的示意图。
图2是图1的二次电池的实施方式的分解示意图。
图3是本申请的电池模块的一实施方式的示意图。
图4是本申请的电池包的一实施方式的示意图。
图5是图4所示的电池包的实施方式的分解示意图。
图6是包含本申请的二次电池作为电源的用电装置的一实施方式的示意图。
附图未必按照实际的比例绘制。
附图标记说明如下:
1、电池包;2、上箱体;3、下箱体;4、电池模块;
5、二次电池;51、壳体;52、电极组件;
53、盖板;
6、用电装置。
具体实施方式
以下,详细说明具体公开了本申请的聚合物及其制备方法、导电浆料及其制备方法、正极极片、二次电池和用电装置的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如,有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长,便于本领域技术人员的理解。此外,附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的,并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定,给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的,选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的,并且可以进行任意地组合,即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如,如果针对特定参数列出了60-120和80-110的范围,理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外,如果列出的最小范围值1和2,和如果列出了最大范围值3,4和5,则下面的范围可全部预料到:1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本申请中,除非有其他说明,数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示,其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数,“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。另外,当表述某个参数为≥2的整数,则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。
如果没有特别的说明,本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。如果没有特别的说明,本申请的所有技术特征以及可选技术特征可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明,本申请的所有步骤可以顺序进行,也可以随机进行,优选是顺序进行的。例如,方法包括步骤(a)和(b),表示方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b),也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如,提到方法还可包括步骤(c),表示步骤(c)可以任意顺序加入到方法,例如,方法可以包括步骤(a)、(b)和(c),也可包括步骤(a)、(c)和(b),也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
如果没有特别的说明,本申请所提到的“包括”和“包含”表示开放式,也可以是封闭式。例如,“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分,也可以仅包括或包含列出的组分。
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“或”是包括性的。举例来说,短语“A或B”表示“A,B,或A和B两者”。更具体地,以下任一条件均满足条件“A或B”:A为真(或存在)并且B为假(或不存在);A为假(或不存在)而B为真(或存在);或A和B都为真(或存在)。
在本申请中,术语“多个”、“多种”是指两个或两种以上。
极片通常包括集流体和设置于集流体上的膜层。在制备极片时,将活性材料粘结于集流体上,为了保证活性材料的颗粒之间的粘结力,以及活性材料和集流体之间的粘结力,通常采用粘结剂以保证粘结性能;并且有利于在膜层的表面形成界面膜。粘结剂一般都是高分子化合物,通常可以采用聚乙烯醇PVA、聚四氟乙烯PTFE、聚偏氟乙烯PVDF等。聚偏氟乙烯PVDF具有优良的化学性能、物理性能和热加工性能,因此得到了广泛且深入的研究。
发明人发现,PVDF作为粘结剂应用于二次电池时,PVDF用量过高可能会引发活性材料颗粒之间的团聚,导致活性材料颗粒分布不均匀,且容易导致二次电池的内阻增大,一般需要额外引入N-甲基吡咯烷酮NMP作为分散剂,二者相互配合使用;PVDF用量过少可能会使得成膜效果较差,在充放电过程中,膜层容易从集流体上脱落。
故,发明人从改善PVDF自身的性能出发,对PVDF的组成结构进行改进,以使改进后的PVDF能够具有良好的分散性,并保有一定的粘结性;接下来对本申请的技术方案进行详细说明。
聚合物
第一方面,本申请提出了一种聚合物。
所述聚合物包括式(1)所示的结构单元,
Figure 531095DEST_PATH_IMAGE001
式(1);
所述聚合物还包括式(2)所示的结构单元:
Figure 615726DEST_PATH_IMAGE014
式(2)。
式(1)所示的结构单元来源于偏氟乙烯VDF,其是合成聚合物的主要单体,VDF所形成的聚合物部分的碳链呈锯齿形,其氢原子被电负性较大的氟原子取代后,与相邻的氟原子相互排斥,从而使得氟原子不在同一平面内,并沿碳链作螺旋分布,故在碳链的四周被一系列性质稳定的氟原子所包围,形成了一定的空间屏障使得其它原子或基团不易进入其结构内部而破坏碳链,因而表现出极高的化学稳定性和热稳定性;并且由于聚合物中碳氟键的极化率较低,分子结构致密,具有较好的疏水性,体现为亲油性,其聚合物还表现出高度的绝缘性。
式(2)所示的结构单元中包含羧基接枝基团,羧基能够增强聚合物的内聚力,且由于羧基为极性基团,在聚合物的侧链中引入极性基团能够改善聚合物分散性,在将该聚合物应用于二次电池时,该聚合物更易于浸润导电剂等颗粒的表面,提高润湿速度。
式(1)所示的结构单元表现为亲油性,式(2)所示的结构单元表现为亲水性,式(1)所示的结构单元和式(2)所示的结构单元配合使用,使得聚合物兼顾亲油性和亲水性,能够将导电剂等颗粒均一分散于体系中,表现为良好的分散性能。
式(1)所示的结构单元和式(2)所示的结构单元配合使用,使得所组成的聚合物具有适当的结晶度,从而能够改善聚合物自身的内聚力,保证聚合物仍具有一定的粘结性,但是其粘结力度相对较差,可以配合其它粘结剂共同使用,补足提高对导电剂等的粘附性能。
由此,本申请实施例的聚合物具有良好的分散性,并同时仍具有一定的粘结性,在聚合物应用于二次电池时,尤其是应用于导电浆料的制备时,可以作为分散剂使用,并同时能够作为粘结剂的辅助用料,降低粘附性能较高的粘结剂的使用量,使得浆料中的颗粒不易发生团聚,并能够均匀分散,且能够改善颗粒之间的粘结力,以及颗粒和集流体之间的粘结力,保证极片的结构稳定性,从而保证二次电池的电化学性能。
在一些实施方式中,式(2)中,R1选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C10烷基;R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C10烷基。当经取代时,取代基可以任选为卤素原子,也可以为硫原子等其它原子等。
卤素原子可以为氟原子、氯原子、溴原子等。
烷基可以为直链或直链烷基。例如,烷基可以为C1-C10烷基、C1-C8烷基、C1-C5烷基、C2-C8烷基、C2-C6烷基。具体地,烷基可以包括甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、环丁基、戊基、异戊基、新戊基、叔戊基、环戊基、己基、环己基、庚基、环庚基、辛基、环辛基、壬基和癸基等。另外,烷基可以是任选地被取代的;其取代基可以为卤素原子,也可以为硫原子等其它原子。
式(2)所示的结构单元在组成聚合物的一部分时,式(2)所示的结构单元之间可以直接连接,式(2)所示的结构单元也可以与式(1)所示的结构单元交替连接,例如,式(2)中与R1连接的C原子可以与式(1)中的-CH2连接,式(2)中与R2连接的C原子可以与式(1)中的-CF2连接。
由于R1、R2和R3的碳原子数量相对较少,式(2)所示的结构单元的侧链结构不会过长,在聚合过程中不易形成三维交联聚合,聚合方式主要体现为线性聚合;即在式(2)所示的结构单元聚合时,侧链基本不会对聚合过程造成干扰,从而保证聚合的正常进行,且所形成的聚合物的分子链的结构对称性较高,聚合物更容易结晶,从而进一步改善聚合物的粘结性;且侧链结构中的碳原子的数量增多,其疏水性能呈现增强趋势,相对较短的侧链能够保证式(2)所示的结构单元整体的亲水性能。
可选地,R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C5烷基。
可选地,式(2)所示的结构单元包括式(2-1)至式(2-10)所示的结构单元中的一种或多种:
Figure 846987DEST_PATH_IMAGE015
式(2-1)、
Figure 638357DEST_PATH_IMAGE016
式(2-2)、
Figure 559521DEST_PATH_IMAGE017
式(2-3)、
Figure 803551DEST_PATH_IMAGE018
式(2-4)、
Figure 41766DEST_PATH_IMAGE019
式(2-5)、
Figure 546696DEST_PATH_IMAGE020
式(2-6)、
Figure 517058DEST_PATH_IMAGE021
式(2-7)、
Figure 373018DEST_PATH_IMAGE022
式(2-8)、
Figure 84098DEST_PATH_IMAGE023
式(2-9)、
Figure 912376DEST_PATH_IMAGE024
式(2-10)。
上述结构的式(2)所示的结构单元能够保证式(2)所示的结构单元在引入聚合物时,一方面增强聚合物的内聚力,改善其粘结性能;另一方面能够引入亲水性能,改善聚合物的分散性。
在一些实施方式中,聚合物的重均分子量为1.5×105 Da至2.0×105 Da。
聚合物的重均分子量在上述范围时,能够保证聚合物一定的溶解度,从而保证聚合物的粘度;且粘度反弹小,能够与活性材料等较好的粘附。示例性地,聚合物的重均分子量可以为1.5×105 Da、1.6×105 Da、1.7×105 Da、1.8×105 Da、1.9×105 Da或2.0×105Da等等,或者是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,式(1)所示的结构单元的数量为n,100≤n≤150;可选地,100≤n≤133。示例性地,n可以为100、110、120、125、130、133、138、140、145、150或是上述任意两个数值组成的范围。
式(1)所示的结构单元在组成聚合物的分子链时,其分子链的对称度较高,聚合物的结晶性能较好,其主要为聚合物贡献粘结性能;故式(1)所示的结构单元的数量n在上述范围时,能够保证聚合物的粘度适中,不易引发活性材料、导电剂等的团聚现象。
在一些实施方式中,式(2)所示的结构单元的数量为m,100≤m≤150;可选地,100≤m≤133。示例性地,m可以为100、110、120、125、130、133、138、140、145、150或是上述任意两个数值组成的范围。
式(2)所示的结构单元在组成聚合物分子链时,其为聚合物的侧链引入羧基等功能基团,能够改善聚合物的亲水性,从而改善聚合物的分散性能;并且引入羧基还能够改善聚合物的内聚力提高聚合物的粘结性能;故式(2)所示结构单元的数量m在上述范围时,能够保证聚合物的粘度适中,且能够使得聚合物具有一定的分散性。
在一些实施方式中,聚合物的粘度为C mPa*s,500≤C≤3000。
聚合物的粘度在上述范围时,其粘度适中;在将聚合物应用于二次电池时,能够均匀分散活性材料颗粒等,不易引起颗粒之间的团聚,使得极片的性能更均一,有利于充分发挥二次电池的电化学性能。示例性地,聚合物的粘度可以为500 mPa*s、600 mPa*s、700mPa*s、800 mPa*s、900 mPa*s、1000 mPa*s、1200 mPa*s、1500 mPa*s、1800 mPa*s、1900mPa*s、2000 mPa*s、2500 mPa*s或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,聚合物的玻璃化转变温度Tg ℃,150≤Tg≤180。
聚合物的玻璃化转变温度在上述范围时,能够改善极片的韧性,增强极片的力学性能,并且能够使得聚合物的粘度适中。示例性地,聚合物的玻璃化转变温度可以为150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,聚合物于差示扫描量热仪DSC测试下的结晶度为40%至50%。
聚合物的结晶度在上述范围时,其基本不会对电解液中的分子的流通造成影响,能够保证二次电池的充放电性能。示例性地,聚合物的结晶度可以为40%、42%、45%、48%、49%、50%或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,聚合物为颗粒状,聚合物的体积平均粒径为Dv50 μm,1≤Dv50≤5。
聚合物的体积平均粒径在上述范围时,其能够在一定程度上溶解于浆料体系中,起到粘结剂和分散剂的作用。示例性地,聚合物的体积平均粒径Dv50 μm可以为1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm;或者是上述任意两个数值组成的范围。
在本申请中,材料的体积平均粒径Dv50为本领域公知的含义,其表示材料累计体积分布百分数达到50%时所对应的粒径,可以用本领域公知的仪器及方法进行测试。例如可以参照GB/T 19077-2016粒度分布激光衍射法,采用激光粒度分析仪方便地测试,如英国马尔文仪器有限公司的Mastersizer 2000E型激光粒度分析仪。
在本申请中,材料的比表面积为本领域公知的含义,可以用本领域公知的仪器及方法进行测试。例如可以参照GB/T 19587-2017,采用氮气吸附比表面积分析测试方法测试,并用BET (BrunauerEmmett Teller)法计算得出,氮气吸附比表面积分析测试可以通过美国Micromeritics公司的Tri-Star 3020型比表面积孔径分析测试仪进行。
制备聚合物的方法
第二方面,本申请提出了一种制备聚合物的方法。所述方法能够制备得到本申请第一方面任一实施方式的聚合物。
所述方法包括:
步骤S100,提供第一单体和包含式(2)所示的结构单元的第二单体;
步骤S200,将第一单体和第二单体在自由基引发剂的存在下,聚合形成聚合物,
其中,第一单体包括偏氟乙烯;式(2)所示的结构单元如下:
Figure 178273DEST_PATH_IMAGE002
式(2);
式(2)中,
R1选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C10烷基;
R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C10烷基。
可选地,R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C5烷基。
第一单体和第二单体发生共聚形成聚合物,第一单体和第二单体的加入顺序可以根据生产需求进行调整;例如,可以先加入部分第一单体,第一单体之间进行均聚;然后再加入第二单体和第一单体,第一单体、第二单体等进行共聚。或者先加入第一单体,第一单体之间进行共聚;然后加入第二单体,第二单体之间进行共聚;再然后将第一单体共聚后的嵌段聚合物和第二单体共聚后的嵌段聚合物进行聚合。
无论何种聚合方式,其所形成的聚合物均可以以-CH2-CF2-为基本主链,辅以式(2)所示的结构单元,且能够在聚合物的侧链上引入羧基基团,以改善聚合物的粘结性和分散性。本申请的聚合方式较为简便,且所形成的聚合物具有良好的分散性,且同时仍具有一定的粘结性。
聚合物的聚合可以采用悬浮聚合或乳液聚合。悬浮聚合所形成的聚合物上吸附的分散剂的量少,且容易脱除,产品的纯度较高;且后处理工序较为简单。乳液聚合的聚合速率较快,产物分子量相对较高,可以在相对较高的温度下聚合。
悬浮聚合可以采用如下过程:在反应釜内加入一定量的去离子水和分散剂,密闭反应釜,抽取真空,采用惰性气体如氮气置换氧气,再抽真空,充入氮气,使得反应釜内的压力略高于大气压,且使反应釜内的氧气含量达标。搅拌反应釜内的体系,并将温度升高至50℃左右,压力升高至3.5MPa左右。加入部分单体和引发剂等,开始聚合;在聚合过程中,继续加入单体和引发剂等,维持反应釜内的温度及压力,直至单体全部加完,降压至2.8MPa左右,停止搅拌,反应结束。
乳液聚合可以采用如下过程:将反应釜抽真空、采用惰性气体如氮气置换氧气,以使反应釜内的氧气含量达标。在反应釜内投加去离子水、乳化剂和引发剂等,并加入少量的单体;将反应釜加热至反应温度,随着反应的进行,持续加入单体,并保持反应釜内的压力,直至反应结束;在反应过程中,聚合物经过凝聚、洗涤及干燥等过程得到最终的聚合物产品。
在一些实施方式中,步骤S200包括:
步骤S210,将所述第一单体在自由基引发剂的存在下均聚形成第一嵌段聚合物。
第一单体预先均聚形成第一嵌段聚合物能够保证聚合物的分子链为线性主链,从而保证聚合物的一定的规整性,有利于提升聚合物的结晶能力。
步骤S220,将所述第一单体和所述第二单体以及所述第一嵌段聚合物在自由基引发剂的存在下共聚形成第二嵌段聚合物。
引入第二单体,第一单体和第二单体在第一嵌段聚合物的基础上继续聚合,在聚合物的侧链上引入羧基,以改善聚合物的粘结性和分散性。
步骤S230,将所述第一单体和所述第二嵌段聚合物在自由基引发剂的存在下共聚形成所述聚合物。
在第二嵌段聚合物的基础上,继续进行第一单体的聚合,保证聚合物整体为线性分子链。
在一些实施方式中,基于所述第一单体和所述第二单体的总摩尔量计,所述第二单体的摩尔百分含量与所述第一单体的摩尔百分含量的比值为A,0.10≤A≤0.30。
第一单体和第二单体的总摩尔量是指在整个反应过程中,投加的第一单体的摩尔量以及投加的第二单体的摩尔量的加和。第一单体的摩尔百分含量指第一单体的摩尔量与总摩尔量的百分比。第二单体的摩尔百分含量指第二单体的摩尔量与总摩尔量的百分比。示例性地,第二单体的摩尔百分含量与第一单体的摩尔百分含量的比值A可以为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30或是上述任意两个数值组成的范围。
第二单体的摩尔百分含量与第一单体的摩尔百分含量的比值A在上述范围时,既能够保证聚合物的粘结性,又能够保证聚合物的分散性。
在一些实施方式中,可以加入乳化剂和溶剂,以便于乳化聚合。
乳化剂包括全氟辛酸碱金属盐等。
制备导电浆料的方法
第三方面,本申请提出了一种制备导电浆料的方法。
发明人发现,导电剂例如导电炭黑作为电池生产过程中的重要组成部分,其在浆料中的分散性对极片电阻和二次电池的性能影响很大,导电炭黑颗粒尺寸为微米级,比表面积大,极易团聚,传统加料方式是将导电炭黑干粉和正极活性材料直接混合加入溶剂中,机械搅拌难分散均匀,需长时间搅拌制浆,即影响了生产效率,也影响发挥其导电性;相关技术中也有将导电炭黑预制为导电浆料,但是导电浆料中需要额外添加分散剂、表面活性剂等其他添加剂,但不同体系的添加剂不同,在二次电池合浆制备过程中易发生与浆料体系不相容的问题。并且电池生产过程中使用的粘结剂PVDF,分子量在50万至120万,胶液粘度大,导电炭黑均匀分散难度大,极片电阻高。即使延长搅拌时间分散均匀,浆料静置后分散开的炭黑颗粒还会团聚,且浆料还会出现粘度增大,凝胶现象,影响其生产使用。
针对上述问题,发明人提出了一种制备导电浆料的方法,所述方法包括:
将聚合物加入溶剂中混合为预制胶液;
将导电剂分散于所述预制胶液中形成导电浆料,
其中,所述聚合物包括根据本申请第一方面任一实施方式所述的聚合物或根据本申请第二方面任一实施方式所述的方法得到的聚合物。
具体地,可以将聚合物粉末加入溶剂中,混合为预制胶液;然后将导电剂例如导电炭黑分散于预制胶液中,制备形成导电浆料,如此制备得到的导电浆料中的导电剂的分散更为均匀,不会因为导电剂的粒径较小而发生大量团聚等现象,导电剂的分布更为均匀,可以在一定程度上降低正极膜层的电阻,改善二次电池的电化学性能。本申请中,预制胶液中的溶剂可以选用正极浆料中常用的溶剂类型,例如N-甲基吡咯烷酮NMP等。
进一步地,基于导电浆料的总质量计,聚合物的质量含量记为p%, 0.5≤q≤2.5。
聚合物的质量含量在上述范围时,能够保证导电剂在聚合物中均匀分散,且导电浆料具有一定的粘度例如大于40mPa*s,导电浆料的稳定性较高,导电剂不容易发生沉降;且导电浆料的粘度适中,基本不会发生粘度反弹产生凝胶等问题,有利于导电浆料的长期保存。示例性地,聚合物的质量含量可以为0.5%、1%、1.5%、2%或2.5%;或者是上述任意两个数值组成的范围。
进一步地,基于导电浆料的总质量计,导电剂的质量含量记为q%,7.5≤q≤15.5。
导电剂的质量含量在上述范围时,能够保证溶剂的含量,从而有利于聚合物的溶解和分散;并且导电剂的用量适中,导电浆料的整体流动性较好,有利于工业化生产中的加料。示例性地,导电剂的质量含量可以为7.5%、8%、8.5%、9%、9.5%、10.5%、11.0%、12.0%、13.0%、13.5%、 14.0%、15.0%、15.5%或是上述任意两个数值组成的范围。
更进一步地,2≤q/p≤20。可选地,3≤q/p≤15。示例性地,q/p可以为3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、16、18、19、20或是上述任意两个数值组成的范围。q/p在上述范围时,分散剂聚合物对导电剂的分散性能更好,导电剂分散均匀,且所形成的导电浆料性能稳定,在应用于正极极片时,有利于降低正极极片的膜片电阻。
导电浆料
第四方面,本申请提出了一种导电浆料。
所述导电浆料包括导电剂和聚合物,所述聚合物包括根据本申请第一方面任一实施方式所述的聚合物或根据本申请第二方面任一实施方式所述的方法得到的聚合物。
所述导电浆料也可以由本申请第三方面任一实施方式的方法制备得到。
本申请的导电浆料分散性能较好,不易团聚和沉降,在长时间存储过程中能够保证性能均一且稳定。
可选地,基于导电浆料的总质量计,聚合物的质量含量记为p%;基于导电浆料的总质量计,导电剂的质量含量记为q%,2≤q/p≤20,进一步可选地,3≤q/p≤15。
正极极片
第五方面,本申请提出了一种正极极片。
在一些实施方式中,正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面上的正极膜层。例如,正极集流体具有在自身厚度方向相对的两个表面,正极膜层设置于正极集流体的两个相对表面中的任意一者或两者上。所述正极膜层包括本申请第一方面任一实施方式的聚合物或如本申请第二方面任一实施方式制备得到的聚合物。聚合物由于具有良好的分散性能和一定的粘结性能,其可以作为正极膜层中的分散剂,以及粘结剂的辅助用剂。正极膜层中可以不用引入其他的分散剂,降低其他分散剂对正极活性材料造成损伤的风险,保证正极膜层的结构稳定性。
所述正极膜层包括正极活性材料,所述正极活性材料可采用本领域公知的用于二次电池的正极活性材料。作为示例,正极活性材料可包括以下材料中的至少一种:层状结构正极活性材料(例如三元、镍酸锂/钠、钴酸锂/钠、锰酸锂/钠、富锂/钠层状和岩盐相层状等材料)、橄榄石型磷酸盐活性材料、尖晶石结构的正极活性材料(例如尖晶石锰酸锂、尖晶石镍锰酸锂、富锂的尖晶石锰酸锂和镍锰酸锂等)。
示例性地,层状结构正极活性材料的通式为:LixAyNiaCobMncM(1-a-b-c)Yz,其中,0≤x≤2.1,0≤y≤2.1,且0.9≤x+y≤2.1;0≤a≤1,0≤b≤1,0≤c≤1,且0.1≤a+b+c≤1;1.8≤z≤3.5;A选自Na、K、Mg中的一种或几种;M选自B、Mg、Al、Si、P、S、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Cd、Sn、Sb、Te、Ba、Ta、W、Yb、La、Ce中的一种或几种;Y选自O、F中的一种或几种。可选地,y=0。具体地,层状结构正极活性材料可以包括钴酸锂LCO、镍酸锂LNO、锰酸锂LMO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333)、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)和LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)中的一种或多种。
示例性地,橄榄石型磷酸盐活性材料的通式为:LixAyMeaMbP1-cXcYz,其中,0≤x≤1.3,0≤y≤1.3,且0.9≤x+y≤1.3;0.9≤a≤1.5,0≤b≤0.5,且0.9≤a+b≤1.5;0≤c≤0.5;3≤z≤5;A选自Na、K、Mg中的一种或几种;Me选自Mn、Fe、Co、Ni中的一种或几种;M选自B、Mg、Al、Si、P、S、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Cd、Sn、Sb、Te、Ba、Ta、W、Yb、La、Ce中的一种或几种;X选自S、Si、Cl、B、C、N中的一种或几种;Y选自O、F中的一种或几种。具体地,橄榄石型磷酸盐活性材料包括LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、和LiCoPO4中的一种或多种。
示例性地,尖晶石结构的正极活性材料的通式为:LixAyMnaM2-aYz,其中,0≤x≤2,0≤y≤1,且0.9≤x+y≤2;0.5≤a≤2;3≤z≤5;A选自Na、K、Mg中的一种或几种;M选自Ni、Co、B、Mg、Al、Si、P、S、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Cd、Sn、Sb、Te、Ba、Ta、W、Yb、La、Ce中的一种或几种;Y选自O、F中的一种或几种。具体地,尖晶石结构的正极活性材料包括LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCr0.3Mn1.7O4、Li1.1Al0.1Mn1.9O4、Li2Mn2O4和Li1.5Mn2O4中的一种或多种。
在一些实施方式中,正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。作为金属箔片的示例,可采用铝箔或铝合金箔。复合集流体可包括高分子材料基层以及形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属材料层,作为示例,金属材料可包括选自铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银和银合金中的一种或多种的组合,高分子材料基层可包括选自聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)中的一种或多种的组合。
在一些实施方式中,正极膜层还可选地包括正极导电剂。本申请对正极导电剂的种类没有特别的限制,作为示例,正极导电剂包括选自超导碳、导电炭黑、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的一种或多种的组合。在一些实施方式中,基于正极膜层的总质量,正极导电剂的质量百分含量在5%以下。
在一些实施方式中,正极膜层还可选地包括正极粘结剂。本申请对正极粘结剂的种类没有特别的限制,作为示例,正极粘结剂可包括选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、偏氟乙烯-四氟乙烯-丙烯三元共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物和含氟丙烯酸酯类树脂中的一种或多种的组合。在一些实施方式中,基于正极膜层的总质量,正极粘结剂的质量百分含量在5%以下;可选地,正极粘结剂的质量百分含量为1.0%至2.5%。在本申请中,正极粘结剂的分子量为50万至200万,例如正极粘结剂所采用的聚偏氟乙烯PVDF的分子量为50万至200万,本申请第一方面所述的实施方式中的聚合物可以作为正极粘结剂的辅助用剂,能够改善正极膜层的粘结性能,并能够降低正极活性材料发生团聚的风险。
正极膜层通常是将正极浆料涂布在正极集流体上,经干燥、冷压而成的。正极浆料通常是将正极活性材料、可选的导电剂、可选的粘结剂以及任意的其他组分分散于溶剂中并搅拌均匀而形成的。
在一些实施方式中,正极极片经以下步骤制备得到:提供正极集流体;将正极活性材料、聚合物、导电剂和粘结剂加入溶剂中混合为正极活性浆料,将正极活性浆料涂覆于正极集流体上,经固化形成正极极片。溶剂可以是N-甲基吡咯烷酮(NMP),但不限于此。
在一些实施方式中,可以将导电剂预先制备为导电浆料,然后将导电浆料和正极活性材料混合为正极浆料。导电浆料可以采用本申请第三方面任一实施方式的方法制备得到的导电浆料,也可以采用本申请第四方面任一实施方式的导电浆料。或者直接采用本申请第一方面任一实施方式所述的聚合物或根据本申请第二方面任一实施方式所述的方法得到的聚合物,制备导电浆料。
具体地,可以将聚合物粉末加入溶剂中,混合为预制胶液;然后将导电剂例如导电炭黑分散于预制胶液中,制备形成导电浆料,然后将正极活性材料、正极粘结剂等分散于导电浆料中制备形成正极浆料;如此制备得到的导电浆料中的导电剂的分散更为均匀,不会因为导电剂的粒径较小而发生大量团聚等现象,导电剂的分布更为均匀,可以在一定程度上降低正极膜层的电阻,改善二次电池的电化学性能。本申请中,预制胶液中的溶剂可以选用正极浆料中常用的溶剂类型,例如N-甲基吡咯烷酮NMP等。
二次电池
第六方面,本申请提出了一种二次电池。
所述二次电池包括正极极片、负极极片和隔离膜,隔离膜设置于正极极片和负极极片之间,以起到隔绝正极极片和负极极片的作用。
在一些实施方式中,所述正极极片可以采用本申请第五方面任一实施方式的正极极片,由此能够降低极片电阻,改善二次电池的循环性能和充放电性能。
负极极片
所述负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的负极膜层,所述负极膜层包括负极活性材料。所述负极膜层包括本申请第一方面任一实施方式的聚合物或如本申请第二方面任一实施方式制备得到的聚合物。聚合物由于具有良好的分散性能和一定的粘结性能,其可以作为负极膜层中的分散剂,以及粘结剂的辅助用剂。负极膜层中可以不用引入其他的分散剂,降低其他分散剂对负极活性材料造成损伤的风险,保证负极膜层的结构稳定性。
作为示例,负极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面,负极膜层设置在负极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。
在一些实施方式中,所述负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如,作为金属箔片,可以采用铜箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施方式中,负极活性材料可采用本领域公知的用于电池的负极活性材料。作为示例,负极活性材料可包括以下材料中的至少一种:人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的至少一种。所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的至少一种。但本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作电池负极活性材料的传统材料。这些负极活性材料可以仅单独使用一种,也可以将两种以上组合使用。
在一些实施方式中,负极膜层还可选地包括导电剂。导电剂可选自超导碳、乙炔黑、导电炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中,负极膜层还可选地包括其他助剂,例如增稠剂(如羧甲基纤维素钠(CMC-Na))等。
在一些实施方式中,负极膜层还可选地包括负极粘结剂。所述负极粘结剂可选自丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)及羧甲基壳聚糖(CMCS)中的至少一种。在一些实施方式中,基于负极膜层的总质量,负极粘结剂的质量百分含量在5%以下;可选地,负极粘结剂的质量百分含量为1.5%至3%。在本申请中,负极粘结剂的分子量为50万至200万,例如负极粘结剂所采用的丁苯橡胶SBR的分子量为50万至200万,本申请第一方面所述的实施方式中的聚合物可以作为丁苯橡胶粘结剂的辅助用剂,能够改善负极膜层的粘结粒度,并能够降低丁苯橡胶活性材料发生团聚的风险。
在一些实施方式中,可以通过以下方式制备负极极片:将上述用于制备负极极片的组分,例如负极活性材料、可选的导电剂、可选的粘结剂和任意其他组分分散于溶剂(例如去离子水)中,形成负极浆料;将负极浆料涂覆在负极集流体上,经烘干、冷压等工序后,即可得到负极极片。
[电解质]
二次电池还包括电解质,电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。本申请对电解质的种类没有具体的限制,可根据需求进行选择。例如,电解质可以是液态的、凝胶态的或全固态的。
在一些实施方式中,所述电解质采用电解液。所述电解液包括电解质盐和溶剂。
作为示例,锂盐可包括选自六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)、三氟甲磺酸锂(LiTFS)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、二氟二草酸磷酸锂(LiDFOP)和四氟草酸磷酸锂(LiTFOP)中的一种或多种的组合。
作为示例,有机溶剂可包括选自碳酸乙烯酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸亚丁酯(BC)、甲酸甲酯(MF)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、乙酸丙酯(PA)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)、丙酸丙酯(PP)、丁酸甲酯(MB)、丁酸乙酯(EB)、1,4-丁内酯(GBL)、环丁砜(SF)、二甲砜(MSM)、甲乙砜(EMS)和二乙砜(ESE)中的一种或多种的组合。
在一些实施方式中,所述电解液还可选地包括添加剂。例如添加剂可以包括负极成膜添加剂、正极成膜添加剂,还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂,例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温或低温性能的添加剂等。
[隔离膜]
在一些实施方式中,二次电池中还包括隔离膜。本申请对隔离膜的种类没有特别的限制,可以选用任意公知的具有良好的化学稳定性和机械稳定性的多孔结构隔离膜。
在一些实施方式中,隔离膜的材质可以包括选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯和聚偏二氟乙烯中的一种或多种的组合。隔离膜可以是单层薄膜,也可以是多层复合薄膜。当隔离膜为多层复合薄膜时,各层的材料相同或不同。
在一些实施方式中,正极极片、隔离膜和负极极片可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。
本申请对二次电池的形状没有特别的限制,其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。如图1是作为一个示例的方形结构的二次电池5。
在一些实施例中,如图1和图2所示,外包装可包括壳体51和盖板53。其中,壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板,底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口,盖板53用于盖设开口,以封闭容纳腔。正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件52。电极组件52封装于容纳腔。电解液浸润于电极组件52中。二次电池5所含电极组件52的数量可以为一个或多个,可根据需求来调节。
本申请的二次电池的制备方法是公知的。在一些实施例中,可将正极极片、隔离膜、负极极片和电解液组装形成二次电池。作为示例,可将正极极片、隔离膜、负极极片经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件,将电极组件置于外包装中,烘干后注入电解液,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,得到二次电池。
在本申请的一些实施例中,根据本申请的二次电池可以组装成电池模块,电池模块所含二次电池的数量可以为多个,具体数量可根据电池模块的应用和容量来调节。
图3是作为一个示例的电池模块4的示意图。如图3所示,在电池模块4中,多个二次电池5可以是沿电池模块4的长度方向依次排列设置。当然,也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个二次电池5进行固定。
可选地,电池模块4还可以包括具有容纳空间的外壳,多个二次电池5容纳于该容纳空间。
在一些实施例中,上述电池模块还可以组装成电池包,电池包所含电池模块的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。
图4和图5是作为一个示例的电池包1的示意图。如图4和图5所示,在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块4。电池箱包括上箱体2和下箱体3,上箱体2用于盖设下箱体3,并形成用于容纳电池模块4的封闭空间。多个电池模块4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
用电装置
第七方面,本申请提供一种用电装置,用电装置包括本申请的二次电池、电池模块和电池包中的至少一种。二次电池、电池模块和电池包可以用作用电装置的电源,也可以用作用电装置的能量存储单元。用电装置可以但不限于是移动设备(例如手机、笔记本电脑等)、电动车辆(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)、电气列车、船舶及卫星、储能系统等。
用电装置可以根据其使用需求来选择二次电池、电池模块或电池包。
图6是作为一个示例的用电装置的示意图。该用电装置6为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置对高功率和高能量密度的需求,可以采用电池包1或电池模块。
作为另一个示例的用电装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该用电装置通常要求轻薄化,可以采用二次电池作为电源。
实施例
以下,说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
分散剂聚偏氟乙烯的制备
实施例1-1
步骤S1,将30Kg的去离子水(电导率小于等于2μs/cm)、100%的乳化剂全氟辛酸碱金属盐15g、占总量40%的引发剂 (5%浓度的过硫酸钾溶液)36g依次加入50L反应釜内,关闭反应釜;
步骤S2,反应釜内抽真空,充氮气,重复操作至反应釜内氧气浓度小于100ppm ;
步骤S3,向反应釜内通入偏氟乙烯单体至反应釜内压力为7.0MPa ;
步骤S4,反应釜内升温至80℃开始反应,反应过程中不断通入偏氟乙烯单体维持反应釜内反应压力不变;
步骤S5,通入偏氟乙烯单体占总量的50%即2.4Kg时,加入占总量40%的引发剂(5%浓度的过硫酸钾溶液)36g,维持反应压力7.0MPa向反应釜内通入偏氟乙烯单体和第二单体混合气体(偏氟乙烯单体和第二单体甲基丙烯酸单体按质量比1:1同时加入);
步骤S6,第二单体1.2Kg全部加入,偏氟乙烯加入量占总量的80%即3.6Kg时,加入剩余20%的引发剂18g,维持反应压力7.0MPa向反应釜内通入剩余的20%偏氟乙烯单体1.2Kg;
步骤S7,反应完成时反应釜内压力将至2.0MPa ,回收未反应的偏氟乙烯单体;
步骤S8,反应产物经凝聚、洗涤、分离、干燥、粉碎得到聚合物PVDF。
实施例1-2和实施例1-3
实施例1-2和实施例1-3按照实施例1-1类似的方法制备分散剂PVDF,与实施例1-1不同的是,实施例1-2和实施例1-3调整了第二单体的摩尔比。
实施例1-4和实施例1-5
实施例1-4和实施例1-5按照实施例1-1类似的方法制备分散剂PVDF,与实施例1-1不同的是,实施例1-4和实施例1-5调整了步骤S4的反应温度和步骤S3的反应压力中的至少一者。
实施例1-6
实施例1-6按照实施例1-1类似的方法制备分散剂PVDF,与实施例1-1不同的是,实施例1-6调整了第二单体的种类。
实施例1-7至实施例1-9
实施例1-7至实施例1-9按照实施例1-1类似的方法制备分散剂PVDF,与实施例1-1不同的是,实施例1-7至实施例1-9通过调整引发剂的用量调整反应速率,从而调整聚合物的粒径,例如:相较于实施例1-1,实施例1-7中引发剂量增加10%;实施例1-8中引发剂量增加5%;实施例1-9中引发剂量增加2%。
实施例1-1至实施例1-9的各参数如表1所示。
表1
Figure 396895DEST_PATH_IMAGE025
实施例2
实施例2-1
1、正极极片的制备
1.1采用厚度为12μm的铝箔作为正极集流体。
1.2导电浆料的制备
将溶剂氮甲基吡咯烷酮16000g加入至搅拌罐内;
将实施例1-1所制备的分散剂PVDF 300g加入搅拌罐的溶剂NMP内,在室温下,以1000rpm的转速搅拌60min,得到预制胶液;
经1600g导电炭黑粉末加入预制胶液中,以800rpm的转速搅拌60min,搅拌罐开启冷却水循环,搅拌结束后得到导电浆料。
1.3正极浆料的制备
将正极活性材料(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)、聚偏二氟乙烯加入导电浆料中充分搅拌混合,形成均匀的正极浆料,正极浆料的固含量为73%;将正极浆料均匀涂覆于正极集流体铝箔的表面上,经干燥、冷压后,得到正极极片。其中,聚四氟乙烯(PTFE)的分子量为80万。其中,正极活性材料、导电炭黑粉末、聚偏二氟乙烯、NMP的质量比为96.9:2.1:1:21。
2、负极极片的制备
采用厚度为8μm的铜箔作为负极集流体。
将负极活性材料石墨、粘结剂丁苯橡胶(SBR)、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、导电剂炭黑(Super P)按重量比96.2:1.8:1.2:0.8在适量的溶剂去离子水中充分搅拌混合,形成均匀的负极浆料;将负极浆料均匀涂覆于负极集流体铜箔的表面上,经干燥、冷压后,得到负极极片。
3、隔离膜
采用多孔聚乙烯(PE)膜作为隔离膜。
4、电解液的制备
在含水量小于10ppm的环境下,将非水有机溶剂碳酸乙烯酯EC、碳酸二乙酯DMC按照体积比1:1进行混合得到电解液溶剂,随后将锂盐和混合后的溶剂混合,配置成锂盐浓度为1 mol/L的电解液。
5、二次电池的制备
将上述正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好,使隔离膜处于正极极片和负极极片之间起到隔离作用,然后卷绕得到电极组件;将电极组件置于外包装壳中,干燥后注入电解液,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,得到锂离子电池。
实施例2-2至实施例2-9
实施例2-2至实施例2-9按照实施例2-1类似的方法制备二次电池,与实施例2-1不同的是,实施例2-2至实施例2-9调整了分散剂PVDF的种类,分别采用实施例1-2至实施例1-9制备的分散剂PVDF。
实施例2-10至实施例2-13
实施例2-10至实施例2-13按照实施例2-1类似的方法制备二次电池,与实施例2-1不同的是,实施例2-10至实施例2-13调整了分散剂PVDF的用量。
对比例
对比例按照实施例2-1类似的方法制备二次电池,与实施例2-1不同的是,对比例调整了正极浆料的制备方法,具体如下:将正极活性材料(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)、导电炭黑粉末、聚偏二氟乙烯、NMP按质量比为96.9:2.1:1:21充分搅拌混合,形成均匀的正极浆料;将正极浆料均匀涂覆于正极集流体铝箔的表面上,经干燥、冷压后,得到正极极片。
实施例2-1至实施例2-13以及对比例的各参数如表2所示。
测试部分
一、聚合物的性能测试
1、聚合物重均分子量测试
采用Waters 2695 Isocratic HPLC 型凝胶色谱仪(示差折光检测器 2141)。以质量分数为 3.0% 的聚苯乙烯溶液试样做参比,选择匹配的色谱柱(油性 :StyragelHT5DMF7.8×300 mm+Styragel HT4)。用纯化后的 N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂配置 3.0%的聚合物溶液,配置好的溶液静置一天,备用。测试时,先用注射器吸取四氢呋喃,进行冲洗,重复几次。然后吸取 5ml 实验溶液,排除注射器中的空气,将针尖擦干。最后将试样溶液缓缓注入进样口。待示数稳定后获取数据,读取重均分子量。
2、导电浆料的粘度测试
使用旋转粘度剂测量导电浆料的粘度。选取合适的转子,固定好粘度计转子,将导电浆料放置于粘度计转子下方,导电浆料恰好淹没转子的刻度线,仪器型号:上海方瑞NDJ-5S,转子:63#(2000-10000mPa.s)、64#(10000-50000mPa.s),转速:12转/分钟,测试温度:25℃,测试时间为5分钟,待示数稳定读取数据。
3、导电浆料的过滤性能测试
取500ml烧杯置于200目滤网支架下端,取导电浆料500ml置于滤网中过滤,记录烧杯中浆料体积到达300ml时的时间,此时间用于判段浆料的过滤性能,过滤时间低于120s,表明浆料的过滤性能OK;若浆料不能透过滤网,表明浆料的过滤性能差,判定为“NG”。
4、导电浆料静置24小时之后上/下层固含量的差值
取小片极片于水分测定仪内称重,记为M0,清零;取上层导电浆料,少量涂覆与极片上,然后放入水分测定仪内称重,记为M1;合上设备,开始烘干;结束后,记录称重数据,记录为M2,并计算固含量,固含量为(M2-M0)/(M1-M0);以同样的方法测量下层导电浆料的固含量,以下层导电浆料的固含量减上层导电浆料的固含量作为导电浆料静置24小时之后上/下层固含量的差值。
二、二次电池性能测试
5、正极极片的粘结力
参考GB-T2790-1995国标《胶粘剂180°剥离强度实验方法》,实施例和对比例的粘结力测试过程如下:用刀片截取宽度为30 mm,长度为100-160 mm的试样,将专用双面胶贴于钢板上,胶带宽度20 mm,长度90-150 mm。将前面截取的极片试样的绝缘涂层面贴在双面胶上,后用2 kg压辊沿同一个方向滚压三次。将宽度与极片等宽,长度为250 mm的纸带固定于集流体上,并且用皱纹胶固定。打开三思拉力机电源(灵敏度为1N),指示灯亮,调整限位块到合适位置,将钢板未贴极片的一端用下夹具固定。将纸带向上翻折,用上夹具固定,利用拉力机附带的手动控制器上的“上行”和“下行”按钮调整上夹具的位置。然后进行测试并读取数值,拉伸速度为50 mm/min。将极片受力平衡时的力除以胶带的宽度作为单位长度的正极膜层的粘结力,以表征正极膜层与集流体之间的粘结强度。
6、正极极片的膜片电阻
在正极极片左、中、右处裁剪烘干后的极片,裁剪为3mm直径的小圆片。开启元能科技极片电阻仪电源,将其置于极片电阻仪“探头”合适位置,点击“开始”按钮,待示数稳定,读取即可。每个小圆片测试两个位置,最后计算六次测量的平均值,即为该极片的膜层电阻。
7、二次电池直流阻抗DCR(Ω)
二次电池直流阻抗测试过程如下:在25℃下,将实施例1对应的电池,以1/3*C恒流充电至4.3V,再以4.3V恒定电压充电至电流为0.05C,搁置5min后,记录电压V1。然后再以1/3C放电30s,记录电压V2,则3*(V2-V1)/C,得到二次电池的内阻DCR。
测试结果
本申请改善二次电池的性能的作用如表2所示。
表2
Figure 242492DEST_PATH_IMAGE026
由表2可知,对比例采用导电炭黑粉末直接与正极活性材料混合为正极浆料,导电炭黑发生团聚的风险较高,使得极片电阻较高,动力学性能相对较差。而本申请实施例2-1至实施例2-9将导电炭黑粉末预先制备为导电浆料,聚合物作为分散剂可以有效地将导电炭黑粉末均匀分散,使得导电浆料的分散性能较好,且不容易发生沉降,性能较为均一。在将导电浆料和正极活性材料混合为正极浆料时,可以改善正极极片的电阻,改善正极极片的动力学性能。并且由于聚合物带有一定的粘性,可以辅助提高正极极片内的粘结力。且实施例的存储性能较为稳定,静置24h后不易发生凝胶沉降,在存储60天(60D)后仍不发生凝胶沉降。
实施例2-10至实施例2-13通过调节分散剂聚合物的用量,可以调整对导电剂的分散程度,降低极片电阻,且可以在一定程度上调控粘度,调节极片内的粘结强度。
虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述,但在不脱离本申请的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (20)

1.一种聚合物,包括式(1)所示的结构单元和式(2)所示的结构单元,
Figure 294541DEST_PATH_IMAGE001
式(1);
Figure 84773DEST_PATH_IMAGE002
式(2);
式(2)中,
R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C10烷基。
2.根据权利要求1所述的聚合物,其中,R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C5烷基。
3.根据权利要求1所述的聚合物,其中,所述式(2)所示的结构单元包括式(2-1)至式(2-10)所示的结构单元中的一种或多种:
Figure 684382DEST_PATH_IMAGE003
式(2-1)、
Figure 167447DEST_PATH_IMAGE004
式(2-2)、
Figure 219717DEST_PATH_IMAGE005
式(2-3)、
Figure 545131DEST_PATH_IMAGE006
式(2-4)、
Figure 264826DEST_PATH_IMAGE007
式(2-5)、
Figure 653213DEST_PATH_IMAGE008
式(2-6)、
Figure 192778DEST_PATH_IMAGE009
式(2-7)、
Figure 590393DEST_PATH_IMAGE010
式(2-8)、
Figure 164594DEST_PATH_IMAGE011
式(2-9)、
Figure 314428DEST_PATH_IMAGE012
式(2-10)。
4.根据权利要求1所述的聚合物,其中,所述聚合物满足条件(I)至条件(III)中的至少一条:
(I)所述聚合物的重均分子量为1.5×105Da至2.0×105Da;
(II)所述式(1)所示的结构单元的数量为n,100≤n≤150;
(III)所述式(2)所示的结构单元的数量为m,100≤m≤150。
5.根据权利要求1所述的聚合物,其中,所述聚合物满足条件(1)至条件(3)中的至少一条:
(1)所述聚合物的粘度为C mPa*s,500≤C≤3000;
(2)所述聚合物的玻璃化转变温度Tg ℃,150≤Tg≤180;
(3)所述聚合物于差示扫描量热仪DSC测试下的结晶度为40%至50%。
6.根据权利要求1所述的聚合物,其中,所述聚合物为颗粒状;所述聚合物的体积平均粒径为Dv50 μm,1≤Dv50≤5。
7.一种制备聚合物的方法,包括:
提供第一单体和包含式(2)所示的结构单元的第二单体;
将所述第一单体和所述第二单体在自由基引发剂的存在下,聚合形成聚合物,其中,
所述第一单体包括偏氟乙烯;
所述式(2)所示的结构单元如下:
Figure 216656DEST_PATH_IMAGE013
式(2);
式(2)中,
R1、R2和R3各自独立地选自氢原子、卤素原子或者取代或未取代的C1-C10烷基。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,所述将所述第一单体和所述第二单体在自由基引发剂的存在下,聚合形成聚合物的步骤,包括:
将所述第一单体在自由基引发剂的存在下均聚形成第一嵌段聚合物;
将所述第一单体和所述第二单体以及所述第一嵌段聚合物在自由基引发剂的存在下共聚形成第二嵌段聚合物;
将所述第一单体和所述第二嵌段聚合物在自由基引发剂的存在下共聚形成所述聚合物。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其中,基于所述第一单体和所述第二单体的总摩尔量计,所述第二单体的摩尔百分含量与所述第一单体的摩尔百分含量的比值为A,0.10≤A≤0.30。
10.一种制备导电浆料的方法,包括:
将聚合物加入溶剂中混合为预制胶液;
将导电剂分散于所述预制胶液中形成导电浆料,
其中,所述聚合物包括根据权利要求1至6中任一项所述的聚合物或根据权利要求7至9中任一项所述的方法得到的聚合物。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,
基于所述导电浆料的总质量计,所述聚合物的质量含量记为p%;
基于所述导电浆料的总质量计,所述导电剂的质量含量记为q%,
2≤q/p≤20。
12.根据权利要求11所述的方法,其中,3≤q/p≤15。
13.一种导电浆料,包括导电剂和聚合物,所述聚合物包括根据权利要求1至6中任一项所述的聚合物或根据权利要求7至9中任一项所述的方法得到的聚合物。
14.根据权利要求13所述的导电浆料,其中,
基于所述导电浆料的总质量计,所述聚合物的质量含量记为p%;
基于所述导电浆料的总质量计,所述导电剂的质量含量记为q%,
2≤q/p≤20。
15.根据权利要求14所述的导电浆料,其中,3≤q/p≤15。
16.一种制备正极极片的方法,包括:
提供正极集流体;
将正极活性材料、聚合物、导电剂和粘结剂加入溶剂中混合为正极浆料,将所述正极浆料涂覆于所述正极集流体上,经固化形成正极极片;其中,所述聚合物包括根据权利要求1至6中任一项所述的聚合物或根据权利要求7至9中任一项所述的方法得到的聚合物。
17.根据权利要求16所述的方法,其中,所述将正极活性材料、聚合物、导电剂和粘结剂加入溶剂中混合为正极浆料的步骤,包括:
将所述聚合物加入溶剂中混合为预制胶液;
将所述导电剂分散于所述预制胶液中形成导电浆料;
将所述导电浆料和所述正极活性材料混合为正极浆料。
18.一种正极极片,由如权利要求16或17所述的方法制备得到。
19.一种二次电池,包括根据权利要求18所述的正极极片。
20.一种用电装置,包括根据权利要求19所述的二次电池。
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