CN116995233A - 一种电池用粘结剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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CN116995233A CN202210442379.6A CN202210442379A CN116995233A CN 116995233 A CN116995233 A CN 116995233A CN 202210442379 A CN202210442379 A CN 202210442379A CN 116995233 A CN116995233 A CN 116995233A
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周竹欣
王路海
刘林生
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Abstract

本发明提供一种电池用粘结剂及其制备方法和应用,所述电池用粘结剂包括由嵌段A和嵌段B组成的嵌段共聚物,所述嵌段A的制备原料包括芳香族二异氰酸酯和芳香族二元胺,所述嵌段B的制备原料包括脂肪族二异氰酸酯和脂肪族二元胺;所述电池用粘结剂兼具优异的粘结性能和柔韧性,能保证所制得的电池极片具有优异的力学性能,进而使得进一步制备得到的电池具有优异的电学性能,且所述电池用粘结剂的制备方法简单,制备条件温和,适合大规模工业化。

Description

一种电池用粘结剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于粘结剂技术领域,具体涉及一种电池用粘结剂及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池粘结剂是电池中的非活性成分,在锂离子电池中占比比较小,但却将活性材料、导电剂和集流体等材料连结成整体,在保证极片具有良好的机械性能、加工性能以及维持电池在充放电过程中导电网络完整性方面起到至关重要的作用。
目前,锂离子电池中使用最广泛的油溶性粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。然而,PVDF存在一系列来自自身的难以解决的问题,例如,合成PVDF的单体属于含氟烃类化合物,因此,会对地球臭氧层造成破坏,故其生产受到严格管控,并且PVDF的模量大,会导致极片脆性较大,进行大曲率弯折应用时易出现活性材料脱落或掉粉的问题,而PVDF的粘结作用力主要来源于弱范德华力的界面作用,难以有效维持电极结构的完整,会导致极片在充放电循环过程和高温工作中,PVDF容易产生降解或其它副反应,造成电极塌陷。因此,PVDF已经难以适应现今飞速发展的新能源技术对粘结剂的需求。
CN105514488A公开了一种锂离子电池粘结剂及含有该粘结剂的锂离子电池,其数均分子量为50~120万;所述粘结剂可以大幅度提高正极极片的柔韧性,避免由于极片过脆而引起的加工、电池性能等问题,有利于提升压实密度,提高电池能量密度。通过共聚改性的方式,在PVDF的链结构中引入丙烯酸酯和丙烯酸结构,从而提高极片的柔韧性。然而,该粘结剂的主要结构单元仍为聚偏二氟乙烯,还是不能从根本上解决PVDF本身的缺陷。
CN112186189A公开了一种高镍三元材料正极片用粘结剂,所述粘结剂为聚氨基甲酸酯纤维,所述聚氨基甲酸酯纤维是由交替的软段和硬段组成的多嵌段共聚物。与传统的PVDF相比,该发明提供的粘结剂可薄而均匀地包覆在高镍三元材料的表面,一方面有效避免了充放电过程中高镍材料与电解液之间的副反应,同时提高了正极-电解液界面(CEI)的稳定性,保证了高镍三元体系的循环性能和安全性能;另一方面该粘结剂还有助于导电剂在电极中分布的更加均匀,更大程度的提升电池的整体导电性,以提升电池的循环性能,解决了高镍三元材料电池因镍含量增加而带来的循环性能以及安全性能的问题。然而,该发明提供的粘结剂的吸水性极强,进而对正极浆料的加工要求高,制备方法复杂且条件苛刻,还存在原材料和生产成本高昂的问题。
CN113773419A公开了一种贻贝仿生聚合物及其制备方法、正极粘结剂、二次电池。该发明提供的贻贝仿生聚合物具有多巴胺结构以及羧基,因此与金属集流体和正极活性材料之间均有较强的粘附力,作为正极粘结剂时,可提升所得正极材料、正极和二次电池的循环性能、倍率性能及导电性能。但是,多巴胺结构中的羟基的电化学稳定性较差,容易发生电化学反应产生气体,难以适应高电压的电池体系,且多巴胺的价格昂贵,难以工业化应用。
因此,开发一种兼具优异粘结性能和柔韧性的电池用粘结剂,是本领域急需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种电池用粘结剂及其制备方法和应用;所述电池用粘结剂包括由嵌段A和嵌段B组成的嵌段共聚物;所述嵌段A的制备原料包括芳香族二异氰酸酯和芳香族二元胺;所述嵌段B的制备原料包括脂肪族二异氰酸酯和脂肪族二元胺。包含所述嵌段共聚物的电池用粘结剂兼具较强的粘结强度和柔韧性,使得采用所述粘结剂制得的电池极片具有优异的力学性能,进而可保证所述电池极片在循环充放电后仍具有完整性,提高了电池极片的能量密度,进而改善了电池的寿命和使用安全性。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂包括由嵌段A和嵌段B组成的嵌段共聚物;
所述嵌段A的制备原料包括芳香族二异氰酸酯和芳香族二元胺;
所述嵌段B的制备原料包括脂肪族二异氰酸酯和脂肪族二元胺。
本发明提供的电池用粘结剂包括由嵌段A和嵌段B组成的嵌段共聚物;其中,所述嵌段A为刚性嵌段,制备原料包括芳香族二异氰酸酯和芳香族二元胺,所述嵌段A可以提供粘结剂所需的韧性,维持粘结剂所需的力学强度,同时还有助于提高粘结剂对电解液的耐受性,保证粘结剂的完整性;所述嵌段B为柔性嵌段,其制备原料包括脂肪族二异氰酸酯和脂肪族二元胺,所述嵌段B可以提供粘结剂所需的柔性,提高粘结剂对基材的浸润能力,从而提高粘结剂与基材的粘结力,还可以同时赋予粘结剂一定的电解液溶胀性,提高锂离子传输的速率,进而有助于降低极片的阻抗。因此,本发明提供的包括由嵌段A和嵌段B的电池用粘结剂兼具较强的粘结强度和柔韧性,在保证所制得的电池极片具有较高的力学性能的同时,还可保持电池极片在循环充放电后结构的完整性,进而大幅度提高了电池的能量密度,改善了电池的寿命和使用安全性。
优选地,所述嵌段A和嵌段B的摩尔比为1:(0.4~4),例如1:0.8、1:1.2、1:1.6、1:2、1:2.4、1:2.8、1:3.2或1:3.6等,进一步优选为1:(1~2.5)。
作为本发明的优选技术方案,当嵌段A和嵌段B的摩尔比为1:(0.4~4)时,特别是摩尔比为1:(1~2.5)时,可以使得到的电池用粘结剂的柔韧性以及对基材的粘结能力得到进一步提高,进而也进一步提高了由所述电池粘结剂制备得到的电池的电学性能。
优选地,所述嵌段A的制备原料中芳香族二异氰酸酯的摩尔百分含量为30~49mol%,例如32mol%、34mol%、36mol%、38mol%、40mol%、42mol%、44mol%、46mol%或48mol%等。
优选地,所述芳香族二异氰酸酯包括4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、二甲基联苯二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯或3,3-二氯代联苯-4,4-二异氰酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述嵌段A的制备原料中芳香族二元胺的摩尔百分含量为51~70mol%,例如52mol%、54mol%、56mol%、58mol%、60mol%、62mol%、64mol%、66mol%或68mol%等。
优选地,所述芳香族二元胺包括对苯二胺、间苯二胺、4,4’-二氨基二苯醚、3,4’-二氨基二苯醚、4,4’-二氨基二苯甲酮、4,4’-二氨基二苯砜、3,3’-二氨基二苯砜、4,4’-二氨基联苯、4,4’-二氨基二苯甲烷、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯]丙烷、2,2’-双(三氟甲基)二氨基联苯或5-氨基-2-(4-氨基苯基)苯并咪唑中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述嵌段A的通过如下方法制备得到,所述方法包括:将芳香族二异氰酸酯和芳香族二元胺在溶剂中进行反应,得到所述嵌段A。
优选地,所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮。
优选地,所述反应的时间为60~360min,例如80min、120min、160min、200min、240min、280min、320min或340min等。
优选地,所述反应的温度为50~70℃,例如52℃、54℃、56℃、58℃、60℃、62℃、64℃、66℃或68℃等。
优选地,所述方法具体包括如下步骤:
(A1)将芳香族二异氰酸酯溶于溶剂,得到芳香族二异氰酸酯溶液;将芳香族二元胺溶于溶剂,得到芳香族二元胺溶液;
(A2)将步骤(A1)中的芳香族二异氰酸酯溶液加入步骤(A1)中的芳香族二元胺溶液中反应,得到所述嵌段A。
优选地,步骤(A1)所述芳香族二异氰酸酯溶液中的芳香族二异氰酸酯的质量百分含量为10~40%,例如13%、16%、19%、22%、25%、28%、31%、34%或37%等。
优选地,步骤(A1)所述芳香族二元胺溶液中芳香族二元胺的质量百分含量为10~40%,例如13%、16%、19%、22%、25%、28%、31%、34%或37%等。
优选地,步骤(A2)所述加入的时间为30~120min,例如40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min或110min等。
优选地,所述嵌段B的制备原料中脂肪族二异氰酸酯的摩尔百分含量为51~70mol%,例如52mol%、54mol%、56mol%、58mol%、60mol%、62mol%、64mol%、66mol%或68mol%等。
优选地,所述脂肪族二异氰酸酯包括六亚甲基二异氰酸酯、三甲基六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯或赖氨酸二异氰酸酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述嵌段B的制备原料中脂肪族二元胺的摩尔百分含量为30~49mol%,例如32mol%、34mol%、36mol%、38mol%、40mol%、42mol%、44mol%、46mol%或48mol%等。
优选地,所述脂肪族二元胺包括脂肪族碳链二元胺、醚基二元胺、双端氨基聚酰胺或双端氨基聚丁二烯-丙烯腈共聚物中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述脂肪族碳链二元胺包括1,6-己二胺、1,7-庚二胺、1,8-辛二胺、1,9-壬二胺、1,10-癸二胺、1,11-十一烷二胺、1,12-十二烷二胺、1,14-十四烷二胺、1,16-十六烷二胺、1,18-十八烷二胺、1,36-三十六烷二胺、2,5-二甲基-1,6-己二胺、2,4-二甲基-1,6-己二胺、3,3-二甲基-1,6-己二胺、2,2-二甲基-1,6-己二胺、2,2,4-三甲基-1,6-己二胺、2,4,4-三甲基-1,6-己二胺、2,4-二乙基-1,6-己二胺、2,2-二甲基-1,7-庚二胺、2,3-二甲基-1,7-庚二胺、2,4-二甲基-1,7-庚二胺、2,5-二甲基-1,7-庚二胺、2-甲基-1,8-辛二胺、3-甲基-1,8-辛二胺、4-甲基-1,8-辛二胺、1,3-二甲基-1,8-辛二胺、1,4-二甲基-1,8-辛二胺、2,4-二甲基-1,8-辛二胺、3,4-二甲基-1,8-辛二胺、4,5-二甲基-1,8-辛二胺、2,2-二甲基-1,8-辛二胺、3,3-二甲基-1,8-辛二胺、4,4-二甲基-1,8-辛二胺或5-甲基-1,9-壬二胺中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述醚基二元胺包括双(2-氨基乙基)醚、3,6-二氧杂-1,8-辛二胺、4,7-二氧杂-1,10-癸二胺、4,7-二氧杂-2,9-癸二胺、4,9-二氧杂-1,12-十二烷二胺、5,8-二氧杂-3,10-十二烷二胺、4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺、双(3-氨基丙基)聚四氢呋喃或聚氧化亚烷基二胺中的任意一种或至少两种的组合。
在本发明中,对于所述聚氧化亚烷基二胺的具体种类无特别限定,通常可以选择商品化的Huntsman公司的D230、D400、D2000、D4000、XTJ511、XTJ523、XTJ536、XTJ542、XTJ559、XTJ568、XTJ569、ED600、ED900、ED2003,BASF公司的PolyetheramineD230、Polyetheramine D400、Polyetheramine D2000,Nitroil公司的PCDA250、PCDA400、PCDA650或PCDA2000中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述双端氨基聚酰胺包括双端氨基聚酰胺6、双端氨基聚酰胺11、双端氨基聚酰胺12、双端氨基聚酰胺66、双端氨基聚酰胺610、双端氨基聚酰胺612、双端氨基聚酰胺1010、双端氨基聚酰胺1011、双端氨基聚酰胺1012、双端氨基聚酰胺1013、双端氨基聚酰胺1111、双端氨基聚酰胺1112、双端氨基聚酰胺1113、双端氨基聚酰胺1212、双端氨基聚酰胺1213、双端氨基聚酰胺1313或双端氨基聚酰胺1414中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述脂肪族二元胺的主链上的碳原子数大于10,例如11、12、13、14、15、16、17、18、19或20等。
作为本发明的优选技术方案,在本发明中优选脂肪族二元胺为主链上含碳原子数大于10的脂肪族二元胺,这样可以使得嵌段B具有更好的柔性。
优选地,所述嵌段B通过如下方法制备得到,所述方法包括:将脂肪族二异氰酸酯和脂肪族二元胺在溶剂中进行反应,得到所述嵌段B。
优选地,所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮。
优选地,所述反应的时间为60~360min,例如80min、120min、160min、200min、240min、280min、320min或340min等。
优选地,所述反应的温度为50~70℃,例如52℃、54℃、56℃、58℃、60℃、62℃、64℃、66℃或68℃等。
优选地,所述方法具体包括如下步骤:
(B1)将脂肪族二异氰酸酯溶于溶剂,得到脂肪族二异氰酸酯溶液;将脂肪族二元胺溶于溶剂,得到脂肪族二元胺溶液;
(B2)将步骤(B1)中的脂肪族二异氰酸酯溶液加入步骤(B1)中的脂肪族二元胺溶液中,进行反应,得到所述嵌段B。
优选地,步骤(B1)所述脂肪族二异氰酸酯溶液中的脂肪族二异氰酸酯的质量百分含量为10~40%,例如13%、16%、19%、22%、25%、28%、31%、34%或37%等。
优选地,步骤(B1)所述脂肪族二元胺溶液中的脂肪族二元胺的质量百分含量为10~40%,例如13%、16%、19%、22%、25%、28%、31%、34%或37%等。
优选地,步骤(B2)所述加入的时间为30~60min,例如33min、36min、39min、42min、45min、48min、51min、54min、57min或60min等。
优选地,所述嵌段共聚物的粘度为100~100000mPa·s,例如500mPa·s、1000mPa·s、3000mPa·s、6000mPa·s、9000mPa·s、10000mPa·s、30000mPa·s、60000mPa·s或90000mPa·s等,进一步优选为1000~10000mPa·s。
作为本发明的优选技术方案,包含粘度为1000~100000mPa·s的嵌段共聚物的电池用粘结剂能有效改善浆料的加工性能和涂布外观。一方面,如果所述嵌段共聚物的粘度偏低,会导致自身悬浮性能不足,进而导致浆料出现沉降的现象,降低极片的剥离强度,并造成极片中活性物质层因内聚力不足而掉粉;另一方面,如果所述嵌段共聚物的粘度偏高,会导致浆料加工涂布困难,浆料分散困难,造成极片活性物质层表面出现麻点、划痕或颗粒物。
需要说明的是,上述嵌段共聚物的“粘度”指的是在嵌段共聚物25±0.01℃的N-甲基吡咯烷酮中测量质量浓度为10%的嵌段型共聚物的粘度。
优选地,所述嵌段共聚物的玻璃化转变温度为-20~160℃,例如0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃或140℃等,进一步优选为40~120℃。
作为本发明的优选技术方案,选择玻璃化转变温度为-20~160℃的嵌段共聚物有利于使得电池用粘结剂的粘结性能更优、耐电解液性能更好;一方面,如果所述嵌段共聚物的玻璃化转变温度过低,会导致电池用粘结剂的力学性能不足,难以维持极片整体结构的完整性,同时还会造成极片耐电解液性能下降,对电池的长循环性能不利;另一方面,如果所述嵌段共聚物的玻璃化转变温度过高,会导致所述电池用粘结剂过于硬脆,进一步导致极片在加工过程中容易发生脆断而失效,同时还会造成极片的剥离强度大幅下降,从而造成极片活性物质层因内聚力不足而掉粉。
优选地,所述嵌段共聚物的弹性模量为500~4000MPa,例如1000MPa、1500MPa、2000MPa、2500MPa、3000MPa或3500MPa等,进一步优选为800~3000MPa,更进一步优选为1200~2500MPa。
作为本发明的优选技术方案,选择弹性模量为500~4000MPa的嵌段共聚物有利于获得柔韧性更优的电池粘结剂。一方面,如果所述嵌段共聚物的弹性模量过低,会导致电池用粘结剂的力学性能不足,难以维持极片整体结构的完整;另一方面,如果所述嵌段共聚物的弹性模量过高,会导致所述电池用粘结剂过于硬脆,在极片的加工过程中极片容易发生脆断而失效。
优选地,所述电池用粘结剂中还包括粘结物质和/或导电物质。
优选地,以所述电池用粘结剂的总重量为100份计,所述粘结物质的含量为1~49重量份,例如5重量份、10重量份、15重量份、20重量份、25重量份、30重量份、35重量份、40重量份或45重量份等。
优选地,所述粘结物质包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酯酰亚胺、聚碳酸酯酰亚胺、聚脲酰亚胺、丁苯橡胶、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸-聚丙烯腈共聚物或聚丙烯酸酯-聚丙烯腈共聚物中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,所述粘结物质包括聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚丙烯酸或丁苯橡胶中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,以所述电池用粘结剂的总重量为100份计,所述导电物质的含量为1~49重量份,例如5重量份、10重量份、15重量份、20重量份、25重量份、30重量份、35重量份、40重量份或45重量份等。
优选地,所述导电物质包括导电炭黑、导电石墨、改性导电石墨、金属粒子、科琴黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯或导电聚合物中的任意一种或至少两种的组合。
第二方面,本发明提供一种如第一方面所述电池用粘结剂的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将嵌段A和嵌段B进行混合,反应,得到中间产物;
(2)向步骤(1)得到的中间产物中加入扩链剂进行反应,再加入封端剂进行反应,得到所述电池用粘结剂。
本发明提供的电池用粘结剂的制备方法,其通过分步聚合反应获得,整体制备方法简单、条件温和,适合大规模工业化生产。
优选地,步骤(1)所述混合通过将嵌段A加入嵌段B来进行。
优选地,所述加入的时间为60~360min,例如100min、140min、180min、220min、260min、300min或340min等。
具体的,在本发明提供的制备方法的步骤(1)中可将含有嵌段A的溶液(嵌段A的N-甲基吡咯烷酮溶液)在60~360min内加入到含有嵌段B的溶液(嵌段B的N-甲基吡咯烷酮溶液)中进行混合,得到混合溶液;将加入的时间控制在60~360min内会使最终得到的电池用粘结剂综合性能最为优异;一方面,如果加入时间的过短,容易造成反应过于剧烈而使最终得到的粘结剂变质;另一方面,如果加入的时间过长,则会导致反应进程缓慢,生产效率下降。
优选地,步骤(1)所述反应的时间为60~360min,例如100min、140min、180min、220min、260min、300min或340min等。
作为本发明的优选技术方案,步骤(1)所述反应时间为60~360min,如果反应时间过短,容易造成反应单元转化率不足,导致最终得到的电池用粘结剂性能下降。
优选地,步骤(1)所述反应的温度为60~90℃,例如63℃、66℃、69℃、72℃、75℃、78℃、81℃、84℃或87℃等。
作为本发明的优选技术方案,步骤(1)所述反应的温度为60~90℃会使得最终得到的电池用粘结剂综合性能最为优异。一方面,当反应温度低于60℃,同样会导致反应进程缓慢,生产效率下降;另一反面,当反应温度高于90℃,则容易造成反应过于剧烈而使所述电池用粘结剂变质;当所述阶段的反应时间短于本发明所述范围时,容易造成反应单元转化率不足,粘结剂性能下降。
优选地,步骤(2)所述扩链剂的加入量为嵌段A和嵌段B的总质量的0.2~2%,例如0.4%、0.6%、0.8%、1%、1.2%、1.4%、1.6%或1.8%等。
优选地,步骤(2)所述扩链剂为脂肪族二元胺。
优选地,步骤(2)所述加入扩链剂进行反应的温度为60~90℃,例如63℃、66℃、69℃、72℃、75℃、78℃、81℃、84℃或87℃等。
优选地,步骤(2)所述加入扩链剂进行反应的时间为30~120min,例如40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min或120min等。
优选地,步骤(2)所述封端剂的加入量为嵌段A和嵌段B的总质量的0.1~1%,例如0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%或0.9%等。
优选地,步骤(2)所述封端剂包括甲胺、乙胺、丙胺、二甲胺、二乙胺、苯胺、二苯胺或对氨基苯甲酸中的任意一种或至少两种的组合。
优选地,步骤(2)所述加入封端剂进行反应的时间为30~120min,例如40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min或110min等。
优选地,步骤(2)所述加入封端剂进行反应的温度为20~40℃,例如22℃、24℃、26℃、28℃、30℃、32℃、34℃、36℃或38℃等。
优选地,步骤(2)所述加入封端剂之前还包括加入N-甲基吡咯烷酮进行稀释的步骤。
作为优选技术方案,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将含有嵌段A的溶液在60~360min内加入含有嵌段B的溶液中,60~90℃下反应60~360min,得到中间产物;
(2)向步骤(1)得到的中间产物中加入扩链剂在60~90℃下反应30~120min,加入N-甲基吡咯烷酮进行稀释,降温至25~35℃,再加入封端剂进行反应30~120min,得到所述电池用粘结剂;
第三方面,本发明提供一种电池极片,所述电池极片包括如第一方面所述的电池用粘结剂。
优选地,所述电池极片为正极片或负极片。
需要说明的是,在实际应用时还可将本发明所提供的电池用粘结剂应用到电池正极材料中,正极的边缘、正极底、负极材料中、负极边缘、负极底以及隔膜中。
并且将本发明所提供的电池用粘结剂应用到电池正极片和负极片中时,对正极片或负极片中所选用的活性物质的种类没有特别限定,对活性物质的粒径也没有特别限定。关于所采用的正极活性物质,可以包含但不限于锂铁磷氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂铁氧化物、锂镍锰氧化物、锂钴镍氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物以及它们的复合物中的任意一种或多种的组合;关于所采用的负极活性物质,可以使用但不限于碳/硅材料、金属及金属氧化物中的一种或以上;所述碳/硅材料,例如可以使用天然石墨、人造石墨、非晶碳、金刚石状碳、碳纳米管、碳/硅杂化材料、氧化硅、硅中的任意一种或多种的组合;所述金属,可以使用但不限于锂、铝、锡、银、锌、钙、钡、汞、铂、锝、铋、铟中的一种或含有其中两种以上的金属合金;所述金属氧化物,可以使用但不限于氧化铝、氧化锡、氧化铟、氧化锌、氧化锂中的一种或以上。
第四方面,本发明提供一种锂离子电池,所述锂离子电池包括如第三方面所述的电池极片。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提供的电池用粘结剂,包括由嵌段A和嵌段B组成的嵌段共聚物,所述嵌段A的制备原料包括芳香族二异氰酸酯和芳香族二元胺,所述嵌段B的制备原料包括脂肪族二异氰酸酯和脂肪族二元胺。所述嵌段A为包含强极性基团的刚性嵌段,所述嵌段B为柔性嵌段B,本发明提供的电池用粘结剂包括由嵌段A和嵌段B组成的嵌段共聚物,因此,结合了上述嵌段A和嵌段B的优势,兼具优异的柔韧性以及粘结性能,应用到电池极片中,可以使电池极片具有优异的力学性能,进而使得包含所述电池极片的电池具有优异的电学性能。具体而言,采用本发明提供的电池用粘结剂得到的正极极片的剥离强度为9~36N/m,进一步制备得到的软包电池的内阻为294~870mΩ,100次循环后的容量保持率为94.8~99.4%。
(2)本发明提供的电池用粘结剂中所包含的嵌段共聚物可通过分步聚合反应而获得,整体制备方法简单、条件温和,适合大规模工业化;且所制备得到的粘结剂还可提高电极浆料分散性,改善了在搭配小粒径材料在涂布过程中容易出现的加工问题,同时还可以改善粘结剂与聚合物之间、聚合物与活性材料之间、聚合物与导电剂之间以及聚合物与集流体之间的粘结力,具有重要研究价值。
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。
实施例1
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为摩尔比为5:5的嵌段A和嵌段B形成的嵌段共聚物;
所述嵌段共聚物的制备方法包括如下步骤:
(1)嵌段A的合成:将105g(42mol%)的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯溶解于245gN-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A1溶液;将62.7g(58mol%)的间苯二胺溶解于146g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A2溶液;然后将A1溶液在60min内匀速加入到A2溶液中,在搅拌条件下,将混合反应液温度维持在60℃继续反应300min,形成嵌段A溶液;
(2)嵌段B的合成:将97.6g(58mol%)的六亚甲基二异氰酸酯溶解于228g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B1溶液;将72.4g(42mol%)的1,10-癸二胺溶解于169gN-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B2溶液;然后将B1溶液在40min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在60℃继续反应180min,形成嵌段B溶液;
(3)嵌段共聚物的合成:将步骤(1)得到的嵌段A溶液在180min内匀速加入到步骤(2)得到的嵌段B溶液中搅拌混合,将混合反应液温度维持在70℃下继续反应240min,形成嵌段A与嵌段B的摩尔比为5:5的中间体;然后向所述中间体中加入3.38g(占嵌段A和嵌段B总质量的1%)的1,6-己二胺进行括链反应60min,再加入2291g N-甲基吡咯烷酮进行稀释,将混合反应液温度降至30℃后,加入1.02g(质量含量为0.3%)的丙胺封端剂,反应60min,得到固含量为10%的嵌段共聚物。
实施例2
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为摩尔比为5:5的嵌段A和嵌段B形成的嵌段共聚物;
所述嵌段共聚物的制备方法包括如下步骤:
(1)嵌段A的合成:将105g(42mol%)的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯溶解于245gN-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A1溶液;将115g(58mol%)的4,4’-二氨基二苯甲烷溶解于268g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A2溶液;然后将A1溶液在60min内匀速加入到A2溶液中,在搅拌条件下,将混合反应液温度维持在60℃继续反应300min,形成嵌段A溶液;
(2)嵌段B的合成:将97.6g(58mol%)的六亚甲基二异氰酸酯溶解于228g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B1溶液;将168g(42mol%)的醚基二元胺D400溶解于392g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B2溶液;然后将B1溶液在60min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在50℃继续反应270min,形成嵌段B溶液;
(3)嵌段共聚物的合成:将步骤(1)得到的嵌段A溶液在180min内匀速加入到步骤(2)得到的嵌段B溶液中搅拌混合,将混合反应液温度维持在70℃下继续反应240min,形成嵌段A与嵌段B的摩尔比为5:5的中间体,然后向所述中间体中加入9.71g(占嵌段A和嵌段B总质量的2%)的1,12-十二烷二胺进行括链反应60min,同时加入3352g N-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入2.97g(质量含量为0.6%)的苯胺封端剂,反应60min,得到固含量为10%的嵌段共聚物。
实施例3
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为摩尔比为5:5的嵌段A和嵌段B形成的嵌段共聚物;
所述嵌段共聚物的制备方法包括如下步骤:
(1)嵌段A的合成:将85.3g(49mol%)的甲苯二异氰酸酯溶解于128g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为40%的A1溶液;将126.6g(51mol%)的4,4’-二氨基二苯砜溶解于1139.7g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为10%的A2溶液;然后将A1溶液在60min内匀速加入到A2溶液中,在搅拌条件下,将混合反应液温度维持在50℃继续反应360min,形成嵌段A溶液;
(2)嵌段B的合成:将117.8g(53mol%)的异佛尔酮二异氰酸酯溶解于176.7g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为40%的B1溶液;将752g(47mol%)的双端氨基聚丁二烯-丙烯腈共聚物(源自美国Noveon,型号1300×16)溶解于1128g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为40%的B2溶液。然后将B1溶液在60min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在70℃继续反应60min,形成嵌段B溶液;
(3)嵌段共聚物的合成:将步骤(1)得到的嵌段A溶液在270min内匀速加入到步骤(2)得到的嵌段B溶液中搅拌混合反应;将混合反应液温度维持在80℃下继续反应360min,形成嵌段A与嵌段B的摩尔比为5:5的中间体,然后向所述中间体中加入2.16g(占嵌段A和嵌段B总质量的0.2%)的双(2-氨基乙基)醚进行括链反应30min,同时加入7293g N-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入10.8g(质量含量为1%)的对氨基苯甲酸封端剂,反应120min,得到固含量为10%的嵌段共聚物。
实施例4
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为摩尔比为5:5的嵌段A和嵌段B形成的嵌段共聚物;
所述嵌段共聚物的制备方法包括如下步骤:
(1)嵌段A的合成:将56.5g(30mol%)的苯二亚甲基二异氰酸酯解于508.1g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为10%的A1溶液;将140.2g(70mol%)的4,4’-二氨基二苯醚溶解于210.3g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为40%的A2溶液;然后将A1溶液在30min内匀速加入到A2溶液中,在搅拌条件下,将混合反应液温度维持在70℃继续反应60min,形成嵌段A溶液;
(2)嵌段B的合成:将183.6g(70mol%)的二环己基甲烷二异氰酸酯溶解于734.6gN-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为20%的B1溶液;将480g(30mol%)的双端氨基聚丁二烯-丙烯腈共聚物(美国Noveon,型号1300×16)溶解于720g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为40%的B2溶液。然后将B1溶液在60min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在60℃继续反应240min,形成嵌段B溶液;
(3)嵌段共聚物的合成:将步骤(1)得到的嵌段A溶液在120min内匀速加入到步骤(2)得到的嵌段B溶液中搅拌混合反应;将混合反应液温度维持在70℃下继续反应300min,形成嵌段A与嵌段B的摩尔比为5:5的中间体,然后加入1.72g(占嵌段A和嵌段B总质量的0.2%)的双(2-氨基乙基)醚进行括链反应120min,同时加入5593g N-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入0.86g(质量含量为0.1%)的二乙胺封端剂,反应120min,得到固含量为10%的嵌段共聚物。
实施例5
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为摩尔比为2:8的嵌段A和嵌段B形成的嵌段共聚物;
所述嵌段共聚物的制备方法包括如下步骤:
(1)嵌段A的合成:将49g(49mol%)的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯溶解于114g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A1溶液;将22.1g(51mol%)的间苯二胺溶解于51.5g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A2溶液;然后将A1溶液在60min内匀速加入到A2溶液中,在搅拌条件下,将混合反应液温度维持在60℃继续反应300min,形成嵌段A溶液;
(2)嵌段B的合成:将137.2g(51mol%)的六亚甲基二异氰酸酯溶解于320.2g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B1溶液;将135.1g(49mol%)的1,10-癸二胺溶解于315.2g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B2溶液。然后将B1溶液在40min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在60℃继续反应180min,形成嵌段B溶液;
(3)嵌段共聚物的合成:将步骤(1)得到的嵌段A溶液在180min内匀速加入到步骤(2)得到的嵌段B溶液中搅拌混合反应;将混合反应液温度维持在70℃下继续反应240min,形成嵌段A与嵌段B的摩尔比为2:8的中间体,然后加入3.43g(占嵌段A和嵌段B总质量的1%)的1,6-己二胺进行括链反应60min,同时加入2330g N-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入1.04g(质量含量为0.3%)的丙胺封端剂,反应60min,得到固含量为10%的嵌段共聚物。
实施例6
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为摩尔比为7:3的嵌段A和嵌段B形成的嵌段共聚物;
所述嵌段共聚物的制备方法包括如下步骤:
(1)嵌段A的合成:将171.7g(49mol%)的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯溶解于401gN-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A1溶液;将77.2g(51mol%)的间苯二胺溶解于180g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A2溶液;然后将A1溶液在60min内匀速加入到A2溶液中,在搅拌条件下,将混合反应液温度维持在60℃继续反应300min,形成嵌段A溶液;
(2)嵌段B的合成:将51.5g(51mol%)的六亚甲基二异氰酸酯溶解于120g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B1溶液;将50.7g(49mol%)的1,10-癸二胺溶解于118.2g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B2溶液。然后将B1溶液在40min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在60℃继续反应180min,形成嵌段B溶液;
(3)嵌段共聚物的合成:将步骤(1)得到的嵌段A溶液在180min内匀速加入到步骤(2)得到的嵌段B溶液中搅拌混合反应;将混合反应液温度维持在70℃下继续反应240min,形成嵌段A与嵌段B的摩尔比为7:3的中间体,然后加入3.51g(占嵌段A和嵌段B总质量的1%)的1,6-己二胺进行括链反应60min,同时加入2381g N-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入1.06g(质量含量为0.3%)的丙胺封端剂,反应60min,得到固含量为10%的嵌段共聚物。
实施例7
一种电池用粘结剂,其由90重量份的嵌段共聚物和10重量份的聚酰胺酰亚胺组成;
其中,嵌段共聚物为实施例1得到的嵌段共聚物;
聚酰胺酰亚胺的制备方法参考专利CN113571704A制备。
实施例8
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为摩尔比为9:1的嵌段A和嵌段B形成的嵌段共聚物;
所述嵌段共聚物的制备方法包括如下步骤:
(1)嵌段A的合成:将189g(42mol%)的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯溶解于441gN-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A1溶液;将113g(58mol%)的间苯二胺溶解于263g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A2溶液;然后将A1溶液在60min内匀速加入到A2溶液中,在搅拌条件下,将混合反应液温度维持在60℃继续反应300min,形成嵌段A溶液;
(2)嵌段B的合成:将19.5g(58mol%)的六亚甲基二异氰酸酯溶解于45.5g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B1溶液;将14.5g(42mol%)的1,10-癸二胺溶解于33.8g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B2溶液。然后将B1溶液在40min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在60℃继续反应180min,形成嵌段B溶液;
(3)嵌段共聚物的合成:将步骤(1)得到的嵌段A溶液在180min内匀速加入到步骤(2)得到的嵌段B溶液中搅拌混合反应;将混合反应液温度维持在70℃下继续反应240min,形成嵌段A与嵌段B的摩尔比为9:1的中间体,然后加入3.36g(占嵌段A和嵌段B总质量的1%)的1,6-己二胺进行括链反应60min,同时加入2280g N-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入1.02g(质量含量为0.3%)的丙胺封端剂,反应60min,得到固含量为10%的嵌段共聚物。
实施例9
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为摩尔比为1:5的嵌段A和嵌段B形成的嵌段共聚物;
所述嵌段共聚物的制备方法包括如下步骤:
(1)嵌段A的合成:将24.5g(49mol%)的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯溶解于57.2g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A1溶液;将11.0g(51mol%)的间苯二胺溶解于25.7gN-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A2溶液;然后将A1溶液在60min内匀速加入到A2溶液中,在搅拌条件下,将混合反应液温度维持在60℃继续反应300min,形成嵌段A溶液;
(2)嵌段B的合成:将85.8g(51mol%)的六亚甲基二异氰酸酯溶解于200g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B1溶液;将84.4g(49mol%)的1,10-癸二胺溶解于197gN-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B2溶液。然后将B1溶液在40min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在60℃继续反应180min,形成嵌段B溶液;
(3)嵌段共聚物的合成:将步骤(1)得到的嵌段A溶液在180min内匀速加入到步骤(2)得到的嵌段B溶液中搅拌混合反应;将混合反应液温度维持在70℃下继续反应240min,形成嵌段A与嵌段B的摩尔比为1:5的中间体,然后加入2.06g(占嵌段A和嵌段B总质量的1%)的1,6-己二胺进行括链反应60min,同时加入1396g N-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入0.62g(质量含量为0.3%)的丙胺封端剂,反应60min,得到固含量为10%的嵌段共聚物。
实施例10
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为摩尔比为2:8的嵌段A和嵌段B形成的嵌段共聚物;
所述嵌段共聚物的制备方法包括如下步骤:
(1)嵌段A的合成:将49.0g(49mol%)的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯溶解于114gN-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A1溶液;将83.7g(51mol%)的2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯]丙烷溶解于195g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A2溶液;然后将A1溶液在60min内匀速加入到A2溶液中,在搅拌条件下,将混合反应液温度维持在60℃继续反应300min,形成嵌段A溶液;
(2)嵌段B的合成:将137g(51mol%)的六亚甲基二异氰酸酯溶解于320g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B1溶液;将1254g(49mol%)的双端氨基聚丁二烯-丙烯腈共聚物(美国Noveon,型号1300×16)溶解于2927g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B2溶液。然后将B1溶液在40min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在60℃继续反应180min,形成嵌段B溶液;
(3)嵌段共聚物的合成:将步骤(1)得到的嵌段A溶液在180min内匀速加入到步骤(2)得到的嵌段B溶液中搅拌混合反应;将混合反应液温度维持在70℃下继续反应240min,形成嵌段A与嵌段B的摩尔比为2:8的中间体,然后加入15.2g(占嵌段A和嵌段B总质量的1%)的1,6-己二胺进行括链反应60min,同时加入10342g N-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入4.62g(质量含量为0.3%)的丙胺封端剂,反应60min,得到固含量为10%的嵌段共聚物。
对比例1
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为无规共聚物;
所述无规共聚物的制备方法包括:将105g的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯溶解于245g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A1溶液,将97.6g的六亚甲基二异氰酸酯溶解于228g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B1溶液,然后将A1溶液和B1溶液混合均匀;将62.7g的间苯二胺溶解于146g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A2溶液;将72.4g的1,10-癸二胺溶解于169g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B2溶液,然后将A2溶液和B2溶液混合均匀,然后将A1溶液和B1溶液的混合溶液在180min内匀速加入到A2溶液和B2溶液的混合溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在70℃继续反应240min。然后加入3.38g的1,6-己二胺进行括链反应60min,同时加入2291g N-甲基吡咯烷酮进行稀释。将混合反应液温度降至30℃后,加入1.02g的丙胺封端剂,反应60min,得到固含量为10%的无规型共聚物溶液。
对比例2
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为仅含嵌段B的聚合物;
所述仅含嵌段B的聚合物的制备方法包括:将85.8g(51mol%)的六亚甲基二异氰酸酯溶解于200g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B1溶液;将196g(49mol%)的醚基二元胺D400溶解于457g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的B2溶液。然后将B1溶液在40min内匀速加入到B2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在60℃继续反应180min。然后加入2.82g的1,6-己二胺进行括链反应60min,同时加入1912gN-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入0.85g的丙胺封端剂,反应60min,得到固含量为10%的仅含嵌段B的聚合物。
对比例3
一种电池用粘结剂,所述电池用粘结剂为仅含嵌段A的聚合物;
所述仅含嵌段A的聚合物的制备方法包括:将128g(51mol%)的4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯溶解于298g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A1溶液;将53g(49mol%)的间苯二胺溶解于124g N-甲基吡咯烷酮中,形成质量含量为30%的A2溶液。然后将A1溶液在40min内匀速加入到A2溶液中搅拌混合反应,将混合反应液温度维持在60℃继续反应180min。然后加入1.81g的1,6-己二胺进行括链反应60min,同时加入1225g N-甲基吡咯烷酮进行稀释;将混合反应液温度降至30℃后,加入0.55g的丙胺封端剂,反应60min,得到所述电池用粘结剂。
应用例1
一种软包电池,其制备方法包括如下步骤:
(1)正极片的制备:以固体重量份计,将95份磷酸铁锂(贝特瑞,P198-S13)、2.5份Super P导电炭黑、2.5份电池用粘结剂(实施例1),按照总固体成分质量含量为63%的比例加入适量NMP,在真空搅拌罐中进行混合搅拌,分散均匀,配制成电池浆料;将得到的电池浆料经100目筛网过滤后,利用挤压涂布机,将电池浆料均匀地涂布于作为集流体的铝箔的正反两个表面上,涂覆的面密度为350g/m2,在105℃下进行鼓风干燥,去除溶剂,然后在室温下进行压延,形成正极极片;
(2)负极片的制备:以固体重量份计,将96份人造石墨(贝特瑞,S360)、1份碳纳米管(卡博特,GCNTs5)、1份CMC(陶氏,CRT30000PA)、2份丁苯橡胶乳液(日本JSR,TRD104A),以水为溶剂,混合分散均匀,制成负极浆料后涂覆于铜箔的正反两表面上,在95℃下进行鼓风干燥,去除溶剂。然后在室温下进行压延,形成负极极片;
(3)在得到的正极极片和负极极片上焊接导电极耳,将聚乙烯隔膜放置于正极极片和负极极片中间,将其卷绕成裸电芯后包裹在铝塑膜中,并注入由EC:EMC:DEC体积比=1:1:1(含1.0M的LiPF6)组成的电解液,进行封装后对电池进行化成,得到所述软包电池。
应用例2~10
一种软包电池,其与应用例1的区别仅在于,分别采用实施例2~10得到的电池用粘结剂替换实施例1得到的电池用粘结剂,其他物质、含量和制备方法均与应用例1相同。
对比应用例1~3
一种软包电池,其与应用例1的区别仅在于,分别采用对比例1~3得到的电池用粘结剂替换实施例1得到的电池用粘结剂,其他物质、含量和制备方法均与应用例1相同。
性能测试:
(1)玻璃化转变温度:按照《ASTM D3418》提供的测试方法,利用差示扫描量热法(DSC)进行测量;具体地,将样品涂布在玻璃板上,在120℃下真空烘干成固体膜。采用耐驰公司DSC 204F1 Phoenix,测试温度范围为-20~200℃,升温速率为10℃/min,从-20℃升温至200℃,然后以10℃/min将样品冷却至-20℃,并在3分钟后进行第二次升温过程,对第二次升温过程的记录进行分析,得到样品的玻璃化转变温度(Tg);
(2)弹性模量:将所制得的样品涂布在玻璃板上,在真空烘箱中在120℃下真空烘干后,从玻璃板上揭下,获得厚度均一的聚合物胶膜。按照《ASTM D882》提供的测试标准,对胶膜的弹性模量进行测量;具体地,采用万能电子试验机,待测试胶膜的宽度为15mm,长度为200mm,拉伸速度为25mm/min,记录三次测试记录值的平均值作为最终结果。
按照上述测试方法(1)和(2)对实施例1~10和对比例1~3得到的粘结剂进行测试,测试结果如表1所示:
表1
玻璃化转变温度(℃) 弹性模量(MPa)
实施例1 115 2602
实施例2 95 2293
实施例3 25 1263
实施例4 40 1520
实施例5 55 1407
实施例6 160 3792
实施例7 110 2554
实施例8 >200 5028
实施例9 30 1291
实施例10 <-20 <200
对比例1 120 2686
对比例2 <-20 <200
对比例3 >200 5337
(3)剥离强度:将应用例和对比应用例步骤(1)所制备得到的正极极片裁切成10×2cm的样条,在集流体侧用双面胶固定于1mm厚的钢板,在涂布层侧粘贴3M胶带,在25℃的条件下,用万能电子试验机以100mm/min的剥离速度进行180°方向的牵拉剥离实验,记录平均剥离应力;
(4)内阻:采用Solartron电化学工作站测试软包电池的内阻;
(5)循环性能:使用电池测试柜将上述制备的软包电池进行化成和分容;化成工步为以0.05C恒流充电2.0h,再以0.15C恒流充电2.5h;分容工步为以0.33C恒流充电至4.2V,再在4.2V电压下恒压充电至截止电流0.02C,以0.33C放电至2.5V;在25℃下,将化成分容后的电池以0.33C恒流充电至4.2V,再恒压充电至截止电流0.02C,搁置5min,以0.33C放电至2.5V,搁置5min,记录下首次循环后的放电容量;再次,以0.5C恒流充电至4.2V,再恒压充电至截止电流0.02C,搁置5min,以0.5C放电至2.5V,搁置5min,依此循环,充/放电100次循环后,记录下第100次循环后的放电容量;利用以下的公式计算电池100次循环后的容量保持率:100次循环后的容量保持率(%)=第100次循环后的放电容量/首次循环后的放电容量。
按照上述测试方法(3)对应用例1~10和对比应用例1~3得到的正极极片进行测试;按照上述测试方法(4)~(5)对应用例1~10和对比应用例1~3得到的软包电池进行测试,测试结果如表2所示:
表2
从表1和表2可以看出:采用本发明提供的粘结剂得到的正极极片的剥离强度为9~36N/m(应用例1~10),采用上述正极极片制备得到的软包电池的内阻为294~870mΩ,100次循环后的容量保持率为94.8~99.4%。
比较应用例1~10和对比应用例1可以发现,对比应用例1采用的是对比例1提供的无规聚合物作为电池用粘结剂,而应用例1~10分别采用的是实施例1~10提供的嵌段共聚物作为电池用粘结剂,相比较而言,应用例1~10提供的极片具有更高的剥离强度,使得以之制备得到的软包电池具有更低的内阻,循环性能也更优秀。
比较应用例1~7和对比应用例2~3可以发现,对比应用例2采用对比例2提供的仅含嵌段B的粘结剂,使得制备得到的极片的粘结强度虽然较高,但是进一步制备得到的软包电池的内阻有所增加且循环性能有所降低;对比应用例3采用对比例3提供的仅含嵌段A的粘结剂,制备得到的极片的粘结强度较低,且进一步使得制备得到的软包电池的内阻较高,且循环性能较差。
进一步比较应用例1和应用例8~9可以发现,应用例8采用的实施例8提供的电池粘结剂,因为其嵌段共聚物中嵌段A与嵌段B的摩尔比过高,使得制备得到的粘结剂的玻璃化转变温度过高,模量过大,进而使得采用其制备得到的极片的剥离强度过低,且进一步制备得到的软包电池的内阻过高,且循环性能较差;而应用例9采用的实施例9提供的电池粘结剂,因为其嵌段共聚物中嵌段A与嵌段B的摩尔比过低,虽然制备得到的粘结剂的玻璃化转变温度以及模量均在本法明显限定范围内,但是进一步制备得到的软包电池的内阻过高,且循环性能较差。
进一步比较应用例1和应用例10可以发现,对比例10提供的粘结剂中虽然嵌段A与嵌段B的摩尔比在本发明所述的优选范围内,但其玻璃化转变温度过低,模量过小,因此,使得制备得到极片的粘结强度也略有降低,制备得到的软包电池的内阻略有升高,循环性能有所降低。
总结而言,本发明提供的电池用粘结剂中包含由分步聚合反应获得的嵌段A和嵌段B组成的嵌段共聚物,能有效提高使用包含该嵌段共聚物作为电池粘结剂时的极片剥离强度,降低电池内阻,提高电池循环容量保持率。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明一种电池用粘结剂及其制备方法和应用,但本发明并不局限于上述实施例,即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种电池用粘结剂,其特征在于,所述电池用粘结剂包括由嵌段A和嵌段B组成的嵌段共聚物;
所述嵌段A的制备原料包括芳香族二异氰酸酯和芳香族二元胺;
所述嵌段B的制备原料包括脂肪族二异氰酸酯和脂肪族二元胺。
2.根据权利要求1所述的电池用粘结剂,其特征在于,所述嵌段A和嵌段B的摩尔比为1:(0.4~4),优选为1:(1~2.5)。
3.根据权利要求1或2所述的电池用粘结剂,其特征在于,所述嵌段A的制备原料中芳香族二异氰酸酯的摩尔百分含量为30~49mol%;
优选地,所述芳香族二异氰酸酯包括4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、二甲基联苯二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯或3,3-二氯代联苯-4,4-二异氰酸酯中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述嵌段A的制备原料中芳香族二元胺的摩尔百分含量为51~70mol%;
优选地,所述芳香族二元胺包括对苯二胺、间苯二胺、4,4’-二氨基二苯醚、3,4’-二氨基二苯醚、4,4’-二氨基二苯甲酮、4,4’-二氨基二苯砜、3,3’-二氨基二苯砜、4,4’-二氨基联苯、4,4’-二氨基二苯甲烷、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯]丙烷、2,2’-双(三氟甲基)二氨基联苯或5-氨基-2-(4-氨基苯基)苯并咪唑中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1~3任一项所述的电池用粘结剂,其特征在于,所述嵌段A通过如下方法制备得到,所述方法包括:将芳香族二异氰酸酯和芳香族二元胺在溶剂中进行反应,得到所述嵌段A;
优选地,所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮;
优选地,所述反应的时间为60~360min;
优选地,所述反应的温度为50~70℃;
优选地,所述方法具体包括如下步骤:
(A1)将芳香族二异氰酸酯溶于溶剂,得到芳香族二异氰酸酯溶液;将芳香族二元胺溶于溶剂,得到芳香族二元胺溶液;
(A2)将步骤(A1)得到的芳香族二异氰酸酯溶液加入步骤(A1)得到的芳香族二元胺溶液中反应,得到所述嵌段A;
优选地,步骤(A1)所述芳香族二异氰酸酯溶液中的芳香族二异氰酸酯的质量百分含量为10~40%;
优选地,步骤(A1)所述芳香族二元胺溶液中芳香族二元胺的质量百分含量为10~40%;
优选地,步骤(A2)所述加入的时间为30~120min。
5.根据权利要求1~4任一项所述的电池用粘结剂,其特征在于,其特征在于,所述嵌段B的制备原料中脂肪族二异氰酸酯的摩尔百分含量为51~70mol%;
优选地,所述脂肪族二异氰酸酯包括六亚甲基二异氰酸酯、三甲基六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯或赖氨酸二异氰酸酯中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述嵌段B的制备原料中脂肪族二元胺的摩尔百分含量为30~49mol%;
优选地,所述脂肪族二元胺包括脂肪族碳链二元胺、醚基二元胺、双端氨基聚酰胺或双端氨基聚丁二烯-丙烯腈共聚物中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述脂肪族碳链二元胺包括1,6-己二胺、1,7-庚二胺、1,8-辛二胺、1,9-壬二胺、1,10-癸二胺、1,11-十一烷二胺、1,12-十二烷二胺、1,14-十四烷二胺、1,16-十六烷二胺、1,18-十八烷二胺、1,36-三十六烷二胺、2,5-二甲基-1,6-己二胺、2,4-二甲基-1,6-己二胺、3,3-二甲基-1,6-己二胺、2,2-二甲基-1,6-己二胺、2,2,4-三甲基-1,6-己二胺、2,4,4-三甲基-1,6-己二胺、2,4-二乙基-1,6-己二胺、2,2-二甲基-1,7-庚二胺、2,3-二甲基-1,7-庚二胺、2,4-二甲基-1,7-庚二胺、2,5-二甲基-1,7-庚二胺、2-甲基-1,8-辛二胺、3-甲基-1,8-辛二胺、4-甲基-1,8-辛二胺、1,3-二甲基-1,8-辛二胺、1,4-二甲基-1,8-辛二胺、2,4-二甲基-1,8-辛二胺、3,4-二甲基-1,8-辛二胺、4,5-二甲基-1,8-辛二胺、2,2-二甲基-1,8-辛二胺、3,3-二甲基-1,8-辛二胺、4,4-二甲基-1,8-辛二胺或5-甲基-1,9-壬二胺中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述醚基二元胺包括双(2-氨基乙基)醚、3,6-二氧杂-1,8-辛二胺、4,7-二氧杂-1,10-癸二胺、4,7-二氧杂-2,9-癸二胺、4,9-二氧杂-1,12-十二烷二胺、5,8-二氧杂-3,10-十二烷二胺、4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺、双(3-氨基丙基)聚四氢呋喃或聚氧化亚烷基二胺中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述双端氨基聚酰胺包括双端氨基聚酰胺6、双端氨基聚酰胺11、双端氨基聚酰胺12、双端氨基聚酰胺66、双端氨基聚酰胺610、双端氨基聚酰胺612、双端氨基聚酰胺1010、双端氨基聚酰胺1011、双端氨基聚酰胺1012、双端氨基聚酰胺1013、双端氨基聚酰胺1111、双端氨基聚酰胺1112、双端氨基聚酰胺1113、双端氨基聚酰胺1212、双端氨基聚酰胺1213、双端氨基聚酰胺1313或双端氨基聚酰胺1414中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述脂肪族二元胺的主链上的碳原子数大于10。
6.根据权利要求1~5任一项所述的电池用粘结剂,其特征在于,所述嵌段B通过如下方法制备得到,所述方法包括:将脂肪族二异氰酸酯和脂肪族二元胺在溶剂中进行反应,得到所述嵌段B;
优选地,所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮;
优选地,所述反应的时间为60~360min;
优选地,所述反应的温度为50~70℃;
优选地,所述方法具体包括如下步骤:
(B1)将脂肪族二异氰酸酯溶于溶剂,得到脂肪族二异氰酸酯溶液;将脂肪族二元胺溶于溶剂,得到脂肪族二元胺溶液;
(B2)将步骤(B1)得到的脂肪族二异氰酸酯溶液加入步骤(B1)得到的脂肪族二元胺溶液中反应,得到所述嵌段B;
优选地,步骤(B1)所述脂肪族二异氰酸酯溶液中的脂肪族二异氰酸酯的质量百分含量为10~40%;
优选地,步骤(B1)所述脂肪族二元胺溶液中的脂肪族二元胺的质量百分含量为10~40%;
优选地,步骤(B2)所述加入的时间为30~60min。
7.根据权利要求1~6任一项所述的电池用粘结剂,其特征在于,所述嵌段共聚物的粘度为100~100000mPa·s,优选为1000~10000mPa·s;
优选地,所述嵌段共聚物的玻璃化转变温度为-20~160℃,进一步优选为40~120℃;
优选地,所述嵌段共聚物的弹性模量为500~4000MPa,进一步优选为800~3000MPa,更进一步优选为1200~2500MPa;
优选地,所述电池用粘结剂中还包括粘结物质和/或导电物质;
优选地,以所述电池用粘结剂的总重量为100份计,所述粘结物质的含量为1~49重量份;
优选地,所述粘结物质包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酯酰亚胺、聚碳酸酯酰亚胺、聚脲酰亚胺、丁苯橡胶、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸-聚丙烯腈共聚物或聚丙烯酸酯-聚丙烯腈共聚物中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述粘结物质包括聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚丙烯酸或丁苯橡胶中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,以所述电池用粘结剂的总重量为100份计,所述导电物质的含量为1~49重量份;
优选地,所述导电物质包括导电炭黑、导电石墨、改性导电石墨、金属粒子、科琴黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯或导电聚合物中的任意一种或至少两种的组合。
8.一种如权利要求1~7任一项所述电池用粘结剂的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:
(1)将嵌段A和嵌段B进行混合,反应,得到中间产物;
(2)向步骤(1)得到的中间产物中加入扩链剂进行反应,再加入封端剂进行反应,得到所述电池用粘结剂;
优选地,步骤(1)所述混合通过将嵌段A加入嵌段B来进行;
优选地,所述加入的时间为60~360min;
优选地,步骤(1)所述反应的时间为60~360min;
优选地,步骤(1)所述反应的温度为60~90℃;
优选地,步骤(2)所述扩链剂的加入量为嵌段A和嵌段B的总质量的0.2~2%;
优选地,步骤(2)所述扩链剂为脂肪族二元胺;
优选地,步骤(2)所述加入扩链剂进行反应的温度为60~90℃;
优选地,步骤(2)所述加入扩链剂进行反应的时间为30~120min;
优选地,步骤(2)所述封端剂的加入量为嵌段A和嵌段B的总质量的0.1~1%;
优选地,步骤(2)所述封端剂包括甲胺、乙胺、丙胺、二甲胺、二乙胺、苯胺、二苯胺或对氨基苯甲酸中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,步骤(2)所述加入封端剂进行反应的时间为30~120min;
优选地,步骤(2)所述加入封端剂进行反应的温度为20~40℃;
优选地,步骤(2)所述加入封端剂之前还包括加入N-甲基吡咯烷酮进行稀释的步骤。
9.一种电池极片,其特征在于,所述电池极片包括如权利要求1~7任一项所述的电池用粘结剂;
优选地,所述电池极片为正极片或负极片。
10.一种锂离子电池,其特征在于,所述锂离子电池包括如权利要求9所述的电池极片。
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