阳离子壳聚糖导电功能助剂及其制备方法和应用

本发明属于硅基电池，具体涉及一种阳离子壳聚糖导电功能助剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近些年来，锂离子电池由于其能量密度高、循环性能好等优点，被广泛应用于各种电子产品当中。随着电动汽车行业的快速发展，对锂离子电池的循环性能有了更高的要求。硅及其衍生物由于其高理论容量、生态友好性和地球上丰富的储量，是很有前途的下一代新型电池材料。当前，硅作为电池负极有很多优点。例如，有数据表明，硅在自然界中储量丰富，在土壤中的含量高达28wt％。其次，硅具有较高的理论比容量(4200mah·g-1)和合适的工作电位，有利于提高锂离子电池的循环性能。因此，硅被认为是当前最有希望替代石墨成为新一代的负极材料。尽管硅基电池的应用前景十分广阔，但是目前硅负极在应用过程中，也遇到了一系列的问题，例如硅在循环时会发生较大的体积膨胀，硅颗粒被破坏，甚至导致硅颗粒在集流体上脱落。此外还有电极材料的导电性差等问题，都会影响电池的循环性能。

2、碳纳米管是近年来应用广泛的一种导电材料，最近已经开始作为锂离子电池电极中的导电材料进行直接工业应用。但是，因为碳纳米管是以束状聚集体的形式制备的，往往形成一种团聚体，所以碳纳米管之间存在大量的范德华力，难以分散开，从而影响了碳纳米管在电池工业上的应用。因此，有必要提高碳纳米管的分散性，以解决碳纳米管在硅基负极应用的问题。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于提供一种阳离子壳聚糖导电功能助剂的制备方法，本发明的第二个目的在于提供该制备方法制得的阳离子壳聚糖导电功能助剂，本发明的第三个目的在于提供该阳离子壳聚糖导电功能助剂的应用。

2、根据本发明的第一个方面，提供了一种阳离子壳聚糖导电功能助剂的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)将阳离子化试剂加入水中，再加入壳聚糖，60～90℃加热，搅拌反应12-72小时，得到阳离子壳聚糖水溶液；

4、(2)将步骤(1)得到的阳离子壳聚糖水溶液投入分散设备中，加入锆珠，再加入导电添加剂，分散均匀后得到阳离子壳聚糖导电功能助剂。

5、本发明将壳聚糖与阳离子化试剂反应后得到的阳离子壳聚糖可以与导电添加剂形成阳离子π相互作用，可以有效吸附导电添加剂，提高其亲水性，从而使得该材料可以在水溶液中有效分散。

6、本发明将阳离子壳聚糖与导电添加剂复合，制备阳离子壳聚糖导电功能助剂，制得的阳离子壳聚糖导电功能助剂不仅导电性能好，而且可以与硅基负极中的聚丙烯酸类粘结剂形成交联作用，有效抑制硅基电池在充放电过程中的体积膨胀，提高硅基负极电池的电化学性能。

7、在一些实施方式中，阳离子化试剂是2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、4-(甲基硫代)苄氯、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的任意一种。

8、在一些实施方式中，阳离子化试剂和壳聚糖的质量比为1：0.5-10。

9、在一些实施方式中，步骤(1)中，反应温度为80℃。此外，反应温度还可以是60℃，65℃，70℃，75℃，85℃，90℃，以及60～90℃中的任意温度，在此不再一一举例。

10、在一些实施方式中，步骤(1)中，反应时间为72小时。此外，反应时间还可以是12小时，24小时，36小时，48小时，60小时，以及12-72小时中的任意时长，在此不再一一举例。

11、在一些实施方式中，步骤(2)中，分散设备为球磨机、砂磨机或超声机。

12、在一些实施方式中，导电添加剂为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、石墨烯、导电炭黑中的任意一种。

13、在一些实施方式中，步骤(2)中，测量阳离子壳聚糖水溶液中的阳离子壳聚糖的含量后将阳离子壳聚糖水溶液投入分散设备中。

14、在一些实施方式中，阳离子壳聚糖导电功能助剂中的阳离子壳聚糖、导电添加剂与水的质量比为0.1～5:0.1～5:80～99.8。

15、在一些实施方式中，锆珠的加入量为阳离子壳聚糖导电功能助剂体积的10％-100％。

16、根据本发明的第二个方面，提供了上述的制备方法制得的阳离子壳聚糖导电功能助剂。

17、根据本发明的第三个方面，提供了上述的阳离子壳聚糖导电功能助剂在制备硅基电池中的应用。

18、根据本发明的第四个方面，提供了一种硅基电池负极，其制备方法包括以下步骤：

19、将硅基活性物质、水性粘结剂和上述的阳离子壳聚糖导电功能助剂在水中进行机械分散，制成电极浆料，然后将电极浆料均匀地涂覆在集流体上，干燥，得到硅基电池负极。

20、在一些实施方式中，硅基活性物质为siox/c 600活性物质或siox/c1500活性物质。

21、在一些实施方式中，水性粘结剂为聚丙烯酸类粘结剂。具体地，聚丙烯酸类粘结剂包括聚丙烯酸、聚丙烯酸锂和聚丙烯酸钠。

22、在一些实施方式中，硅基活性物质、水性粘结剂和阳离子壳聚糖导电功能助剂的质量比为80-96：1-20：4-20。

23、在一些实施方式中，集流体为铜箔。

24、根据本发明的第五个方面，提供了一种硅基电池，其由锂金属正极极片、上述的硅基电池负极、聚丙烯隔膜、电解液组成。

25、本发明的有益效果包括：

26、(1)本发明将壳聚糖与阳离子化试剂反应后得到的阳离子壳聚糖，可以与导电添加剂形成阳离子π相互作用，可以有效吸附导电添加剂，提高导电添加剂的亲水性，从而使导电添加剂可以在水溶液中有效分散。本发明改善了导电添加剂在水性分散溶液中的分散性，有助于碳纳米管等导电添加剂在电池工业中的应用。

27、(2)本发明将阳离子壳聚糖与导电添加剂复合制备的阳离子壳聚糖导电功能助剂，具有很强的导电性，将其应用于硅基负极中，阳离子壳聚糖导电功能助剂可以与硅基负极浆料中的带负电的聚丙烯酸类粘结剂进行交联，形成交联网络，从而有效抑制硅基负极在充放电过程中产生的体积效应，提高电池的电化学性能。

28、(3)本发明的阳离子壳聚糖导电功能助剂的制备方法，使用原料易得、价格低廉，工艺简单，实验周期短，可室温操作，节省能源，无有毒物质产生，环境友好，具有较高的实际应用价值。

技术特征：

1.阳离子壳聚糖导电功能助剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的阳离子壳聚糖导电功能助剂的制备方法，其特征在于，所述阳离子化试剂是2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、4-(甲基硫代)苄氯、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的任意一种。

3.根据权利要求1或2所述的阳离子壳聚糖导电功能助剂的制备方法，其特征在于，所述阳离子化试剂和壳聚糖的质量比为1：0.5-10。

4.根据权利要求1或2所述的阳离子壳聚糖导电功能助剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述分散设备为球磨机、砂磨机或超声机；

5.根据权利要求1或2所述的阳离子壳聚糖导电功能助剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，测量阳离子壳聚糖水溶液中的阳离子壳聚糖的含量后将阳离子壳聚糖水溶液投入分散设备中；

6.权利要求1-5任一项所述的制备方法制得的阳离子壳聚糖导电功能助剂。

7.权利要求6所述的阳离子壳聚糖导电功能助剂在制备硅基电池中的应用。

8.硅基电池负极，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的硅基电池负极，其特征在于，所述水性粘结剂为聚丙烯酸类粘结剂；

10.硅基电池，其特征在于，其由锂金属正极极片、权利要求8或9所述的硅基电池负极、聚丙烯隔膜、电解液组成。

技术总结
本发明属于硅基电池技术领域，具体涉及一种阳离子壳聚糖导电功能助剂及其制备方法和应用。本发明的阳离子壳聚糖导电功能助剂的制备方法，包括如下步骤：(1)将阳离子化试剂加入水中，再加入壳聚糖，60‑90℃加热，搅拌反应12‑72小时，得到阳离子壳聚糖水溶液；(2)将阳离子壳聚糖水溶液投入分散设备中，加入锆珠，再加入导电添加剂，分散均匀后得到阳离子壳聚糖导电功能助剂。本发明将阳离子壳聚糖与导电添加剂复合得到的阳离子壳聚糖导电功能助剂的导电性能好，可以与硅基负极中的聚丙烯酸类粘结剂形成交联作用，有效抑制硅基电池在充放电过程中的体积膨胀，提高硅基负极电池的电化学性能。

技术研发人员：杨宇,伍世睿,李腾,陈柱钻,林佳缅,郑培涛
受保护的技术使用者：华南农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16