一种锂离子电池负极粘结剂及其制备方法与应用

本发明属于锂离子电池，尤其涉及一种锂离子电池负极粘结剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、锂离子电池(libs)由于其相对较高的能量密度在便携式电子设备、电动汽车(evs)和混合电动型汽车等得到了广泛的应用。但对于具有更久续航需求的电动汽车而言，开发具有更高能量密度的下一代libs仍然至关重要。更大比容量的负极材料，如硅，以其高的理论比容量(4200mahg-1)获得了极大的关注，成为了有潜力替代石墨的高性能负极材料。

2、然而，在嵌锂/脱锂过程中，巨大体积变化会导致一系列问题，包括电极粉碎、分层和与集流体失去接触等，从而导致了大且不可逆的容量损失。通过合理设计粘结剂结构可以减缓容量衰减，将硅的容量优势最大化。而常用的负极粘结剂主要包括聚丙烯酸(paa)，聚乙烯醇(pva)等高分子聚合物材料，这些高分子往往具有线性结构，在硅的嵌锂膨胀过程中无法承受巨大的应力，易发生链的滑移，导致结构破坏。因此，亟待开发一种具有强大的应力承受和耗散功能的负极粘结剂。

技术实现思路

1、本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种锂离子电池负极粘结剂及其制备方法与应用，具体的技术方案如下：

2、本发明的第一个目的在于提供一种锂离子电池负极粘结剂，由基体聚合物与交联剂混合后热处理得到，所述基体聚合物为含羧基或羧酸根聚合物，所述交联剂为含氨基有机物。

3、本发明提供的锂离子电池负极粘结剂是一种交联结构的粘结剂，以含羧基或羧酸根聚合物和含氨基交联剂为原料，混合后进行热处理以形成酰胺键，构建三维网络结构，由于酰胺键主导的共价网络的形成，粘结剂的应力抵抗能力大幅提升，使其能承受和耗散电极膨胀带来的巨大应力，稳定电极结构，进而延缓电池的容量衰减。

4、进一步地，所述基体聚合物和交联剂的质量比为9:1-1:9。

5、进一步地，所述聚合物基体为聚丙烯酸(paa)、羟甲基纤维素(cmc)或海藻酸钠(sa)中的一种或两种及以上的混合。

6、聚丙烯酸(paa)、羟甲基纤维素(cmc)和海藻酸钠(sa)的结构式如下所示：

7、

8、聚丙烯酸(paa)羟甲基纤维素(cmc)海藻酸钠(sa)

9、进一步地，所述交联剂为三聚氰胺(ma)或聚乙烯亚胺(pei)中的一种或两种的混合。

10、三聚氰胺(ma)和聚乙烯亚胺(pei)的结构式如下所示：

11、

12、三聚氰胺(ma)聚乙烯亚胺(pei)

13、本发明的第二个目的在于提供上述锂离子电池负极粘结剂的制备方法，包括如下步骤：

14、(1)将基体聚合物在水中搅拌溶解，得到均匀的基体聚合物溶液；然后加入氨水，调整溶液的ph值；

15、(2)将交联剂在水中搅拌溶解，得到均匀的交联剂溶液；然后将交联剂溶液加入的步骤(1)的溶液中，形成均匀的粘结剂溶液；

16、(3)将粘结剂溶液在30-100℃下烘干水分后得到聚合物；

17、(4)将聚合物进行热处理得到所述粘结剂。

18、本发明锂离子电池负极粘结剂的制备方法，是先将基体聚合物溶于水，随后加入适量氨水调节溶液ph，将交联剂溶于水形成均匀的溶液，随后将该溶液加入上述溶液中，形成粘结剂溶液，该工艺在引入含氨基交联剂的同时，由于预先引入氨水来中和聚合物基体的羧基，因此有效地避免了粘结剂溶液的絮凝，提升了其稳定性；然后对粘结剂溶液依次进行干燥和高温热处理，使基体聚合物和交联剂在高温下发生羧基或羧酸根和氨基的酰胺化反应，形成共价酰胺键，得到具有共价键，静电相互作用以及氢键这三重相互作用的交联网络结构的粘结剂。

19、进一步地，所述基体聚合物溶液的质量分数为浓度为0.1％-99.9％。

20、进一步地，所述交联剂溶液的质量分数为浓度为0.1％-99.9％。

21、进一步地，所述步骤(1)中，调整溶液的ph值为6-12。

22、进一步地，所述步骤(4)中的热处理方法：将所述聚合物在一定气氛条件下升温至100℃-200℃进行热处理，热处理的反应时间为0.1-10小时。

23、进一步地，所述气氛条件为氮气或氩气中的一种或二者混合气。

24、本发明的第三个目的在于提供上述锂离子电池负极粘结剂在制备锂离子电池中的应用。

25、进一步地，所述负极包括硅，锗，锑和锡中的一种或两种及以上的混合。

26、本发明的有益效果为：

27、本发明提供的锂离子电池负极粘结剂的制备方法不仅操作简单，而且使用无毒害的水作为溶剂，避免了有机溶剂对环境造成的影响；所制备得粘结剂的应力抵抗能力大幅提升，使其能承受和耗散电极膨胀带来的巨大应力，稳定电极结构，可适用于大体积变化的负极材料，如硅，锗，锑和锡等，大幅提高对集流体和活性物质的粘附力，从而提升电极的循环性能，延缓电池的容量衰减，延长其循环寿命。

技术特征：

1.一种锂离子电池负极粘结剂，其特征在于，由基体聚合物与交联剂混合后热处理得到，所述基体聚合物为含羧基或羧酸根聚合物，所述交联剂为含氨基有机物。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极粘结剂，其特征在于，所述基体聚合物和交联剂的质量比为9:1-1:9。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极粘结剂，其特征在于，所述聚合物基体为聚丙烯酸、羟甲基纤维素或海藻酸钠中的一种或两种及以上的混合。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极粘结剂，其特征在于，所述交联剂为三聚氰胺或聚乙烯亚胺中的一种或两种的混合。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的锂离子电池负极粘结剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的锂离子电池负极粘结剂的制备方法，其特征在于，所述基体聚合物溶液的质量分数为浓度为0.1％-99.9％；所述交联剂溶液的质量分数为浓度为0.1％-99.9％。

7.根据权利要求5所述的锂离子电池负极粘结剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，调整溶液的ph值为6-12。

8.根据权利要求5所述的锂离子电池负极粘结剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的热处理方法：将所述聚合物在一定气氛条件下升温至100℃-200℃进行热处理，热处理的反应时间为0.1-10小时；所述气氛条件为氮气或氩气中的一种或二者混合气。

9.如权利要求1-4任一项所述的锂离子电池负极粘结剂在制备锂离子电池中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述负极包括硅，锗，锑和锡中的一种或两种及以上的混合。

技术总结
本发明属于锂离子电池技术领域，尤涉及一种锂离子电池负极粘结剂及其制备方法与应用，所述锂离子电池负极粘结剂由基体聚合物与交联剂混合后热处理得到，所述基体聚合物为含羧基或羧酸根聚合物，所述交联剂为含氨基有机物。本发明的锂离子电池负极粘结剂的制备方法不仅操作简单，而且使用无毒害的水作为溶剂，避免了有机溶剂对环境造成的影响；所制备得粘结剂的应力抵抗能力大幅提升，使其能承受和耗散电极膨胀带来的巨大应力，稳定电极结构，可适用于大体积变化的负极材料，如硅，锗，锑和锡等，大幅提高对集流体和活性物质的粘附力，从而提升电极的循环性能，延缓电池的容量衰减，延长其循环寿命。

技术研发人员：霍开富,何阳
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12