一种粘结剂、使用它的负极浆料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种粘结剂、使用它的负极浆料及其制备方法和应用，所述粘结剂包括海藻酸钠、环糊精和锂盐；所述粘结剂能够有效缓冲硅颗粒在嵌‑脱锂过程中体积效应带来的应力，从而减少材料的粉化、脱落现象，提高电池的库伦效率，延长采用硅基负极的锂离子电池的循环寿命；粘结剂的制备方法简单，原料易得，价格低廉，易于实现批量制备，适用于工业化生产；由该粘结剂制备的浆料具有较好的均匀性和粘结性，还能加强锂离子输运能力、从而改善了电池的倍率性能和循环稳定性；且浆料的制备方法简单，原料易得，价格低廉，易于实现；由该负极浆料制备的锂离子电池具有较好的倍率性能和循环稳定性，可作为动力电池应用于电动汽车中。

【技术实现步骤摘要】
一种粘结剂、使用它的负极浆料及其制备方法和应用
本专利技术属于锂离子电池领域，具体涉及一种粘结剂、使用它的负极浆料及其制备方法和应用。
技术介绍
锂离子动力电池是最有前景的一种能量存储装置，具有日益增长的市场，广泛应用于便携电子设备、电动车、电动汽车及能量存储系统。有着其他电池不能超越的优点：体积小，重量轻，高能量密度、绿色环保、安全性能高和优异的循环性能。为了提高锂离子动力电池能量密度，提高正负极材料的比容量是主要手段。硅负极材料的理论比容量为4200mAh/g，是石墨负极理论比容量372mAh/g的十倍以上，是石墨负极最有前景的替代材料。但硅颗粒在嵌锂过程中会产生巨大的体积膨胀(＞300％)，经过多次嵌锂-脱锂过程，导致材料逐渐粉化、并从集流体脱落，同时电池循环中还伴随着SEI膜的不断破裂、再生、累计，造成电池库伦效率低、界面阻抗持续增大，电池性能衰退，影响了硅基负极材料的实际应用。在硅基负极材料极片的过程中，需将负极浆料涂布到铜集流体上，再经过、烘干、辊压、模切等工序。其中粘结剂的性能对浆料粘附到集流体上起到了关键作用。若粘结剂性能不好，则在后续工序及循环过程中容易出现活性物质在集流体上脱落等问题，影响电池容量的发挥。目前锂离子动力电池最常用的粘结剂为聚偏氟乙烯，羧甲基纤维素钠等。聚偏氟乙烯是工业上较为成熟的一种粘结剂，但弹性较差，不能有效缓冲Si体积变化带来的应力，导致锂离子电池容量快速衰减，稳定性下降；且其使用过程中需要消耗大量的有机溶剂N-甲基吡咯烷酮，造成较大的环境污染，且成本较高。CN107170989A公开了一种锂离子电池硅基负极材料粘结剂，包括以下质量分数的组分：透明质酸钠50-100％，海藻酸钠0-50％，通过将透明质酸钠单独或者与海藻酸钠混合使用，由于透明质酸钠能分散在水中形成粘稠液，其分子内含有较多羟基极性官能团，可与硅表面氧化硅层形成更多氢键，进一步增强粘结剂与硅材料间的粘结力；该专利技术制备的硅基负极材料粘结剂具有较好的粘结力，且可增加硅基负极材料的电化学性能，但是其库伦效率和循环寿命仍有待提高。CN108172764A公开了一种高比容量硅基负极及其制造方法，高比容量硅基负极包含集流体和涂覆在集流体外的负极膜层，该负极膜层包含硅基负极活性物质、复合粘结剂和导电剂，该复合粘结剂包含水可溶性的组分A和水可溶性的组分B，该组分A包含锂离子聚合物，该组分B包含改性聚丙烯酸(PAA)和海藻酸钠(SA)中的至少一种；该方法制备的负极膜层能有效提高锂电硅基负极的材料性能，但是其循环寿命仍有待提高。因此，开发一种能够提高硅基负极的倍率性能和循环稳定性的粘结剂非常有必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种粘结剂、使用它的负极浆料及其制备方法和应用，所述粘结剂可有效抑制其在充放电过程中体积变化带来的活性物质粉化、脱落等问题，从而提高了电池的循环稳定性能；粘结剂制备方法简单、原料易得、价格低廉，有望应用于工业生产；采用该粘结剂制备极片用于锂离子电池中可以增加锂离子输运性能、同时改善电池倍率性能和循环稳定性，可作为动力电池应用于电动汽车中。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的目的之一在于提供一种粘结剂，所述粘结剂包括海藻酸钠、环糊精和锂盐。本专利技术中所述的粘结剂加入到负极材料中制备负极极片，其中粘结剂的性能对电极材料粘附到集流体上起到关键作用，本专利技术制备的粘结剂具有较好的粘结性能，并可有效抑制其在充放电过程中体积变化带来的活性物质粉化、脱落等问题，从而提高电池的循环稳定性。本专利技术中所述的粘结剂以线性海藻酸钠为基体，通过与环糊精和锂盐的相互作用，达到更好的电化学性能。其中，环糊精为环状结构，与线性海藻酸钠形成三维网状结构，锂盐为电池反应提供丰富的锂离子，可促进电池反应中锂离子的传输。在本专利技术中，以海藻酸钠、环糊精和锂盐的总质量100％计，所述海藻酸钠的质量百分含量为40-75％，(例如40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％等)，环糊精的质量百分含量为20-40％，(例如20％、22％、25％、27％、30％、32％、35％、37％、40％等)，锂盐的质量百分含量为5-20％，(例如5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％等)。在本专利技术中，所述环糊精为α-环糊精、β-环糊精或γ-环糊精中的任意一种或至少两种的组合，优选α-环糊精和β-环糊精的组合。本专利技术中选用的环糊精分子具有略呈锥形的中空圆筒立体环状结构，且具有疏水性能；其疏水性空洞内可嵌入各种有机化合物，形成包接复合物，并改变被包络物的物理和化学性质；可以在环糊精分子上交链许多官能团或将环糊精交链于聚合物上，进行化学改性或者以环糊精为单体进行聚合；环糊精和海藻酸钠反应生成三维网状结构，便于锂离子的传输，增加导电性能。在本专利技术中，所述α-环糊精和β-环糊精的质量比为1:1-3:1，例如1:1、1.2:1、1.5:1、1.8:1、2:1、2.2:1、2.5:1、2.8:1、3:1等。在本专利技术中，α-环糊精和β-环糊精的质量比在1:1-3:1的范围之内，制备的粘结剂加入到锂离子电池中可以增加电池的导电性能和循环性能；若二者的质量比不在1:1-3:1的范围之内，则制备的粘结剂加入到锂离子电池中的导电性能和循环性能均会有所下降。在本专利技术中，所述锂盐为草酸锂和/或碳酸锂优选草酸锂和碳酸锂的组合。本专利技术中选用的锂盐具有丰富的锂离子并提供羧基，因此具有较好的导电性能，且与硅更好的结合。在本专利技术中，所述草酸锂和碳酸锂的质量比为1:1-4:1，例如1:1、1.2:1、1.5:1、1.8:1、2:1、2.2:1、2.5:1、2.8:1、3:1、3.2:1、3.5:1、3.7:1、4:1等。本专利技术中草酸锂和碳酸锂的质量比在1:1-4:1的范围之内，则制备的粘结剂加入到锂离子电池中可以增加电池的导电性能，若二者的质量比不在1:1-4:1的范围之内，则制备的粘结剂加入到锂离子电池中的导电性能会有所降低。本专利技术的目的之二在于提供一种如目的之一所述粘结剂的制备方法，所述制备方法包括：将海藻酸钠、环糊精和锂盐溶于去离子水中，混合，得到所述粘结剂。本专利技术所述的粘结剂的制备方法简单，原料易得，价格低廉，易于实现，有望应用于工业化生产。本专利技术的目的之三在于提供一种负极浆料，所述负极浆料包括质量百分含量为80-96％(例如80％、82％、85％、87％、90％、92％、95％、96％等)的硅基材料、1-5％(例如1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％等)导电添加剂和3-15％(例如3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％等)的粘结剂，所述粘结剂为目的之一所述的粘结剂。本专利技术中通过粘结剂制备的负极浆料具有较好的粘结性能，将其涂覆至负极材料上，降低了后续工序及循环过程中容易出现活性物质在集流体上脱落等问题，可增加负极材料的锂离子传导性能和循环性能。在本专利技术中，所述硅基材料包括纳米硅颗粒和/或硅碳复合物。在本专利技术中，所述导电添加剂包括导电炭黑、科琴黑或乙炔黑中的任意一种或至少两种的组合。本专利技术的目的之四在于提供一种如目的之三所述的负极浆料的制备方法，所述制备方法包括：将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粘结剂，其特征在于，所述粘结剂包括海藻酸钠、环糊精和锂盐。

【技术特征摘要】
1.一种粘结剂，其特征在于，所述粘结剂包括海藻酸钠、环糊精和锂盐。2.根据权利要求1所述的粘结剂，其特征在于，以海藻酸钠、环糊精和锂盐的总质量100％计，所述海藻酸钠的质量百分含量为40-75％，环糊精的质量百分含量为20-40％，锂盐的质量百分含量为5-20％。3.根据权利要求1或2所述的粘结剂，其特征在于，所述环糊精为α-环糊精、β-环糊精或γ-环糊精中的任意一种或至少两种的组合，优选α-环糊精和β-环糊精的组合；优选地，所述α-环糊精和β-环糊精的质量比为1:1-3:1。4.根据权利要求1-3任一项所述的粘结剂，其特征在于，所述锂盐为含羧基锂盐；优选地，所述锂盐包括草酸锂和/或碳酸锂，优选草酸锂和碳酸锂的组合；优选地，所述草酸锂和碳酸锂的质量比为1:1-4:1。5.根据权利要求1-4任一项所述的粘结剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将海藻酸钠、环糊精和锂盐溶于去离子水中，混合，得到所述粘结剂。6.一种负极浆料，其特征在于，所述负极浆料包括质量百分含量为80-96％的硅基材料、1-5％导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锁江，李丽媛，张兰，詹秋设，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，中科廊坊过程工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11