一种负极材料、负极浆料、负极片及锂离子电池制造技术

为克服现有负极活性材料在充放电时存在体积膨胀的问题，本发明专利技术提供了一种负极材料，包括负极活性材料和粘结剂；所述粘结剂包括如结构式1所示的改性聚丙烯酰胺：

【技术实现步骤摘要】
一种负极材料、负极浆料、负极片及锂离子电池
本专利技术属于二次电池
，具体涉及一种负极材料、负极浆料、负极片及锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池由于工作电压高、能量密度高、循环寿命长、对环境友好等特点，广泛应用于3C数码产品、电动汽车、军事航天等领域。随着人们生活水平的提高，对锂离子电池的能量密度、工作环境提出了更高的要求。负极材料的能量密度是制约锂离子电池能量密度的一个重要因素，目前商品化的石墨负极克容量已接近理论值372mAh/g。单质硅负极的理论克容量可达4200mAh/g，且储量丰富，是下一代较有希望的新型负极材料，但硅负极材料的导电性和循环性能均较差，充放电过程中容易粉化，并且伴随着300％以上的体积膨胀效应。剧烈的膨胀使得极片中的导电网络被破坏，阻抗急剧上升。同时膨胀也造成极片的粘结失效，造成循环过程中的掉粉。加上体积膨胀破坏了活性材料表面上形成的保护膜，使得下一次充电过程中保护膜必须再次形成，从而造成了电解液和锂离子在循环过程中不断损失而失效。因此硅电极的应用前提是必须解决因为其体积膨胀而造成的诸多问题，目前广泛采用的方式是通过碳材料与硅材料的混合，通过碳材料的导电性，提高电极的电导率，同时为硅材料的膨胀提供缓冲。硅嵌/脱锂过程中的体积膨胀效应是限制硅材料使用的一个主要因素。大多数研究者都从材料自身的角度出发，将硅材料纳米化和复合化，使其性能得到了一定程度的改观。这些研究主要集中在调控活性材料的微观结构来优化材料的性能，只有少量研究报道了粘结剂和导电剂对电极性能的影响，结果表明：电极极片是一个复杂的单元，电极材料、辅助材料导电剂、粘接剂以及制作工艺共同决定着极片的最终表现，因而很多非常重要的性能，包括循环稳定性和首次不可逆容量，都强烈依赖于粘结剂的性能，而不仅仅是改变材料本身的结构和性能就能达到的。开发适合高比容量硅负极材料用的粘结剂成为近期锂电池辅助材料的研发重点。而近期的研究表明：带有羧基的聚合物(如聚丙烯酸(PAA))、海藻酸钠(Alg)相比传统的粘结剂如聚偏氟乙烯(PVDF)更加适合于做硅基负极材料的粘结剂。从聚合物粘结的分子结构来看，PVDF、CMC、Alg和PAA都属于直链状的聚合物，经长期循环后，这种直链状结构的聚合物粘结剂易与活性颗粒之间发生不可逆滑移，造成活性材料与电极基体之间失去电连接性，增大了电极的不可逆比容量。
技术实现思路
针对现有负极活性材料在充放电时存在体积膨胀的问题，本专利技术提供了一种负极材料、负极浆料、负极片及锂离子电池。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案如下：一方面，本专利技术提供了一种负极材料，包括负极活性材料和粘结剂；所述粘结剂包括如结构式1所示的改性聚丙烯酰胺：其中，m、n、i各自独立地选自大于或等于1且小于100的整数，X选自含有羟基的单体链段。可选的，所述改性聚丙烯酰胺由包括丙烯酰胺、丙烯酸锂和含有羟基的单体的聚合单体聚合得到，其中，含有羟基的单体包括乙烯醇、丙烯醇、(甲基)丙烯酸羟甲酯、(甲基)丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸羟丙酯、(甲基)丙烯酸羟丁酯、3-羟基-1-金刚烷基(甲基)丙烯酸酯、1，4-环己烷二甲醇单(甲基)丙烯酸酯、甘油单(甲基)丙烯酸酯、甘油二(甲基)丙烯酸酯、2-羟基-3-苯氧基丙基(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇-单(甲基)丙烯酸酯、聚丙二醇-单(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇-丙二醇-单(甲基)丙烯酸酯中的一种或多种。可选的，所述改性聚丙烯酰胺中，m、n、i的比例为20～70：1～30：10～45可选的，所述负极材料中包括如下重量组分：负极活性材料85～97份，粘结剂2～5份。可选的，所述负极活性材料包括硅碳负极材料。可选的，所述负极材料中还包括0.01～5重量份的导电剂，所述导电剂包括单壁碳纳米管、石墨烯、导电石墨、导电炭黑、科琴黑和碳纤维中的一种或多种。另一方面，本专利技术提供了一种负极浆料，包括溶剂和如上所述的负极材料。可选的，所述负极浆料包括如下重量组分：负极活性材料85～97份，导电剂0.01～5份，粘结剂2～5份，溶剂56～60份和NMP1～2份。另一方面，本专利技术提供了一种负极片，包括集流体以及如上所述的负极材料，所述负极材料覆盖于所述集流体上。另一方面，本专利技术提供了一种锂离子电池，包括正极片、电解液以及如上所述的负极片。根据本专利技术提供的负极材料，采用了如结构式1所示的改性聚丙烯酰胺作为粘结剂，所述改性聚丙烯酰胺中含有丙烯酸锂单体，其中含有的羧酸锂能够提高负极材料的分散性，利于离子导电性能的提高，同时在首次充放电过程中对负极进行补锂，提高电池放电的首次效率；所述改性聚丙烯酰胺中含有的酰胺基团能够强烈粘度于集流体上，提高电池循环寿命；尤其是，改性聚丙烯酰胺类粘结剂中的酰胺基团和醇羟基基团在极片干燥过程中发生热交联反应，形成三维网状结构，具有更好的力学性能、粘结性能和三维整体结构保护性能，能够有效地缓解负极活性材料在循环过程中由于颗粒剧烈的体积变化而造成的极片结构的破坏，为负极活性材料在循环过程中提供一个稳定的导电网络和极片结构，进而可以更好地提高电池的循环性能。本负极材料应用于负极片，可以显著降低负极片的膨胀率、提升锂离子电池的循环性能以及能量密度。附图说明图1是本专利技术提供的实施例1、3和对比例1、2的锂离子电池的循环测试图。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供了一种负极材料，包括负极活性材料和粘结剂；所述粘结剂包括如结构式1所示的改性聚丙烯酰胺：其中，m、n、i各自独立地选自大于或等于1且小于100的整数，X选自含有羟基的单体链段。本专利技术提供的负极材料采用了如结构式1所示的改性聚丙烯酰胺作为粘结剂，所述改性聚丙烯酰胺中含有丙烯酸锂单体，其中含有的羧酸锂能够提高负极材料的分散性，利于离子导电性能的提高，同时在首次充放电过程中对负极进行补锂，提高电池放电的首次效率；所述改性聚丙烯酰胺中含有的酰胺基团能够强烈粘度于集流体上，提高电池循环寿命；尤其是，改性聚丙烯酰胺类粘结剂中的酰胺基团和醇羟基基团在极片干燥过程中发生热交联反应，形成三维网状结构，具有更好的力学性能、粘结性能和三维整体结构保护性能，能够有效地缓解负极活性材料在循环过程中由于颗粒剧烈的体积变化而造成的极片结构的破坏，为负极活性材料在循环过程中提供一个稳定的导电网络和极片结构，进而可以更好地提高电池的循环性能。本负极材料应用于负极片，可以显著降低负极片的膨胀率、提升锂离子电池的循环性能以及能量密度。在一些实施例中，所述改性聚丙烯酰胺由包括丙烯酰胺、丙烯酸锂和含有羟基的单体的聚合单体聚合得到，其中，含有羟基的单体包括乙烯醇、丙烯醇、(甲基)丙烯酸羟甲酯、(甲基)丙烯酸羟乙酯、(甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负极材料，其特征在于，包括负极活性材料和粘结剂；/n所述粘结剂包括如结构式1所示的改性聚丙烯酰胺：/n

【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，包括负极活性材料和粘结剂；
所述粘结剂包括如结构式1所示的改性聚丙烯酰胺：



其中，m、n、i各自独立地选自大于或等于1且小于100的整数，X选自含有羟基的单体链段。


2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述改性聚丙烯酰胺由包括丙烯酰胺、丙烯酸锂和含有羟基的单体的聚合单体聚合得到，其中，含有羟基的单体包括乙烯醇、丙烯醇、(甲基)丙烯酸羟甲酯、(甲基)丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸羟丙酯、(甲基)丙烯酸羟丁酯、3-羟基-1-金刚烷基(甲基)丙烯酸酯、1，4-环己烷二甲醇单(甲基)丙烯酸酯、甘油单(甲基)丙烯酸酯、甘油二(甲基)丙烯酸酯、2-羟基-3-苯氧基丙基(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇-单(甲基)丙烯酸酯、聚丙二醇-单(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇-丙二醇-单(甲基)丙烯酸酯中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述改性聚丙烯酰胺中，m、n、i的比例20～70：1～30：10～45。


4....

【专利技术属性】
技术研发人员：黄博然，刘伟星，刘惠银，陈洁芳，林应升，
申请(专利权)人：名添科技深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44