一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，锂离子电池的正极极片及锂离子电池技术

本发明专利技术涉及一种锂离子电池正极的匀浆方法。该方法是以生物质的糠醇聚合物为具有粘结性和导电性的双功能添加剂辅以少量聚丙烯酸接枝改性纤维素纳米纤维（PAA

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，锂离子电池的正极极片及锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，更具体地，涉及一种锂离子电池正极浆 料及其制备方法、正极极片和锂离子电池。

技术介绍

[0002]近年来，受国家政策导向以及国民工作生活方式的转变，社会对于绿色可 持续的清洁能源的需求日益迫切。电化学电源装置得益于其高效便携且连续的 特性，成为当前流通最为普遍且符合时代发展的储能供能装置。新能源电动汽 车以及便携式电子设备的日渐兴起，带动了高能量密度，高安全性以及长循环 寿命的锂离子电池产业以及其上下游产业链的快速发展。而其中具有更高提升 空间与高容量潜质的正极材料是当今学术界与产业界的研发重点。
[0003]层状三元材料具有高能量密度和高倍率性能，普遍被认为是最有潜力的正 极材料之一。在锂离子电池制作全工序中，匀浆工艺是尤为重要的一环。目前， 传统的正极匀浆工艺需要添加碳基材料(碳黑，Super P，CNT等)，聚偏氟乙烯 (PVDF)，和N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)分别作为导电剂，粘结剂和分散剂以获 得正极材料浆料。但传统的匀浆工艺存在几个弊端：(1)碳基材料与PVDF以 导电剂和粘结剂加入时，两种材料本身不具备嵌脱锂的能力，但却占据了相当 一部分的电池内部体积(10％
‑
20％)，尤其是真密度较低的碳基材料，使得本就 有限的电池内部体积变得更加拥挤，严重降低了电池的体积能量密度；(2)有 机系的匀浆工艺需要PVDF与NMP作为粘结剂和分散剂，PVDF价格昂贵，而NMP具有生理毒性，极片烘干时NMP蒸汽排空对于大气环境也有一定的污染。 基于经济与环境的综合考虑，当前最成熟，最广泛使用的正极匀浆工艺并非最 为理想的匀浆工艺。
[0004]已报道的水系匀浆体系相对于传统的有机匀浆体系仍存在未解决的问题： (1)水相对于有机溶液对颗粒的分散性较差，易发生颗粒团聚现象，匀浆效果 变差，最终导致极片的导电性以及粘结性效果变差；(2)正极材料中残留的碱 性锂化物会脱离颗粒表面溶于水中，并附着于铝集流体上，发生腐蚀现象；(3) 水做分散剂会使正极材料晶格中的锂脱出，破坏结构，损失材料脱嵌锂的能力。
[0005]因此，针对现有三元正极材料匀浆所暴露问题，需要寻求一种锂离子电池 正极浆料及其制备方法、并将其用于制备正极极片和锂离子电池，提升材料所 制备极片和电解液间的浸润性，提高电池的体积能量密度、循环寿命和锂离子 扩散系数。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种锂离子电池正极浆料及其制备方法，能够 符合环境友好的理念的基础上进一步控制成本以及提高锂离子电池的体积能量 密度、循环寿命与锂离子扩散系数。
[0007]本专利技术的另一个目的在于提供一种使用本专利技术的正极浆料制备的正极极片 和锂
离子电池，用本专利技术的技术方案制备的正极极片，在应用于锂离子电池时， 具有大长径比的PAA
‑
CNF可以提高电解液对极片的浸润性，从而与电解液接触 更充分，提高极片的电子导电性和锂离子传输能力。
[0008]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种锂离子电池正极 浆料，包括正极材料颗粒、具有粘结性和导电性的双功能添加剂糠醇聚合物、 聚丙烯酸接枝改性纤维素纳米纤维(PAA
‑
CNF)和分散剂。
[0009]在上述正极浆料中，其中，所述正极材料颗粒为三元层状结构，其化学式 为LiNi
x
Co
y
M
z
O2，其中0.5≤x≤0.9，0.05≤y≤0.2，0.05≤z≤0.3，且x+y+z＝1，M为 +4价金属元素中的一种或几种，优选为Mn、Ti或Zr中的一种或多种。
[0010]在上述正极浆料中，其中，所述双功能添加剂糠醇聚合物是由糠醛脱水缩 合形成的，聚合工艺为70％～75％的糠醛水溶液以硫酸为催化剂将溶液pH值调 为1.6左右，反应温度为70℃～75℃，反应时间为2～4h，其分子结构中存在大量 的碳碳双键和氧杂原子。
[0011]在上述正极浆料中，其中，所述聚丙烯酸接枝改性纤维素纳米纤维 (PAA
‑
CNF)的制备方法包括以下步骤：
[0012](1)采用纤维素纳米纤维(CNF)的水溶液为分散液，优选分散液中含有 纤维素纳米纤维素的质量浓度为0.1
‑
2％；
[0013](2)向分散液中加入分散液质量0.1
‑
5％的乙醇、分散液质量0.1
‑
20％的氢 氧化钠，控制反应温度为
‑
10℃～80℃，使纤维表面部分发生碱化反应得到表面部 分碱化处理的纤维素纳米纤维；
[0014](3)将上述表面部分碱化处理的纤维素纳米纤维中加入CNF质量0.5
‑
10.5％ 的一氯醋酸在30℃～50℃下反应1～3h，制得纤维表面含有羧甲基的纤维素纳米 纤维；
[0015](4)将上述含有羧甲基化的纤维素纳米纤维与其质量分数8
‑
12％的水溶性 聚丙烯酸进行接枝反应，接枝剂为含有羧甲基化的纤维素纳米纤维质量分数 0.5
‑
2％的二官能或三官能度的氮丙啶，优选包括乙二醇
‑
二[3
‑
(2
‑
甲基氮丙啶基)] 丙酸酯、丁二醇
‑
二[3
‑
(2
‑
甲基氮丙啶基)]丙酸酯、三羟甲基丙烷
‑
三[3
‑
(2
‑
甲基氮 丙啶基)]丙酸酯、三羟甲基丙烷
‑
三[3
‑
(2
‑
氮丙啶基)]丙酸酯中的任意一种，在30℃ ～60℃下搅拌0.5～2h，制得聚丙烯酸接枝改性纤维素纳米纤维，随后在40℃～100℃ 下烘干。
[0016]在上述正极浆料中，其中，所述分散剂为水。
[0017]进一步地，按重量份计，正极材料颗粒：糠醇聚合物：PAA
‑
CNF的质量比 为94.0～98.0:1.5～5.0:0.1～2.0，优选地，正极材料颗粒：糠醇聚合物：PAA
‑
CNF 的质量比为95.0～97.5:2.0～4.0:0.1～1.0。糠醇聚合物和分散剂的质量比为1:19～30。
[0018]本专利技术提出的这一种生物质的糠醇聚合物为双功能添加剂辅以少量聚丙烯 酸接枝改性纤维素纳米纤维(PAA
‑
CNF)的水系匀浆工艺具有如下优势：(1) 糠醇聚合物具有更强的电子转移能力与离子扩散能力，可作为传统导电剂的代 替品，较之用量更少，大大提升了极片的压实密度从而提升了电池的体积能量 密度；(2)糠醇聚合物还具有出色的机械粘结性，能够一定程度的减小水系粘 结剂的用量；(3)少量PAA
‑
CNF的加入，其羧基基团解离可消耗颗粒上的碱性 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池正极浆料，其特征在于，所述浆料包括正极材料颗粒、糠醇聚合物、聚丙烯酸接枝改性纤维素纳米纤维PAA
‑
CNF和分散剂。2.根据权利要求1所述的正极浆料，其特征在于，所述正极材料颗粒为三元层状结构，其化学式为LiNi
x
Co
y
M
z
O2，其中0.5≤x≤0.9，0.05≤y≤0.2，0.05≤z≤0.3，且x+y+z＝1，M为+4价金属元素中的一种或几种，优选为Mn、Ti或Zr中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的正极浆料，其特征在于，所述糠醇聚合物是由糠醛在酸性条件下脱水缩合形成的，其分子结构中存在大量的碳碳双键和氧杂原子。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的正极浆料，其特征在于，所述聚丙烯酸接枝改性纤维素纳米纤维的制备方法包括以下步骤：(1)采用纤维素纳米纤维的水溶液为分散液，优选分散液中含有纤维素纳米纤维的质量浓度为0.1
‑
2％；(2)向分散液中加入分散液质量0.1
‑
5％的乙醇、分散液质量0.1
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20％的氢氧化钠，控制反应温度为
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10℃～80℃，使纤维表面部分发生碱化反应得到表面部分碱化处理的纤维素纳米纤维；(3)将上述表面部分碱化处理的纤维素纳米纤维中加入纤维素纳米纤维质量0.5
‑
10％的一氯醋酸在30℃～50℃下反应1～3h，制得纤维表面含有羧甲基的纤维素纳米纤维；(4)将上述含有羧甲基化的纤维素纳米纤维与其质量分数8
‑
12％的水溶性聚丙烯酸进行接枝反应，接枝剂为含有羧甲基化的纤维素纳米纤维质量分数0.5
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2％的二官能或三官能度的氮丙啶，优选包括乙二醇
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二[3
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(2
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甲基氮丙啶基)]丙酸酯、丁二醇
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二[3
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(2
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甲基氮丙啶基)]丙酸酯、三羟甲基丙烷
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三[3<...

【专利技术属性】
技术研发人员：段慧颖，张洁，
申请(专利权)人：万华化学集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：