一种光固化水性聚氨酯乳液、锂离子电池负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电化学技术领域，公开了一种光固化水性聚氨酯乳液、锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。主要由不同分子量的聚乙二醇(PEG)与二异氰酸酯为反应主体，加入二羟甲基丁酸作为扩链剂，最后使用丙烯酸羟乙酯进行封端形成。一方面，该复合材料利用了聚氨酯材料优良的物理性能和导离子能力，可以很好地缓解硅颗粒的体积膨胀作用；另一方面，双键封端的结构在紫外光固化的作用下，可以形成包覆性更强的三维网状结构，从而使得该复合材料相比于商业粘结剂可以显著提升电池的电化学性能。本发明专利技术包含了该材料的合成制备方法以及使用该材料制备成的粘结剂和锂离子电池。材料制备成的粘结剂和锂离子电池。材料制备成的粘结剂和锂离子电池。

【技术实现步骤摘要】
一种光固化水性聚氨酯乳液、锂离子电池负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电化学
，尤其涉及一种光固化水性聚氨酯乳液、锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为一种高能量密度且轻质的可移动电池，在信息时代的今天具有十分广泛的应用。不仅是在手机、笔记本电脑等便携式电子产品，以锂离子电池作为驱动力来源的新能源汽车也已经屡见不鲜。随着应用领域的不断扩张，传统的石墨负极锂离子电池已经难以满足业内对于锂离子电池的需求。在这种背景下，硅负极材料(3590mAh
·
g
‑1)因其10倍于石墨负极(372mAh
·
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‑1)的理论比容量而被寄予厚望。然而，硅负极材料在商业化的应用道路存在一些绊脚石，具体表现为：硅材料导电性能差、充放电过程中会发生200％～300％的巨大体积膨胀、持续消耗电解液生成不稳定的固态电解质接触面(SEI)层等。这些问题的存在使得硅负极在电池循环过程中稳定性能和安全性能都大打折扣。为此，研究学者们分别从电极材料、粘结剂以及人工SEI三个角度提出了不同的解决方案，并均取得了一定进展。
[0003]从现有研发成果看，为应对硅负极材料的体积变化及对电极结构的破坏，除对硅材料本身进行研究和改进外，更方便高效的方式往往是引入有机高分子材料。在诸多有机高分子聚合物中，目前最受关注的无异于用天然高分子聚合物作为粘结剂去缓解硅颗粒的体积膨胀，如羧甲基纤维素钠(CMC)、阿拉伯胶(GA)、瓜尔胶(GG)以及卡拉亚树胶(KG)等一系列天然高分子都被应用于硅负极体系中，因其粘结能力较强，成本低廉，绿色环保等优势，均取得了不错的研究成果。但不容忽视的是，天然高分子由于结构上的相似性，往往表现出力学性能不佳，导离子能力较弱等共性，这也使得天然高分子聚合物在硅负极体系中的应用受到了较大的局限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种光固化水性聚氨酯乳液、锂离子电池负极材料及其制备方法和应用，解决现有商业粘结剂表现力不足的问题。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种光固化水性聚氨酯乳液的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将二异氰酸酯、聚乙二醇、催化剂、溶剂混合，进行预聚反应，得到预聚产物；
[0008](2)向预聚产物中加入扩链剂，进行扩链反应，得到扩链产物；
[0009](3)向扩链产物中加入丙烯酸羟乙酯，进行封端反应，得到聚氨酯；
[0010](4)向聚氨酯中加入LiOH溶液，得到锂化后的聚氨酯，然后进行乳化，得到水性聚氨酯乳液；
[0011](5)向乳液中加入光引发剂，得到光固化水性聚氨酯乳液。
[0012]优选的，在上述一种光固化水性聚氨酯乳液的制备方法中，所述二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯中的一种；
[0013]所述催化剂为异辛酸亚锡、辛酸亚锡或二月桂酸二丁基锡；所述溶剂为丙酮、N，N
‑
二甲基甲酰胺、四氢呋喃或N，N
‑
二甲基乙酰胺；所述扩链剂为二羟甲基丁酸或二羟甲基丙酸；所述光引发剂为2
‑
羟基
‑4’‑
(2
‑
羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮或苯基双(2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基)氧化膦；
[0014]所述锂化后的聚氨酯的锂化程度为50～100％。
[0015]优选的，在上述一种光固化水性聚氨酯乳液的制备方法中，
[0016]所述二异氰酸酯、聚乙二醇、催化剂、溶剂的用量比为1～3mol：0.3～0.8mol：0.3～1g：1～4L；
[0017]所述二异氰酸酯、扩链剂、丙烯酸羟乙酯、LiOH溶液、光引发剂的摩尔体积比为1～3mol：0.3～0.8mol：0.6～2mol：1～3L：10～30mmol，所述LiOH溶液的浓度为0.1～0.3mol/L。
[0018]优选的，在上述一种光固化水性聚氨酯乳液的制备方法中，
[0019]所述预聚反应的时间为1～3h，所述扩链反应的时间为1～3h，所述封端反应的时间为5～7h；
[0020]所述预聚反应、扩链反应、封端反应的温度独立的为50～70℃。
[0021]本专利技术还提供了一种由光固化水性聚氨酯乳液的制备方法制得的光固化水性聚氨酯乳液，所述光固化水性聚氨酯乳液的固含量为30～35wt％。
[0022]本专利技术还提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0023](1)对聚丙烯酸进行锂化，得到锂化后的聚丙烯酸；将锂化后的聚丙烯酸与光固化水性聚氨酯乳液混合，然后固化得到粘结剂；
[0024](2)向粘结剂中加入负极活性材料、导电碳粉，制备得到锂电池负极材料；
[0025]所述光固化水性聚氨酯乳液为由光固化水性聚氨酯乳液的制备方法制得的光固化水性聚氨酯乳液。
[0026]优选的，在上述一种锂离子电池负极材料的制备方法中，所述锂化后的聚丙烯酸的锂化程度为10～100％，所述导电碳粉为SuperP，所述负极活性材料为纳米硅粉，所述纳米硅粉的粒径为20～200nm；所述聚丙烯酸与光固化水性聚氨酯乳液的质量比为0.04～0.12：1g；所述粘结剂、负极活性材料、SuperP的质量比为5～7：1～3：1～3。
[0027]优选的，在上述一种锂离子电池负极材料的制备方法中，所述固化的紫外波长为200～350nm，所述固化的功率为5～400W，所述固化的时间为10～20min。
[0028]本专利技术还提供了一种由锂离子电池负极材料的制备方法制备得到的锂离子电池负极材料。
[0029]本专利技术还提供了一种锂离子电池负极材料于锂离子二次电池中的应用。
[0030]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0031](1)本专利技术的光固化水性聚氨酯乳液是一种适用于锂离子电池硅负极体系中的光固化水性聚氨酯，其双键封端的结构可经紫外光引发形成包覆型更强的三维网状结构，并且反应高效快捷，且适用于水体系，可作用于多种水体系商业粘结剂，契合绿色化学的发展
理念。
[0032](2)本专利技术的光固化水性聚氨酯乳液具有良好的机械性能，可以缓解硅颗粒的体积膨胀作用，使电极体系更加稳定，同时还可以调节商业粘结剂的物理性能，使其性能更加稳定。
[0033](3)本专利技术的光固化水性聚氨酯乳液具有的醚氧链段及羧酸锂基团，可以起到传导锂离子的作用，从而使得含有该材料的锂离子电池获得更加高效的离子传输。
[0034](4)采用本专利技术锂离子电池负极材料组装的锂离子电池相较于纯聚丙烯酸作为粘结剂的锂离子电池，电池的阻抗更小，倍率性能与循环稳定性能更好，综合性能更优异。
[0035](5)采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光固化水性聚氨酯乳液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将二异氰酸酯、聚乙二醇、催化剂、溶剂混合，进行预聚反应，得到预聚产物；(2)向预聚产物中加入扩链剂，进行扩链反应，得到扩链产物；(3)向扩链产物中加入丙烯酸羟乙酯，进行封端反应，得到聚氨酯；(4)向聚氨酯中加入LiOH溶液，得到锂化后的聚氨酯，然后进行乳化，得到水性聚氨酯乳液；(5)向乳液中加入光引发剂，得到光固化水性聚氨酯乳液。2.根据权利要求1所述的光固化水性聚氨酯乳液的制备方法，其特征在于，所述二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯中的一种；所述催化剂为异辛酸亚锡、辛酸亚锡或二月桂酸二丁基锡；所述溶剂为丙酮、N，N
‑
二甲基甲酰胺、四氢呋喃或N，N
‑
二甲基乙酰胺；所述扩链剂为二羟甲基丁酸或二羟甲基丙酸；所述光引发剂为2
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羟基
‑4’‑
(2
‑
羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮或苯基双(2,4,6
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三甲基苯甲酰基)氧化膦；所述锂化后的聚氨酯的锂化程度为50～100％。3.根据权利要求1或2所述的光固化水性聚氨酯乳液的制备方法，其特征在于，所述二异氰酸酯、聚乙二醇、催化剂、溶剂的用量比为1～3mol：0.3～0.8mol：0.3～1g：1～4L；所述二异氰酸酯、扩链剂、丙烯酸羟乙酯、LiOH溶液、光引发剂的摩尔体积比为1～3mol：0.3～0.8mol：0.6～2mol：1～3L：10～30...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾丹黎，毛万强，刘慧，游钖霖，贾子龙，罗皓宇，杜思思，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：