一种水系复合粘结剂及其应用方法技术

本发明专利技术涉及锂离子固态电池技术领域，尤其涉及一种水系复合粘结剂及其应用。本发明专利技术水系复合粘结剂由聚合物A和聚合物B按照特定比例混合而成；所述聚合物A为聚氧化乙烯(PEO)，分子式可表示为H

【技术实现步骤摘要】
一种水系复合粘结剂及其应用方法


[0001]本专利技术属于固态锂离子电池领域，具体涉及一种水系复合粘结剂及其在以磷酸铁锂为正极材料的聚合物基固态锂离子电池中的应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池凭借高容量、高工作电压、良好的循环性以及无记忆效应等优点成为电化学储能中重要的储能产品，并在近年的电动汽车领域中大放异彩。随着电动汽车的全面推广，交通运输产业对电动汽车的续航里程和安全性能提出了更高的要求。目前主流的锂离子电池由于包含有机电解液组分可进一步归类为锂离子液态电池。然而，锂离子电池中的电解液普遍具有高度可燃性，其在电池发生热失控后极易引发电池起火、爆炸等安全事故。另一方面，传统液态锂离子电池的理论能量密度约为300Wh/kg，且实际能量密度距理论值仍有差距，难以为电动汽车提供接近燃油车所具备的巡航里程。固态锂电池的出现为解决锂电池能量密度和安全性问题提供了新的思路。
[0003]固态锂离子电池以固态电解质代替传统有机电解液，大大提升了电池的安全性与能量密度。且固态锂离子电池有望搭载锂金属作为负极材料，将电池的理论能量密度提升到700Wh/kg，是锂离子液态电池的两倍多。但目前固态电池所存在的一些性能缺陷限制了其大规模商业化应用，其中最为突出的即为固态电池的倍率性能很低。由于固态电解质普遍表现出的低锂离子电导率，在电池充放过程中，随着充放电流的逐渐加大，固态电池的容量将发生明显下降。
[0004]传统锂离子电池所用正极粘结剂普遍为聚偏二氟乙烯(PVDF)，其兼具高电化学稳定性、电压窗口大、高机械强度等优点。到目前为止，PVDF已被认为是各种电池技术中最主流的粘结剂。然而，PVDF存在的部分缺陷在固态锂电池中表现得尤为突出，其中之一即为PVDF粘结剂的绝缘特性限制了锂离子和电子的传输，从而降低了电极动力学速率。因此，为了提高固态锂电池的性能，推动固态电池的产业化进程，急需开发与之相匹配的粘结剂体系。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的性能缺陷，本专利技术提供了一种水系复合粘结剂，用于提高以磷酸铁锂为正极材料的固态锂离子电池或固态锂金属电池的倍率性能和循环稳定性。
[0006]为实现上述目的，其具体的技术方法如下：
[0007]一种水系复合粘结剂，应用于以磷酸铁锂为正极的聚合物基固态电池体系中，其特征在于，所述粘结剂由聚合物A和聚合物B混合而成；所述聚合物A为聚氧化乙烯(PEO)，分子式表示为H
‑
(
‑
O
‑
CH2‑
CH2‑
)n
‑
OH；所述聚合物B为羧甲基纤维素锂(CMC
‑
Li)，分子式表示为[C6H7O2(OH)2OCH2COOLi]n
。
[0008]进一步地，所述聚合物A在复合粘结剂中的质量比为20％～80％，所述聚合物B在复合粘结剂中的质量比为20％～80％。所述聚氧化乙烯与羧甲基纤维素锂的质量比优选为
7∶3。
[0009]一种如上所述的水系复合粘结剂的应用方法，所述粘结剂用于制备锂离子电池正极电极片，包括以下步骤：
[0010](1)将所述聚合物A与聚合物B混合，并分散于去离子水中形成均匀溶液；
[0011](2)将步骤(1)中所述溶液与导电剂、正极活性材料均匀混合并研磨形成均匀浆液；
[0012](3)将步骤(2)中所述浆液涂布于集流体上，经真空干燥，裁切成一定大小的锂离子电池正极电极片。
[0013]进一步地，所述步骤(2)中所述导电剂为超级炭黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或几种，导电剂和水系复合粘结剂占电极的质量百分比分别为5～15％、2～15％。
[0014]进一步地，所述步骤(2)中所述正极活性材料为磷酸铁锂(LiFePO4)材料。
[0015]进一步地，所述集流体为铝箔或碳包覆的铝箔。
[0016]进一步地，所述聚合物基固态锂离子电池，包括正极片、负极片和固态电解质，其中所述正极片为由如上所述水系复合粘结剂制成的锂离子电池正极电极片。
[0017]进一步地，所述固态锂离子电池的电解质为聚合物基固态电解质。
[0018]进一步地，所述聚合物基固态电解质由聚合物和锂盐复合而成，包括聚合物与锂盐复合体系；聚合物、锂盐与无机相填充材料复合体系；聚合物、锂盐与有机相填充材料复合体系；聚合物固态电解质/无机固态电解质/聚合物固态电解质复合的多层固态电解质。
[0019]进一步地，上述聚合物基固态电解质中为聚合物、锂盐与无机相填充材料复合体系。其中，聚合物为聚氧化乙烯，锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)，无机相填充材料为石榴石型氧化物Li
6.4
La3Zr
1.4
Ta
0.6
O
12
(LLZTO)。
[0020]作为优选地，上述LiTFSI添加量取EO∶Li＝15∶1(摩尔比)，上述LLZTO添加量取PEO∶LLZTO＝5∶1(质量比)。
[0021]进一步地，所述聚合物基固态锂离子电池，包括正极片、负极片和固态电解质，其中所述正极片为如上所述锂离子电池正极电极片，所述负极片为锂箔或锂片。
[0022]本专利技术所具备的优势如下：
[0023]对比目前大规模产业化的以有机溶剂N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)为基础的电极生产工艺，本专利技术提供的水系复合粘结剂使用水代替有机溶剂作为溶剂更为环保。水基电极生产不需要溶剂回收设备，对加工湿度的要求更低，极大降低了生产设备成本。水的沸点远低于NMP，基于水系粘结剂的电极在干燥过程中耗能更小。并且，该水系复合粘结剂相比于目前广泛应用的聚偏二氟乙烯(PVDF)油系粘结剂具有更好的粘接强度，因此可以在保证电极质量的前提下降低电极中粘结剂的使用量，从而提高电池的整体能量密度。另外值得注意的是，基于本专利技术的固态锂离子电池表现出了更为优异的倍率性能与循环稳定性。
附图说明
[0024]图1为实施例1的电极片形貌的扫描电子显微镜图，
[0025]图2为对比例1的电极片形貌的扫描电子显微镜图，
[0026]图3为对比例2的电极片形貌的扫描电子显微镜图，
[0027]图4为对比例3的电极片形貌的扫描电子显微镜图，
[0028]图5为采用实施例1和对比例1～3正极片制成的固态聚合物锂离子电池在2.5～3.8V条件下的循环稳定性对比图。
[0029]图6为采用实施例1和对比例1～3正极片制成的固态聚合物锂离子电池在2.5～3.8V条件下的倍率性能对比图。
具体实施方式
[0030]下面通过具体的对比例及实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。值得强调的是，实施例仅用于进一步描述本专利技术，并不用来限制本专利技术的范围。基于本专利技术中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下的成果都属于本专利技术保护的范围。
[0031]实施例1：
[0032]实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水系复合粘结剂，应用于以磷酸铁锂为正极的聚合物基固态电池体系中，其特征在于，所述粘结剂由聚合物A和聚合物B混合而成；所述聚合物A为聚氧化乙烯(PEO)，分子式表示为H
‑
(
‑
O
‑
CH2‑
CH2‑
)n
‑
OH；所述聚合物B为羧甲基纤维素锂(CMC
‑
Li)，分子式表示为[C6H7O2(OH)2OCH2COOLi]
n
。2.根据权利要求1所述的水系复合粘结剂，其特征在于，所述聚合物A在复合粘结剂中的质量比为20％～80％，所述聚合物B在复合粘结剂中的质量比为20％～80％。3.一种根据权利要求1所述的水系复合粘结剂的应用方法，其特征在于，所述粘结剂用于制备锂离子电池正极电极片，包括以下步骤：(1)将所述聚合物A与聚合物B混合，并分散于去离子水中形成均匀溶液；(2)将步骤(1)中所述溶液与导电剂、正极活性材料均匀混合并研磨形成均匀浆液；(3)将步骤(2)中所述浆液涂布于集流体上，经真空干燥，裁切成一定大小的锂离子电池正极电极片。4.根据权利要求3所述的水系复合粘结剂的应用方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述导电剂为超级炭黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或几种，导电剂和水系复合粘结剂占电极的质量百分比分别为5～15％、2～15％。5.根据权利要求3所述的水系复合粘结剂的应用方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建玲，赵明亮，钟健健，魏志成，秦禄，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：