一种制备改性聚丙烯酸粘结剂的方法和应用技术

本发明专利技术提供一种制备改性聚丙烯酸粘结剂的方法和应用。方法包括以下步骤：首先得到取代的丙烯腈单体自由基；其次将得到的取代的丙烯腈单体自由基、聚丙烯酸和第一引发剂进行搅拌，得到第一混合液，并进行一次反应，而后加入丙烯腈和1,3

【技术实现步骤摘要】
一种制备改性聚丙烯酸粘结剂的方法和应用


[0001]本专利技术属于粘结剂材料
，具体涉及一种制备改性聚丙烯酸粘结剂的方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，锂离子电池因其具有能量密度较高、输出功率较大以及自放电较小等优点被应用于储能和新能源汽车领域。其中，磷酸铁锂(LiFeO4)正极材料由于其具有容量大、循环寿命长、安全性高以及无记忆效应等特点备受关注。目前，LiFeO4动力电池体系中正极集流体大都采用涂碳铝箔，将涂碳铝箔材料作为LiFeO4正极集流体，降低了电池的内阻和界面接触阻抗，弱化了电池内部极化现象，可使电池的电性能(例如倍率性能以及HPPC测试等)得到一定程度的提升。
[0003]涂碳铝箔主要由铝光箔和涂碳层组成，涂碳层的主要成分包括导电剂、粘结剂及其他添加剂，其中粘结剂作为影响极片性能及电芯性能的重要因素之一。其主要起到如下作用：
①
将涂层浆料中的导电剂和添加剂等组分粘附在一起；
②
提供涂层浆料与铝光箔之间的粘附力，防止涂层发生脱落；
③
提供涂碳层与正极活性物质间的粘附力。
[0004]现有技术中极片剥离力、极片电阻、充放电直流电阻以及倍率性能等是评估极片性能和电芯性能优劣的重要参数，研究人员为提高极片剥离力以及降低极片电阻等性能，主要采用以下几种方法：
[0005]首先提高涂层浆料中粘结剂的质量占比，但上述方法一方面由于粘结剂质量占比的增加会导致涂层浆料难以分散，提高了加工难度；另一方面提高了粘结剂的质量占比，意味着降低了导电剂的含量，进而提高了界面阻抗，增加了电池内部的极化，电池内阻也随之增加。
[0006]其次，现有技术中采用的粘结剂基体主要为水系聚丙烯酸，目前使用的改性方法主要包括：
①
接枝改性：大分子链中通过化学键结合适当的支链或功能性侧基的反应；
②
嵌段改性：在大分子链中插入其他链段；
③
交联改性：高分子链之间通过支链联结成三维空间网型大分子；
④
取代改性：有机分子结构中的某些原子或原子团通过化学反应被其他原子或原子团所替代。
[0007]然而，上述方法改性得到的聚丙烯酸类粘结剂存在粘附力小和取向性强等缺点，例如：其与铝光箔的结合力强，但与正极活性物质的结合力较弱，则会造成极片的剥离力偏低，不符合极片性能要求；改性的聚丙烯酸类粘结剂的取向性强，但其与各种正极活性物质的适配性差，增加了电池的生产成本。
[0008]因此，在本领域中，亟需开发一种聚丙烯酸类粘结剂，其不仅与正极集流体以及正极活性物质之间具有良好的粘结力，同时还具有较小的添加量。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种制备改性聚丙烯酸粘结剂的方
法和应用。本专利技术提供的改性聚丙烯酸粘结剂与正极集流体和正极活性物质的结合能力强，并适用于多种体系。
[0010]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]第一方面，本专利技术提供一种制备改性聚丙烯酸粘结剂的方法，所述方法包括以下步骤：
[0012](1)将丙烯腈、3
‑
羟基丙酸、偶氮二异戊腈、丙烯酰胺和N
‑
羟甲基丙烯酰胺以及溶剂进行混合，反应后得到取代的丙烯腈单体自由基；
[0013](2)将步骤(1)得到的取代的丙烯腈单体自由基、聚丙烯酸和第一引发剂进行搅拌，得到第一混合液，并进行一次反应，而后加入丙烯腈和1,3
‑
丁二烯进行混合，并加入第二引发剂得到第二混合液，并进行二次反应，得到前驱体材料；
[0014](3)将步骤(2)得到的前驱体材料和苯乙烯进行混合，而后加入第三引发剂得到第三混合液，并进行三次反应，得到所述改性聚丙烯酸粘结剂。
[0015]首先，本专利技术上述方法制备得到的改性聚丙烯酸粘结剂的支链中含有
‑
C2O2NR、
‑
CH2CN和
‑
COOH官能团，其中
‑
C2O2NR官能团中包含的氮原子具有较强的极性，其对金属铝的吸附力较强，能够提供活性物质层和铝箔之间的吸附力；腈基基团具有较强的极性，其能与铝箔以及正极活性物质形成较强的分子间作用力；羧基官能团中含有的羟基结构也能够与活性物质层之间形成较强的氢键分子间作用力。上述三种基团均提高了导电剂颗粒之间、涂碳层和铝箔之间以及涂碳层和正极活性物质之间的结合力，相比于传统的聚丙烯酸粘结剂，本专利技术提供的改性聚丙烯酸粘结剂的粘合力提高了2～3倍，从而提高了极片剥离力以及增强了极片的粘结性能。
[0016]其次，粘结剂结构中存在的基团不仅提供了较强的分子间作用力，还能够提供较强的物理结合力，例如缠绕或嵌合等，现有技术中公开的聚丙烯酸粘结剂由于结合力较弱则会造成极片的剥离力低(≤0.1N)的风险，但本专利技术提供的改性聚丙烯酸粘结剂具有的强机械结合能力，能够提供涂碳层与正极活性物质之间的结合力，保证极片具有较高的剥离力，进而提高了涂碳层和各种正极活性物质体系的适配性，从而降低了电池的生产成本，以此提高产线的生产效率。
[0017]最后，本专利技术提供的改性聚丙烯酸粘结剂能够在涂碳浆料配方中降低粘结剂的含量(降低幅度高达20％～30％)，并具有以下优势：
①
降低粘结剂的含量，能够使涂碳浆料更易于分散，降低了加工难度，节约了生产成本；
②
粘结剂含量的降低，意味能够提高浆料中导电剂的含量，进而降低了正极活性物质与涂碳层之间的界面阻抗以及极片电阻，并进一步降低了电芯的欧姆极化程度、电池内阻和直流电阻，进而能够提高电芯的倍率性能和低温性能。
[0018]在本专利技术中，丙烯腈示例性的可以采用以下方法进行制备：
[0019]将环氧乙烷、氢氰酸、去离子水和三甲胺按照质量比为5:3:0.5:1.5的比例进行混合，反应的温度为80～100℃，在上述条件下生成氰乙醇；反应1h后，加入催化剂碳酸镁，再在230～270℃温度下发生脱水反应0.5h后，得到丙烯腈。
[0020]优选地，步骤(1)中所述3
‑
羟基丙酸、偶氮二异戊腈、丙烯酰胺和N
‑
羟甲基丙烯酰胺的质量比为(3
‑
5):(2
‑
4):(0.5
‑
2):(1
‑
3)，例如可以为3:2:0.5:1、3.5:2.5:1:1.5、4:3:1:2、5:4:2:3等。
[0021]在本专利技术中，通过调整3
‑
羟基丙酸、偶氮二异戊腈、丙烯酰胺和N
‑
羟甲基丙烯酰胺的质量比，使得反应完全，得到所需产物，质量比过低则会使得反应不完全，无法制备得到所需产物，反之则会生成其他副产物，影响产率。
[0022]需要说明的是，3
‑
羟基丙酸、偶氮二异戊腈、丙烯酰胺和N
‑
羟甲基丙烯酰胺均为单体引发剂，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备改性聚丙烯酸粘结剂的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将丙烯腈、3
‑
羟基丙酸、偶氮二异戊腈、丙烯酰胺和N
‑
羟甲基丙烯酰胺以及溶剂进行混合，反应后得到取代的丙烯腈单体自由基；(2)将步骤(1)得到的取代的丙烯腈单体自由基、聚丙烯酸和第一引发剂进行搅拌，得到第一混合液，并进行一次反应，而后加入丙烯腈和1,3
‑
丁二烯进行混合，并加入第二引发剂得到第二混合液，并进行二次反应，得到前驱体材料；(3)将步骤(2)得到的前驱体材料和苯乙烯进行混合，而后加入第三引发剂得到第三混合液，并进行三次反应，得到所述改性聚丙烯酸粘结剂。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述3
‑
羟基丙酸、偶氮二异戊腈、丙烯酰胺和N
‑
羟甲基丙烯酰胺的质量比为(3
‑
5):(2
‑
4):(0.5
‑
2):(1
‑
3)；优选地，步骤(1)中所述溶剂为去离子水；优选地，步骤(1)中所述反应的温度为100℃～150℃，时间为1～2h；优选地，步骤(1)中所述取代的丙烯腈单体自由基的取代基团包括羧基、羟基、烷基、烯烃基、炔烃基、卤代烷烃基或环烯烃基中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述第一引发剂包括稀硫酸；优选地，步骤(2)中所述第一混合液中第一引发剂的质量百分含量为3％～5％；优选地，步骤(2)中所述一次反应的温度为90℃，时间为2.5h；优选地，步骤(2)中所述一次反应在搅拌下进行。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述混合的温度为50℃，混合的速率为50rpm/min；优选地，步骤(2)中所述第二引发剂包括α,α
‑
二甲氧基
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，杨倩，石忠洋，周志行，
申请(专利权)人：湖北亿纬动力有限公司，
类型：发明
国别省市：