一种用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂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，公开了一种用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂及其制备方法和应用。该复合粘结剂是将去离子水和可溶性醇混合超声，再将丙烯酸、过硫酸铵、木质素磺酸钠依次加入分散液搅拌，最后加入六水合三氯化铁形成胶状溶液。本发明专利技术的复合粘结剂是在引发剂APS的作用下，快速引发丙烯酸聚合形成的PAA

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于粘结剂合成及电化学
，更具体地，涉及一种用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为先进的储能技术，其可循环的特点满足人类社会对于“清洁”的要求。同时，由于其具有高存储容量和能量密度，也被越来越多地应用于便携式电子设备、电动汽车和大规模储能设施中。随着新能源电动汽车市场的不断增长，人们对于锂离子电池的续航里程要求日益提高，开发更高能量密度的电池迫在眉睫。目前商用的石墨负极理论容量仅有 372 mAh g
‑1，无法进一步满足更高能量密度电池的需求。
[0003]硅基材料具有10倍于石墨的理论比容量（4200 mAh g
‑1），电压平台较低，且硅元素在地壳中储量丰富，开发成本低，被认为是最具应用前景的下一代锂离子电池负极材料。然而，Si在锂化时会发生较大的体积变化（>400%），容易导致硅颗粒粉碎、导电性丧失，严重影响电池寿命。SiO
x
（0<x<2）的理论比容量约为 2680 mA h g
‑1，在首圈嵌锂后生成惰性成分氧化锂和硅酸锂，具有比单质硅相对较小的体积膨胀。然而，SiO
x
仍存在着首次库伦低，导电性较差，一定的体积膨胀等问题，无法很好地应用于商业化锂离子电池。
[0004]针对氧化硅负极材料存在的问题，目前主要采用纳米化、结构调控、表面修饰等方法缓冲SiO
x
的体积变化。尽管纳米技术在SiO
x
负极的电化学性能改善方面取得了一定的进展，但复杂的制备过程、相对较低的产率以及SiO
x
质量负载低而导致的能量密度不理想，极大地阻碍了其实际应用。
[0005]粘结剂是电极的重要组成部分，用于将活性材料和导电剂连接到集流体。尽管它在电极中的含量非常少 (1.5%~3%)，在维持电极的结构稳定性方面却具有不可替代的作用。理想的SiO
x
负极粘结剂不仅应具有较强的粘结能力，以防止电极材料从集流体上脱落，还应具有优异的粘结能力和机械强度，以缓冲体积形变应力。聚偏二氟乙烯（PVDF）作为一种传统的粘结剂，其具有较好的化学、电化学和热稳定性，以及活性材料和集流体之间的适度粘附力。然而PVDF不溶于水，需要溶于有毒有机溶剂（如N
‑
甲基
‑
2吡咯烷酮），存在着成本高、环境污染严重等问题。不仅如此，PVDF的范德华力相对较弱，粘结能力和机械强度比较差，容易导致颗粒团聚和电极粉化，难以抑制SiO
x
负极的体积膨胀，不利于长期循环稳定性。研究表明，对硅基负极中的粘结剂进行结构设计和复合改性，能够有效地维持电极结构的完整性。

技术实现思路

[0006]为了解决上述现有技术存在的缺点与不足，针对传统粘结剂粘结能力和机械强度差、成本高、环境污染严重等问题，本专利技术的首要目的在于提供一种聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂。该复合粘结剂在引发剂APS的作用下，快速引发丙烯酸聚合形成的PAA
‑
LS粘
结剂，由于Fe
3+
在相邻分子间的动态金属桥联作用以及PAA与LS分子间的大量可逆氢键，该具有优异的粘结能力和机械强度，是一种成本低廉，环境友好型的水溶性聚合物。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供上述聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂的制备方法。该方法合成条件简单，原料安全性高、价格低廉，符合绿色化学的要求。
[0008]本专利技术的再一目的在于提供上述聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂的应用。当该复合粘结剂与SiO
x
、导电剂按一定比例混合后，得到的半电池展示了良好的循环性能和较高的容量保持率。采用该复合粘结剂作为粘结剂的硅基负极可以在较低粘结剂含量（0~20wt%），高SiO
x
含量（60~100wt%）和较高SiO
x
质量载量（1~2 mg cm
‑2）的条件下保持良好的循环稳定性和较高的容量保持率。
[0009]本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：一种用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂，所述的复合粘结剂是将去离子水和可溶性醇混合均匀后超声形成分散液，再将丙烯酸、过硫酸铵、木质素磺酸钠依次加入上述分散液后搅拌，最后加入六水合三氯化铁形成胶状溶液。
[0010]优选地，所述的去离子水和可溶性醇的质量比为（1~3）:1；所述的丙烯酸和过硫酸铵的质量比为（100~130）:1；所述的丙烯酸和木质素磺酸钠的质量比为（20~50）:1；所述的丙烯酸和六水合三氯化铁的质量比为（30~50）:1。
[0011]优选地，所述的丙烯酸、过硫酸铵、木质素磺酸钠的总质量与分散液的质量比为1:（1~5）。
[0012]优选地，所述可溶性醇为乙二醇或丙三醇。
[0013]所述的用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂的制备方法，包括如下步骤：S1. 将去离子水和可溶性醇混合均匀后超声，形成分散液；S2. 将丙烯酸、过硫酸铵、木质素磺酸钠依次加入上述分散液搅拌，形成均匀溶液；S3. 将六水合三氯化铁加入上述均匀溶液，搅拌后形成胶状溶液，即为聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂。
[0014]优选地，步骤S1中所述的超声的时间为10~15分钟；步骤S2中所述的搅拌的时间为10~20分钟；步骤S3中所述的搅拌的时间为10~20秒。
[0015]所述的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂在锂离子电池领域中的应用。
[0016]优选地，所述的锂离子电池的负极材料为SiO
x
，0<x<2。
[0017]木质素是源自植物的最丰富芳香族聚合物，是第二丰富的天然聚合物，具有良好的生物相容性，是一种环境友好型聚合物。然而，木质素的水溶性较差，限制了其在复合胶制备中的广泛应用。木质素磺酸钠（LS）是一种木质素衍生物，它具有水溶性好、无毒、安全等优势。本专利技术采用的LS含有还原性酚羟基和甲氧基等活性基团，在引发剂APS的作用下，快速引发丙烯酸聚合形成的PAA
‑
LS粘结剂。由于Fe
3+
在相邻分子间起到动态金属桥联作用以及PAA与LS分子间形成大量可逆氢键，该复合粘结剂具有优异的粘结能力和机械强度。该复合粘结剂可用于增强锂离子电池硅基负极的循环性能和倍率性能，并且其合成过程简单，原料安全性高，价格低廉，符合绿色化学的要求，对设备要求低，有利于市场化推广。
[0018]本专利技术的粘结剂的具体应用方法如下：将活性物质SiO
x
、导电剂碳纳米管与所述
的复合粘结剂按照质量比（7~8）:（2~1）:1混合，加入适量的去离子水后放入脱泡机搅拌30min，得到均匀分散的浆料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂，其特征在于，所述的复合粘结剂是将去离子水和可溶性醇混合均匀后超声形成分散液，再将丙烯酸、过硫酸铵、木质素磺酸钠依次加入上述分散液后搅拌，最后加入六水合三氯化铁形成胶状溶液。2.根据权利要求1所述的用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂，其特征在于，所述的去离子水和可溶性醇的质量比为（1~3）:1；所述的丙烯酸和过硫酸铵的质量比为（100~130）:1；所述的丙烯酸和木质素磺酸钠的质量比为（20~50）:1；所述的丙烯酸和六水合三氯化铁的质量比为（30~50）:1。3.根据权利要求1所述的用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂，其特征在于，所述可溶性醇为乙二醇或丙三醇。4.根据权利要求1所述的用于锂离子电池硅基负极的聚丙烯酸和木质素磺酸钠复合粘结剂，其特征在于，所述的丙烯酸、过硫酸铵、木质素磺酸钠的总质量和分散液的质量比为1:（1~5）。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的用于锂离子电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：林展，许漫媛，韦秀娟，黄金秋，张山青，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：