一种水溶型粘合剂粉及其制备方法、锂电池负极和锂电池技术

技术编号：42662121 阅读：43 留言：0更新日期：2024-09-10 12:19

本发明专利技术涉及一种水溶型粘合剂粉及其制备方法、锂电池负极和锂电池，水溶型粘合剂粉是通过先将水和丙烯酸类单体混合，并调整中和度为大于0、小于100％，然后与丙烯腈类单体、丙烯酰胺类单体和选择性地丙烯酸酯类单体经水溶液聚合反应，得到共聚物，然后再进行冷却、切片、烘干、粉碎得到。本发明专利技术水溶型粘合剂粉在制备时对丙烯酸类单体进行一定中和度的调整，水溶液聚合合成更高分子量的线性水溶性共聚物，共聚物再经冷却、切片、烘干、粉碎得到，将其用于锂电池负极上，能够降低粘合剂用量的同时仍然能够获得优异的粘结力及电池循环性能，且干粉类型，大大降低了包装、运输、加工成本，并且制粉过程更加环保。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂电池，具体涉及一种水溶型粘合剂粉及其制备方法、锂电池负极和锂电池。

技术介绍

1、传统石墨锂离子电池的工业化程度已经逼近极限，为了达成235wh/l甚至500wh/l的能量密度，以硅为电极材料的硅碳负极锂离子电池成为研究的热点。硅具有最高3579mah/g的理论容量(约为石墨的十倍)和相对较低的放电电位，能够增加整体的能量密度。其次，硅的储量丰富，价格便宜且环境友好。然而硅的完全锂化会导致超过400％的体积膨胀，从而导致负极体系的崩溃。

2、据报道，粘合剂对硅基阳极的循环性能有显著影响。良好的粘合剂可以与所有活性电极材料、电导率增强添加剂和集流体之间牢固的粘接和接触，它有助于承受电池循环过程中电极的剧烈体积变化。

3、聚丙烯酸(paa)是由丙烯酸单体合成的一种链状高分子聚合物，它分子结构简单，易于合成。由于paa中含有丰富的羧基，paa的分子链与活性阳极硅颗粒之间可以很容易地形成氢键。paa与活性阳极材料之间的良好亲和力增强了粘附能力，有利于电极的物理完整性。

4、tian等人在文献nano research,2019,12:1121-1127中，将粘合剂应用于硅基阳极，结果表明，paa基阳极的电性能确实优于cmc和pvdf等粘合剂。这归因于羧酸的高密度。paa的侧链具有较多的cooh基团，可与硅颗粒表面的si-oh形成氢键。它紧紧地包裹在硅颗粒周围，避免了由于体积变化而形成裂纹。paa提高了阳极和单个硅颗粒的物理完整性，最大限度地减少了电解质在硅表面上的分解和沉积。

<p>5、尽管上述paa类粘合剂对于硅碳负极的膨胀抑制性能优于传统的sbr-cmc体系，但是在极片柔韧性、粘结力和加工等方面仍存在不足。由于锂离子电池用的paa类粘合剂均为水溶型，常有未反应单体和低分子量共聚物残留，影响了锂离子电池性能。此外，阻碍paa经济的问题在于运输、输送成本高。这些问题的根本原因在于为了达到锂电池用粘合剂的性能，paa的重均分子量高，导致paa类粘合剂的粘度往往非常高。为了使得粘度便于生产、运输、使用，paa类粘合剂水溶液的固含常常低于10％，远远低于常见sbr的固含，从而导致运输和包装成本大大上升。因此为了有效降低paa类硅碳负极粘合剂的运输和包装成本，制备一种水溶型粘合剂粉具有重要意义。

6、此外，目前共聚型paa溶液已经产业化，但仍然普遍存在分子量不够高，内聚力弱，杨氏模量不够高，对于高膨胀的硅碳负极电极膨胀不能起到很好的抑制。

7、中国专利cn112680147a公开了一种电池用粘合剂，该粘合剂包含同时带有亲水单元和疏水单元的聚合物，采用的亲水性单体和亲油性单体的质量百分比为30～70％：70～30％，且该聚合物中，中低分子量聚合物占聚合物总量的5％以下，中低分子量的聚合物的分子量≤10万。该专利中虽然分子量有一定程度的提高，然而采用专利中采用沉淀工艺制备，而沉淀工艺会限制聚合物的分子量进一步提升，同时沉淀工艺得到的沉淀物不能在不调整ph的情况下直接烘干制粉，否则会导致烘干过程中发生交联而无法再次溶解于水。

8、中国专利cn117720869a公开了一种电池用水溶型粘合剂，其形态为粉体，其中共聚物的质量百分含量≥92％，粒径为1～100μm。该专利的水溶型粘合剂虽然是粉体状态，然而其制备过程中采用的溶剂是水和乙腈的混合溶剂，在制粉过程中必定需要去除乙腈，不环保。而且其工艺不能应用于制备高分子量的粘结剂，其原因在于依照专利中要求固含的高分子量粘结剂水和乙腈溶液具有超高粘度，无法用碱液将paa中的酸完全中和。

技术实现思路

1、本专利技术实际解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有更高分子量同时更加环保的水溶型粘合剂粉，将其应用于锂电池负极上，能够降低粘合剂用量的同时还能够获得优异的粘结力及电池循环性能。

2、为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：

3、一种水溶型粘合剂粉，所述水溶型粘合剂粉包含共聚物，按重量百分含量计，所述共聚物的聚合单体包括：30～80％的丙烯酸类单体、10～55％的丙烯腈类单体、10～50％的丙烯酰胺类单体、0～35％的丙烯酸酯类单体；

4、所述水溶型粘合剂粉是通过先将水和丙烯酸类单体混合，并调整中和度为大于0、小于100％，然后与丙烯腈类单体、丙烯酰胺类单体和选择性地丙烯酸酯类单体经水溶液聚合反应，得到共聚物，然后再进行冷却、切片、烘干、粉碎，得到所述的水溶型粘合剂粉。

5、根据本专利技术的一些实施方面，所述中和度为大于等于40％、小于100％。优选地，所述中和度为50～90％。

6、根据本专利技术的一些实施方面，所述水溶型粘合剂粉用水溶解得到浓度2～6％的水溶液，所述水溶液在25±0.1℃的粘度为20000-50000mpa.s。

7、根据本专利技术的一些实施方面，所述共聚物的重均分子量为50万～220万。例如可以为50万、55万、65万、70万、72万、75万、80万、85万、90万、95万、100万、105万、110万、115万、120万、125万、130万、135万、140万、145万、150万、155万、160万、165万、170万、175万、180万、185万、190万、195万或200万，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。作为本专利技术的一些优选技术方案，所述共聚物的重均分子量为60万-220万；作为本专利技术的另一些优选技术方案，所述共聚物的重均分子量为70万-210万。

8、在一些具体实施方式中，所述共聚物的分子量分布为2～8。例如可以为2.2、2.5、2.8、3、3.2、3.5、3.8、4、4.2、4.5、4.8、5、5.2、5.5、5.8、6、6.2、6.5、6.8、7、7.2、7.5或8，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。本专利技术通过控制所述共聚物的分子量分布为2-8，可以兼顾共聚物的粘结性、水溶性和分散性，即高分子量部分有助于提高粘结力，少量中、低分子量部分有助于改善水溶性，并有助于提高石墨的分散性。作为本专利技术的一些优选技术方案，所述共聚物的分子量分布为3-6。

9、在一些具体实施方式中，所述水溶型粘合剂粉的d50粒径为1-80μm，例如可以为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、70μm或80μm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。所述粒径范围内的粘合剂具有更优的溶解能力。处于成本、安全和加工的考虑，粒径不宜过大或过小，进一步优选地，所述水溶型粘合剂粉的d50粒径为20-50μm。

10、进一步地，将所述水溶型粘合剂粉用水复溶，配制成固含量为6.0％的水溶液，所述水溶液在25.0±0.1℃的粘度为20000-50000mpa.本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种水溶型粘合剂粉，所述水溶型粘合剂粉包含共聚物，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述中和度为大于等于40％、小于100％。

3.根据权利要求2所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述中和度为50～90％。

4.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述水溶型粘合剂粉用水溶解得到浓度2～6％的水溶液，所述水溶液在25±0.1℃的粘度为20000-50000mPa.s。

5.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述共聚物的重均分子量为50万～220万。

6.根据权利要求5所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述共聚物的重均分子量为70万～210万。

7.根据权利要求5所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述共聚物的分子量分布为2～8。

8.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述水溶型粘合剂粉的D50粒径为1-80μm；和/或，

9.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述水溶液聚合在引发剂的存在下进行，所述引

10.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：按重量百分含量计，所述聚合单体包括：35～70％的丙烯酸类单体、10～50％的丙烯腈类单体、10～30％的丙烯酰胺类单体和0～10％的丙烯酸酯类单体。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述丙烯酸类单体为丙烯酸、甲基丙烯酸中的一种或几种的组合；和/或，

12.一种权利要求1～11中任一项所述的水溶型粘合剂粉的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

13.根据权利要求12所述的水溶型粘合剂粉的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述反应温度为40～70℃；和/或，

14.权利要求1～11中任一项所述的水溶型粘合剂粉或权利要求12或13所述的水溶型粘合剂粉的制备方法制备的水溶型粘合剂粉在制备锂电池电极中的应用。

15.一种锂电池负极浆料，包括粘合剂、负极活性物质和导电剂，其特征在于：所述粘合剂采用权利要求1～11中任一项所述的水溶型粘合剂粉。

16.一种锂电池负极，包括基材及形成在所述基材上的涂层，所述涂层经浆料涂覆在所述基材上干燥形成，其特征在于：所述浆料为权利要求15所述的锂电池负极浆料。

17.一种锂电池，其特征在于：含有权利要求16所述的锂电池负极。

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【技术特征摘要】

1.一种水溶型粘合剂粉，所述水溶型粘合剂粉包含共聚物，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述中和度为大于等于40％、小于100％。

3.根据权利要求2所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述中和度为50～90％。

4.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述水溶型粘合剂粉用水溶解得到浓度2～6％的水溶液，所述水溶液在25±0.1℃的粘度为20000-50000mpa.s。

5.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述共聚物的重均分子量为50万～220万。

6.根据权利要求5所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述共聚物的重均分子量为70万～210万。

7.根据权利要求5所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述共聚物的分子量分布为2～8。

8.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述水溶型粘合剂粉的d50粒径为1-80μm；和/或，

9.根据权利要求1所述的水溶型粘合剂粉，其特征在于：所述水溶液聚合在引发剂的存在下进行，所述引发剂的用量为聚合单体总用量的0.1～2％；和/或，所述水溶液聚合采用的反应温度为40～70℃；和/或，所述冷却至38℃以下。

10.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓辉，张金戈，董大宣，
申请(专利权)人：江苏道赢科技有限公司，
类型：发明
国别省市：

全部详细技术资料下载我是这个专利的主人