[發(fā)明專利]鋰離子電池硅負(fù)極用水性粘合劑及硅負(fù)極的制備方法

有效

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• 申請日: 2012-12-27
• 公開（公告）號: CN103074007A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王久林;賈灝;楊軍
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: C09J105/16
• 分類號: C09J105/16;C09J165/00;C09J125/08;C09J193/00;C09J9/02;H01M4/62;H01M4/134;H01M4/1395;H01M10/0525
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電池用粘合劑，特別涉及一種鋰離子電池硅負(fù)極用水性粘合劑及硅負(fù)極的制備方法。

背景技術(shù)

粘合劑是化學(xué)電源正負(fù)極的重要組成部分，對電極乃至整個電池的性能如容量、循環(huán)壽命、內(nèi)阻、快速充電時的電壓等都有很大的影響。鋰離子電池電極材料中常用的粘合劑有以N-甲基-吡咯烷酮(NMP)為溶劑的聚偏二氟乙烯(PVDF)，以及聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纖維素鈉(CMC)和丁苯橡膠(SBR)膠乳等水溶性粘合劑。

目前商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料主要采用石墨，然而石墨的理論比容量僅為372mAh/g，無法滿足新一代高容量鋰離子電池的發(fā)展需求。硅具有高的理論儲鋰容量(4200mAh/g)和較低的脫鋰電壓平臺，電壓為0.4V，是最有潛力取代石墨的新型鋰離子電池負(fù)極材料之一。然而，硅在充放電過程中表現(xiàn)出巨大的體積變化，易導(dǎo)致材料顆粒的粉化和電極內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞，限制了它的商業(yè)化應(yīng)用。粘合劑對于硅負(fù)極的電化學(xué)性能具有顯著的影響。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種鋰離子電池硅負(fù)極用水性粘合劑及硅負(fù)極的制備方法。

第一方面，本發(fā)明涉及一種鋰離子電池硅負(fù)極用水性粘合劑，所述水性粘合劑為羰基化β-環(huán)糊精、聚3，4-乙撐二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽、阿拉伯膠中的一種或幾種的混合。

優(yōu)選的，所述聚苯乙烯磺酸鹽為聚苯乙烯磺酸鋰、聚苯乙烯磺酸鈉或二者的混合。

優(yōu)選的，所述聚3，4-乙撐二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽，其中，所述聚3，4-乙撐二氧噻吩與聚苯乙烯磺酸鹽的質(zhì)量比為1∶(10～0.1)。

第二方面，本發(fā)明涉及一種硅負(fù)極的制備方法，包括如下步驟：分別取硅材料、由羰基化β-環(huán)糊精、聚3，4-乙撐二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽、阿拉伯膠中的一種或幾種的混合而成的水性粘合劑、導(dǎo)電碳；之后按質(zhì)量比為(60～98)∶(2～40)∶(0～40)均勻分散于水中，然后涂覆在銅集流體上，干燥，即得硅負(fù)極。

優(yōu)選的，所述硅材料為顆粒、多孔硅或二者的混合，所述硅材料的粒徑為10nm～10μm。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)電碳為石墨、乙炔黑、中間相碳微球、熱解碳、單壁碳納米管、多壁碳納米管、石墨烯、富勒烯中的一種或幾種的混合。

優(yōu)選的，所述制備方法還包括如下步驟：將硅負(fù)極放置于溶劑中進(jìn)行浸泡處理；所述溶劑為甲醇、乙醇、乙二醇、二甲亞砜、N-甲基-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺中的一種或幾種的混合；所述浸泡的溫度為25～150℃，浸泡的時間為5分鐘～24小時。

第三方面，本發(fā)明涉及一種鋰離子電池，所述鋰離子電池的負(fù)極為前述方法制備的硅負(fù)極。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明采用β-環(huán)糊精進(jìn)行羰基化改性后為原料，大大地提高了其在水中溶解度，即使蒸干水后，仍無晶體析出，從而有效地增強(qiáng)了粘合劑與硅材料之間的接觸，十分適合作為二次電池電極粘合劑；同時可以采用聚3，4-乙撐二氧噻吩與聚苯乙烯磺酸鹽的組合物，一方面起到粘合劑的作用，同時起到導(dǎo)電作用，組合物通過浸泡在甲醇、乙醇、乙二醇、二甲亞砜、N-甲基-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺中的一種或幾種，可以大幅度提高組合物的導(dǎo)電性能；阿拉伯膠采用上述原料制得硅負(fù)極，其硅負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，具體為：室溫下在0.05C條件下進(jìn)行充放電，首次放電比容量高達(dá)4440.2mAh/g，充電比容量為3238.7mAh/g，充放電效率為72.9％，1小時充放電比容量為1770mAh/g，并且循環(huán)性能十分穩(wěn)定，本發(fā)明成本低、環(huán)保、效果明顯，循環(huán)性好、導(dǎo)電性好，有較好的應(yīng)用前景。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1得到的采用羰基化的β-環(huán)糊精作為水性粘合劑時鋰離子電池硅負(fù)極嵌脫鋰曲線示意圖；

圖2是實(shí)施例3得到的采用聚3，4-乙撐二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽作為水性粘合劑時鋰離子電池硅負(fù)極嵌脫鋰曲線示意圖；

圖3是實(shí)施例4得到的采用聚3，4-乙撐二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽作為水性粘合劑時鋰離子電池硅負(fù)極嵌脫鋰曲線示意圖；

圖4是實(shí)施例5得到的采用聚3，4-乙撐二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽作為水性粘合劑時鋰離子電池硅負(fù)極循環(huán)曲線示意圖。

具體實(shí)施方式