[發(fā)明專利]一種用于鋰離子電池的粘結(jié)劑

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610009335.9
• 申請日: 2016-01-07
• 公開（公告）號: CN105504169B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏良明
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: C08F251/02
• 分類號: C08F251/02;C08F220/06;C09J151/02;C09J109/06;C09J105/04;C09J103/02;H01M4/62;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: 胡晶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，特別涉及一種用于鋰離子電池的粘結(jié)劑。

背景技術(shù)

鋰離子電池是目前研究最廣泛、最深入的能量存儲裝置之一，因其具有高容量密度、循環(huán)壽命高、綠色環(huán)保、使用溫度范圍寬及安全性能高等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用到智能手機(jī)、平板電腦、電動汽車等領(lǐng)域。而鋰離子電池的電極片性能是決定鋰離子電池性能的關(guān)鍵因素之一，其主要由電極活性材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑及金屬集流體(銅箔或鋁箔等)組成；其中粘結(jié)劑用于粘結(jié)電極活性材料和導(dǎo)電劑顆粒，同時將它們粘結(jié)在金屬集流體表面。因此粘結(jié)劑力學(xué)性能的優(yōu)劣與電池的循環(huán)壽命密切相關(guān)，如果力學(xué)性能不佳，容易引起電極片在電化學(xué)循環(huán)過程中粉化，導(dǎo)致電極材料從集流體表面脫落，失去電化學(xué)儲能性能。此外，當(dāng)粘結(jié)劑的電化學(xué)穩(wěn)定性不好時，在電極電化學(xué)過程中粘結(jié)劑的一些功能基團(tuán)可與鋰離子發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致電池的可逆容量下降。

目前鋰離子電池最常用的粘結(jié)劑主要有聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纖維素鈉(CMC)和丁苯橡膠(SBR)等。PVDF粘結(jié)劑是工藝技術(shù)上較為成熟的一種粘結(jié)劑，具有較好的粘結(jié)性能，但是使用這種粘結(jié)劑制備電極片需要消耗大量的較高沸點的N-甲基吡咯烷酮(NMP)有機(jī)溶劑，成本高，環(huán)境污染大，而且PVDF粘結(jié)劑在一些常用的電解液中容易溶脹，導(dǎo)致電極穩(wěn)定性下降。CMC和SBR粘結(jié)劑通常配合使用，這類粘結(jié)劑常以水為溶劑，成本低、環(huán)境友好、應(yīng)用廣泛，但該類粘結(jié)劑力學(xué)性能不好，導(dǎo)電性能差。特別地，對于一些在充放電循環(huán)過程中具有顯著體積變化的高容量電極材料(如硅，二氧化錫負(fù)極等)，這些常用的粘結(jié)劑是無法滿足實際需要的。因此尋找一種力學(xué)性能好、穩(wěn)定性好的新型粘結(jié)劑是提升鋰離子電池性能的一個非常有效手段，同時又可以滿足人們對高容量鋰離子電池的需要。

通過檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在《德國應(yīng)用化學(xué)》的一篇為“一種高交聯(lián)聚合物粘結(jié)劑用于高性能鋰離子電池硅負(fù)極”(A Highly Cross-Linked Polymeric Binder for High-Performance Silicon Negative Electrodes in Lithium Ion Batteries,Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,8762-8767)報道了一種聚丙烯酸交聯(lián)羧甲基纖維素的硅負(fù)極用的粘結(jié)劑，這種粘結(jié)劑是由丙烯酸與羧甲基纖維素中的羥基發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成一種具有三維空間結(jié)構(gòu)的共聚物。但是用這種粘結(jié)劑制備的鋰離子電池經(jīng)過100次充放電循環(huán)后，電池容量衰減大于20％，而且制備這種粘結(jié)劑需要在較高溫度(150℃)下完成交聯(lián)反應(yīng)。另外一篇中國專利(CN201110030628.2)披露了一種用金屬離子或有機(jī)銨鹽交聯(lián)聚電解質(zhì)的粘結(jié)劑；一篇中國專利(CN201410587080.5)披露了一種用多烯類交聯(lián)劑交聯(lián)的聚丙烯酸酯類水性粘結(jié)劑。這兩類交聯(lián)型的粘結(jié)劑都是在交聯(lián)反應(yīng)完成后再與電極活性材料混合，易導(dǎo)致電極活性材料與粘結(jié)劑混合不均勻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一目的是提供一種聚丙烯酸鈉共價接枝的羧甲基纖維素鈉共聚物，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。

本發(fā)明的第二目的是提供一種聚丙烯酸鈉共價接枝的羧甲基纖維素鈉共聚物的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。

本發(fā)明的第三目的是提供一種含上述的聚丙烯酸鈉共價接枝的羧甲基纖維素鈉共聚物的粘結(jié)劑，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。

本發(fā)明的第四目的是提供一種利用上述粘結(jié)劑制作的電極片，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。

本發(fā)明的第五目的是提供一種利用上述電極片的制作方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。

本發(fā)明的第六目的是提供一種利用上述電極片制作的電化學(xué)裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明公開了一種聚丙烯酸鈉共價接枝的羧甲基纖維素鈉共聚物，其特征在于，用于鋰離子電池，其結(jié)構(gòu)式為：

其中，R＝H，CH₃或C₂H₅；所述共聚物采用以下方法制備得到：在引發(fā)劑存在下，使丙烯酸單體接枝在羧甲基纖維素鈉上并形成聚丙烯酸支鏈，之后通過調(diào)節(jié)pH值至3-9，使聚丙烯酸中的一部分羧基轉(zhuǎn)化為鹽；其中，所述的丙烯酸單體與羧甲基纖維素鈉的質(zhì)量比為1:4～4:1，所述引發(fā)劑與羧甲基纖維素鈉的質(zhì)量比為0.01:1～0.5:1。

本發(fā)明還公開了一種上述的聚丙烯酸鈉共價接枝的羧甲基纖維素鈉共聚物的制備方法，包括以下步驟：