[發明專利]一種動態離子交聯的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝膠粘合劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910064403.5
• 申請日: 2019-01-23
• 公開（公告）號: CN109888286B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 宋江選;焦星星
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/0525;C08F120/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種動態離子交聯的聚丙烯酸?聚乙二醇水凝膠粘合劑及其制備方法和應用，它是采用“一鍋法”制備了動態離子交聯的聚丙烯酸?聚乙二醇水凝膠粘合劑；該粘合劑結合了聚乙二醇良好的導電離子性與丙烯酸能夠相互聚合的性能，形成了能夠導離子的三維網絡結構；粘合劑的三維網絡結構能具有優異的力學性能，可以有效的緩解活性材料在充放電過程中產生的應力；因動態離子的引入，使得整個三維網絡結構中附著有動態的離子，使得整個三維網絡具有自我修復作用，粘合劑的自修復功能可以有效地抑制或修復硅負極在長周期循環之后產生的裂紋會在后續循環中誘導產生更大的裂痕，從而維持電極結構的穩定性。

技術領域

本發明屬于二次電池技術領域，具體涉及一種動態離子交聯的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝膠粘合劑及其制備方法和應用。

背景技術

隨著人類社會的快速發展，對能源的需求不斷增加。當今，化石能源短缺，能源危機已經成為社會的巨大挑戰。鋰離子電池作為一種新型的二次電池具有容量大、工作電壓高、能量密度高、自放電率低、循環壽命長、無記憶效應等優點，已經成為解決能源危機、改善自然環境的重要儲能裝置。

鋰離子電池由于能量密度高、工作電壓高、自放電少、循環性能好等性能優勢廣泛應用于各個領域。石墨的來源廣泛、價格低廉，是理想的鋰離子電池負極材料之一，但是鋰在嵌入石墨后形成LiC6的結構，理論容量僅達到372 mAh/g，難以滿足高容量的迫切需求。硅(Si)基負極材料的理論比容量(4200 mAh/g)高、嵌脫鋰平臺較適宜，是一種理想的鋰離子電池用高容量負極材料，但是在充放電過程中，Si的體積變化達到300％以上，劇烈的體積變化所產生的內應力，容易導致電極結構的粉化、剝落，最終造成容量快速衰減，嚴重地阻礙了其在鋰離子電池中的實際應用。

在鋰離子電池中，粘結劑是影響電極結構穩定性的重要因素。粘結劑的主要作用是將活性物質和導電劑連接并粘附于集流體上，可以有效的改善電極的循環性能。傳統電極，最初選用具備良好熱穩定性和電化學穩定性的聚偏氟乙烯（PVDF）和苯乙烯-丁二烯橡膠（SBR）作為硅基負極粘結劑。然而，商業化粘結劑PVDF和SBR與硅基材料間的作用力為較弱的范德華力，難以抵抗由硅基材料體積變化引起的巨大應力，導致導電網絡的破裂，活性材料的損失，最終引起容量的快速衰減。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種動態離子交聯的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝膠粘合劑及其制備方法和應用；該粘合劑是采用“一鍋法”制備了動態離子交聯的水凝膠，是由丙烯酸單體直接在水介質中自由基反應聚合而成的聚丙烯酸和聚乙二醇發生縮合反應制成，然后加入離子形成了動態離子和化學鍵雙交聯的三維網絡結構的水凝膠。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種動態離子交聯的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝膠粘合劑，所述粘合劑為聚丙烯酸-聚乙二醇聚合成的三維交聯網絡結構，三維交聯網絡結構上附著有動態離子，所述動態離子為Li⁺、Na⁺、Al³⁺或Ca²⁺。

優選的，所述聚乙二醇的重均分子量為400-20000。

一種上述的動態離子交聯的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝膠粘合劑的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，將聚乙二醇溶于去離子水中，制備聚乙二醇水溶液；

步驟2，將丙烯酸單體溶于去離子水中，制備丙烯酸水溶液；

步驟3，將引發劑加入丙烯酸水溶液中；升溫包含有引發劑的丙烯酸水溶液至70～90℃后，加入步驟1制備的聚乙二醇水溶液，加入結束后進行攪拌，當反應體系成粘稠狀時，反應結束，制得聚丙烯酸-聚乙二醇水凝膠聚合物；