[發明專利]一種鋰硫電池正極用水系粘結劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910555511.2
• 申請日: 2019-06-25
• 公開（公告）號: CN110190284B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 彭創;李士震;王康翔
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/13;H01M4/139;H01M4/04;H01M10/052
• 代理公司: 北京睿博行遠知識產權代理有限公司 11297
• 代理人: 彭姣云

本發明涉及一種鋰硫電池正極用水系粘結劑及其制備方法和應用，電池粘結劑技術領域。該粘結劑由極性高分子聚合物和具有強吸附性的減水劑聚合物在水中混合交聯而成。本發明的水系粘結劑粘合能力強，應用在鋰硫電池中可以獲得穩定的硫正極結構，能夠有效緩沖正極材料在電池循環過程中產生的將近80％的體積膨脹收縮應力變化，同時，通過聚合物分子中的多極性官能團和可溶性多硫化物之間的相互化學作用，可以將多硫化物束縛在硫正極區域，阻止其遷移擴散，有效抑制了鋰硫電池的“穿梭效應”，從而提高了電池的比容量和循環壽命。此外，本發明采用水作為溶劑，無需其他特殊處理，既簡單實用又綠色環保，在鋰硫電池工業化應用中具有很好的前景。

技術領域

本發明涉及電池粘結劑技術領域，具體涉及一種鋰硫電池正極用水系粘結劑及其制備方法和應用。

背景技術

鋰硫電池(Li-S)是指以金屬鋰為負極，單質硫或者硫的化合物為正極的高能量二次電池體系，理論比能量高達2600Wh/kg，具有其它電化學儲能體系無法比擬的高比能特性，其比容量遠遠高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰電池(150mAh g^-1)。此外，硫在自然界的儲量十分豐富，且硫及其中間產物和放電產物均無毒，符合綠色化學的要求。因此，鋰硫電池具有非常廣闊的商業價值與應用前景，具有重要的社會、經濟和環境效益。

粘結劑是鋰硫電池正極材料中重要的組成部分，其用量雖少，但對電極的結構和形貌具有至關重要的影響。電極中加入粘結劑主要是為了粘覆活性電極物質和導電劑，使極片組分與集流體有良好接觸；同時穩定極片內部結構，緩解電極材料在電池循環過程中帶來的體積收縮膨脹應力變化。

對于使用的粘結劑，要求必須具有良好的粘結性能、耐熱性、耐溶劑性和電化學穩定性。粘結劑的物理性質直接影響到漿料及極片的性能，進而對電池的電化學性能和安全性能也有著關鍵的影響。因此，粘結劑的選擇和優化對鋰離子電池的發展具有重要的研究價值。

常用鋰硫電池正極用粘結劑按照溶解溶劑的不同可分為水系粘結劑和油系粘結劑。目前鋰硫電池中普遍使用的油系粘結劑為聚偏氟乙烯(PVDF)，使用的溶劑為N-甲基吡咯烷酮(NMP)。普遍使用的水系粘結劑有羧甲基纖維素鈉(CMC)配合丁苯橡膠(SBR)，聚丙烯酸酯類(LA系列)粘結劑。因為NMP具有毒性，對人體有害，而且有機溶劑易吸收水分，對空氣濕度也有很高的要求，再加上水溶劑成本低、易獲取、環境友好等優點，所以水系粘結劑是目前鋰硫領域的一個重要研究方向。

發明內容

為了克服現有鋰硫電池粘結劑上述存在的技術問題和缺陷，本發明的目的在于提供一種鋰硫電池正極用水系粘結劑及其制備方法和應用。本發明所述粘結劑環境友好、成本低廉且粘合性能強，能夠有效緩解循環期間電極體積的變化，應用于鋰硫電池可大幅度提高循環穩定性，具有很高的實際應用價值和商業前景。

為了實現本發明的上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種鋰硫電池正極用水系粘結劑，所述水系粘結劑由極性高分子聚合物與具有強吸附性的減水劑聚合物在溶劑水中混合交聯而成，其中：所述極性高分子聚合物為聚碳酸酯(PC)、聚丙烯酰胺(PAM)、丁腈橡膠(NBR)、聚丙烯腈(PAN)、環氧樹脂、丙烯酸酯、聚乙烯醇(PVA)、酚醛樹脂、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSF)、聚苯硫醚(PPS)、氨基樹脂、聚乳酸等高分子聚合物中的任一種或多種的混合物；所述減水劑聚合物為木質素磺酸鹽或樹狀支化大分子的任一種。

進一步地，上述技術方案，所述極性高分子聚合物與減水劑聚合物的質量比為1～10：1～10。

優選地，上述技術方案，所述極性高分子聚合物與減水劑聚合物的質量比為1～5:1～5，更優選為1～3：1～3。

進一步地，上述技術方案，所述極性高分子聚合物的分子量為200～2500wDa。