[發明專利]一種用于鋰離子電池硅基負極的復合粘結劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110447517.5
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113363482B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 吳曙星;林展;楊雅君;邱鈞城;肖華艷
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/131;H01M10/0525
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 彭玉婷

本發明屬于鋰離子電池技術領域，公開了一種用于鋰離子電池硅基負極的復合粘結劑及其制備方法和應用，所述復合粘結劑簡寫為C?SP?CA，是將絲膠蛋白粉末均勻分散在去離子水中，再加入檸檬酸形成混合液，在120～160℃進行原位交聯反應制得。該粘結劑中的絲膠蛋白由大量側鏈帶親水基團的絲氨酸、天冬氨酸等氨基酸組成，相比傳統的PVDF粘結劑具有更好的分散性。另外，形成的三維網狀結構有利于電子和離子的傳輸，也極大的提高了粘結劑的機械性能，使得電極在循環過程保持良好的完整性。該方法制備的粘結劑能夠顯著提高鋰離子電池硅基負極的電化學性能，此外，該粘結劑制備過程簡單、成本低廉等優點，易達到工業化的要求。

技術領域

本發明屬于鋰電池技術領域，更具體地，涉及一種用于鋰離子電池硅基(SiO_x)負極的復合粘結劑及其制備方法和應用。

背景技術

隨著新能源電動汽車的不斷普及，高能量密度的鋰離子電池成為動力電池今后發展的方向。目前，商業化鋰離子電池負極材料主要為石墨，然而其較低的理論容量(372mAhg^-1)難于滿足高能量密度的需求。單質硅具有較高的容量(4200mAh g^-1)，但是在脫/嵌鋰離子過程中會發生高達300％的巨大體積膨脹，造成硅顆粒破裂、粉化，嚴重影響電極的循環壽命。相較于單質硅，氧化亞硅(SiO_x，0x2)具有可觀的理論容量(1500mAh g^-1)和較小的體積變化(100-150％)，是最具商業應用前景的高性能負極材料。然而，由于不可忽視的體積膨脹(大約200％)，SiO_x負極材料同樣面臨容量快速衰減以及穩定性差等致命缺陷。

粘結劑是鋰離子電池的重要組成材料之一，它能將活性材料顆粒與導電劑顆粒粘結在在集流體上，維持充放電過程中電極的結構完整，對提高鋰離子電池循環穩定性具有重要影響。因此，合成多功能的復合粘結劑是提高SiO_x電化學性能，實現高能量密度了鋰電池最為經濟有效的方法。

聚偏氟乙烯(PVDF)是目前使用最為廣泛的商用粘結劑，具有良好的電化學穩定性。但是，在面對高能量密度的SiO_x負極材料時，PVDF與SiO_x顆粒形成微弱的范德華力，難于承受SiO_x顆粒在循環過程中體積膨脹而產生的應力，易造成電極結構的破壞。

絲膠蛋白作為天然高分子蛋白質，具有良好的水溶性和分散性，是一個有前途的SiO_x負極粘結劑。然而，單一的絲膠蛋白為直鏈狀結構，粘結性能較差，難于維持SiO_x顆粒在循環過程中的體積膨脹。基于此，本發明提出通過絲膠蛋白與小分子檸檬酸進行原位交聯反應，設計出具有三維網絡結構的復合粘結劑，提高粘結劑的機械強度，實現SiO_x負極的循環穩定性。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的粘結劑難以解決高能量密度SiO_x負極循環穩定性的問題，本發明目的在于提供一種用于鋰離子電池硅基(SiO_x)負極的復合粘結劑。該粘結劑與SiO_x顆粒表面具有豐富的結合位點，通過交聯反應之間形成很強的共價鍵作用，很大程度上加強了粘結劑的機械強度，能夠有效抑制SiO_x電極在循環過程中體積膨脹的問題，從而使得SiO_x電極具有一個穩定的循環性能。

本發明的另一目的在于提供上述用于鋰離子電池SiO_x負極的復合粘結劑的制備方法，該方法通過原位交聯合成的三維網絡結構的復合粘結劑。

本發明的再一目的在于提供上述用于鋰離子電池SiO_x負極的復合粘結劑的應用。

本發明的目的通過下述技術方案來實現：