[發明專利]一種可加速氧化還原過程的鋰電池粘結劑及其制備與應用

在審

• 申請號: 202310560844.0
• 申請日: 2023-05-18
• 公開（公告）號: CN116598503A
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 張效潔;劉新陽;姜曉霞;吉海峰;李孟珂
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發明為一種可加速氧化還原過程的鋰電池粘結劑及其制備與應用。所述的粘結劑為含有二硫鍵的線性聚合物PUS、含有二硒鍵的線性聚合物PUSe或基于二硒鍵的聚氨酯型高分子聚合物(PUPEG?2000)；制備中，將“氧化還原輔介體”的概念引入粘結劑，以胱胺二鹽酸鹽或硒代胱胺二鹽酸鹽為原料，通過一步聚合合成了PUS或PUSe，或者進一步合成基于二硒鍵的聚氨酯型高分子聚合物(PUPEG?2000)；并將它們作為鋰電池電極材料粘結劑。本發明的粘結劑可以加速電極的氧化還原動力學過程，有效提高鋰電池的放電比容量和電化學循環性能。

技術領域：

本發明屬于鋰電池粘結劑領域。具體涉及一種可加速氧化還原過程的鋰電池粘結劑的制備與應用。

背景技術：

近年來，隨著社會的快速發展，能源消耗日益增加，開發利用新能源已成為世界各國能源轉型戰略的核心內容和應對氣候變化的主要途徑。鋰電池因具有高電壓、高能量密度、循環壽命長和綠色環保等優點而受到廣泛關注(Nature,2001,414,359-367)。鋰電池包括鋰離子電池和鋰硫電池等類型，其中鋰離子電池已經被廣泛應用于各種便攜式電子設備以及電動汽車中；鋰硫電池有高于鋰離子電池近3～5倍的比容量(1675mA·h·g^-1)和高理論能量密度(2600Wh·kg^-1)，是一種具有發展前景的儲能系統(Nature?Energy,2016,1,16132)。

粘結劑是一種連接電極活性物質、導電劑和集流體并使它們之間具有整體連續性和良好機械性能的材料，其主要作用是粘結和保持活性物質，穩定電池極片的結構和減少電極的阻抗等，對電極乃至整個電池的性能(內阻、容量、循環壽命、比能量等)均有很大的影響。聚偏氟乙烯(PVDF)是最先得到廣泛應用的鋰電池電極粘結劑，耐電化學腐蝕能力強，可應用于正負極材料。但PVDF的粘附力主要產生于相對較弱的范德華力，電池測試期間PVDF在電解質中會出現溶脹效應，粘結能力變差，不能夠適應電極的體積變化，而導致電極材料結構被破壞，降低了電池的充放電比容量及循環穩定性(Journal?of?EnergyChemistry,2020,43,165-172)。因此，設計新型多功能聚合物粘結劑以替代PVDF用于下一代鋰電池非常重要。

專利“一種具有自修復性能的鋰電池粘結劑的制備方法及其應用(申請號202010715958.4)”，是將含有多氨基官能團的組分和含有雙硫內酯官能團的組分反應，生成了一種新型的含有大量巰基官能團側鏈的交聯網絡聚合物，巰基之間相互反應生成的二硫鍵能夠修復鋰電池在充放電過程中因活性物質粉化或體積變化而被破壞的正極結構。由于硫內酯中硫元素的含量較低，該方法存在著可利用的活性官能團較少的局限。

發明內容

本發明的目的是針對當前技術中存在的不足，提供一種可加速氧化還原過程的鋰電池粘結劑及其制備與應用。所述的粘結劑為含有二硫鍵的線性聚合物PUS、含有二硒鍵的線性聚合物PUSe或基于二硒鍵的聚氨酯型高分子聚合物(PUPEG-2000)；制備中，將“氧化還原輔介體”的概念引入粘結劑，以胱胺二鹽酸鹽或硒代胱胺二鹽酸鹽為原料，通過一步聚合合成了PUS或PUSe，或者進一步合成基于二硒鍵的聚氨酯型高分子聚合物(PUPEG-2000)；并將它們作為鋰電池電極材料粘結劑。本發明的粘結劑作為氧化還原輔介體與鋰離子電池負極或鋰硫電池的硫正極反應生成氧化還原介導能力更強的產物，從而加速電極的氧化還原動力學過程，有效提高鋰電池的放電比容量和電化學循環性能。

本發明的技術方案為：

一種可加速氧化還原過程的鋰電池粘結劑，該粘結劑為以下三種化合物之一：

化合物一，PUS，其結構式如下：

其中，n＝50～100；

或者，化合物二，PUSe，其結構式如下：

其中，n＝30～70；