一种水系导离子型粘合剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于锂离子电池，具体涉及一种水系导离子型粘合剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、经济的快速发展导致了化石燃料的巨大消耗和二氧化碳的大量排放。为了节约不可再生资源，并解决目前日益紧迫的全球变暖问题，混合动力/全电动汽车和大规模智能电网的需求日益迫切。高能量密度、低成本、长循环寿命的可充电锂离子电池已成为研究的热点。随着对高容量和高电压电极材料的深入研究，越来越多的工作表明许多关键的电池特性，包括容量、充放电速率和稳定性，依赖于非电活性的成分，如粘结剂、导电剂和电解质等的性能。

2、导电剂和粘结剂是电极重要的组成部分，通过添加导电剂，例如乙炔黑、碳黑等，来确保电极具有高电导率；添加粘结剂，保证充放电过程中电极的稳定性。但是大量电化学惰性导电剂和粘结剂的添加会减少电极材料中活性物质的质量比，降低锂离子电池的储存比容量。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水系导离子型粘合剂及其制备方法和应用，以提升现有技术中大体积变化下硅基负极的粘附性和li+传输能力。本发明通过设计具有强粘附性和导离子功能的粘结剂，在不需要增加导电剂含量或者预锂化的情况下，维持电极结构稳定性，提高li+的传输能力，进而有效提升电池的首周库伦效率和倍率性能。

2、本发明具体是通过如下技术方案来实现的。

3、本发明提供了一种水系导离子型粘合剂，所述粘合剂是以丙烯酰胺和对苯乙烯磺酸钠为单体，通过聚合反应制备得到。

4、丙烯酰胺与对苯乙烯磺酸钠的化学结构式分别为：

5、

6、在本发明优选的实施例中，所述丙烯酰胺与对苯乙烯磺酸钠的摩尔比为(7:3)～(5:5)，即所述丙烯酰胺单体占单体总摩尔量的50％～70％。

7、本发明还提供了水系导离子型粘合剂的制备方法，包括以下步骤：

8、在保护气体氛围下，以水为溶剂，在引发剂的作用下，丙烯酰胺和对苯乙烯磺酸钠发生自由基聚合反应，制备所述粘合剂。

9、需要说明的是，本发明中的粘合剂为聚(丙烯酰胺-co-对苯乙烯磺酸钠)。粘合剂体系中通过引入胺基和磺酸根，构建一种兼具强粘附和li+快速传输体系的粘合剂。当负极材料体积膨胀时，粘合剂中强极性基团胺基可有效地维持电极结构稳定。同时，带有负电荷的磺酸根加速活性颗粒间li+的传输速度。本发明粘合剂即使在较高固含量的厚电极中依然具有良好的稳定性和粘合力，能够维持电极结构和导离子网络的完整性。

10、在本发明优选的实施例中，包括以下步骤：

11、先将丙烯酰胺与对苯乙烯磺酸钠单体溶解于水中混合，形成混合物；向混合物中加入引发剂，形成反应体系；通入保护气体，去除反应体系中的氧气之后，将反应体系升温至为60℃～75℃进行自由基聚合反应，反应结束后的体系即为所述水系导离子型粘合剂。

12、在本发明优选的实施例中，丙烯酰胺与对苯乙烯磺酸钠的质量配比为1：1.25～3，丙烯酰胺与苯乙烯磺酸钠在水中的总浓度为20wt.％～30wt.％。

13、在本发明优选的实施例中，所述引发剂的加入量为丙烯酰胺单体和对苯乙烯磺酸钠单体总质量的0.01％～0.1％。

14、在本发明优选的实施例中，所述引发剂为偶氮二异丁腈、2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐、过硫酸铵或过硫酸钾中的一种。

15、在本发明优选的实施例中，自由基聚合反应时间为5h～10h。

16、本发明还提供了一种锂离子电池的负极浆料，其特征在于，所述负极浆料由活性材料、导电添加剂、本发明的粘合剂和其它粘合剂组成；其中，活性材料的质量百分数为94％～96％，导电添加剂的质量百分数为1％～2％，余量为粘合剂，本发明粘合剂和其它粘合剂的质量比为5:1，合计100％。需要说明的是，本发明利用胺基和磺酸根粘附性和导li+能力，将粘结剂与纳米硅颗粒混合，组成良好的三维导离子网络结构，缩短li+传输路径，有效促进离子的运输，改善电极电化学性能。采用本发明粘合剂的锂离子软包电池循环500周后，容量保持率仍在85％以上。

17、本发明还提供了所述负极浆料在制备锂离子电池负极中的应用。

18、本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

19、1、本发明采用简单的自由基聚合方法制备了一种水系导离子型粘合剂，以水为溶剂，丙烯酰胺和对苯乙烯磺酸钠发生自由基聚合反应，反应结束后的体系无需后处理，即为本发明水系导离子型粘合剂。粘合剂体系中通过引入胺基和磺酸根，构建一种兼具强粘附和li+快速传输体系的粘合剂。将本发明粘合剂用于制备锂离子电池负极材料后，当负极材料体积膨胀时，粘合剂中强极性基团胺基可有效地维持电极结构稳定。同时，带有负电荷的磺酸根加速活性颗粒间li+的传输速度。本发明粘合剂即使在较高固含量的厚电极中依然具有良好的稳定性和粘合力，能够维持电极结构和导离子网络的完整性。

20、2、本发明利用胺基和磺酸根粘附性和导li+能力，将本发明粘结剂与硅碳材料混合，组成良好的三维导离子网络结构，缩短li+传输路径，有效促进离子的运输，改善电极电化学性能。采用本发明粘合剂的锂离子软包电池循环500周后，容量保持率仍在85％以上。

21、3、本发明采用了简单的自由基聚合即可制备，该制备方法稳定性好，制备的粘结剂导离子性强，粘合力高，适合大规模推广制备。

1.一种水系导离子型粘合剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺单体占单体总摩尔量的50％～70％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，丙烯酰胺与对苯乙烯磺酸钠在水中的总浓度为20wt.％～30wt.％。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂的加入量为丙烯酰胺单体和对苯乙烯磺酸钠单体总质量的0.01％～0.1％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，反应温度为60℃～75℃，反应时间为5h～10h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为偶氮二异丁腈、2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐、过硫酸铵或过硫酸钾。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的水系导离子型粘合剂。

9.一种锂离子电池的负极浆料，其特征在于，所述负极浆料由活性材料、导电添加剂、权利要求8所述的粘合剂和其它粘合剂组成；其中，活性材料的质量百分数为94％～96％，导电添加剂的质量百分数为1％～2％，余量为粘合剂，权利要求8所述的粘合剂和其它粘合剂的质量比为5:1，合计100％。

10.根据权利要求9所述的负极浆料在制备锂离子电池负极中的应用。