[发明专利]用于锂离子电池电极材料的聚丙烯酸酯类水性粘结剂、制备方法及锂离子电池极片

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，涉及一种锂离子电池正极和负极材料水性粘结剂、制备方法及锂离子电池极片。

背景技术

锂离子电池由于其具有高容量、长寿命、循环次数多、无记忆效应、自放电少、绿色环保、使用温度范围宽、高倍率性及安全性等性能被广泛的应用到手机、电脑、电动自行车和电动汽车等。而电池正极和负极极片在充放电过程中体积膨胀会影响锂离子电池的性能。目前，降低极片膨胀率是研究的热点之一，低膨胀石墨负极的开发很迫切，而粘结剂是解决石墨负极膨胀的有效手段。粘结剂其高分子结构的强大内聚力，可有效的抑制极片的膨胀效应，因此，粘结剂在低膨胀石墨开发中的作用尤其显著。同时，硅基材料具有容量高、循环性能好和倍率性好等优点，但是其在充放电过程中体积膨胀较大又使其应用受到限制，同样可通过粘结剂其特殊的高分子结构而起到抑制膨胀的作用。因此，制备一种用量少、粘结力强并能有效抑制极片膨胀特别是石墨负极和硅基材料膨胀的粘结剂不仅是未来的发展趋势，更是市场的迫切需求。

目前，市场上主要用于锂离子电池电极材料的粘结剂主要有聚偏氟乙烯(PVDF)和丁苯橡胶(SBR)/羧甲基纤维素钠(CMC)等。PVDF在使用时需加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶解后再配置成浆料，在制作成极片的过程中，溶剂的挥发即污染环境又危害工作人员的健康，并且粘结力和柔软性都较差，抑制极片膨胀的效果也非常有限，提高电池的容量及倍率特性比较困难，另外PVDF及其溶剂价格较高，增加了锂离子电池的成本。SBR/CMC水性粘结剂在市场上有大规模应用，但由于其自身原因很难应用于正极极片的制备，同时价格稍高，故使用时在一定范围内受到限制。

CN 101457131B公开了一种锂离子电池电极材料用水性粘结剂及其制备方法，该材料由低极性聚合物为核芯，高极性聚合物为壳层，形成内软外硬的核壳结构的水性粘结剂，但是由于壳层极性较高，该水性粘合剂柔韧性不足，目前尚无大规模使用。

因此，开发一种安全环保，正极、负极材料均可使用，制备成极片后加工性能和电性能优良，用量少、成本低且可有效抑制石墨负极和硅碳材料膨胀效应的水性粘结剂是所属领域的技术难点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于锂离子电池电极材料的聚丙烯酸酯类水性粘结剂，所述水性粘结剂安全环保，解决了聚偏氟乙烯(PVDF)等溶剂型粘结剂在溶剂挥发时对环境的污染和对工作人员健康的危害，并且柔软性可调节，粘结力强，用量少，成本低。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于锂离子电池电极材料的聚丙烯酸酯类水性粘结剂，其分子链段由亲水性链段和亲油性链段两部分组成，并经交联剂交联形成空间网状结构。

该粘结剂为空间网状结构的高分子弹性体，用其制备的电极极片力学性能好，不会在充放电时出现极片“掉料”的现象，对锂离子电池正、负极电极材料均具有较好的粘结性能。并且，由于其为交联结构，其内聚力更大，强大的内聚力可有效的抑制极片的膨胀效应，用于石墨负极和硅基材料中，抑制膨胀效果显著。

根据本发明，所述水性粘结剂由单体聚合而成，分为亲水性单体和亲油性单体，并经交联剂交联而成。水性粘结剂中不含乳化剂，可用于锂离子电池正、负极材料中。

根据本发明，所述水性粘结剂由无皂乳液聚合方法聚合而成。本发明采用无皂乳液聚合方法，其不含乳化剂，所制备的乳胶粒子表面比较洁净，乳液稳定。

根据本发明，形成亲水性链段的亲水性单体为具有如下结构的单体中任意一种或者至少两种的组合：CHR₁＝CHR₂；

其中，R₁为-H、-CH₃或-COOLi；R₂为-H、-CH₃、-COOLi、-CH₂COOLi或-CONH₂。

根据本发明，形成亲油性链段的亲油性单体为具有如下结构的单体中的任意一种或者至少两种的组合：CHR1＝CR2R3；