[发明专利]一种锂离子电池用导电粘结剂及其制备方法、锂离子电池电极极片及制备方法和锂离子电池

说明书

本发明提供了一种锂离子电池用导电粘结剂，包括石墨烯以及接枝在所述石墨烯表面的第一粘结剂，所述第一粘结剂包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚乙二醇、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、六氟丙烯聚合物、苯乙烯‑丁二烯橡胶、海藻酸钠、淀粉、环糊精和多聚糖中的至少一种。该锂离子电池用导电粘结剂兼具良好的导电性能和粘结性能，且具有一定的强度可增强电极极片整体的力学强度，该导电粘结剂实现了粘结剂与导电剂合二为一，因此可提高极片活性物质的含量，进一步提升电芯能量密度。本发明还提供了该导电粘结剂的制备方法，以及包含该导电粘结剂的电极极片和锂离子电池。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种锂离子电池用导电粘结剂及其制备方法、锂离子电池电极极片及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度较高、循环寿命长、免维护等优点，目前已广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、储能电器等领域。

现有锂离子电池制备工艺，是将活性物质(正极或负极活性材料)粉末，与导电剂及粘结剂在溶剂中分散成浆料后，再涂布在集流体(如铜箔和铝箔)上形成极片，最后组装成完整的电芯。然而现有商品化导电剂多以微米甚至纳米颗粒形式存在，在浆料搅拌过程中不易分散，因此实践中往往需要加入过量的导电剂；这不仅降低了电芯能量密度，且过量的导电剂还会显著降低电芯的首次效率。而为使导电剂在溶剂中尽量分散，也需要向浆料中加入足量的粘结剂/分散剂，这样又会降低该浆料制备的极片的导电性，增大电芯内阻。

此外，随着手机等便携式电子设备的功耗逐年增大，市场对高能量密度锂离子电池的需求也越来越迫切。而显著提升锂离子电池能量密度的技术方案之一，就是将现有的石墨负极材料替换为硅等合金材料。然而，硅材料在循环过程中会发生显著的体积膨胀(300％)，造成硅颗粒的粉化并从集流体脱落，从而导致电芯的循环性能迅速衰减。目前业内的解决方案包括采用带有羧基、羟基等能与硅表面的硅氧键结合的高分子化合物做粘结剂，包覆在硅颗粒表面，束缚单个硅颗粒的粉化碎裂。然而，现有解决方案仅是对传统粘结剂的改善，仍需加入炭黑等导电剂；此外，粘结剂分子由于尺寸较小(纳米级)，其缺乏微米尺度的刚性支撑，因此在硅颗粒体积膨胀产生巨大应力的作用下，纳米尺寸的粘结剂分子无法束缚微米尺度的硅颗粒整体的粉化碎裂，因此硅负极粉化后粘结剂将失去粘结效果，最终导致电芯的循环性能迅速衰减。

发明内容

鉴于此，本发明第一方面提供了一种锂离子电池用导电粘结剂，其兼具良好的导电性能和粘结性能，且具有一定的强度，以解决现有锂离子电池需同时使用粘结剂和导电剂，导致电芯内阻增大，电芯能量密度和首次效率降低的问题；以及现有粘结剂分子无法束缚微米尺度的硅颗粒整体的粉化碎裂，从而导致硅负极粉化后粘结剂失效，最终导致电芯的循环性能迅速衰减的问题。

第一方面，本发明提供了一种锂离子电池用导电粘结剂，包括石墨烯以及接枝在所述石墨烯表面的第一粘结剂，所述第一粘结剂包括聚乙烯醇(PVA)、羧甲基纤维素(CMC)、聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚偏氟乙烯(PVdF)、六氟丙烯聚合物、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、海藻酸钠、淀粉、环糊精和多聚糖中的至少一种。

在本发明第一方面中，当所述第一粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚乙二醇、海藻酸钠、淀粉、环糊精和多聚糖中的至少一种时，所述锂离子电池用导电粘结剂进一步包括接枝在所述石墨烯表面的第二粘结剂，所述第二粘结剂通过化学键与所述第一粘结剂连接，所述第二粘结剂为聚丙烯酸(PAA)和聚酰亚胺(PI)中的至少一种。

在本发明第一方面中，所述第一粘结剂和所述第二粘结剂中的羧基均为碱金属化羧基。

在本发明第一方面中，所述石墨烯粒子厚度为0.35-50nm，D50粒径为50-5000nm。

在本发明第一方面中，所述石墨烯占所述锂离子电池用导电粘结剂总质量的0.1-10％。