[发明专利]用于锂离子电池的复合粘合剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种复合粘合剂、包含所述复合粘合剂的电极材料和硅基锂离子电池、以及用于制备所述复合粘合剂的方法。

技术领域

本发明涉及锂离子电池并且特别涉及在锂离子电池的硅基负极中粘合剂网络的开发和改进。

背景技术

随着便携式电子装置和电动车辆的快速发展和普及，对具有增大的能量和粉末密度的锂离子电池的需求变得越来越迫切。硅由于具有4200mAh/g(对于Li_4.4Si)的高理论比容量，是用于锂离子电池的有前途的候选电极材料。

然而，Si基电极材料的循环性能对于工业应用仍然不令人满意。最大挑战之一是由于硅的反复体积变化而导致粘合剂失效，例如在嵌锂/脱锂过程期间，硅经历急剧膨胀和收缩，这将导致在Si基活性材料和电极两者中产生许多裂纹。粘合剂网络以在电极中的体积变化期间维持电极完整性以及实现良好的循环性能方面起到关键作用而为人所知。

在所有种类的粘合剂中，包含羧基的粘合剂如聚丙烯酸(PAA)和基于羧甲基纤维素(CMC)的聚合物显示出比非官能聚合物(如PVDF和苯乙烯-丁二烯橡胶)更好的电化学性能，并且因此被经常使用。这些官能粘合剂显示出经由氢键和/或该粘合剂的极性官能团与Si颗粒的部分水解的表面层之间的共价化学键而与Si颗粒的增强的键合。

然而，通过羧基形成的键合仍然不足够强以承受硅的体积变化程度。针对这一问题，包含交联的CMC-PAA粘合剂的三维聚合物网络随后被开发用于Si电极材料，其中通过交联技术将聚合物链锚固。这些设计通过抑制Si电极材料的大体积膨胀带来的不利影响有效地增强了它们的电化学性能。

发明内容

因此，本发明的目的是提供对用于锂离子电池的硅基负极的粘合剂的进一步改性和改进。根据本发明，已提出将可变形的复合粘合剂用于Si基电极材料。

具体地，提出了一种包含以下物质的交联产物的复合粘合剂：

a)包含羧基的粘合剂；以及

b)α-、β-或γ-环糊精和/或改性的α-、β-或γ-环糊精，所述改性的α-、β-或γ-环糊精具有比未改性的相应环糊精更好的水溶性。

因此，本发明提供了一种用于锂离子电池的可变形的复合粘合剂，其具有三维键合网络和在粘合剂与硅基材料之间的增强的相互作用。

本发明进一步提供了一种电极材料，其包含根据本发明的复合粘合剂。

本发明进一步提供了一种硅基锂离子电池，其包含根据本发明的复合粘合剂。

本发明还涉及一种用于制备以上复合粘合剂的方法，该方法包括以下步骤：

(1)分别制备包含羧基的粘合剂的水溶液和α-、β-或γ-环糊精和/或改性的α-、β-或γ-环糊精的水溶液；

(2)在搅拌下混合以上制备的水溶液；

(3)在真空下将混合溶液干燥并脱水；

(4)进行原位交联反应。

附图说明

图1是当将环糊精或β-环糊精添加到PAA中时三维键合网络和相应的结构式的示意图。

图2是示出过氧化氢对β-环糊精的羰基改性的示意图。

图3是实施例1中制备的交联产物的红外光谱图。

图4是示出实施例1至4中制备的Si电极的循环性能的曲线图。

图5是示出实施例3和对比例1中制备的Si电极的循环性能比较的曲线图。

图6是示出实施例3和对比例1中制备的Si电极的不同C倍率的曲线图。