[发明专利]一种锂离子电池硅碳负极材料的复合粘结剂及其制备方法及和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池硅碳负极材料的复合粘结剂及其制备方法和应用，该粘结剂包括富含氨基的水溶性高分子聚合物，交联剂和分散剂。交联剂的环氧基团与氨基交联形成网络结构，结合氨基的氢键与硅负极材料有效结合；分散剂的加入增强粘结剂在浆料中的分散性。该复合粘结剂可以有效缓解硅碳负极材料在充放电过程中的体积膨胀，有利于提高负极材料的首次库伦效率和循环寿命。该粘结剂制备方法操作简单，成本低廉，易实现规模化生产，具有很好的市场应用价值。

技术领域

本发明属于锂离子电池粘结剂领域，具体涉及一种锂离子电池硅碳负极材料的复合粘结剂及其制备方法和在锂离子电池中的应用。

背景技术

近年来，电动自行车、电动汽车的快速发展对动力用电池的大倍率快速充放电能力和长时间续航等能力有了更高的要求。锂离子电池负极材料作为储锂的主体对电池性能和商业化进程具有决定性的作用。传统的锂离子电池负极材料石墨（理论比容量372 mAh/g）已经很难满足能量与功率密度日益增长的要求。在各种负极材料中，硅因具有目前已知的最高理论比容量4200 mAh/g（是商业石墨比容量的近10倍）成为有望替代石墨的负极材料。但是锂离子的脱嵌会引起硅剧烈的体积变化，从而导致硅颗粒的粉碎和电池比容量的迅速衰退。另外，硅本身的电导率很低，导致锂离子在硅材料中的扩散速率较慢，这些都严重限制了硅的实际比容量和大倍率充放电性能的发挥。

目前的研究主要集中在硅材料本身，对硅进行纳米化和复合化，从一定程度上提高硅的循环稳定性和倍率性能，但实际情况并不太理想。这主要是由于纳米尺度的硅表面能较高，当颗粒尺寸小于100 nm时，颗粒极易发生团聚现象成为大的团聚体。而硅是半导体，本身导电性差，团聚之后颗粒的导电性更加恶化，进而造成电子传输速率的下降和反应速率的降低。硅碳复合材料在使用过程中，仍然面临着脆裂、结构坍塌、从集流体上脱落等问题，特别是对于高容量（500 m Ah/g）的硅碳负极材料，其循环稳定性很差。

电极极片是一个复杂的单元，除了负极材料本身，负极粘结剂同样能够抑制硅体积膨胀，从而有效提高硅碳负极材料的循环稳定性与首次库伦效率。相对于传统的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)与硅颗粒之间的范德华力较弱难以缓冲充放电过程中硅的体积变化，而富含氨基的水溶性高分子的酰胺可以与硅表面的氧化硅薄层形成更强的氢键。这样的氢键与硅纳米粒子紧密结合形成集电流体，能够有效减弱硅的体积膨胀，同时改善纳米硅电化学性能。但这类材料单独作为粘结剂时，由于其力学性能较差，经过多次充放电循环后，在电极材料表面发生不可逆滑动，导致负极材料粉化和剥离，最终导致电池失效。因此发展硅碳负极材料复合粘结剂备受关注。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明目的在于：提供一种锂离子电池负极材料的复合粘结剂，有效抑制硅碳负极材料在充放电循环过程中的体积膨胀，增加锂离子电池的循环寿命。

本发明通过以下技术方法来实现：一种锂离子电池硅碳负极材料的复合粘结剂的制备及应用。

本发明的复合粘结剂包括富含氨基的水溶性高分子聚合物，交联剂及分散剂。具体制备步骤如下：

将富含氨基的高分子聚合物加入到氢氧化钠溶液中，搅拌转速为100~500 rpm、室温下条件下充分溶解5 h。再加入一定量交联剂，搅拌转速为100~500 rpm、温度25~90℃条件下，混合1~3 h，进行开环交联反应，反应结束后在透析袋中透析至中性，真空70℃干燥。后将产物溶解在分散剂水溶液，在搅拌转速为100~300 rpm室温下混合0.5~1 h，获得复合型粘结剂；

进一步的，所述富含氨基的高分子聚合物为聚丙烯胺，聚丙烯酰胺，聚甲基丙烯酰胺和聚乙烯亚胺中的一种，分子量为1~10 w。

进一步的，所述交联剂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚，环氧氯丙烷，环氧丙烷中的一种。