[发明专利]一种锂离子电池硅基负极粘结剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池硅基负极材料用粘结剂PAA的改性方法，通过碱金属原位改性PAA。该改性方法操作简单，易于实现。负极片使用本发明改性得到的PAA粘结剂更有利于锂离子电池具备更好的容量保持率。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种锂离子电池硅基负极粘结剂及其制备方法。

背景技术

硅基负极（含SiO负极）是高比能量锂离子电池的理想负极。在常温下，硅能够与Li形成Li₁₅Si₄合金，容量高达3579mAh/g，是石墨负极材料理论容量的近10倍。同时，由于硅的储锂机理是合金化反应，因此在锂离子的嵌入脱出过程中不会发生电解质溶剂的共嵌入，有着较宽的电解液的选择范围。另外，相较于碳材料，硅有更高的脱嵌电位，这使得它在大倍率下充放电时可以减少锂的析出，从而避免了锂枝晶的形成，提高了电池的安全性。硅是地壳中含量第二高的元素，原料来源丰富。从能量密度和成本两方面考虑，硅材料都是理想的负极材料。

但是，硅材料作为负极有两个主要问题待解决。一是硅作为半导体材料，本身导电能力弱；二是硅负极材料在充放电过程中会出现极大的体积膨胀，高达300%。体积膨胀会引发以下的问题：1、巨大的体积膨胀会产生较大的应力，导致活性物质和集流体分离,造成容量损失；2、在体积膨胀过程中，会破坏固体电解液界面膜（SEI），使得电解液与硅直接接触，形成不稳定的SEI膜，这一过程会损耗锂离子和电解液，造成不可逆容量的损失。

目前，对于硅负极材料出现的问题所采用的措施主要有减小硅负极材料的尺寸，如制备硅纳米颗粒、硅纳米管/线来缓解硅体积膨胀所产生的应力；制备硅基复合材料，如将石墨与硅进行复合在一定程度上可以缓解硅的体积膨胀，且可以改善硅材料的表面特性，将SEI膜限制在包覆层表面，实现稳定SEI膜的形成。

锂离子电池的电极是由活性材料、导电添加剂和粘结剂三部分共同组成的，粘结剂作为电极不可或缺的一部分，它具有将活性材料、导电剂和集流体粘接在一起的作用。它可以有效地防止活性材料从集流体上脱落，因而可以提高极片的循环性能，实现锂离子电池的长期循环性能。因此有许多学者从粘结剂的角度出发，研究能提升硅负极材料电性能的粘结剂。

目前商业化的粘结剂中，适合硅基负极的仅有聚丙烯酸（PAA）一种。PAA结构中羧基含量高，可以与活性材料表面的羟基形成强氢键作用。因而它的黏附性能和力学性能比传统的PVDF粘结剂更好，可以在活性材料表面形成一层涂层，起到人工SEI的作用，有利于提升锂离子电池的电性能。并且PAA能够较PVDF更有效地抑制活性材料在电解液中的膨胀，具有较好的电解液溶胀率及稳定性，成为锂离子电池常用的聚合物粘结剂之一。但是，也因为PAA结构中大量羧基的存在，虽有良好的粘性，但羧基的亲水性较强，残余水分会与电解液中的LiPF₆反应使有机溶剂分解，影响电池的充放电性能。对PAA进行改性以提升它的性能是十分必要的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种PAA粘结剂的改性方法。该方法操作简单，改性后的PAA粘结剂对锂离子电池的容量保持率具有明显的提升作用。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案。

一种PAA粘结剂的改性方法，包括以下步骤：

1）将PAA粘结剂在纯水中分散，得到混合物A；

2）在混合物A中缓慢加入碱金属，搅拌至无固体存在，得到改性的PAA粘结剂。

基于同样的发明构思，本发明提供上述改性方法制备得到的改性PAA粘结剂。

在一个实施例中，PAA粘结剂通过加入锂金属的方式改性得到。

在一个实施例中，PAA粘结剂通过加入钠金属的方式改性得到。

在一个实施例中，PAA粘结剂通过加入钾金属的方式改性得到。