[发明专利]水溶性复配导电粘结剂、其制备方法及硅电极和离子电池

说明书

本发明公开了一种水溶性复配导电粘结剂、其制备方法及硅电极和离子电池，所述粘结剂为聚乙烯醇‑壳聚糖溶液经碳化后制得。本发明的粘结剂为一种具有导电子能力的水溶性粘结剂。其合成步骤简单，原料成本低廉，安全性高，符合绿色化学的要求。采用该导电粘结剂的硅电极可以在没有或极少导电添加剂含量(0～20wt％)，较低粘结剂含量(5～20wt％)和高Si含量(60～95wt％)的条件下保持优异的循环稳定性。所述的粘结剂含有丰富的羟基、氨基、和酰胺基，可以与硅表面的氧化层形成氢键作用，提供良好的界面粘结力，且具有分散性和较好的导电子能力，有助于降低电极表面的粗糙度，提高黏附性，使含有所述粘结剂硅电极的离子电池表现出优异的循环稳定性和高负载能力。

技术领域

本发明属于粘结剂合成及电化学技术领域，涉及一种安全性高、成本低廉的水溶性复配导电粘结剂及其制备方法，以及一种基于所述粘结剂的硅电极片和离子电池。

背景技术

随着电动汽车和电子产品的快速发展，对具有高能量密度的锂离子电池的需求也在增加。目前可用的商业石墨阳极的理论容量较低，仅为372mAh g^-1，无法满足市场的需求。在有前景的锂离子电池电极材料中，硅(Si)因其高理论容量(4200mAh g^-1)而引起了广泛关注。然而，硅的巨大体积膨胀和差的导电性限制了其商业应用。

在传统工艺中，电极由活性材料、导电添加剂和聚合物粘结剂组成。导电添加剂有助于提高电极的电子传导性。然而，导电添加剂和硅颗粒之间的相互作用非常弱，以至于导电网络在电化学循环过程中往往会被破坏。此外，导电添加剂和粘结剂的使用大大降低了电极的体积容量和质量容量，而且由导电添加剂诱导的电子导电性会因非导电粘结剂的存在而降低。导电粘结剂可以解决这些问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种水溶性复配导电粘结剂及其制备方法，以及一种基于所述粘结剂的硅电极片和离子电池。本发明的粘结剂为一种具有导电子能力的水溶性粘结剂。其合成步骤简单，原料成本低廉，安全性高，符合绿色化学的要求。采用该导电粘结剂的硅电极可以在没有导电添加剂，较低粘结剂含量(5～20wt％)和高Si含量(80～95wt％)的条件下保持优异的循环稳定性。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种水溶性复配导电粘结剂(PVA-CS-H)，由聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖(CS)碳化而成，所述的聚乙烯醇和壳聚糖的质量比为7：1～1：2。更优选的，聚乙烯醇和壳聚糖的质量比为4：1～6：1。

本发明还提供一种上述导电粘结剂的制备方法。包括下述步骤：

(1)将聚乙烯醇溶解于去离子水中，搅拌均匀形成聚乙烯醇溶液；

(2)将壳聚糖溶解于酸性溶液中，搅拌均匀形成壳聚糖溶液；

(3)将聚乙烯醇溶液与壳聚糖溶液混合均匀，形成聚乙烯醇-壳聚糖溶液(PVA-CS)；

(4)将PVA-CS溶液放置于反应釜中，在高温下反应一段时间后，停止加热，自然降至室温，即得到PVA-CS-H导电粘结剂。

上述技术方案中，步骤(1)中，聚乙烯醇溶解于去离子水的温度为90℃以上。

进一步地，步骤(2)中所用的酸性溶液为乙酸、草酸、盐酸中的一种或几种混合溶液。

进一步地，步骤(3)中，聚乙烯醇和壳聚糖的质量比为7：1～1：2。更优选的，聚乙烯醇和壳聚糖的质量比为4：1～6：1。在该范围下，尤其是在聚乙烯醇占适量多数情况下，得到的极片及相应电池的性能会有显著的提升。

进一步地，步骤(4)中，反应温度为120～220℃，反应时间为4～72h。