[发明专利]一种具有自愈合功能的聚丙烯酸基粘结剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有自愈合功能的聚丙烯酸基粘结剂及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。所述粘结剂的原料组成为聚丙烯酸、海藻酸钠和硼酸钠，所述粘结剂中聚丙烯酸的羧基与海藻酸钠的羟基结合形成氢键，硼酸钠与聚丙烯酸、海藻酸钠分别通过硼酯键结合，进而形成三维交联网状结构。通过交联反应，通过化学交联形成了可逆的动态多氢键和硼酯键，通过分子链的延伸形成三维空间骨架，氢键和硼酯键的自修复功能，同时改善了微米硅负极的结构稳定性和电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种具有自愈合功能的聚丙烯酸基粘结剂及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

目前可再生能源技术已被开发为现代社会普遍使用的矿物燃料的补充或替代技术。然而，可再生能源是间歇性产生的，导致电网无法对电力进行大规模，长时间，周期性的供应。因此，大规模储能系统的研发对于可再生能源的储存和转换尤其重要。在诸多的储能系统中，锂离子电池，具有长的循环寿命、高的功率密度和以及最快速的充放电速率等优点的，已广泛应用于各种电子设备中，如电脑，手机，电动工具，工业设备，节能混合动力船舶，飞机，无人机，插电式混合动力和纯电动汽车大规模储能与转换领域。然而，传统的石墨负极难以满足对高能电池日益增长的需求。微米硅(Si)由于其高理论容量和低的成本(4200mAh g^-1)而作为有前景的下一代锂离子电池的负极材料吸引起了研究者的极大地兴趣。不幸的是，较大的体积膨胀(～300％)会导致一系列的问题，包括电极的粉化、活性材料脱落、连续固态-电解质界面(SEI)的形成。因此微米Si负极表现出快速的容量损失，低的库仑效率和差的循环稳定性。解决该问题的一种有效方法是采用具有更高弹性的聚合物粘合剂。作为替代传统聚偏二氟乙烯(PVDF)的各种聚合物粘合剂已经被报道。聚丙烯酸(PAA)、羧甲基纤维素(CMC)和导电聚合物等聚合物粘合剂由于其材料本身的弹性性质，显著增强了Si负极的容量和循环稳定性。此外，聚合物的官能团与Si颗粒表面上的天然氧化物的亲和力，进一步改善了电极的循环稳定性。然而，由于微米Si负极和聚合物粘合剂遭受了重复的极端体积膨胀和收缩，这些聚合物粘合剂最终经历了不可逆的机械降解和开裂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有自愈合功能的聚丙烯酸基粘结剂及其制备方法。通过交联反应，通过化学交联形成了可逆的动态多氢键和硼酯键，通过分子链的延伸形成三维空间骨架，氢键和硼酯键的自修复功能，同时改善了微米硅负极的结构稳定性和电化学性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有自愈合功能的聚丙烯酸基粘结剂，所述粘结剂的原料组成为聚丙烯酸(PAA)、海藻酸钠(SA)和硼酸钠，所述粘结剂中聚丙烯酸的羧基与海藻酸钠的羟基结合形成氢键，硼酸钠与聚丙烯酸、海藻酸钠分别通过硼酯键结合，进而形成三维交联网状结构。

优选的，聚丙烯酸、海藻酸钠和硼酸钠的质量比为16:1～4:1～4。

优选的，聚丙烯酸的分子量为24万～100万。

一种本发明所述的具有自愈合功能的聚丙烯酸基粘结剂的制备方法，方法步骤包括：

将聚丙烯酸水溶液与海藻酸钠水溶液在40～60℃下以100～300rpm的搅拌速率混合搅拌8～20小时，然后加入硼酸钠水溶液，保持上述条件持续搅拌8～20小时，搅拌结束后，得到一种具有自愈合功能的聚丙烯酸基粘结剂。

优选的，聚丙烯酸水溶液的质量分数为8～10％，海藻酸钠水溶液的质量分数为1～3％，硼酸钠水溶液的质量分数1～3％。

优选的，将聚丙烯酸加入去离子水中，加热至70～90℃搅拌1～3小时，搅拌速率为100～300rpm，完全溶解，得到聚丙烯酸水溶液。

优选的，将海藻酸钠加入去离子水中，加热至40～60℃搅拌1～3小时，搅拌速率为100～300rpm，完全溶解，得到海藻酸钠水溶液。