[发明专利]锂离子电池硅负极用水性粘合剂及硅负极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池用粘合剂，特别涉及一种锂离子电池硅负极用水性粘合剂及硅负极的制备方法。

背景技术

粘合剂是化学电源正负极的重要组成部分，对电极乃至整个电池的性能如容量、循环寿命、内阻、快速充电时的电压等都有很大的影响。锂离子电池电极材料中常用的粘合剂有以N-甲基-吡咯烷酮(NMP)为溶剂的聚偏二氟乙烯(PVDF)，以及聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)和丁苯橡胶(SBR)胶乳等水溶性粘合剂。

目前商业化的锂离子电池负极材料主要采用石墨，然而石墨的理论比容量仅为372mAh/g，无法满足新一代高容量锂离子电池的发展需求。硅具有高的理论储锂容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电压平台，电压为0.4V，是最有潜力取代石墨的新型锂离子电池负极材料之一。然而，硅在充放电过程中表现出巨大的体积变化，易导致材料颗粒的粉化和电极内部导电网络的破坏，限制了它的商业化应用。粘合剂对于硅负极的电化学性能具有显著的影响。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种锂离子电池硅负极用水性粘合剂及硅负极的制备方法。

第一方面，本发明涉及一种锂离子电池硅负极用水性粘合剂，所述水性粘合剂为羰基化β-环糊精、聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐、阿拉伯胶中的一种或几种的混合。

优选的，所述聚苯乙烯磺酸盐为聚苯乙烯磺酸锂、聚苯乙烯磺酸钠或二者的混合。

优选的，所述聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐，其中，所述聚3，4-乙撑二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐的质量比为1∶(10～0.1)。

第二方面，本发明涉及一种硅负极的制备方法，包括如下步骤：分别取硅材料、由羰基化β-环糊精、聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐、阿拉伯胶中的一种或几种的混合而成的水性粘合剂、导电碳；之后按质量比为(60～98)∶(2～40)∶(0～40)均匀分散于水中，然后涂覆在铜集流体上，干燥，即得硅负极。

优选的，所述硅材料为颗粒、多孔硅或二者的混合，所述硅材料的粒径为10nm～10μm。

优选的，所述导电碳为石墨、乙炔黑、中间相碳微球、热解碳、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯、富勒烯中的一种或几种的混合。

优选的，所述制备方法还包括如下步骤：将硅负极放置于溶剂中进行浸泡处理；所述溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、二甲亚砜、N-甲基-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺中的一种或几种的混合；所述浸泡的温度为25～150℃，浸泡的时间为5分钟～24小时。

第三方面，本发明涉及一种锂离子电池，所述锂离子电池的负极为前述方法制备的硅负极。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明采用β-环糊精进行羰基化改性后为原料，大大地提高了其在水中溶解度，即使蒸干水后，仍无晶体析出，从而有效地增强了粘合剂与硅材料之间的接触，十分适合作为二次电池电极粘合剂；同时可以采用聚3，4-乙撑二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐的组合物，一方面起到粘合剂的作用，同时起到导电作用，组合物通过浸泡在甲醇、乙醇、乙二醇、二甲亚砜、N-甲基-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺中的一种或几种，可以大幅度提高组合物的导电性能；阿拉伯胶采用上述原料制得硅负极，其硅负极表现出优异的电化学性能，具体为：室温下在0.05C条件下进行充放电，首次放电比容量高达4440.2mAh/g，充电比容量为3238.7mAh/g，充放电效率为72.9％，1小时充放电比容量为1770mAh/g，并且循环性能十分稳定，本发明成本低、环保、效果明显，循环性好、导电性好，有较好的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例1得到的采用羰基化的β-环糊精作为水性粘合剂时锂离子电池硅负极嵌脱锂曲线示意图；

图2是实施例3得到的采用聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐作为水性粘合剂时锂离子电池硅负极嵌脱锂曲线示意图；

图3是实施例4得到的采用聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐作为水性粘合剂时锂离子电池硅负极嵌脱锂曲线示意图；

图4是实施例5得到的采用聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐作为水性粘合剂时锂离子电池硅负极循环曲线示意图。

具体实施方式