[发明专利]一种硫正极用水基电极粘结剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料技术及锂硫电池领域，尤其涉及一种水基电极粘结剂及制备方法。

背景技术

电池能量密度低是目前锂离子电池应用所面临的主要问题之一。相对于负极石墨347mAh/g的能量密度，常用的正极三元材料及磷酸铁锂能量密度均小于200mAh/g，因此，高能量密度正极材料的开发是解决目前锂离子电池能量密度过低的关键问题。采用硫作为正极材料，其比容量可达1672mAh/g，所得锂硫电池的理论比能量可达2600wh/kg。此外，活性物质硫自然界丰富、价格低廉、对环境友好，使硫正极材料吸引了广泛关注。

但是，硫材料迟迟得不到实际应用是由于仍存在一些问题尚未解决，如硫和放电产物硫化锂是电子绝缘体，硫和硫化锂的密度差异大，导致电极在充放电过程中的体积膨胀和收缩引起的变化率达76％，电极材料易从集流体上脱落，从而引电池性能恶化如硫利用率低、库伦效率低、容量衰退快等。以及目前尚未解决的硫穿梭问题。为改善硫电极性能，现今应用最广泛的是使用各种碳材料制备分散均匀的硫碳复合物增加电极的导电性能，同时纳米尺寸的复合物结构限制放电中间产物溶于电解质中以缓解硫穿梭问题。同时，其它改进方法包括使用新型粘结剂，制备功能性隔膜，调整电解质包括调整液态电解质的组成、使用凝胶电解质、固态电解质和离子液体等。

电极粘结剂作为构成电极的重要组分显著影响电池性能。性能优异的粘结剂不仅需要具备良好的粘附性能抵抗体积变化来维持良好的电子导电网络，而且充放电过程中应尽量阻止可溶的硫化物扩散到电解质中。传统粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)因其具备一定粘附强度及高电化学稳定性而广泛使用。此外，PVDF可溶胀一定电解液从而利于锂离子在活性物质表面和电解质间传输。但是，其易溶胀于电解液从而凝胶化形成粘性液体，从而使电极粒子脱落、导电网络坍塌、产生高界面阻抗。同时，使用聚偏氟乙烯相应的溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)沸点高(203℃)、价格昂贵、具有毒性，高沸点性需要较长的干燥时间和更高的干燥温度(80℃)挥发，这将会引起活性物质的损失。

因此，很多研究致力于开发一种环境友好、价格价廉、水溶性的粘结剂体系应用于硫正极中，目前一些研究工作已经证明粘结剂的恰当使用可以提高电池的电化学性能，如丁苯橡胶-羧甲基纤维素钠(SBR-CMC)、聚环氧乙烯(PEO)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、β-环糊精、海藻酸钠、明胶、淀粉等。此类粘结剂通常含有羧基、羟基、氨基、酯基、酰胺基、醚基、卤素原子等极性官能团，因存在孤对电子而具有Lewis碱的性质，可与多硫化锂、硫化锂中的Lewis酸Li⁺形成配位氢键，且键能作用大小依次为酯基、酰胺基、醚基、卤素原子。同时，较强的键能可使浆料中的活性物质和导电炭黑更均匀分散，减少团聚，提供更大的比表面积和载硫量，从而改善电池性能。

本发明通过RAFT乳液聚合制备丙烯酸丁酯/苯乙烯/丙烯酸甲酯嵌段共聚物胶乳，首次用作锂电极粘结剂，具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种硫正极用水基电极粘结剂及制备方法。