[发明专利]一种锂离子电池硅基负极的复合粘结剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池硅基负极的复合粘结剂及其制备方法。

背景技术

由于具有能量密度高，倍率和功率性能优异，循环寿命长以及安全环保等优点，锂离子电池作为重要的化学电源在我们的日常生活中有着广泛的应用。除了长期应用于传统的手机、便携式电脑等数码产品，锂离子电池的应用范围逐渐扩展到电动汽车、航空航天和储能等高新技术领域，与此同时对锂离子电池的能量密度和安全性都提出了更高的要求。

当前商业化应用的锂离子电池普遍采用石墨负极，克容量较低而且存在锂金属析出等安全性风险，而新型硅基负极材料具有更高的克容量发挥，例如硅金属负极的克容量可达3600mAh/g，而且对锂电位较高，不容易析锂，安全性较好，因此采用硅基负极是提升下一代锂离子电池的能量密度和安全性的重要途径之一。

然而硅基负极在充放电过程中电极的体积膨胀极大，电芯循环性能过程中容量衰减极快，难以实现商业化应用。传统的电极是由活性材料、导电添加剂以及聚合物粘结剂构成的，聚合物粘结剂是维持电极结构的关键成分。相比于工艺复杂、成本高的材料改性，选择结构和性能可控的聚合物粘结剂，是提升硅基负极循环稳定性的一种简单有效的方式。

除了传统的羧甲基纤维素、聚偏氟乙烯、聚乙烯类和多糖类聚合物、聚酰亚胺聚合物等粘结剂以外，人们在新型复合聚合物粘结剂方面也做了大量研究，例如公开号CN106129416A的专利公开了由导电高分子、交联剂以及掺杂剂混合组成的锂离子电池硅基负极的导电粘结剂，可以有效提高电极材料与集流体之间的粘附力。公开号CN104877593A的专利报道了一种海藻酸盐和丁苯橡胶组成的硅基负极粘结剂，能够防止充放电循环过程中硅体积膨胀，提高锂离子电池的循环稳定性能。然而这些报道只涉及多种聚合物的简单混合，使用的粘结剂大多仍然是传统的绝缘性粘结剂，而且主要提升了粘结性，对于保持膨胀过程中导电结构效果不明显，仍然无法满足硅基负极对新型粘结剂的需求。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种锂离子电池硅基负极的复合粘结剂及其制备方法，本发明原料廉价易得，操作简单，适合大规模生产，且本发明机械性能好，兼具导电性和粘结性，可以更好地维持电极在循环过程中的电连接性和机械完整性，能够更有效地保持膨胀过程中的导电网络连接性，从而有效提升了循环性能。

本发明提出的一种锂离子电池硅基负极的复合粘结剂，其原料包括：聚酰亚胺共聚物和导电聚合物。

优选地，聚酰亚胺共聚物为聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺中的至少一种。

优选地，导电聚合为聚苯胺、聚吡咯、聚乙撑二氧噻吩中的至少一种。

优选地，硅基负极中的活性材料包括硅、硅合金材料、硅碳复合材料、氧化亚硅、氧化亚硅与碳的复合材料中的至少一种。

优选地，聚酰亚胺共聚物和导电聚合物的重量比为4-10：1。

本发明还提出了上述锂离子电池硅基负极的复合粘结剂的制备方法，包括如下步骤：将聚酰亚胺共聚物、导电聚合物、N-甲基吡咯烷酮搅拌混匀，一次烘干去除N-甲基吡咯烷酮，然后球磨，二次烘干得到锂离子电池硅基负极的复合粘结剂。

优选地，搅拌温度为室温，搅拌时间为5-10h。

优选地，球磨时间为3-5h。

优选地，一次烘干和二次烘干的温度均为60-80℃，一次烘干和二次烘干的时间均为5-10h。

本发明选用聚酰亚胺共聚物与导电聚合物相互配合，并通过球磨共混制备，使得本发明不仅机械性能好，而且兼具导电性和粘结性；聚酰亚胺共聚物具有优越的抗拉强度有效限制了硅基负极材料在嵌锂过程中电极的厚度变化，并且在脱锂后可以较好地恢复，此外，具有电化学活性的酰亚胺环上的羰基可以与Li⁺和e^-发生电化学反应，一定程度上提高了电极的比容量，同时能更有利于电解液与活性材料表面之间的Li⁺传输；而导电聚合物与聚酰亚胺共聚物形成复合粘结剂后具有导电性和粘结性双重功能，不仅增强了粘结性，而且可以更好地维持电极在循环过程中的电连接性和机械完整性；相比传统的羧甲基纤维素等单一聚合物粘结剂，本发明能够避免硅基负极体积膨胀过程中由于粘结剂结构断裂、活性材料与导电颗粒相对位置滑移造成的导电网络结构失效现象，能够更有效地保持膨胀过程中的导电网络连接性，从而有效提升了循环性能；本发明选用的聚酰亚胺共聚物均为常见化工产品，原料易得，成本低廉，并且操作简单，适合大规模生产。

附图说明