[发明专利]一种氰酸酯改性PVDF粘结剂、应用该粘结剂的正极极片及锂硫电池

说明书

本发明公开一种氰酸酯改性PVDF粘结剂、应用该粘结剂的正极极片及锂硫电池，含有所述的氰酸酯改性PVDF粘结剂由单体偏二氟乙烯和异氰酸系单体聚合而成。该氰酸酯改性PVDF粘结剂分子链上含有氰基官能团，其可以提高正极极片的导电性，还能够有效地吸附电池循环过程中的多硫化物，从而提高了锂硫电池的首次放电容量和循环稳定性，缓解锂硫电池的穿梭效应；此外，该粘结剂包含的酸/酯类官能团能够与铝箔表面的氧化官能团形成氢键作用，改善正极极片的粘结力，避免活性物质在反复充放电循环中脱落，改善电池充放电循环的倍率性，提高电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体是一种氰酸酯改性PVDF粘结剂、应用该粘结剂的正极极片及锂硫电池。

背景技术

随着煤、石油、天然气等不可再生资源的日渐枯竭，新能源技术的开发研究受到了科学家的关注，其中研发高能量密度二次电池是能源储备的关键。目前，已商业化的锂离子电池的能量密度在150Wh/kg左右，但由于正极材料固有属性的限制，锂离子电池的能量密度的提升空间并不大。因此，研究人员正在积极开发更高能量密度的正极材料。单质硫作为一种轻质、多电子反应的正极活性材料，其理论能量密度高达2600Wh/kg，并且硫资源的储量丰富，价格低廉及环境友好性，锂硫电池有望成为新一代具有应用潜力的高能量密度二次电池。

然而，锂硫电池中存在的缺点成为了锂硫电池能够商业化的瓶颈。例如，单质硫本身及放电过程中生成的多硫化锂都表现电子绝缘性，从而导致锂硫电池的容量衰减较快；溶解于电解液中的多硫化锂可以在正负极之间穿梭且在负极表面沉积，这不仅降低了锂锂电池的库伦效率和倍率性能，同时活性物质的利用率也显著降低。为了提高锂硫电池的电化学性能，研究人员着重于提高硫正极的导电性和抑制多硫化锂的穿梭效应两个方面。目前广泛采用的方法是使用导电碳、导电聚合物和氧化物与单质硫复合制备复合正极材料，这不仅可以提高硫正极的导电性，同时也可以抑制其穿梭效应。

提升锂硫电池的整体循环性能还需从多角度出发，其中对正极极片中使用的粘结剂进行改进是一种重要途径。PVDF树脂是指偏氟乙烯聚合物或与其它少量氟乙烯基单体的共聚物，其单元为-CH₂-CF₂，F原子与H原子呈螺旋状围绕碳链分布的分子结构使PVDF碳链具有良好的化学和热稳定性，同时其链状结构使得正极材料浆料形成良好的网络结构。但F原子的极化率较低，使得PVDF聚合物具有高度的绝缘性。另一方面，较高规则排列的PVDF分子链使其结晶度高，因而聚合物的柔韧性较低，其作为锂硫电池的粘结剂会使其与铝箔材料的粘结力变差。通过对PVDF进行一定的共混改性，一方面降低了PVDF的结晶度，提高了粘结力，其含有的特定官能团还能对多硫化物具有有效的吸附作用，从而提高锂硫电池的制作及其长循环寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氰酸酯改性PVDF粘结剂、应用该粘结剂的正极极片及锂硫电池，其含有的氰基官能团不仅能够提高正极极片的导电性，还能够有效地吸附充放电过程中的多硫化物，从而缓解锂硫电池的穿梭效应，提高电池的循环寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种氰酸酯改性PVDF粘结剂，含有所述的氰酸酯改性PVDF粘结剂由单体偏二氟乙烯和异氰酸系单体聚合而成，其结构式如下：

其中，R₁是氢或R₁选自C_1-8的直链或支链烷基；R₂是氢或R₂选自C_1-8的直链或支链烷基；m、n均为大于0的整数。

进一步，所述氰酸酯改性PVDF粘结剂的数均分子量为50万-100万。

本发明的另一个目的在于提供一种氰酸酯改性PVDF粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将PVDF使用强碱处理，得到含有双键的PVDF样品；