[发明专利]一种用于锂离子电池硅负极的水性矿物粘结剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种用于锂离子电池硅负极的水性矿物粘结剂及其制备方法和应用，所述粘结剂为通过聚丙烯酸和无定型碳酸钙纳米粒子形成物理交联网络而得到的水凝胶。本发明得到的水凝胶用作锂离子电池硅负极的粘结剂材料时具有高的比容量、优异的循环稳定性和倍率性能；采用一步混合法形成凝胶，操作简单，生产成本较低，环境污染小，易于批量化、规模化生产，具有良好的工业化生产基础和广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于储能材料领域，特别涉及一种用于锂离子电池硅负极的水性矿物粘结剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，可穿戴电子设备以及电动汽车的快速发展引起对具有高储能容量和优异循环稳定性的锂电池材料的大量需求。现如今，锂离子电池由于自身的很多优点，如高能量密度、高效率、轻质和便携性等已被广泛应用于小型电子产品、电动汽车等设备。硅作为一种锂离子电池的新型负极材料，由于其高理论比容量(4212mA h g^-1，而石墨负极理论容量仅372mAh g^-1)、合适的插锂平台、丰富的天然资源等优点受到广泛关注。然而，硅在充放电过程中会发生显著的体积变化，导致电极粉化、剥落和不可控的固态电解液界面生长，进而使电池循环寿命显著下降。这一缺点严重限制了硅负极的工业化应用。

为解决硅负极循环寿命较低的问题，近年来研究人员尝试通过合成特殊纳米结构的硅来提高硅材料的比表面积、用特殊结构约束硅材料的移动、设计不同类型的聚合物粘结剂等方法达到提高循环稳定性与电池寿命的目的。在这些方法中设计不同种类的粘结剂具有方法简单、成本低等优势，而且粘结剂可以把活性硅材料和导电剂之间很好地连接起来，并保持活性材料、导电剂与集流体之间有很好的电接触，保持电极结构稳定，这些作用可以显著提升硅负极寿命。目前，用于硅负极的大量聚合物粘结剂已经被大量报道，例如传统的聚四氟乙烯、水溶性的海藻酸钠、羧甲基纤维素、聚丙烯酸等。但是这些粘结剂由于粘着力低或者力学性能差等缺点，并不能很好地解决循环寿命低的问题。近年来各种新型粘结剂也被陆续报道，Chao Wang、Hui Wu等人利用一种通过氢键进行自我修复的聚合物材料作粘结剂，使负极延长10倍循环寿命，并保持2000mA h g^-1的容量(Nat.Chem.,2013,5,1042)；Kovalenk等使用褐藻中的一种多聚糖藻朊酸盐作为粘结剂与硅颗粒混合得到了充放电稳定的硅负极(Science,2011,334,75)；KOO等将聚丙烯酸(PAA)与羧甲基纤维素(CMC)制成交联三维网络结构包裹硅颗粒制成负极(Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,8762)，在30Ag^-1电流下保持1500mA h g^-1的容量优于藻朊酸钠作为粘结剂制成的负极；Hui Wu、Guihua Yu等设计研究了一种导电聚苯胺凝胶结构通过同位聚合方法将直径60nm的纳米硅颗粒均匀包裹于其中形成导电凝胶的三维网络应用于锂离子电池负极(Nat.Commun.,2013,4,1943)；Choi等通过将少量的滑环聚轮烷与PAA共价连接形成一种新型粘结剂可以显著提升硅负极的循环稳定性(Science 2017,357,279)。

虽然基于硅负极的各种粘结剂已被大量报道，但是这些功能性粘结剂大都制备过程操作较为复杂、成本较高、或对粘结剂的用量较高。因此开发一种结构简单、合成方便、成本低且环境友好的高性能硅负极粘结剂是非常有意义的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于锂离子电池硅负极的水性矿物粘结剂及其制备方法和应用，克服了现有技术制备过程复杂、成本较高的缺点。

本发明提供了一种用于锂离子电池硅负极的水性矿物粘结剂，所述粘结剂为通过聚丙烯酸和无定型碳酸钙纳米粒子形成物理交联网络而得到的水凝胶。

所述聚丙烯酸的分子量为十万到二十五万。

本发明还提供了一种用于锂离子电池硅负极的水性矿物粘结剂的制备方法，包括：