[发明专利]一种改性壳聚糖及其制备方法与用途

说明书

本发明公开一种改性壳聚糖及其制备方法与用途，其先将壳聚糖在磁力搅拌下缓慢加入稀醋酸溶液中，完全溶解后得到质量分数为1.5‑3.5％的分散液；再加入丙烯酸单体搅拌均匀；然后体系除氧、密封，并置于γ射线下进行辐照，最终产物经过透析后烘干，即得到改性壳聚糖。本发明改性壳聚糖作粘结剂可提高锂电池负极的循环性能，尤其适用于体积变化大的硅基负极，同时粘结力的提升可降低负极体系中粘结剂的用量，有利于提高锂离子电池整体的能量密度；本发明方法工艺简单、适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池粘结剂，具体涉及一种改性壳聚糖及其制备方法与用途。

背景技术

随着锂离子电池在混合动力电动汽车和纯电动汽车中的使用，对高能量密度的可充电锂离子电池的需求不断增加。目前商业化应用最广的石墨类负极材料的理论比容量只有372mAh/g，已不能满足高能量密度锂离子电池的发展需求；此外它的嵌锂电位非常接近锂的沉积电势，给电池带来了巨大的安全隐患。近几年大量的工作集中在硅基负极材料上，原因是硅具有超高的理论容量(4200mAh/g)，然而由于在脱嵌锂的过程中伴随很大的体积效应导致硅颗粒的粉化、与导电剂之间失去了电接触，破坏了整个电极结构，从而造成了其容量的衰减和循环性能差。

一个很重要的方法去解决这些问题就是寻找一款合适的粘结剂，常见的粘结剂有PAA、CMC/SBR、海藻酸钠、壳聚糖、PI、PAI等，其中壳聚糖(CS)由于其来源广泛并且分子链上含有大量的羟基和氨基等官能团，与硅材料表面的羟基之间形成氢键，成为一种可用于硅基负极的生物相容性的水性高分子粘结剂。但是由于脱乙酰度高于50％的壳聚糖不溶于水，易溶于甲酸、乙酸、水杨酸等有机酸中，所以需要对其进行水溶性的改善，同时应避免损失CS上过多的官能团，从而影响其粘结力。

发明内容

本发明的目的是提供一种改性壳聚糖及其制备方法与用途，利用γ射线对其进行辐射接枝聚合PAA，引入了羧基官能团，提高了其在水中的溶解性，同时也提高了自身的粘结力，可降低其在体系中的添加量，提高了电池的整体能量密度。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种改性壳聚糖的制备方法，将壳聚糖在磁力搅拌下缓慢加入稀醋酸溶液中，完全溶解后得到质量分数为1.5-3.5％的分散液；再加入丙烯酸单体搅拌均匀；然后体系除氧、密封，并置于γ射线下进行辐照，最终产物经过透析后烘干，即得到改性壳聚糖(CS-PAA)。

进一步方案，所述稀醋酸溶液的质量分数为1.0-2.5％。

进一步方案，所述丙烯酸单体与壳聚糖的质量比为3-10:1

进一步方案，所述壳聚糖的粘度范围为200-800cp、脱乙酰度≥90％。

进一步方案，所述γ射线下进行辐照的剂量率为1-3kGy/h，γ射线的辐照时间为10-30h。

本发明的第二个发明目的是提供经上述制备方法所制备的改性壳聚糖。

本发明的第二个发明目的是提供改性壳聚糖的用途，所述改性壳聚糖用作锂离子电池负极材料的粘结剂。

进一步方案，所述负极材料包括硅/石墨复合材料、硅合金、石墨、硬碳、软碳。

进一步方案，所述改性壳聚糖的用量占负极材料质量的3-6％。

壳聚糖的改性过程见下式：

即壳聚糖上的羟甲基辐射接枝聚合丙烯酸单体，得到改性壳聚糖(CS-PAA),虽然消耗了壳聚糖上部分的羟基，但是引入了新的官能团-COOH。有相关的研究表明：相比较-OH和-NH₂，-COOH与锂电池负极材料表面之间的相互作用更强，特别对硅在脱嵌锂过程中的体积效应有一定的缓冲作用，保证了整个电极结构的完整性，从而提高了循环性能。