[发明专利]一类含硅氧烷基团的聚合物粘合剂及其应用以及基于其的二次电池

说明书

本发明公开了一类含硅氧烷基团的聚合物粘合剂及其应用以及基于其的二次电池的应用，属于电池材料领域。所述聚合物粘合剂由接枝聚合物和带特定官能团的硅烷偶联剂反应形成；接枝聚合物是以天然多糖高分子或聚乙烯醇为主链，在主链上接枝具有不同功能的聚合物或共聚物，可以满足二次电池不同的需求并改善不同电极材料的缺点。接枝聚合物的结构提供了更多的反应位点，可以更好地包覆整个电极结构，有效地缓解活性材料的巨大的体积变化，进而保持电极结构的机械完整性。硅烷偶联剂上的极性基团可以和接枝聚合物反应，硅氧烷基团可以和无机活性材料发生化学键合，显著提高粘附强度，进而显著提高二次电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池材料领域，具体涉及一类含硅氧烷基团的聚合物粘合剂及其应用以及基于其的二次电池的应用。

背景技术

随着电动汽车、智能电网以及大规模储能系统等大功率和高新技术领域的迅猛发展，亟需发展高容量、快速充放电和长使用寿命的锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池等二次电池体系。硅、磷、锗和锡等负极活性材料容量高，在高容量和高能量密度的系统和领域具有很大的应用潜力。但是它们在充放电过程中会发生体积膨胀和收缩，进而从集流体上脱落，导致二次电池的容量迅速衰减，循环寿命快速降低。

粘合剂作为二次电池的关键材料之一，在维持电极结构的稳定性发挥了重要的作用。高弹性和高强度的粘合剂可以改善活性材料体积膨胀的问题，进而显著提高电池的循环稳定性和使用寿命。粘合剂的性能很容易通过调控其结构来改善，所以从粘合剂的角度来提升二次电池的性能是一种简单、低成本的有效方法。传统的粘合剂聚偏氟乙烯(PVDF)应用在大体积变化的活性材料中时，只能靠范德华力和活性材料结合，粘结力较弱，而且容易发生塑性变形，导致活性材料脱落。此外，PVDF容易吸收电解液而发生一定的溶胀，降低二次电池的电化学性能。PVDF吸水后分子量下降，粘性变差，因此对环境的湿度要求比较高。PVDF使用有毒和昂贵的有机溶剂，如N-甲基-2-吡咯烷酮，生产成本高，溶剂回收系统投资大，产生环境污染大，对生产人员的身体健康有一定的危害。目前，比较常用的水性粘合剂包括羧甲基纤维素钠，聚丙烯酸等，但是这些粘合剂都是直链分子，粘结力和机械强度都有限，不能承受活性材料巨大体积变化产生的机械应力，导致二次电池容量迅速降低。CN200880102511.7公开了一种含烷氧基甲硅烷基树脂。该粘合剂虽然能提高粘结强度，但是其线性结构不能缓解高容量活性材料的体积膨胀。另外使用了有机溶剂，在环保和健康方面存在短板。所以开发一种高粘附强度的非线性功能化的粘合剂对改善高容量活性材料的循环稳定性具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一类含硅氧烷基团的聚合物粘合剂及其应用以及基于其的二次电池的应用，该聚合物粘合剂是由接枝聚合物和硅烷偶联剂反应形成的聚合物，具有高粘附强度、高弹性模量、工艺简单和价格低廉等特点，可以显著提高活性材料、导电添加剂和集流体之间的结合力，进而有效地维持电极结构的完整性改善电极的循环稳定性和倍率性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一类含硅氧烷基团的聚合物粘合剂，所述聚合物粘合剂由接枝聚合物和带特定官能团的硅烷偶联剂反应形成；

其中，接枝聚合物由高分子主链和第一单体通过自由基共聚合形成；

所述的高分子主链为天然多糖高分子或聚乙烯醇；第一单体是带有极性官能团的单体；硅烷偶联剂上的特定官能团为氨基、异氰酸基、环氧基或羟基；

其中，高分子主链的质量为第一单体质量的0.1-1倍；带特定官能团的硅烷偶联剂的摩尔数为第一单体的0.01-0.1倍。

优选地，接枝聚合物还包括第二单体，接枝聚合物由高分子主链、第一单体和第二单体通过自由基共聚合形成，高分子主链的质量是第一单体和第二单体的总质量的0.1-1倍。