[发明专利]一种锂离子电池硅基负极复合粘结剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池硅基负极复合粘结剂及其制备方法和应用，复合粘结剂包括改性聚丙烯酸和聚离子液体，改性聚丙烯酸的分子式简写为PAAH_1‑X‑Li_X；聚离子液体PIL/TFSI中含有二(三氟甲基磺酰)亚胺阴离子。该复合粘结剂结合了聚丙烯酸优异的粘结性能和聚离子液体良好的离子电导率，有利于锂离子在硅负极中的扩散和传输；此外，由于使用PIL/TFSI玻璃化转变温度低，具有良好的柔韧性，可以有效改善PAAH_1‑X‑Li_X应变性能，适应硅负极体积的膨胀，提高硅负极的循环稳定性。以此复合粘结剂制成的锂离子电池硅基负极材料，可以有效降低锂离子传输的内阻，有效改善电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池硅基负极复合粘结剂及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池已经被广泛应用于各类电子设备和电动汽车中，如何构建高能量密度、高安全性和可靠性以及优异的循环稳定性的锂离子电池，仍然是研究者们需要克服的一个主要问题(Nature 2001,414,359–367)。锂离子电池主要由正、负极层和中间的电解质层构成，其中负极是锂离子电池的主要组成部分。目前锂离子电池普遍采用石墨负极，其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。传统的负极是由活性材料、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。

聚丙烯酸(PAA)类粘结剂由于成本低、粘结性好，而被广泛应用于硅电极的粘结剂。但是PAA本身玻璃化转变温度高，常温下处于玻璃态，无法适应硅负极体积的变化，所以人们利用不同的方法对PAA粘结剂进行改性。其中，Choi等利用PAA构建超分子轮烷作为硅负极粘结剂，由于轮烷可以适应硅负极体积的变化，使硅负极具有极高的循环稳定性(Science 2017,357,279-283)。但合成复杂成本高。所以，开发低成本并能够有效提高硅负极稳定性的改性PAA粘结剂仍具有十分重要的应用价值。聚离子液体作为一种新型的功能聚合物，被广泛应用于各个领域，尤其是在锂离子电池中，聚离子液体作为新型的聚合物电解质已经被广泛的研究。此外，聚离子液体还可以用作锂离子电池的粘结剂材料(Journalof Power Sources 2013,240,745-752)，并且与传统的粘结剂材料相比，聚离子液体具有良好的离子电导率，有利于锂离子在电极材料中的扩散和传输，并降低电池的内阻，进而提高电池的比容量和循环稳定性，但聚离子液体自身粘度较低，不适合单独应用于锂离子电池硅负极粘结剂。因此结合聚丙烯酸和聚离子液体粘结剂各自的优势来改善硅负极材料的性能，具有重要的应用价值。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种锂离子电池硅基负极复合粘结剂及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种适用于锂离子电池硅基负极的复合粘结剂，包括改性聚丙烯酸和聚离子液体；所述改性聚丙烯酸的分子式简写为PAAH_1-X-Li_X，其中，0X1；所述聚离子液体的结构式如下：

其中TFSI^－为二(三氟甲基磺酰)亚胺阴离子。