[发明专利]用于锂离子电池硅基负极的粘结剂、锂离子电池硅基负极及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明提供了一种锂离子电池硅基负极粘结剂、锂离子电池硅基负极及其制备方法、锂离子电池。粘结剂包括硅烷偶联剂或硅烷偶联剂与水系粘结剂的复合物。锂离子电池硅基负极包括硅基材料、导电添加剂、石墨材料及粘结剂。硅基负极的制备方法为将向原料中添加水做成浆料，涂覆在集流体上，经烘干获得。锂离子电池包括锂离子电池硅基负极。本发明由于硅烷偶联剂的羟基可与硅颗粒形成一定的化学键，从而保证与硅颗粒之间的有效接触；也可与铜箔集流体形成弱的化学键，使硅颗粒与铜箔之间也有较好的粘附力，因此该粘结剂具有良好的粘结性及一定的柔性，在循环过程中可在一定程度上抑制极片的体积变化，并有效保持活性材料与集流体之间的粘附力。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及用于锂离子电池硅基负极的粘结剂、锂离子电池硅基负极及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

随着全球不可再生能源的日益紧缺，锂离子电池作为一种清洁能源受到越来越多的关注；尤其是电动汽车的迅猛发展，使得人们越来越迫切需要更高能量密度的电池体系。硅作为锂离子电池的负极材料具有极高的比容量，被认为是最有应用潜力的下一代锂离子电池负极候选材料。然而,在充放电过程中， Si的体积变化达到300％以上，剧烈的体积变化所产生的内应力，容易导致电极粉化、剥落，影响循环稳定性。在锂离子电池中，粘结剂是影响电极结构稳定性的重要因素之一。因此开发一种硅负极适用的粘结剂十分必要。

目前，市场上用于锂电池电极材料的粘结剂主要有聚偏氟乙烯(PVDF)和丁苯橡胶(SBR)/羧甲基纤维素钠(CMC)等。PVDF使用时需加入N-甲基吡咯烷酮 (NMP)溶解后再配置成浆料，在制作成极片的过程中，溶剂的挥发既污染环境又危害工作人员的健康，并且粘结力和柔韧性都较差，抑制极片膨胀的效果也非常有限，提高电池的容量及倍率特性比较困难。SBR/CMC水性粘结剂在市场上有大规模应用，但其粘结力和抑制极片膨胀的效果均有限，同时价格稍高。针对硅材料高比表面积以及循环过程中较大的体积变化的特性，需要粘结强度大，机械强度和柔性都较好的粘结剂。

目前，已有一些硅负极专用的粘结剂。如公开号为CN108493452A的专利提出使用半乳甘露聚糖和黄腐酸复合物的水溶液为粘结剂，该水性粘结剂的锂离子电池负极浆料由活性材料、导电剂和粘结剂组成，其各组分质量比为 (50-80):(10-30):(10-20)。该水性粘结剂可包覆在活性物质和导电剂表面，形成高弹性空间，适应电极充放电过程中的体积变化，改善电池循环性能，且该水性粘结剂原料来源广泛、是一种绿色环保的复合粘结剂。但是，该专利只考虑硅颗粒之间的粘结力没有考虑到硅材料与集流体之间的粘附力。又如公开号为CN107017408A的专利提出以葫芦巴胶水系为粘结剂及其在锂离子电池负极中的应用。该粘结剂的锂离子电池负极浆料由活性材料、导电剂和粘结剂组成，其各组分质量比为(50-90):(5-20):(10-30)。葫芦巴胶及其衍生物具有良好的水溶性，弹性和粘结性能，可有效抑制硅体积膨胀，增强捕捉硅碎片能力。同样地，该专利只考虑硅颗粒之间的粘结力没有考虑到硅材料与集流体之间的粘附力。再如CN105742640A的专利提出以部分中和的聚丙烯酸为锂离子电池硅基负极材料的粘结剂。涉及了该粘结剂的制备方法和由该粘结剂制得的锂离子电池硅负极材料。部分中和的聚丙烯酸锂不仅提高了粘结剂的分散性，而且改善了粘结剂的力学性能及加工性，有利于进一步提高材料的电化学性能。但是，该专利只考虑了粘结性，粘结剂刚性过强，而没有考虑到粘结剂的耐久性。

发明内容

本发明第一方面的一个目的是要提供一种具有良好的粘结性及柔性的锂离子电池硅基负极粘结剂。

本发明第一方面一个进一步的目的是要使得锂离子电池的硅基负极在循环过程中极片体积变化可控，并有效保持活性材料与集流体之间的粘附力。

本发明第二方面的目的是提供一种锂离子电池硅基负极。

本发明第三方面的目的是提供一种制备锂离子电池硅基负极的方法。

本发明第四方面的目的是提供循环性能优异的锂离子电池。