[发明专利]用于硅或硅-石墨复合电极的聚合物粘合剂及其在电化学电池中的用途

说明书

描述了聚合物、聚合物粘合剂、水凝胶聚合物粘合剂、包含它们的水凝胶聚合物粘合剂组合物、包含它们的电极材料、其制备方法及其在电化学电池中如在硅基电化学电池中的用途。

相关申请

本申请要求2018年9月7日提交的美国临时申请No.62/728,531在适用法律下的优先权，通过引用将其关于所有目的的内容全部结合到本文中。

技术领域一般性地涉及聚合物、聚合物粘合剂、包含它们的水凝胶聚合物粘合剂组合物、包含它们的电极材料、其制备方法及其在电化学电池中的用途。

背景

因为它在形成Li₁₅Si₄时～4200mAh/g的高理论比容量，硅为用于未来可充电电池的最有希望的负极材料之一。容量比常规石墨负极(～372mAh/g)大约10倍(参见Liu，Y.等人，Accounts of chemical research 2017，50.12，2895-2905；和Hays，K.A.等人，Journalof Power Sources 2018，384，136-144)。然而，硅负极在锂化时经历严重的体积膨胀；由此达到大于其初始体积的300％并导致不可挽回的故障、粉碎和/或破裂，因此导致快速的容量衰减和显著的循环寿命降低。

已提出了几个路线以克服与使用常规Si基负极有关的容量和稳定性问题。例如，使用一氧化硅和/或其低氧化物(即SiO_x)被确定为减轻体积膨胀和增强循环性能的解决方法之一。然而，容量随着氧含量的提高而明显降低。许多解决方法涉及将硅与碳材料和/或聚合物粘合剂混合以包含硅。例如，将Si或SiO_x与石墨或石墨烯混合以形成Si-石墨或Si-石墨烯复合电极被提议为适应体积变化，同时保持有吸引力的容量的解决方法(参见Hays，K.A.等人，Supra；Guerfi，A.等人，Journal of Power Sources 2011，196.13，5667-5673；和Loveridge，M.J.等人，Scientific Reports 2016，6，37787)。

聚(二氟乙烯)(PVdF)为商业电池，尤其是包含石墨作为负极的电池中最常用的粘合剂之一。然而，PVdF不适于Si基负极(参见Hays，K.A.等人，Supra；Guerfi，A.等人，Supra；和Yoo，M.等人，Polymer 2003，44.15，4197-4204)。使用几种粘合剂吸收锂化期间的体积变化；例如，藻酸盐(纤维素的多糖衍生物)(参见Kovalenko，I.等人，Science 2011，334.6052，75-79)、聚(丙烯酸)(PAA)(参见Hays，K.A.等人，Supra；和Komaba，S.等人，Journal of Physical Chemistry C 2011，115.27，13487-13495)和聚酰亚胺(PI)(参见Guerfi，A.等人，Supra)已部分地成功应用。

发现带有极性基团的聚合物对增强机械附着力以及因此防止电极劣化是有用的(参见Kierzek，K.，Journal of Materials Engineering and Performance 2016，25.6，2326-2330；和Ryou，M.H.等人，Advanced materials 2013，25.11，1571-1576)。例如，PAA可中和Si表面以防止副反应。Si表面上的羟基也可例如通过酯化反应借助共价键形成而中和(Zhao，H.等人，Nano Letters 2014，14.11，6704-6710)。