[发明专利]一种负极材料、负极浆料、负极片及锂离子电池

说明书

为克服现有负极活性材料在充放电时存在体积膨胀的问题，本发明提供了一种负极材料，包括负极活性材料和粘结剂；所述粘结剂包括如结构式1所示的改性聚丙烯酰胺：其中，m、n、i各自独立地选自大于或等于1的整数，X选自含有羟基的单体链段。同时，本发明还公开了包括上述负极材料的负极浆料、负极片和锂离子电池。本发明提供的负极材料能够显著降低负极片的膨胀率、提升锂离子电池的循环性能以及能量密度。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，具体涉及一种负极材料、负极浆料、负极片及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于工作电压高、能量密度高、循环寿命长、对环境友好等特点，广泛应用于3C数码产品、电动汽车、军事航天等领域。随着人们生活水平的提高，对锂离子电池的能量密度、工作环境提出了更高的要求。负极材料的能量密度是制约锂离子电池能量密度的一个重要因素，目前商品化的石墨负极克容量已接近理论值372mAh/g。单质硅负极的理论克容量可达4200mAh/g，且储量丰富，是下一代较有希望的新型负极材料，但硅负极材料的导电性和循环性能均较差，充放电过程中容易粉化，并且伴随着300％以上的体积膨胀效应。剧烈的膨胀使得极片中的导电网络被破坏，阻抗急剧上升。同时膨胀也造成极片的粘结失效，造成循环过程中的掉粉。加上体积膨胀破坏了活性材料表面上形成的保护膜，使得下一次充电过程中保护膜必须再次形成，从而造成了电解液和锂离子在循环过程中不断损失而失效。因此硅电极的应用前提是必须解决因为其体积膨胀而造成的诸多问题，目前广泛采用的方式是通过碳材料与硅材料的混合，通过碳材料的导电性，提高电极的电导率，同时为硅材料的膨胀提供缓冲。硅嵌/脱锂过程中的体积膨胀效应是限制硅材料使用的一个主要因素。大多数研究者都从材料自身的角度出发，将硅材料纳米化和复合化，使其性能得到了一定程度的改观。这些研究主要集中在调控活性材料的微观结构来优化材料的性能，只有少量研究报道了粘结剂和导电剂对电极性能的影响，结果表明：电极极片是一个复杂的单元，电极材料、辅助材料导电剂、粘接剂以及制作工艺共同决定着极片的最终表现，因而很多非常重要的性能，包括循环稳定性和首次不可逆容量，都强烈依赖于粘结剂的性能，而不仅仅是改变材料本身的结构和性能就能达到的。开发适合高比容量硅负极材料用的粘结剂成为近期锂电池辅助材料的研发重点。而近期的研究表明：带有羧基的聚合物(如聚丙烯酸(PAA))、海藻酸钠(Alg)相比传统的粘结剂如聚偏氟乙烯(PVDF)更加适合于做硅基负极材料的粘结剂。从聚合物粘结的分子结构来看，PVDF、CMC、Alg和PAA都属于直链状的聚合物，经长期循环后，这种直链状结构的聚合物粘结剂易与活性颗粒之间发生不可逆滑移，造成活性材料与电极基体之间失去电连接性，增大了电极的不可逆比容量。

发明内容

针对现有负极活性材料在充放电时存在体积膨胀的问题，本发明提供了一种负极材料、负极浆料、负极片及锂离子电池。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种负极材料，包括负极活性材料和粘结剂；

所述粘结剂包括如结构式1所示的改性聚丙烯酰胺：

其中，m、n、i各自独立地选自大于或等于1且小于100的整数，X选自含有羟基的单体链段。

可选的，所述改性聚丙烯酰胺由包括丙烯酰胺、丙烯酸锂和含有羟基的单体的聚合单体聚合得到，其中，含有羟基的单体包括乙烯醇、丙烯醇、(甲基)丙烯酸羟甲酯、(甲基)丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸羟丙酯、(甲基)丙烯酸羟丁酯、3-羟基-1-金刚烷基(甲基)丙烯酸酯、1，4-环己烷二甲醇单(甲基)丙烯酸酯、甘油单(甲基)丙烯酸酯、甘油二(甲基)丙烯酸酯、2-羟基-3-苯氧基丙基(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇-单(甲基)丙烯酸酯、聚丙二醇-单(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇-丙二醇-单(甲基)丙烯酸酯中的一种或多种。

可选的，所述改性聚丙烯酰胺中，m、n、i的比例为20～70：1～30：10～45可选的，所述负极材料中包括如下重量组分：