[发明专利]聚乙烯醇接枝共聚物及其应用

说明书

本发明提供一种聚乙烯醇接枝共聚物，其包含聚乙烯醇主链，且该聚乙烯醇接枝共聚物的支链包含衍生自以下单体的结构单元：(a)含氟的烯属不饱和单体，及(b)烯属不饱和羧酸单体。本发明亦提供一种包含上述聚乙烯醇接枝共聚物的水性黏结剂组合物及电极浆料组合物。使用本发明的聚乙烯醇接枝共聚物所制得的电极片具有良好黏着力、低吸水性等有利性质，且不易脆裂。

【技术领域】

本发明关于一种聚乙烯醇接枝共聚物及其应用，特别是一种适合作为电化学装置中的水性黏结剂的聚乙烯醇接枝共聚物。

【背景技术】

近年，在化学储能系统的领域中，锂离子电池获得广泛的关注，此是由于其具有相对轻的重量且相对高的电容量(亦即，相对高的能量密度)、高工作电压及高循环寿命等性质。

锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔离膜所组成，藉由锂离子在正、负极的迁入及迁出以储存或释出电能。充电时，锂离子由正极迁出，并迁入负极；放电时，锂离子由负极迁出，并迁入正极。

锂离子电池中的电极片是一关键组件，在电池性能中扮演着重要角色，具体而言，其会影响电池的能量密度、放电能力及循环寿命等。电极片主要是由活性材料(如正极、负极材料)、导电材料(如碳黑)、黏结剂及金属集流体(如铜箔、铝箔)所组成。

习知常用的负极材料为基于碳的材料，例如：石墨、软碳及硬碳。然而，为追求更高的能量密度，硅基材料(如硅或氧化硅)已被尝试作为锂离子电池的负极材料。硅基材料相对于传统基于碳的负极材料虽然能够大幅提升锂离子电池的能量密度，但是其在电池充电(锂离子迁入硅基材料)的过程中会经历剧烈的体积膨胀(约400％)。在反复的充放电过程中，如此剧烈的体积膨胀与收缩会破坏负极电极片的结构，例如：导电网络的崩解，及/或极片剥落，以致于负极完全失效而对电池性能有着非常不利的影响。

为维持电极片的结构，黏结剂被用于将活性材料、导电材料及金属集流体黏结在一起，以形成结构稳固的电极片。倘若黏结剂的黏着力不佳，将导致前述材料无法稳固地相互黏结，随着反复充放电，自金属集流体表面脱落，造成电极片粉化，造成电池循环寿命不佳。

常用于锂离子电池的黏结剂主要有聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素(CMC)类聚合物、丙烯酸类聚合物(PAA)和苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)等。PVDF黏结剂是目前技术上较为成熟的黏结剂，具有较好的黏结性能，但使用该黏结剂制备电极片需消耗大量的高沸点有机溶剂(如N-甲基吡咯烷酮(NMP))，因此PVDF黏结剂具有较高成本及易污染环境等缺点；此外，PVDF黏结剂在常用的电解液中容易溶胀，从而导致电极稳定性下降。CMC及SBR通常配合使用，此类黏结剂常以水为溶剂，具有低成本及不易污染环境等优点，多使用于石墨类负极活性材料，具有良好的黏弹性且可使石墨具有良好的分散性，然而却无法克服硅基材料体积胀缩的问题。PAA具有羧基，其可与硅基材料的表面形成氢键作用力，进而抑制硅基材料的体积膨胀，因此获得关注。然而，PAA具有易吸湿的问题，因此在制作电极片时必须以较高的温度及较长的时间进行烘烤；此外，PAA通常需与CMC及/或SBR一同使用，以避免纯PAA容易脆裂的问题。

现今，因应高容量硅基负极材料的诞生，仍待开发出一种适合的黏结剂，能够克服硅基负极材料体积胀缩的问题，且能避免上述习知黏结剂的缺点。

【发明内容】

有鉴于此，本案发明人经研究后发现一种新颖的聚乙烯醇接枝共聚物，其包含聚乙烯醇主链，且该聚乙烯醇接枝共聚物的支链包含衍生自以下单体的结构单元：

(a)含氟的烯属不饱和单体；及

(b)烯属不饱和羧酸单体。

本发明的另一目的在于提供一种水性黏结剂组合物，其包含上述聚乙烯醇接枝共聚物。

本发明的另一目的在于提供一种电极浆料组合物，其包含上述聚乙烯醇接枝共聚物。