[发明专利]一种κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶及其制备方法和应用

说明书

本发明属于粘结剂合成及电化学技术领域，公开了一种卡拉胶和魔芋胶的复配胶及其制备方法和应用。该复配胶是将κ‑卡拉胶和魔芋胶混合均匀，溶解于去离子水中搅拌，形成分散液；将分散液置于60～90℃水浴加热搅拌，形成胶状溶液制得。本发明的复配胶是在加热和搅拌条件下，使κ‑卡拉胶和魔芋胶的官能团发生相互作用，形成具有三维网络的生物质聚合物。生物质聚合物之间能够产生一种协同效应，产生各单体胶本身并不具有的特性，弥补各自的不足。该复配胶解决了低成本的水溶性天然高分子材料作为锂离子电池硅负极的粘结剂时存在粘结能力不足或机械性能差的问题，并且其合成过程简单，符合绿色化学的要求，对设备要求低，有利于市场化推广。

技术领域

本发明属于粘结剂合成及电化学技术领域，更具体地，涉及一种κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶及其制备方法和应用。

背景技术

为适应快速增长的可再生能源的需求，低成本、高安全和高能量密度的大规模储能系统的发展引起了人们的浓厚的兴趣。锂离子电池具有高能量密度和长循环寿命等优点，被认为是最有前途的储能装置，目前已经广泛应用于便携式电子设备中，比如智能手机、智能穿戴设备及电脑。然而，要推进其在电动汽车和智能电网的大规模应用，必须达到有着优异的能量密度，超长的使用寿命和廉价的经济成本的要求。硅具有高于石墨负极十倍的理论比容量(4200mAh/g vs.372mAh/g)的优势，当采用硅作为锂离子电池的负极材料时，将极大地提高锂离子电池的能量密度。然而，采用传统的硬性粘结剂用于锂离子电池硅材料负极仍面临着关键性的问题，硅在充放电过程中严重的体积膨胀收缩，将破坏电极结构，导致电极粉化，造成电极循环性能差，难以实际应用。

粘结剂是电极的重要组成部分，在电极的电化学性能和循环性能等方面有着巨大的影响。为满足人们对低成本、环境友好和高效储能锂离子电池的需求，高安全性和廉价的水溶性天然高分子材料被认为是非常有前途的硅负极粘结剂。以水溶性天然高分子材料作为硅电极的粘结剂可以与硅颗粒表面形成强氢键相互作用从而产生良好的界面粘结以提升电极的循环性能。然而，单一生物质聚合物存在粘结能力不足或机械性能差等缺点，不能满足在低含量的粘结剂和较高硅质量载量下实现稳定循环的要求。通过将多种生物质聚合物混合，生物质聚合物之间能够产生一种协同效应，产生各单体胶本身并不具有的特性，用于弥补各自的不足。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，针对具有低成本的水溶性天然高分子材料作为锂离子电池硅负极的粘结剂时存在粘结能力不足或机械性能差等缺点，而导致在高硅质量载量下电池循环稳定性差的问题，本发明目的在于提供一种卡拉胶和魔芋胶的复配胶。该复配胶是一种安全性高、成本低廉的水溶性复配生物质聚合物的粘结剂体系。采用该复配胶作为粘结剂的硅负极可以在较低粘结剂含量(0～10wt％)，高Si含量(80～100wt％)和较高Si质量载量(1～3mg cm^-2)的条件下保持很好的循环稳定性。

本发明的另一目的在于提供上述卡拉胶和魔芋胶的复配胶的制备方法。该方法合成条件简单，原料安全性高、价格低廉，符合绿色化学的要求。

本发明的再一目的在于提供上述卡拉胶和魔芋胶的复配胶的应用。当复配胶作为粘结剂的硅负极与商用三元正极NCM523匹配成全电池后，得到的全电池也展示了较为稳定循环性能。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶，所述复配胶是将κ-卡拉胶和魔芋胶混合均匀，将其溶解于去离子水中搅拌，形成分散液；再将分散液置于60～90℃水浴搅拌，形成胶状溶液制得。

优选地，所述的κ-卡拉胶与魔芋胶的质量比为(0.1～10):1。

优选地，所述的κ-卡拉胶和魔芋胶的总质量与去离子水的质量比为1:(49～199)。

优选地，所述的去离子水的电阻率为18～18.5MΩcm。

优选地，所述的复配胶的浓度为0.5～2wt％。