[发明专利]一种用于锂离子电池的改性天然粘结剂及其制备方法、硅电极片

说明书

本发明公开了一种用于锂离子电池的改性天然粘结剂及其制备方法、硅电极片，所述粘结剂为聚丙烯酰胺接枝的瓜尔胶(GG‑g‑PAM)，其制备方法是将瓜尔胶充分溶解于水中，然后滴入预先溶解在水中的丙烯酰胺单体；充分搅拌后滴加引发剂；滴入引发剂后在55～65℃反应5～8h，反应后的溶液用丙酮析出，固体产物丙酮洗涤后真空干燥，得到GG‑g‑PAM。GG‑g‑PAM可以与硅产生强的界面粘附，可以消除因硅的巨大体积变化而产生的高机械应力，可以有利于锂离子的传输，以GG‑g‑PAM作为粘结剂的硅负极具有优异的循环稳定性、速率能力、高负载能力和再现性。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，涉及一种用于锂离子电池的改性天然粘结剂及其制备方法，还涉及一种基于所述粘结剂的硅电极片。

背景技术

硅因其超高的理论比容量被认为是一种很有前途的锂离子电池负极材料。然而硅在电池循环过程中的巨大体积变化产生的高机械应力导致了硅活性材料的粉化，这加剧了硅与电解液副反应并且破坏了电极结构的完整性，最终使循环寿命下降。粘结剂作为电池极片中的重要组成之一，其性能的优劣与硅负极的循环寿命息息相关。

传统的锂离子电池用粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)因其与硅粘结强度的不足已不适用于硅负极，且其必须使用有机溶剂的缺陷与当下绿色化工的理念不符。聚丙烯酸(PAA)和海藻酸钠(Alg)等粘结剂虽然有较强的界面附着力，但它们的线性链结构使得它们在高机械应力下容易在硅表面发生移动，从而导致循环过程中电极结构的解体。此外，这些聚合物粘接剂缺乏锂离子导电性，使得包含它们的电池倍率性能不佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种改性天然粘结剂及其制备方法、以及硅电极片；本发明的粘结剂为一种具有高界面附着力、能够分散机械应力、具有导锂离子能力的水溶性粘结剂。

本发明提供了一种锂离子电池用的改性天然胶粘结剂。其结构特征为聚丙烯酰胺接枝的瓜尔胶(GG-g-PAM)。其结构式可以大体表示如下：

其中，丙烯酰胺单体与瓜尔胶(在本发明中瓜尔胶的摩尔质量按167g/mol计算)摩尔比为5～40:1；优选的为10～20:1。

本发明还提供一种上述粘结剂的制备方法。包括下述步骤：将瓜尔胶充分溶解于水中，然后滴入预先溶解在水中的丙烯酰胺单体。充分搅拌后滴加引发剂。滴入引发剂后在55～65℃反应5～8h，反应温度优选的为58～60℃，反应时间优选的为6h。将反应后的溶液用丙酮析出，并将得到的固体产物用丙酮多次洗涤后真空干燥。真空干燥温度为40～60℃，优选的为50℃。

进一步的，所述引发剂通常为过硫酸钾、过硫酸铵、硝酸铈铵、亚硫酸氢钠、亚硫酸氢钾中的一种或几种的混合溶液，优选的为硝酸铈铵。

本发明还提供一种包含所述粘结剂的硅电极片，制备方法如下：将GG-g-PAM粘结剂溶于去离子水中，充分搅拌溶解后将纳米硅颗粒、导电剂加入到粘结剂溶液中，其中导电剂为导电炭黑乙炔黑、Super P、碳纳米管中的一种或几种；其中纳米硅、导电剂、粘结剂固体的质量占比分别为60～90％、5～20％、5～20％；充分混料均匀后涂覆于铜箔上，真空干燥后得到相应的硅电极片，干燥温度为80～120℃，优选的为110～120℃，干燥时间为8～18h，优选的为12h。

有益效果：

第一，GG-g-PAM含有丰富的侧链和极性官能团，可以与硅表面的羟基形成强的多维相互作用位点，从而产生强的界面粘附。第二，作为支化聚合物粘合剂，GG-g-PAM可以通过支点处的支链分布应力，从而在重复循环过程中不断消除因硅的巨大体积变化而产生的高机械应力。第三，GG-g-PAM的瓜尔胶主链中氧杂原子提供的络合位点作为锂离子的传输途径，赋予其足够的锂离子传导。此外，GG-g-PAM的水溶性可使其在绿色和低成本的水工艺中制备硅负极。综上，采用GG-g-PAM作为粘结剂的硅负极具有优异的循环稳定性、速率能力、高负载能力和再现性。

附图说明