[发明专利]聚氨酯改性丙烯酸类水性粘结剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种粘结剂，还涉及该粘结剂的制备方法，该粘结剂可以应用于锂离子电池中。

背景技术

随着智能手机以及数码相机等移动电子设备市场的扩大，可反复充放电、高容量的锂离子二次电池的市场也逐年扩大。锂离子电池性能受到电池材料、工艺以及使用环境等多方面因素的影响，其中制备电极时所使用的粘结剂的影响不容小觑。粘结剂起到粘结活性物质、导电剂，并将其粘附到集流体，形成完整电极结构的作用。同时粘结剂也会影响极片的柔韧性、极片在电解液中的溶胀性、电化学稳定性等诸多性能。

根据使用溶剂的不同粘结剂可分为油系和水系两大类。油系粘结剂以聚偏氟乙烯(PVDF)为代表，采用甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，可应用于二次电池的正极与及负极材料。但其电子和离子导电性差；有机溶剂NMP具有良好的分散性，但易挥发、易燃易爆、且毒性大。采用PVDF作粘结剂的极片涂布工艺要求密封，生产成本高。另一方面由于PVDF中含有氟，容易与嵌锂石墨等发生反应，导致锂离子电池性能下降。PVDF作为锂电池粘结剂的相关文献可以参考申请号为201410842426.1的中国发明专利申请公开《一种锂电池粘结剂专用聚偏氟乙烯的制备方法》(公开号为CN104530276A)；201410515819.1的中国发明专利申请公开《一种导电聚合物交联的锂电池用粘结剂及其制备方法》(公布号为CN104282912A)；申请号为201410519423.4的中国发明专利申请公开《一种碳材料填充的锂电池用粘结剂及其制备方法》(公开号为CN104269558A)等。

近年，从降低成本、控制环境污染以及提高电池性能方面考虑，丁苯橡胶(SBR)类以及聚丙烯酸类水性粘结剂逐渐取代PVDF成为负极粘结剂市场的主流，市场占有率达到70％左右。这类粘结剂的专利文献可以参考申请号为201510014203.0的中国发明专利申请公开《一种高功率锂离子电池负极粘结剂组合物及其制造方法》(公开号为CN104617302A)；还可以参考申请号为201510160761.8的中国发明专利申请公开《一种锂离子电池负极粘结剂、负极以及电池》(公开号为CN104877593A)。

根据日本瑞翁(ZEON)公司的研究结果，SBR水性粘结剂在负极使用时非常稳定，但当用于正极时，由于其抗氧化性能差，在不断的充放电循环过程中，粘结剂在高电压状态下逐渐失效，从而影响电池的充放电性能和循环特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而另外提供一种聚氨酯改性丙烯酸类水性粘结剂。

本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种适合于锂离子电池正极极片的聚氨酯改性丙烯酸类水性粘结剂。

本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种适合于锂离子电池正极极片的聚氨酯改性丙烯酸类水性粘结剂的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种聚氨酯改性丙烯酸类水性粘结剂，其特征在于该粘结剂采用聚乙二醇和二异氰酸酯反应，然后加入丙烯酸单体或甲基丙烯酸单体作为改性单体，反应得到聚氨酯丙烯酸酯，在引发剂作用下与羟基丙烯酸树脂单体反应，获得乳液，该乳液即为粘结剂，前述聚乙二醇、二异氰酸酯、丙烯酸单体或甲基丙烯酸单体摩尔比满足1:1.6～2.3:1.9～2.3，前述聚氨酯丙烯酸酯与羟基丙烯酸树脂单体摩尔比为1:0.9～1.5。

一种聚氨酯改性丙烯酸类水性粘结剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

①在反应器中加入聚乙二醇，氮气保护下加入二异氰酸酯，采用极性溶剂，60～90℃反应1～5小时，降温到45～55℃以下，加入丙烯酸单体或甲基丙烯酸单体，继续反应，得到聚氨酯丙烯酸酯混合液，上述聚乙二醇、二异氰酸酯及丙烯酸单体或甲基丙烯酸单体摩尔比满足1:1.6～2.3:1.9～2.3；

②将羟基丙烯酸树脂单体中滴加引发剂和步骤①中得到的聚氨酯丙烯酸酯混合液，搅拌下温度上升到70-85℃，反应1-5小时，加入碱液调整pH值至7～8，加水，搅拌后乳化，得到乳液，该乳液即为粘结剂，上述聚氨酯丙烯酸酯与羟基丙烯酸树脂单体摩尔比为1:0.9～1.5。