[发明专利]一种应用于锂硫电池的极性粘接剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池的粘接剂技术领域，具体涉及一种应用于锂硫电池的强极性的粘接剂及其制备方法。

背景技术

锂硫电池(Li-S)是锂离子电池的一种，其理论比容量高达1675mAh/g，理论比能量达到2600Wh/kg，是目前商业锂电池的4-5倍，被认为是新一代高性能的储能材料。但是，在锂离子的反复嵌插下，活性材料(S)存在高达70％的体积变化和大量的中间产物——多硫化锂溶解造成严重的容量衰减，成为商业化生产最主要的难点。

粘接剂在锂硫电池正极材料中扮演着连接活性材料与导电剂(如乙炔黑、科琴黑、Super P等)，维持正极结构完整性的角色。然而，目前性能单一的商业粘接剂——聚偏氟乙烯(PVDF)只能维护正极结构的完整性，无法抑制多硫化锂的溶解与穿梭，使得所制备的锂-硫电池产生严重的容量衰减。因此，研发既具有强机械性能又能对多硫化锂的溶解有良好的抑制作用的多功能粘接剂是目前亟待解决的问题。

目前，为寻找能够取代商业锂-硫电池粘接剂(PVDF)，Gaoran Li等报道了一种阿拉伯树胶用于锂-硫电池(G.Li,M.Ling,Y.Ye,Z.Li,J.Guo,Y.Yao,J.Zhu, Z.Lin,S.Zhang,Adv.Energy Mater.2015,5,1500878)，利用阿拉伯树胶本身具备的化学官能团——羟基等，显示出优良的倍率与循环性能的提升。类似地，Jiulin Wang等报道了一种碳酰修饰的-环糊精用于锂-硫电池(J.Wang,Z.Yao,C.W. Monroe,J.Yang,Y.Nuli,Adv.Funct.Mater.2013,23,1194–1201)，Priyanka Bhattacharya等公开了一种树枝状聚酰胺用于高负载锂-硫电池(P.Bhattacharya, M.I.Nandasiri,D.Lv,A.M.Schwarz,J.T.Darsell,W.A.Henderson,D.A.Tomalia, J.Liu,Ji.Zhang,J.Xiao,2016,Nano Energy,19,176-186.)。然而，上述粘接剂对多硫化锂的吸附性能极大地受限于材料中的官能团，主要为羟基、酮基、酯基等，而这些官能团对多硫化物的吸附能力较差，无法满足实际应用需求(Chem.Sci. 2013,4,3673-3677)。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种强极性的粘接剂及其制备方法。本发明将多氨基分子铰链形成新型的三维高分子材料，作为锂硫电池粘接剂，该粘接剂中具有强极性官能团(如氨基、酰胺基、羟基)，在保持一定机械强度的条件下，能与多硫化物形成大量的化学键，有效抑制多硫化锂的溶解，提升锂硫电池的循环性能。

本发明的技术方案如下：

一种极性粘接剂，其特征在于，所述粘接剂是由聚乙烯亚胺(PEI)和聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)按照摩尔比为1：(0.5～4)的比例在100～150℃温度下反应3～6h得到的聚合物；其中，聚乙烯亚胺(PEI)利用自身的氨基或酰胺基与多硫化物通过极性吸附成键，实现抑制多硫化物的溶解的目的，而聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)用来铰链聚乙烯亚胺(PEI)，以形成立体三维结构。

进一步地，所述聚乙烯亚胺(PEI)的分子量为600～1000g/mol；所述聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)的分子量为200～800g/mol。

一种极性粘接剂的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：以聚乙烯亚胺(PEI)为溶质，除水的DMF溶液(二甲基甲酰胺) 为溶剂，配制聚乙烯亚胺(PEI)的浓度为0.1～0.5mol/L的混合液A；

步骤2：以聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)为溶质，除水的DMF溶液(二甲基甲酰胺)为溶剂，配制聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)的浓度为0.05～0.5 mol/L的混合液B；

步骤3：将烧瓶置于油浴锅中，通入氮气或氩气作为保护气体，然后向烧瓶中加入步骤1得到的混合液A，采用冷凝回流的方式，在100～150℃温度下搅拌 1～30s；

步骤4：以1～10滴/秒的速率向步骤3处理后的混合液A中加入步骤2配制的混合液B，在氮气或者氩气保护下，保持100～150℃温度反应3～6h；其中，混合液 A中的聚乙烯亚胺(PEI)与混合液B中的聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)的摩尔比为1：(0.5～4)；

步骤5：反应完成后，在氮气或氩气保护气氛下自然冷却至室温，即可得到所述极性粘接剂。