[发明专利]水性聚合物－异氰酸酯基电极复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种水性聚合物－异氰酸酯基电极复合材料及其制备方法，能应用于二次电池电极复合材料及其成型，本发明基于水性聚合物‑异氰酸酯粘接与交联电极活性颗粒和导电助剂，并涂覆于金属集流体的工艺，属锂、钠离子电池技术领域。其特点是基于水溶液混合与涂布法，使用3.0％‑15.0％水性聚合物、80.5％‑95.7％的电极活性颗粒、2.0％～8.0％的导电助剂和0.5％‑1.5％水乳化聚合异氰酸酯交联剂制备复合材料，而后涂层于集流体获得负极。利用本方法所制的电极复合材料具有优良的电化学行为和力学性能，其成型工艺简单、生产效率高且符合绿色环保要求。

技术领域

本发明涉及一种电极复合材料及其制备方法，特别是一种水性聚合物基负极复合材料及其制备方法，应用于锂、钠二次电池技术领域和新能源材料与成型工艺技术领域。

背景技术

虽然当前全球的主要能源仍然基于石油、煤炭和天然气等矿物燃料，但其具有不可再生的特点，且燃烧过程中释放的二氧化碳、一氧化二氮和二氧化硫等气体导致空气污染，风能、太阳能和地热能等的开发和利用因此成为三十多年来能源领域持续关注的重点。然而，这些可再生清洁能源因受环境因素制约，无法稳定、持续供能，需要发展高容量的能量存储转化装置来实现有效的存储和分配，即储能技术是未来能源结构转变和电力生产消费方式变革的战略性支撑。虽然锂、钠二次电池、燃料电池和超级电容器等电化学能源储存系统近年获得了迅速发展，其中石墨基锂离子电池已广泛应用于移动通信、便携式计算机和摄像机等消费电子设备，也被公认为动力电源和可再生能源的储存的首选，但其容量和功率仍然无法满足工程实际需求。相对理论容量仅有372mAh/g的石墨而言，虽然硅、锗、锡和三元过渡金属氧化物等新型负极材料具有更高能量密度，但这类电极活性颗粒在电极的充、放电循环中伴随着剧烈的体积变化，由于形变受到周围基体的约束，由此产生的较大应力易导致电极破坏，电池的循环寿命明显低于现有的商业产品。如何改善高容量二次电池的服役性能是近年化学、力学和材料学界共同面临的挑战。

锂、钠电池的电极由活性颗粒、导电助剂、粘接材料制备的复合材料涂覆在金属集流体表面而成。聚合物粘接剂是其中的关键组分，旨在将活性颗粒和导电材料(炭黑、乙炔黑和镍粉等)与集流体的紧密连接，保持导电路径的完整性。作为石墨负极常用粘接剂的聚偏氟乙烯(PVdF)，其在电解液环境中的机械性能难于达到高容量电极材料的服役要求。不仅粘接剂聚合物本体易发生破坏，且其与活性颗粒和集流器的脱粘现象显著，导致无法维持完整的电子运动通道，由此成为电池容量衰减的主要因素之一。此外，PVdF电极在成型过程中需要使用大量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)，该有机溶剂不仅价格昂贵、有毒性，而且蒸发缓慢，导致浆料干燥时间长，电极生产效率较低。而水性粘接体系具有成本低、无污染和无需预处理控制湿度的许多优点，羧甲基纤维素(CMC)、羧基丁苯乳液(SBR)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)和海澡酸钠等含羟基或羧基的水性聚合物近年来已经逐渐取代PVdF，成为锂、钠二次电池负极材料的主要粘接剂。虽然基于水性聚合物制备的大功率电池的循环能力、库仑效率和倍率性能均获得了明显提高，但其与工程需求依然存在较大的距离。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种水性聚合物－异氰酸酯基电极复合材料及其制备方法，所制的复合材料具有优良的力学和电化学性能，电极成型干燥速度快，且工艺简单和符合绿色环保要求。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水性聚合物－异氰酸酯基电极复合材料，由含羟基或羧基的水性聚合物、电极活性颗粒、导电助剂和水乳化聚合异氰酸酯作为原料组份组合而成，各原料组份按照组份干质量百分比配比如下：

水性聚合物3.0-15.0wt％；

活性颗粒80.5-95.7wt％；

导电助剂1.0-3.0wt％；

水乳化聚合异氰酸酯0.3-1.5wt％。