[发明专利]一种氮功能化的交联聚合物粘结剂及其锂硫电池正极材料

说明书

本发明公开了一种氮功能化的交联聚合物粘结剂及其锂硫电池正极材料。交联聚合物粘结剂，按重量百分数计，由双酚A型环氧树脂10‑80%和聚乙烯亚胺20‑90%组成。本发明的氮功能化交联聚合物粘结剂能够有效的解决现有硫正极材料在充放电过程中硫的体积膨胀和多硫离子的穿梭效应引起的电池循环性能快速衰减的技术难题。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，尤其涉及一种氮功能化的交联聚合物粘结剂及应用该粘结剂的锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术

锂硫电池的的理论能量密度高达2600 Wh kg^-1，其中正极硫材料的理论比容量为1675 mAh g^-1, 是商业化的锂离子电池正极材料的10倍，所以基于硫正极的锂硫电池，成为了最有应用前景的新一代高性能能量储存装置。但是，在充放电循环过程中，硫正极的体积膨胀率高达80%，形成的多硫离子中间产物很容易在电解液中溶解并扩散。体积膨胀引起的结构破坏以及活性硫的流失会造成容量的快速衰减，并导致库伦效率的快速降低。这些问题受到学术界和产业界的密切关注。

针对硫正极存在的体积膨胀问题而引起的电池性能快速衰减问题的一个解决办法是采用粘结剂来抑制正极的膨胀效应。

目前，电池中广泛应用的正极粘结剂为线性的聚偏二氟乙烯（PVDF），PVDF具有很高的粘结力，但是PVDF长时间与锂硫电池电解液接触后容易发生溶胀，造成电极结构的不稳定。溶胀的同时，粘结力也会随着下降，导致硫的快速溶解和流失，电池的循环性能变差。目前，PVDF还无法满足抑制硫正极体积膨胀的要求。

针对多硫离子的溶解和扩散问题的一个解决方法是应用多孔的炭材料与硫混合制得硫-炭复合材料。多孔炭材料的应用可以明显的抑制多硫离子的溶解和扩散，提高电池的循环稳定性，但过量的添加炭材料会导致正极能量密度的降低，多孔炭材料的制备过程一般都比较复杂，成本也较高，很难从实验室走向产业产业化。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮功能化交联聚合物粘结剂及应用该粘结剂的锂硫电池正极材料。本发明的氮功能化交联聚合物粘结剂能够有效抑制硫在氧化还原过程造成的体积膨胀和硫的穿梭效应问题导致的电池循环性能快速降低的技术难题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种氮功能化的交联聚合物粘结剂，按重量百分数计，由双酚A型环氧树脂10-80%和聚乙烯亚胺20-90%组成。

作为优选的，在上述的氮功能化的交联聚合物粘结剂中，所述双酚A型环氧树脂与聚乙烯亚胺的质量比值为1：1或2:1或3:1。

本发明的氮功能化的交联聚合物粘结剂具有三维网络状结构，稳定性好，强度高，能够长期有效的将正极材料粘合在一起。本发明的氮功能化的交联聚合物粘结剂中含有大量的含氮官能团，能够与多硫离子形成较强的化学作用，从而有效的限制活性硫的扩散和流失。

本发明使用的聚乙烯亚胺具有支化结构，聚乙烯亚胺是一种含有大量氮元素的支化结构聚合物，氮的引入能够与多硫离子发生较强的相互作用，从而抑制多硫离子的溶解和扩散，而双酚A型环氧树脂的加入能够与聚乙烯亚胺发生聚合并形成三维网状的交联结构，相对线性结构的PVDF粘结剂，这种交联结构更加稳定，粘结力更强，以上特性共同提高了正极材料的充放电循环性能。

含有上述交联聚合物粘结剂的锂硫电池正极材料，由以下步骤制成：

（1）将聚乙烯亚胺和双酚A型环氧树脂分别溶解于溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）中形成均匀的溶液，其中聚乙烯亚胺和双酚A型环氧树脂在溶剂中的固含量均为5-40%重量；