[发明专利]一种动态离子交联的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝胶粘合剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种动态离子交联的聚丙烯酸‑聚乙二醇水凝胶粘合剂及其制备方法和应用，它是采用“一锅法”制备了动态离子交联的聚丙烯酸‑聚乙二醇水凝胶粘合剂；该粘合剂结合了聚乙二醇良好的导电离子性与丙烯酸能够相互聚合的性能，形成了能够导离子的三维网络结构；粘合剂的三维网络结构能具有优异的力学性能，可以有效的缓解活性材料在充放电过程中产生的应力；因动态离子的引入，使得整个三维网络结构中附着有动态的离子，使得整个三维网络具有自我修复作用，粘合剂的自修复功能可以有效地抑制或修复硅负极在长周期循环之后产生的裂纹会在后续循环中诱导产生更大的裂痕，从而维持电极结构的稳定性。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，具体涉及一种动态离子交联的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝胶粘合剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着人类社会的快速发展，对能源的需求不断增加。当今，化石能源短缺，能源危机已经成为社会的巨大挑战。锂离子电池作为一种新型的二次电池具有容量大、工作电压高、能量密度高、自放电率低、循环寿命长、无记忆效应等优点，已经成为解决能源危机、改善自然环境的重要储能装置。

锂离子电池由于能量密度高、工作电压高、自放电少、循环性能好等性能优势广泛应用于各个领域。石墨的来源广泛、价格低廉，是理想的锂离子电池负极材料之一，但是锂在嵌入石墨后形成LiC6的结构，理论容量仅达到372 mAh/g，难以满足高容量的迫切需求。硅(Si)基负极材料的理论比容量(4200 mAh/g)高、嵌脱锂平台较适宜，是一种理想的锂离子电池用高容量负极材料，但是在充放电过程中，Si的体积变化达到300％以上，剧烈的体积变化所产生的内应力，容易导致电极结构的粉化、剥落，最终造成容量快速衰减，严重地阻碍了其在锂离子电池中的实际应用。

在锂离子电池中，粘结剂是影响电极结构稳定性的重要因素。粘结剂的主要作用是将活性物质和导电剂连接并粘附于集流体上，可以有效的改善电极的循环性能。传统电极，最初选用具备良好热稳定性和电化学稳定性的聚偏氟乙烯（PVDF）和苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）作为硅基负极粘结剂。然而，商业化粘结剂PVDF和SBR与硅基材料间的作用力为较弱的范德华力，难以抵抗由硅基材料体积变化引起的巨大应力，导致导电网络的破裂，活性材料的损失，最终引起容量的快速衰减。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种动态离子交联的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝胶粘合剂及其制备方法和应用；该粘合剂是采用“一锅法”制备了动态离子交联的水凝胶，是由丙烯酸单体直接在水介质中自由基反应聚合而成的聚丙烯酸和聚乙二醇发生缩合反应制成，然后加入离子形成了动态离子和化学键双交联的三维网络结构的水凝胶。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种动态离子交联的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝胶粘合剂，所述粘合剂为聚丙烯酸-聚乙二醇聚合成的三维交联网络结构，三维交联网络结构上附着有动态离子，所述动态离子为Li⁺、Na⁺、Al³⁺或Ca²⁺。

优选的，所述聚乙二醇的重均分子量为400-20000。

一种上述的动态离子交联的聚丙烯酸-聚乙二醇水凝胶粘合剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将聚乙二醇溶于去离子水中，制备聚乙二醇水溶液；

步骤2，将丙烯酸单体溶于去离子水中，制备丙烯酸水溶液；

步骤3，将引发剂加入丙烯酸水溶液中；升温包含有引发剂的丙烯酸水溶液至70～90℃后，加入步骤1制备的聚乙二醇水溶液，加入结束后进行搅拌，当反应体系成粘稠状时，反应结束，制得聚丙烯酸-聚乙二醇水凝胶聚合物；