[发明专利]一种锂硫电池正极用水系粘结剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种锂硫电池正极用水系粘结剂及其制备方法和应用，电池粘结剂技术领域。该粘结剂由极性高分子聚合物和具有强吸附性的减水剂聚合物在水中混合交联而成。本发明的水系粘结剂粘合能力强，应用在锂硫电池中可以获得稳定的硫正极结构，能够有效缓冲正极材料在电池循环过程中产生的将近80％的体积膨胀收缩应力变化，同时，通过聚合物分子中的多极性官能团和可溶性多硫化物之间的相互化学作用，可以将多硫化物束缚在硫正极区域，阻止其迁移扩散，有效抑制了锂硫电池的“穿梭效应”，从而提高了电池的比容量和循环寿命。此外，本发明采用水作为溶剂，无需其他特殊处理，既简单实用又绿色环保，在锂硫电池工业化应用中具有很好的前景。

技术领域

本发明涉及电池粘结剂技术领域，具体涉及一种锂硫电池正极用水系粘结剂及其制备方法和应用。

背景技术

锂硫电池(Li-S)是指以金属锂为负极，单质硫或者硫的化合物为正极的高能量二次电池体系，理论比能量高达2600Wh/kg，具有其它电化学储能体系无法比拟的高比能特性，其比容量远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池(150mAh g^-1)。此外，硫在自然界的储量十分丰富，且硫及其中间产物和放电产物均无毒，符合绿色化学的要求。因此，锂硫电池具有非常广阔的商业价值与应用前景，具有重要的社会、经济和环境效益。

粘结剂是锂硫电池正极材料中重要的组成部分，其用量虽少，但对电极的结构和形貌具有至关重要的影响。电极中加入粘结剂主要是为了粘覆活性电极物质和导电剂，使极片组分与集流体有良好接触；同时稳定极片内部结构，缓解电极材料在电池循环过程中带来的体积收缩膨胀应力变化。

对于使用的粘结剂，要求必须具有良好的粘结性能、耐热性、耐溶剂性和电化学稳定性。粘结剂的物理性质直接影响到浆料及极片的性能，进而对电池的电化学性能和安全性能也有着关键的影响。因此，粘结剂的选择和优化对锂离子电池的发展具有重要的研究价值。

常用锂硫电池正极用粘结剂按照溶解溶剂的不同可分为水系粘结剂和油系粘结剂。目前锂硫电池中普遍使用的油系粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)，使用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)。普遍使用的水系粘结剂有羧甲基纤维素钠(CMC)配合丁苯橡胶(SBR)，聚丙烯酸酯类(LA系列)粘结剂。因为NMP具有毒性，对人体有害，而且有机溶剂易吸收水分，对空气湿度也有很高的要求，再加上水溶剂成本低、易获取、环境友好等优点，所以水系粘结剂是目前锂硫领域的一个重要研究方向。

发明内容

为了克服现有锂硫电池粘结剂上述存在的技术问题和缺陷，本发明的目的在于提供一种锂硫电池正极用水系粘结剂及其制备方法和应用。本发明所述粘结剂环境友好、成本低廉且粘合性能强，能够有效缓解循环期间电极体积的变化，应用于锂硫电池可大幅度提高循环稳定性，具有很高的实际应用价值和商业前景。

为了实现本发明的上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂硫电池正极用水系粘结剂，所述水系粘结剂由极性高分子聚合物与具有强吸附性的减水剂聚合物在溶剂水中混合交联而成，其中：所述极性高分子聚合物为聚碳酸酯(PC)、聚丙烯酰胺(PAM)、丁腈橡胶(NBR)、聚丙烯腈(PAN)、环氧树脂、丙烯酸酯、聚乙烯醇(PVA)、酚醛树脂、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSF)、聚苯硫醚(PPS)、氨基树脂、聚乳酸等高分子聚合物中的任一种或多种的混合物；所述减水剂聚合物为木质素磺酸盐或树状支化大分子的任一种。

进一步地，上述技术方案，所述极性高分子聚合物与减水剂聚合物的质量比为1～10：1～10。

优选地，上述技术方案，所述极性高分子聚合物与减水剂聚合物的质量比为1～5:1～5，更优选为1～3：1～3。

进一步地，上述技术方案，所述极性高分子聚合物的分子量为200～2500wDa。