[发明专利]一种柔性薄膜电极的制备方法及所制备的电极和用途

说明书

本发明公开了一种柔性薄膜电极的制备方法，首先在水中利用氧化石墨烯、羧甲基纤维素钠和聚丙烯酸制备水性复合粘合剂，在加入纳米硅粒子、氧化亚硅颗粒等活性粒子，通过真空过滤和真空冷冻干燥，制备出柔性氧化石墨烯‑羧甲基纤维素钠‑聚丙烯酸‑活性粒子复合薄膜，再经过液相还原和真空热缩聚反应，得到柔性薄膜电极。该方法用水做溶剂制备粘接剂，并且导电剂可以与粘接剂发生分子交联作用，导电效果好，在多个循环之后仍能保持电极结构的稳定，容量衰减慢，并且具有良好的机械强度和柔性。所制备的柔性薄膜电极可以用于锂离子电池、电容器或其他储能体系电极制作。

技术领域

本发明涉及电极材料领域，具体涉及一种柔性薄膜电极的制备方法、所制备的电极和用途。

背景技术

针对当前日益加剧的能源危机、资源匮竭和环境污染等问题，发展清洁和可再生能源成为我国社会经济发展的重大战略，已被列为国家中长期科技发展规划纲要中重点和优先发展的方向。锂离子电池(LIBs)由于具备高能量密度、长循环寿命和环境友好等优势，作为便携式储能器件的主要电源已引起全世界范围内的广泛关注。为满足便携式电子设备、可穿戴柔性电子设备、电动车和混合动力车等日益增长的耗能需求，如何进一步实现锂离子电池的高效能量储存和转化的同时，兼备高安全性、低成本、环境友好等优点成为现阶段面临的重要挑战。

锂离子电池的储锂性能很大程度上取决于正、负电极的性能，目前，在锂离子电池的研究和开发过程中，研究者多把精力集中在正、负极活性材料上，对电极中重要组分——粘结剂和导电剂没有引起足够的重视。目前，在商业化锂离子电池生产中，由于其良好的电化学稳定性、粘结性和较宽的电化学稳定窗口，聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride)，PVDF )被广泛用作正、负极的粘结剂。然而，PVDF粘结剂昂贵的价格增加了锂离子电池的生产成本；同时在应用过程中还需要以有毒的挥发性有机溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为浆料分散剂，既污染环境，又危害操作人员健康。此外，其生产工艺对环境湿度要求严格，容易与金属锂反应生成稳定的 LiF₆，发生放热反应。为了克服PVDF粘结剂存在的以上缺点，基于生态友好、低成本、增强电极储锂性能和溶剂循环利用等方面的需求，近年来研究者们提出了用水性体系的粘结剂代替油性粘结剂PVDF的方法。水性粘结剂不仅可避免 NMP 的使用，而且具有低成本、易获取、环境友好和使用安全等优点。不仅如此，用水简单地作为分散剂来制作电极的过程更为简便，使其成为了安全和环保的锂离子电池的理想粘结剂。近年来，在积极开发替代PVDF的聚合物粘结剂的过程中，大量的工作聚焦在设计和开发具有特殊分子组成和结构的新型水性聚合物粘结剂。

当前常用的PVDF、羧甲基纤维素钠（CMC）、聚丙烯酸（PAA）等直链粘结剂分子的链与链之间只能通过结合力较弱的物理交联方式（如范德华力、氢键）进行连接，在经过较短次数的连续循环之后，难免会与活性材料颗粒发生不可逆滑移，使得活性材料和导电添加剂与集流体间失去电连接性，造成电极结构稳定性的退化和容量的快速衰减。同时, 导电剂与活性材料之间没有粘结性，在充/放电过程中，导电剂易与活性材料发生脱离，从而失去电连接性造成电子传输路径的中断。此外，传统粘结剂缺乏足够的机械强度，不能承受硅基、锡基和氧化物基等电极材料在脱/嵌锂过程中发生的大体积变化，加速了电极材料的机械断裂和剥离，导致电子传导路径的损失。

如何选择导电剂和粘接剂，使它们彼此能够更好进行分子交联并增强导电剂的导电性能，同时有利于对电极材料进行更好地包覆、增强所制备电极的机械强度和柔性，提升电池的可循环性和使用寿命，是本领域期待解决的实际问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种柔性薄膜电极的制备方法，该方法用水做溶剂制备粘接剂，并且导电剂可以与粘接剂发生分子交联作用，导电效果好，在多个循环之后仍能保持电极结构的稳定，容量衰减慢，并且具有良好的机械强度和柔性。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种柔性薄膜电极的制备方法，其特征在于包括如下步骤：