[发明专利]一种水性粘结剂及其在锂离子电池中的应用

说明书

本发明属于能源高分子材料领域，具体涉及一种水性粘接剂及其在锂离子电池中的应用。本发明水性粘接剂，由包括以下步骤的方法制成：（1）在碳酸钠溶液中加入蚕茧，加热，搅拌，冷却后固液分离，将所得丝素干燥处理；（2）将所得丝素溶于溴化锂溶液中，过滤并透析得到丝素蛋白溶液；（3）配制单宁酸溶液，使用时将二者混合均匀，即可。将所述丝素蛋白溶液、单宁酸溶液和活性材料、导电剂共混球磨后，涂于集流体上，干燥，用裁片机裁出极片，制成锂硫电池正极。本发明水性粘接剂，将丝素蛋白和单宁酸通过静电吸附作用结合，显著提高了粘接剂的电化学性能，使用该水性粘接剂组装的硫电极在较高电流密度下的长周期循环性能和在大倍率电流下的充放电性能都得到了提升。

技术领域

本发明属于能源高分子材料领域，具体涉及一种水性粘接剂及其在锂离子电池中的应用。

背景技术

进入21世纪，能源和资源成为世界性的问题，直接关系到人类社会的发展、稳定和国家的安全。缓解能源危机切实可行的方法之一便是开发使用清洁可再生能源和高效储能系统。作为一种典型的可充电储能设备，由于其高能量密度，长循环寿命和高安全性等特点，近20年锂离子电池（LIB）在蓬勃发展的全球个人便携式电子产品和电动汽车市场上一直占据着绝对的统治地位。在锂离子电池中，常用的正极材料是过渡金属氧化物，例如LiCoO₂、LiFePO₄、LiMn₂O₄、LiNixMnyCozO₂（NCM）或LiNi_0.8Co_0.15Al_0.5O₂（NCA）。这些正极的理论比容量通常在148-280 mAh g^-1，远低于石墨（372 mAh g^-1）和硅（4200 mAh g^-1）等负极材料，正极材料的有限容量极大地阻碍了锂离子电池能量密度的进一步提高。

锂硫电池具备高理论能量密度、硫正极材料价格低廉、来源广泛、无毒等诸多优点。然而，锂硫电池充放电过程中锂多硫化物的“穿梭效应”、硫正极活性材料充放电过程中复杂的固-液-固相变化严重阻碍了锂硫电池的实际应用和产业化发展。作为硫正极的重要组成部分，粘结剂能够抑制锂多硫化物在电解液中的扩散并保护正极结构完整性。传统锂硫电池采用的聚偏氟乙烯（ PVDF）粘结剂无法降低锂多硫化物的穿梭现象，同时其较差的力学性能也使得正极结构无法得到稳固，并在浆料制备过程中需要使用毒性有机溶剂。聚合物粘接剂在保持电池完整性和循环稳定性中起着关键作用，在2015年，Huang课题组使用一种富含羟基、胺基的壳聚糖作为硫正极粘结剂，有效地降低了硫正极中长链锂多硫化物的穿梭现象，并提升了锂硫电池的循环性能。该电极在电流密度 0.1 C下，比容量达到1145 mAh g^-1。在0.5 C和1 C下恒流充放电循环 100 圈仍分别保持在680和646 mAh g^-1。Zhang课题组通过羟基瓜尔胶（GG）和黄原胶（XG）之间强烈的相互作用力，制备出一种力学性能优异的三维网络聚合物粘结剂。其中半乳糖较少的瓜尔胶部分会与黄原胶形成很强的氢键相互作用，形成一个力学性能优异的聚合物网络粘结剂。得益于这种聚合物粘结剂优异的力学性能和粘结能力，在铝箔上涂布得到的锂硫电池负载可达到 19.8 mg cm^-2，面积比容量达26.4 mAh cm^-2。

发明内容

鉴于硫电极在循环过程中存在的电极完整性破坏、穿梭效应等问题，本发明提供了一种水性粘接剂，将丝素蛋白和单宁酸通过静电吸附作用结合，显著提高了粘接剂的电化学性能，使用该水性粘接剂组装的硫电极在较高电流密度下的长周期循环性能和在大倍率电流下的充放电性能都得到了提升。

为解决上述技术问题，本发明通过如下技术方案实现。

一种水性粘接剂，由包括以下步骤的方法制成：