[发明专利]一种桐油基锂硫电池正极粘结剂、锂硫电池正极及其制备方法

说明书

本发明属于能源高分子材料领域，具体涉及一种桐油基锂硫电池正极粘结剂，由以下原料制成：桐油基二醇胺38‑45份、二异氰酸酯35‑50份、中和剂5‑20份和扩链剂5‑27份，制备方法：（1）将桐油基二醇胺、二异氰酸酯和扩链剂混合均匀进行反应；（2）向所得反应液中加入中和剂进行反应；（3）将所得中和产物中加入去离子水进行乳化，即得。将本发明粘结剂与导电剂、活性材料混合制成电极浆料，涂于集流体上，可制成锂硫电池正极，进而制备锂硫电池。本发明粘结剂可以提高粘接能力，缓解循环过程中的穿梭效应，提高电极的完整性，进而提高硫基正极以及其他较高容量电极的长循环稳定性、倍率性能和容量保持率，同时提高电极的质量比容量和活性物质载量。

技术领域

本发明属于能源高分子材料领域，具体涉及一种原位交联聚合的桐油基锂硫电池正极粘结剂、锂硫电池正极及其制备方法。

背景技术

锂硫电池粘结剂是一种高分子化合物，虽然它在电池正极材料中的质量比重不足10%，但它的选择确直接影响电池比容量的发挥，是制备电极片不可或缺的材料之一。粘结剂的主要作用是将电极中活性物质、导电剂与集流体紧密连接，从而减小电极的阻抗，同时赋予极片良好的机械性能和可加工性，易于实际生产的需要。锂硫电池在使用过程中存在以下问题：（1）锂硫化物溶解于电解液中，产生穿梭效应；（2）硫正极在锂化过程中不断发生体积变化，引起电极结构失稳破碎；（3）硫颗粒为绝缘体，电子导电率低，电阻较大。这些问题导致电池在充放电过程中容量衰减较快。因此，适用于锂硫电池的粘结剂需要满足以下条件：（1）抑制锂多硫化物在电解液中的溶解；（2）能够承受充放电过程中硫正极产生的体积变化；（3）提高硫正极的导电性。

聚偏氟乙烯（PVDF）作为最常见的粘结剂之一，已被广泛应用于锂硫电池。然而，PVDF的非功能化线性结构对吸附多硫化物能力极弱，而且在使用时黏度非常大，需要用到大量毒性有机溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）来稀释，不利于极片的制作且对环境和用户都造成危害。生物质衍生的分子聚合物由于其来源广泛、价格低廉和环境友好性，以及其分子结构中丰富的亲水性极性基团成为高性能粘结剂的重要发展方向之一。因此，我们仍然需要开发以生物质原料作为单体的聚合物粘结剂，实现其在锂硫电池粘结剂中的商业应用。生物质材料，如壳聚糖、木质素、卡拉胶等，是制备硫正极聚合物粘结剂的良好原料，因为它们可再生、丰富、廉价、容易获得以及其结构富有的极性基团。但是，这些原料制备的粘结剂结合强度、吸附动力学和力学性能目前不足以满足广泛实际应用的需求。具有强粘结强度、高热/电化学稳定性和足够力学性能的粘结剂仍需开发，以适应商业生产需要。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点和不足，本发明制备了一种原位交联聚合的桐油基锂硫电池正极粘结剂，可以提高粘接剂的粘接能力，使得活性物质、集流体和粘接剂组成更牢固的整体，缓解循环过程中的穿梭效应，提高电极的完整性，进而提高硫基正极以及其他较高容量电极的长循环稳定性、倍率性能和容量保持率，同时提高电极的质量比容量和活性物质载量。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种桐油基锂硫电池正极粘结剂，由包括以下重量份的原料制成：桐油基二醇胺38-45份、二异氰酸酯35-50份、中和剂5-20份和扩链剂5-27份。

进一步的，所述桐油基二醇胺的合成方法参考CN201811011744.8。

进一步的，所述二异氰酸酯为芳香族二异氰酸酯、脂肪族二异氰酸酯和脂环族二异氰酸酯。

进一步的，所述中和剂为植酸、盐酸、赖氨酸或醋酸，优选植酸。

进一步的，所述扩链剂为N-甲基二乙醇胺、己二胺或2, 3-二溴丁二酸。

上述桐油基锂硫电池正极粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）在容器中加入一定比例的桐油基二醇胺、二异氰酸酯和扩链剂，混合均匀，于50-80℃进行反应，合成得到-NCO封端的粘稠状预聚物，加入适量丁酮以降低预聚物的黏度；