[发明专利]一种粘结剂及其应用

说明书

本申请提供了一种粘结剂及应用其的负极极片、电化学装置和电子装置。其中，粘结剂包括聚乙烯亚胺盐和羧酸盐类聚合物。本申请的粘结剂能够在负极活性材料颗粒膨胀的过程中，有效释放应力，保持分子网络的完整性，兼具了高强度和高韧性的优势，有效降低粘结界面破坏，提高了电化学装置的循环性能。

技术领域

本申请涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种粘结剂及其应用。

背景技术

硅材料作为下一代锂离子电池负极材料之一，具有高比容量，低成本，自然界储量丰富等优点。然而，硅材料在充放、存储过程中的体积膨胀(约300％)阻碍了其商业化及广泛应用。不同于传统碳材料，硅材料的巨大的体积膨胀容易造成活性材料颗粒破裂，引起电网络断桥，影响电池循环寿命，增加内阻，进而使电池快速失效。为了束缚硅的过度膨胀，一般会使用高模量粘结剂，然而，高模量粘结剂偏于硬脆、缺乏韧性，一旦活性材料颗粒膨胀超出束缚极限，将会出现粘结剂碎裂，造成粘结界面破坏。

发明内容

为解决硅材料的膨胀引起粘结剂碎裂、粘结界面破坏的问题，本申请提供了一种新的粘结剂。

本申请第一方面提供了一种粘结剂，其包括聚乙烯亚胺盐和羧酸盐类聚合物。

发明人发现，由于聚乙烯亚胺盐和羧酸盐类聚合物之间存在协同作用，使得两者混合获得的粘结剂兼具了高强度和高韧性的优势，在其粘结的颗粒(例如硅材料)发生膨胀的过程中，能够有效释放应力，保持分子网络的完整性，在颗粒膨胀超出束缚极限时，提供足够的韧性，以防止粘结剂碎裂，造成粘结界面破坏。

在一些实施方式中，基于所述粘结剂的总重量，所述聚乙烯亚胺盐的含量为0.2％至38％，所述羧酸盐类聚合物的含量为62％至99.8％。将聚乙烯亚盐和羧酸盐类聚合物的含量调控在上述范围内，聚乙烯亚胺的胺基阳离子及羧酸盐的羧基阴离子，通过静电作用相互缔合，构筑可逆交联网络，实现对负极活性材料的有效束缚。聚乙烯亚胺盐的含量高于38％时，粘结剂柔性提高，刚性降低，导致粘结剂模量下降，无法达到束缚硅颗粒的目的。聚乙烯亚胺盐的含量低于0.2％时，胺基阳离子数目下降，其与羧基阴离子间的静电作用力降低，将导致粘结剂的模量下降。

在一些实施方式中，所述羧酸盐类聚合物和所述聚乙烯亚胺盐的质量比例为(1.7～2.3):1。聚乙烯亚胺盐和羧酸盐类聚合物的质量比例在上述范围之外时，聚乙烯亚胺盐的胺基阳离子及羧酸盐类聚合物的羧基阴离子数量失衡，分子间相互作用力下降，形成的粘结剂模量降低。通过将聚乙烯亚胺盐和羧酸盐类聚合物的质量比例调控在上述范围内，使胺基阳离子和羧基阴离子数量相当，各基团间能够最大程度形成交联结构。这样，形成的粘结剂具有更优的高强度和高韧性的优势，在其粘结的颗粒发生膨胀的过程中，能够更有效地释放应力，保持分子网络的完整性，在颗粒膨胀超出束缚极限时，提供足够的韧性，更有效地防止粘结剂碎裂所带来的粘结界面破坏。

在一些实施方式中，所述聚乙烯亚胺盐包括线性聚乙烯亚胺盐或支化聚乙烯亚胺盐中的至少一种。

在一些实施方式中，所述羧酸盐类聚合物包括聚丙烯酸钠、聚丙烯酸锂、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、羟丙基羧甲基纤维素钠或羟丙基羧甲基纤维素锂中的至少一种。

发明人发现，当采用上述种类的聚乙烯亚胺盐与羧酸盐类聚合物组合作为粘结剂时，有利于获得具有更高模量和韧性的粘结剂。并且，上述种类的聚乙烯亚胺盐和羧酸盐类聚合物易于取得，更利于实现商业化。

在一些实施方式中，所述聚乙烯亚胺盐的重均分子量Mw₁为700g/mol至1×10⁵g/mol；所述羧酸盐类聚合物重均分子量Mw₂为3000g/mol至8×10⁶g/mol。聚乙烯亚胺盐和羧酸盐类聚合物的重均分子量直接影响交联结构网络的完整性及韧性，在不影响粘结剂加工性能的前提下，将聚乙烯亚胺盐和羧酸盐类聚合物的重均分子量调控在上述范围内，更有利于获得具有更高模量和韧性的粘结剂，从而能更有效地防止粘结剂碎裂所带来的粘结界面破坏。