[发明专利]一种锂离子电池电极材料用粘合剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池电极材料用粘合剂及其制备方法。该粘合剂以CHsubgt;2/subgt;=CRsubgt;1/subgt;Rsubgt;2/subgt;和二酸类单体为共聚单体、N,N‑亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，以过硫酸盐或偶氮类引发剂为引发体系，在温度20‑80℃下反应2‑48小时，所得粘合剂水溶性良好，该粘合剂可以提高锂离子电池容量及使用循环寿命。

技术领域

本发明属于锂离子电池锂、钴、镍、锰正极材料及硅、碳负极材料用水溶性高分子粘合剂技术领域，具体涉及一种锂离子电池电极材料用水性粘合剂及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因其具有高容量、无记忆效应、高工作电压、低自放电等优异特性，被广泛应用在便携式设备、新能源汽车、储能设备等领域。粘合剂是将电极材料、导电剂等粒子粘附到集流体上的一种物质，占电极料浆的2～12%。根据粘合剂分散介质的不同，可将粘合剂分为油性和水性两大类，其中油性粘合剂的分散介质为有机溶剂，如聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)等，而水性粘合剂的分散介质为水，主要为羧甲基纤维素钠(CMC)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)等。性能优异的粘结剂应具备以下优点：(1)粘结性能好；(2)在浆料介质中分散性好；(3)化学和热稳定性好；(4)环境友好、安全性高且价格低廉等；(5)优良的粘结剂必须具备抵抗各种外在因素影响的能力，如电极片结构和性质的稳定性、抗氧化和抗还原能力等。

传统的油性粘合剂聚偏氟乙烯(PVDF)需要使用有机溶剂作为分散剂，对环境有一定的污染且价格昂贵，且不能支撑在锂化/去锂化过程中电极的大体积变化，导致出现明显的脱落与裂化现象，最终使得电极的电导率、电池容量与循环性能急剧下降。CMC使用水作为溶剂会引起Si的表面氧化并会影响Si负极的库伦效率和长期稳定性。PAA具有与CMC 相似的机械性能，但单纯的PAA因为结构简单导致电池循环性能较差。粘合剂改性可以提高电极材料的均匀性和黏着性, 减少电极材料在充放电循环过程中体积变化引起的裂化和粉碎, 保持硅负极高容量, 提升电池循环性能，该方法还具有成本低廉、可操作性强的特点。

目前粘合剂都是高分子聚合物，其黏结性能的好坏主要取决于聚合物的结构以及其所带官能团。聚合物的结构带来的影响是指聚合物本身的链的长短，以及支链数量多少所引起的与活性材料之间相互作用点的多少；而其所带官能团的影响则是指聚合物与活性材料的作用力的大小。这两种因素直接决定了聚合物粘合剂性能的好坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池电极材料用水性粘合剂及其制备方法，该粘合剂具有优异的粘结性能，使得锂离子电池具有较高的比容量及循环性能。本发明通过增加粘合剂和电极结合位点密度以及粘合剂的拓扑交联结构有效提高电池的循环性能，通过引入二酸类单体增加粘合剂中羧基含量，使用N,N二甲基双丙烯酰胺为交联剂，合成三维网状粘合剂。网状聚合物具有由聚合物链的共价交联或聚合多功能单体而形成的相互连接的结构。具有超分子相互作用的网状聚合物可以提供一个优秀的支架来限制硅粒子的运动，并产生自愈合的效果。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于锂离子电池电极材料的水性粘合剂的制备方法，包括以下步骤：以CH₂=CR₁R₂和二酸类单体为共聚单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，反应体系中总固体含量为4-40%，优选5-20%，二酸类单体占比10-70%，交联剂NN-亚甲基双丙烯酰胺添加量为0.01-3%，将反应单体和交联剂置于20-80℃的反应容器中，优选30-60℃，搅拌转速为50-400r/min，先抽真空5-10min，再充氮气0.5-2h，之后加入引发剂，聚合反应2-48h，优选10-36小时，更优选24-36小时，得到黏度为200-10000 mpa.s的水性粘合剂。