一种锂离子电池粘结剂及其制备方法、极片、锂离子电池

本发明涉及锂离子电池，尤其涉及一种锂离子电池粘结剂及其制备方法、极片、锂离子电池。

背景技术：

1、粘结剂是电极制造中不可或缺的成分，它们将活性材料固定在一起，并将其粘附在集流体上。目前锂离子电池常用的粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)、苯乙烯-丁二烯乳液(sbr)，传统的粘结剂在硅基负极材料中的应用存在一系列问题，其中最主要的问题之一是充放电循环过程中，由于硅基材料的膨胀，传统粘结剂(如聚偏氟乙烯pvdf)由于其弱的粘接力，很难保持材料结构的稳定性，导致电池的寿命受到限制。

2、此外苯乙烯-丁二烯乳液(简称sbr)粘结剂在使用时，一般需要添加增稠剂羧甲基纤维素钠(cmc)，但cmc粘性一般，且脆性大、柔顺差，充放电时极片易龟裂。因此，有需要提供一种新型的高性能粘结剂，以克服现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、针对现有的电极粘结剂粘结力弱难保持活性材料结构稳定性的问题，本发明提供了一种锂离子电池粘结剂及其制备方法、极片、锂离子电池。

2、一方面，本发明提供了一种锂离子电池粘结剂，由粘结剂前驱体聚合而成，所述粘结剂前驱体包括聚丙烯酸基化合物、大分子聚合物和第一溶剂，所述聚丙烯酸基化合物由反应单体聚合形成，所述反应单体包括亲水性单体、亲油性单体和交联单体；所述大分子聚合物和所述第一溶剂中分别具有氢键受体的官能团。

3、可选地，所述亲水性单体包括丙烯酸类单体，所述亲油性单体包括丙烯酸酯类单体，所述交联单体包括双烯烃类交联单体；

4、所述第一溶剂包括n-甲基吡咯烷酮、n-乙基吡咯烷酮、n-乙烯基吡咯烷酮和n,n-二甲基乙酰胺中的一种或多种；

5、所述大分子聚合物包括聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺中的至少一种。

6、可选地，所述丙烯酸类单体包括丙烯酸锂、丙烯酸钠、甲基丙烯酸锂、甲基丙烯酸钠、丙烯酸中的一种或多种；

7、所述丙烯酸酯类单体包括丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸正丁酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟乙酯中的一种或多种；

8、所述双烯烃类交联单体包括二甲基丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸二乙二醇酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或多种。

9、可选地，所述亲水性单体和所述亲油性单体的质量比为(6-1)：1；所述交联单体的含量为所述亲水性单体和所述亲油性单体质量之和的1％-5％。

10、可选地，所述聚丙烯酸基化合物与所述大分子聚合物的质量比为(10-2)：1。

11、另一方面，本发明还提供一种如上任意一项所述的锂离子电池粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

12、将所述亲水性单体、所述亲油性单体、所述交联单体溶于第二溶剂中，得到反应液，搅拌；

13、在保护性气氛下，向所述反应液中加入引发剂引发聚合反应，搅拌反应得到聚丙烯酸基化合物；

14、将聚丙烯酸基化合物中的所述第二溶剂置换为所述第一溶剂，向聚丙烯酸基化合物溶液中加入大分子聚合物，混匀得到粘结剂前驱体；

15、所述粘结剂前驱体中的第一溶剂在110-120℃下挥发，以使所述聚丙烯酸基化合物和所述大分子聚合物发生原位交联反应，得到所述锂离子电池粘结剂。

16、可选地，所述引发剂的加入量为所述亲水性单体、所述亲油性单体、所述交联单体质量之和的0.01％-2％；

17、所述引发剂包括过硫酸钾、过硫酸铵、4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸)、2,2-偶氮二(2-甲基丙基咪)二盐酸盐、过硫酸钠、四价铈盐、高锰酸钾、过硫酸钠/亚硫酸氢钠、硫酸亚铁/双氧水、过硫酸铵/四甲基乙二胺、过硫酸铵/亚硫酸钠中的至少一种。

18、可选地，所述亲水性单体、所述亲油性单体、所述交联单体的总质量为所述反应液质量的20％-50％；

19、所述聚合反应的温度为20-90℃，所述聚合反应的时间为2-36h。

20、另一方面，本发明还提供一种极片，包括正极片和/或负极片，所述正极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体上的正极活性物质层，所述正极活性物质层由正极活性物质浆料烘干得到，所述正极活性物质浆料包括如上任意一项所述的粘结剂前驱体，或所述正极活性物质浆料包括由如上任意一项所述的锂离子电池粘结剂的制备方法制备得到的粘结剂前驱体；

21、所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体上的负极活性物质层，所述负极活性物质层由负极活性物质浆料烘干得到，所述负极活性物质浆料包括如上任意一项所述的粘结剂前驱体，或所述负极活性物质浆料包括由如上任意一项所述的锂离子电池粘结剂的制备方法制备得到的粘结剂前驱体。

22、另一方面，本发明还提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片为如上所述的正极片，和/或所述负极片为如上所述的负极片。

23、在本发明中，锂离子电池粘结剂通过聚丙烯酸基化合物与大分子聚合物聚合而成，使得形成的粘结剂包括亲水性链段和亲油性链段，由亲水性链段与活性材料表面上的官能团形成氢键，提供粘结力，亲油性链段赋予粘结剂柔韧性，有效缓解活性材料的体积膨胀应力，以保证活性材料结构的稳定性。

24、锂离子电池粘结剂通过两步交联反应生成，提高粘结剂的分子量，增大内聚力，提升极片机械强度，同时大分子聚合物和聚丙烯酸基化合物通过氢键形成的动态交联网络，赋予粘结剂自愈合功能，提升锂离子电池的循环容量保持率。

25、另外，在正极活性物质浆料或负极活性物质浆料制备过程中，粘结剂交联度过大，会影响其流变性能，浆料流平性下降，导致在涂布过程中浆料分布不均匀，影响极片性能。本发明利用第一溶剂作为化学开关，通过第一溶剂中氢键受体官能团的化学屏蔽作用，在制浆过程中切断聚丙烯酸基化合物的羧基和大分子聚合物的氢键受体官能团之间的交联反应；在极片烘烤过程中随着第一溶剂的挥发，继而使聚丙烯酸基化合物与大分子聚合物发生原位交联反应，该方法既保证浆料在涂布过程中的流变性能，又提供了一定交联度，可有效抑制极片的膨胀效应。

技术特征：

1.一种锂离子电池粘结剂，其特征在于，由粘结剂前驱体聚合而成，所述粘结剂前驱体包括聚丙烯酸基化合物、大分子聚合物和第一溶剂，所述聚丙烯酸基化合物由反应单体聚合形成，所述反应单体包括亲水性单体、亲油性单体和交联单体；所述大分子聚合物和所述第一溶剂中分别具有氢键受体的官能团。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池粘结剂，其特征在于，所述亲水性单体包括丙烯酸类单体，所述亲油性单体包括丙烯酸酯类单体，所述交联单体包括双烯烃类交联单体；

3.根据权利要求2所述的锂离子电池粘结剂，其特征在于，所述丙烯酸类单体包括丙烯酸锂、丙烯酸钠、甲基丙烯酸锂、甲基丙烯酸钠、丙烯酸中的一种或多种；

4.根据权利要求1所述的锂离子电池粘结剂，其特征在于，所述亲水性单体和所述亲油性单体的质量比为(6-1)：1；所述交联单体的含量为所述亲水性单体和所述亲油性单体质量之和的1％-5％。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池粘结剂，其特征在于，所述聚丙烯酸基化合物与所述大分子聚合物的质量比为(10-2)：1。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的锂离子电池粘结剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的锂离子电池粘结剂的制备方法，其特征在于，所述引发剂的加入量为所述亲水性单体、所述亲油性单体、所述交联单体质量之和的0.01％-2％；

8.根据权利要求6所述的锂离子电池粘结剂的制备方法，其特征在于，所述亲水性单体、所述亲油性单体、所述交联单体的总质量为所述反应液质量的20％-50％；

9.一种极片，其特征在于，包括正极片和/或负极片，所述正极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体上的正极活性物质层，所述正极活性物质层由正极活性物质浆料烘干得到，所述正极活性物质浆料包括权利要求1-5任意一项所述的粘结剂前驱体，或所述正极活性物质浆料包括由权利要求6-8任意一项所述的锂离子电池粘结剂的制备方法制备得到的粘结剂前驱体；

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片为权利要求9所述的正极片，和/或所述负极片为权利要求9所述的负极片。

技术总结本发明提供了一种锂离子电池粘结剂及其制备方法、极片、锂离子电池。该锂离子电池粘结剂由粘结剂前驱体聚合而成，所述粘结剂前驱体包括聚丙烯酸基化合物、大分子聚合物和第一溶剂，所述聚丙烯酸基化合物由反应单体聚合形成，所述反应单体包括亲水性单体、亲油性单体和交联单体；所述大分子聚合物和所述第一溶剂中分别具有氢键受体的官能团。本发明的锂离子电池粘结剂通过聚丙烯酸基化合物与大分子聚合物聚合而成，使得形成的粘结剂包括亲水性链段和亲油性链段，由亲水性链段与活性材料结合提供粘结力，亲油性链段赋予粘结剂柔韧性，缓解活性材料的体积膨胀应力，以保证活性材料结构的稳定性。技术研发人员：王军,鲁博明,郑培涛,邓永红,易欢受保护的技术使用者：南方科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27