一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂及其制备方法与流程

本发明属于锂离子电池粘结剂领域，具体涉及一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂及其制备方法。

背景技术：

1、随着信息、材料和能源技术的进步，各类便携式电子设备、电动汽车以及新能源储能设备高速发展，新型电源技术研究也获得长足进步。其中具有高比能量、无记忆效应、长循环寿命等优点的锂离子电池越来越受到市场的青睐。目前市面上的商业锂离子电池负极材料主要为具有较低的理论比容量(372mah/g)的石墨，为进一步提升锂离子电池的能量密度、增强电化学性能，使用储量丰富、绿色环保、且具有超比容量的负极材料来取代传统石墨负极的行动已经势在必行。其中具有高理论比容量(4200mah/g)以及低工作电压的硅备受关注，然而在可逆的脱锂和嵌锂过程中，巨大的体积膨胀(300％以上)以及形成不稳定的固态电解质界面膜(sei膜)等问题会造成微米硅颗粒的破裂和导电网络的破坏，继而危害电池的循环寿命和容量。目前解决硅膨胀问题方法有硅颗粒纳米化、采用硅碳复合材料、预锂化和使用新型粘结剂等。

2、占据工业化主流地位的传统粘结剂为聚偏氟乙烯(pvdf)，由于其与硅之间的弱范华相互作用，无法承受硅在充放电过程中巨大的体积膨胀，并不适合于硅负极。目前丁苯橡胶(sbr)、聚丙烯酸(paa)、聚乙烯醇(pva)、聚丙烯腈(pan)、聚酰亚胺(pi)、聚酰胺(pai)、聚乙烯亚胺(pei)以及聚丙烯酸酯(pea)等一种或多种成分的粘结剂被用以提高电池循环性能。利用分子内含有大量极性官能团的既定材料可以与硅表面形成氢键，从而提升相互作用力，保持结构稳定性。单一线性结构硅负极粘结剂为线性聚合物链，其链间的相互作用较弱，在硅的连续体积变化时易于出现不可逆的滑动继而导致极片出现裂纹、电化学性能下降。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在“单一线性结构硅负极粘结剂为线性聚合物链，其链间的相互作用较弱，力学性能差，在硅的连续体积变化时易于出现不可逆的滑动继而导致极片出现裂纹、电化学性能下降”的问题。本发明的第一个目的是提供一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂的制备方法，采用原位聚合方式形成相互穿插的三维网络结构硅基负极粘结剂，以提升负极材料的附着力，可以有效抑制硅负极在充放电循环过程中的体积膨胀，提升锂离子电池的电化学性能与循环寿命。

2、本发明的第二个目的是提供一种高弹性、高韧性的拓扑三维结构硅基负极粘结剂。

3、为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

4、本发明提供一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂的制备方法，包括：

5、将线性链段部分、柔性链段部分和阳离子单体的水溶液加入反应器中，单体总浓度为10wt％～25wt％，混合均匀；

6、在惰性气氛下，逐步升温至预定温度；

7、加入引发剂，进行原位聚合反应，之后进行消除反应，得到拓扑三维结构硅基负极粘结剂。

8、进一步，所述线性链段部分为丙烯酸、丙烯腈、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺中的至少一种。

9、更进一步，所述线性链段部分占总单体质量分数的50％～90％。

10、进一步，所述柔性链段部分为聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯、聚脲氨基甲酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、3-((2-(甲基丙烯酰氧基)乙基)二甲基铵基)丙烷-1-磺酸酯中的至少一种。

11、进一步，所述阳离子单体为甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵、n,n-二甲基-n-丙烯酰胺基丙基-n-丙烷磺酸内盐、4-[n,n-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]铵]丙烷-1-磺酸内盐中的至少一种。

12、进一步，所述原位聚合反应温度为50～70℃，时间为1～8h。原位聚合法生成高分子材料的反应体系单一，且无需预先聚合单体，因此可以更好地控制反应条件和高分子链的长度，提升材料特性，降低生产成本。

13、进一步，所述消除反应温度为65～85℃，时间为0.5～4h。通过消除反应对残余单体进行消除。

14、进一步，所述消除反应后，加入氢氧化锂将体系的ph调节为7。

15、与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

16、本发明的拓扑三维结构硅基负极粘结剂包含线性链段，柔性链段与阳离子单体，分别具有多种不同官能团(如-oh,-cooh,-nh2等)，可通过缩合反应形成三维网络。其多维氢键作用力可以推进粘结剂的粘结作用从点型或线性拓宽至面型，并在硅材料表面形成致密保护膜，可以有效抑制硅负极在充放电循环过程中的体积膨胀。

17、本发明的拓扑三维结构硅基负极粘结剂制备工艺简便、操作方便，成本低廉、可大规模生产。含有阳离子单体的粘结剂可以静电吸引将液体电解质的阴离子固定在电极内部，从而促进li离子传导并形成稳定的阴极-电解质界面。因此能够提升锂离子电池的电化学性能与循环寿命。

技术特征：

1.一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂的制备方法，其特征在于，所述线性链段部分占总单体质量分数的50％～90％。

3.根据权利要求1所述一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂的制备方法，其特征在于，所述原位聚合反应温度为50～70℃，时间为1～8h。

4.根据权利要求1所述一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂的制备方法，其特征在于，所述消除反应温度为65～85℃，时间为0.5～4h。

5.根据权利要求1所述一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂的制备方法，其特征在于，所述消除反应后，加入氢氧化锂将体系的ph调节为7。

6.一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂，采用权利要求1～5中任一项所述方法制备得到。

技术总结本发明提供一种拓扑三维结构锂离子电池负极硅基粘结剂的制备方法，包括：将线性链段部分、柔性链段部分和阳离子单体的水溶液加入反应器中，单体总浓度为10wt％～25wt％，混合均匀；通入氮气，充分排氧后，逐步升温至70～85℃；加入引发剂，进行原位聚合反应，之后进行消除反应，得到拓扑三维结构硅基负极粘结剂。本发明的拓扑三维结构硅基负极粘结剂包含线性链段，柔性链段与阳离子单体，分别具有多种不同官能团(如‑OH,‑COOH,‑NH2等)，可通过缩合反应形成三维网络。其多维氢键作用力可以推进粘结剂的粘结作用从点型或线性拓宽至面型，并在硅材料表面形成致密保护膜，可以有效抑制硅负极在充放电循环过程中的体积膨胀。技术研发人员：戴钟科,黄健涵,叶武龙,刘小林受保护的技术使用者：湖南林特科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/15