一种有机无机复合粘结剂和锂离子电池负极极片的制作方法

本发明属于二次电池，具体涉及一种有机无机复合粘结剂和锂离子电池负极极片。

背景技术：

1、锂离子电池(libs)由于其较高的比能量以及良好的循环性能等优点，是目前最主流的化学储能电源。但是，商业化的负极材料-石墨，容量较低、安全性能欠佳，已然无法满足人们对于锂离子电池高能量密度和良好安全性能的需求。因此，迫切需要研究出一些具有高容量、低成本、高安全性能的新型锂离子电池负极材料。单质硅具有较高的理论比容量(4200mah/g)、较低的成本，成为最有潜力的负极材料。然而，硅负极在充放电过程中会产生较大的体积膨胀(高达300％)，带来如粉体脱落、不稳定的sei层(solid electrolyteinterface，固体电解质界面层)以及颗粒粉化等一系列问题，导致负极材料循环性能较差，无法很好地应用到锂离子电池中。因此，同样有着高容量以及更好的循环性能的硅碳复合材料，就成为其相对较好的替代品。

2、尽管硅碳负极材料中的碳材料，能够在一定程度上缓解硅体积膨胀带来的负面影响，使得硅碳负极相对于纯硅材料有着较好的循环性能，但是这种缓解作用却是有限的，依旧需要通过各方面的改性来进一步提高硅碳负极的电化学性能。其中通过合理设计粘结剂，也可以有效缓解硅体积膨胀带来的负面影响。常用的粘结剂如聚偏氟乙烯(pvdf)、羧甲基纤维素钠(cmc)、聚丙烯酸(paa)等，分子本身为线性结构，主体骨架结构偏软，硅颗粒体积膨胀过程中会发生链的滑移，从而破坏粘结剂在电极中的结构。因此亟需开发一种能充分缓解硅体积膨胀，结构不会发生改变，从而能有效提高硅碳负极循环性能的粘结剂。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种有机无机复合粘结剂，以含硼无机物对基础粘结剂进行改性，得到粘结性能优异的复合粘结剂，用于锂离子电池负极极片，可以有效提高锂离子电池的循环性能。

2、本发明技术方案中的有机无机复合粘结剂，包括以下重量份数的组分：8.0～9.5份基础粘结剂、0.5～2.0份含硼无机物和80～100份水。

3、本发明所得有机无机复合粘结剂，由基础粘结剂、含硼无机物和水中的大量氢键以及共价键作用，形成三维弹性网状结构，可以有效缓解硅在充放电过程中的体积膨胀和应力变化；其中含硼无机物本身分子较小，结构简单，更容易游离出-b-o-基团，较易实现分子链之间的连接，发挥离子传导和电子传导作用，同时b-oh键可以与负极材料在其表面发生化学作用，提高负极材料和集流体之间的粘结性；硼元素本身也能参与sei层的形成，有助于形成稳定的sei层。

4、进一步地，基础粘结剂为含有羧基或羟基的粘结剂。

5、进一步地，基础粘结剂为聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠中的一种或多种。

6、进一步地，含硼无机物为含有-b-o-键的硼酸或者不含重金属离子的硼酸盐。

7、进一步地，含硼无机物为硼酸、硼酸锂、硼酸钠中的一种或多种。

8、进一步地，基础粘结剂和含硼无机物的质量比为4～12:1。

9、上述有机无机复合粘结剂的制备方法，包括以下步骤：将基础粘结剂加入到水中，混合搅拌后加入含硼无机物，加热混合。

10、进一步地，加热混合时的温度为40～60℃。

11、本发明还提供一种锂离子电池负极极片，包括硅碳材料、导电剂和上述有机无机复合粘结剂。

12、进一步地，锂离子电池负极极片中硅碳材料、导电剂和有机无机复合粘结剂的用量分别为7.0～9.0份、0.5～2.0份和0.5～2.0份。

13、上述锂离子电池负极极片的制备方法，包括以下步骤：将硅碳材料、导电剂和有机无机复合粘结剂混合均匀，涂在集流体上，真空干燥后进行冲压。

14、本发明锂离子电池负极极片中的导电剂不做限制，任何可以应用于锂离子电池的导电剂均可，导电剂可以列举为导电炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管中的一种或多种。

15、作为优选，集流体为铜箔。

16、进一步地，干燥温度为80～120℃，干燥时间为6～12h。

17、相比现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：

18、(1)以含硼无机物对基础粘结剂进行改性，最终得到粘结性能优异的复合粘结剂,用于锂离子电池负极极片，可以缓解硅的体积膨胀以及应力变化，有效提高锂离子电池的循环性能；

19、(2)含硼无机物本身分子较小，结构简单，更容易游离出-b-o-基团，实现分子链之间的连接，发挥离子传导和电子传导作用，同时b-oh键可以与负极材料在其表面发生化学作用，提高负极材料及集流体之间的粘结性；

20、(3)含硼无机物中的硼元素本身也能参与sei层的形成，有助于形成稳定的sei层；

21、(4)所得有机无机复合粘结剂，由基础粘结剂、含硼无机物和水中的大量氢键以及共价键形成三维弹性网状结构，可以缓解硅在充放电过程中的体积膨胀和应力变化；

22、(5)所述有机无机复合粘结剂的制备方法，全程以水为溶剂，条件温和，且成本较低、制备工艺简单，可规模化生产。

技术特征：

1.一种有机无机复合粘结剂，其特征在于，包括以下重量份数的组分：8.0～9.5份基础粘结剂、0.5～2.0份含硼无机物和80～100份水。

2.根据权利要求1所述的有机无机复合粘结剂，其特征在于，基础粘结剂为含有羧基或羟基的粘结剂。

3.根据权利要求2所述的有机无机复合粘结剂，其特征在于，基础粘结剂为聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的有机无机复合粘结剂，其特征在于，含硼无机物为含有-b-o-键的硼酸或者不含重金属离子的硼酸盐。

5.根据权利要求4所述的有机无机复合粘结剂，其特征在于，含硼无机物为硼酸、硼酸锂、硼酸钠中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的有机无机复合粘结剂，其特征在于，基础粘结剂和含硼无机物的质量比为4～12:1。

7.一种如权利要求1所述的有机无机复合粘结剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将基础粘结剂加入到水中，混合搅拌后加入含硼无机物，加热混合。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，加热混合时的温度为40～60℃。

9.一种锂离子电池负极极片，其特征在于，包括硅碳材料、导电剂和权利要求1所述的有机无机复合粘结剂。

10.根据权利要求9所述的锂离子电池负极极片，其特征在于，硅碳材料、导电剂和有机无机复合粘结剂的用量分别为7.0～9.0份、0.5～2.0份和0.5～2.0份。

技术总结本发明属于二次电池技术领域，具体涉及一种有机无机复合粘结剂和锂离子电池负极极片。所述有机无机复合粘结剂，包括以下重量份数的组分：8.0～9.5份基础粘结剂、0.5～2.0份含硼无机物和80～100份水；基础粘结剂为含有羧基或羟基的粘结剂，含硼无机物为含有‑B‑O‑键的硼酸或者不含重金属离子的硼酸盐；所述锂离子电池负极极片，包括硅碳材料、导电剂和上述有机无机复合粘结剂。以含硼无机物对基础粘结剂进行改性，最终得到粘结性能优异的复合粘结剂,用于锂离子电池负极极片，可以缓解硅的体积膨胀以及应力变化，有效提高锂离子电池的循环性能。技术研发人员：梁坤,汪浩立,施丹誉,周青丽受保护的技术使用者：宁波广科新材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/4