聚合物及其制备方法、粘结剂、隔膜、锰基锂电池和车辆与流程

本技术涉及锂电池，具体涉及一种聚合物及其制备方法、粘结剂、隔膜、锰基锂电池和车辆。

背景技术：

1、锂电池具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优点，在消费电子、储能、电动汽车等领域有广泛应用。锂电池包括正极、负极、电解液和隔膜，其中，隔膜位于正极和负极之间的电解液中，隔膜既可以用于隔开正极和负极，避免锂电池发生短路，又可以用于为锂离子传输提供通道。

2、含过渡金属的正极材料具有成本低、电压平台高、能量密度高、材料结构安全稳定等优点，因此被广泛应用于锂电池中。然而，含过渡金属的正极材料在充放电过程中容易发生过渡金属离子溶出的问题，隔膜通常没有捕获过渡金属离子的能力或捕获过渡金属离子的能力较弱，过渡金属离子可能会穿过隔膜迁移至锂电池的负极表面沉积，这样，不仅会破坏固体电解质界面膜，影响锂电池的循环性能和储存性能，严重时甚至会形成枝晶刺穿隔膜造成锂电池的内短路，从而引发安全问题。

技术实现思路

1、本技术提供一种聚合物及其制备方法、粘结剂、隔膜、锰基锂电池和车辆。这样，包括该聚合物的粘结剂具有优异的过渡金属离子捕获能力、粘结效果和机械强度，有利于提高锰基锂电池的倍率性能、循环寿命和安全性。

2、本技术的技术方案如下：

3、根据本技术涉及的第一方面，提供一种聚合物，聚合物包括主链聚合物和第一支链，主链聚合物包括式i所示的结构单元，第一支链包括螯合剂，

4、

5、其中，式i中的y表示主链聚合物与第一支链的键合位置。

6、根据上述技术手段，在聚合物中，第一支链中的螯合剂可以和过渡金属(如锰离子)离子进行螯合配位，从而实现过渡金属离子(如锰离子)的捕获。三维网格结构的主链聚合物上具有丰富的功能团位点，丰富的功能团位点可以增加聚合物上的第一支链的数目，进而增加聚合物上的螯合剂数目，有利于提高聚合物对过渡金属离子的捕捉效果，可以大幅降低过渡金属离子转移至锂电池负极的情况，使得固体电解质界面膜不易被破坏，锂电池的循环性能和储存性能较优，降低了锂电池安全问题的概率。

7、主链聚合物的结构为分子内或分子间氢键交织形成的三维结构，主链聚合物中的氢键可以和被粘结材料(如无机颗粒)进行牢固连接，主链聚合物中的三维结构可以大幅增加牢固连接的位点，主链聚合物中的多维度氢键的相互作用，更容易实现聚合物和被粘结材料(如无机颗粒)的连接，从而提高了聚合物的粘结效果。

8、当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，聚合物不易发生滑链，且粘结剂中的螯合剂通过和过渡金属离子进行螯合配位，可以反向增加粘结剂的稳定性和机械强度，有效保护被粘结材料(如隔膜中的无机颗粒)的脱落，这样，隔膜的热稳定性较高，使得锂电池在高温循环过程中，具有较低的安全风险。

9、在一种可能的实施方式中，聚合物包括第二支链，第二支链包括活性基团，活性基团用于增加聚合物的空间位阻，主链聚合物包括第一主链聚合物，第一主链聚合物包括式ii所示的结构单元，

10、

11、其中，式ii中的r表示第一主链聚合物与第二支链的键合位置。

12、根据上述技术手段，聚合物中的第二支链中包括活性基团，活性基团用于增加聚合物的空间位阻，降低聚合物的结晶度(提高聚合物的无序性)，进而提高聚合物的水溶性，而第一主链聚合物本身就具有优异的粘结效果(主链聚合物通过分子间和分子内的氢键连接展现出优异的粘结效果)，这样，就可以得到具有优异粘结效果的水溶性聚合物，也就可以得到具有优异粘结效果的水溶性粘结剂。当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，具有优异粘结效果的水溶性粘结剂可以更好的粘结被粘结材料(如隔膜中的无机颗粒或基膜)，这样，有利于提高隔膜的热稳定性，使得锂电池在高温循环过程中，具有较低的安全风险。

13、进一步地，由于第一主链聚合物上具有丰富的功能官能团位点，可以增加聚合物上的第二支链的数目，有利于提高聚合物上的活性基团数目，进一步提高粘结剂的水溶性和粘结效果，有利于进一步提高隔膜的热稳定性，提高锂电池在高温循环过程中的安全性。

14、在一种可能的实施方式中，聚合物包括多个不同的第一支链，主链聚合物包括第二主链聚合物，第二主链聚合物包括式iii所示的结构单元，

15、

16、其中，式iii中的y1、y2、y3表示第二主链聚合物与多个不同的第一支链的键合位置。

17、根据上述技术手段，可以由实际需求向聚合物引入不同的第一支链，使聚合物具有较优的锰离子捕获能力。

18、在一种可能的实施方式中，聚合物包括多个不同的第二支链，主链聚合物包括第三主链聚合物，第三主链聚合物包括式iv所示的结构单元，

19、

20、其中，式iv中的r1、r2、r3表示第三主链聚合物与多个不同的第二支链的键合位置。

21、根据上述技术手段，可以由实际需求向聚合物引入不同的第二支链，可以得到具有优异粘结效果的水溶性聚合物，进而得到具有优异粘结效果的水溶性粘结剂。

22、在一种可能的实施方式中，螯合剂包括

23、中的至少一种。

24、根据上述技术手段，粘结剂可以充分延展在被粘结材料(如隔膜中的基膜)上，每个螯合剂上可以包括多个络合位点，多个络合位点可以和电解液中的过渡金属离子进行多齿配位螯合，形成内轨性杂化的螯合物，该螯合物具有较好的稳定性，不易发生解离现象；这样，当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，隔膜具有优异的捕捉过渡金属离子的效果，可以降低过渡金属离子转移至锂电池负极的情况，固体电解质界面膜不易被破坏，锂电池的循环性能和储存性能较优，也可以有效避免枝晶刺穿隔膜造成电池的内短路，降低了电池安全问题的概率。

25、在一种可能的实施方式中，活性基团包括

26、中的至少一种。

27、根据上述技术手段，通过上述结构的活性基团可以增大聚合物的空间位阻，提高聚合物的无序性，进而提高聚合物的水溶性，以得到具有优异粘结效果的水溶性聚合物，当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，具有优异粘结效果的水溶性粘结剂可以有效保护被粘结材料(如隔膜中的无机颗粒)的脱落，这样，隔膜的热稳定性较高，使得锂电池在高温循环过程中，具有较低的安全风险。

28、在一种可能的实施方式中，活性基团包括中的至少一种。

29、根据上述技术手段，聚合物中的第二支链中包括活性基团，活性基团还可以包括传输锂离子的功能团，可以显著提高聚合物的锂离子传输效果。而主链聚合物还可以形成三维传输通道，三维传输通道可以大幅提高锂离子传输的传输速率，当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，粘结剂具有优异的离子传输效果，有利于提高锂电池的倍率性能。另外，由于主链聚合物上具有丰富的功能官能团位点，可以增加聚合物上的第二支链的数目，有利于提高聚合物上的活性基团数目，进一步提高粘结剂的离子传输效果，提高锂电池的倍率性能。

30、进一步地，由于第二支链改性后的聚合物具备更强的亲水性，此外，三维网络结构的聚合物具备有丰富的极性基团(羧基、羟基等)，丰富的极性基团可与电解液溶剂形成多维氢键，可以吸引更多的电解液进入三维网络结构的聚合物，使得聚合物具有一定的溶胀特性，当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，粘结剂具备电解液的容纳能力，可以进一步提高隔膜的离子传输效果，提高锂电池的倍率性能。

31、在一种可能的实施方式中，聚合物还包括极性基团(如羟基)，极性基团键合于主链聚合物上。

32、根据上述技术手段，极性基团(如羟基)可以进一步增加聚合物的粘结效果。

33、在一种可能的实施方式中，主链聚合物的式i所示的结构单元的重复数为15至300。

34、根据上述技术手段，聚合物的平均分子量适中，聚合物具有较优的粘结效果和机械性能。

35、在一种可能的实施方式中，主链聚合物的式ii所示的结构单元的重复数为15至300。

36、在一种可能的实施方式中，主链聚合物的式iii所示的结构单元的重复数为5至100。

37、在一种可能的实施方式中，主链聚合物的式iv所示的结构单元的重复数为5至100。

38、在一种可能的实施方式中，聚合物的重均分子量为40万至100万。

39、根据上述技术手段，可以缓解聚合物的重均分子量过低，导致聚合物的机械强度较低，对应的隔膜容易发生变形等情况，也可以缓解聚合物的重均分子量过高，导致聚合物的粘结效果较差。

40、根据本技术提供的第二方面，提供一种制备上述实施例所述的聚合物的方法，包括：在水溶剂中，将第一聚合物、酰胺化试剂、螯合剂进行酰胺化反应，以得到聚合物；其中，第一聚合物包括如下式v所示的结构单元，

41、

42、在一些可能的实施方式中，第一聚合物包括壳聚糖。

43、在一种可能的实施方式中，在酰胺化反应之前，将第一聚合物、烷基化试剂进行烷基化反应。示例的，烷基化试剂包括上述具有烷基的活性基团。

44、在一种可能的实施方式中，在酰胺化反应之前，将第一聚合物、羧基化试剂进行羧基化反应。示例的，羧基化试剂包括上述具有羧基的活性基团。

45、根据本技术提供的第三方面，提供一种粘结剂，粘结剂包括上述第一方面及其任一种可能的实施方式的聚合物。

46、根据本技术提供的第四方面，提供一种隔膜，隔膜包括基膜以及设置在基膜至少一个表面的膜层，膜层中包括无机颗粒，以及包括上述第二方面的粘结剂。

47、在一种可能的实施方式中，隔膜中的粘结剂的质量分数为0.01％至10％。

48、根据本技术提供的第五方面，提供一种锰基锂电池，锰基锂电池包括上述第四方面及其任一种可能的实施方式的隔膜。

49、根据本技术提供的第六方面，提供一种用电装置，用电装置包括上述第五方面的锰基锂电池。

50、由此，本技术的上述技术特征具有以下有益效果：

51、(1)优异的mn2+捕捉效率。

52、在聚合物中，第一支链中的螯合剂可以和过渡金属离子(如锰离子)进行螯合配位，从而实现过渡金属离子(如锰离子)的捕获。三维网格结构的主链聚合物上具有丰富的功能团位点，丰富的功能团位点可以增加聚合物上的第一支链的数目，进而增加聚合物上的螯合剂数目，有利于提高聚合物对过渡金属离子的捕捉效果，可以大幅降低过渡金属离子转移至锂电池负极的情况，固体电解质界面膜不易被破坏，锂电池的循环性能和储存性能较优，降低了锂电池安全问题的概率。

53、当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，粘结剂可以充分延展在被粘结材料(如隔膜中的基膜)上，粘结剂中的螯合剂上可以包括多个络合位点，多个络合位点可以和电解液中的过渡金属离子进行多齿配位螯合，形成内轨性杂化的螯合物，该螯合物具有较好的稳定性，不易发生解离现象，进一步有利于提高粘结剂对过渡金属离子的捕捉效果。

54、(2)优异的水溶性粘结效果。

55、聚合物中的第二支链中包括活性基团，活性基团用于增加聚合物的空间位阻，提高聚合物的无序性，进而提高聚合物的水溶性，而主链聚合物本身就具有优异的粘结效果，这样，就可以得到具有优异粘结效果的水溶性聚合物，也就可以得到具有优异粘结效果的水溶性粘结剂。由于主链聚合物上具有丰富的功能官能团位点，可以增加聚合物上的第二支链的数目，有利于提高聚合物上的活性基团数目，进一步提高水溶性粘结剂的粘结效果。

56、进一步地，聚合物中的氢键可以和被粘结材料(如无机颗粒)进行牢固连接，主链聚合物中的三维结构可以大幅增加牢固连接的位点，主链聚合物中的多维度氢键的相互作用，更容易实现聚合物和被粘结材料(如无机颗粒)的连接，从而提高了水溶性聚合物的粘结效果。另外，聚合物上的主链聚合物还包括极性基团，有利于提高聚合物的粘结效果。综上，可以进一步提高包括聚合物的水溶性粘结剂的粘结效果。

57、(3)优异的离子传输效果。

58、聚合物中的第二支链中包括活性基团，活性基团还可以包括传输锂离子的功能团，可以显著提高聚合物的锂离子传输效果。而主链聚合物还可以形成三维传输通道，三维传输通道可以大幅提高锂离子传输的传输速率，当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，粘结剂具有优异的离子传输效果，有利于提高锂电池的倍率性能。另外，由于主链聚合物上具有丰富的功能官能团位点，可以增加聚合物上的第二支链的数目，有利于提高聚合物上的活性基团数目，进一步提高粘结剂的离子传输效果，提高锂电池的倍率性能。

59、进一步地，由于第二支链改性后的聚合物具备更强的亲水性，此外，三维网络结构的聚合物具备有丰富的极性基团(羧基、羟基等)，丰富的极性基团可与电解液溶剂形成多维氢键，可以吸引更多的电解液进入三维网络结构的聚合物，使得聚合物具有一定的溶胀特性，当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，粘结剂具备电解液的容纳能力，可以进一步提高粘结剂的离子传输效果，提高锂电池的倍率性能。

60、(4)优异的机械强度。

61、当隔膜中的粘结剂包括上述聚合物，聚合物不易发生滑链，且粘结剂中的螯合剂通过和过渡金属离子进行螯合配位，可以反向增加粘结剂的稳定性和机械强度，有效保护被粘结材料(如隔膜中的无机颗粒)的脱落，这样，隔膜的热稳定性较高，使得锂电池在高温循环过程中，具有较低的安全风险。

62、(5)良好的规模化落地应用前景。

63、相比于非水溶性的粘结剂，本技术提供的粘结剂可以有效避免有机毒性溶剂的使用，且来源丰富，可以替换现有锂电池体系中的粘结剂进行使用，具有良好的规模化落地应用前景，有利于解决单独的络合剂引入锂电池体系大，络合效率低，容易影响锂电池性能的问题。

64、此外，本技术提供的粘结剂具有优异的mn2+捕捉效率、优异的离子传输效果、优异的机械强度，对应的锂电池具有优异的倍率性能、循环寿命以及安全性，进一步有利于提高粘结剂的规模化落地应用前景。

65、需要说明的是，第二方面至第六方面中的任一种实现方式所带来的技术效果可参见第一方面中对应实现方式所带来的技术效果，此处不再赘述。

66、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。