一种聚合物微纳粘结剂及其制备和用途制造技术

本发明专利技术提供一种聚合物微纳粘结剂及其制备和用途，属于电池领域。本发明专利技术提供一种聚合物微纳粘结剂，所述粘结剂为现有聚合物粘结剂和溶剂的混合体系，所述溶剂满足：温度＜60℃，其为聚合物粘结剂的非溶剂，但能与所述现有聚合物粘结剂形成均一稳定的溶胶或悬浮液分散体系；温度＞60℃，其能够溶胀或溶解所述现有聚合物粘结剂。本发明专利技术选择了不溶解现有聚合物粘接剂但却可以通过强剪切、超声、搅拌等作用实现聚合物粘接剂微纳材料良好分散的特定溶剂，从而配制成聚合物溶胶或者悬浮粘接剂，该粘结剂还具备对导电剂以及活性颗粒等固体组份的良好分散能力，从而制备出具有触变性流变特征的可塑性电极浆料；进一步制得了综合性能优良的电池电极。优良的电池电极。优良的电池电极。

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物微纳粘结剂及其制备和用途


[0001]本专利技术提供一种聚合物微纳粘结剂及其制备和用途，属于电池领域。

技术介绍

[0002]作为动力来源之一，锂离子电池由于其能源密度高、寿命长、重量轻，锂离子电池作为电源已广泛应用于消费类电子产品(如手机以及笔记本电脑)到汽车工业和固定存储系统。锂离子电池因其高能量密度受到广泛关注，并已成功应用于智能汽车、信息技术、移动设备等多个领域中。设计更高能量密度、形状可按需设计、更低成本和更长循环寿命的下一代可充电电池仍然是人们高度期望的。对于锂离子电池电极活性材料是决定电池性能的关键，常规电极极片是由活性物质、导电填料、聚合物粘接剂以及金属集流体构成的典型多组分体系，其性能是由活性材料本身和复合极片的组装结构共同决定的。锂离子电池对能量密度和功率密度的要求都需要建立在合理的电荷(电子/离子)传输体系之上，所以如何控制极片内部的微观结构以及如何实现高载量电极的加工也是开发下一代高性能锂离子电池的关键。
[0003]传统的电极制备中将聚合物粘接剂PVDF、PLA、PVA、PAA等溶于其良溶剂，而后与活性材料以及导电剂共混，形成均一的电极浆料。在浆料中，聚合物粘接剂以分子尺度分布其中，并在其它固体组份表面实现比较均一的分配，也可以称为粘接剂的“均一分配”模式。但是这种基于粘接剂溶液的浆料存在以下问题：(1)在涂敷完成后的电极加工(升温干燥、辊压)中，存在体积收缩大，同时聚合物分子链会结晶收缩造成组份分离和不可控的聚集或团聚，使得极片在干燥过程中内应力过大，厚极片开裂严重。同时也会造成电极内部活性材料和导电剂之间界面粘接有效性减弱，造成电极内部电子传输网络和离子传输网络的破坏。如果能找到新的粘接剂体系或新的粘接方式可以改善这一缺点，对于提高电极性能方面具有明显的现实意义。(2)均一分配模式下，当粘接剂占比较低时，各组分分配到的界面粘接剂含量很低，基于溶液的粘接剂均一分配方式有可能使得界面粘接效果变差。为此，新型粘接剂体系的开发不仅要解决内部结构可控性以及均一性问题，还需在更低粘接剂载量的前提下提升粘接界面的力学强度和稳定性，以及有效调控电极浆料的流变特性以支持电极加工技术的创新。

技术实现思路

[0004]针对上述缺陷，本专利技术从粘接剂起始状态出发，选择了不溶解现有聚合物粘接剂但却可以通过强剪切、超声、搅拌等作用实现聚合物粘接剂微纳材料良好分散的特定溶剂，从而配制成聚合物溶胶或者悬浮粘接剂体系，该粘结剂体系还具备对导电剂以及活性颗粒等固体组份的良好分散能力，从而制备出具有触变性流变特征的可塑性电极浆料；利用所得电极浆料进一步制得了低粘接剂含量(≤2wt％)、高活性材料载量而且结构均一，综合性能优良的，形状可以定制的高能量密度的电池电极。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种聚合物微纳粘结剂，所述聚合物微纳粘结剂为现有聚合物粘结剂和溶剂的混合体系，所述溶剂满足：在较低温度(＜60℃)下，其为聚合物粘结剂的非溶剂，但能与所述现有聚合物粘结剂形成均一稳定的溶胶或悬浮液分散体系；在较高温度(＞60℃)下，其能够溶胀或溶解所述现有聚合物粘结剂。
[0007]进一步，所述溶剂包括碳酸丙烯酯(PC)或碳酸丙烯酯(EC)中的至少一种。
[0008]进一步，所述聚合物微纳粘结剂的颗粒直径在10纳米～10微米。
[0009]进一步，所述聚合物微纳粘结剂的质量分数为1％～70％，优选5％～40％；即聚合物微纳粘结剂混合体系中聚合物的质量占粘结剂混合体系总质量的比例。
[0010]进一步，所述聚合物微纳粘结剂的形态包括：聚合物纳米颗粒的分散体系、聚合物纳米颗粒的溶胶体系、聚合物微米颗粒的分散体系、聚合物纳米薄片的分散体系、聚合物微米薄片的分散体系、聚合物纳米纤维的分散体系或聚合物微米纤维的分散体系中的至少一种。
[0011]进一步，所述现有聚合物粘接剂包括聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙二醇(PEG)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚四氟乙烯(PTFE)、左旋聚乳酸(PLLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、高密度聚乙烯(PE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、聚丙烯(PP)、乙烯与丙烯共聚物(EPDM)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯酰胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯腈(PAN)、聚4
‑
甲基丙烯酸
‑
2,2,6,6
‑
四甲基哌啶
‑1‑
氮氧自由基(PTMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚(3,4
‑
亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)或聚(苯乙烯磺酸)(PSS)中的至少一种。
[0012]进一步，所述溶剂除PC或EC外，还包括下述溶剂中的至少一种：二甲基乙酰胺(DMA)、N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)、N,N
‑
二甲基乙酰胺(DMAC)、N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)、N
‑
乙基吡咯烷酮(NEP)、二氯甲烷(CH2Cl2)、丙酮(C3H6O)、二甲基亚砜(DMSO)、乙腈(ACN)、甲苯、四氯化碳、环己烷、碳酸酯类、醇类、酮类、醚类或甘油、去离子水等。
[0013]本专利技术要解决的第二个技术问题是提供上述聚合物微纳粘结剂的制备方法，所述制备方法为：将现有聚合物粘结剂微纳粉末添加至所述溶剂中，于0～60℃利用高速剪切(剪切速度≥100s
‑1)或超声分散制得均一稳定的溶胶或悬浮液分散体系即为所述聚合物微纳粘结剂，即所述聚合物微纳粘结剂中聚合物是以微纳米尺寸(颗粒直径在10纳米到10微米之间)存在的。
[0014]进一步，高速剪切或超声分散处理的时间为1～30分钟。
[0015]本专利技术要解决的第三个技术问题是指出：使用上述聚合物微纳粘结剂制备出高质量电极浆料、正极片、负极片，锂离子电池、钠离子电池、超级电容器或锂金属电池等各种电化学储能器件。
[0016]本专利技术要解决的第四个技术问题是提供上述聚合物微纳粘结剂的使用方法，所述使用方法为：先将所述聚合物微纳粘结剂加入正极或负极活性材料和导电填料中，通过机械混合分散均匀得到电极浆料；所得电极浆料通过现有加工方式制备出结构均一形状可定制的湿电极毛坯；湿电极毛坯升温至100～200℃使毛坯中的聚合物微纳粘接剂充分溶胀、熔融和渗透，从而实现各组分之间的粘结同时实现溶剂的挥发，进而进行辊压处理制得电极极片，可用于各种电化学储能器件中电极的制备。
[0017]进一步，现有加工方式包括刮涂、挤出、注射、热压等灵活多变的加工方式。
[0018]进一步，上述使用方法中，升温至100～200℃处理3min～10h，使聚合物微纳粘结剂中的聚合物微纳结构(如微纳颗粒、微纳纤维或微纳薄片)在溶剂中实现溶胀、凝胶化、溶解或者熔融，从而使其充分渗透和实现组分粘接。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚合物微纳粘结剂，其特征在于，所述聚合物微纳粘结剂为现有聚合物粘结剂和溶剂的混合体系，所述溶剂满足：温度＜60℃，其为聚合物粘结剂的非溶剂，但能与所述现有聚合物粘结剂形成均一稳定的溶胶或悬浮液分散体系；温度＞60℃，其能够溶胀或溶解所述现有聚合物粘结剂。2.根据权利要求1所述的一种聚合物微纳粘结剂，其特征在于，所述溶剂包括碳酸丙烯酯或碳酸丙烯酯中的至少一种；进一步，所述聚合物微纳粘结剂的颗粒直径在10纳米～10微米；进一步，所述聚合物微纳粘结剂的质量分数为1％～70％，优选5％～40％；进一步，所述聚合物微纳粘结剂的形态包括：聚合物纳米颗粒的分散体系、聚合物纳米颗粒的溶胶体系、聚合物微米颗粒的分散体系、聚合物纳米薄片的分散体系、聚合物微米薄片的分散体系、聚合物纳米纤维的分散体系或聚合物微米纤维的分散体系中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的一种聚合物微纳粘结剂，其特征在于，所述现有聚合物粘接剂包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚环氧乙烷、聚乙二醇、聚偏氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚四氟乙烯、左旋聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯与丙烯共聚物、聚碳酸酯、聚乙烯酰胺、聚酰亚胺、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯腈、聚4
‑
甲基丙烯酸
‑
2,2,6,6
‑
四甲基哌啶
‑1‑
氮氧自由基、聚乙烯吡咯烷酮、聚(3,4
‑
亚乙二氧基噻吩)或聚(苯乙烯磺酸)中的至少一种；进一步，所述溶剂除碳酸丙烯酯或碳酸丙烯酯外，还包括下述溶剂中的至少一种：二甲基乙酰胺、N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、N
‑
乙基吡咯烷酮、二氯甲烷、丙酮、二甲基亚砜、乙腈、甲苯、四氯化碳、环己烷、碳酸酯类、醇类、酮类、醚类、甘油或去离子水。4.权利要求1～3任一项所述的聚合物微纳粘结剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：将现有聚合物粘结剂添加至所述溶剂中，于0～60℃利用高速剪切或超声分散制得均一稳定的溶胶或悬浮液分散体系，即得所述聚合物微纳粘结剂；进一步，所述剪切速度≥100s
‑1；高速剪切或超声分散的时间为1～30分钟。5.权利要求1～3任一项所述的聚合物微纳粘结剂用于制备电极浆料、正极片、负极片，锂离子电池、钠离子电池、超级电容器或锂金属电池。6.权利要求1～3任一项所述的聚合物微纳粘结剂的使用方法，其特征在于，所述使用方法为：先将所述聚合物微纳粘结剂加入正极或负极活性材料和导电填料中，通过机械混合分散均匀得到电极浆料；所得电极浆料通过现有加工方式制备出结构均一形状可定制的湿电极毛坯；湿电极毛坯升温至100～200℃使毛坯中的聚合物微纳粘接剂充分溶胀、熔融和渗透，从而实现各组分之间的粘结同时实现溶剂的挥发，进而进行辊压处理制得电极极片；进一步，所述现有加工方式包括刮涂、挤出、注射或热压；进一步，所述使用方法中，升温至100～200℃处理3min～10h，使聚合物微纳粘结剂中的聚合物微纳结构在溶剂中实现溶胀、凝胶化、溶解或者熔融，从而使其充分渗透和实现组分粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，贺燕，傅雪薇，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：