CN104393303A - 一种使用水性粘结剂的钛酸锂电池 - Google Patents

一种使用水性粘结剂的钛酸锂电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用水性粘结剂的钛酸锂电池，该电池使用的水性粘结剂为高分子粘结剂；高分子粘结剂具有亲水性，高分子粘结剂上接有羧基基团和羟基基团中的任意一种或两种。该高分子粘结剂的分子量为200000-1000000。该高分子粘结剂包含聚丙烯酸型高分子粘结剂、酚醛树脂型高分子粘结剂、橡胶型乳液胶高分子粘结剂、环氧树脂型高分子粘结剂、聚氨酯型高分子粘结剂和羧甲基纤维素型高分子粘结剂中的任意一种或一种以上。本发明提供的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，使用的水性粘结剂的分散效果好，该电池可逆容量高，循环稳定性好，能够大倍率充放电，而且制备过程简单易行，成本低，无环境污染。

Description

一种使用水性粘结剂的钛酸锂电池
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，具体地，涉及一种使用水性粘结剂的钛酸锂电池。
背景技术
目前，随着环保成为世界主题，清洁能源即刻受到高度重视，各国致力于清洁能源的研究。锂离子电池作为商用电池中能量密度最高的已经成为清洁能源发展的一个重要方向。以美国特斯拉为的清洁能源电动汽车的迅猛发展更是促进了锂离子电池的研究热浪。近年来，尖晶石型钛酸锂因其较碳材料有优异的循环稳定性，安全性以及“零应变”的特点广泛用作锂离子电池的负极材料。
目前钛酸锂锂离子电池采用的粘结剂主要为聚偏氟乙烯（PVDF），在实际生产中需要使用有机溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）为溶剂，通过有机拉浆工艺进行电极制备。但是PVDF不仅在有机溶剂中易溶胀且其电子离子导电性差；有机溶剂NMP易挥发、易燃易爆、且毒性大，同时钛酸锂锂离子电池采用有机拉浆时，工艺要严格控制环境中的水分，造成工艺成本高环境压力大，不符合绿色工业的发展要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛酸锂锂离子电池，使用水性粘结剂，制备过程简单易行，降低工艺成本，且绿色环保。 
为了达到上述目的，本发明提供了一种使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，该电池使用的水性粘结剂为高分子粘结剂；所述高分子粘结剂具有亲水性，所述高分子粘结剂上接有羧基基团和羟基基团中的任意一种或两种。如果没有上述亲水基团的存在，则该粘结剂无法实现在以水作为溶剂的前提下用于制备钛酸锂锂离子电池的电极。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的高分子粘结剂的分子量为200000-1000000。高分子粘结剂分子量小于200000时，无法对电极材料起到有效的粘结固定作用，高分子粘结剂分子量大于1000000时，在水中的溶解性会变差，无法作为水性粘结剂使用。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的高分子粘结剂包含聚丙烯酸型高分子粘结剂、酚醛树脂型高分子粘结剂、橡胶型乳液胶高分子粘结剂、环氧树脂型高分子粘结剂、聚氨酯型高分子粘结剂和羧甲基纤维素型高分子粘结剂中的任意一种或一种以上。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的高分子粘结剂优选为聚丙烯酸型高分子粘结剂。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的聚丙烯酸型高分子粘结剂优选为聚丙烯酸和聚丙烯酸盐中的任意一种或一种以上。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的聚丙烯酸型高分子粘结剂优选地包含聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）和聚丙烯酸-聚丙烯腈共聚物（PAA-PAN）等中的任意一种或一种以上。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的酚醛树脂型高分子粘结剂优选为水性酚醛树脂。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的环氧树脂型高分子粘结剂优选为水性环氧树脂。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的聚氨酯型高分子粘结剂优选地包含聚氨酯乳液、乙烯基聚氨酯乳液、多异氰酸酯乳液和封闭型聚氨酯乳液等中的任意一种或一种以上。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的羧甲基纤维素型高分子粘结剂优选为羧甲基纤维素和羧甲基纤维素盐中的任意一种或一种以上。进一步优选为羧甲基纤维素（CMC）或羧甲基纤维素钠（CMCNa）等。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的橡胶型乳液胶高分子粘结剂优选为丁苯橡胶（SBR）等。
上述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，所述的高分子粘结剂也可以优选为上述高分子粘结剂中的两种或两种以上，如PAA-PAN—SBR、CMC—SBR、PAA—LiPAA—SBR等。
本发明提供的使用水性粘结剂的钛酸锂电池具有以下优点：
1. 本发明使用的水性粘结剂的分散效果好。
2. 使用水性粘结剂的钛酸锂锂离子电池可逆容量高，循环稳定性好，且能够大倍率充放电。
3. 制备过程简单易行，成本低，无环境污染。
附图说明
图1a为使用聚偏氟乙烯的钛酸锂电池对比例的扫描电镜图。
图1b为本发明的使用水性粘结剂的钛酸锂电池实施例的扫描电镜图。
图2为本发明的使用水性粘结剂的钛酸锂电池与对比例的倍率特性图。 
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其中，该电池使用的水性粘结剂为高分子粘结剂；该高分子粘结剂具有亲水性，高分子粘结剂上接有羧基基团和羟基基团中的任意一种或两种。如果没有上述亲水基团的存在，则该粘结剂无法实现在以水作为溶剂的前提下用于制备钛酸锂锂离子电池的电极。
高分子粘结剂的分子量为200000-1000000。高分子粘结剂分子量小于200000时，无法对电极材料起到有效的粘结固定作用，高分子粘结剂分子量大于1000000时，在水中的溶解性会变差，无法作为水性粘结剂使用。
高分子粘结剂包含聚丙烯酸型高分子粘结剂、酚醛树脂型高分子粘结剂、橡胶型乳液胶高分子粘结剂、环氧树脂型高分子粘结剂、聚氨酯型高分子粘结剂和羧甲基纤维素型高分子粘结剂中的任意一种或一种以上。
高分子粘结剂优选为聚丙烯酸型高分子粘结剂。聚丙烯酸型高分子粘结剂优选为聚丙烯酸和聚丙烯酸盐中的任意一种或一种以上。聚丙烯酸型高分子粘结剂优选地包含聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）和聚丙烯酸-聚丙烯腈共聚物（PAA-PAN）等中的任意一种或一种以上。
酚醛树脂型高分子粘结剂优选为水性酚醛树脂。
环氧树脂型高分子粘结剂优选为水性环氧树脂。
聚氨酯型高分子粘结剂优选地包含聚氨酯乳液、乙烯基聚氨酯乳液、多异氰酸酯乳液和封闭型聚氨酯乳液等中的任意一种或一种以上。
羧甲基纤维素型高分子粘结剂优选为羧甲基纤维素和羧甲基纤维素盐中的任意一种或一种以上。进一步优选为羧甲基纤维素（CMC）或羧甲基纤维素钠（CMCNa）等。
橡胶型乳液胶高分子粘结剂优选为丁苯橡胶（SBR）等。
高分子粘结剂也可以优选为上述高分子粘结剂中的两种或两种以上，如PAA-PAN—SBR、CMC—SBR、PAA—LiPAA—SBR等。
本发明提供的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其电化学性能可利用电池测试***（测试仪器如：CT2001A，武汉蓝电公司）测定。
下面结合实施例对本发明做更进一步描述。
实施例1
取质量分数为20%的聚丙烯酸（PAA）（分子量为1000000）水溶液 1g置于2g去离子水中。在磁力搅拌器上搅拌1h左右，待完全溶解，加入0.2g Super-P，继续搅拌2h，最后加入钛酸锂1.6g搅拌18h，将所得浆料涂覆在铝箔上，厚度为100μm。然后置于80℃鼓风烘箱里面烘干，再转移到120℃真空烘箱，保存36h，冲片称片再120℃真空保存12h，加入电解液装成纽扣电池，静置12~36h。
实施例2
取质量分数为85%的PAA-PAN（分子量为800000） 0.235g溶于2g去离子水中。在磁力搅拌器上搅拌1h左右，待完全溶解，加入0.2g Super-P，继续搅拌2h，最后加入钛酸锂1.6g搅拌18h，将所得浆料涂覆在铝箔上，厚度为100μm。然后置于80℃鼓风烘箱里面烘干，再转移到120℃真空烘箱，保存36h，冲片称片再120℃真空保存12h，加入电解液装成纽扣电池，静置12~36h。
实施例3
取质量分数为10%的聚丙烯酸锂（LiPAA）（分子量为600000）水溶液2g溶于2.5g去离子水中在磁力搅拌器上搅拌1h左右，待完全溶解，加入0.2g Super-P，继续搅拌2h，最后加入1.6g钛酸锂搅拌12~18h，将所得浆料涂覆在铝箔上，厚度为100 um。然后置于80℃鼓风烘箱里面烘干，再转移到120℃真空烘箱，保存36h，冲片称片再120℃真空保存12h，加入电解液装成纽扣电池，静置12~36h。
实施例4
取0.1g 分子量为200000的羧甲基纤维素钠（CMC）（分子量为400000）溶于5g去离子水中。在磁力搅拌器上搅拌1h左右，待完全溶解，加入0.1g 导电剂（Super-P），继续搅拌2h，再加入钛酸锂0.8g搅拌2h，最后加入SBR搅拌12h，将所得浆料涂覆在铝箔上，厚度为100μm。然后置于80℃鼓风烘箱里面烘干，再转移到120℃真空烘箱，保存36h，冲片称片再120℃真空保存12h，加入电解液装成纽扣电池，静置12~36h。
实施例5
取质量分数为20%的PAA（分子量为200000）  0.5g，和质量分数为10%的聚丙烯酸锂（LiPAA）（分子量为300000）水溶液1g溶于2g去离子水中。在磁力搅拌器上搅拌1h左右，待完全溶解，加入0.2g Super-P，继续搅拌2h，加入钛酸锂1.6g搅拌2h，最后加入SBR搅拌12h，将所得浆料涂覆在铝箔上，厚度为100 μm。然后置于80℃鼓风烘箱里面烘干，再转移到120℃真空烘箱，保存36h，冲片称片再120℃真空保存12h，加入电解液装成纽扣电池，静置12~36h。
对比例
取0.2g聚偏氟乙烯（PVDF）置于N-甲基吡咯烷酮中，利用磁力搅拌器搅拌1h左右，待完全溶解，加入0.2g Super-P，继续搅拌2h，最后加入钛酸锂1.6g搅拌1h，将所得浆料涂覆在铝箔上，厚度为100μm。然后置于80℃鼓风烘箱里面烘干，再转移到120℃真空烘箱，保存36h，冲片称片再120℃真空保存12h，加入电解液装成纽扣电池，静置12~36h。
对比例与实施例1所得的钛酸锂极片的扫描电镜（SEM）图参见图1a和图1b所示，其中图1a为对比例，图1b为实施例1。
将所得电池进行电化学测试，先0.2C充放电2次然后1C充放电。再按照0.2C、0.5C、1C、5C等倍率进行充放电测试，其中以PVDF和PAA为粘结剂的钛酸锂电池，即对比例与实施例1的倍率特性参见图2所示。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其特征在于，该电池使用的水性粘结剂为高分子粘结剂；所述高分子粘结剂具有亲水性，所述高分子粘结剂上接有羧基基团和羟基基团中的任意一种或两种。
2. 如权利要求1所述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其特征在于，所述的高分子粘结剂的分子量为200000-1000000。
3. 如权利要求2所述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其特征在于，所述的高分子粘结剂包含聚丙烯酸型高分子粘结剂、酚醛树脂型高分子粘结剂、橡胶型乳液胶高分子粘结剂、环氧树脂型高分子粘结剂、聚氨酯型高分子粘结剂和羧甲基纤维素型高分子粘结剂中的任意一种或一种以上。
4. 如权利要求3所述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其特征在于，所述的聚丙烯酸型高分子粘结剂为聚丙烯酸和聚丙烯酸盐中的任意一种或一种以上。
5. 如权利要求4所述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其特征在于，所述的聚丙烯酸型高分子粘结剂包含聚丙烯酸、聚丙烯酸锂、聚丙烯酸钠和聚丙烯酸-聚丙烯腈共聚物中的任意一种或一种以上。
6. 如权利要求3所述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其特征在于，所述的酚醛树脂型高分子粘结剂为水性酚醛树脂。
7. 如权利要求3所述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其特征在于，所述的环氧树脂型高分子粘结剂为水性环氧树脂。
8. 如权利要求3所述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其特征在于，所述的聚氨酯型高分子粘结剂包含聚氨酯乳液、乙烯基聚氨酯乳液、多异氰酸酯乳液和封闭型聚氨酯乳液中的任意一种或一种以上。
9. 如权利要求3所述的使用水性粘结剂的钛酸锂电池，其特征在于，所述的羧甲基纤维素型高分子粘结剂为羧甲基纤维素和羧甲基纤维素盐中的任意一种或一种以上。
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