CN105449220A - 一种锂离子电池用水系粘结剂及使用该粘结剂的锂离子电池 - Google Patents

一种锂离子电池用水系粘结剂及使用该粘结剂的锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池用水系粘结剂，所述粘结剂为质量含量为1％-6％，以去离子水为溶剂的改性聚丙烯酸酯溶液。所述改性聚丙烯酸酯溶液为有机硅改性聚丙烯酸酯、有机氟改性聚丙烯酸酯或者聚氨酯改性聚丙烯酸酯的一种或几种混合。本发明锂离子电池用水系粘结剂不仅具有较好的粘接性，还具有优良的稳定性、耐候性、柔韧性等特点。

Description

一种锂离子电池用水系粘结剂及使用该粘结剂的锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术，尤其涉及一种锂离子电池用水系粘结剂及使用该粘结剂的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池在生活中的得到广泛应用，例如手机、平板电脑、电动汽车等各方面。而粘结剂在锂离子电池中的作用是帮助正负极活性物质和导电剂附着粘黏在集流体表面，形成正负极极片的，粘结剂是锂离子电池组成中不可缺少的一部分，粘结剂的种类不同对锂离子电池的生产加工过程以及锂离子电池的性能有着比较大的影响。
目前市场上的锂离子电池负极片的粘结剂通常分为油系溶剂体系粘结剂和水系溶剂体系的粘结剂。其中油系粘结剂通常选择聚偏氟乙烯，聚偏氟乙烯是一种半结晶的聚合物，在电池应用中存在以下缺点：在电解液中溶胀反弹大，热稳定性差，容易在过充、热冲击时发生***，有安全隐患；其次聚偏氟乙烯在使用时需要溶解在有机溶剂N-甲基吡咯烷酮中才能和正负极活性物质、导电剂混合在一起，才能完成粘接作用。在生产中使用N-甲基吡咯烷酮需要增加N-甲基吡咯烷酮的回收***设备，回收成本比较高，同时也增加了电池的生产成本；另外N-甲基吡咯烷酮易挥发，会对环境造成污染。
另外，水系溶剂的粘结剂一般选择丁苯橡胶或者聚丙烯腈。
现有锂离子电池中水系溶剂的粘接剂可以满足负极活性物质、导电剂和正负极集流体的粘接，但是存在以下问题：
(1)首先，丁苯橡胶的机械稳定性比较差，在高速分散时会出现分子链被打断的问题；另外丁苯橡胶对于运输存储条件要求比较高，在低于冰点后会出现破乳失效的问题；第三，丁苯橡胶在使用时需要添加羧甲基纤维素钠防沉降的添加剂，否则浆料会出现严重的颗粒团聚、沉降的现象，而羧甲基纤维素钠是一种亲水性物质，具有较强的吸湿性，容易造成极片水分含量偏高，进而造成电池胀气、首次效率低、循环差和安全性能差等问题。
(2)聚丙烯腈PAN粘结剂，虽然不存在丁苯橡胶的机械稳定性差和运输存储环境要求高的问题，但是PAN粘结剂含有-CN基团，因此具有很高的极性。材料的粘接力取决于粘合剂的分子结构、被粘材料结构特别是表面结构，分子的极性愈大，粘接性愈强，但分子间的作用力也愈强，分子链的转动难度加大，扭曲能力下降，材料的弹性下降，造成成膜以后膜较硬，导致极片比较硬，发脆。改善PAN粘合剂脆性的增塑剂是水，如果在相对湿度50-70％下进行极片的碾压卷绕可以避免因为极片脆而发生的极片表面开裂等问题，但是这种干燥不完全或较高湿度下的存放，可能造成集流体腐蚀，导致所制作的电池的内阻增高。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种新型锂离子电池用水系粘结剂可以在保证正/负极活性物质、导电剂和集流体粘接效果的基础上，避免上述问题出现。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种锂离子电池用水系粘结剂，所述粘结剂为质量含量为1％-6％，以去离子水为溶剂的改性聚丙烯酸酯溶液。
进一步，所述改性聚丙烯酸酯溶液为有机硅改性聚丙烯酸酯、有机氟改性聚丙烯酸酯或者聚氨酯改性聚丙烯酸酯的一种或几种混合。
本发明的另一目的在于提供一种锂离子电池电级材料，由如下质量百分比的组份组成：
改性聚丙烯酸酯1-10％
导电剂0-10％
正极活性物质/负极活性物质80-99％。
优选的，所述正极活性物质可以为所有的已知的锂离子电池的正极材料，如钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂或磷酸亚铁锂。
优选的，所述负极活性物质可以为所有的已知的锂离子电池的负极材料，如人造石墨、天然石墨、中间相炭微球、硬碳、软碳、钛酸锂、硅碳或硅锡合金。
优选的，所述导电剂为导电炭黑、乙炔黑、石墨烯、导电石墨、导电碳管和导电碳纤维中的一种或几种混合。
进一步，所述电极材料的粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％。
本发明还提供了一种锂离子电池的制备方法，包括如下步骤：(1)用去离子水稀释改性聚丙烯酸酯溶液得到锂离子电池用水性粘结剂；(2)加入导电剂和正极活性物质/负极活性物质,混合均匀后得到浆料；(3)使用辊涂或喷涂方式将混合好的浆料涂覆在锂离子电池的集流体上；(4)通过烘箱将溶剂烘干去除，得到极片；(5)将极片进行装配，制作成电池。
本发明具有的优点和积极效果是：改性聚丙烯酸酯不仅具有较好的粘接性，还具有优良的稳定性、耐候性、柔韧性等特点，可以解决目前粘结剂存在的问题：
(1)改性聚丙烯酸酯相比较丁苯橡胶来说，使用改性聚丙烯酸酯作为粘接剂可以简化匀浆工艺，不需要加入羧甲基纤维素钠作为稳定剂，能够降低成本，还可以避免水分过高引起的其他问题；另外改性聚丙烯酸酯的机械稳定性比较好，可以避免类似丁苯橡胶在高速搅拌下出现的分子链断裂的问题，能够有效的保证活性物质与集流体的粘接效果；同时改性聚丙烯酸酯的耐候性能好，不会再低于冰点后出现破乳现象；
(2)改性聚丙烯酸酯相比较聚丙烯腈来说，改性聚丙烯酸酯含有-C＝C-碳碳双键结构，同时还有改性官能团的嫁接，使分子链具有一定的卷曲性，即扭曲能力增大，从而保证了极片具有较好粘接效果的同时，也有着比较好的柔韧性；另外，改性聚丙烯酸酯再合成时避免了丙烯腈(丙烯腈有剧毒)的引入，相对比较环保，对环境无污染。
具体实施方式
实施例1
将聚氨酯改性聚丙烯酸酯用去离子水配制成质量比为5.0％的胶液，称取13.63千克胶液和0.42千克导电剂(导电炭黑)放入双行星动力混合机中，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟；加入20千克负极活性物质(人造石墨GHMG)，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌90分钟；之后检测浆料的固含量和粘度，需要达到粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％，如果不符合，需要加入去离子水来调整浆料粘度，每次加入适量去离子水之后在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟，直至浆料粘度能够达到涂覆要求为止；测试最终浆料的粘度为4000mPa*s，其固含量为48.50％，之后将混合好的浆料涂覆在负极集流体铜箔上，烘烤去除水分，并且将制作好的负极片装配到卷绕结构的电池中。
实施例2
将有机硅改性聚丙烯酸酯用去离子水配制成质量比为5.0％的胶液，称取16.8千克胶液和0.56千克导电剂(导电碳纤维)放入双行星动力混合机中，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟；加入20千克负极活性物质(中间相炭微球)，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌90分钟；之后检测浆料的固含量和粘度，需要达到粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％，如果不符合，需要加入去离子水来调整浆料粘度，每次加入适量去离子水之后在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟，直至浆料粘度能够达到涂覆要求为止；之后将混合好的浆料涂覆在负极集流体铜箔上，烘烤去除水分，并且将制作好的负极片装配到卷绕结构的电池中。
实施例3
将有机氟改性聚丙烯酸酯用去离子水配制成质量比为5.0％的胶液，称取20.2千克胶液和0.82千克导电剂(导电炭黑)放入双行星动力混合机中，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟；加入20千克正极活性物质(磷酸铁锂)，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌90分钟；之后检测浆料的固含量和粘度，需要达到粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％，如果不符合，需要加入去离子水来调整浆料粘度，每次加入适量去离子水之后在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟，直至浆料粘度能够达到涂覆要求为止；之后将混合好的浆料涂覆在正极集流体铜箔上，烘烤去除水分，并且将制作好的正极片装配到卷绕结构的电池中。
实施例4
将有机氟改性聚丙烯酸酯用去离子水配制成质量比为5.0％的胶液，称取4.9千克胶液和0.18千克导电剂(导电炭黑)放入双行星动力混合机中，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟；加入20千克正极活性物质(钴酸锂)，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌90分钟；之后检测浆料的固含量和粘度，需要达到粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％，如果不符合，需要加入去离子水来调整浆料粘度，每次加入适量去离子水之后在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟，直至浆料粘度能够达到涂覆要求为止；之后将混合好的浆料涂覆在正极集流体铜箔上，烘烤去除水分，并且将制作好的正极片装配到卷绕结构的电池中。
对比例1
将聚丙烯腈用去离子水配制成质量比为5.0％的胶液，称取13.63千克胶液和0.42千克导电剂(导电炭黑)放入到双行星动力混合机中，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟；加入20千克负极活性物质(人造石墨GHMG)，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌90分钟；之后检测浆料的固含量和粘度，需要达到粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％，如果不符合，需要加入去离子水来调整浆料粘度，每次加入适量去离子水之后在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟，直至浆料粘度能够达到涂覆要求为止；测试浆料的粘度为3900mPa*s，其固含量为48.36％，之后将混合好的浆料涂覆在负极集流体铜箔上，烘烤去除水分，并且将制作好的负极片装配到卷绕结构的电池中。
对比例2
将羧甲基纤维素钠用去离子水配制成质量比2.0％的胶液，称取羧甲基纤维素钠胶液15.79千克胶液和0.42千克导电剂(导电炭黑)放入到双行星动力混合机中，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟；加入20千克负极活性物质(人造石墨GHMG)，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌90分钟；之后进行浆料的固含量和粘度检测，需要达到粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％，如果不符合，需要加入去离子水来调整浆料粘度，每次加入适量去离子水之后在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟，直至浆料粘度能够达到涂覆要求，然后称取0.79千克丁苯橡胶乳液(重量比为40％)加入到调节好粘度的浆料中，分别使用自转为1000rpm、公转为25rpm条件搅拌30分钟，测试浆料的粘度为4500mPa*s，其固含量为46.09％，之后将混合好的浆料涂覆在负极集流体铜箔上，烘烤去除水分，并且将制作好的负极片装配到卷绕结构的电池中。
对比例3
将羧甲基纤维素钠用去离子水配制成质量比为2.0％的胶液，称取羧甲基纤维素钠胶液15.79千克胶液和0.42千克导电剂放入到双行星动力混合机中，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟；加入加入20千克负极活性物质(人造石墨GHMG)，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌90分钟；之后进行浆料的固含量和粘度检测，需要达到粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％，如果不符合涂布要求，需要加入去离子水来调整浆料粘度，每次加入适量去离子之后在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟，直至浆料粘度能够达到涂覆要求，然后称取0.79千克丁苯橡胶乳液(重量比为40％)加入到调节好粘度的浆料中，分别使用自转为2500rpm、公转为35rpm的条件搅拌30分钟，测试浆料的粘度为3800mPa*s，其固含量为46.05％。之后将混合好的浆料涂覆在负极集流体铜箔上，烘烤去除水分，并且将制作好的负极片装配到卷绕结构的电池中。
对比例4
将羧甲基纤维素钠用去离子水配制成质量比为2.0％的胶液，称取羧甲基纤维素钠胶液15.79千克胶液和0.42千克导电剂放入到双行星动力混合机中，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟；加入20千克负极活性物质(人造石墨GHMG)，在公转15rpm的条件下搅拌10分钟，之后提高转速在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌90分钟；之后进行浆料的固含量和粘度检测，需要达到粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％，如果不符合涂布要求，需要加入去离子水来调整浆料粘度，每次加入适量去离子之后在自转为2500rpm、公转为35rpm的条件下搅拌30分钟，直至浆料粘度能够达到涂覆要求，然后将在-10℃的环境中放置2h的丁苯橡胶乳液称取0.79千克(重量比为40％)加入到调节好粘度的浆料中，分别使用自转为1000rpm、公转为25rpm条件搅拌30分钟，测试浆料的粘度为3400mPa*s，其固含量为46.20％。之后将混合好的浆料涂覆在负极集流体铜箔上，烘烤去除水分，并且将制作好的负极片装配到卷绕结构的电池中。
对比试验例1
将三种不同粘结剂进行粘结剂存储性能测试(即破乳测试)：将粘结剂分别放到-10℃的环境中放置2h，之后将工序聚丙烯酸酯和聚丙烯腈粘结剂稀释到粘度2000mPa*s，使用200目的筛网过滤，丁苯橡胶乳液粘度不高于100mPa*s，无需稀释可直接过滤，过滤后观察筛网上是否有残留的团聚物，有即为破乳，则该粘结剂的存储性能比较差；反正亦然。测试结果如下：
表一：不同粘结剂机械稳定性测试对比
对比试验例2
将实施例1及对比例1-4所用的粘结剂进行加工性能对比，结果如下：
表二：不同粘结剂加工性能对比
对比试验例3
将实施例1及对比例1-4所得到的电池进行电性能对比测试，结果如下：
表三：不同粘结剂电性能对比
电芯容量(mAh) 首次效率(％) 300周容量保持率
实施例1 2572.3 93.5％ 95.6％
对比例1 2505.3 92.5％ 91.5％
对比例2 2547.2 92.9％ 92.1％
从上表中可以看出本发明提供的粘结剂粘接性更好，使用工序简单，更适合应用于大规模生产，同时该粘结剂的柔韧性比较好可以提供电池生产的良品率。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种锂离子电池用水系粘结剂，其特征在于：所述粘结剂为质量含量为1％-6％，以去离子水为溶剂的改性聚丙烯酸酯溶液。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池用水系粘结剂，其特征在于：所述改性聚丙烯酸酯溶液为有机硅改性聚丙烯酸酯、有机氟改性聚丙烯酸酯或者聚氨酯改性聚丙烯酸酯的一种或几种混合。
3.一种锂离子电池电级材料，其特征在于，由如下质量百分比的组份组成：
改性聚丙烯酸酯1-10％
导电剂0-10％
正极活性物质/负极活性物质80-99％。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池极片材料，其特征在于：所述正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂或磷酸亚铁锂。
5.根据权利要求3所述的锂离子电池极片材料，其特征在于：所述负极活性物质包括人造石墨、天然石墨、中间相炭微球、硬碳、软碳、钛酸锂、硅碳或硅锡合金。
6.根据权利要求3所述的锂离子电池极片材料，其特征在于：所述导电剂为导电炭黑、乙炔黑、石墨烯、导电石墨、导电碳管和导电碳纤维中的一种或几种混合。
7.根据权利要求3所述的锂离子电池极片材料，其特征在于：所述电极材料的粘度范围为3000-9000mPa*s，固含量为35-85％。
8.一种锂离子电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)用去离子水稀释改性聚丙烯酸酯溶液得到锂离子电池用水性粘结剂；(2)加入导电剂和正极活性物质/负极活性物质,混合均匀后得到浆料；(3)使用辊涂或喷涂方式将混合好的浆料涂覆在锂离子电池的集流体上；(4)通过烘箱将溶剂烘干去除，得到极片；(5)将极片进行装配，制作成电池。
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