【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本公開涉及碳材料，尤其涉及一種碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料、其制備方法及在電化學(xué)器件中的應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、鋰離子電池作為成熟的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng),已被普遍應(yīng)用于各種領(lǐng)域。目前，電極的制備主要通過將活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑與溶劑混合，形成漿料，將其涂布到集流體表面后，干燥處理得到電池極片。盡管導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑在電極中的占比較低(不到10％)，但是高性能的粘結(jié)劑在電極中發(fā)揮著重要作用：粘結(jié)劑通過將所有組分(活性材料、導(dǎo)電劑和集流體等)粘合在一起形成完整電極，通過均勻分散活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑，形成良好的電子和離子滲流網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)載流子的高效傳輸，并緩解在充放電過程中活性物質(zhì)因收縮膨脹所產(chǎn)生的體積變化而導(dǎo)致的界面劣化，使電極保持良好的導(dǎo)電性和機(jī)械完整性。
2、但是，目前粘結(jié)劑在電化學(xué)器件中的使用仍舊存在如下問題：(1)在電池極片涂布干燥過程中，起到粘結(jié)劑作用的聚合物很可能會(huì)遷移并集中到電極活性物質(zhì)的表面導(dǎo)致粘結(jié)劑在整個(gè)電極中分布極度不均勻(journal?of?power?sources,2017,340,1.)，延緩了電極內(nèi)部的電子和鋰離子的擴(kuò)散，造成電池出現(xiàn)較大的極化，使得循環(huán)壽命和倍率性能顯著降低；(2)伴隨循環(huán)過程中材料和極片內(nèi)部累積產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，特別是基于轉(zhuǎn)換與合金化反應(yīng)的電極材料呈現(xiàn)更嚴(yán)重的體積變化，一旦電極自身的粘合強(qiáng)度無法適應(yīng)內(nèi)部產(chǎn)生的體積膨脹，就會(huì)發(fā)生顆粒破碎并破壞電極的完整性，從而導(dǎo)致容量的急劇損失(nature?energy,2018,3,290.)；(3)為了得到高能量密度電極，往往提高活性物
3、為了解決上述問題，mengyaozheng等人(chemical?engineering?journal,2020,389,124404.)通過原位共混水性聚氨酯/聚丙烯酸/石墨烯等材料，設(shè)計(jì)了一種多功能復(fù)合粘結(jié)劑。其中，通過在粘結(jié)劑內(nèi)部構(gòu)建雙重氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料本身的強(qiáng)度和回彈性，進(jìn)而緩解電極在充放電過程中的產(chǎn)生體積變化和內(nèi)阻；聚氨酯中的聚醚鏈用于離子的捕獲并加速遷移；引入石墨烯可以大大提高電極的電子導(dǎo)電性。使用該多功能復(fù)合粘結(jié)劑的電池具有更高的放電比容量，更好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)越的倍率性能。該設(shè)計(jì)將氫鍵網(wǎng)絡(luò)引入到多功能復(fù)合粘結(jié)劑中，但在極片內(nèi)部形成作用力大小適宜的氫鍵對(duì)有機(jī)材料內(nèi)部官能團(tuán)設(shè)計(jì)有著特殊的要求、使用價(jià)格較為昂貴的石墨烯作為導(dǎo)電的碳材料、極性分子間較弱的相互作用導(dǎo)致粘結(jié)性能較差等因素，依舊制約了多功能復(fù)合粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)與制備。
4、由此可見，活性材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑材料在電極內(nèi)部的均勻分散是確保離子和電子的電流密度均勻分布的前提條件，對(duì)于制備出性能優(yōu)良的電極至關(guān)重要。在實(shí)際工作條件下，作為電極顆粒和集流體之間連接橋梁的兩種添加劑，粘結(jié)劑與導(dǎo)電劑對(duì)于電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及電化學(xué)器件的實(shí)際性能發(fā)揮同樣至關(guān)重要。而且，最具技術(shù)難度的是，如何在兼顧導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑功能性的同時(shí)繼續(xù)降低其在電極中的占比。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述技術(shù)問題，本公開提供了一種碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料、其制備方法及在電化學(xué)器件中的應(yīng)用。本公開提供的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料通過將粘結(jié)劑與導(dǎo)電劑進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在保障粘結(jié)劑與導(dǎo)電劑各自性能的前提下，進(jìn)一步減少導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑在電極中的占比、提高活性物質(zhì)含量，實(shí)現(xiàn)高能量密度電極和電芯，同時(shí)解決粘結(jié)劑在極片中的偏析問題，提高活性材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑材料在電極內(nèi)部的均勻分散，確保離子和電子的電流密度均勻分布，提高電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及電化學(xué)器件的實(shí)際性能。而且，碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料將粘結(jié)劑與導(dǎo)電劑的功能耦合，可顯著緩沖伴隨循環(huán)過程中材料和極片內(nèi)部應(yīng)力累積，保持顆粒和電極尺寸穩(wěn)定性以及連續(xù)的離子電子傳輸通道。
2、第一方面，本公開提供了一種碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，所述碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料包括碳基材料基體和接枝在所述基體表面的具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物支鏈，所述粘結(jié)官能團(tuán)選自氟基、羥基、羧基、醚基、苯基、氰基、氨基、巰基或酰亞胺基中的任意一種或兩種以上的組合，優(yōu)選為羥基、羧基、苯基或酰亞胺基中的任意一種或兩種以上的組合。
3、本公開提供的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料提高了電極體系的分散性，在賦予其粘結(jié)作用的同時(shí)，在電極內(nèi)部構(gòu)建了更加穩(wěn)定的電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了粘結(jié)劑與導(dǎo)電劑功能耦合，進(jìn)一步提高電芯的能量密度以及應(yīng)用其的電化學(xué)裝置的能量密度、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，具體而言：
4、本公開提供的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料將具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物通過共價(jià)鍵合的方式接枝在碳基材料表面，構(gòu)建出了一體化的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，在提高碳材料的分散性、兼具并保持導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的功能的前提下，能夠降低導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的用量，制備得到高能量密度電極和電芯，而且將粘結(jié)材料接枝在碳基材料表面，能夠提高各組分的分散性，確保離子和電子的電流密度均勻分布，在電極內(nèi)部構(gòu)建更加穩(wěn)定的載流子傳遞網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)解決粘結(jié)劑在極片中的偏析問題，提升電芯的能量密度以及應(yīng)用其的電化學(xué)器件的電化學(xué)性能。另外，碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料將粘結(jié)劑與導(dǎo)電劑的功能耦合，可顯著緩沖伴隨循環(huán)過程材料和極片內(nèi)部的應(yīng)力累積，保持顆粒和電極尺寸穩(wěn)定性以及連續(xù)的離子電子傳輸通道。
5、作為本公開的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物選自聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基乙烯基醚馬來酸酐共聚物、聚乙烯亞胺、聚醚酰亞胺、聚苯乙烯、聚苯乙烯-丁二烯橡膠、聚偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、(八氟-n-丁基)環(huán)氧化物、羧甲基纖維素、海藻酸鈉、淀粉、環(huán)糊精、瓜爾膠或多聚糖中的任意一種或兩種以上的組合。
6、本公開提供的具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物還具有能夠與碳基材料發(fā)生接枝反應(yīng)的官能團(tuán)，以接枝在碳基材料表面，同時(shí)粘結(jié)官能團(tuán)能夠提供良好的粘結(jié)作用。
7、作為本公開的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述碳基材料的表面具有羧基、羥基或氨基中的任意一種或兩種以上的組合的表面官能團(tuán)。
8、本公開提供的碳基材料的表面官能團(tuán)能夠與具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物發(fā)生共價(jià)鍵合反應(yīng)，使具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物能夠在碳材料表面接枝，從而實(shí)現(xiàn)碳基材料的表面改性與碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料的制備。
9、作為本公開的一種優(yōu)選技術(shù)方案，以所述碳基材料的質(zhì)量為100％計(jì)，所述表面官能團(tuán)的含量為1-20wt％，例如2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％等。
10、作為本公開的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述碳基材料選自零維、一維、二維或三維的碳基材料中的任意一種或兩種以上的組合。
11、作為本公開的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述碳基材料選自多孔碳球、碳納米纖維、碳納米管、乙炔黑、科琴黑、天然石墨、人造石墨、石墨烯、軟碳、硬碳或生物質(zhì)衍生碳材料中的任意一種或兩種以上的組合。
12、作為本公開的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述碳基材料和所述具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物的質(zhì)量比為(1-4):1，例如1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，其特征在于，所述碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料包括碳基材料基體和接枝在所述基體表面的具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物支鏈，所述粘結(jié)官能團(tuán)選自氟基、羥基、羧基、醚基、苯基、氰基、氨基、巰基或酰亞胺基中的任意一種或兩種以上的組合，優(yōu)選為羥基、羧基、苯基或酰亞胺基中的任意一種或兩種以上的組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，其特征在于，所述具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物選自聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基乙烯基醚馬來酸酐共聚物、聚乙烯亞胺、聚醚酰亞胺、聚苯乙烯、聚苯乙烯-丁二烯橡膠、聚偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、(八氟-N-丁基)環(huán)氧化物、羧甲基纖維素、海藻酸鈉、淀粉、環(huán)糊精、瓜爾膠或多聚糖中的任意一種或兩種以上的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，其特征在于，所述碳基材料的表面具有羧基、羥基或氨基中的任意一種或兩種以上的組合的表面官能團(tuán)；
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，其特征在于，所述碳基材料選自零維、一維、二維或三維的碳基材料中的任意一種或
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，其特征在于，所述碳基材料和所述具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物的質(zhì)量比為(1-4):1。
6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：將碳基材料與具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物進(jìn)行接枝反應(yīng)，得到所述碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包括：在接枝反應(yīng)之前將所述碳基材料與氧化劑混合進(jìn)行改性，得到具有含氧官能團(tuán)的碳基材料；
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制備方法，其特征在于，所述接枝反應(yīng)在溶劑中進(jìn)行；
9.一種電極極片，其特征在于，所述電極極片包含權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，優(yōu)選所述電極極片中所述碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料的含量為2-24wt％。
10.一種電化學(xué)器件，其特征在于，所述電化學(xué)器件包含權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料或權(quán)利要求9所述的電極極片。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，其特征在于，所述碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料包括碳基材料基體和接枝在所述基體表面的具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物支鏈，所述粘結(jié)官能團(tuán)選自氟基、羥基、羧基、醚基、苯基、氰基、氨基、巰基或酰亞胺基中的任意一種或兩種以上的組合，優(yōu)選為羥基、羧基、苯基或酰亞胺基中的任意一種或兩種以上的組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，其特征在于，所述具有粘結(jié)官能團(tuán)的聚合物選自聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、甲基乙烯基醚馬來酸酐共聚物、聚乙烯亞胺、聚醚酰亞胺、聚苯乙烯、聚苯乙烯-丁二烯橡膠、聚偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、(八氟-n-丁基)環(huán)氧化物、羧甲基纖維素、海藻酸鈉、淀粉、環(huán)糊精、瓜爾膠或多聚糖中的任意一種或兩種以上的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，其特征在于，所述碳基材料的表面具有羧基、羥基或氨基中的任意一種或兩種以上的組合的表面官能團(tuán)；
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的碳基導(dǎo)電粘結(jié)材料，其特征在于，所述碳基材料選...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：連芳，杜云飛，孟楠，李楊，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京車和家汽車科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
還沒有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。