一种复合双导-双亲粘结剂及其制备方法和应用

本发明属于锂电池，具体涉及一种复合双导-双亲粘结剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着新能源汽车的规模化应用与电化学储能器件的快速发展，锂离子电池的市场需求呈持续增长态势，其能量密度、循环稳定性及安全性等核心性能指标面临更高要求。传统石墨负极经长期技术迭代后，已难以满足新能源汽车等领域对高能量密度锂离子电池的应用需求。在锂离子电池负极材料体系中，硅基材料被认为是极具应用前景的新一代负极材料，其理论比容量高达4200mah·g-1，显著高于商业石墨负极372mah·g-1的理论比容量。然而，硅基负极材料在嵌脱锂过程中存在约300%的体积变化，且首次库仑效率较低，严重制约其商业化进程。硅碳复合材料因具备更优异的循环性能与更高的库仑效率，成为当前硅基材料商业化研究的热点方向，但该材料仍存在一定程度的体积膨胀问题，导致其长循环稳定性与倍率性能表现不佳。

2、粘结剂作为电池极片的关键组分之一，其分散均匀性与界面粘结强度直接影响电极结构完整性与循环稳定性。在硅碳复合负极体系中，粘结剂的选择至关重要，需同时实现对硅材料与石墨组分的高效粘结。目前商业化粘结剂如羧甲基纤维素钠/丁苯橡胶（cmc/sbr）、聚丙烯酸（paa）等，虽对硅材料具有良好的粘结性能，但由于其分子结构与石墨的亲和性较差，难以在循环过程中维持硅碳负极的整体结构稳定性，这一局限使传统粘结剂在硅碳负极应用中面临显著挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复合双导-双亲粘结剂及其制备方法和应用。针对硅碳复合负极的特殊需求，开发了一种新型高性能复合粘结剂体系（复合双导-双亲粘结剂），该复合粘结剂通过分子结构调控，同时引入亲硅与亲石墨功能基团，实现与两种活性材料的均匀结合。且此复合粘结剂中的复合物又是双导粘结剂兼具电子导电与离子导电双重特性，相比聚偏氟乙烯（pvdf）、cmc/sbr等绝缘粘结剂，既能在极片内部搭建连续电子、锂离子传输通道，有效降低电极内阻、弱化充放电极化，大幅提升快充倍率性能，还可减少碳系导电剂的添加量，释放电极空间以提高能量密度；同时其多带有弹性交联结构与动态可逆键，能维持稳定导电网络与极片完整性，显著改善电池长循环稳定性。为硅碳负极的商业化应用提供了可行路径。本发明提供的复合双导-双亲粘结剂的工作机理示意图见图1。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明技术方案之一：提供一种复合双导-双亲粘结剂，由壳聚糖水溶液和导电石墨烯n-甲基吡咯烷酮分散液混合而成，所述壳聚糖水溶液中壳聚糖与所述导电石墨烯n-甲基吡咯烷酮分散液中导电石墨烯的质量比为(7~8):(1~2)。

4、优选地，所述壳聚糖水溶液的浓度为2.0wt%。

5、优选地，所述导电石墨烯n-甲基吡咯烷酮分散液的浓度为0.2wt%。

6、本发明技术方案之二：提供一种上述复合双导-双亲粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

7、将壳聚糖溶于水中，得到壳聚糖水溶液；将导电石墨烯分散于n-甲基吡咯烷酮中，得到导电石墨烯n-甲基吡咯烷酮分散液；将所述壳聚糖水溶液与导电石墨烯n-甲基吡咯烷酮分散液混合搅拌，制得所述复合双导-双亲粘结剂。

8、本发明技术方案之三：提供一种上述复合双导-双亲粘结剂在制备硅碳负极中的应用。

9、本发明技术方案之四：提供一种硅碳负极，组分包括活性物质硅碳、导电剂和上述复合双导-双亲粘结剂。

10、优选地，所述活性物质硅碳、导电剂和复合双导-双亲粘结剂的质量比为(7~8):(1~2):1。

11、优选地，所述活性物质硅碳为硅碳合金-950-k；所述导电剂包括super p。

12、本发明技术方案之五：提供一种上述硅碳负极在制备锂离子电池中的应用。

13、本发明的有益技术效果如下：

14、本发明在壳聚糖的基础上开发了一种具有双导-双亲性能的复合粘结剂，所提供的双导-双亲性能的复合粘结剂由壳聚糖和导电石墨烯交联反应制得。该复合双导-双亲粘结剂对硅碳材料具有稳定的电化学性能、对si与c材料的良好亲和性，以及与si/c材料界面的高度适配性。

15、本发明提供的复合双导-双亲粘结剂为水系粘结剂，具有环境友好，制备简单的优点。

16、本发明构建的石墨烯掺杂的壳聚糖交联网络结构中，壳聚糖分子结构中富含氨基与羟基，可通过氢键相互作用实现对硅颗粒的稳定锚定，同时可有效提升粘结剂的离子传导能力；石墨烯则通过π-π堆叠相互作用，显著增强粘结剂的电子传导性能，并可与硅颗粒表面的碳质层形成良好的界面粘附作用。该粘结剂的定向锚定效应可强化电极组分在浆料体系中的界面结合力与分散均匀性，保证长循环过程中电极颗粒间的连接稳定性与电极结构完整性得以维持；同时，该结构可为锂离子与电子的传输提供连续且通畅的输运通道。

1.一种复合双导-双亲粘结剂，其特征在于，所述复合双导-双亲粘结剂由壳聚糖水溶液和导电石墨烯n-甲基吡咯烷酮分散液混合而成，所述壳聚糖水溶液中壳聚糖与所述导电石墨烯n-甲基吡咯烷酮分散液中导电石墨烯的质量比为(7~8):(1~2)。

2.根据权利要求1所述复合双导-双亲粘结剂，其特征在于，所述壳聚糖水溶液的浓度为2.0~3.0wt%。

3.根据权利要求1所述复合双导-双亲粘结剂，其特征在于，所述导电石墨烯n-甲基吡咯烷酮分散液的浓度为0.2~0.3wt%。

4.一种权利要求1~3任一项所述复合双导-双亲粘结剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.权利要求1~3任一项所述复合双导-双亲粘结剂在制备硅碳负极中的应用。

6.一种硅碳负极，其特征在于，组分包括活性物质硅碳、导电剂和权利要求1~3任一项所述复合双导-双亲粘结剂。

7.根据权利要求6所述硅碳负极，其特征在于，所述活性物质硅碳、导电剂和复合双导-双亲粘结剂的质量比为(7~8):(1~2):1。

8.根据权利要求6所述硅碳负极，其特征在于，所述活性物质硅碳为硅碳合金-950-k；所述导电剂包括super p。

9.权利要求6~8任一项述硅碳负极在制备锂离子电池中的应用。