锂离子电池用丙烯酸系水性胶的制备及性能研究

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锂离子电池具有高电压、循环性好、安全性优良、可快速充放电、无记忆效应以及无污染等突出优点,是未来电动汽车用的理想轻型高能动力源。粘结剂占锂离子电池电极中的活性物质的5~8wt%,起着稳定极片结构的作用,能够粘结和保持活性物质,加强活性物质与导电剂的接触,是锂离子电池正、负极的重要组成部分。丙烯酸系水性胶是一种以水作溶剂或分散介质的环保型丙烯酸酯类胶粘剂,针对丙烯酸系水性胶进行研究以及性能优化,制备符合锂离子电池要求的粘结剂,对锂离子电池的发展有着重要价值。  本论文通过采用丙烯酸酯类单体,在十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和OP类非离子乳化剂的乳化作用下,通过过硫酸铵-亚硫酸氢钠氧化还原引发体系引发乳液聚合反应,制得丙烯酸系水性胶。具体研究内容如下:  (1)采用丙烯酸酯类单体,通过半连续法进行乳液聚合制备丙烯酸系水性胶,当软单体含量为45wt%、亲水单体含量为25wt%、乳化剂含量为0.4wt%、乳化剂配比为 SDBS/OP-10=0.3/0.1、引发剂含量为0.7wt%、温度为65℃时,乳液性能最佳。在此工艺条件下制备的丙烯酸系水性胶,呈非晶态的无规共聚物结构,具有一定的柔韧性,其SEM图呈现出一种“脑髓状”结构,且随着软单体含量增加,“脑髓状”结构愈加明显。  (2)考察丙烯酸系水性胶的理化性能发现,在乳液性能最佳的配方条件下,丙烯酸系水性胶的粘度为1850~1900cp,剥离强度为7.434N/25mm,表现出的较好的粘结性能和较低的吸水性。丙烯酸系水性胶在电解液中稳定性和粘结性与LA133和PVDF相当,可以应用到锂离子电池中。  (3)将丙烯酸系水性胶应用到锂离子电池中,确定极片中粘结剂、导电炭黑和石墨的比例为6%:9.9%:84.1%时,电池性能最好。在该比例条件下,丙烯酸系水性胶电池的首次循环的充电比容量为373.9mAh/g,放电比容量为358.8mAh/g,库伦效率为95.9%;在不同倍率下放电的库伦效率几乎在99%左右;经50次循环以后的可逆比容量为422.2mAh/g。与PVDF和LA133相比,丙烯酸系水性胶电池放电比容量较高,在极片中表现出较好的粘结性能,保证了较好的电池性能的发挥,但电池的循环稳定性还有待进一步提高。
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