水性聚氨酯粘结剂在锂离子电池正极中应用研究

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作者：

谢功山

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摘要：

由于高能量密度,长寿命和环保性能,可充电锂离子电池(LIB)被认为是最有前途的能量储存系统之一,目前在许多领域已得到了应用.但是随着便携式储能和电动汽车日益增长的需求,要求锂离子电池在综合性能上可以得到进一步的提高.作为电池重要的组成部分,粘结剂对整个电池的电化学性能有很大的影响,目前工业常用的锂电池粘结剂为聚偏二氟乙烯(PVDF)虽然具有优异的电化学性,但是它熔点低导致其热稳定性差,并且使用的N-甲基吡咯烷酮作为溶剂,严重影响环境有害健康,因此水性粘结剂开始成为人们重点研究的对象.水性聚氨酯(WPU)因具有无污染,价格低廉,低毒性等优点日益受到人们的关注,并且其结构的可调性使水性聚氨酯在性能上的差异也是非常巨大的.在本论文主要研究了不同类型的水性聚氨酯在锂离子电池粘结剂上的应用. 论文第一章综述了锂离子电池的发展概况,介绍了目前锂电池常用粘结剂的研究进展,提出了本论文的研究内容. 论文第二章将异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)分别与聚氧化丙烯二醇(N220),聚己二酸丁二醇酯二元醇(PBA)和聚己二酸新戊二醇酯二元醇(PNA)共聚,制备了三种不同软段的水性聚氨酯(WPU)粘结剂.通过红外(FTIR),热重(TGA),拉力机,电池循环,倍率等测试,分别对WPU胶膜的力学,热学以及电池的电化学性能进行表征.结果表明,以WPU1为粘结剂的电池电化学性能最佳,电池在200次循环后,容量保持率可达到97.8%,要明显高于PBA型和PNA型水性聚氨酯和聚偏二氟乙烯(PVDF)为粘结剂的电池.并且该胶膜的拉伸强度为11MPa,玻璃化转变温度为-52℃,初始分解温度为273.6℃,基本符合电池粘结剂的要求. 论文第三章以IPDI,N220,三羟甲基丙烷聚乙二醇单甲醚(YmerN-120),氨基磺酸钠(A95)和二羟甲基丙酸(DMPA)为主要原料,分别制备了磺酸型,羧酸型和非离子型三种水性聚氨酯,研究了亲水结构对锂离子电池粘结剂性能的影响,结果表明磺酸型水性聚氨酯在三组当中综合性能最好,其胶膜的拉伸强度为38.3MPa,玻璃化转变温度为-52℃,热分解温度为285.7℃,符合锂离子电池粘结剂的基本要求.将其应用在锂离子电池组装中,电池在0.2C时的放电比容量为158mAh·g-1,10C时的放电比容量为84mAh·g-1,1C,100次循环后放电比容量与首次放电比容量相比,其容量保持率为90%. 论文第四章通过自由基聚合的方法将丙烯酸树脂共聚到水性聚氨酯的链段上,通过改变聚丙烯酸酯(PA)与水性聚氨酯(WPU)的质量比(PA:WPU=0:1,3:7,1:1,7:3,1:0),测试不同丙烯酸酯含量对水性聚氨酯胶膜力学性能,热学性能和应用在锂离子电池粘结剂后的电化学性能的影响.实验发现随着丙烯酸酯含量的增加,水性聚氨酯胶膜的力学强度呈现不断降低的趋势,玻璃化转变温度和耐分解温度也在不断提高.以五组水性粘结剂所组装的电池循环倍率测试发现,当丙烯酸酯与水性聚氨酯的质量比为1:1时性能最优,电池在0.2C时的放电比容量为153mAh·g-1,10C时的放电比容量为93mAh·g-1,电池1C的电流密度下在循环100次后与首次放电比容量相比容量保持率达到96.8%,从而电化学性能要明显优于另外四组粘结剂所组装的电池.

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关键词：

水性 聚氨酯粘结剂 锂离子 电池正极

年份：

2019