锂电池用含氟丙烯酸系胶粘剂的合成及研究

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胶粘剂是制备锂离子电池电极必须使用的重要材料之一。聚偏氟乙烯(PVDF)一直是锂离子电池中最常用的胶粘剂,然而,PVDF基础上的极片要用N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,价格贵且有毒。因此,开发用于锂离子电池粘接的高性能水性胶粘剂来改善稳定性、提高柔韧性,具有广泛的应用价值。而含氟丙烯酸酯类乳液胶粘剂具有粘接性能优良、拒水拒油、高度的化学惰性等特点,并且属于环保型产品。所以,开发此类胶粘剂用于锂离子电池非常有意义。  本文采用乳液聚合的方式,合成了一种含氟丙烯酸系胶粘剂,并用红外光谱(FT-IR)、热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、纳米粒度仪, X射线光电子能谱(XPS)等手段对乳液及乳胶膜进行了表征。系统的研究了含氟乳液聚合过程的影响因素,并对乳胶膜的结构和性能进行了深入研究。初步筛选吸水率低,粘结强度大的含氟丙烯酸酯胶粘剂用于扣式电池的负极极片中,研究其电化学性能。然后将性能最优的胶粘剂与商品化的 PVDF胶粘剂进行综合性能对比研究其电化学性能。实验主要结论如下:  (1)采用磺基琥珀酸癸基聚氧乙烯(6)醚酯二钠(A-102)和辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10)为乳化剂,过硫酸铵(APS)与亚硫酸氢钠(NaHSO3)为引发剂,甲基丙烯酸十二氟庚酯(DFHMA)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、丙烯腈(AN)、丙烯酸异辛酯(2-EHA)为单体,合成了含氟丙烯酸酯乳液胶粘剂。乳液最佳的聚合工艺条件是聚合温度为60℃,引发剂用量为0.5wt%,乳化剂用量为1wt%,AA用量为15wt%,AM用量为10wt%,DFHMA用量为8wt%,AN:2-EHA=8:7。  (2)最佳工艺配方条件下,含氟丙烯酸酯共聚乳液的粘度为3120mPa.s,乳胶膜的吸水率为6.21%,对铜片的拉伸剪切强度可达到8.25MPa。X射线光电子能谱(XPS)表明含氟丙烯酸系共聚乳液在成膜过程中,含氟组分会在乳胶膜-空气界面富集。  (3)将含氟丙烯酸系胶粘剂应用到锂离子电池中,电池的首次充电比容量为439.3mAh/g,放电比容量为384mAh/g,首次充放电的效率为87.4%;不同倍率下充放电性能良好;经过五十次循环以后,可逆比容量容量保持率为97.6%。与PVDF相比,含氟丙烯酸系胶粘剂的首次可逆比容量、低倍率充放电性能优于PVDF;50次循环后稳定性与PVDF相当。
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