一种κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于粘结剂合成及电化学技术领域，更具体地，涉及一种κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶及其制备方法和应用。

背景技术

为适应快速增长的可再生能源的需求，低成本、高安全和高能量密度的大规模储能系统的发展引起了人们的浓厚的兴趣。锂离子电池具有高能量密度和长循环寿命等优点，被认为是最有前途的储能装置，目前已经广泛应用于便携式电子设备中，比如智能手机、智能穿戴设备及电脑。然而，要推进其在电动汽车和智能电网的大规模应用，必须达到有着优异的能量密度，超长的使用寿命和廉价的经济成本的要求。硅具有高于石墨负极十倍的理论比容量(4200mAh/g vs.372mAh/g)的优势，当采用硅作为锂离子电池的负极材料时，将极大地提高锂离子电池的能量密度。然而，采用传统的硬性粘结剂用于锂离子电池硅材料负极仍面临着关键性的问题，硅在充放电过程中严重的体积膨胀收缩，将破坏电极结构，导致电极粉化，造成电极循环性能差，难以实际应用。

粘结剂是电极的重要组成部分，在电极的电化学性能和循环性能等方面有着巨大的影响。为满足人们对低成本、环境友好和高效储能锂离子电池的需求，高安全性和廉价的水溶性天然高分子材料被认为是非常有前途的硅负极粘结剂。以水溶性天然高分子材料作为硅电极的粘结剂可以与硅颗粒表面形成强氢键相互作用从而产生良好的界面粘结以提升电极的循环性能。然而，单一生物质聚合物存在粘结能力不足或机械性能差等缺点，不能满足在低含量的粘结剂和较高硅质量载量下实现稳定循环的要求。通过将多种生物质聚合物混合，生物质聚合物之间能够产生一种协同效应，产生各单体胶本身并不具有的特性，用于弥补各自的不足。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，针对具有低成本的水溶性天然高分子材料作为锂离子电池硅负极的粘结剂时存在粘结能力不足或机械性能差等缺点，而导致在高硅质量载量下电池循环稳定性差的问题，本发明目的在于提供一种卡拉胶和魔芋胶的复配胶。该复配胶是一种安全性高、成本低廉的水溶性复配生物质聚合物的粘结剂体系。采用该复配胶作为粘结剂的硅负极可以在较低粘结剂含量(0～10wt％)，高Si含量(80～100wt％)和较高Si质量载量(1～3mg cm

本发明的另一目的在于提供上述卡拉胶和魔芋胶的复配胶的制备方法。该方法合成条件简单，原料安全性高、价格低廉，符合绿色化学的要求。

本发明的再一目的在于提供上述卡拉胶和魔芋胶的复配胶的应用。当复配胶作为粘结剂的硅负极与商用三元正极NCM523匹配成全电池后，得到的全电池也展示了较为稳定循环性能。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶，所述复配胶是将κ-卡拉胶和魔芋胶混合均匀，将其溶解于去离子水中搅拌，形成分散液；再将分散液置于60～90℃水浴搅拌，形成胶状溶液制得。

优选地，所述的κ-卡拉胶与魔芋胶的质量比为(0.1～10):1。

优选地，所述的κ-卡拉胶和魔芋胶的总质量与去离子水的质量比为1:(49～199)。

优选地，所述的去离子水的电阻率为18～18.5MΩcm。

优选地，所述的复配胶的浓度为0.5～2wt％。

优选地，所述的搅拌的时间为10～60min。

所述的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶的制备方法，包括如下步骤：

S1.将κ-卡拉胶和魔芋胶混合均匀，溶解于去离子水中搅拌，形成分散液；

S2.将分散液置于60～90℃水浴加热搅拌，形成胶状溶液，即为复配胶粘结剂。

所述的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶在锂离子电池领域中的应用。

本发明粘结剂选用具有胶凝、增稠、乳化、成膜、稳定分散等优良特性的κ-卡拉胶和储量丰富、价格低廉的魔芋胶，在简单的加热和搅拌条件下，使用κ-卡拉胶和魔芋胶的官能团发生相互作用，形成一种具有新型三维网络的复配胶生物质聚合物。生物质聚合物之间能够产生一种协同效应，产生各单体胶本身并不具有的特性，用于弥补各自的不足。能够很好地解决由于单一生物质聚合物存在粘结能力不足或机械性能差的缺点，而导致其在低含量的粘结剂(0～10wt％)和较高硅质量载量(1～3mg cm

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的κ-卡拉胶与魔芋胶复配胶生物质粘结剂具有三维网络结构，κ-卡拉胶与魔芋胶复配胶中丰富的含氧官能团可以与Si颗粒表面产生氢键相互作用，提供很好的界面粘结力。相比于单一生物质胶，复配胶在0.15Ag

2.本发明的κ-卡拉胶与魔芋胶复配胶应用于锂离子电池硅基负极，有效地解决了水溶性天然高分子作为粘结剂存在粘结能力不足或机械性能差而导致硅基电极循环性能差的问题。用其制得的硅基负极，当Si质量载量为1.47mg cm

3.本发明的κ-卡拉胶与魔芋胶复配胶的硅负极与商业化的LiNi

4.相比于目前商业化的粘结剂，本发明的κ-卡拉胶与魔芋胶复配胶作为硅负极粘结剂可以可以在较低粘结剂含量(0～10wt％)，高Si含量(80～100wt％)和较高Si质量载量(1～3mg cm

附图说明

图1为实施例1中的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶的红外光谱图。

图2为实施例1中的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶为粘结剂的硅电极的充放曲线图和循环性能图。

图3为实施例1中的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶制得的硅负极与商用的LiNi

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

1.将食用级的60mg的κ-卡拉胶和40mg的魔芋胶均匀地混合，然后分散于10g去离子水中，去离子水电阻率为18.4Ω，制得分散液；

2.将分散液置于80℃的水浴锅中搅拌30min，得到浓度为1wt％的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶。

图1为实施例1中的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶的红外光谱图。其中，(a)KG为κ-卡拉胶，(b)KCG为魔芋胶，(c)N-KCG-KG为κ-卡拉胶和魔芋胶。从图1中可知，通过FTIR光谱研究了κ-卡拉胶和魔芋胶之间的相互作用。当材料中发生相互作用时，FTIR光谱中分配给特定官能团的峰会移至更高或更低的波数，或出现新的峰。魔芋胶在3408cm

本发明制备的κ-卡拉胶与魔芋胶的复配胶生物质聚合物作为锂离子电池硅负极粘结剂，硅负极的制备方法与传统制备电极的方法相同。硅极片的制备方法如下：采用硅纳米颗粒为活性材料，Super P为导电剂，κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶生物质聚合物作为粘结剂，活性材料硅纳米颗粒、导电剂Super P、粘结剂，κ-卡拉胶和魔芋胶的质量比为8:1:1；加入去离子水中混合，形成均匀的浆料，然后将该浆料涂覆在铜集流体上制成硅极片。涂覆好的硅极片置于80℃的烘箱干燥12h。以1mol/L的LiPF

图2为实施例1中的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶为粘结剂的硅电极的充放曲线图和循环性能图。其中，(a)为以κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶为粘结剂的硅电极在0.15Ag

图3为实施例1中的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶制得的硅负极与商用的LiNi

实施例2

1.将食用级的50mg的κ-卡拉胶和50mg的魔芋胶均匀地混合；然后分散于12.5g去离子水中，去离子水电阻率为18.4Ω，制得分散液；

2.将分散液置于90℃的水浴锅中搅拌30min，得到浓度为0.8wt％的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶溶液。

实施例3

1.将食用级的25mg的κ-卡拉胶和75mg的魔芋胶均匀地混合，然后分散于6.25g去离子水中，去离子水电阻率为18.4Ω，制得分散液；

2.将分散液置于90℃的水浴锅中搅拌30min，得到浓度为1.6wt％的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶溶液。

实施例4

1.将食用级的66.7mg的κ-卡拉胶和33.3mg的魔芋胶均匀地混合，然后分散于7.69g去离子水中，去离子水电阻率为18.4Ω，制得分散液；

2.将分散液置于80℃的水浴锅中搅拌30min，得到浓度为1.3wt％的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶溶液。

实施例5

1.将食用级的75mg的κ-卡拉胶和25mg的魔芋胶均匀地混合，然后分散于6.25g去离子水中，去离子水电阻率为18.4Ω，制得分散液；

2.将分散液置于80℃的水浴锅中搅拌30min，得到浓度为1.6wt％的κ-卡拉胶和魔芋胶的复配胶溶液。

本发明采用所得复配胶作为粘结剂的硅负极可以在较低粘结剂含量(0～10wt％)，高Si含量(80～100wt％)和较高Si质量载量(1～3mg cm

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。