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你了解粘結(jié)劑怎么樣可提升電池性能嗎?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年04月19日  

鋰離子電池漿料是一個復雜的多相混合非牛頓型流體。負極漿料由活物質(zhì)(石墨)、導電劑(炭黑、CNT、VGCF等)、粘結(jié)劑、增稠劑及溶劑去離子水等多相物質(zhì)混合制成。


正極漿料由活物質(zhì)、導電劑、粘結(jié)劑及溶劑組成?;钗镔|(zhì)、導電劑、溶劑對金屬電極沒有粘附性,故無法做成極片用于制備鋰離子電池。粘結(jié)劑是漿料中重要的組分,粘結(jié)劑將各種顆粒粘接在一起,形成了具有粘附性的漿料,將其與金屬箔緊密粘接在一起。粘結(jié)劑一般用量僅有1%左右,但是在鋰離子電池中卻占有5%的用途,可謂是小塊頭有大智慧。


從極片加工角度對粘結(jié)劑的性能要求重要有以下幾點:


1.能夠長時間維持漿料粘度保持不變。不會因為漿料放置導致其沉降,失效。


2.可溶解形成高濃度溶液,所需的汽化熱較低。


3.碾壓時容易成型且不會反彈。


4.具有柔性,在電極破裂時不會形成碎片。


粘結(jié)劑不僅關(guān)乎鋰離子電池的制造工藝,而且對鋰離子電池的電化學性能有著重要的影響,要粘結(jié)劑具有這樣的特點:


1.能夠很好的保持活物質(zhì)的狀態(tài)。


2.與金屬箔具有良好的粘結(jié)性,不會因為電解液和充放電使用而剝離金屬箔。


3.在較寬的電壓范圍內(nèi)有良好的電化學穩(wěn)定性。


4.具有較高的熔點和較低的溶脹率。即使在高溫下,粘結(jié)劑與活物質(zhì)的組合結(jié)構(gòu)也要保持穩(wěn)定。粘結(jié)劑通常會有溶脹現(xiàn)象,溶脹超出一定程度就會影響活性物質(zhì)和集流體間的導電性,就會造成電池容量衰減,所以要控制其溶脹率。


5.具有良好的離子傳輸性和電子導電性。


粘結(jié)劑可以分為水系粘結(jié)劑和油系粘結(jié)劑,常用的油系粘結(jié)劑有PVDF均聚物和共聚物,其重要以NMP(氮甲基吡咯烷酮)、DMF(氮二甲基酰胺)等作為其溶劑。在磷酸鐵鋰、NCM三元材料為正極材料的電池體系中,一般選用PVDF作為正極粘結(jié)劑。


PVDF有粉狀顆粒和膠狀物質(zhì),粉狀呈白色顆粒,膠狀PVDF為淡黃色透明膠體,粘度約為5000~8000。無論PVDF的粉末直接用于攪拌漿料還是先做成膠體再投入制漿工藝都已成熟,兩者的差別是在固含量和投料比一致的情況下,工藝略有不同,漿料最終粘度也不相同。


水系粘結(jié)劑重要有SBR(丁苯乳液)、CMC(羥甲基纖維素)、PTFE(聚四氟乙烯乳液)、PAA(聚丙烯酸酯)等。最初,負極攪拌使用的粘結(jié)劑也是PVDF等油系粘結(jié)劑,但是因為考慮到電池內(nèi)極化嚴重,且水系更環(huán)保且能代替其粘結(jié)用途,故發(fā)展到現(xiàn)在負極選用水系粘結(jié)劑已經(jīng)成為其主流方向。


常見于負極石墨體系選用SBR和CMC作為負極粘結(jié)劑,SBR和CMC均具有粘結(jié)的用途,但是實際上SBR稱為粘結(jié)劑而CMC稱為增稠劑(穩(wěn)定漿料)。選用SBR和CMC兩者協(xié)同作為粘結(jié)劑的理由如下:


1.SBR粘結(jié)性更強,但是其在長時間的攪拌下容易破乳,從而結(jié)構(gòu)破壞,降低其粘結(jié)性,一般情況下SBR選擇在攪拌后期加入。同時SBR分散效果并沒有CMC好,過多的SBR會出現(xiàn)較大溶脹,所以也不能完全用SBR作為粘結(jié)劑。


2.CMC關(guān)于負極石墨的分散能夠起到很好的用途。CMC在水溶液中會分解出鈉離子和陰離子,隨著CMC量新增,其分解產(chǎn)物將附著在石墨顆粒表面,石墨顆粒之間由于靜電用途力而相互排斥,達到很好分散效果。


但是CMC也有比較致命的缺點,CMC是呈脆性的,假如全部選用CMC作為粘結(jié)劑,極片在壓片、分切過程中石墨負極出現(xiàn)坍塌會出現(xiàn)嚴重的掉粉情況。


目前還沒有一種完美的粘結(jié)劑,能夠符合上述要求的所有特點。只能在此基礎上,盡量選擇符合物理加工及電化學要求的粘結(jié)劑。隨著鋰電技術(shù)的發(fā)展,考慮到成本及環(huán)保問題,鋰離子電池逐漸向水系粘結(jié)劑轉(zhuǎn)移,最新鋰離子電池技術(shù)還出現(xiàn)了不要粘結(jié)劑的情況。


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