好的粘結(jié)劑，不僅有利于電池能量密度的提高，對于電池內(nèi)阻也有明顯的降低作用，對電池的電化學性能也具有重要的影響。 鋰電池漿料是一個復雜的多相混合非牛頓型流體。正極漿料由活物質(zhì)、導電劑、粘結(jié)劑及溶劑組成。目前市場化的鋰電池正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等產(chǎn)品，導電劑主要有炭黑、碳納米管、導電石墨等，粘結(jié)劑分為水系和油系粘結(jié)劑，對應的溶劑有水系的去離子水和油系的NMP溶劑。 負極漿料由活物質(zhì)、導電劑、粘結(jié)劑、增稠劑及溶劑去離子水等多相物質(zhì)混合制成。負極活物質(zhì)主要是各類型的石墨、硅碳負極，導電劑和正極導電劑種類差不多（炭黑、CNT、VGCF等），目前市場上負極粘結(jié)劑一般選擇對環(huán)境無污染的水系粘結(jié)劑如CMC、SBR、LA132等。當負極材料采用鈦酸鋰時，粘結(jié)劑一般選擇油系的PVDF，用NMP來作溶劑。 活物質(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鋰電池。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。好的粘結(jié)劑，不僅有利于電池能量密度的提高，對于電池內(nèi)阻也有明顯的降低作用，對電池的電化學性能也具有重要的影響。 粘結(jié)劑不僅關(guān)乎鋰電池的制造工藝，而且對鋰電池的電化學性能有著重要的影響，從電池性能角度來講需要粘結(jié)劑具有這樣的特點： 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)也需要保持穩(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，所以需要控制其溶脹率。 聚偏氟乙烯(PVDF)是一種具有高介電常數(shù)的聚合物材料，具有良好的化學穩(wěn)定性和溫度特性，具有優(yōu)良的機械性能和加工性，對提高粘結(jié)性能有積極的作用，被廣泛應用于鋰離子電池中，作為正負極粘結(jié)劑。 PVDF單體有兩個氫原子和兩個氟原子（CH2CF2），氫原子的電子偏向其他原子，被稱為供體。共價鍵電子云偏向氟原子，因此氟原子被稱為受體。 PVDF的晶形中，穩(wěn)定的是-型，其余部分使無定形的。無定形區(qū)域?qū)τ跇O性分子來說是個良好的基體，鋰離子可以穿透溶脹的PVDF薄層。 PVDF根據(jù)分子鏈和分子量的大小可以分為多種，例如7200/5100/9100/9300等。市場上PVDF有粉體和膠液兩種類型產(chǎn)品，為了降低成本，大多數(shù)家選擇購買PVDF粉體打膠后投入使用，或者直接投入制漿工藝。 影響PVDF粘結(jié)性的影響因素主要有分子量大小、結(jié)晶度、PVDF改性、正極材料及導電劑種類等。PVDF分子量越大，粘結(jié)性越強，極片的剝離強度就越大。結(jié)晶度越高，分子鏈之間堆砌的更加緊密，分子間作用力更大，粘結(jié)性更好。PVDF用作鋰電池粘結(jié)劑具有良好的性能，影響其使用的主要是PVDF粉末在NMP溶劑中的溶解程度和水分影響。 PVDF高分子材料在溶劑中的溶解主要受結(jié)晶度、粉末粒徑、分子量大小、極性以及溶解溫度的影響。結(jié)晶度越高，溶劑就很難滲透進溶質(zhì)分子，溶解緩慢；粒徑越大，PVDF溶解越慢；分子量越大，PVDF的溶解度越小，相同濃度的膠液粘度就越高；一定范圍內(nèi)，溫度越高越有利于粉末的溶解，不過高于70℃的溶解溫度可能造成PVDF的降解。 除了PVDF粉末的溶解外，對于NMP溶劑的水分要特別控制，NMP吸水程度要比正極活物質(zhì)、導電劑等材料吸水嚴重。NMP內(nèi)部游離氨的存在、吸水后漿料pH值升高，堿性基團會攻擊相鄰的C-F、C-H鍵，PVDF很容易發(fā)生雙分子消去反應，會在分子鏈上形成一部分的碳碳雙鍵： 共軛雙鍵數(shù)量升高會導致漿料粘度升高，嚴重時會產(chǎn)生凝膠像果凍一樣，無法進行正常涂布。 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)作用，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。 水性粘結(jié)劑有著與油性粘結(jié)劑一樣甚至更好的性能，選擇合適的用量，會使電池性能得到提高，而且由于其更安全，更環(huán)保，成本更低等優(yōu)點，成為二次鋰離子電池粘結(jié)劑研究的趨勢和熱點。 羥甲基纖維素鈉（CMC）是一種鈉鹽。CMC是一種離子型線性高分子物質(zhì)，純品為白色或微黃色的纖維狀粉末，無毒、無味，易溶于冷熱水和極性溶劑中成為透明粘稠性溶液，在制作電極漿料的時候加入CMC，能提高漿料粘度和防止?jié){料沉淀。 CMC膠液與金屬箔有良好的粘結(jié)性，且具有導電性能。CMC膠液粘度會隨著溫度的升高而降低，容易吸潮，彈性較差。丁苯橡膠（SBR）是一種水性粘結(jié)劑，一種高分子材料具有良好的耐水和耐老化性能。 相對來說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會產(chǎn)生較大溶脹，所以也不能完全用SBR作為粘結(jié)劑。 CMC對于負極石墨的分散能夠起到很好的作用。CMC在水溶液中會分解出鈉離子和陰離子，隨著CMC量增加，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作用力而相互排斥，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，如果全部選用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。同時，CMC受電極材料配比、pH值的影響較大，充放電時極片可能會龜裂，直接影響電池的安全性。 聚丙烯酸是一種水溶性鏈狀聚合物，可以與許多金屬離子形成聚丙烯酸鹽，如聚丙烯酸及其鹽的分子鏈中同樣具有許多含氧基團（-COOH），能夠與硅碳活性材料表面形成氫鍵作用，賦予活性顆粒與集流體之間較強的結(jié)合力，同時還具有緩解硅基材料體積膨脹的作用，還能夠改善電池的循環(huán)性能，提高電池的壽命聚丙烯酸鈉，聚丙烯酸鈉易溶于水，具有增稠的作用，可用于鋰離子電池料漿的增稠劑。 目前有研究表明羧基含量更高的PAA比CMC-Na更適用于硅基負極材料。PAA不僅可與Si形成強氫鍵作用，而且能在Si表面形成比CMC-Na更均勻的類似SEI膜的包覆層，抑制電解液的分解，在Si電極材料方面的電化學性能優(yōu)于CMC-Na、PVA和PVDF。PAA作為石墨負極的粘結(jié)劑時，可以在石墨電極表面形成一種膜，阻止石墨片層狀剝落的過程中溶劑化鋰離子的嵌入。 PTFE單體的分子式是（CF2CF2），PTFE具有良好的粘結(jié)性，能夠在電極基體中形成一種彈性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，活性物質(zhì)不但彼此接觸良好，有利于電子的傳導，還可以對抗由于電極充放電造成的膨脹和收縮，能夠改善鋰電池的放電性能和儲存壽命。PTFE在生產(chǎn)工藝是比PVDF簡單，儲存方法上要求也比較低，成本上比PVDF要低，且對環(huán)境友好。 在部分研究中發(fā)現(xiàn)，PTFE會增加電極的電阻，降低電極可逆性，從而降低電極的電位和放電容量。所以PTFE的用量要根據(jù)電極體系來決定。 聚乙烯醇（PVA）是一種白色至微黃色固體或者粉末，是一種常見的水溶性高分子化合物，其分子鏈中含有大量的羥基，可以在碳負極材料表面形成氫鍵，具有較好的粘結(jié)性。 其外型可分為絮狀、顆粒狀、粉狀三種，是一種用途相當廣泛的水溶性高分子聚合物。水溶液粘度隨聚合度增大而增大，成膜后的強度和耐溶劑性提高。耐光性好，不受光照影響。缺點是其水溶液在貯存時，有時會出現(xiàn)毒變。 雖然目前研究使用中的粘結(jié)劑種類有很多，但是每種粘結(jié)劑的適用漿料體系、優(yōu)缺點都各有不同。商業(yè)化鋰電池的粘結(jié)劑并非單一組分粘結(jié)劑，目前常用的辦法是對粘結(jié)劑進行改性，以優(yōu)化其各項性能。改性的方法包括共混改性法、共聚改性法、研發(fā)新型粘結(jié)劑體系以及其它改性方法。 LA132/LA133水性粘結(jié)劑是丙烯腈多元共聚物的水分散液，具有良好的抗氧化和抗還原能力。此種粘結(jié)劑綜合性能較好，使用時不需要添加增稠劑和有機溶劑，能夠有效降低成本和對環(huán)境的污染。 與PVDF粘結(jié)劑相比，LA132的溶脹性更小，可以防止鋰電池使用過程中活物質(zhì)的脫落。不過，在使用過程中需要注意調(diào)整漿料的粘度，涂布過程中極片的烘烤溫度不能過高，否則容易出現(xiàn)卷邊或涂層龜裂的現(xiàn)象。 LEE等使用兩種水性粘結(jié)劑，聚丙烯酸丁脂（PBA）和聚丙烯腈（PA）作為正極材料為鈷酸鋰的鋰離子電池粘結(jié)劑時，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)劑可以提高柔韌性和改善循環(huán)穩(wěn)定性。 除了以上例子外，還有很多類型的改性粘結(jié)劑。鋰電池用粘結(jié)劑除了需要滿足粘結(jié)性高之外，還要具有粘結(jié)后極片柔韌性好、在電解液中不溶解、致密性、化學和電化學穩(wěn)定性以及易于電極涂覆，還要加上成本低、具有環(huán)保性等，想要滿足所有的特性是比較困難的，粘結(jié)劑還有很長一段路要走。 聲明：本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內(nèi)容圖片侵權(quán)或者其他問題，請聯(lián)系本站作侵刪。侵權(quán)投訴 2020年全球物聯(lián)網(wǎng)市場對電池需求增至159億美元,CAGR達到11．6% CS5181具有電源路徑管理、運輸節(jié)電模式功能的1.5A線性單節(jié)鋰電充電管理IC
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