1. 粘结剂以 3%的用量发挥了粘结和提高电池性能的作用
粘结剂粘结电极材料中的各种物质,并将其粘结到集流体上制成电极片。锂电池粘结剂是一种将锂电池电极活性物质粘附在集流体上的高分子化合物。
专门用于粘结和保持电极活性物质,增强电极活性材料与导电剂以及活性材料与集流体之间的电子接触,更好地稳定极片的结构。通常粘结剂的用量只占正、负极活性物质的 1.5%~3%,并且正极用量是负极的 3 倍。
粘结剂在电池成本中占比不到 1%,作用却很重要。粘结剂在锂电池中用量极少,占锂电池成本也仅不到 1%,但能发挥决定性的作用:
(1)保证活性物质制浆时的均匀性和安全性
(2)对活性物质颗粒间起到粘接作用
(3)将活性物质粘接到集流体上
(4)保持活性物质间以及和集流体间的粘接作用
(5)有利于在碳材料(石墨)表面上形成 SEI 膜
(6)提高电池的循环性能、快速充放能力,同时降低电池内阻。
粘结剂需要先溶解混合,再烘干涂布最终制成电极片,要求所用材料具有较好的黏性和热稳定性。通常粘结剂是粉末状的,在电极片制作过程中,首先将粘结剂溶解于分散剂,使其与电极的活性材料、导电剂和电解液充分接触并均匀分散于其中,再将其涂布于集流体上制成电极片。涂覆过程中,还需要将分散剂烘干挥发。
2. 正极使用油溶性粘结剂、负极使用水性粘结剂
锂电池粘结剂分为油溶性和水溶性两类。
油溶性粘结剂以聚偏氟乙烯(PVDF)的均聚物和共聚物应用最为广泛,采用有机溶剂作为分散剂,;水溶性粘结剂以丁苯(SBR)乳业粘结剂的使用较为广泛,采用水作为分散剂。
选择一种合适的锂电池粘结剂,要求其在电池中的欧姆电阻小,在电解液中能够保持稳定的性能。
正极使用油溶性粘结剂,负极使用水性粘结剂。
结合各电极材料的特性,目前正极材料主要使用 PVDF 油溶性材料作粘结剂,用有机溶剂进行溶解,常用的有机溶剂是N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
负极片的制造则通常采用丁苯(SBR)胶乳水溶性材料作粘结剂,以水或去离子水作溶剂,羧甲基纤维素(CMC)为增稠剂。
3. 水性粘结剂性价比高且环保
水性粘结剂的性价比高于油溶性粘结剂。
1)油溶性粘结剂容易造成污染,水性粘结剂更加环保。
油溶性粘结剂在加工过程中需要用到有机溶剂(目前通常用 NMP),在锂电池电极制造过程中涂布机会产生高温有机废气,它不仅对环境造成严重污染,而且会损害操作人员身体健康。而水性粘结剂在加工过程中无溶剂释放,更加绿色环保。
2)油溶性粘结剂较水性粘结及成本高。
有机溶剂和粘结剂 PVDF 的价格都比较高,采用 PVDF 作粘结剂的极片涂布工艺要求严格密封,使得能耗大、回收费用大,生产成本高。而水性粘结剂的涂布过程更加流畅,烘干温度≤80°,降低了对涂布设备的要求,价格也更加低廉,总体成本较低。
4. 水性粘结剂具有不可比拟的性能优势
水性粘结剂在性能方面具有以下几个优势:
(1) 水性粘结剂分解温度高于 270℃而具有较好的热稳定性;
(2) 在加工稳定性方面,与常规的乳液相比,水性粘结剂具有良好的抗冻融性能,并且在高速剪切下不会破乳,具有优异的研磨稳定性,非常适合与粉料一起进行机械分散;
(3) 在储运稳定性方面,常规乳液在低于冰点后就会出现破乳固化失效,而水性粘结剂即使在温度低于冰点以下也不会破乳,当温度恢复到冰点以上时,即恢复流动性,仍能够继续使用;
(4) 在加工方面,突破了溶剂型粘结剂效率低下的限制,极大的提高涂布的生产效率,并且其压实密度可以与传统的油系 PVDF 相媲美。 待业内相关技术逐渐成熟,尤其是正极水性粘结剂的逐步发展,水性粘结剂将会最终替代油性粘结剂。
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