鋰離子電池電極通常由電池粘合劑和活性材料組成。同時(shí)，電極內(nèi)部的微孔填充有電解質(zhì)。電極的結(jié)構(gòu)在電子傳導(dǎo)和離子輸運(yùn)中起著重要作用。電池粘結(jié)劑是鋰電池的關(guān)鍵輔助材料。作為鋰離子電池不可或缺的組成部分，其用量占正極和負(fù)極活性材料的5%-8%。電池粘結(jié)劑的性能對鋰離子電池的正常生產(chǎn)和最終性能有很大影響。

多項(xiàng)研究表明，鋰離子電池的許多電化學(xué)性能與電池粘結(jié)劑的性能密切相關(guān)，應(yīng)用高性能電池粘結(jié)劑是優(yōu)化鋰離子電池性能的重要發(fā)展方向。

 

電池粘結(jié)劑的作用

絕大多數(shù)活性材料都使用粉末材料，因此電池粘合劑是制備電極的關(guān)鍵材料，電池粘合劑主要有三個(gè)功能：

● 電池粘合劑將極片的各種成分，如活性材料、導(dǎo)電劑、集電器等結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的極片結(jié)構(gòu)。同時(shí)，活性材料和導(dǎo)電劑可以更好地接觸，形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；

● 電池粘結(jié)劑還可以緩解正極和負(fù)極材料在鋰嵌入和脫嵌過程中的體積膨脹和收縮，并穩(wěn)定極片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以獲得良好的循環(huán)性能；

● 在生產(chǎn)過程中，將電池粘合劑溶解在溶劑中以形成膠體溶液。在配料過程中，活性材料和導(dǎo)電劑可以很好地懸浮在膠體溶液中，形成分散良好且不沉淀的漿料，用于后續(xù)涂層。

 

蓄電池粘結(jié)劑的使用要求

電池粘合劑不僅需要有效地結(jié)合電極活性材料、導(dǎo)電劑和電極集電體，而且由于長期處于非常特殊的環(huán)境中，因此具有抵抗各種外部因素的能力。這些特殊的環(huán)境因素包括：

 

 

● 電池粘合劑和電極材料在電解液中浸泡時(shí)間長，粘合劑在電解液中的形狀、結(jié)構(gòu)和性能需要穩(wěn)定；

● 因此，在長時(shí)間的高電勢（陰極粘合劑）或低電勢（陽極粘合劑）的條件下，陰極粘合劑在高壓條件下不需要被氧化，陽極粘合劑在低壓條件下不必被還原；

● 許多儲鋰活性材料在電池運(yùn)行過程中會繼續(xù)發(fā)生體積變化，并且它們的體積會隨著鋰離子的插入而增加，而隨著鋰離子提取而減少。因此，電池粘合劑必須具有足夠的柔性，以確?；钚圆牧显谥貜?fù)膨脹和收縮過程中不會脫落，并且電極顆粒之間的結(jié)合不會受損。

 

因此，電池粘合劑通常需要具有以下特性：

● 粘接性能好，抗拉強(qiáng)度高，柔韌性好，楊氏模量低；

● 具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性，在儲存和循環(huán)過程中不發(fā)生反應(yīng)，不變質(zhì)；

● 電解液中無溶脹或溶脹系數(shù)??；

● 在漿料介質(zhì)中具有良好的分散性，有利于活性材料與集電體的均勻結(jié)合；

● 對電極中電子和離子的傳導(dǎo)幾乎沒有影響；

● 環(huán)境友好，使用安全，成本低。

 

 

使用的電池粘合劑的比例必須是一個(gè)合適的值，粘合劑過少的極片容易出現(xiàn)掉粉、剝落和活性物質(zhì)脫落的情況。而且由于粘合效果不好，極片的歐姆電阻變大，電池的電氣性能會受到影響。

盡管過多的粘合劑確保了極片的結(jié)合性能，但電池粘合劑的電化學(xué)惰性不可避免地會增加極片的歐姆電阻，電池內(nèi)阻的增加也會影響其電氣性能。

 

蓄電池粘結(jié)劑的分類

根據(jù)所用溶劑的不同，電池粘結(jié)劑可分為油基電池粘結(jié)劑和水基電池粘結(jié)劑。當(dāng)然，一些粘合劑既可以溶解在有機(jī)溶劑中，也可以去離子，如PAA。

油基電池粘合劑

油基電池粘合劑是指使用有機(jī)物作為溶劑作為粘合劑，形成的相應(yīng)漿料是油基漿料。通過該體系形成的漿料的每種成分都具有良好的分散性且不易沉淀，并且電極片具有良好的粘合性能。

 

● PVDF

目前，鋰百強(qiáng)工業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)常用的油基電池粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯（PVDF），與其配套使用的油性溶劑為N-甲基吡咯烷酮（NMP）。PVDF是一種鏈狀聚合物，其分子量通常大于300000，是一種絕緣體。鍵合機(jī)制是通過長鏈上的F原子和極片中的其他組分粒子形成氫鍵，氫鍵的作用使每個(gè)組分粒子串在一起。

在PVDF電池粘結(jié)劑的改性中，共混改性是一種簡單有效的改性方法。通常，將另一種聚合物與PVDF混合以獲得具有更好性能的電池粘合劑。共混后的改性電池粘合劑通常表明，PVDF的結(jié)晶得到了適當(dāng)?shù)臏p少，復(fù)合電極與電解質(zhì)的相容性更強(qiáng)，鋰離子傳輸加快，電池性能得到改善。

 

● 其他油基粘合劑

除了常用的PVDF電池粘合劑外，其他油溶性粘合劑也因其獨(dú)特的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。非PVDF油性粘合劑主要包括：聚丙烯腈（PAN）、聚酰亞胺（PI）、全氟磺酸離聚物（Nafion）。

PAN是一種半結(jié)晶聚合物，其主要官能團(tuán)腈基具有強(qiáng)極性，通常通過氫鍵、范德華力和永久偶極-偶極相互作用連接活性材料和集電器。同時(shí)，PAN可以很好地滲透到電解質(zhì)中，腈基的強(qiáng)極性也可以促進(jìn)鋰離子在電極中的運(yùn)動。

PI基電池粘合劑通常具有良好的機(jī)械性能和耐熱性，經(jīng)常用于大體積膨脹硅陽極和高壓層狀陰極材料。

Nafion具有優(yōu)異的離子導(dǎo)電性和合適的結(jié)合強(qiáng)度。Nafion上的磺酸基團(tuán)可以與電解質(zhì)中的Li+產(chǎn)生靜電相互作用，使Li+在聚合物主鏈上蠕變遷移，提高電極的離子導(dǎo)電性。

 

水基電池粘合劑

為了克服油性電池粘合劑的環(huán)境污染和使用成本高的問題，水溶性電池粘合劑逐漸得到開發(fā)，并成為近年來電池工作者普遍關(guān)注的方向。工業(yè)鋰離子電池中廣泛使用的水基電池粘合劑包括羧甲基纖維素鈉（CMC）與苯乙烯-丁二烯橡膠（SBR）、聚丙烯酸酯（LA系列）粘合劑等。

 

● CMC

CMC的制備是通過將羧甲基官能團(tuán)嵌入天然纖維素中而形成的。由于羧甲基纖維素中存在羧甲基官能團(tuán)，它可溶于水。當(dāng)CMC用作鋰離子電池的碳負(fù)極粘合劑時(shí)，使用的量相對較小，通常在2%和5%之間。

用這種粘合劑制成的電極具有小的第一不可逆容量損失和高的可逆容量。一些公司已經(jīng)將CMC應(yīng)用于鋰離子負(fù)極的制造，但CMC很脆，柔韌性較差。

 

 

當(dāng)SBR用作電池粘合劑時(shí)，它具有良好的彈性和高伸長率，并且主要用于增加電極片的柔性。在工業(yè)上，SBR大多與CMC結(jié)合使用。不同CMC/SBR比例的聚合物薄膜的力學(xué)性能如下圖所示?？梢钥闯?，SBR有效地降低了薄膜的楊氏模量，增加了薄膜的柔韌性。

 

● LA系列

聚丙烯酸酯膠乳與集電器具有良好的粘附性，有利于提高電極的容量，近年來已在一些應(yīng)用中得到應(yīng)用。與使用PVDF電池粘合劑相比，用這種方法制備的納米SnO2極片的首次可逆比容量和循環(huán)性能得到了改善。

這種類型的電池粘合劑的缺點(diǎn)是其在干燥條件下的高脆性。在制漿過程中，活性物質(zhì)容易結(jié)塊，分散性差。粘合劑的穩(wěn)定性可能使由該電池粘合劑制成的電極片的長期循環(huán)性能變差。

 

● PAA

PAA作為電池粘合劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：

● 在電解質(zhì)的碳酸鹽溶劑中幾乎沒有溶脹，并且在充電和放電過程中電極片的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的；

● 其結(jié)構(gòu)中的羧基含量高于CMC，可以與表面含有羥基的活性材料（如硅陽極材料）形成強(qiáng)氫鍵，并促進(jìn)電極表面形成比CMC更均勻的涂層；

● 它可以在電極片中形成相對致密的膜，增加活性材料與集電器之間的電接觸；

優(yōu)異的拉伸機(jī)械強(qiáng)度，有利于機(jī)械加工。