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电池综合性能提升背后的粘结剂因子 CMC粘结剂在电池中的应用‧‧‧‧‧‧

2020-05-12 09:30:26 电池联盟 作者:电池联盟

导读:近期,中国电池联盟围绕CMC工艺技术进行了深度梳理与系列报道,主要聚焦于CMC粘结剂作用与应用、锂电池浆料稳定性与极片制造、电池能量密度关联度等话题。

(来源:公众号“电池联盟”ID:zgcbcu 作者:电池联盟)

纵观我国新能源行业发展之路,国家政策从最初以保护扶持为主,到现在的鼓励开放竞争。随着产业链发展逐渐成熟,行业已脱离了相对粗放的发展产量模式,从而进入了发展质量的新阶段。

在此背景下,产业链各个环节都有降本需求,但降本终究不能只是片面的压低价格,而应该将心思着重放在如何升效率和良品率,去除不良损失等方面,进而降低产品的综合成本,实现有效降本。

近期,中国电池联盟围绕CMC工艺技术进行了深度梳理,以下为专题报道系列核心内容:

01

CMC粘结剂在电池中的应用

粘结剂是锂离子电池中重要的辅助功能材料之一,是整个电极的力学性能的主要来源,对电极的生产工艺和电池的电化学性能有着重要的影响。粘结剂本身没有容量,在电池中所占的比重也很小。

目前得到广泛应用的锂离子电池粘结剂主要有三大类:聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)乳液和羧甲基纤维素(CMC),此外,以聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯腈(PAN)和聚丙烯酸酯作为主要成分的水性粘结剂也占有一定市场。

CMC产品作为水性体系负极材料的主要粘合剂,是纤维素的羧甲基化衍生物,通常由天然的纤维素和苛性碱及一氯醋酸反应后而制得,分子量由几千到百万,被国内外电池制造企业广泛采用。

02

电池综合性能提升背后的粘结剂因子

随着锂离子电池产业的不断发展,对粘结剂的性能要求也在不断提高,新型结构的锂离子电池需要粘结剂具有优异的力学性能。所以,锂离子电池用新型高性能粘结剂已成为锂离子电池关键材料研发的重要发展方向之一。

粘结剂是锂离子电池材料中技术含量较高的附加材料,是将电极片中活性物质和导电剂粘附在电极集流体上的高分子化合物,虽然在电极片中用量较少,但其性能的优劣直接影响电池的容量、寿命及安全性。

CMC具有极高的浆料稳定性,可保证稳定加工;提高石墨与负极的粘合力,从而延长单元电池的使用寿命;低用量高效,可极大地降低单元电池的非活性成分含量。

除此之外,CMC还是高容量硅负极材料的优良粘结剂,CMC中的羧基官能团与硅表面的氧化硅(SiOx)和硅醇(-Si-OH)基团产生氢键或共价键作用力,能增强硅颗粒以及硅颗粒与集流体之间的粘结。

03

从CMC粘结剂到极片:电池能量密度何以提升?

好的粘结剂不仅有利于电池能量密度的提高,对电池内阻也有明显的降低作用,将对电池电化学性能提升起到重要的影响。

锂电池生产工艺复杂,可分为前、中、后三个阶段。前端极片制作主要包括包括正/负极配料、涂布、辊压、分切、制片等工序;中端电芯制作主要包括卷绕或叠片、封装、注液等工序;后端电池组装包括化成、分容、PACK组装等工序。

在锂离子电池生产过程中,对电池电极结构的控制是关键,如何控制其电极片内部的微观结构,是锂离子电池生产过程的关键技术。采用不同结构的电极片生产的电池的自放电率、循环性、容量、一致性等都不同。在锂电池生产前端制备电极片的过程中,必须控制好锂离子电池浆料的混合分散质量,提高电池浆料的均匀一致性和分散稳定性。

作为浆料中的重要组成部分,粘结剂将各种颗粒粘接在一起,形成了具有粘附性的浆料,将其与金属箔紧密粘接在一起。活物质、导电剂、溶剂对金属电极没有粘附性,无法做成极片用于制备锂电池。好的粘结剂不仅有利于电池能量密度的提高,对于电池内阻也有明显的降低作用,对电池的电化学性能也具有重要的影响。

04

“技术决定论”之下,锂电池浆料稳定性重要几何?

极片制造工艺是锂电池生产的核心工序,而极片制造工序中,浆料制备过程又是其中的重中之重,分为正极浆料和负极浆料,主要包括干粉混合、半干泥状捏合,以及稀释分散。

在原材料被逐渐混匀、被溶剂润湿、大块物料破裂和逐渐趋于稳定等阶段中,会出现物料混合不匀、粘接剂溶解不良、细颗粒严重团聚、粘接剂性状发生变化等情况,就会导致大颗粒的产生。解决这些问题,就需要选择粘接剂。

目前,很多企业选择的是粉状粘接剂和液体溶解好的粘接剂,两种不同的粘接剂决定了工艺的不同。采用粉状粘结剂需要更长的时间来进行溶解,否则在后期会出现溶胀、回弹、粘度变化等。

电极浆料需要具有稳定且恰当的粘度,而影响浆料粘度的因素主要有搅拌浆料的转速、时间控制、配料顺序、环境温湿度等


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