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電極粘結(jié)劑是鋰離子電池中重要的輔助功能材料之一，雖然本身沒有容量，在電池中所占的比重也很小，但卻是整個電極的力學(xué)性能的主要來源，對電極的生產(chǎn)工藝和電池的電化學(xué)性能有著重要的影響。

 

鋰離子電池粘結(jié)劑是一種高分子化合物，主要作用是連接電極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和電極集流體，使它們之間具有整體的連接性，從而減小電極的阻抗，同時使電極片具有良好的機械性能和可加工性能。

 

鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖

 

 

理想的鋰離子電池電極粘結(jié)劑

 

應(yīng)該具有以下性能：

 

● 良好的溶解性，溶解速度快，溶解度高；

 

● 溶劑安全、環(huán)保、無毒，以水為溶劑最佳；

 

● 分子量大，粘結(jié)劑用量??；

 

● 粘度適中，便于勻漿和維持漿料穩(wěn)定；

 

● 粘接力強，制備的電極剝離強度大；

 

● 電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在工作電壓內(nèi)不發(fā)生氧化還原反應(yīng)；

 

● 耐電解液腐蝕；

 

● 具有一定柔韌性，能耐受電極的彎曲和活性物質(zhì)顆粒的體積變化；

 

● 導(dǎo)電性和導(dǎo)鋰離子能力好；

 

● 來源廣泛、成本低廉。

 

常用的膠粘劑材料及性能特點如下表所示：

 

 

鋰電池電極粘結(jié)劑相關(guān)測試

 

簡易黏接模型

 

目前對于黏結(jié)劑在鋰離子電池電極當(dāng)中的作用機理有多種不同的理論和假說，比如點黏接模型和面黏接模型。在這些理論當(dāng)中，HERNANDEZ等提出的模型可以用于粗略地對黏結(jié)劑在鋰離子電池中的作用進(jìn)行描述，為黏結(jié)劑的表征方法提供參考。

 

拉伸性能

 

電極黏結(jié)劑的本體強度主要考慮的是其拉伸性能，可以使用拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量、彈性極限等參數(shù)來描述。

 

黏接強度

 

黏接強度是黏結(jié)劑最為核心的性能，可以使用對接接頭拉伸強度和拉伸剪切強度來表示。

 

剝離強度

 

剝離強度是當(dāng)外部應(yīng)力集中作用在黏接處邊緣，黏接面被逐步剝離時，單位長度的黏接邊緣所能夠承受的作用力大小，以kN/m表示，實際應(yīng)用中也使用N/cm表示，1 kN/m = 10 N/cm。不同于黏接強度測試需要使用塊狀的被黏物制備試樣進(jìn)行測試，剝離強度測試可以直接使用電極作為試樣，其制樣方式更為簡單，也更能反映電極的真實粘接狀況。

 

黏結(jié)劑的基本物化性質(zhì)

 

黏結(jié)劑的基本物化性質(zhì)包括固含量、密度、黏度、pH值等參數(shù)，建議直接應(yīng)用膠黏劑的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。固含量是液態(tài)黏結(jié)劑的基本產(chǎn)品參數(shù)之一，勻漿前計算黏結(jié)劑的投料量時需要使用此參數(shù)。

 

漿料的流變特性

 

漿料的流變特性對于涂布工藝的影響十分關(guān)鍵，使用流變特性不符合要求的漿料進(jìn)行涂布，可能會出現(xiàn)濕膜流動、電極厚度不均、電極表面有流痕、表面粗糙等質(zhì)量問題。因此需要特別關(guān)注電極的流變特性，尤其是漿料的黏度、抗流動性和自流平性能等性能。黏度可以按照黏結(jié)劑黏度的測試方法，選擇適當(dāng)量程的設(shè)備進(jìn)行測試。漿料的抗流動性是漿料在涂布后保持原有位置而不流動的能力。

 

電極和電極涂層

 

除了影響漿料的流變特性，電極黏結(jié)劑還決定了電極的諸多特性，比如電極涂層的附著力、電極的柔韌性、表面硬度、耐溶劑性能等。電極涂層的附著力測試可以參考GB/T1720—1979進(jìn)行，使用銳利的針尖，在一定的壓力下在涂層表面繪制圓滾線，根據(jù)涂層剝落的程度來對涂層的附著力進(jìn)行分級。附著力測試的結(jié)果與剝離強度所代表的含義相近，但卻更為直觀。

 

導(dǎo)電性

 

通常而言，電極制作的過程當(dāng)中會添加導(dǎo)電劑以增強電極內(nèi)部的導(dǎo)電性，對電極黏結(jié)劑沒有導(dǎo)電性的特別要求。但如果電極黏結(jié)劑具有一定的導(dǎo)電性，則可以減少電池內(nèi)阻，有利于電池倍率性能的提高。

 

環(huán)保要求

 

除了規(guī)定了黏結(jié)劑常見性能的測試方法，國家標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了黏結(jié)劑當(dāng)中揮發(fā)性有機物含量（VOC）和可溶性重金屬含量的限值與檢測方法。揮發(fā)性有機物是指黏結(jié)劑產(chǎn)品總重扣除固含量、水分、豁免化合物（丙酮、乙酸甲酯）之后的含量，目前國標(biāo)當(dāng)中并無專門針對鋰離子電池黏結(jié)劑類別的VOC限量標(biāo)準(zhǔn)?？扇苄灾亟饘俚臋z測主要是針對對環(huán)境危害較大的鉛、鉻、鎘、鋇、汞、砷、 硒、銻等元素，檢測方法為石墨爐吸收光譜法和氫化物原子熒光光譜法。

 

雖然已有較多粘結(jié)劑、涂料和顏料的測試標(biāo)準(zhǔn)可供鋰離子電池電極粘結(jié)劑參考，但電極粘結(jié)劑所特別要求的一些性能，如溶脹率、溶解速率、電化學(xué)穩(wěn)定性、氯離子和硫酸根離子的含量、漿料均一性和穩(wěn)定性等性能還缺少測試標(biāo)準(zhǔn)。

 

目前鋰離子電極粘結(jié)劑測試的部分術(shù)語還將進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，部分膠粘劑和涂料的測試方法也還需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整才能更好地適用于鋰離子電池粘結(jié)劑的檢測。