深度剖析粘结剂与锂电池性能的恩怨情仇

储能科技2020-04-19 23:39:40

   

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       粘结剂是锂离子电池正负极的重要组成部分。在电极中,粘结剂的主要作用是粘结和保持活性物质。对粘结剂的要求是欧姆电阻小,在电解液中性能稳定,不膨胀、不松散、不脱粉。一般而言,粘结剂的性能,如粘结力、柔韧性、耐碱性、亲水性等,直接影响着电池的性能。加入最佳量的粘结剂,可以获得较大的容量、较长的循环寿命和较低的内阻,这对提高电池的循环性能、快速充放能力以及降低电池的内压等具有促进作用。锂电池用的粘结剂的种类很多,多数采用聚偏氟乙烯(PVDF)。但PVDF为结晶性聚合物,结晶度一般为50%左右,结晶熔融温度在140℃附近,因此在电池通常的使用温度下,PVDF的结晶性使存在电解液中的分子很难流通,充放电负荷增大;在制备电池时的干燥速度等不合适时,PVDF的收缩率与集电体的收缩率差异比较大,含活性物质的涂膜不会从集电体上脱离;即使涂布干燥后没问题,但随着时间的迁移,在使用过程中,也有由于电极的内部应力使电极合剂层从集电体上部分或全部剥离,负荷特性变差,引起容量劣化。因此,为了提高锂离子电池的整体性能,需要对PVDF的结构以及生产工艺、条件进行控制和调整,从而达到优化电池性能的目的。本论文首先研究了PVDF的结构对其粘结性能的影响,具体研究了聚合方式、分子量和改性方法对PVDF粘结性能的影响。然后考察了影响PVDF9100粘结剂的使用的因素,通过控制外部条件来提高粘结剂的性能。最后,基于前面优化条件生产的两款PVDF应用于锂离子电池中,测试了电池的各方面性能,并与传统的粘结剂做对比。

不同PVDF溶液随分散时间的粘度变化

  • 使用流变仪测试PVDF溶液的lOs.i粘度变化趋势,,发现乳液聚合的HSV900溶解时间相对较少,颗粒大小可以很大程度地影响PVDF的溶解能力。悬浮聚合的PVDF可以在2小时内完全溶解。



不同NMP含量导电衆的升温曲线

NMP含量高的导电奖有更高的烘烤温度平台;而两组不同状态的导电衆经过相同的烘烤时间后,其中的PVDF9100结晶度差别不大。说明NMP的含量对PVDF9100结晶度的影响不明显。3.3.3涂布厚度的影响正极极片的涂布厚度能直接影响到正极极片的烘烤,而且也有可能影响PVDF分子在极片中的迁移,因此对不同厚度极片做一组对比实验,考察涂布厚度对极片剥离力的影响。使用装料1制作成三个不同厚度的样品,使用涂布机进行涂布,正极极片烘干后为80脾、160叫1、240 iim,均在烘箱中烘烤24 h,结晶度和剥离强度的情况见表和图。随着电极厚度的上升,PVDF9100的结晶度显著下降,电极的剥离力降低,PVDF9r00的粘结


本文主要研究结果如下:

1、通过对悬浮聚合和乳液聚合两种方式生产的PVDF进行比较,发现虽然悬浮聚合的PVDF粘结剂的溶解相对较困难,但其膜的溶胀特性,以及较高的熔点,相似的玻璃态转变温度等具有优势,同时通过对分子结构进行改性的PVDF9100粘结剂具有较低的溶液粘度,较强的剥离强度,更适合在磷酸铁锂类电池中的应用。

2、通过研究电极中的活性物质,导电剂以及溶剂NMP中的游离胺对PVDF9100使用的影响,并确定了电极涂布以及烘烤工艺对粘结剂的影响,确定了PVDF9100在电极过程中的使用条件。

3、最后我们将PVDF9100和目前我们常使用的HSV900粘结剂制作成正极电极和锂离子电池,发现使用PVDF9100可以有效降低粘结剂的使用量。同时提高了电极电解液的浸润速度,对于锂离子电池来说,提高了电池的能量密度,降低了电池的内阻,同时提高了电池的倍率充放电性能,循环性能,抑制了电池在循环过程中的内阻变化。