鋰電負(fù)極材料特性與合漿工藝分析

鋰離子電池由四大主材構(gòu)成：正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜，其中負(fù)極材料是作為鋰離子脫嵌的載體存在的。當(dāng)然，能夠作為鋰離子電池負(fù)極材料的物質(zhì)有很多，包括碳材料、含碳化合物以及非碳材料。碳材料中的石墨是應(yīng)用最廣、性能最穩(wěn)定和電解液適配性較好的負(fù)極材料。

石墨作為負(fù)極材料，需要與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以及其它添加劑混合在一起，再加上溶劑制備成負(fù)極漿料，才能涂覆在集流體上制備成電極。但是，在制備石墨負(fù)極漿料的過(guò)程中，相信不少的技術(shù)人員遇到過(guò)或大或小的問(wèn)題，例如耗時(shí)太長(zhǎng)、石墨沉降、粘度不穩(wěn)定、漿料顆粒大、氣泡多等等……那么，在解決這些問(wèn)題之前，需要對(duì)各種材料的基本性質(zhì)做一下簡(jiǎn)單的梳理。在了解材料性能的基礎(chǔ)上，才能快、準(zhǔn)、好的解決所遇到的問(wèn)題。本文主要介紹制備負(fù)極漿料所用材料的特性：

1.石墨

石墨包括天然石墨、人造石墨，顆粒形狀種類(lèi)多樣且不規(guī)則，主要有球形、片狀等。石墨屬于非極性物質(zhì)，容易被非極性物質(zhì)污染，易在非極性物質(zhì)中分散。其不易吸水，也不易在水溶液中分散，被污染的石墨在水中即使分散后也會(huì)重新發(fā)生團(tuán)聚。關(guān)于石墨的特性和要求，相信大家都很清楚，在此不做贅述。

2.導(dǎo)電劑

導(dǎo)電劑的種類(lèi)多種多樣，包括炭黑、CNT、石墨烯等，大多數(shù)是非極性。導(dǎo)電劑的作用是混于石墨材料間，構(gòu)成主要的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，降低鋰電池內(nèi)阻。導(dǎo)電劑的添加量一般較少，可以說(shuō)越少越好，約為2%以下。作為導(dǎo)電劑，一般要有足夠高的比表面積，這樣才能在盡量少的情況下提高電子傳輸速率。但是也會(huì)因此面臨易團(tuán)聚，不易分散的難題。

關(guān)于導(dǎo)電劑的分散一直是個(gè)重點(diǎn)，隨著導(dǎo)電劑的種類(lèi)從單純的炭黑，到CNT漿料，再到炭黑、CNT、石墨烯混合導(dǎo)電漿料，隨著其性狀的不同需要調(diào)整漿料制備的工藝。在鋰電池漿料制備文章【精品】鋰電池漿料性質(zhì)及關(guān)鍵影響因素分析中提到，漿料的制備主要會(huì)經(jīng)過(guò)物料干混、粉料潤(rùn)濕、粒子集群破碎、最后達(dá)到穩(wěn)定等階段，導(dǎo)電劑的分散則需要在粉料潤(rùn)濕和粒子集群破碎的階段完成，否則導(dǎo)電劑會(huì)重新團(tuán)聚，造成導(dǎo)電劑浪費(fèi)。在解決導(dǎo)電劑的分散問(wèn)題時(shí)需要調(diào)整機(jī)械力大小和時(shí)間，以達(dá)到最佳狀態(tài)。

3.CMC

CMC（羥甲基纖維素鈉）是一種重要的纖維素醚，是天然纖維經(jīng)過(guò)化學(xué)改性后所獲得的一種水溶性好的聚陰離子纖維素化合物，易溶于冷熱水，屬于中性物質(zhì)。CMC具有增稠、分散、懸浮、粘合、成膜、保護(hù)膠體和保護(hù)水分等優(yōu)良性能，所以被選擇為石墨負(fù)極的分散劑和增稠劑。

CMC具有分散性和粘結(jié)性，但是在工業(yè)應(yīng)用上并不能單獨(dú)作為負(fù)極的粘結(jié)劑使用。在鋰電池的生產(chǎn)過(guò)程中，必須要兼顧鋰電池能量密度、電池內(nèi)阻等性質(zhì)，這就要求負(fù)極極片具有一定的體積密度（1.6g/cc左右），在這樣的情況下需要對(duì)涂布后的極片進(jìn)行輥壓壓實(shí)處理，而CMC具有較大的脆性，在經(jīng)過(guò)輥壓之后必然會(huì)導(dǎo)致極片結(jié)構(gòu)坍塌，出現(xiàn)掉粉、漏箔等現(xiàn)象。所以，CMC可以單獨(dú)使用的條件是：極片厚度較薄，不進(jìn)行滾壓工藝或者對(duì)極片的壓實(shí)密度不高的情況下。

另外在負(fù)極漿料制備過(guò)程中，需要注意的是攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)CMC的影響。CMC溶液具有假塑性，其粘度隨著溫度升高而降低，具有可逆性。在攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速太快的情況下，CMC粘度會(huì)降低，從而影響到石墨負(fù)極的懸浮。

4.SBR粘結(jié)劑

SBR（丁苯橡膠）是一種小分子線性鏈狀乳液，膠乳粒子單元是一種核殼結(jié)構(gòu)，殼內(nèi)是共聚物分子鏈的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，外殼是親水性的極性基團(tuán)和表面活性劑。SBR是一種是一個(gè)親水性和親油性共存的物質(zhì)。水性基團(tuán)與箔材表面基團(tuán)結(jié)合形成粘結(jié)力，有利于分散性和漿料穩(wěn)定性，油性鏈段與負(fù)極石墨相結(jié)合形成粘結(jié)力，從而達(dá)到粘結(jié)的效果。

但是，SBR也不能單獨(dú)用于石墨負(fù)極漿料中，這是因?yàn)镾BR沒(méi)有分散的功能，同時(shí)太多的SBR也會(huì)使得極片在電解液中溶脹。

在鋰電池工業(yè)生產(chǎn)中，常常將CMC和SBR同時(shí)使用，兩者的結(jié)合使用就可以解決漿料粘度不穩(wěn)定、極片溶脹、脆性大等問(wèn)題。商業(yè)化石墨材料屬于非極性物質(zhì)，不易親水，很難在水系中分散。CMC的一個(gè)作用就是作為分散劑，分散石墨和導(dǎo)電添加劑。

另外，CMC遇水后會(huì)形成凝膠，使得漿料變稠（增稠劑），提高水系負(fù)極漿料的懸浮穩(wěn)定性。在漿料涂布時(shí)，因?yàn)镃MC凝膠結(jié)構(gòu)的存在，既能保持水分也能穩(wěn)定漿料，在一定時(shí)間內(nèi)能夠保持漿料的均勻性，符合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需要。考慮到CMC的弊端，引入易溶于水的柔性分子SBR乳液，使?jié){料具有較好的粘結(jié)性，同時(shí)提高極片韌性，這樣極片在高壓實(shí)的情況下，極片也不會(huì)掉粉，輥壓后的極片粘接強(qiáng)度也高。

在CMC和SBR共同使用的情況下，需要注意的一點(diǎn)是SBR乳液的加入時(shí)機(jī)。因?yàn)镾BR在長(zhǎng)時(shí)間的高剪切力下，極易發(fā)生破乳現(xiàn)象，降低極片的粘結(jié)性。

5.去離子水

去離子水是弱極性分子，是負(fù)極漿料的溶劑。與溶劑相關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是固含量，在漿料制備過(guò)程中，固含量的大小關(guān)系著物料的分散和穩(wěn)定。

鋰電派（Lidianpai）