粘結(jié)劑制備工藝優(yōu)化及實(shí)踐探索

邢超(中船重工海拓環(huán)保科技(大連)有限公司， 遼寧 大連 116013)

粘結(jié)劑制備工藝優(yōu)化及實(shí)踐探索

邢超(中船重工海拓環(huán)保科技(大連)有限公司， 遼寧 大連 116013)

在鋰離子電池正負(fù)極中，粘結(jié)劑是非常重要的一部分。鋰離子電池是在鋁箔、銅箔的集流體上涂抹正、負(fù)極活性物質(zhì)并干燥而形成的，在該項(xiàng)工藝中，為了使集流體和活性物質(zhì)粘結(jié)在一起，必須要使用粘結(jié)劑。

鋰離子電池；粘結(jié)劑；制備工藝；優(yōu)化

粘結(jié)劑在鋰離子電池電極中的作用是粘結(jié)活性物質(zhì)、加強(qiáng)電極活性材料和導(dǎo)電劑、集流體之間的電子接觸，從而形成一個(gè)穩(wěn)定的極片結(jié)構(gòu)。此外，粘結(jié)劑在鋰離子電池正負(fù)極充、放電的過程中也起到了緩沖作用，有效避免了體積膨脹。收縮等現(xiàn)象的產(chǎn)生，所以采用適合的粘結(jié)劑是發(fā)揮鋰離子電池作用的關(guān)鍵因素。

1 試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)材料及儀器 在該試驗(yàn)中，原砂采用的是鑄造檢測(cè)時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)砂，其他主要原料為廢棄的鋰離子電池。用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括電動(dòng)攪拌器、錘擊式制樣機(jī)以及強(qiáng)度測(cè)試儀等。

(2)粘結(jié)劑砂樣硬化及制備 首先，取1500g的原砂，在其中加入50g的鋰離子電池粘結(jié)劑，之后再加入15g的氫氧化鈣，柔混合攪拌一分鐘后取出，留作備用。其次，取適量的混合料放在錘擊式制樣機(jī)上面沖擊5次，使其成為Φ50mm×50mm的抗壓試樣，之后向樣筒中以每小時(shí)1.0m3的速度吹入二氧化碳?xì)怏w，使其在一分鐘內(nèi)硬化，形成型砂試樣。

(3)測(cè)定抗壓強(qiáng)度 在試驗(yàn)中主要將鋰離子電池粘結(jié)劑砂試樣經(jīng)過二氧化碳硬化之后的抗壓強(qiáng)度作為關(guān)鍵的性能指標(biāo)。初始強(qiáng)度為試樣制備完成馬上測(cè)量的抗壓強(qiáng)度，用 表示，而試樣在放置24小時(shí)之后所測(cè)定的抗壓強(qiáng)度為最終強(qiáng)度，用 表示。粘結(jié)劑以原砂重量的4%的進(jìn)行混砂制樣，在混砂時(shí)，可以將氫氧化鈣作為輔助的添加劑，將用量控制在原砂質(zhì)量的0.9%左右。隨后可以利用二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行硬化，向Φ50mm×50mm的EPS砂試樣中以每小時(shí)1.0m3的速度吹氣一分半鐘，最終得到有效的粘結(jié)劑。

2 鋰離子電池粘結(jié)劑分類

鋰離子電池粘結(jié)劑主要可以劃分為兩種類型，分別是有機(jī)溶劑型粘結(jié)劑，將有機(jī)溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)當(dāng)作分散劑，另一種是水性粘結(jié)劑，利用水當(dāng)作分散劑。首先，對(duì)于有機(jī)溶劑型粘結(jié)劑，最常用的為聚偏氟乙烯(PVDF)，它是一種應(yīng)用效果非常好的粘結(jié)劑，只是電子、離子的導(dǎo)電性能比較差，而且采用PVDF作為粘結(jié)劑的極片要求務(wù)必密封，耗能較大。最重要的是，PVDF中含有一定量的氟，極容易與嵌鋰石墨發(fā)生反應(yīng)，致使電池性能逐漸下降。除此之外，PVDF的離子、電子的絕緣性會(huì)加大電池的內(nèi)阻，從而對(duì)其性能發(fā)揮造成影響。與PVDF可以同時(shí)使用的分散劑為有機(jī)溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)，NMP的分散性能雖然較好，但是容易揮發(fā)，具有較大的毒性，屬于易燃易爆品，一旦有機(jī)溶劑的毒性揮發(fā)，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，甚至?xí){到車間工作人員的人身健康，最重要的是，NMP的成本較高，需要比較大回收費(fèi)用；其次，對(duì)于水性粘結(jié)劑來說，如果與有機(jī)溶劑型粘結(jié)劑相比，其具有成本低、非易燃、生產(chǎn)環(huán)境綠色以及揮發(fā)水汽等優(yōu)點(diǎn)，這也是鋰電池關(guān)鍵材料的研究方向。

3 鋰離子粘結(jié)劑制備工藝分析

在鋰離子粘結(jié)劑制備過程中，對(duì)其性能要求主要包括以下幾點(diǎn)：①在干燥、除水的過程中，加熱至120℃～170℃的情況下還仍然能夠保持熱穩(wěn)定性。②能夠被有機(jī)電解液潤濕。③加工性能良好。④不容易燃燒。⑤電力、離子導(dǎo)電性較高。⑥使用量少，價(jià)格低廉。對(duì)于之前的鎳鎘、鎳氫等電池，他們所使用的電解液是水溶液體系，而粘結(jié)劑可以直接使用PVA、CMC等一些水溶性較高的分子材料，此外還可以使用PTFE水分散乳液。鋰離子電池的電解液采用的是極性較大的碳酸酯類有機(jī)溶劑體系，所以溶解能力和溶脹能力都比較強(qiáng)，而且，粘結(jié)劑必須要具有較強(qiáng)的耐碳酸酯能力，同時(shí)滿足上述要求。尤其要滿足在電化學(xué)環(huán)境中保持穩(wěn)定性，在正極中發(fā)生過充電現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生氧化等要求。

鋰離子電池的特點(diǎn)為能夠與充放電過程共同進(jìn)行，鋰在活性物質(zhì)中的嵌入、脫出，會(huì)使活性物質(zhì)發(fā)生膨脹、收縮現(xiàn)象，這時(shí)就要充分發(fā)揮粘結(jié)劑的緩沖作用。鋰離子電池電極在干燥過程中其加熱溫度最高能夠達(dá)到200℃，粘結(jié)劑也要承受這種高溫環(huán)境。因此可以看出，粘結(jié)劑性能的好壞直接影響著電池的性能，鋰離子電池電極在制備時(shí)采用的是涂布工藝，通常會(huì)采用刮刀、輥涂布的方式，在刀口間隙處對(duì)活性物質(zhì)層的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。鋰離子電池活性物質(zhì)層的厚度比較小，所以涂布刀口的間隙也比較小，在漿料中不能存在較大的團(tuán)聚顆粒。在制作電極時(shí)，要采取、輥壓、分切以及卷繞等措施才能真正進(jìn)入到電池中，要盡量避免活性物質(zhì)粉末脫落的現(xiàn)象。除此之外，鋰離子電池正負(fù)極材料的密度存在很大區(qū)別，粘結(jié)劑要按照活性物質(zhì)的密度、松裝密度等進(jìn)行調(diào)整，確保活性物質(zhì)能夠在漿料中處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，充分反映出粘結(jié)劑的安全性能。

4 結(jié)語

綜上所述，經(jīng)過試驗(yàn)可以得出，鋰離子粘結(jié)劑的制備是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的工程，通過分析粘結(jié)劑的制備工藝，可以明確鋰離子電池的性能要求以及特點(diǎn)，最終得到質(zhì)量過硬的粘結(jié)劑，使其充分發(fā)揮其根本作用。

[1]劉偉華,金鈺,李英民.一種復(fù)合改性動(dòng)物膠粘結(jié)劑制備工藝的研究[J].鑄造,2015,02:162-165.

[2]劉偉華,袁旭,李英民,楊耀華.鑄造用自硬磷酸鹽粘結(jié)劑制備工藝的研究[A].中國機(jī)械工程學(xué)會(huì).2013中國鑄造活動(dòng)周論文集[C].中國機(jī)械工程學(xué)會(huì),2013:1.

邢超(1992- )，男，遼寧大連人，漢，工藝工程師，本科，研究方向：電化學(xué)領(lǐng)域粘結(jié)劑制備方法優(yōu)化及工業(yè)化設(shè)計(jì)。