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锂离子电池电极通常由电池粘合剂和活性材料组成。同时，电极内部的微孔填充有电解质。电极的结构在电子传导和离子输运中起着重要作用。电池粘结剂是锂电池的关键辅助材料。作为锂离子电池不可或缺的组成部分，其用量占正极和负极活性材料的5%-8%。电池粘结剂的性能对锂离子电池的正常生产和最终性能有很大影响。

多项研究表明，锂离子电池的许多电化学性能与电池粘结剂的性能密切相关，应用高性能电池粘结剂是优化锂离子电池性能的重要发展方向。

 

电池粘结剂的作用

绝大多数活性材料都使用粉末材料，因此电池粘合剂是制备电极的关键材料，电池粘合剂主要有三个功能：

● 电池粘合剂将极片的各种成分，如活性材料、导电剂、集电器等结合在一起，形成稳定的极片结构。同时，活性材料和导电剂可以更好地接触，形成良好的导电网络；

● 电池粘结剂还可以缓解正极和负极材料在锂嵌入和脱嵌过程中的体积膨胀和收缩，并稳定极片的内部结构，以获得良好的循环性能；

● 在生产过程中，将电池粘合剂溶解在溶剂中以形成胶体溶液。在配料过程中，活性材料和导电剂可以很好地悬浮在胶体溶液中，形成分散良好且不沉淀的浆料，用于后续涂层。

 

蓄电池粘结剂的使用要求

电池粘合剂不仅需要有效地结合电极活性材料、导电剂和电极集电体，而且由于长期处于非常特殊的环境中，因此具有抵抗各种外部因素的能力。这些特殊的环境因素包括：

 

 

● 电池粘合剂和电极材料在电解液中浸泡时间长，粘合剂在电解液中的形状、结构和性能需要稳定；

● 因此，在长时间的高电势（阴极粘合剂）或低电势（阳极粘合剂）的条件下，阴极粘合剂在高压条件下不需要被氧化，阳极粘合剂在低压条件下不必被还原；

● 许多储锂活性材料在电池运行过程中会继续发生体积变化，并且它们的体积会随着锂离子的插入而增加，而随着锂离子提取而减少。因此，电池粘合剂必须具有足够的柔性，以确保活性材料在重复膨胀和收缩过程中不会脱落，并且电极颗粒之间的结合不会受损。

 

因此，电池粘合剂通常需要具有以下特性：

● 粘接性能好，抗拉强度高，柔韧性好，杨氏模量低；

● 具有良好的化学稳定性和电化学稳定性，在储存和循环过程中不发生反应，不变质；

● 电解液中无溶胀或溶胀系数小；

● 在浆料介质中具有良好的分散性，有利于活性材料与集电体的均匀结合；

● 对电极中电子和离子的传导几乎没有影响；

● 环境友好，使用安全，成本低。

 

 

使用的电池粘合剂的比例必须是一个合适的值，粘合剂过少的极片容易出现掉粉、剥落和活性物质脱落的情况。而且由于粘合效果不好，极片的欧姆电阻变大，电池的电气性能会受到影响。

尽管过多的粘合剂确保了极片的结合性能，但电池粘合剂的电化学惰性不可避免地会增加极片的欧姆电阻，电池内阻的增加也会影响其电气性能。

 

蓄电池粘结剂的分类

根据所用溶剂的不同，电池粘结剂可分为油基电池粘结剂和水基电池粘结剂。当然，一些粘合剂既可以溶解在有机溶剂中，也可以去离子，如PAA。

油基电池粘合剂

油基电池粘合剂是指使用有机物作为溶剂作为粘合剂，形成的相应浆料是油基浆料。通过该体系形成的浆料的每种成分都具有良好的分散性且不易沉淀，并且电极片具有良好的粘合性能。

 

● PVDF

目前，锂百强工业化生产企业常用的油基电池粘结剂为聚偏氟乙烯（PVDF），与其配套使用的油性溶剂为N-甲基吡咯烷酮（NMP）。PVDF是一种链状聚合物，其分子量通常大于300000，是一种绝缘体。键合机制是通过长链上的F原子和极片中的其他组分粒子形成氢键，氢键的作用使每个组分粒子串在一起。

在PVDF电池粘结剂的改性中，共混改性是一种简单有效的改性方法。通常，将另一种聚合物与PVDF混合以获得具有更好性能的电池粘合剂。共混后的改性电池粘合剂通常表明，PVDF的结晶得到了适当的减少，复合电极与电解质的相容性更强，锂离子传输加快，电池性能得到改善。

 

● 其他油基粘合剂

除了常用的PVDF电池粘合剂外，其他油溶性粘合剂也因其独特的优势而受到广泛关注。非PVDF油性粘合剂主要包括：聚丙烯腈（PAN）、聚酰亚胺（PI）、全氟磺酸离聚物（Nafion）。

PAN是一种半结晶聚合物，其主要官能团腈基具有强极性，通常通过氢键、范德华力和永久偶极-偶极相互作用连接活性材料和集电器。同时，PAN可以很好地渗透到电解质中，腈基的强极性也可以促进锂离子在电极中的运动。

PI基电池粘合剂通常具有良好的机械性能和耐热性，经常用于大体积膨胀硅阳极和高压层状阴极材料。

Nafion具有优异的离子导电性和合适的结合强度。Nafion上的磺酸基团可以与电解质中的Li+产生静电相互作用，使Li+在聚合物主链上蠕变迁移，提高电极的离子导电性。

 

水基电池粘合剂

为了克服油性电池粘合剂的环境污染和使用成本高的问题，水溶性电池粘合剂逐渐得到开发，并成为近年来电池工作者普遍关注的方向。工业锂离子电池中广泛使用的水基电池粘合剂包括羧甲基纤维素钠（CMC）与苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、聚丙烯酸酯（LA系列）粘合剂等。

 

● CMC

CMC的制备是通过将羧甲基官能团嵌入天然纤维素中而形成的。由于羧甲基纤维素中存在羧甲基官能团，它可溶于水。当CMC用作锂离子电池的碳负极粘合剂时，使用的量相对较小，通常在2%和5%之间。

用这种粘合剂制成的电极具有小的第一不可逆容量损失和高的可逆容量。一些公司已经将CMC应用于锂离子负极的制造，但CMC很脆，柔韧性较差。

 

 

当SBR用作电池粘合剂时，它具有良好的弹性和高伸长率，并且主要用于增加电极片的柔性。在工业上，SBR大多与CMC结合使用。不同CMC/SBR比例的聚合物薄膜的力学性能如下图所示。可以看出，SBR有效地降低了薄膜的杨氏模量，增加了薄膜的柔韧性。

 

● LA系列

聚丙烯酸酯胶乳与集电器具有良好的粘附性，有利于提高电极的容量，近年来已在一些应用中得到应用。与使用PVDF电池粘合剂相比，用这种方法制备的纳米SnO2极片的首次可逆比容量和循环性能得到了改善。

这种类型的电池粘合剂的缺点是其在干燥条件下的高脆性。在制浆过程中，活性物质容易结块，分散性差。粘合剂的稳定性可能使由该电池粘合剂制成的电极片的长期循环性能变差。

 

● PAA

PAA作为电池粘合剂具有以下优点：

● 在电解质的碳酸盐溶剂中几乎没有溶胀，并且在充电和放电过程中电极片的结构是稳定的；

● 其结构中的羧基含量高于CMC，可以与表面含有羟基的活性材料（如硅阳极材料）形成强氢键，并促进电极表面形成比CMC更均匀的涂层；

● 它可以在电极片中形成相对致密的膜，增加活性材料与集电器之间的电接触；

优异的拉伸机械强度，有利于机械加工。