黏结剂对锂离子电池性能的影响.pdf

王军杨胜杰张晓丽等.黏结剂对锂离子电池性能的影响.河南化工():.黏结剂对锂离子电池性能的影响王 军 杨胜杰 张晓丽 梁 峰 路永广(河南省核力科技发展有限公司 河南 郑州)摘 要:对比研究了明胶、聚乙烯醇水性黏结剂和聚偏氟乙烯黏结剂对锂离子电池性能的影响 充放电测试表明采用明胶和聚乙烯醇两种水性黏结剂制备的电池在循环过程中其比容量都出现上升的趋势 特别是以明胶为黏结剂的电池其首次放电比容量为./次循环后增至./当明胶含量为 时发现了正极复合材料表面结构的一些新特性关键词:锂离子电池 正极 黏结剂 循环性能中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):././.:黏结剂是生产电池极片的重要组成部分 目前电池极片生产工艺中大多采用聚偏氟乙烯()作锂电池正极的黏结剂 甲基吡咯烷酮()作溶剂 存在价格昂贵、污染环境、回收困难等缺陷 用明胶或聚乙烯醇()作为电池极片的黏结剂时除了其本身价格低廉还可以使用水作为溶剂而代替 降低电池的成本消除 生产电池过程中的缺陷 本文采用明胶或 作为极片黏结剂以水作为溶剂制备出了锂离子电池正极片组装成模拟电池并对其正极片的黏接性及电化学性能进行了系统的研究 实验部分.电池的制作以下 种正极片的活性物质采用的是同一家工厂生产且用的同一批 材料 以 为黏结剂的电极片:、乙炔黑、质量比为 以 为溶剂 以 为黏结剂的电极片:、乙炔黑、质量比为 以水为溶剂 以明胶为黏结剂的电极片:明胶、乙炔黑、明胶质量比为 以水为溶剂 正极片均在压力 下压制成型在真空干燥箱中 干燥 以金属锂片为对电极隔膜为聚丙烯 /的为电解质(其电解液为体积比 的/)模拟电池在氩气气氛下组装而成表 材料的产地和纯度材料产地纯度新乡(绿动能源)工业级中国上海工业级中国湖南分析纯明胶中国天津分析纯 收稿日期:作者简介:王军()男工程师从事电化学方面工作电话:第 期 王军等:黏结剂对锂离子电池性能的影响.弯折试验为考察电极活性物质的黏结性对正极片做弯折试验 具体方法是将压制好的正极片放在 直角板上进行反复弯折直至正极片弯折处的活性物质出现脱落记录弯折的次数作为考察参数.表观形貌测试采用 扫描电子显微镜(日本索尼公司)观察极片的表观形貌.电化学性能测试将模拟电池静置 后用 电池性能测试仪(新威公司)测试循环性能:.活化 个循环.恒流充放电测试 结果与讨论.弯折试验分析不同黏结剂制备极片的弯折试验数据见表 表 不同黏结剂制备极片的弯折试验不同黏结剂极片弯折次数/次明胶 由表 可知明胶黏结剂制备正极片的弯折次数为 次优于以 为黏结剂制备极片的 次及以 为黏结剂制备极片的 次 说明以明胶作为黏结剂电极材料与基体结合的最牢固明胶的黏结性能最好.表观形貌分析为了研究黏结剂对电极材料有效物质的分散性把极片放在 的压力下成型后利用扫描电镜()对极片进行形貌分析 结果见图 图 极片的 图由图 可知以 为黏结剂的极片电极表面平滑为观察到蓬松的颗粒说明各种物质被牢牢固定此种情况并不利于电解液充分浸润活性物质导致活性物质不能有效地发挥作用在电池中表现为活性物质的克比容量低 以 为黏结剂的极片电极表面粗糙可以观察到大量蓬松的颗粒说明大量物质未被牢牢固定住此种情况下活性物质的黏结过于松散过松散的结构不利于离子的传递同样会导致活性物质不能有效发挥作用在电池中变现为活性物质克比容量低 以明胶为黏结剂的极片电镜显示情况在两者之间 为了进一步观察以明胶为黏结剂的极片表观情况提高电镜倍率观察了其黏结情况如图 所示其表面仅有少量的物质未被牢牢固定物质与物质直接的黏接间于以 为黏结剂的极片和以 为黏结剂之间 极片表观呈适量蓬松的多孔状有利于活性物质与电解液的接触这种适量的蓬松多孔现象是由明胶的性质决定的明胶在水中的分子空间结构是柔韧的蛇形链结构当极片经过加热固化水的挥发导致明胶体积收缩促使导电粒子以链锁状连结这种连接结构的电极表面呈现适量的蓬松多孔结构.电化学性能分析模拟电池在.下活化 次以.充放电循环 次并分析其电化学性能 图 为以、明胶为黏结剂制备极片的模拟电池第、次循环的充放电曲线图 为模拟电池的充放电循环性能图由图、图 可以看出 电池的首次放电比容量为./第 次循环后容量衰减率为.容量衰减率低克比容量也低这与电镜观察结果相吻合 电池首次放电比容量为./循环 次后开始下降第 次循环的容量衰减率为.循环性能得到很好的保持到第 次循环以后放电比容量反而有所上升但容量还是低于 电池结果也与电镜观察结果吻合 明胶电池的首次放电比容量为./随着充放电的进行其比容量逐渐增加次循环后增至./此种情况也与电镜观察情况吻合 由于 电极材料和明胶电极材料的制备方法相同 和明胶对活性材料和导电粒子的作用原理相似所以循环性能表现出升高相似的特点 这一共同特点可能是由以下原因造成的:在前几次的充放电过程中黏结剂阻隔了链锁状导河南化工 年 第 卷图 电池的充放电曲线图 电池循环寿命曲线电粒子之间的接触使自由电子的定向运动受阻碍当充放电数次后导电粒子间的电子路径得以畅通减小了反应的电化学极化 特别对于明胶黏结剂随着充放电的进行电解液与蓬松多孔状的电极材料润湿的更加充分接触面积较大更有利于锂离子的扩散使原来不易反应的电极材料也能够与电解液充分润湿增大电池的放电比容量 与比较成熟的 黏结剂相比明胶水溶性黏结剂的应用不会影响电池的循环性能反而有利于正极片活性物质利用率的提高有利于提高电池的克比容量 结论 综上所述通过以上实验得出以下结论:水性黏结剂明胶与水性黏结剂 相比明胶的黏结特点更加适合作为锂离子电池正极的黏结剂 明胶黏结剂制备的极片表观呈适量蓬松的多孔状有利于活性材料与电解液的接触及电化学反应的发生明胶电池随着充放电的进行其比容量逐渐增加 次循环后增至./未出现容量衰减现象 与 电池相比明胶电池能够很大程度上提高电池材料的循环比容量是一种很有应用价值的黏结剂参考文献:.()/().:.彭黎波.锂离子电池黏结(接)剂.福州:福建师范大学.周江孟繁慧陈英龙等.基于 黏结(接)剂的锂离子电池负极黏结力的研究.电源技术():.第 期 王军等:黏结剂对锂离子电池性能的影响