高能量密度趨勢(shì)下 鋰電粘合劑如何創(chuàng)新升級(jí)？

摘要

未來(lái)，為滿足動(dòng)力電池在續(xù)航能力、安全性能、使用壽命、低成本等方面的更高需求，正負(fù)極材料以及電池制作工藝方面會(huì)有較大的變化，粘合劑也會(huì)出現(xiàn)大量的研發(fā)創(chuàng)新，將有更新的粘合劑被持續(xù)不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)。

“粘合劑這個(gè)東西說(shuō)白了就是膠水，做出來(lái)很容易，但做好、做到頂級(jí)非常難?！?/p>

在2017年高工鋰電年會(huì)上，成都中科來(lái)方能源科技股份有限公司總經(jīng)理李仁貴用“膠水”這樣詼諧幽默的調(diào)侃來(lái)形容中科來(lái)方已深耕了17年的產(chǎn)品。

事實(shí)上，由于正負(fù)極材料和導(dǎo)電劑都是無(wú)機(jī)粉末，因此在形成電池正負(fù)極極片的過(guò)程中需要高分子粘合劑將兩者牢固地粘接在金屬集流體上，這樣看來(lái)，粘合劑確實(shí)類似膠水。不過(guò)由于鋰電池內(nèi)部時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，因此，想要穩(wěn)定可靠的起到“粘合”作用也并不容易。

從極片工藝的角度看，需要鋰電粘合劑具備以下四大特點(diǎn)：1.能夠長(zhǎng)時(shí)間維持漿料粘度保持不變。不會(huì)因?yàn)闈{料放置導(dǎo)致其沉降，失效；2.可溶解形成高濃度溶液，所需的汽化熱較低；3.碾壓時(shí)容易成型且不會(huì)反彈；4.具有柔性，在電極破裂時(shí)不會(huì)形成碎片。

此外，在鋰電池內(nèi)部有使用占比1~2%的電池粘結(jié)劑，還扮演著重要的核心角色，往往由于粘結(jié)劑高分子聚合物的某些特性，給電池性能帶來(lái)意想不到的影響。

據(jù)日本JSR株式會(huì)社對(duì)電池粘合劑的長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，粘合劑在滿足鋰電池基本應(yīng)用需求以外，還會(huì)直接影響到鋰電池的性能發(fā)揮。影響范圍包括粘結(jié)強(qiáng)度、遷移抑制(工藝速度)、內(nèi)阻、膨脹抑制、循環(huán)特性。

李仁貴表示，鋰電池經(jīng)過(guò)三年的高速發(fā)展，其粘合劑應(yīng)用已經(jīng)比較成熟了，其中商業(yè)化應(yīng)用的大致可分為水系粘合劑和油系粘合劑。其中，正極材料主要使用油性粘合劑PVDF，該類粘結(jié)劑需要加入NMP溶劑配合使用，但會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體和環(huán)境有害的物質(zhì)。而負(fù)極材料主要使用水性粘合劑聚丙烯系列和SBR乳液系列。

而隨著鋰電池向高能量密度、高安全、低成本發(fā)展，對(duì)粘合劑也提出了更高的要求，主要表現(xiàn)為粘合劑用量少、高溫儲(chǔ)存性能好、極片柔韌性強(qiáng)、以及極片輥壓剝離力優(yōu)異等。

比如索爾維特種聚合物事業(yè)部就推出了一款新型PVDF粘合劑，通過(guò)減少粘合劑的用量，來(lái)相應(yīng)增加電池活性物質(zhì)，進(jìn)而提升電池能量密度。其粘合劑用量較此前產(chǎn)品減少了30%，同時(shí)有望增加電池15%的可靠性，相當(dāng)于延長(zhǎng)了1年甚至更長(zhǎng)的使用壽命。

而作為國(guó)內(nèi)電池粘合劑行業(yè)的領(lǐng)頭羊，中科來(lái)方團(tuán)隊(duì)來(lái)自中科院的成都有機(jī)所，且專注粘合劑的技術(shù)研發(fā)已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)17年，其對(duì)粘結(jié)劑的研發(fā)方式及研發(fā)成果都非常值得國(guó)內(nèi)同行借鑒和學(xué)習(xí)。

以一款應(yīng)用于負(fù)極的新型粘合劑LA136D為例。首先，中科來(lái)方從材料本身的一級(jí)結(jié)構(gòu)開(kāi)始設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，包括材料的柔韌性，耐電化學(xué)性等各個(gè)方面的性能。其次，研發(fā)人員在二級(jí)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行控制，主要是通過(guò)分子量來(lái)調(diào)節(jié)粘接性。最后在三級(jí)結(jié)構(gòu)中，達(dá)成電池的優(yōu)異性能。

從產(chǎn)品基礎(chǔ)性能上看，LA136D粘合劑的分解溫度為280℃，電化學(xué)窗口大于6V。最為出眾的是其粘接能力，與當(dāng)前主流的SBR水系粘合劑對(duì)比，在用量更少的情況下，粘結(jié)性能大幅度提高。

▲LA136D與SBR的粘結(jié)性對(duì)比

此外，在電解液的溶脹上，LA136D也有著顯著優(yōu)勢(shì)。用EC：DEC為3:7的電解液在70℃、鋁塑膜密封環(huán)境下測(cè)試24小時(shí)，結(jié)果表明，LA136D對(duì)電解液的吸收量為10.60%，而SBR的吸收量為34.95%。

將LA136D與SBR分別應(yīng)用到相同的電池體系中，可以明顯感受到LA136D粘合劑體系對(duì)導(dǎo)電劑的分散起到了更好的效果，同時(shí)在高速涂布工藝上也有較大的改善。而從性能上看，使用LA136D粘合劑的電池在功率性上有出色表現(xiàn)，尤其是低溫充放電性能和高溫時(shí)的內(nèi)阻變化都有一定的正面作用。

值得一提的是，LA136D只是中科來(lái)方粘合劑研發(fā)的一個(gè)縮影。未來(lái)，為滿足動(dòng)力電池在續(xù)航能力、安全性能、使用壽命、低成本等方面的更高需求，正負(fù)極材料以及電池制作工藝方面會(huì)有較大的變化，粘合劑也會(huì)出現(xiàn)大量的研發(fā)創(chuàng)新，將有更新的粘合劑被持續(xù)不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)。