中科來方水性粘合劑如何革新電池技術(shù)？

前言

粘合劑是為電池制造的必備材料之一，其成本占電池制造成本的1%以下，但可將電池性能提高5%-10%。盡管粘合劑在鋰電池中的用量很少，輔材用量一般為2%-5%，主要作用是連接電極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和電極集流體，使電極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和集流體間具有整體的連接性，從而減小電極的阻抗。

在高能量密度的發(fā)展趨勢(shì)之下，當(dāng)前鋰離子動(dòng)力電池的正負(fù)極材料、隔膜、電解液等材料體系都在不斷升級(jí)。除了這些主要原材料之外，一些用量極小但卻至關(guān)重要的輔助材料在產(chǎn)品性能上也迎來變革，例如鋰電池粘合劑。

粘合劑是為電池制造的必備材料之一，其成本占電池制造成本的1%以下，但可將電池性能提高5%-10%。盡管粘合劑在鋰電池中的用量很少，輔材用量一般為2%-5%，主要作用是連接電極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和電極集流體，使電極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和集流體間具有整體的連接性，從而減小電極的阻抗。

業(yè)內(nèi)人士指出，鋰電池粘合劑對(duì)鋰電池的安全性、一致性、電性能和能量密度等各項(xiàng)性能都能產(chǎn)生重大影響。因此選擇合適的鋰電池粘合劑對(duì)電池企業(yè)而言至關(guān)重要，也是電池企業(yè)當(dāng)前提升電池性能的重要手段。

當(dāng)前，鋰電池用粘合劑主要分為油性和水性兩大體系。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。

成都中科來方能源科技股份有限公司(下稱中科來方)總經(jīng)理李仁貴認(rèn)為，PVDF雖在相對(duì)較高的電勢(shì)下仍然具有強(qiáng)的抗氧化性能，但其粘接力和工藝操作性的矛盾限制電池性能的提高。同時(shí)隨著高鎳三元材料的發(fā)展，PVDF在調(diào)漿制程中存在一系列的工藝問題，因此就正極粘合劑方面還是有一些改善空間。而水性粘合劑在使用方面更便捷、更環(huán)保、加工時(shí)間更短、成本也更低，在接下來含硅系列高容量負(fù)極應(yīng)用上更具優(yōu)勢(shì)。在此背景之下，中科來方通過自主研發(fā)，研發(fā)出了新型水性鋰電池電極專用粘合劑，產(chǎn)品銷量近年來持續(xù)提升獲得眾多電池客戶的信賴。

在國外企業(yè)壟斷和國內(nèi)電池企業(yè)要求不斷提升的雙重壓力之下，國產(chǎn)鋰電池粘合劑應(yīng)該如何提升產(chǎn)品性能、如何突破外資企業(yè)的壟斷，如何研發(fā)出滿足電池企業(yè)的要求？對(duì)此，高工鋰電網(wǎng)與中科來方總經(jīng)理李仁貴展開了深度交流，了解新型鋰電池電極粘合劑的開發(fā)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，且看下文：

當(dāng)前粘合劑在鋰電池正負(fù)極材料領(lǐng)域的應(yīng)用情況如何？國內(nèi)鋰電池粘合劑的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)情況如何？

李仁貴：鋰電池粘合劑是一種將正負(fù)極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑等粉體粘接在集流體（銅或鋁箔）上的高分子材料。作用是粘接幾種材料，穩(wěn)定極片結(jié)構(gòu)，且需在電池反應(yīng)過程中保證電極活性材料與導(dǎo)電劑以及活性材料與集流體之間的電子接觸。目前，油性粘合劑主要用于正極，水性粘合劑用于負(fù)極，通常粘結(jié)劑的用量占正、負(fù)極活性物質(zhì)的2%~5%。

以2016年中國鋰電池產(chǎn)量60Gwh計(jì)算，在正極方面，PVDF用量為活性物質(zhì)的2~4%左右，總用量約5000噸左右（粉末）。目前我國對(duì)PVDF粘結(jié)劑的生產(chǎn)廠家較少且品種很少，市場(chǎng)主要被阿科瑪、索維爾、吳羽等幾大廠家國外企業(yè)壟斷。在負(fù)極方面，水性粘合劑用量占活性物質(zhì)的2%~5%，總用量約為7000噸左右（乳液）；目前在水性粘合劑方面主要分為聚丙烯系列和SBR乳液系列。其中，SBR系列粘合劑主要被Zoen、JSR、巴斯夫和A&L等幾家國外企業(yè)壟斷，而國內(nèi)聚丙烯酸系列粘合劑生產(chǎn)廠家主要為四川茵地樂公司。

高工鋰電網(wǎng)：從發(fā)展趨勢(shì)來看，正極粘合劑是否可以走水性化路線替代PVDF材料？在負(fù)極粘合劑方面聚丙烯酸和SBR技術(shù)路線都有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

李仁貴：正極粘合劑使用水性還是油性，需要分幾個(gè)層面來理解：

首先，用于正極的粘合劑對(duì)其材料本身的要求，除了粘合劑基本要求外，用于正極的粘合劑應(yīng)具有強(qiáng)的抗氧化性能。針對(duì)這個(gè)要求，丙烯酸系列的粘合劑具有強(qiáng)的抗氧化性可作為正極粘合劑，而乳液系列的粘合劑基本被排除掉。

其次，電池材料屬性的不同對(duì)粘合劑的選擇也有影響。如LFP、LMO正極材料可以使用水性粘合劑，整個(gè)過程環(huán)保無污染，并具有低成本優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于LCO和NCM正極材料而言，特別是對(duì)水分特別敏感的高鎳材料，限定了不能使用水性粘合劑。

另外，不同電池廠家采用的生產(chǎn)工藝不同，也會(huì)對(duì)粘合劑選擇有限定的要求。

就目前而言，PVDF是一種比較傳統(tǒng)和經(jīng)典的正極粘合劑材料，具有很好的綜合性能。但隨著正極材料的不斷發(fā)展，對(duì)正極粘合劑也有更高的要求。例如高鎳正極材料使用PVDF作為粘合劑會(huì)在生產(chǎn)工藝中出現(xiàn)漿料凝膠等問題，從而限制高鎳材料體系的發(fā)展。負(fù)極粘合劑方面，目前主要為水性體系，分成聚丙烯和丁苯乳液兩類，其中聚丙烯酸體系在電池性能方面有些優(yōu)勢(shì)，而丁苯乳液在加工工藝方面更有優(yōu)勢(shì)。

高工鋰電網(wǎng)：中科來方在鋰電池水性粘合劑領(lǐng)域主要有哪些優(yōu)勢(shì)？為何將水性粘合劑作為研發(fā)對(duì)象?

李仁貴：中科來方是一家專門研發(fā)生產(chǎn)鋰電池電極和隔膜用粘合劑的高新技術(shù)企業(yè)，公司在鋰電池用水性粘合劑領(lǐng)域擁有20年的經(jīng)驗(yàn)和積累，產(chǎn)品已在鋰電池領(lǐng)域上行銷17年。公司技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)來源于中科院研究所，有30余年的鋰電池研究經(jīng)驗(yàn)，在鋰電池粘合劑方面形成了40余項(xiàng)國際國內(nèi)發(fā)明專利，形成了專有體系的知識(shí)產(chǎn)權(quán)集群。

中科來方一直專注在鋰電池細(xì)分材料的研究開發(fā)上，力求把材料做到極致。公司自成立以來一直進(jìn)行固態(tài)電解質(zhì)的研究，研究過程中發(fā)現(xiàn)了一些材料對(duì)電池性能方面的影響規(guī)律，建立了適用于鋰電池的材料數(shù)據(jù)庫。在此過程中，中科來方開發(fā)出一種適合鋰離子電池的水性粘合劑，自此進(jìn)入鋰電池粘合劑領(lǐng)域。中科來方目前在成都新津精細(xì)化工園區(qū)建有占地面積近45000平方米的現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，現(xiàn)已擁有年產(chǎn)千噸級(jí)隔膜功能層水性涂覆漿料和萬噸級(jí)鋰電池電極專用水性粘合劑的生產(chǎn)能力。

在研發(fā)方面，中科來方每年投入銷售10%-20%的費(fèi)用，現(xiàn)已成功研發(fā)并量產(chǎn)了LA136D、ME1209系列、ABE-5和FS225等幾款水性粘合劑產(chǎn)品。同時(shí)針對(duì)不同的材料體系以及客戶的一些細(xì)分要求開發(fā)的幾款新產(chǎn)品，滿足不同客戶更高的要求。

高工鋰電網(wǎng)：鋰電池水性粘合劑在研發(fā)和推廣方面存在困難有哪些？未來鋰電池粘合劑的發(fā)展趨勢(shì)如何？

李仁貴：粘合劑本身的粘接力是影響電池能量密度的重要因素，提高粘接力可以降低粘合劑的使用量，從而增加活性物質(zhì)使用量提高電池能量密度。中科來方已在膠的粘接力以及材料自身的內(nèi)聚力等方面進(jìn)行了改善，進(jìn)而在以上兩個(gè)方面得到提升，保證電池能量密度的提升。

從市場(chǎng)推廣的角度來看，一方面，由于鋰電池對(duì)水分特別敏感，因此水性粘合劑的推廣過程中會(huì)遇到電池企業(yè)對(duì)其在鋰電池中應(yīng)用的顧慮，導(dǎo)致水性粘合劑在市場(chǎng)推廣中受阻。

另一方面，一款新產(chǎn)品從研發(fā)到小試、中試再到大規(guī)模生產(chǎn)和批量化應(yīng)用，存在漫長(zhǎng)的時(shí)間周期。同時(shí)，粘合劑生產(chǎn)屬于化工項(xiàng)目，涉及到繁瑣的安全、環(huán)保政府審批等過程，中間市場(chǎng)需求可能出現(xiàn)巨大變化導(dǎo)致項(xiàng)目失敗，這些不確定因素對(duì)粘合劑生產(chǎn)企業(yè)而言都是挑戰(zhàn)，但也是機(jī)遇。

針對(duì)這些問題，中科來方從一個(gè)個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)開始，對(duì)粘合劑用于鋰電池中的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水分進(jìn)行測(cè)試，用數(shù)據(jù)跟客戶逐一交流，消除了電池企業(yè)的顧慮，進(jìn)而使水性粘合劑在鋰電池領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。目前，公司已擁有深受行業(yè)客戶信賴的“茵地樂”品牌及子公司，LA型水性粘合劑產(chǎn)品已在鋰電池行業(yè)行銷17年，得到了國內(nèi)眾多電池企業(yè)的普遍認(rèn)可，銷售規(guī)模和市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大。

未來，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)不斷開發(fā)出來，比如滿足硅碳材料的粘合劑等等。