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石墨负极中粘结剂的分散情况分析

石墨负极中粘结剂的分散情况分析

图片来自参考文献

锂离子电池事目前最为常见的化学储能电源,特别是在手机、笔记本等高附加值的电子产品上广泛的采用锂离子电池作为储能元器件,随着电子技术的发展,人们对锂离子电池的性能要求也越来越高,而对于锂离子电池而言,对其性能影响最大的就是正极电极和负极电极,提升锂离子电池性能主要是通过改优化离子电池的电极的配方和结构来实现。而锂离子电池的电极结构主要由活性物质、导电剂和粘结剂、集流体组成,导电剂和粘结剂含量虽然很低但是对整个电极的性能却有十分重大的影响。以粘结剂为例,粘结剂的主要作用就是将电极的各个组分粘接在一起,使得活性物质颗粒之间、活性物质与集流体之间紧密接触,为电子提供流动的通道,因此对锂离子电池的性能有着重要的影响。

一般来说在锂离子电池的生产过程中,粘结剂(例如PVDF)会首先被溶解在溶剂之中,形成均匀稳定的溶液,在匀浆的过程中加入到电极浆料之中,所以通常上我们认为在电极中粘结剂是均匀分散在活性物质之间的,实际上由于在烘干的过程中还存在着溶剂挥发,粘结剂结晶析出的过程,因此电极的烘干制度对粘结剂在电极中的分散有着十分重要的影响。例如,德国卡尔斯鲁厄理工学院的Marcus Müller等人研究就发现,PVDF的分散与电极的烘干温度存在着紧密的联系,例如提高烘干温度,会导致更多的PVDF集中在电极的表面,相应的在电极与集流体界面上的PVDF粘结剂的浓度就要下降,这必然会对电极的粘接性能产生影响,导致活性物质脱落,电池容量损失,进而影响锂离子电池的循环寿命。

石墨负极中粘结剂的分散情况分析

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Marcus Müller的工作主要是利用EDS能谱分析进行,以PVDF中的F元素作为标记物,分析了F元素在电极极片中的分布,从而标记了PVDF在电极中的分布地图。试验中为了分析PVDF的分布,Marcus Müller制备了两种厚度的电极,分别是70µm400µm,其中石墨含量为92%,导电剂含量为2.8%,粘结剂含量为5.2%。为了验证烘干制度对PVDF分散的影响,Marcus Müller对烘干温度和风速进行了调整。研究显示,电极表面的PVDF浓度随着烘干温度的上升,也不断的在上升,与之相对的是电极和集流体之间界面上的粘结剂,则随着温度的升高,而逐渐下降。例如将烘干温度从60度提高到90度,电极表面的PVDF浓度提高了1%左右,而电极和集流体界面的PVDF浓度则下降了1%左右。

Marcus Müller还利用400 µm厚的电极研究了PVDF在电极中的浓度梯度,研究结果显示,无论高温还是低温,PVDF在电极中的分布都存在一定的梯度(电极表面的浓度要高于电极与集流体界面的浓度),但是高温下PVDF的浓度梯度更大。

石墨负极中粘结剂的分散情况分析

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从上述分析结果来看,烘干温度对锂离子电池电极中的PVDF粘结剂的分散有着重要的影响,为了使PVDF粘结剂在电极中的分散更加均匀,在烘干的过程中我们需要使用更低的烘干温度。

 

本文主要参考以下文献,文章仅用于对相关科学作品的介绍和评论,以及课堂教学和科学研究,不得作为商业用途。如有任何版权问题,请随时与我们联系。

Investigation of binderdistribution in graphite anodes for lithium-ion batteries,Journal of Power Source,340(2017), Marcus Müller, et. al

 

本文来源:新能源Leader(newenergy-Leader),作者:凭栏眺

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