锂电常见粘结剂性能对比

粘结剂作用包括：

• 提供机械稳定性，维持正负极活性材料在充放电过程中结构和体积变化，防止活性材料脱落，提升极片的循环稳定性；

• 降低电池内阻，与导电相互混合，形成导电剂网络，提供电极内所需要的电子传导；

• 改善电解液的润浸性，吸附电解液，促进锂离子在电极电解液界面传输。       

锂电粘结剂的性能要求：

• 粘结性能：粘结剂必须具备粘结性能好、抗拉强度高、柔韧性好和杨氏模量低等特点，以提供足够的粘结强度，确保在电池生产、使用（存储、循环）过程中，不会出现活性材料在反复膨胀和收缩过程中从极片上脱落失效，以及电极微粒间的结合不被破坏；
• 化学稳定性和电化学稳定性：长期处于高电位（正极粘结剂）或低电位（负极粘结剂）条件下，正极粘结剂需要在高压条件下不被氧化，负极粘结剂需要在低压条件下不被还原；在存储和循环（电池充放电）过程中，粘结剂不与活性材料、Li及其他物质发生副反应；
• 电解液相容性：不溶于电解溶液或溶胀系数小，不与电解液发生化学反应，在电解液中保持形状、结构和性质的稳定；
• 加工性能：在浆料介质中分散性好，有利于将活性物质均匀的粘结在集流体上，能提供良好的浆料、极片、电池加工性能；   

• 动力学性能：对电极中的电子、离子在电极中传导的负作用影响小。

锂离子电池电极中使用的常见粘合剂包括PVDF、PTFE、聚（丙烯酸）（PAA）、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、聚环氧乙烷（PEO）、羧甲基纤维素钠（CMC）和藻酸盐（Alginate）。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心禹习谦研究员团队对常用粘结剂（PVDF、PTFE、PAA、SBR、PEO、CMC、Alginate）的性能参数进行了比较。

这些粘合剂的基本性能，包括拉伸和压缩机械性能、粘合力和热性能分别总结在表1、2、3和4中。拉伸性能表示电极的体积膨胀的阻力，而压缩性能呈现电极在施加压力时保持结构完整性的强度。

机械性能方面，PAA、CMC和藻酸盐不如PVDF，但它们是水溶性的并且富含羧基或羟基，有助于形成更强粘附性。SBR具有非常高的弹性，通常与CMC混合以弥补彼此的缺点。CMC是一种多元弱酸，它能解离形成羧酸根阴离子功能团，游离的羧酸基团能够与硅/碳等材料表面的羟基相互作用而在电极中形成理想的碳胶相网络，且CMC成本低、热稳定性好、对环境无污染。然而，CMC水性粘结剂具有较强的刚性和脆性，真空干燥后，以CMC为粘结剂的电极表面明显可见裂纹，甚至可能导致电极材料涂层与集流体之间产生缝隙，造成电极“掉料”。为解决这个问题，常常以丁苯橡胶(SBR)为CMC粘结剂的弹性添加剂，SBR的加入能够有效降低电极的脆性，使用SBR-CMC复合粘结剂的Si阳极显示出更小的杨氏模量、更大的最大延伸率，以及对集流器更强的附着强度。聚丙烯酸(PAA)是由丙烯酸单体聚合而成的水溶性高分子聚合物，由于其结构上存在大量的羧酸基团，可以与活性物质以及铝箔形成强相互作用，因而具有较好的粘结性能，是电极潜在的高性能粘结剂，并且在电池循环过程中，PAA可以帮助形成稳定的CEI，提高电池的循环稳定性。PEO具有出色的离子导电性，但在高电压下的抗氧化性较差。    

图1  粘结剂性能对比          

参考文献

Tian Qin, Haoyi Yang, Quan Li, Xiqian Yu, Hong Li, Design of functional binders for high-specific-energy lithium-ion batteries: from molecular structure to electrode properties, Ind. Chem. Mater., 2023, https://doi.org/10.1039/D3IM00089C.