粘结剂制备工艺优化及实践探索

邢超(中船重工海拓环保科技(大连)有限公司， 辽宁 大连 116013)

粘结剂制备工艺优化及实践探索

邢超(中船重工海拓环保科技(大连)有限公司， 辽宁 大连 116013)

在锂离子电池正负极中，粘结剂是非常重要的一部分。锂离子电池是在铝箔、铜箔的集流体上涂抹正、负极活性物质并干燥而形成的，在该项工艺中，为了使集流体和活性物质粘结在一起，必须要使用粘结剂。

锂离子电池；粘结剂；制备工艺；优化

粘结剂在锂离子电池电极中的作用是粘结活性物质、加强电极活性材料和导电剂、集流体之间的电子接触，从而形成一个稳定的极片结构。此外，粘结剂在锂离子电池正负极充、放电的过程中也起到了缓冲作用，有效避免了体积膨胀。收缩等现象的产生，所以采用适合的粘结剂是发挥锂离子电池作用的关键因素。

1 试验方法

(1)试验材料及仪器 在该试验中，原砂采用的是铸造检测时使用的标准砂，其他主要原料为废弃的锂离子电池。用到的实验设备主要包括电动搅拌器、锤击式制样机以及强度测试仪等。

(2)粘结剂砂样硬化及制备 首先，取1500g的原砂，在其中加入50g的锂离子电池粘结剂，之后再加入15g的氢氧化钙，柔混合搅拌一分钟后取出，留作备用。其次，取适量的混合料放在锤击式制样机上面冲击5次，使其成为Φ50mm×50mm的抗压试样，之后向样筒中以每小时1.0m3的速度吹入二氧化碳气体，使其在一分钟内硬化，形成型砂试样。

(3)测定抗压强度 在试验中主要将锂离子电池粘结剂砂试样经过二氧化碳硬化之后的抗压强度作为关键的性能指标。初始强度为试样制备完成马上测量的抗压强度，用 表示，而试样在放置24小时之后所测定的抗压强度为最终强度，用 表示。粘结剂以原砂重量的4%的进行混砂制样，在混砂时，可以将氢氧化钙作为辅助的添加剂，将用量控制在原砂质量的0.9%左右。随后可以利用二氧化碳气体进行硬化，向Φ50mm×50mm的EPS砂试样中以每小时1.0m3的速度吹气一分半钟，最终得到有效的粘结剂。

2 锂离子电池粘结剂分类

锂离子电池粘结剂主要可以划分为两种类型，分别是有机溶剂型粘结剂，将有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)当作分散剂，另一种是水性粘结剂，利用水当作分散剂。首先，对于有机溶剂型粘结剂，最常用的为聚偏氟乙烯(PVDF)，它是一种应用效果非常好的粘结剂，只是电子、离子的导电性能比较差，而且采用PVDF作为粘结剂的极片要求务必密封，耗能较大。最重要的是，PVDF中含有一定量的氟，极容易与嵌锂石墨发生反应，致使电池性能逐渐下降。除此之外，PVDF的离子、电子的绝缘性会加大电池的内阻，从而对其性能发挥造成影响。与PVDF可以同时使用的分散剂为有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)，NMP的分散性能虽然较好，但是容易挥发，具有较大的毒性，属于易燃易爆品，一旦有机溶剂的毒性挥发，会对环境造成严重污染，甚至会威胁到车间工作人员的人身健康，最重要的是，NMP的成本较高，需要比较大回收费用；其次，对于水性粘结剂来说，如果与有机溶剂型粘结剂相比，其具有成本低、非易燃、生产环境绿色以及挥发水汽等优点，这也是锂电池关键材料的研究方向。

3 锂离子粘结剂制备工艺分析

在锂离子粘结剂制备过程中，对其性能要求主要包括以下几点：①在干燥、除水的过程中，加热至120℃～170℃的情况下还仍然能够保持热稳定性。②能够被有机电解液润湿。③加工性能良好。④不容易燃烧。⑤电力、离子导电性较高。⑥使用量少，价格低廉。对于之前的镍镉、镍氢等电池，他们所使用的电解液是水溶液体系，而粘结剂可以直接使用PVA、CMC等一些水溶性较高的分子材料，此外还可以使用PTFE水分散乳液。锂离子电池的电解液采用的是极性较大的碳酸酯类有机溶剂体系，所以溶解能力和溶胀能力都比较强，而且，粘结剂必须要具有较强的耐碳酸酯能力，同时满足上述要求。尤其要满足在电化学环境中保持稳定性，在正极中发生过充电现象不会发生氧化等要求。

锂离子电池的特点为能够与充放电过程共同进行，锂在活性物质中的嵌入、脱出，会使活性物质发生膨胀、收缩现象，这时就要充分发挥粘结剂的缓冲作用。锂离子电池电极在干燥过程中其加热温度最高能够达到200℃，粘结剂也要承受这种高温环境。因此可以看出，粘结剂性能的好坏直接影响着电池的性能，锂离子电池电极在制备时采用的是涂布工艺，通常会采用刮刀、辊涂布的方式，在刀口间隙处对活性物质层的厚度进行调节。锂离子电池活性物质层的厚度比较小，所以涂布刀口的间隙也比较小，在浆料中不能存在较大的团聚颗粒。在制作电极时，要采取、辊压、分切以及卷绕等措施才能真正进入到电池中，要尽量避免活性物质粉末脱落的现象。除此之外，锂离子电池正负极材料的密度存在很大区别，粘结剂要按照活性物质的密度、松装密度等进行调整，确保活性物质能够在浆料中处于稳定悬浮状态，充分反映出粘结剂的安全性能。

4 结语

综上所述，经过试验可以得出，锂离子粘结剂的制备是一项非常关键的工程，通过分析粘结剂的制备工艺，可以明确锂离子电池的性能要求以及特点，最终得到质量过硬的粘结剂，使其充分发挥其根本作用。

[1]刘伟华,金钰,李英民.一种复合改性动物胶粘结剂制备工艺的研究[J].铸造,2015,02:162-165.

[2]刘伟华,袁旭,李英民,杨耀华.铸造用自硬磷酸盐粘结剂制备工艺的研究[A].中国机械工程学会.2013中国铸造活动周论文集[C].中国机械工程学会,2013:1.

邢超(1992- )，男，辽宁大连人，汉，工艺工程师，本科，研究方向：电化学领域粘结剂制备方法优化及工业化设计。