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嘉峪檢測網 2020-07-08 15:14
粘結劑是鋰離子電池正負極的重要組成部分。在電極中,粘結劑的主要作用是粘結和保持活性物質。對粘結劑的要求是歐姆電阻小,在電解液中性能穩定,不膨脹、不松散、不脫粉。加入最佳量的粘結劑,可以獲得較大的容量、較長的循環壽命和較低的內阻,這對提高電池的循環性能、快速充放能力以及降低電池的內壓等具有促進作用。
PVDF結晶度的影響:結晶度直接影響的機械力學性能,結晶度高,分子鏈之間堆積的更加緊密,分子間作用力更大,使其具有較好的粘結性能。
PVDF的改性:在分子鏈上接枝引入官能團,通過官能團和集流體之間的靜電作用增大活性物質和集流體的粘結力,從而增大極片剝離強度。均聚物和共聚物相比較,均聚物比共聚物有更高的結晶度,有更好的粘結性。
以同樣的作為正極粘結劑,隨著活性物質和導電劑的不同,正極極片的剝離強度也會有 很大的變化。
下圖為三種PVDF:
三種PVDF熔點比較
對它們的熔點進行比較發現,分子量的大小對熔點的影響不明顯,而影響熔點最重要的因素是聚合方式,乳液聚合的的熔點顯著小于懸浮聚合的。對于鋰離子電池來說,選擇較高溶點的可以有效的提高電池的安全性能。
PVDF的溶解及粘度
通過分散不同的時間,使用流變儀測試溶液的粘度變化趨勢,發現乳液聚合的溶解時間相對較少,顆粒大小可以很大程度地影響的溶解能力。懸浮聚合可以在2小時內完全溶解。
使用流變儀測試完全溶解后的溶液的粘度如圖所示,發現分子量越大粘結劑溶液的粘度越大相同分子量下的懸浮聚合的粘度較大,制成相應的電極后,發現制成的電極烘干后表面有較多的顆粒,粘度較大的粘結劑溶液不易配制成較好的正極漿料。選擇粘度較低的粘結劑溶液有助于形成較好的正極漿料。
PVDF膜的溶脹性
PVDF膜在電解液中的溶脹過程是電解液分子向高聚物內部滲透,使膜體積膨脹的過程。溶脹度通過溶脹前后重量的變化來體現。
溶脹度數據 |
|||
烘烤溫度(℃) |
PVDF7300 |
PVDF9100 |
HSV900 |
90 |
13.1 |
11.31 |
15.68 |
120 |
9.47 |
8.86 |
11.66 |
150 |
7.92 |
8.86 |
22.66 |
由表數據可以看出,懸浮聚合均聚產物比分子量相近的乳液聚合的均聚產物有更小的溶脹度,說明聚合方式對的溶脹有一定影響;同時,發現膜的溶脹度隨著烘烤溫度升高而降低。造成這種現象的原因是因為在低溫烘烤條件下,結晶時由于分子鏈的擴散運動困難,形成的晶相以典型的球型顆粒存在,薄膜的致密性差,浸入的電解液質量也多,所以溶脹度大;在高溫烘烤條件下,分子鏈的擴散運動比較容易,消除薄膜間的空隙,體積收縮,浸入量少,因而溶脹度小。另一方面,也可能是因為在低溫烘烤時,形成的結晶不是很完善,使得電解液的浸入比較容易,而在高溫烘烤時形成的結晶比較完善,導致電解液的浸入比較困難。粘結劑體積的增加會導致電池厚度的增加,因此我們需要控制粘結劑的溶脹,在這一方面,9100居于更明顯的優勢。
雖然懸浮聚合的粘結劑的溶解相對較困難,但其膜的溶脹特性,以及較高的熔點等具有優勢,同時通過對分子結構進行改性的粘結劑具有較低的溶液粘度,較強的剝離強度,更適合在磷酸鐵鋰類電池中的應用。
外部因素對PVDF結晶度的影響
01、NMP游離胺的影響
在PVDF的粘結劑溶劑中,由于NMP中堿性物質的存在,PVDF很容易發生雙分子消去反應,生成雙鍵。顯然,π-π躍遷的存在使溶液顯色。由于形成的雙鍵不穩定,在攪拌等過程中會斷裂,和鄰近的分子交聯,嚴重時會形成凝膠化現象
02、涂層厚度的影響
使用裝料制作成三個不同厚度的樣品,使用涂布機進行涂布,正極極片烘干后為80μm、169μm、240μm,均在烘箱中烘烤24h,烘烤結晶度和剝離強度的情況見表和圖。隨著電極厚度的上升,的結晶度顯著下降,電極的剝離力降低,PVDF9100的粘結特性受電極厚度的影響。
03、烘烤時間的影響
由表中數據可知:正極極片中的結晶在極片烘干后就己經形成,在相同的烘烤溫度下通過增加烘烤時間不能改變結晶度的大小。
04、烘烤溫度和退火過程的影響
由表知,膜的結晶度隨著烘烤溫度的升高而降低。導電劑和正極漿料也有和膜相同的規律,說明在添加導電劑和活性物質以后,不改變其結晶規律。在烘烤時得到的結晶度相對于烘烤時要低,這是因為溶液在較低的溫度結晶時,分子鏈的擴散運動困難,分子鏈只能就近團聚,鏈節間相互作用形成晶相,以典型的球晶形態存在,形成的晶體較不完善,完善程度差別也很大,這樣的晶體將在較低的溫度下被破壞,溶點低,溶限寬,在結晶溶融的同時可以形成更加完善的晶體,然后在更高的溫度下溶化;在高溫下結晶時,分子鏈的擴散運動比較容易,形成的晶型比較完善,這樣的晶體在一個較窄的范圍內被破壞,因而熔限窄,熔點高。90°烘烤干燥的膜,導電劑和正極片在經過150°退火處理后,結晶度有明顯的上升。這是由于在°90下烘烤得到的結晶是相對不完善的晶型,存在很多微晶,而在經過150°的退火處理后,發生重結晶,結晶向著更加完善的方向發展,結晶度也明顯增大。
參考文獻:[1]王暈. PVDF粘結劑在鋰離子電池中的應用研究[D].復旦大學,2013.
來源:順鋰成章