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化工原料常见问题

锂电浆料分散剂的分散机理

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锂离子电池的电极片通过将电极浆料涂敷到金属箔上而制成,电极浆料由分散在有机溶剂中的以下材料组成:  

活性物质:锂离子嵌入脱出载体;  

导电添加剂:促进电子传导;  

粘合剂:用于粘合活性材料和导电添加剂。  

对于高容量的电池,需要降低导电添加剂和粘结剂的比例,提高活性物质的比例。但是,另一方面又要保证足够的电子传导性以降低电池的内阻,以及电极机械稳定性。因此,需要适量的导电添加剂和粘结剂。这种权衡使得优化活性材料和导电添加剂的比例非常重要。  

活性材料和导电添加剂在电极浆料中的分散性也是非常重要的,活性材料充分分散以确保电解质与每个活性材料颗粒的表面接触增加了离子反应,这有助于提高电池容量。导电剂的分散程度也很关键,如果电极浆料混合不良,则导电添加剂不能充分分散。相反,如果混合太强,则形成的电子通路将被破坏。  

电极浆料可能的内部结构如下图所示:  

(1)导电剂和活性颗粒都没有充分分散;  

(2)导电剂和活性颗粒充分分散,但是相互作用力弱,彼此分离;  

(3)导电剂和活性颗粒充分分散,形成导电剂包覆活性颗粒并链接成网络的结构,这是理想的浆料结构;  

(4)导电剂含量过多时,形成的部分团聚和形成部分网络的浆料结构。  

导电剂和活动颗粒充分分散.png

理想的浆料结构如果在极片制备过程中保持,最终可以形成理想的电极结构,从而形成良好的电子传导路径,如下图所示。  

理想的浆料结构.png

浆料分散将采用机械(如高速剪切分散)或化学方法(分散剂),西安理工大学赵桐教授研究了几种常见分散剂的机理。首先确定了聚乙二醇辛基苯基醚(TritonX-100、T-100)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和羧甲基纤维素(CMC)三种典型分散剂的最佳添加量,然后阐述了分散剂T-100、PVP和CMC在LiCoO2锂离子电池浆料中的分散机理。  

三种典型的分散剂T-100、PVP和CMC的最佳用量分别为a%=0.5%、B%=0.5%和c%=1.5%。添加最佳分散剂用量的锂离子电池料浆比添加其他质量比的料浆更能分散多元浆料悬浮液,并能构建更好的内部结构。  

分散剂T-100对LiCoO2颗粒的分散几乎没有影响,非离子分散剂T-100以空间位阻分散机理作用于炭黑颗粒表面,有效地防止了炭黑颗粒的二次团聚。同时,PVDF-CB双层倾向于在LiCoO2颗粒周围建立,以便在浆料内形成导电剂包覆LiCoO2颗粒的结构,如下图上所示。  

非离子分散剂PVP对CB在LiB浆料中的团聚有较强的抑制作用,同时对LiCoO2的局部团聚有促进作用。PVP能促进CB和PVDF之间的相互作用,在LiCoO2周围形成导电层结构,但PVP会导致LiCoO2在浆料中团聚。总之,PVP具有分散CB团聚体的能力,但会形成局部聚集的LiCoO2结构,如下图中所示。  

CMC通过静电排斥分散机理作用于浆料中导电剂颗粒和LiCoO2颗粒的表面,有效地防止了颗粒间二次团聚,在浆料中形成了导电剂包覆LiCoO2颗粒结构。总之,离子型分散剂CMC可以在LiB浆料中形成导电路径、CB包覆的LiCoO2网络结构以及良好分散的CB和PVDF。因此,分散剂CMC是在锂离子电池浆料中建立完善的内部结构以提高锂离子电池性能的最佳选择,如下图下所示。

分散剂CMC.png

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