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电池原材料硅基负极材料粘结剂的研究进展

钜大LARGE  |  点击量:410次  |  2018年11月28日  

摘要
硅(Si)基负极材料的理论比容量(4200 mAh/g)高、嵌脱锂平台较适宜,是一种理想的锂离子电池用高容量负极材料。在充放电过程中,Si的体积变化达到300%以上,剧烈的体积变化所产生的内应力,容易导致电极粉化、剥落,影响循环稳定性。

硅(Si)基负极材料的理论比容量(4200mAh/g)高、嵌脱锂平台较适宜,是一种理想的锂离子电池用高容量负极材料。在充放电过程中,Si的体积变化达到300%以上,剧烈的体积变化所产生的内应力,容易导致电极粉化、剥落,影响循环稳定性。

硅基负极材料需要用什么样的粘结剂?

硅基负极材料粘结剂的研究进展

在锂离子电池中,粘结剂是影响电极结构稳定性的重要因素之一。根据分散介质的性质,锂离子电池粘结剂可分为以有机溶剂为分散剂的油性粘结剂和以水为分散剂的水性粘结剂。刘欣等综述了髙容量负极用粘结剂的研究进展,认为聚偏氟乙烯(PVDF)改性粘结剂和水性粘结剂的应用,可使高容量负极电化学的性能得到提高,但没有针对硅基负极用粘结剂进行论述或比较。

本文就硅基负极材料粘结剂的研究进展进行了综述并对不同类型粘结剂的优缺进行了比较。

1、油性粘结剂

在油性粘结剂中,PVDF的均聚物和共聚物应用得最为广泛。

1.1PVDF均聚物粘合剂

在锂离子电池的规模化生产中,普遍以PVDF作为粘结剂,有机溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)等作为分散剂。PVDF具备良好的粘性和电化学稳定性,但电子和离子导电性较差,有机溶剂易挥发、易燃易爆且毒性大;而且PVDF只以弱范德华力与硅基负极材料相连,不能适应Si剧烈的体积变化。传统型PVDF并不适用于硅基负极材料。

1.2PVDF改性粘结剂

为改善PVDF应用于硅基负极材料的电化学性能,有学者提出共聚和热处理等改性方法。Z.H.Chen等发现:三元共聚物聚偏氟乙烯-四氟乙烯-乙烯共聚物[P(VDF-TFE-P)]可增强PVDF的机械性能和粘弹性。J.Li等发现:在300℃、氩气保护的条件下热处理,可提高PVDF的分散性和粘弹性。改性PVDF/Si电极以150mA/g在0.17~0.90V循环50次,比容量为600mAh/g。PVDF/Si电极经改性处理,循环性能虽然有所改善,但循环稳定性仍不理想。

2、水性粘结剂

相比于油性粘结剂,水性粘结剂环保、廉价且使用更安全,逐渐得到推广。目前研究较多的硅基负极材料粘结剂是羧甲基纤维素钠(CMC)和聚丙烯酸(PAA)等水性粘结剂。

2.1丁苯橡胶(SBR)/羧甲基纤维棄钠(CMC)粘结剂

SBR/CMC具有良好的粘弹性和分散性,已广泛用于石墨类负极的规模化生产中。W.RLiu等发现,(SBR/CMC)/Si电极可在1000mAh/g恒容量充放电循环(0~1.2V)60次,电化学性能优于PVDF/Si电极,但60次循环并不能充分说明循环稳定性。

2.2CMC粘结剂

相比粘弹性较好的SBR/CMC和聚乙烯丙烯酸(PEAA)/CMC,有人认为缺乏弹性的CMC粘结剂更适用于硅基负极材料。J.Li等发现CMC/Si电极以150mA/g在0.17~0.90V循环70次,比容量为1100mAh/g,优于(SBR/CMC)/Si和PVDF/Si电极。B.Lestriez等发现,CMC/Si电极的电化学性能优于(PEAA/CMC)/Si电极,原因是PEAA易使炭黑团聚,影响电极的循环稳定性。

CMC的羧甲基可通过化学键(共价键或a键)与Si相连,连接力较强,可保持Si颗粒之间的连接;且CMC可在Si表面形成类似固体电解质相界面膜(SEI)的包覆,抑制电解液的分解。

虽然CMC作为粘结剂时电极表现出良好的电化学性能,但电极配比、pH值和CMC取代度(DS)等,都会不同程度地影响CMC/Si电极的电化学性能。J.S.Bridel等发现,当m(Si):m(C):

CMC粘结剂具备良好的应用前景,但CMC的粘性一般且脆性大、柔顺性差,充放电时极片易龟裂,而且CMC受电极配比、pH值等条件的影响较大,相关研究还有待深人。

2.3PAA粘结剂

PAA的分子结构简单、易于合成,可溶于水和一些有机溶剂。有研究表明,羧基含量更高的PAA比CMC更适用于硅基负极材料。A.Magasinski等发现PAA不仅可以与Si形成强氢键作用,而且能在Si表面形成比CMC更均一的包覆,PAA/Si电极以C/2在0.01~1.00V循环100次,比容量为2400mAh/g。S.Komaba等发现PAA在极片中的分布较均匀,可在Si表面形成类似SEI膜的包覆、抑制电解液分解,性能优于CMC、聚乙烯醇(PVA)和PVDF。

M.Hasegawa等认为含有大量羧基的PAA虽有良好的粘性,但羧基的亲水性较强,容易与电池中的残余水分反应,影响性能。如果电极干燥后仍存在羟基或水分,会与电解液中的LiPF6反应分解出PF5(>60℃时),使有机溶剂分解,影响电极的充放电性能。如果在150-200℃下对PAA真空热处理4~12h,使PAA的羧基部分缩合,不但可降低电极亲水性,还能增强电极的结构稳定性。B.Koo等在150℃:下对CMC和PAA进行2h的热处理,所得c-CMC-PAA/Si电极以1.5A/g在0.005~2.000V循环100次,比容量为1500mAh/g。

2.4海藻酸钠粘结剂

海藻酸钠的结构与CMC类似,且羧基的排列更有规律。I.Kovalenko等将海藻酸钠作为粘结剂,用于硅基负极材料,制备的海藻酸钠/Si电极以4.2A/g在0.01~1.00V循环100次,比容量为1700mAh/g,优于CMC/Si和PVDF/Si电极。目前,关于海藻酸钠的报道不多,且与PAA类似,海藻酸钠的羧基含量较高,存在亲水性较强的问题。

2.5导电聚合物粘结剂

导电聚合物粘结剂同时具备粘性和导电性,可在保持极片结构稳定的同时提髙导电性能。G.Liu等将聚(9,9-二辛基芴-共-芴酮-共-甲基苯甲酸)(PFFOMB)用于硅基负极材料,制备的PFF0MB/Si电极以C/10在0.01~1.00V循环650次,比容量为2100mAh/g。H.Wu等原位合成、制备的聚苯胺(PAni)/Si电极,以6.0A/g在0.01~1.00V循环5000次,比容量仍有550mAh/g。

2.6其他粘结剂

除上述粘结剂外,羧甲基壳聚糖、聚丙烯腈(PAN)和PVA等粘结剂也可用于硅基负极材料。竣甲基壳聚糖/Si电极以500mA/g在0.12~1.00V循环50次,比容量为950mAh/g,PAN/Si电极和PVA/Si电极以C/2在0.005~1.000V循环50次,比容量均保持在600mAh/g。虽然上述粘结剂都可与Si形成强氢键作用、具有良好的循环稳定性,但与CMC、PAA和海藻酸钠等粘结剂相比,循环稳定性略差。

3、结论

粘结剂的研发与应用是提高锂离子电池硅基负极材料循环稳定性的有效途径之一。应用PVDF改性粘结剂或水性粘结剂,都能在一定程度上改善硅基负极的循环稳定性和电化学性能。不同类型的粘结剂各有优缺点,相对而言,PAA、海藻酸钠和导电聚合物粘结剂应用于硅基负极材料时表现出较好的循环稳定性和电化学性能。

开发能够与Si形成较强化学键连接和较均匀包覆的水性粘结剂是硅基负极材料粘结剂的一个重要发展方向。此外,同时具备粘性和导电性的导电聚合物粘结剂,也拥有广阔的应用前景。

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