用于高速石墨阳极的交联丙烯酸酯粘合剂

《Battery Energy》：Cross-Linked Acrylate Binder for High-Rate Graphite Anodes

本研究采用商用高交联聚丙烯酸（Carbopol? Ultrez10）作为石墨阳极粘结剂，实现总粘结剂含量降低38%。x-PAA因形成高粘弹性凝胶网络，在保证浆料高剪切粘度和涂布性能的同时减少粘结剂用量，且不吸附石墨表面，避免SEI膜形成和锂沉积，使快充性能（5C）容量保持率优于CMC参考电极。然而，x-PAA电极层cohesion强度较低，导致长期循环（1000次）容量保持率（87%）略低于CMC（92%）。实验表明，x-PAA通过流变学优化和界面互作改进显著提升了电化学动力学性能，但需进一步优化机械强度。

　　在锂离子电池（LIB）的阴极制造过程中，水基处理技术已经成为一种先进的选择。这种方法的优势在于其环境友好性和成本效益，因为它不需要使用有毒且昂贵的有机溶剂或后续的溶剂回收设备。为了确保电极浆料中所有成分的均匀分散，同时保持适合涂布工艺的合适流变特性，通常会加入聚合物粘合剂。这些粘合剂不仅有助于电极的机械完整性，还能在制造和运行过程中提供必要的结构支撑。

在当前研究中，探讨了一种商用的高交联丙烯酸酯粘合剂——Carbopol? Ultrez10（x-PAA）在石墨阴极中的应用。与传统的羧甲基纤维素（CMC）相比，x-PAA具有更高的增稠效率，这使得在保持高剪切粘度的同时，能够显著减少粘合剂的使用量。这种粘合剂的高剪切粘度和一定的屈服应力，对于浆料的稳定性和涂布过程中的电极边缘形成非常有利。此外，由于x-PAA不吸附在石墨颗粒上，其在保持粘合强度的同时，能够减少SBR（丁苯橡胶）的用量，从而使得总粘合剂含量减少了约40%。

尽管x-PAA的使用带来了诸多优势，如降低粘合剂含量和提高快充性能，但在长期循环性能方面却略有不足。这是因为粘合剂的减少影响了电极层的结合强度，从而导致在循环过程中，电极层的结构稳定性有所下降。然而，与线性PAA和CMC相比，x-PAA在快充条件下表现出更优的性能，这可能是由于其不吸附在石墨表面，使得锂离子的嵌入和脱出更加高效。这种高效的离子传输特性，对于提升电池的功率密度和循环寿命具有重要意义。

在实验部分，详细描述了电极浆料的制备和表征过程。x-PAA、线性PAA（l-PAA）和CMC三种粘合剂被用于浆料的制备，其中x-PAA以粉末形式使用，而l-PAA则以35%的水溶液形式存在。浆料的制备过程包括逐步加入粘合剂、搅拌、中和等步骤，以确保浆料的稳定性和均匀性。通过使用旋转流变仪，研究了不同粘合剂对浆料流变性能的影响，结果显示x-PAA在高剪切应力下表现出较高的屈服应力和剪切变稀特性，而CMC则缺乏屈服应力，且在剪切范围内表现出剪切变稀。

为了进一步评估粘合剂对电极性能的影响，研究了不同粘合剂在电极层中的机械性能。通过90°剥离测试和压缩测试，发现x-PAA电极在低粘合剂含量下表现出较低的结合强度，这可能是由于其不吸附在石墨表面，无法提供足够的结构支撑。然而，通过调整粘合剂的配比，可以在保持一定结合强度的同时，实现粘合剂的减少。此外，l-PAA电极由于较高的粘合剂含量，表现出更高的结合强度，但同时也带来了更高的内阻，影响了电池的整体性能。

在电化学测试部分，研究了不同粘合剂在全电池配置下的性能表现。结果表明，x-PAA电极在快充条件下表现出更好的容量保持率，而CMC电极则在长期循环中显示出更高的容量保持率。这种差异可能源于x-PAA电极在循环过程中因粘合剂的减少而导致电极层结合力不足，从而在长期使用中更容易发生结构破坏。同时，l-PAA电极由于高粘合剂含量，表现出较高的内阻，这进一步影响了其循环性能。

通过综合分析电化学数据和电极的后处理结果，研究发现x-PAA电极在长期循环中容量保持率略低于CMC电极，这可能是由于其结合力不足所致。然而，x-PAA电极在快充条件下的表现优于CMC和l-PAA电极，这主要归功于其不吸附在石墨表面，使得锂离子的嵌入和脱出更加高效。这种高效的离子传输特性，对于提升电池的功率密度和循环寿命具有重要意义。

在实验中，使用了多种测试方法，包括流变测试、机械性能测试和电化学测试，以全面评估不同粘合剂对电极性能的影响。通过这些测试，研究揭示了x-PAA在减少粘合剂含量的同时，能够保持良好的电极性能。尽管存在一定的结合力不足问题，但其在快充条件下的表现仍优于传统粘合剂。

研究还指出，未来的工作应集中在优化粘合剂的分子结构，包括交联度和分布，以及调整电极层的机械性能，以提高其结合力和稳定性。通过进一步优化粘合剂的结构，可以实现更高的容量保持率和更长的循环寿命，同时保持良好的快充性能。这将有助于推动高性能锂离子电池的商业化和规模化生产。