锂电池浆料分散剂的分散机理 – 太璞科技

锂离子电池的电极片是通过将电极浆料涂在金属箔上制成的。电极浆料由分散在有机溶剂中的以下材料组成:活性材料:锂离子插层/脱嵌主体。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。对于大容量电池,有必要降低电池的比例。

锂电池浆料分散剂的分散机理

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锂离子电池的电极片是通过将电极浆料涂在金属箔上制成的。电极浆料由分散在有机溶剂中的以下材料组成:

活性物质:锂离子插层/脱嵌宿主。
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。

对于大容量电池,需要在增加活性材料比例的同时,减少导电添加剂和粘合剂的比例。但是,另一方面,重要的是要确保足够的电子导电性,以降低电池的内阻并保持电极的机械稳定性。因此,需要适量的导电添加剂和粘合剂。这种权衡使得优化活性材料和导电添加剂之间的比例变得至关重要。

活性材料和导电添加剂在电极浆料中的分散性也至关重要。活性材料的充分分散可确保电解质与每个颗粒表面之间的接触增加,从而增强离子反应并有助于提高电池容量。导电添加剂的分散程度也很关键。如果电极浆料混合不良,导电添加剂就不能充分分散。相反,如果混合太强,形成的电子途径将被破坏。

电极浆料可能的内部结构可以说明如下:

(1) 导电添加剂和活性粒子均未充分分散。

(2) 导电添加剂和活性颗粒分散良好,但相互作用力较弱,导致它们彼此分离。

(3) 导电添加剂和活性颗粒充分分散,形成导电添加剂封装活性颗粒并连接在一起形成网络的结构。这是理想的浆料结构。

(4) 当导电添加剂过量时,浆料结构中可能会出现部分聚集和部分网络的形成。

如果在电极制造过程中保持理想的浆料结构,则最终可以形成理想的电极结构,从而形成完善的电子传导途径。下图对此进行了说明。

浆料的分散可以通过机械方法实现,例如高速剪切分散,或涉及分散剂的化学方法。习安理工大学的赵彤教授对几种常见分散剂的机理进行了研究。首先,确定了聚乙二醇辛基苯醚 (Triton X-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。随后,阐明了分散剂 T-100 、 PVP 和 CMC 在 LiCoO2 锂离子电池浆料中的分散机制。

三种典型分散剂 T-100、PVP 和 CMC 的最佳用量分别为 a% = 0.5%、b% = 0.5% 和 c% = 1.5%。与具有不同质量比的浆料相比,向锂离子电池浆料中添加最佳数量的分散剂可以更好地分散多组分浆料悬浮液,并有助于形成卓越的内部结构。

分散剂 T-100 对 LiCoO2 颗粒的分散影响很小。非离子分散剂 T-100 通过炭黑颗粒表面的空间位阻分散机制起作用,有效防止其二次聚集。同时,PVDF-CB 双层倾向于在 LiCoO2 颗粒周围形成,从而促进导电添加剂将 LiCoO2 颗粒封装在浆料中的结构,如上图所示。

CMC 通过静电排斥机制作用于浆料中导电添加剂颗粒和 LiCoO2 颗粒的表面,有效防止颗粒之间的二次聚集。它形成一种结构,其中导电添加剂将 LiCoO2 颗粒封装在浆料中。综上所述,离子分散剂 CMC 可以在 LiB 浆料中产生导电通路、CB 封装的 LiCoO2 网络结构以及分散良好的 CB 和 PVDF。因此,CMC 是在锂离子电池浆料中建立结构良好的内部架构以提高电池性能的最佳选择,如下图所示。

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