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【視野】CMC粘結(jié)劑在電池中的應(yīng)用
時間:2020-04-03 08:06來源:中國電池聯(lián)盟 作者:子蕊
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粘結(jié)劑是鋰離子電池中重要的輔助功能材料之一，是整個電極的力學(xué)性能的主要來源，對電極的生產(chǎn)工藝和電池的電化學(xué)性能有著重要的影響。粘結(jié)劑本身沒有容量，在電池中所占的比重也很小。
除了一般的粘結(jié)劑所具有的黏接性能之外，鋰離子電池電極粘結(jié)劑材料還需要能夠耐受電解液的溶脹和腐蝕，以及承受充放電過程當(dāng)中的電化學(xué)腐蝕作用，在電極的工作電壓范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，因此，可以用作鋰離子電池電極粘結(jié)劑的聚合物材料并不多。
目前得到廣泛應(yīng)用的鋰離子電池粘結(jié)劑主要有三大類：聚偏氟乙烯（PVDF）、丁苯橡膠（SBR）乳液和羧甲基纖維素（CMC），此外，以聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯腈（PAN）和聚丙烯酸酯作為主要成分的水性粘結(jié)劑也占有一定市場。
電池級CMC四大特點
由于羧甲基纖維素酸式結(jié)構(gòu)的水溶性不好，為了能夠更好地對其進(jìn)行應(yīng)用，在電池生產(chǎn)中，CMC是使用非常廣泛的材料。
CMC產(chǎn)品作為水性體系負(fù)極材料的主要粘合劑，被國內(nèi)外電池制造企業(yè)廣泛采用，最佳量的粘合劑可以獲得比較大的電池容量、較多的循環(huán)壽命和比較低的內(nèi)阻。
CMC的四大特點有：
第一，CMC可以使產(chǎn)品的親水性和溶解性好，完全溶于水，沒有游離纖維和雜質(zhì)。
第二，取代度均勻且粘度穩(wěn)定，可以提供穩(wěn)定的粘度和附著力。
第三，制作出高純度產(chǎn)品，并且是屬于低金屬離子含量。
第四，產(chǎn)品與SBR膠乳和其他材料配合使用具有良好的相容性。
電池使用的CMC羧甲基纖維素鈉，將它所具有的使用效果有了質(zhì)一樣的提升，而且同時也為它提供了良好的使用性能，有了現(xiàn)在的使用效果。
CMC在電池中的作用
CMC是纖維素的羧甲基化衍生物，通常由天然的纖維素和苛性堿及一氯醋酸反應(yīng)后而制得，分子量由幾千到百萬。
CMC為白色至淡黃色粉末、粒狀或纖維狀物質(zhì)，吸濕性強(qiáng)，易溶于水，在中性或堿性時，溶液呈高粘度液。80℃以上長時間加熱，粘性降低，在水中不溶。加熱至190～205℃時呈褐色，至235～248℃時炭化。
因為CMC在水溶液中有增稠、粘結(jié)、保水、乳化及懸浮作用，因此廣泛應(yīng)用于陶瓷、食品、化妝品、印染、造紙、紡織、涂料、粘結(jié)劑和醫(yī)藥等領(lǐng)域，高端陶瓷和鋰電池領(lǐng)域約占7%左右，俗稱“工業(yè)味精”。
具體到電池中，CMC的作用有：對負(fù)極活性材料及導(dǎo)電劑起到分散作用；對負(fù)極漿料起到增稠及防沉降作用；輔助粘結(jié)作用；穩(wěn)定電極的加工性能，輔助改善電池循環(huán)性能；提高極片的剝離強(qiáng)度等。
CMC的性能與挑選
在制作電極漿料的時候加入CMC，能提高漿料粘度和防止?jié){料沉淀。CMC在水溶液中會分解出鈉離子和陰離子，CMC膠液粘度會隨著溫度的升高而降低，容易吸潮，彈性較差。
CMC對于負(fù)極石墨的分散能夠起到很好的作用。隨著CMC量增加，其分解產(chǎn)物將附著在石墨顆粒表面，石墨顆粒之間由于靜電作用力而相互排斥，達(dá)到很好分散效果。
CMC的明顯缺點是比較脆，如果全部選用CMC作為粘結(jié)劑，極片在壓片、分切過程中石墨負(fù)極出現(xiàn)坍塌會出現(xiàn)嚴(yán)重的掉粉情況。同時，CMC受電極材料配比、pH值的影響較大，充放電時極片可能會龜裂，直接影響電池的安全性。
最初，負(fù)極攪拌使用的粘結(jié)劑是PVDF等油系粘結(jié)劑，但考慮到環(huán)保等因素，現(xiàn)在負(fù)極選用水系粘結(jié)劑已成為主流。
完美的粘結(jié)劑并不存在，要盡量挑選符合物理加工及電化學(xué)要求的粘結(jié)劑。隨著鋰電技術(shù)的發(fā)展，以及成本及環(huán)保問題，水性粘結(jié)劑將會最終替代油性粘結(jié)劑。
CMC兩大制造工藝
按醚化介質(zhì)的不同，CMC的工業(yè)生產(chǎn)可分為水媒法和溶媒法兩大類。以水作為反應(yīng)介質(zhì)的方法叫做水媒法，用于生產(chǎn)堿性中低檔CMC。以有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)的方法，叫做溶媒法，適用于生產(chǎn)中高檔CMC。這兩種反應(yīng)都是在捏合機(jī)中進(jìn)行的，屬于捏合法工藝，是目前生產(chǎn)CMC的主要方法。
【水媒法】一種較早的工業(yè)生產(chǎn)工藝，該方法是將堿纖維素與醚化劑在游離堿和水的條件下進(jìn)行反應(yīng)，用于制備中低檔CMC產(chǎn)品，如洗滌劑、紡織上漿劑等。水媒法的優(yōu)點是對設(shè)備要求較簡單，成本低；缺點是因為缺乏大量液體介質(zhì)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量使溫度升高，加快了副反應(yīng)的速度，導(dǎo)致醚化效率低，產(chǎn)品質(zhì)量差等。
【溶媒法】又稱有機(jī)溶劑法，按反應(yīng)稀釋劑用量的多少分為捏合法和淤漿法，其主要特點是堿化和醚化反應(yīng)是在有機(jī)溶劑做反應(yīng)介質(zhì)（稀釋劑）的條件下進(jìn)行的。和水媒法的反應(yīng)過程一樣，溶媒法也由堿化和醚化兩個階段組成，只是這兩個階段的反應(yīng)介質(zhì)不同。溶媒法的優(yōu)點是省去了水媒法所固有的浸堿、壓榨、粉碎、老化等工序，堿化、醚化均在捏和機(jī)中進(jìn)行；缺點是溫度可控性相對較差，空間要求、成本較高。
首批超純CMC交付
近日，諾力昂開始交付首批AkuPure™（一種專門針對鋰電池的CMC）。AkuPure滿足鋰電池對原材料的超高純度要求（大于99.5％），可用于改善電池負(fù)極涂層生產(chǎn)工藝，通過更有效地保持和輸送電能來提高電池效率。
諾力昂產(chǎn)品總監(jiān)Geert-Jan Beijering指出：“鋰電池市場的客戶需要超純CMC，CMC中的雜質(zhì)會影響電池本身的性能以及生產(chǎn)效率，AkuPure所具備的一些特性對電池生產(chǎn)過程至關(guān)重要，例如溶解速度快、不溶物含量低。對該領(lǐng)域的客戶來說，最重要的是能夠在各種溫度條件下頻繁充放電而不損失性能。”
據(jù)悉，諾力昂首批交付的AkuPure產(chǎn)品針對中國客戶量身定制并陸續(xù)供應(yīng)中國市場。
當(dāng)前，動力電池產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)都有降本需求，要實現(xiàn)有效降本，電芯前工序制作在鋰電池電芯生產(chǎn)過程中越來越重要。
為了更好的提升鋰離子電池操作人員在混料、涂布、極片制作的技術(shù)水平，加強(qiáng)他們在生產(chǎn)過程中突發(fā)工藝問題的解決能力，電池聯(lián)盟、中國綠色供應(yīng)鏈聯(lián)盟電池專委會、中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會電池專業(yè)委員會聯(lián)合電池聯(lián)盟于5月13-15日，召開“鋰離子電池前工序技術(shù)暨CMC工藝培訓(xùn)”。(詳情請關(guān)注電池聯(lián)盟官方網(wǎng)站及微信公眾號）
培訓(xùn)內(nèi)容包括CMC的作用與使用、CMC的制造方法、CMC級別的重要性、CMC的品質(zhì)與漿料特性的關(guān)系、CMC的品質(zhì)與電池品質(zhì)的關(guān)系、如何挑選電池用的CMC等。
培訓(xùn)結(jié)業(yè)考核合格者頒發(fā)工業(yè)和信息化人才培養(yǎng)工程培訓(xùn)基地、中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會“鋰電池生產(chǎn)崗位操作專項技術(shù)”證書。此外，通過培訓(xùn)考核的學(xué)員信息錄入到協(xié)會官方數(shù)據(jù)庫中，終生可享受免費推薦工作單位。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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