2 . 5 . 1 导电剂
由于正负极活性物质颗粒的导电性不能满足电子迁移速率的要求,锂离子电池中需要加入导电剂,其主要作用是提高电子电导率。导电剂在活性物质颗粒之间、活性物质颗粒与集流体之间起到收集微电流的作用,从而减小电极的接触电阻,降低电池极化,促进电解液对极片的浸润。锂离子电池常用导电剂有炭黑和碳纳米管。
(1 )炭黑 炭黑是由烃类物质 (固态、液态或气态)经不完全燃烧或裂解生成的,主要由碳元素组成。炭黑微晶呈同心取向,其粒子是近乎球形的纳米粒子,且大都熔结成聚集体形式,在扫描电镜下呈链状或葡萄状,见图 2-35 ( a )。炭黑比表面积大 (700 /g )、表面能大,有利于颗粒之间紧密接触在一起,形成电极中的导电网络,同时起到吸液保液的作用。
(2 )碳纳米管 碳纳米管 ( CNT )分为单壁 CNT 和多壁 CNT 。锂离子电池常用的是多壁碳纳米管。多壁碳纳米管的直径在纳米级,具有一维线型结构[图 2-35 ( b )],在电极中可形成长程连接的导电网络。这种导电网络可以将活性
物质颗粒连接在一起,使较松散的颗粒之间仍能保持电接触,在长期循环过程中
保持电池内阻不增大,效果显著。石墨烯作为新型导电剂,由于其独特的二维片
状结构和强导电性,引起了广泛关注。将 CNT 、石墨烯和导电炭黑之间两者或
三者混合制浆,可以发挥它们各自的优势,取长补短,是目前导电剂的发展
方向。
2 . 5 . 2 黏结剂
锂电池黏结剂主要是将活性物质粉体黏结起来,增强电极活性材料与导电剂以及活性材料与集流体之间的电子接触,更好地稳定极片的结构。黏结剂主要分为油溶性黏结剂和水溶性黏结剂:油溶性黏结剂是将聚合物溶于 N - 甲基吡咯烷酮 ( NMP )等强极性有机溶剂中;水溶性黏结剂是将聚合物溶于水中。油溶性黏结剂中, PVDF 具有优异的耐腐蚀、耐化学药品、耐热性性能,且电击穿强度大、机械强度高,综合平衡性较好,成为锂离子电池应用最为广泛的黏结剂之一。影响 PVDF 黏结性和电池性能的因素主要有 PVDF 的分子量、添加量和杂质含量等。 PVDF 的分子量越大,则黏合力越强,若分子量由 30000 增加到50000 ,则黏合力增加一倍。但分子量过大时容易导致在 NMP 溶剂中的溶解性能不好。因此在保证溶解与分散的情况下,应尽可能采用分子量高的 PVDF 。黏结剂中的水分对黏结性影响显著,需要严格控制水分含量。水溶性黏结剂主要采用丁苯橡胶乳液型黏结剂。丁苯橡胶 (SBR )乳液黏结剂的固含量一般为 49%~51% ,并具有很高的黏结强度和良好的机械稳定性。目前锂离子电池负极片生产通常采用以 SBR 胶乳为黏结 剂、羧 甲基纤维素(CMC )为增稠剂、水为溶剂的黏结体系。 SBR 和 CMC 两者一起使用,能够充分发挥黏结效果,降低黏结剂用量。 CMC 主要起分散作用,同时起到保护胶体、利于成膜、防止开裂作用,提高对基材的黏合力。
2 . 5 . 3 壳体、集流体和极耳
锂离子电池的壳体按材质可分为钢壳、铝壳和铝塑复合膜。钢壳不易变形,抗压能力大,可以制备体积较大的电池,早期圆柱形和方形锂离子电池采用钢壳。但钢壳电池质量比能量低,不适合制备薄电池和用于蓝牙耳机等电子设备上的小型电池。铝壳是采用铝合金材料冲压成型的电池外壳。铝壳体的重量轻,质量比能量高于钢壳,但受铝材强度限制不适合制备大电池。软包装锂离子电池通常采用铝塑复合膜,这是近年来发展的趋势。铝塑复合膜制备的电池的体积比铝壳体范围大,也能制备薄电池和异形电池。铝塑复合膜内层为黏结剂层,多采用聚乙烯或聚丙烯材料;中间层为铝箔;外层为保护层,多采用高熔点的聚酯或尼龙材料,见图 2-36 。目前,动力锂离子电池组外壳也有采用 PA66 、 ABS 或 PP塑料作为壳体的。
集流体的作用主要是:承载电极活性物质、将活性物质产生的电流汇集输出、将电极电流输入给活性物质。要求集流体纯度高,电导率高,化学与电化学稳定性好,机械强度高,与电极活性物质结合好。锂电集流体通常采用铜箔和铝箔。由于铜箔在较高电位时易被氧化,主要用于负极集流体,厚度通常为 6~12 μ m 。铝箔在低电位时腐蚀问题较为严重,主要用于正极集流体,厚度通常为10~16 μ m 。集流体成分不纯会导致表面氧化膜不致密而发生点腐蚀,甚至生成LiAl 合金。铜和铝表面都能形成一层氧化膜:铜表面氧化层属于半导体,电子能够导通,但是氧化层太厚会导致阻抗较大;而铝表面氧化层属绝缘体,不能导电,但氧化层很薄时可以通过隧道效应实现电子电导,氧化层较厚时导电性极差。因此,集流体在使用前最好经过表面清洗,去油污和氧化层。随着人们对电池容量的需求越来越高,要求集流体越来越薄,但是如何保证集流体的强度、与活性物质的黏结性和柔韧性是目前研发的关键方向。
极耳就是从锂离子电池电芯中将正负极引出来的金属导电体,正极通常采用铝条,负极采用镍条或者铜镀镍条。极耳应具有良好的焊接性。
参 考 文 献
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来源：《锂离子电池制造工艺原理与应用》
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