優(yōu)化粘合劑制備的漿液有著良好的流變學特性，應(yīng)用在鋰離子電池領(lǐng)域具有成本較低的優(yōu)勢。

鋰離子電池（LIBS），這個當前最有前途的儲能技術(shù)，有著十分廣泛的應(yīng)用，包括混合動力汽車和電動汽車。這些特殊的應(yīng)用對LIBS的主要要求是具有高能量密度和快速充電/放電的能力。為了進一步提高LIB的能量密度，可以采用以下兩個簡單的方法。第一個方法是采用高能量的陰極材料，例如富鎳錳鈷（Ni-rich NMC）材料，這樣的材料被認為是實現(xiàn)下一代富Ni陰極的關(guān)鍵因素。第二種方法是加入大量的活性物質(zhì)，以提高LIB細胞的能量密度。這意味著，有必要相應(yīng)地減少非活性材料（即粘合劑和電極導電性碳）的含量。

富鎳NMC材料LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2具有較強的電化學性能，如抗高壓工作能力、高比容量等，而且價格實惠，因此特別適用于做LIBS。此外，聚偏二氟乙烯（PVDF）被廣泛認為是表現(xiàn)最佳的LIB粘合劑。該材料顯示出優(yōu)異的化學和電化學性，以及卓越的粘合性能。然而，為了減少LIBs中PVDF的量（從而提高活性材料的量），有必要了解這些高分子量的粘合劑（高MW）在富Ni NMC材料中的化學和電化學行為。

我們的研究目的是了解不同的高MW PVDF粘結(jié)劑和富Ni NMC正極材料的相互作用，并由此確定高能電池制作的最佳電極配制劑。具體來說，我們研究了高容量的富Li-和富Ni- NMC漿液的流變行為，從而制造出優(yōu)化的PVDF。在我們的研究中，我們選擇了在LIBS應(yīng)用中特別推薦的商業(yè)三級PVDF粘結(jié)劑（由不同的聚合方法制造），這種粘合劑（Solvay Solef?5130）具有很高的分子量（MW> 900000），并通過懸浮聚合制備。我們還使用乳液聚合制備粘合劑（PVDF-A），其MW> 900000，以及懸浮聚合制備粘合劑（PVDF-B），其MW> 1,000,000。

在我們的工作中，我們遵循標準混合步驟，用這三個不同的PVDF粘合劑制成泥漿。為了在這一過程中實現(xiàn)良好的涂層，很重要的一點是使溶劑中的活性和非活性成分均勻和穩(wěn)定地分散。該分散液必須十分均勻，即使對漿料的各種固體顆粒來說也是如此。例如，活性物質(zhì)粒子，大小通常是幾微米，而碳黑顆粒則小得多（小于100nm）。此外，活性材料漿料必須在很長的貯存時間內(nèi)保持穩(wěn)定（幾小時到幾天），使它們與工業(yè)過程時間相適應(yīng)。

我們對備好的泥漿進行了流變試驗以比較它們的膠體穩(wěn)定性。對于PVDF-A，我們觀察到不可逆的凝膠。我們認為這是乳液聚合引起的小尺寸顆粒。與此相反， PVDF-B漿料在最初幾天發(fā)生著不可逆的變化，我們觀察到這種凝膠化不能再分散，甚至在經(jīng)過長時間混合之后也不能。令我們驚訝的是，對于5130 SOLEF漿液，即使經(jīng)過了20天，我們也沒有觀察到任何凝膠。三個漿料的凝膠化如圖1所示。

圖1 不同的聚偏二氟乙烯（PVDF）粘合劑制備的漿料（直徑20mm左右）照片。 （a）乳液聚合的Solvay SOLEF 5130（MW> 900000）;（b）乳液聚合的PVDF-A漿料（MW> 900000）；（c）懸浮聚合的PVDF-B漿液（MW> 1,000,000）。

我們還使用了充放電循環(huán)和電化學阻抗譜（在紐扣電池中配置）來描述我們材料的電化學性質(zhì)。對于SOLEF 5130漿料，無論使用2％粘合劑含量的制劑還是半粘合劑含量（即1％）的制劑，我們均獲得了良好的粘附性。通過減半粘合劑的量，我們提高了活性材料的比重，從而改善了物料的體積和重量能量密度。此外，通過使用更少的制劑粘合劑，我們產(chǎn)生了較低的電荷轉(zhuǎn)移阻力以及更大的功率密度。我們的結(jié)果表明（見圖2），高充電速率（即更高的功率密度）下的容量維持從2C的放電速率處開始提高。以這樣的速率， 1％ SOLEF 5130漿料制劑將具有159mAh / g的比容量，而其他漿料具有156mAh / g的值。4℃下的1％SOLEF 5130漿料的比容量是152mAh / g，其他的粘合劑制備的泥漿是148mAh / g。

圖2 泥漿的放電容量關(guān)于放電速率的函數(shù)。PVDF粘合劑具有不同的配方，其中包括兩個SOLEF 5130制劑（1％和2％）的結(jié)果。

總之，我們已經(jīng)研究了高MW的PVDF粘合劑（通過不同聚合方法制得）和富Ni- NMC陰極材料之間的相互作用。漿料的流變行為表明粘合劑的制備方法對漿料穩(wěn)定性有強烈的影響。特別是，我們觀察到，懸浮聚合制備的SOLEF 5130 PVDF是非常穩(wěn)定的，并且可以存放一個月以上。我們還進行了紐扣電池的電化學測試，證明了我們所有的配方具有同等的性能（甚至包含1％SOLEF 5130）。通過減少粘合劑材料的使用量，電極中的活性材料含量可以增加，引起更大的能量密度，實現(xiàn)更多的LIB應(yīng)用。在我們研究的下一階段，我們將研究和設(shè)計使用高容量正極材料制造水性PVDF，然后運用到汽車工業(yè)。具體而言，我們將結(jié)合水高MW PVDF粘結(jié)劑，對其物理（力學），化學和電化學性能進行表征，以評估它是否能滿足下一代汽車電池的目標（成本低廉、使用壽命長、性能優(yōu)異等）。

作者信息

Maurizio Biso

North Carolina A&T State University

Maurizio Biso is a senior researcher in the Lithium-Ion Battery team. He has a master's degree in industrial chemistry (University of Bologna, Italy) and an engineering PhD from the Italian Institute of Technology of Genoa. He has more than 10 years of experience working on a wide range of electrochemical devices, including lithium-ion batteries, supercapacitors, direct methanol fuel cells, and electrochemical actuators.

Md-Jamal Uddin

North Carolina A&T State University

Sung-Jin Cho

North Carolina Agricultural and Technical State University

Sung-Jin Cho is an assistant professor in the Joint School of Nanoscience and Nanoengineering, and he has served as the director of the Nano Energy Laboratory since August 2014. From 2008 to 2014, he worked as a technical lead at Johnson Controls Battery Technology Center in Milwaukee. He also led the US Advanced Battery Consortium program to design and evaluate battery material and lithium-ion cell engineering for automotive applications for more than six years. He has been working on lithium-ion batteries since 1998 in Korea and held multiple positions at LG before beginning his PhD in the United States.

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（摘自今日頭條）