论文部分内容阅读
粘结剂是锂离子电池电极中的非活性材料，其作用是将活性材料、导电剂、集流体粘结在一起，在电池充放电过程中保持极片结构的稳定。尽管粘结剂是电极中的非活性材料，但它的物理化学性质对电池的电化学性能有重大的影响，新型粘结剂的研究开发对锂离子电池研究及产业具有重要的意义。 目前油系粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)由于稳定的电化学性能和较强的粘结性，已经广泛应用于商业锂离子电池正负极中。PVDF需要以易挥发、高毒性的N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂，污染环境，并易在有机电解液中溶胀，粘结力降低，从而降低电池的使用寿命。此外，PVDF易与嵌锂石墨(LixC6)和金属锂发生放热反应，对电池造成安全隐患。近年来，水系粘结剂因其具有无污染、来源广、价格低、易干燥等等优点而备受关注。 本论文重点研究了一种新型的水系粘结剂羧甲基壳聚糖(C-CTS)在正极中的应用。以纯C-CTS作为粘结剂应用于磷酸铁锂(LiFePO4)正极，并针对C-CTS硬脆、粘结性差等缺点进行共混改性和交联改性研究。此外，还针对具有更高能量密度的三元正极材料(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，NCM)，研究了聚丙烯酸锂/聚乙二醇(PAALi/PEG)粘结剂体系。获得的主要结论如下: (1)C-CTS的理化性能总结研究以及纯C-CTS在LiFePO4正极中的应用。C-CTS具有良好的热稳定性、电化学惰性、电解液中稳定性，LiFePO4正极以纯C-CTS具有较CMC、PVDF更好的倍率性能、更小的阻抗。 (2)C-CTS的共混、交联改性研究。选取粘结性较好的水性聚氨酯(PU)与C-CTS共混，PU的添加能够显著增加C-CTS的粘结性。添加适量PEG能够改善C-CTS的柔韧性，C-CTS/PEG的优化重量比为3∶1，LFP正极表现出最佳的循环稳定性。在0.5 C下充放电测试，140次循环后放电容量为137 mAh/g，容量保持率为99％。在C-CTS/PEG混合体系中，以三羟甲基丙烷-三[3-（2-甲基吖丙啶基）丙酸酯]（XR-104）作为交联剂制备可交联的C-CTS/PEG/XR-104水系粘结剂，采用差示扫描量热法(DSC)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)和溶解实验等研究C-CTS/PEG与XR-104的交联反应，XR-104的重量为C-CTS的1％时，LFP正极表现出最佳的电化学性能。 (3)PAALi/PEG粘结剂体系应用于NCM正极。以PAALi/PEG体系为NCM正极的粘结剂，PEG的加入能够显著改善极片的柔韧性和分散性，通过SEM观察表明，以水系PAALi/PEG体系制成的浆料具有同油系PVDF相当的分散均匀性，且循环后仍然能保证极片结构的完整性。通过电化学测试表明，NCM/PAALi/PEG电极循环性能、倍率性能优于NCM/PVDF，常温200次循环后的容量保持率为86％，而NCM/PVDF为74.9％。