黏结剂的选择对锂离子电池的比容量和循环寿命有重要影响。目前，常用的黏结剂有油性与水性两类。黏结剂应具有以下优点:

①可保持活性物质与集流体之间良好的黏结性能；②离子导电性较好；③可保证电池的成品率；④在制浆的过程中能保证活性物质的均匀性和安全性；⑤价格低廉、对环境友好。

为提高电池容量，人们尝试在某些锂离子电池中用硅碳(Si/C)代替传统的纯石墨。随之而来需要考虑的问题主要有：充放电效率的高低、电解液的匹配性、黏结剂的匹配性等，其中黏结剂的选择是研究的重点。硅负极材料的优势是比容量高，主要缺点为首次循环的库仑效率低、循环衰减快，即使与碳负极材料配合使用，目前商业化的Si/C负极材料也很难满足循环约3000次的使用要求。该问题是妨碍硅碳负极材料扩大适用范围的核心技术壁垒。

本文作者研究了3种不同组合的水性黏结剂，通过比较充放电比容量及库仑效率，从中选择一种性能较好、易用于生产的水性黏结剂组合。

1 实验

1.1 实验原料

实验所用原料为：纳米硅合金负极材料粉末、石墨、导电炭黑Super P、海藻酸钠SA、羧甲基纤维素钠CMC、丁苯胶SBR、亚仕兰黏合剂MSi-A与亚仕兰黏合剂MSi-B。

1.2 样品制备

将上述材料按不同的配比(见表1)混合，固态负极材料的总质量控制在约2g。由于黏结剂遇水易成团，将所制备的负极材料搅拌均匀后，在120℃下真空干燥4h；再加入5~7ml蒸馏水，用磁力搅拌器搅拌2h，涂覆在18μm厚的铜箔上，涂层约150μm厚；然后放入鼓风干燥机中，在80℃下干燥，之后，用压实机进行压实，裁切成直径为16mm的圆片，并在120℃下真空干燥至少8h。

表1 不同种类黏结剂的配比

1.3 电池装配与测试

在手套箱中完成CR2032扣式电池的装配。高纯锂片，电解液为12%LiPF6的碳酸二甲酯(DMC)溶液，隔膜为Celgard2400膜。将装配好的扣式电池在25℃下静置8h，然后用电池测试系统进行测试，电压为2~3V，电流为210~230mA(根据负极片的称重计算具体数值)。

2 结果与讨论

2.1 CMC与SBR组合

CMC属于半合成水溶性高分子材料，是锂离子电池Si/C负极材料优良的水性黏结剂之一。使用CMC与SBR组合的电池的比容量及库仑效率见图1。

图1 使用CMC与SBR组合的电池的比容量及库仑效率

从图1可知，充放电比容量均随着CMC用量的增加先增加、后减少，而首次库仑效率则是先减少、后增加。使用1-1、1-2及1-3号黏结剂的电池，首次充电比容量分别为414.8mAh/g、439.9mAh/g和415.9mAh/g，首次放电比容量分别为454.3mAh/g、482.1mAh/g和454.4mAh/g，首次库仑效率分别为91.32%、91.25%和91.53%。这说明，改变CMC与SBR的比例，对电池首次充放电比容量的影响较大，对首次库仑效率的影响不很明显。当CMC在负极中的质量分数为5.0%时(1-2 号黏结剂)，电池的首次放电比容量最高,比使用1-1、1-3号黏结剂的电池分别高27.8mAh/g与27.7mAh/g。综合考虑，当CMC与SBR在负极中的质量分数均为5.0%时，电池的性能比较好。

2.2 SA与SBR组合

SA是一种天然水溶性高分子材料，含有羧基官能团，可以与负极材料、集流体形成黏结能力强的化合键。使用SA与SBR组合的电池的比容量及库仑效率见图2。

图2 使用CMC与SBR组合的电池的比容量及库仑效率

从图2可知，使用2-1、2-2及2-3号黏结剂的电池，首次充电比容量分别为425.1mAh/g、418.0mAh/g和412.2mAh/g，放电比容量分别为470.4mAh/g、472.2mAh/g和458.7mAh/g，首次库仑效率分别为90.35%、88.51%和89.87%。当SA在负极中的质量分数为4.0%时(2-1 号黏结剂)，电池的首次充放电容量及首次库仑效率最高,但容量及库仑效率与CMC和SBR组合相比，不是很理想，充、放电比容量分别低了14.8mAh/g和11.7mAh/g，首次库仑效率低了接近1%。比容量稍低，应与SA的黏结能力较强有关；首次库仑效率稍低，应与SA的导电性有关。

2.3 MSi-A与MSi-B组合

MSi-A与MSi-B都是合成类水溶性高分子黏结剂，其中MSi-A是长链高分子材料，MSi-B是小分子有机材料。MSi-B胶十分黏稠，应提前稀释，再进行配制。使用MSi-A与MSi-B组合的电池的比容量及库仑效率见图3。

图3 使用MSi-A与MSi-B组合的电池的比容量及库仑效率

从图3可知，使用3-1、3-2及3-3号黏结剂的电池，首次充电比容量分别为402.4mAh/g、450.7mAh/g和415.3mAh/g，首次放电比容量分别为444.7mAh/g，496.9mAh/g和457.9mAh/g，首次库仑效率分别为90.48%、90.71%和90.67%。当MSi-A在负极中的质量分数为7.2%时(3-2号黏结剂)，电池的性能最好；当MSi-A在负极中的质量分数为6.8%与7.6%时，首次放电比容量分别低了52.2mAh/g与39.0mAh/g，但首次库仑效率变化不大。由此可知，MSi-A与MSi-B比例的微小变化，会对电池性能造成很大的影响。

2.4 改进负极材料的充放电性能

总结前面的实验结果，选择3种不同黏结剂中性能最好的进行比较，如表2所示。

表2 不同黏结剂的锂离子电池性能参数对比

从表2可知，CMC与SBR组合以及MSi-A与MSi-B组合的整体性能较好。MSi-A与MSi-B组合的首次充电比容量及比容量保持率比CMC与SBR组合好，差距不是很大，但MSi-A与MSi-B的价格昂贵，在制浆的过程中，MSi-B的比例不容易精确掌握，会对电池的性能造成很大的影响，因此，在工业生产的过程中,往往采用CMC与SBR组合。

3 结论

黏结剂的合理选择是提高Si/C负极材料电性能的关键之一。本文作者主要研究了CMC与SBR、SA与SBR、MSi-A与MSi-B等3种不同组合的水性黏结剂，发现在这3种组合中，MSi-A与MSi-B组合的性能最好，但从容量、首次库仑效率与经济等多方面考虑，当CMC与SBR在负极中的质量分数均为时5.0%，性能较好，是最佳选择。

文献参考：王倩倩, 张俊婷, 姜文博,等. 黏结剂对锂离子电池性能的影响[J]. 电池, 2021.

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