Page 51 - 《精细化工》2022年第7期
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第 7 期                     周建华，等:  锂离子电池硅基负极功能型黏结剂研究进展                                   ·1337·


            型黏结剂应具有以下功能：（1）在硅基负极的正常                            能和力学性能。此外，部分可逆相互作用需要在外
                                             +
            工作电压范围内（0.0~1.5 V vs. Li/Li ）具有电子传                 部刺激下实现自愈合，在实际应用中也会受到限制。
            导性；（2）与硅颗粒间具有强相互作用，维持电极                            在选择合适的自愈机制的同时，可以考虑通过构建
            的稳定结构；（3）具有高导电性，降低电极的电阻，                           三维网络结构以增加黏结剂的机械性能，进一步稳
            提高活性物质的占比。                                         定电极的结构。（2）导电型黏结剂兼具导电剂和黏
                                                               结剂的作用，可以提高活性物质的占比以及电子和
            3   阻燃型黏结剂
                                                               离子传导率，但是在应用的过程中需要重视与活性
                 锂离子电池的安全性能是近年来大家关注的热                          物质和集流体之间的黏附性，否则极易造成容量的
            点。锂电池内部由高活性的材料组成，在受热条件                             快速衰减。可通过引入羟基、羧基等极性基团提高
            下易发生剧烈的化学反应，导致热失控，最终引起                             与硅颗粒和集电极间的黏附强度，避免活性物质的
            火灾。而在电池热失控的过程中，负极会首先燃烧。                            脱落，提高电极的循环性能。（3）目前，硅基负极
            因此，赋予电极阻燃性能对锂离子电池的安全性非                             阻燃型黏结剂的研究较少，且添加传统卤素类阻燃
            常重要。目前，针对锂离子电池阻燃安全性的研究                             剂对环境和人体均有一定伤害，可考虑以淀粉、木
            大部分集中在对电解质和隔膜阻燃性能的改进方                              质素、壳聚糖、单宁酸等含炭量高和具有多羟基的
            面，而对用于电极黏结剂的阻燃性能的研究较少。                             生物基材料作为阻燃剂，在提高黏结剂阻燃性能的
            LIU 等  [40] 通过将聚丙烯酸（PAA）与含有磷和氮元                    同时增强与活性物质间的相互作用。
            素的阻燃性环氧树脂（FREP）交联制备了阻燃黏结                               随着锂离子电池技术的不断发展，黏合剂对锂
            剂（PAA-FREP）。具有丰富羧基的 PAA 作为骨架，                      离子电池性能的影响越来越受到人们的重视。与传
            通过氢键和酯键与 FREP 连接形成交联网络以适应                          统的黏结剂相比，功能型黏结剂不仅拥有独特的自
            硅材料的大体积变化。此外，FREP 上的环氧基显著                          愈合、导电和阻燃等功能，在黏结强度、机械性能、
            改善了黏结剂与铜集电极之间的黏附性，平均剥离                             弹性、界面相容性等方面也有所改善，这使得锂离
            力从 0.34 N 显著增加到 4.69 N。另外，一旦发生热                    子电池硅负极的综合性能得到了显著提高。目前，
            失控，FREP 将发生热分解，释放不可燃气体（如                           自愈合型、导电型、阻燃型等具有附加功能的黏结
            N 2 ）以及自由基捕集剂，降低火焰中•H 和 OH 自由                      剂还未进行产业化。因此，提高功能型黏结剂产品
            基的浓度，并催化 PAA 形成炭化层，以确保电池的                          的性能、开发新型功能型黏结剂以及产业化应用将
            安全性。PAA-FREP 黏结剂的极限氧指数（LOI）为                       是今后该领域的重点发展方向。今后黏结剂的开发
            23.6%，在空气中很难自燃。PAA-FREP/Si 电极在                     中可从以下方面着手：
            2.0 C 的倍率下具有约 2039 mA·h/g 的可逆容量，展                     （1）构建三维网络结构或超支化结构。三维网
            现出优异的倍率性能和循环性能。                                    络结构和超支化结构有利于分散因硅大体积变化所
                 目前，随着锂离子电池的广泛应用，高能量密                          产生的应力，避免循环过程中活性物质的脱落，使
            度与安全性能之间的平衡成为了众多研究者广泛关                             电极获得更好的循环性能。
            注的问题。直接添加阻燃剂虽然可以有效地提高电                                （2）设计具有多功能协同效应的聚合物黏结
            极的安全性能，但是会降低活性物质的占比，影响                             剂。通过引入不同的官能团可使黏结剂具有多种功
            电极的电化学性能，进而影响电池的整体性能。而                             能，在黏结剂的开发中，应同时考虑到自愈合、导
            阻燃型黏结剂的开发可以在维持电极完整结构的同
                                                               电、阻燃等不同功能间的协同作用，开发出具有高
            时有效避免这个问题，且阻燃性黏结剂也可以进一
                                                               容量、长循环性能以及高安全性能的黏结剂，以满
            步应用到其他的电池组件或者需要高安全性能的储
                                                               足高能量密度电池的需求。
            能装置。
                                                                  （3）黏结剂的设计还需要综合考虑实际应用方
            4   结束语与展望                                         面的因素，如浆料要易于涂覆、浆料涂覆后极片的
                                                               柔韧性要好、对环境友好、成本低等。目前，自愈
                 本文综述了近年来不同功能型黏结剂在锂离子                          合型黏结剂和导电型黏结剂的理论研究很丰富，但
            电池硅基负极中的应用，并阐述了其作用机理和特                             是由于制备工艺、成本以及导电黏结剂在充放电过
            性。综上可知：（1）自愈合型黏结剂可以有效地修                            程中的导电性发生衰减等因素还难以大规模推广应
            复电极循环过程中产生的结构裂缝和损伤，改善电                             用。另外，对于阻燃型黏结剂的研究很少，但为提
            极的循环性能，提高电池的使用寿命。但是由于可                             高电池的安全性能提供了一个新的思路。总之，无
            逆相互作用的存在，很难同时具有优异的自愈合性                             论是从电池综合性能方面还是安全方面考虑，功能
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