粘结剂在硅负极中发挥的作用是极其关键的,粘

2019-08-14
本网记者
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摘要:粘结剂在硅负极中发挥的作用是极其关键的,粘结剂最主要的作用就是提供强粘结力以保持电极结构的完整性,保证锂离子电池的循环充放电的正常进行。大多数的研究中所涉及到的粘

粘结剂在硅负极中发挥的效果是极端要害的,粘结剂最主要的效果便是供给强粘结力以坚持电极结构的完整性,确保锂离子电池的循环充放电的正常进行。
大多数的研讨中所涉及到的粘结剂主要是两种:PVDF(聚偏二氟乙烯)和 CMC(羧甲基纤维素) 。
先说说PVDF,它的分子链简略,柔韧性较好,与硅颗粒之间的效果主要是经过F原子和H原子所构成的弱的范德华力。
鉴于这种效果力比较弱,所以在硅颗粒进行嵌锂(对应电池充电进程)体积胀大至3倍时,这种效果力就会被削弱直至损坏,而屡次的循环充放电的成果便是硅颗粒破坏裂化,此刻PVDF没有才能把颗粒集合在一起,在微观方面颗粒间的电触摸削弱乃至消失,直接导致了微观电池容量的快速衰减。
再说CMC,它是纤维素的衍生物,分子链中含有刚性的六元杂环,柔韧性较差,如上图所示。
大多数的研讨发现,运用刚性分子链结构的CMC却能够得到更好的容量坚持率。
这个成果好像不太好了解,正常来讲具有柔韧性好的粘结剂具有更大的形变程度,因而在接受硅颗粒胀大和坚持硅负极结构完整性方面应该技高一筹才对。
右上图显现的是三种本体膜即CMC膜、PVDf膜和SBR-CMC膜各自对应的应力-应变曲线。
从图中能够看出,本体CMC膜是比较脆性的,开裂伸长率仅为5-8%,相关于Si颗粒最大300%的体积改变简直是无济于事。
而即便有弹性超好的SBR(丁苯橡胶)为其助阵,其开裂伸长率也仍是在13%以下,而相同条件下PVDF则能够到达20%以上。
虽然PVDf的开裂伸长率远高于CMC,可是在循环充放电曲线中却看不到有任何优势,反而是运用CMC的循环稳定性最佳(左上图)。
无妨先来看下CMC在系统中的效果:一方面是作为分散剂,协助炭黑和Si颗粒更均匀的散布;另一方面桥连模型告知咱们CMC在溶液中延展的分子链能够作为网状结构基体,在炭黑和Si颗粒间构成有用的桥连结构确保复合电极的导电性。
再解释一下桥连模型,这个模型说的是高分子链的不同链段吸附在不同颗粒上,又或者是不同颗粒上吸附的链段之间发作彼此缠结,就像是不同的岛屿之间经过桥衔接在一起,颗粒就相当于岛,高分子链段就相当于桥,而且是三维立交桥彼此穿插衔接。
在悬浮液的溶剂蒸腾后(即涂布后的枯燥进程),这种桥连形状的电极结构得以保存,而且颗粒间间隔更为严密。
桥连效果取决于分子形状结构和分子量。
分子形状结构指的是在溶解在溶剂中的聚合物大分子的形状,理论上来讲,分子量越高形状结构延展越大,构成桥连结构的可能性也越大。
CMC的分子链包含刚性骨架和其它基团(主要为羧基、羟基)刚性骨架能够协助CMC分子延伸的更远,而羧基间的静电排挤效果,使得分子形状扩展更广(意味着更多桥连的可能性),最大扩展标准能够到达260nm(DS=0.7,Mw=90000)而关于PVDF来说,柔性的骨架(C-C骨架)使得分子形状出现弯曲状,结构单元随意摆放。

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