高能量密度趋势下 锂电粘合剂如何创新升级？

摘要

未来，为满足动力电池在续航能力、安全性能、使用寿命、低成本等方面的更高需求，正负极材料以及电池制作工艺方面会有较大的变化，粘合剂也会出现大量的研发创新，将有更新的粘合剂被持续不断开发出来。

“粘合剂这个东西说白了就是胶水，做出来很容易，但做好、做到顶级非常难。”

在2017年高工锂电年会上，成都中科来方能源科技股份有限公司总经理李仁贵用“胶水”这样诙谐幽默的调侃来形容中科来方已深耕了17年的产品。

事实上，由于正负极材料和导电剂都是无机粉末，因此在形成电池正负极极片的过程中需要高分子粘合剂将两者牢固地粘接在金属集流体上，这样看来，粘合剂确实类似胶水。不过由于锂电池内部时时刻刻都在发生复杂的化学反应，因此，想要稳定可靠的起到“粘合”作用也并不容易。

从极片工艺的角度看，需要锂电粘合剂具备以下四大特点：1.能够长时间维持浆料粘度保持不变。不会因为浆料放置导致其沉降，失效；2.可溶解形成高浓度溶液，所需的汽化热较低；3.碾压时容易成型且不会反弹；4.具有柔性，在电极破裂时不会形成碎片。

此外，在锂电池内部有使用占比1~2%的电池粘结剂，还扮演着重要的核心角色，往往由于粘结剂高分子聚合物的某些特性，给电池性能带来意想不到的影响。

据日本JSR株式会社对电池粘合剂的长期研究发现，粘合剂在满足锂电池基本应用需求以外，还会直接影响到锂电池的性能发挥。影响范围包括粘结强度、迁移抑制(工艺速度)、内阻、膨胀抑制、循环特性。

李仁贵表示，锂电池经过三年的高速发展，其粘合剂应用已经比较成熟了，其中商业化应用的大致可分为水系粘合剂和油系粘合剂。其中，正极材料主要使用油性粘合剂PVDF，该类粘结剂需要加入NMP溶剂配合使用，但会产生对人体和环境有害的物质。而负极材料主要使用水性粘合剂聚丙烯系列和SBR乳液系列。

而随着锂电池向高能量密度、高安全、低成本发展，对粘合剂也提出了更高的要求，主要表现为粘合剂用量少、高温储存性能好、极片柔韧性强、以及极片辊压剥离力优异等。

比如索尔维特种聚合物事业部就推出了一款新型PVDF粘合剂，通过减少粘合剂的用量，来相应增加电池活性物质，进而提升电池能量密度。其粘合剂用量较此前产品减少了30%，同时有望增加电池15%的可靠性，相当于延长了1年甚至更长的使用寿命。

而作为国内电池粘合剂行业的领头羊，中科来方团队来自中科院的成都有机所，且专注粘合剂的技术研发已经长达17年，其对粘结剂的研发方式及研发成果都非常值得国内同行借鉴和学习。

以一款应用于负极的新型粘合剂LA136D为例。首先，中科来方从材料本身的一级结构开始设计分子结构，包括材料的柔韧性，耐电化学性等各个方面的性能。其次，研发人员在二级结构上进行控制，主要是通过分子量来调节粘接性。最后在三级结构中，达成电池的优异性能。

从产品基础性能上看，LA136D粘合剂的分解温度为280℃，电化学窗口大于6V。最为出众的是其粘接能力，与当前主流的SBR水系粘合剂对比，在用量更少的情况下，粘结性能大幅度提高。

▲LA136D与SBR的粘结性对比

此外，在电解液的溶胀上，LA136D也有着显著优势。用EC：DEC为3:7的电解液在70℃、铝塑膜密封环境下测试24小时，结果表明，LA136D对电解液的吸收量为10.60%，而SBR的吸收量为34.95%。

将LA136D与SBR分别应用到相同的电池体系中，可以明显感受到LA136D粘合剂体系对导电剂的分散起到了更好的效果，同时在高速涂布工艺上也有较大的改善。而从性能上看，使用LA136D粘合剂的电池在功率性上有出色表现，尤其是低温充放电性能和高温时的内阻变化都有一定的正面作用。

值得一提的是，LA136D只是中科来方粘合剂研发的一个缩影。未来，为满足动力电池在续航能力、安全性能、使用寿命、低成本等方面的更高需求，正负极材料以及电池制作工艺方面会有较大的变化，粘合剂也会出现大量的研发创新，将有更新的粘合剂被持续不断开发出来。