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【視野】CMC粘結劑在電池中的應用
時間:2020-04-03 08:06來源:中國電池聯盟 作者:子蕊
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除了一般的粘結劑所具有的黏接性能之外，鋰離子電池電極粘結劑材料還需要能夠耐受電解液的溶脹和腐蝕，以及承受充放電過程當中的電化學腐蝕作用，在電極的工作電壓范圍內保持穩定，因此，可以用作鋰離子電池電極粘結劑的聚合物材料并不多。
目前得到廣泛應用的鋰離子電池粘結劑主要有三大類：聚偏氟乙烯（PVDF）、丁苯橡膠（SBR）乳液和羧甲基纖維素（CMC），此外，以聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯腈（PAN）和聚丙烯酸酯作為主要成分的水性粘結劑也占有一定市場。
電池級CMC四大特點
由于羧甲基纖維素酸式結構的水溶性不好，為了能夠更好地對其進行應用，在電池生產中，CMC是使用非常廣泛的材料。
CMC產品作為水性體系負極材料的主要粘合劑，被國內外電池制造企業廣泛采用，最佳量的粘合劑可以獲得比較大的電池容量、較多的循環壽命和比較低的內阻。
CMC的四大特點有：
第一，CMC可以使產品的親水性和溶解性好，完全溶于水，沒有游離纖維和雜質。
第二，取代度均勻且粘度穩定，可以提供穩定的粘度和附著力。
第三，制作出高純度產品，并且是屬于低金屬離子含量。
第四，產品與SBR膠乳和其他材料配合使用具有良好的相容性。
電池使用的CMC羧甲基纖維素鈉，將它所具有的使用效果有了質一樣的提升，而且同時也為它提供了良好的使用性能，有了現在的使用效果。
CMC在電池中的作用
CMC是纖維素的羧甲基化衍生物，通常由天然的纖維素和苛性堿及一氯醋酸反應后而制得，分子量由幾千到百萬。
CMC為白色至淡黃色粉末、粒狀或纖維狀物質，吸濕性強，易溶于水，在中性或堿性時，溶液呈高粘度液。80℃以上長時間加熱，粘性降低，在水中不溶。加熱至190～205℃時呈褐色，至235～248℃時炭化。
因為CMC在水溶液中有增稠、粘結、保水、乳化及懸浮作用，因此廣泛應用于陶瓷、食品、化妝品、印染、造紙、紡織、涂料、粘結劑和醫藥等領域，高端陶瓷和鋰電池領域約占7%左右，俗稱“工業味精”。
具體到電池中，CMC的作用有：對負極活性材料及導電劑起到分散作用；對負極漿料起到增稠及防沉降作用；輔助粘結作用；穩定電極的加工性能，輔助改善電池循環性能；提高極片的剝離強度等。
CMC的性能與挑選
在制作電極漿料的時候加入CMC，能提高漿料粘度和防止漿料沉淀。CMC在水溶液中會分解出鈉離子和陰離子，CMC膠液粘度會隨著溫度的升高而降低，容易吸潮，彈性較差。
CMC對于負極石墨的分散能夠起到很好的作用。隨著CMC量增加，其分解產物將附著在石墨顆粒表面，石墨顆粒之間由于靜電作用力而相互排斥，達到很好分散效果。
CMC的明顯缺點是比較脆，如果全部選用CMC作為粘結劑，極片在壓片、分切過程中石墨負極出現坍塌會出現嚴重的掉粉情況。同時，CMC受電極材料配比、pH值的影響較大，充放電時極片可能會龜裂，直接影響電池的安全性。
最初，負極攪拌使用的粘結劑是PVDF等油系粘結劑，但考慮到環保等因素，現在負極選用水系粘結劑已成為主流。
完美的粘結劑并不存在，要盡量挑選符合物理加工及電化學要求的粘結劑。隨著鋰電技術的發展，以及成本及環保問題，水性粘結劑將會最終替代油性粘結劑。
CMC兩大制造工藝
按醚化介質的不同，CMC的工業生產可分為水媒法和溶媒法兩大類。以水作為反應介質的方法叫做水媒法，用于生產堿性中低檔CMC。以有機溶劑作為反應介質的方法，叫做溶媒法，適用于生產中高檔CMC。這兩種反應都是在捏合機中進行的，屬于捏合法工藝，是目前生產CMC的主要方法。
【水媒法】一種較早的工業生產工藝，該方法是將堿纖維素與醚化劑在游離堿和水的條件下進行反應，用于制備中低檔CMC產品，如洗滌劑、紡織上漿劑等。水媒法的優點是對設備要求較簡單，成本低；缺點是因為缺乏大量液體介質，反應產生的熱量使溫度升高，加快了副反應的速度，導致醚化效率低，產品質量差等。
【溶媒法】又稱有機溶劑法，按反應稀釋劑用量的多少分為捏合法和淤漿法，其主要特點是堿化和醚化反應是在有機溶劑做反應介質（稀釋劑）的條件下進行的。和水媒法的反應過程一樣，溶媒法也由堿化和醚化兩個階段組成，只是這兩個階段的反應介質不同。溶媒法的優點是省去了水媒法所固有的浸堿、壓榨、粉碎、老化等工序，堿化、醚化均在捏和機中進行；缺點是溫度可控性相對較差，空間要求、成本較高。
首批超純CMC交付
近日，諾力昂開始交付首批AkuPure™（一種專門針對鋰電池的CMC）。AkuPure滿足鋰電池對原材料的超高純度要求（大于99.5％），可用于改善電池負極涂層生產工藝，通過更有效地保持和輸送電能來提高電池效率。
諾力昂產品總監Geert-Jan Beijering指出：“鋰電池市場的客戶需要超純CMC，CMC中的雜質會影響電池本身的性能以及生產效率，AkuPure所具備的一些特性對電池生產過程至關重要，例如溶解速度快、不溶物含量低。對該領域的客戶來說，最重要的是能夠在各種溫度條件下頻繁充放電而不損失性能。”
據悉，諾力昂首批交付的AkuPure產品針對中國客戶量身定制并陸續供應中國市場。
當前，動力電池產業鏈各個環節都有降本需求，要實現有效降本，電芯前工序制作在鋰電池電芯生產過程中越來越重要。
為了更好的提升鋰離子電池操作人員在混料、涂布、極片制作的技術水平，加強他們在生產過程中突發工藝問題的解決能力，電池聯盟、中國綠色供應鏈聯盟電池專委會、中國電子節能技術協會電池專業委員會聯合電池聯盟于5月13-15日，召開“鋰離子電池前工序技術暨CMC工藝培訓”。(詳情請關注電池聯盟官方網站及微信公眾號）
培訓內容包括CMC的作用與使用、CMC的制造方法、CMC級別的重要性、CMC的品質與漿料特性的關系、CMC的品質與電池品質的關系、如何挑選電池用的CMC等。
培訓結業考核合格者頒發工業和信息化人才培養工程培訓基地、中國電子節能技術協會“鋰電池生產崗位操作專項技術”證書。此外，通過培訓考核的學員信息錄入到協會官方數據庫中，終生可享受免費推薦工作單位。
(責任編輯：子蕊)
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