一.SBR簡(jiǎn)介
SBR是應(yīng)用最廣泛的水性粘結(jié)劑，SBR是丁苯橡膠的英文縮寫(xiě)，極易溶于水和極性溶劑中，具有很高的粘結(jié)強(qiáng)度以及良好的機(jī)械穩(wěn)定性和可操作性，用在電池業(yè)作為粘結(jié)劑，粘結(jié)劑效果良好，質(zhì)量穩(wěn)定。
圖1 SBR結(jié)構(gòu)示意圖
二.SBR粘結(jié)機(jī)理
SBR表面的基團(tuán)與銅箔表面的基團(tuán)發(fā)生縮合反應(yīng)形成化學(xué)鍵。SBR乳液本身是一個(gè)親水性和疏水性平衡的產(chǎn)物，一方面通過(guò)疏水性和石墨有機(jī)結(jié)合，另一方面通過(guò)親水性基團(tuán)和銅箔表面基團(tuán)發(fā)生縮合反應(yīng)。而CMC-Na作為一種穩(wěn)定劑、懸浮分散劑，對(duì)SBR具有輔助的粘結(jié)作用，同時(shí)也可讓SBR分散的更加均勻，同時(shí)利用空間電荷的排斥作用保證整個(gè)體系的穩(wěn)定。
圖2 SBR/CMC粘結(jié)劑體系示意圖
三.SBR對(duì)電池性能的影響
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彈性模量
通過(guò)對(duì)高分子聚合物構(gòu)造和分子量的控制，可以對(duì)粘結(jié)劑在鋰電池內(nèi)部的延展性(Strain)和強(qiáng)度(Stress)進(jìn)行控制。延展性和強(qiáng)度是評(píng)價(jià)一款粘結(jié)劑十分重要的指標(biāo)，影響到電池的綜合性能。
圖3 粘結(jié)劑結(jié)構(gòu)控制對(duì)延展性和強(qiáng)度的控制
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對(duì)內(nèi)阻的影響
粘結(jié)劑粒子在極片中干燥后，在電池中會(huì)吸收電解質(zhì)溶脹，過(guò)大的溶脹會(huì)影響電子傳遞，造成內(nèi)阻的上升，通過(guò)對(duì)高分子與電解質(zhì)親和度的控制，可對(duì)內(nèi)阻上升起到一定的阻止作用。
圖4 粘結(jié)劑設(shè)計(jì)對(duì)電極膨脹的控制
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對(duì)循環(huán)性能的影響
粘結(jié)劑粒子的耐電解液特性提高，強(qiáng)度及彈性隨時(shí)間變化降低，粘結(jié)力才能夠得到長(zhǎng)期保障。特別是在長(zhǎng)期循環(huán)的情況下，越發(fā)能夠體現(xiàn)對(duì)粘結(jié)劑彈性及耐久性的考驗(yàn)。
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對(duì)高低溫性能的影響：
圖5 玻璃化溫度示意圖
電池的高低溫性能主要受負(fù)極、電解液性能的影響較大，而SBR對(duì)電池的高低溫性能也有一定影響;玻璃化溫度即由高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度，Tg高說(shuō)明材料相對(duì)不耐低溫，對(duì)鋰電而言適當(dāng)?shù)腡g溫度有助于電池低溫性能的發(fā)揮，當(dāng)然這個(gè)單一的因素也不是絕對(duì)因素。
四.負(fù)極粘結(jié)劑研究進(jìn)展
鋰離子電池的應(yīng)用在不斷地向高能量密度、高輸出、適應(yīng)更寬范圍的溫度需求發(fā)展。正極應(yīng)用不斷地從NMC向高Ni體系或者NCA體系發(fā)展，負(fù)極對(duì)Si應(yīng)用的需求也越發(fā)迫切。然而，硅在重復(fù)鋰化/脫鋰過(guò)程中經(jīng)歷極端的體積膨脹/收縮(420%)，容易產(chǎn)生破裂和碎裂，惡化與塊狀電極的電接觸，導(dǎo)致電池容量快速衰減和降低電池循環(huán)穩(wěn)定性。
目前各鋰電廠商對(duì)于硅負(fù)極粘結(jié)劑的選擇和研發(fā)主要集中在CMC+SBR，PAA(聚丙烯酸)，PVDF以及Alg(海藻酸鈉)。PAA突出的問(wèn)題是力學(xué)性能不好，極片加工性能差，粘結(jié)劑遇水膨脹，受酸及金屬離子影響后粘度降低，漿料不利于涂覆。PVDF具備良好的粘性和電化學(xué)穩(wěn)定性，但電子和離子導(dǎo)電性較差，有機(jī)溶劑易揮發(fā)、易燃易爆且毒性大，而且PVDF只以弱范德華力與硅基負(fù)極材料相連，不能適應(yīng)Si劇烈的體積變化，傳統(tǒng)型PVDF并不適用于硅基負(fù)極材料。SBR/CMC具有良好的粘結(jié)性和分散性，已廣泛用于石墨類(lèi)負(fù)極的規(guī)?；a(chǎn)中。目前應(yīng)用較為成熟的CMC+SBR已經(jīng)得到動(dòng)力電池廠家的認(rèn)可和批量應(yīng)用，比如松下已經(jīng)成功采用了這種體系。
五.JSR產(chǎn)品主要特性
1
產(chǎn)品的彈性模量提升
彈性模量的提升，能夠極大抑制極片膨脹。從SS應(yīng)變曲線可以看出，縱軸方向上的初始模量的高低，極大程度上決定了極片在充放電過(guò)程中的膨脹程度;而橫軸方向的拉伸強(qiáng)度，決定了SBR在循環(huán)過(guò)程中的反復(fù)充放電性能，即循環(huán)性能。其中,TRD302A以及TRD105A等系列粘結(jié)劑在減少硅碳負(fù)極極片膨脹的同時(shí)，能夠保持相對(duì)的顆粒間距離，使電池保持良好的循環(huán)。
圖6 SBR彈性模量示意圖
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少的粘結(jié)劑遷移量
JSR公司的TRD系列粘結(jié)劑產(chǎn)品通過(guò)嚴(yán)格的品質(zhì)控制消除產(chǎn)品批間差，并可有效抑制極片中遷移現(xiàn)象的發(fā)生。
圖7 遷移機(jī)理及影響
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低的溶脹度
JSR通過(guò)采用獨(dú)特的單體選擇和交聯(lián)度的控制方法，有效的控制了粘結(jié)劑在電解液中的膨脹，確保了電子傳導(dǎo)通路的順暢，有效降低了電池的內(nèi)阻。
圖8 不同溶脹度粘結(jié)劑對(duì)活性物質(zhì)接觸的影響
在負(fù)極粘結(jié)劑方面，SCM長(zhǎng)期合作供應(yīng)商日本JSR，一直走在行業(yè)的前列。其中TRD104A和TRD105A可以應(yīng)用在低硅添加量的負(fù)極上，TRD302A可應(yīng)用在最高20%硅添加量的負(fù)極上。從目前主要合作的硅碳負(fù)極生產(chǎn)廠家測(cè)試情況看，該產(chǎn)品是目前國(guó)內(nèi)硅碳負(fù)極體系中最為合適的粘結(jié)劑產(chǎn)品!同時(shí)國(guó)內(nèi)主要?jiǎng)恿﹄姵囟加性u(píng)測(cè)，反饋良好!歡迎各電池廠家來(lái)電咨詢1381863 4124(袁小姐)。
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