锂离子电池粘结剂行业介绍

锂离子电池粘结剂行业介绍

一．锂离子电池介绍

1.概念

锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称锂离子电池。

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。习惯上，锂离子进入正极材料的过程叫嵌入，离开的过程叫脱嵌；锂离子进入负极材料的过程叫插入，离开的过程叫脱插。

锂离子电池容易与下面两种电池概念混淆：一是锂电池，虽然常常被用作为锂离子电池的简称。但严格意义的锂电池是锂原电池，存在锂单质；另一个是锂离子聚合物电池，一种用聚合物取代液态有机溶剂的锂离子电池，其安全性较好。

2.锂离子电池组成

锂离子电池主要组成部分包括：正极（LiCoO2钴酸锂、LiMnO2锰酸锂、LiFePO2磷酸亚铁锂、三元材料等)、负极（石墨等）、隔膜纸（单层隔膜、三层隔膜等）、电解液（普通电解液、功能型电解液等）和外壳(钢壳、铝壳、软包装等）。

3.锂离子电池基本生产工艺

（来源：摩根先进材料与技术公司培训资料）4.锂离子电池的应用领域

锂离子电池发展到今天，应用领域已经从最初的手机、MP3/MP4、笔记本，发展到蓝牙耳机、数码产品、GPRS导航仪、电动工具、电动自行车、纯电动汽车、混合电动车、电动公交车、航空模具、太阳能及风力发电储能设备、军事工业领域等等。

随着技术及产品研究的深入，锂离子电池的应用范围将会进一步扩大，将会遍及到我们生活中的各个领域。

5.锂离子电池的发展现状

锂离子电池的生产主要集中于中日韩三国，其中韩国生产商近几年发展迅猛。据日本市场研究机构TSR数据显示，2011年韩国企业在全球锂离子电池市场占有率达到39%，首次超过日本(35%)成为全球最大锂离子电池生产国。韩国企业中，三星SDI在全球锂离子电池市场占有率为23%，LG化学为16%；日本企业中，松下为24%，索尼为8%。韩国锂电池生产商对日本企业产生了冲击，2012年11月公开信息显示，索尼正在讨论出售其电池业务。

2012年中国锂离子电池总产量约为40亿只，比上年增长约33%。以中国为生产基地的生产商，排名靠前的包括力神、ATL、比亚迪和比克等。2012年，全球和中国锂离子电池需求继续保持增长。

6.锂离子电池的发展趋势

根据亚化咨询预计，未来几年内中国锂电池市场仍将保持30%的增幅，市场驱动力主要来自消费类电子产品和小型动力电池，包括笔记本电脑（含平板）、智能手机、电动自行车（主要在中国）等。近几年内，锂离子电池在大规模储能和电动汽车的应用难以快速增长，相关上市企业仍将面临发展困境。此外，受环境因素制约，部分铅酸电池企业将向锂电池业务转型也将成为发展趋势。

此外，由于预期短期内大型动力锂离子电池需求受限，电池和材料生产商放慢了产能扩张的步伐。2012年10月，LG化学称其在美国密歇根州的车用锂离子电池工厂将推迟开工。该工厂总投资3.03亿美元，其中1.5亿美元来自美国能源部，年产5-20万套锂离子电池组，

原计划于2012年投入运营。2012年12月消息，三菱化学将冻结其对锂离子电池材料投资300亿日元的增产计划，至少将推迟到1-2年后实施，10月刚建成的中国电解液装置也将停工。

总的来说，虽然3-5年内储能应用和电动汽车难有突破性进展，但受消费类电子产品和小型动力电池的驱动，锂离子电池的市场仍有较好增长的空间。此外，受环境因素制约，部分铅酸电池企业将向锂电池业务转型也将成为发展趋势。

二．锂离子电池粘结剂介绍

1.概述

粘结剂是锂离子电池正负极的重要组成部分。锂离子电池是通过分别在铝箔和铜箔的集流体上涂正/负极活性物质并干燥而成的。在此工艺中，为了将集流体与活性物质粘在一起，要使用粘合剂。

在电极中，粘结剂的主要作用是粘结活性物质、增强电极活性材料与导电剂以及活性材料与集流体之间的电子接触，以及稳定极片的结构。粘结剂还对锂离子电池正负极充放电过程中体积膨胀/收缩起到重要的缓冲作用，因此合适的粘结剂是锂离子动力电池成功与否的关键点之一。

电池中常用的粘结剂有：

（1）PVA(聚乙烯醇)，PVA是一种亲水性高聚物白色粉末。PVA可与其他水溶性高聚物混溶，如与淀粉、CMC、海藻钠等都有较好的混溶性。

（2）聚四氟乙烯(PTFE)，俗称“塑料王”，是一种白色粉末。PTFE电绝缘性能好，耐酸，耐碱，耐氧化。常用60％的PTFE乳液作电极粘结剂。

（3）羧甲基纤维素钠(CMC)，为白色粉末，易溶于水，并形成透明的溶液，具有良好的分散能力和结合力，并有吸水和保持水分的能力。

（4）聚烯烃类(PP，PE以及其他的共聚物)。

（5）(PVDF／NMP)或其他的溶剂体系。

（6）粘接性能良好的改性SBR橡胶。

（7）氟化橡胶。

（8）聚胺酯。

2.粘结剂的性能要求

对粘接剂的性能要求主要有：（1）在干燥和除水过程中加热到130—180~C情况下能保

持热稳定性。（2）能被有机电解液所润湿。（3）具有良好的加工性能。（4）不易燃烧。（5）对电解液中的I．iClQ，I．iPP、6等以及副产物I．iOH，㈠2C03等稳定。（6）具有比较高的电子离子导电性。（7）用量少，价格低廉

以往的镍镉、镍氢电池，使用的电解液是水溶液体系，粘接剂可以使用PVA，CMC等水溶性高分子材料，或PTFE的水分散乳液。锂离子电池电解液是极性大(因此溶解能力和溶胀能力高)的碳酸酯类有机溶剂体系，粘接剂必须能耐碳酸酯(至少是不溶解)，而且必须满足上述的几点要求，特别是必须满足在电化学环境中的稳定性，在负极中处于锂的负电位下不被还原，在正极中发生过充电等有氧产生的情况下不发生氧化。

锂离子电池中的特点是伴随充放电过程，锂在活性物质中的嵌入—脱出引起活性物质的膨胀—收缩(如石墨的层间距变化达到10%-11%)，要求粘接剂对此能够起到缓冲作用。锂离子电池的电极在干燥过程中加热温度最高可以达到200℃，粘接剂必须能够耐受这样高的温度。由此可见，粘接剂性能好坏对电池性能的影响很大，锂离子电池电极制备是采用涂布工艺，一般采用刮刀或辊涂布的方式，通过刀口间隙调节活性物质层的厚度。锂离子电池活性物质层的厚度很小，因此涂布刀口的间隙也很小，这样就要求在浆料中不能有大的团聚颗粒存在。制作电极需要经过辊压、分切、卷绕等一系列过程才能进入到电池壳体中，在这些过程中要求没有活性物质粉末脱落或片的脱落。

锂离子电池正负极材料的密度有很大的差别，不同粘接剂必须根据各种活性物质的密度、松装密度进行粘度调整(稀释或增稠)，以保证活性物质在浆料中能稳定悬浮。锂离子电极活性物质的密度及其浸液的视密度，各种粘结剂溶液的粘度，粘结剂的不燃性反应出粘结剂的安全性能，一般不燃性用氧化指数表示。

3.锂离子电池粘结剂分类

锂离子电池用粘结剂主要分为两类：（1）有机溶剂型粘结剂，采用有机溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为分散剂；（2）水性粘结剂，采用水作为分散剂。

有机溶剂型粘结剂方面，目前普遍采用聚偏氟乙烯（PVDF）作为粘结剂， PVDF是良好的粘结剂，但其电子和离子导电性差，而且采用PVDF作粘结剂的极片涂布工艺要求严格密封，能耗大。另外PVDF中含有氟，易与嵌锂石墨发生反应，导致电池性能下降。且PVDF 的离子和电子的绝缘性增加电池内阻，影响其性能发挥。此外，与PVDF同时使用的分散剂一般为有机溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）。NMP具有分散性好的特点，但易挥发、毒性大，且易燃易爆。毒性有机溶剂的挥发严重污染环境，严重影响车间工作人员的身体健康。而且NMP成本高，回收费用大。