【原创】硅基负极粘结剂的六大工作机理


来源:中国粉体网   初心

[导读]  粘结剂的黏附过程主要有两个阶段。首先,溶解的粘结剂扩散、润湿活性颗粒表面;然后,粘结剂通过干燥 (非反应型粘结剂) 或聚合(反应型粘结剂) 方式固化。

中国粉体网讯  粘结剂的黏附过程主要有两个阶段。首先,溶解的粘结剂扩散、润湿活性颗粒表面;然后,粘结剂通过干燥 (非反应型粘结剂) 或聚合(反应型粘结剂) 方式固化。粘结剂固化产生机械互锁效应或界面黏附作用。粘结剂在颗粒表面吸附后形成三种吸附层:边界层、固化层和自由层。边界层由粘结剂通过分子间作用力和化学键方式吸附颗粒形成的表面粘结剂层。自由层包覆在固化层表面,固化层力学强度高于自由层。固化层和自由层的性能主要由聚合物粘结剂本身特性决定。

 

锂离子电池粘结剂粘结机理示意图 

(a)电极制备过程中的扩散/渗透过程;(b)干燥过程中形成机械互锁;(c)界面结合力包括分子间力和化学键

来源:李泽珩. 锂离子电池硅负极粘结剂的设计与应用研究


 

目前粘结剂的工作机理主要可以分为浸润理论、机械互锁理论、吸附理论、扩散理论、静电理论和弱边界层理论。这些理论都具有各自的优缺点,有各自可以很好解释的粘结现象,也有各自无法解释的现象。在粘结过程中,这些理论是可以相辅相成,协同作用的。其中在锂离子电池粘结剂中,浸润理论、机械互锁理论和吸附理论是被广泛应用于粘结剂和活性物质之间的粘结进行解释的三种理论,也被认为是三种最主要的理论。

 

从浸润角度,希望粘结剂能够完全浸润活性物质和导电添加剂表面,从而实现粘结剂与被粘物之间的紧密接触,减小粘结界面上缺陷的产生。从机械互锁角度而言,为了产生显著的机械互锁,需要增加电极材料的表面粗糙度和孔隙率,选择合适的粘结系统,以及制备粘度适当的粘结剂溶液,以确保有效地混合、分散。界面处的粘结强度会随着材料表面粗糙度和孔隙率的增加而增大。从吸附理论的角度而言,如果粘结剂与活性物质之间产生很强的相互作用,就更有利于粘结剂和活性物质之间的牢固粘结,在充放电过程中更好的保持电极的完整性,从而有效的提升电极的循环寿命。

 

1.浸润理论

 

为了达到较强的粘结强度,粘结剂与被粘结物之间紧密的分子接触是必须的。即使是肉眼看起来非常光滑的固体表面,在微观上都是凹凸不平的,要使粘结剂可以良好的匹配固体表面的形貌,在粘结过程中粘结剂必须是可流动。为此,一般都会将粘结剂变成液体来使用,并且使其尽可能的浸润固体表面,并取代存在与表面的空气或者其他附着物。良好的浸润可以获得高强度的接头;不良浸润会在粘结界面处形成许多缺陷,在应力作用下缺陷周围区域容易发生应力集中,使粘结强度大大下降。一般而言,液体粘度越小,接触角越小,越有利于浸润。

 

2.机械互锁理论

 

机械互锁理论认为粘结力的产生主要是由于粘结剂与被粘结物表面形成了机械互锁。如前所述,固体的微观表面都是十分粗糙,凹凸不平的,有些表面还是多孔性的。粘结剂深入被粘物的凹凸不平的沟壑或孔隙中,并排除其界面上吸附的空气,待粘结剂固化后就像许多小钩子把粘结剂和被粘物连结在了一起。

 

3.吸附理论

 

吸附理论是进一步将粘结界面扩大至了分子尺度来看。吸附理论认为,粘结是由粘结剂和被粘物分子间接触和界面力所引起的,粘结剂和被粘物的具体性质决定了可能存在的相互作用,包括共价键、离子键、金属键和范德华作用。

 

4.扩散理论

 

扩散理论认为,粘结是由于粘结剂与被粘物界面上分子扩散产生的。即扩散在被粘物的界面上进行,最后结果使得界面消失。当粘结剂和被粘物都是能够运动的长链大分子时,扩散理论是适用的。例如,热塑性塑料的热焊接,然而该理论并不适合锂离子电池粘结剂。

 

5.静电理论

 

静电理论又称为双电层理论,该理论认为在粘结剂与被粘物接触界面上形成了双电层,粘结是由于静电的相互吸引而产生的。然而,双电层的静电吸引力并不能产生足够的粘结力,对站街的贡献有限。

 

6.弱边界层理论

 

弱边界层是指妨碍粘结作用形成并使粘结强度降低的表面层,其来自粘结剂、被粘物和环境或者三者的任意组合。当杂质集中在粘结界面附近,并与被粘物结合不牢,在粘结剂和被粘物中都可能出现弱边界层。该理论认为,当发生粘结破坏时,虽然看上去是发生了粘结剂和被粘物的界面破坏,但是实质上是弱边界层的破坏所导致的。

 

参考资料:

1.李泽珩. 锂离子电池硅负极粘结剂的设计与应用研究

2.赵桃林,等. 锂离子电池硅基负极用粘结剂的设计改性进展

 

(中国粉体网编辑整理/初心)

 

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作者:初心

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