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SBR作為鋰離子電池的輔材之一，雖然用量極少 （僅用于石墨負(fù)極材料的勻漿和涂布），但是不可或缺的組成部分。極片涂布過(guò)程中因?yàn)楹娓伤俣热軇┑膿]發(fā)影響SBR的遷移，造成SBR不同的分布狀態(tài)，形成的漿料和極片微觀(guān)結(jié)構(gòu)都有大的差異，形成的微觀(guān)結(jié)構(gòu)也直接影響到電池的性能。
SBR使用不合理，會(huì)造成極片微觀(guān)結(jié)構(gòu)差異，影響石墨負(fù)極粘結(jié)性能，在輥壓時(shí)容易出現(xiàn)黏輥；影響石墨負(fù)極與銅箔之間的粘結(jié)性能，極片在電池充放電過(guò)程中容易極化，引起負(fù)極掉料降低電池的使用壽命。因此對(duì)SBR正確的認(rèn)識(shí)、分析SBR對(duì)鋰電池性能的影響，合理使用SBR對(duì)鋰離子電池有重要的意義。
1 SBR連接機(jī)理。
首先了解一下SBR在漿料中如何才能起到黏接劑的作用。只有石墨和炭黑顆粒均勻分散在漿料和極片中，鋰離子電池才能表現(xiàn)出較好的性能。石墨和炭黑顆粒因?yàn)槎际潜砻媸杷?、非極性，沒(méi)有添加劑其在水中發(fā)生聚集不能分散。石墨負(fù)極與炭黑分散時(shí)以陰離子分散劑為主，以非離子分散劑為輔，可以取得穩(wěn)定的分散體系，一般負(fù)極石墨負(fù)極選用SBR和CMC兩者協(xié)同作為黏結(jié)劑，CMC稱(chēng)為增稠劑，SBR稱(chēng)為黏結(jié)劑。
選用SBR和CMC兩者協(xié)同作為黏結(jié)劑的原因：
1）SBR黏結(jié)性雖然很強(qiáng)，但不能長(zhǎng)時(shí)間高速攪拌。如果勻漿時(shí)加入SBR后再長(zhǎng)時(shí)間的攪拌，SBR容易破乳，因其結(jié)構(gòu)遭到破壞而降低了黏結(jié)性，一般SBR選擇在攪拌后期加入低速攪拌，漿料配備后如果不能進(jìn)行涂布，需要低速攪拌代替靜置。另外SBR分散效果不好，過(guò)多的SBR會(huì)產(chǎn)生較大溶脹，所以不單獨(dú)用SBR作為黏結(jié)劑。
2）CMC對(duì)于負(fù)極石墨的分散能夠起到很好的作用。CMC在水溶液中會(huì)分解，其分解產(chǎn)物將在石墨表面吸附，吸附后石墨顆粒因靜電而相互排斥，達(dá)到很好分散效果。當(dāng) CMC的比例很高時(shí)，多出來(lái)CMC沒(méi)有吸附到石墨顆粒表面，這些CMC結(jié)合導(dǎo)致相互之間的引力大于吸附后石墨顆粒之間的斥力，形成的石墨顆粒團(tuán)聚。CMC呈脆性，如果黏結(jié)劑只用CMC配備石墨負(fù)極漿料，在后序制片過(guò)程中，輥壓時(shí)石墨負(fù)極會(huì)出現(xiàn)塌陷，分切時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的掉粉。
3）勻漿工藝中CMC和SBR合理比例混合可以互相彌補(bǔ)缺陷，因而石墨負(fù)極漿料具有良好的涂布性能。CMC和SBR與石墨、炭黑之間的配比需要通過(guò)一系列的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后選擇優(yōu)化的配比方案。另外CMC和SBR混合的方式及攪拌工藝也對(duì)漿料性能產(chǎn)生影響，這些都需要時(shí)間過(guò)程中通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)摸索穩(wěn)定的工藝，其中SBR主要起黏結(jié)、CMC起增稠作用。不同的CMC/SBR/石墨/炭黑都需要優(yōu)化工藝來(lái)獲得最佳的漿料性能。
從電池負(fù)極的組成來(lái)看，石墨約用96份、SBR約用1.5～2.3份，但是石墨的比表面積是最小的，SBR膜覆蓋在石墨顆粒的表面，以及存在與石墨顆粒的中間，SBR之間形成連接網(wǎng)絡(luò)起到橋梁作用。同時(shí)SBR顆粒只有150nm左右單獨(dú)SBR顆粒沒(méi)有連接力，在漿料中只有很多SBR結(jié)合在一起形成SBR膜，才能形成連接力對(duì)石墨負(fù)極顆粒起到黏結(jié)的作用。SBR更多的連接是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，把石墨與石墨中間、石墨和碳黑、石墨和銅箔聯(lián)結(jié)在一起。
2 SBR對(duì)石墨分散的影響。
1）當(dāng)漿料里只有低含量的CMC沒(méi)有SBR時(shí)，石墨顆粒在勻漿過(guò)程成中團(tuán)聚而不能很好的分散。
2）加入CMC與石墨比例適中時(shí)，加入1.0%～4.5％的SBR到漿料里，由SBR吸附在石墨表面使石墨顆粒分散而漿料的黏度和模量都會(huì)降低。
3）當(dāng)CMC為0.7％～1.0％時(shí)漿料表現(xiàn)黏彈性，連續(xù)加入SBR也不會(huì)改變漿料的流變特性。SBR和CMC同時(shí)加入和先加CMC隨后加入SBR兩種混合方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，石墨在漿料分散中CMC起了主導(dǎo)作用，CMC優(yōu)先與石墨顆粒表面吸附。
總之，當(dāng)CMC添加量很低時(shí)，SBR加入會(huì)吸附在石墨顆粒表面，對(duì)石墨的分散有一定的影響；隨著CMC添加量的增加石墨表面的吸附量也增加，SBR就不能吸附在石墨表面，進(jìn)而對(duì)石墨的分散起不到作用；當(dāng)CMC達(dá)到一定量以后，多余的沒(méi)能吸附在石墨表面的CMC結(jié)合導(dǎo)致引力大于斥力，這樣會(huì)形成的石墨顆粒之間的團(tuán)聚。因此，在石墨負(fù)極漿料的分散中CMC起到了很關(guān)鍵的作用。
3 與SBR相關(guān)的黏輥
1）涂布工序時(shí)，極片烤箱溫度設(shè)置太高，負(fù)極片烘烤得相對(duì)較快，因溶劑蒸發(fā)過(guò)快導(dǎo)致SBR遷移大部分帶到極片表面，表面SBR濃度明顯增高，形成表面黏性大于銅箔與負(fù)極材料之間黏性的極片微觀(guān)結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致輥壓機(jī)形成黏輥，導(dǎo)致因?yàn)轲ぽ伱撀涞念w粒掉落在極片上?？梢酝ㄟ^(guò)我們調(diào)整涂布的烘干及抽風(fēng)頻率的設(shè)置，更好控制涂布機(jī)的運(yùn)行抑制SBR遷移，優(yōu)化涂布烘烤干燥曲線(xiàn)。
2）SBR連接力不夠，漿料中SBR含量偏少，導(dǎo)致活性物質(zhì)之間黏結(jié)力不足，與箔片接結(jié)合力不足，當(dāng)輥壓時(shí)（與觸其它物質(zhì)接觸時(shí)），有立刻脫離黏到其它物體上的趨勢(shì)。水性負(fù)極漿料的話(huà)可以考慮下CMC和SBR的比例，太少肯定黏不好，可以調(diào)整控制SBR的存儲(chǔ)膜量和黏彈性來(lái)改善黏輥性能。
3）在制漿時(shí)出現(xiàn)SBR漂藍(lán)上浮情況，涂布后會(huì)使SBR的濃度分布不均，活性物質(zhì)與箔材之間的黏接性變差，輥壓時(shí)就容易黏輥。主要措施：制漿后減少靜置時(shí)間，或可用低速攪拌代替靜置；通過(guò)不同工藝調(diào)整石墨－CMC－SBR攪拌方式及配比，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇匹配的石墨－CMC－SBR工藝方案；也可選擇特殊改性的SBR，使其表面官能團(tuán)和CMC形成更好的相互作用，減少SBR漂藍(lán)的現(xiàn)象。
４ 鋰電池干燥溫度對(duì)SBR的影響
鋰離子電池在制作過(guò)程中嚴(yán)格控制水分，提高電芯干燥溫度是降低水分的主要途徑。在電芯烘烤干燥過(guò)程中，黏結(jié)劑會(huì)高溫下受熱，不同性能的黏結(jié)劑可能會(huì)引發(fā)可交聯(lián)基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)的現(xiàn)象，從而影響電極性能。因此研究電芯干燥對(duì)黏結(jié)劑性能的影響也是十分重要的。
有試驗(yàn)分析了水性黏結(jié)劑LA132和SBR的熱性能，溫度過(guò)高時(shí)LA132會(huì)發(fā)生分子間交聯(lián)，導(dǎo)致活性物質(zhì)同集流體的黏接性受到破壞電池循環(huán)性能變差，其干燥溫度不宜高120℃，而使用SBR的極片，性能幾乎不受干燥溫度的影響，SBR受熱不發(fā)生交聯(lián)，剝離強(qiáng)度都維持在3.5N/mm左右。
5 SBR對(duì)低溫性能產(chǎn)生的影響
低溫條件下鋰離子電池的阻抗RB、RSEI和RCT隨著溫度的下降都會(huì)上升，但是RCT的上升幅度最大。如果可以降低低溫條件下的RCT，就有可能提升電池的低溫性能。SBR的因素而減少低溫條件下電池RCT的增長(zhǎng)幅度，SBR的應(yīng)用就能夠有效的提升電池的低溫特性。
充電過(guò)程中，SBR的膜覆蓋石墨一定的比表面積，鋰離子在傳輸過(guò)程中有效的嵌入石墨的方式是繞過(guò)SBR膜到達(dá)石墨表面。電解液是鋰電池中正負(fù)極之間鋰離子傳輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)載體，電解液和SBR潤(rùn)濕性能越好，越有利于鋰離子在界面之間的傳導(dǎo)。不同SBR與相同電解液潤(rùn)濕是不同的。選用不同SBR的低溫電池放電數(shù)據(jù)顯示，潤(rùn)濕性能好SBR的比一般SBR有4％的提升，而0℃下電池DCR比一般SBR低15％。雖然選用接觸比小的SBR提升電池性能幅度沒(méi)有其他途徑大，但是對(duì)于SBR來(lái)說(shuō)，對(duì)電池性能影響是明顯的提高。
6 SBR對(duì)負(fù)極膨脹的影響
石墨負(fù)極極片經(jīng)常遇到掉料、厚度反彈大等問(wèn)題。負(fù)極極片膨脹對(duì)電池的循環(huán)性能、內(nèi)阻等具有重要的影響，所以我們需要了解黏結(jié)劑SBR對(duì)負(fù)極極片膨脹的影響。負(fù)極極片的反彈主要與材料的物理性質(zhì)有關(guān)系，例如彈性模量、斷裂強(qiáng)度、延伸率等等。CMC在負(fù)極漿料中主要起到增稠的作用，SBR起到了較強(qiáng)的黏結(jié)作用，也正是因?yàn)?SBR的高彈性，在輥壓過(guò)程后，負(fù)極片會(huì)有較大程度的厚度反彈。SBR的彈性模量和強(qiáng)度越高，負(fù)極膨脹率越低。
試驗(yàn)表明：負(fù)極膨脹與輥壓時(shí)所受壓力以及黏結(jié)劑彈性模量和強(qiáng)度有關(guān)。SBR含量相同，輥壓時(shí)所受壓力相同，SBR彈性模量和強(qiáng)度越高，負(fù)極膨脹率越低；SBR含量越少，輥壓時(shí)所受壓力越小，前期的物理擱置、滿(mǎn)電態(tài)和空電態(tài)的膨脹率就越??；負(fù)極膨脹導(dǎo)致電池卷芯變形，影響鋰離子傳輸通道，進(jìn)而對(duì)電池循環(huán)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
SBR的彈性模量影響極片的反彈，彈性模量越大極片厚度反彈越小。在電池材料選型時(shí)要優(yōu)先挑選彈性模量大、斷裂強(qiáng)度高的黏結(jié)劑，在材料配比調(diào)整過(guò)程中盡量降低SBR，這樣可以提高電池的循環(huán)壽命。
7 總結(jié)
綜上所述，鋰離子電池制造過(guò)程中漿料工序通過(guò)SBR優(yōu)化的設(shè)計(jì)，在特定條件改善SBR在極片中的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，在壓實(shí)的過(guò)程中提升SBR的儲(chǔ)能膜量，通過(guò)這個(gè)來(lái)提升減緩S(chǎng)BR引起的黏輥。通過(guò)提升電解液對(duì)SBR的浸潤(rùn)性提升電池的低溫性能。SBR合成工藝采用不同的手段，對(duì)SBR采用不同的合成單體，通過(guò)SBR表面的調(diào)整使SBR具有不同的性能，包括解耦、凝膠等方面都有調(diào)整，這樣不同的SBR會(huì)表現(xiàn)不同的對(duì)電解液的浸潤(rùn)性，對(duì)提升鋰電池的低溫性能有一定的幫助。
在鋰離子電池中SBR的作用好似 “四兩撥千斤”，雖然SBR用量很少但是對(duì)整體性能起到關(guān)鍵作用。SBR用量太少容易造成極片黏結(jié)力低，在輥壓過(guò)程中易掉料、黏輥等，對(duì)于電池的后期性能也是不利的。在鋰電池制造過(guò)程中人們提高對(duì)SBR的重視，探索出與CMC、石墨負(fù)極合理的配比及工藝，才能在鋰離子電池性能上充分發(fā)揮作用。
文獻(xiàn)參考：孫仲振. SBR在鋰離子電池中的影響[J]. 云南化工, 2020, 47(9):3.