羧甲基纤维素钠对石墨阳极电化学性能的影响

来自 实验室仪器网

最近的一项研究调查了羧甲基纤维素钠(NaCMC)如何影响锂离子电池中石墨阳极的性能。研究人员评估了关键参数，取代度(DS)、分子量(MW)和凝胶颗粒含量——以确定它们对电化学性能的影响。发表在《先进能源与可持续性研究》。

虽然经常被忽视，但粘合剂在电池性能中起着至关重要的作用，它可确保机械稳定性和活性材料的适当分散。它们还需要表现出高电化学稳定性，以保持长期电池效率。

聚偏氟乙烯(PVDF)因其强粘性和稳定性而常用作粘合剂。然而，它依赖于有毒溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，这需要较高的干燥温度并带来安全风险。作为一种更可持续的替代品，NaCMC（一种可生物降解的水溶性粘合剂）已在阳极中得到广泛使用。

NaCMC的性能取决于其DS和MW，但它们对电极性能和整体电池性能的影响尚不完全清楚。此外，在NaCMC合成过程中作为副产品形成的凝胶颗粒由于存在量极小而被人们忽视，但仍可能影响电极性能。

石墨阳极由石墨（96wt.%）、炭黑（1.5wt.%）、丁苯橡胶(SBR；1.25wt.%)和不同NaCMC（1.25wt.%）的混合物制成。研究人员调查了DS、MW和凝胶颗粒的变化如何影响电极性能。

将这些材料的浆料用刮刀通过卷对卷工艺涂在铜集电器上，形成厚度为75μm的湿膜。阳极的面积容量设计为2.1±0.1mAh/cm2。使用另一批铜箔来分析凝胶颗粒含量的影响。

为了评估附着力，进行了90°剥离试验，同时使用四端子法测量电极电阻率。通过卡尔费休滴定法测定残留水含量，并在发光二极管显微镜下检查凝胶颗粒分布。

使用软包电池进行电化学研究，以检查不同MW和DS的影响。每200次循环包括两个0.05C步骤，以研究循环过程中的可逆和不可逆容量损失。

完整的电池装置也组装在纽扣电池中，以进行进一步的电化学研究。对软包电池和纽扣电池的放电率能力和长期循环稳定性进行了相同的检查。

NaCMC中的DS、MW和凝胶颗粒含量的变化对石墨阳极性能有明显影响。降低DS可提高低MW和高MWNaCMC的粘附强度，无论DS如何，高MW样品的粘附性始终优于低MW样品。

在低分子量NaCMC中，电阻率对DS特别敏感，而增加分子量通常会导致体积电阻率升高，与DS无关。分子量的增加也会导致水分保留率增加，这可能是由于更多的分子缠结，使水分更难蒸发。在所有情况下，分子量较高的NaCMC保留的水分更多，这可能会影响电极干燥和加工效率。

尽管在NaCMC合成过程中会形成少量凝胶颗粒，但它们会显著影响电极性能。减少它们的存在可改善碳添加剂的分散性，降低界面电阻和体积电阻率，同时保持强粘附性。这表明，使用凝胶颗粒较少的更高等级的NaCMC可以增强电极性能，而无需进一步调整成分。

在低放电速率下，所有电极的表现都相似，但在更高速率下差异变得更加明显。高分子量NaCMC的表现往往比低分子量版本差，因为它们的保水率更高，这可能会影响电极内的离子传输。较低的DS有助于减少高分子量NaCMC中的保水率，但由于分子缠结增加的总体影响，其效果在一定程度上有限。

同时，凝胶颗粒较少的电极表现出更好的导电性，这有助于提高倍率性能。要实现最佳电池性能，需要平衡粘附性、电阻率和保水性。管理凝胶颗粒含量尤为重要，因为低凝胶NaCMC可以显著提高倍率性能和整体电极性能。

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