研究背景

全固態(tài)鋰電池因其高能量密度和安全性成為電動汽車電池的有力候選者。然而，聚合物粘結(jié)劑作為離子絕緣體，可能對復合正極中的電荷傳輸產(chǎn)生不利影響，從而影響電池的倍率性能。本研究旨在探討干法和濕法兩種制造方法對粘結(jié)劑分布和電荷傳輸?shù)挠绊憽?/span>

研究方法

Millennial Lithium

復合正極的制備

材料：
正極活性材料為單晶 NMC，固體電解質(zhì)為 LPSCl，導電添加劑為 VGCF。濕法使用 NBR 作為粘結(jié)劑，干法使用 PTFE 作為粘結(jié)劑。

制備工藝：

濕法：將NBR 溶解于溶劑，與 NMC、LPSCl、VGCF 混合制成漿料，流延成膜后干燥。

干法：將 PTFE 與 NMC、LPSCl、VGCF 手工研磨混合，通過剪切滾壓形成片狀正極。

濕法與干法正極的光學、SEM 圖像及組分體積占比

濕法工藝：NBR粘結(jié)劑均勻覆蓋活性材料表面，增加了離子傳輸?shù)那鄱取?/span>

干法工藝：PTFE形成纖維網(wǎng)絡(luò)，未完全覆蓋活性材料，有利于電荷傳輸。

濕法粘結(jié)劑均勻包覆導致離子傳導受阻，干法纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更有利于電荷傳輸。

粘結(jié)劑分布分析

Millennial Lithium

ToF-SIMS 光譜分析粘結(jié)劑特征信號

ToF-SIMS 工作原理示意圖：通過 Bi??離子束掃描表面，檢測 m/z 信號映射化學組分分布。

干法工藝中PTFE的負離子模式譜圖（F?信號，m/z=19）；濕法工藝中NBR的正離子模式譜圖（C?H??片段，m/z=41）。通過質(zhì)譜信號確認粘結(jié)劑的化學分布特征。

ToF-SIMS 化學分布圖

干法工藝中PTFE的負離子模式映射，顯示纖維狀網(wǎng)絡(luò)分布。

濕法工藝中NBR的正離子模式映射，顯示均勻覆蓋分布。

進一步驗證了SEM觀察到的粘結(jié)劑分布模式。

電荷傳輸對比

Millennial Lithium

離子與電子電導率測量

離子電導率：干法正極的離子電導率在 30℃時為 6.9×10?? S/cm，是濕法正極（3.3×10?? S/cm）的 20 倍。濕法中粘結(jié)劑的均勻包覆顯著增加了離子傳輸?shù)那鄱?，而干法的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)減少了對離子路徑的阻礙。

電子電導率：干法正極的電子電導率為 4.6×10?2 S/cm，高于濕法正極的 3.0×10?3 S/cm。導電添加劑 VGCF 的存在增強了電子傳導，干法中粘結(jié)劑未過度包覆導電網(wǎng)絡(luò)，保持了更好的電子通路。

倍率性能對比

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全電池倍率性能與循環(huán)穩(wěn)定性

倍率性能：
在 C/3 和 C/2 倍率下，干法電池的容量保持率分別為 89% 和 83%，而濕法電池僅為 68% 和 58%。干法更高的離子電導率使其在高倍率下仍能保持良好的電荷傳輸，容量衰減更慢。

循環(huán)穩(wěn)定性：
干法電池在 C/3 倍率下循環(huán) 200 次后，容量保持率為 76%，顯示出良好的長期穩(wěn)定性。

干法工藝通過形成纖維網(wǎng)絡(luò)狀的粘結(jié)劑分布，顯著提高了復合正極的離子和電子電導率，從而改善了電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。濕法工藝中粘結(jié)劑的均勻覆蓋和溶劑的使用是導致性能下降的主要原因。隨著技術(shù)的不斷突破，全固態(tài)鋰電池有望在電動汽車和大規(guī)模儲能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，推動能源轉(zhuǎn)型的加速發(fā)展。