中科来方水性粘合剂如何革新电池技术?

邓佳佳 发表于 2018-03-02 15:22:08 收藏 已收藏
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中科来方水性粘合剂如何革新电池技术?

邓佳佳 发表于 2018-03-02 15:22:08

前言

粘合剂是为电池制造的必备材料之一,其成本占电池制造成本的1%以下,但可将电池性能提高5%-10%。尽管粘合剂在锂电池中的用量很少,辅材用量一般为2%-5%,主要作用是连接电极活性物质、导电剂和电极集流体,使电极活性物质、导电剂和集流体间具有整体的连接性,从而减小电极的阻抗。

在高能量密度的发展趋势之下,当前锂离子动力电池的正负极材料、隔膜、电解液等材料体系都在不断升级。除了这些主要原材料之外,一些用量极小但却至关重要的辅助材料在产品性能上也迎来变革,例如锂电池粘合剂。

粘合剂是为电池制造的必备材料之一,其成本占电池制造成本的1%以下,但可将电池性能提高5%-10%。尽管粘合剂在锂电池中的用量很少,辅材用量一般为2%-5%,主要作用是连接电极活性物质、导电剂和电极集流体,使电极活性物质、导电剂和集流体间具有整体的连接性,从而减小电极的阻抗。

业内人士指出,锂电池粘合剂对锂电池的安全性、一致性、电性能和能量密度等各项性能都能产生重大影响。因此选择合适的锂电池粘合剂对电池企业而言至关重要,也是电池企业当前提升电池性能的重要手段。

当前,锂电池用粘合剂主要分为油性和水性两大体系。其中,正极材料主要使用油性粘合剂PVDF,该类粘结剂需要加入NMP溶剂配合使用,但会产生对人体和环境有害的物质。而负极材料主要使用水性粘合剂聚丙烯系列和SBR乳液系列。

成都中科来方能源科技股份有限公司(下称中科来方)总经理李仁贵认为,PVDF虽在相对较高的电势下仍然具有强的抗氧化性能,但其粘接力和工艺操作性的矛盾限制电池性能的提高。同时随着高镍三元材料的发展,PVDF在调浆制程中存在一系列的工艺问题,因此就正极粘合剂方面还是有一些改善空间。而水性粘合剂在使用方面更便捷、更环保、加工时间更短、成本也更低,在接下来含硅系列高容量负极应用上更具优势。在此背景之下,中科来方通过自主研发,研发出了新型水性锂电池电极专用粘合剂,产品销量近年来持续提升获得众多电池客户的信赖。

在国外企业垄断和国内电池企业要求不断提升的双重压力之下,国产锂电池粘合剂应该如何提升产品性能、如何突破外资企业的垄断,如何研发出满足电池企业的要求?对此,高工锂电网与中科来方总经理李仁贵展开了深度交流,了解新型锂电池电极粘合剂的开发和技术优势,且看下文:

 当前粘合剂在锂电池正负极材料领域的应用情况如何?国内锂电池粘合剂的市场竞争情况如何?

李仁贵:锂电池粘合剂是一种将正负极活性物质、导电剂等粉体粘接在集流体(铜或铝箔)上的高分子材料。作用是粘接几种材料,稳定极片结构,且需在电池反应过程中保证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。目前,油性粘合剂主要用于正极,水性粘合剂用于负极,通常粘结剂的用量占正、负极活性物质的2%~5%。

以2016年中国锂电池产量60Gwh计算,在正极方面,PVDF用量为活性物质的2~4%左右,总用量约5000吨左右(粉末)。目前我国对PVDF粘结剂的生产厂家较少且品种很少,市场主要被阿科玛、索维尔、吴羽等几大厂家国外企业垄断。在负极方面,水性粘合剂用量占活性物质的2%~5%,总用量约为7000吨左右(乳液);目前在水性粘合剂方面主要分为聚丙烯系列和SBR乳液系列。其中,SBR系列粘合剂主要被Zoen、JSR、巴斯夫和A&L等几家国外企业垄断,而国内聚丙烯酸系列粘合剂生产厂家主要为四川茵地乐公司。

高工锂电网:从发展趋势来看,正极粘合剂是否可以走水性化路线替代PVDF材料?在负极粘合剂方面聚丙烯酸和SBR技术路线都有哪些优缺点?

李仁贵:正极粘合剂使用水性还是油性,需要分几个层面来理解:

首先,用于正极的粘合剂对其材料本身的要求,除了粘合剂基本要求外,用于正极的粘合剂应具有强的抗氧化性能。针对这个要求,丙烯酸系列的粘合剂具有强的抗氧化性可作为正极粘合剂,而乳液系列的粘合剂基本被排除掉。

其次,电池材料属性的不同对粘合剂的选择也有影响。如LFP、LMO正极材料可以使用水性粘合剂,整个过程环保无污染,并具有低成本优势。而对于LCO和NCM正极材料而言,特别是对水分特别敏感的高镍材料,限定了不能使用水性粘合剂。

另外,不同电池厂家采用的生产工艺不同,也会对粘合剂选择有限定的要求。

就目前而言,PVDF是一种比较传统和经典的正极粘合剂材料,具有很好的综合性能。但随着正极材料的不断发展,对正极粘合剂也有更高的要求。例如高镍正极材料使用PVDF作为粘合剂会在生产工艺中出现浆料凝胶等问题,从而限制高镍材料体系的发展。负极粘合剂方面,目前主要为水性体系,分成聚丙烯和丁苯乳液两类,其中聚丙烯酸体系在电池性能方面有些优势,而丁苯乳液在加工工艺方面更有优势。

高工锂电网:中科来方在锂电池水性粘合剂领域主要有哪些优势?为何将水性粘合剂作为研发对象?

李仁贵:中科来方是一家专门研发生产锂电池电极和隔膜用粘合剂的高新技术企业,公司在锂电池用水性粘合剂领域拥有20年的经验和积累,产品已在锂电池领域上行销17年。公司技术研发团队来源于中科院研究所,有30余年的锂电池研究经验,在锂电池粘合剂方面形成了40余项国际国内发明专利,形成了专有体系的知识产权集群。

中科来方一直专注在锂电池细分材料的研究开发上,力求把材料做到极致。公司自成立以来一直进行固态电解质的研究,研究过程中发现了一些材料对电池性能方面的影响规律,建立了适用于锂电池的材料数据库。在此过程中,中科来方开发出一种适合锂离子电池的水性粘合剂,自此进入锂电池粘合剂领域。中科来方目前在成都新津精细化工园区建有占地面积近45000平方米的现代化生产基地,现已拥有年产千吨级隔膜功能层水性涂覆浆料和万吨级锂电池电极专用水性粘合剂的生产能力。

在研发方面,中科来方每年投入销售10%-20%的费用,现已成功研发并量产了LA136D、ME1209系列、ABE-5和FS225等几款水性粘合剂产品。同时针对不同的材料体系以及客户的一些细分要求开发的几款新产品,满足不同客户更高的要求。

高工锂电网:锂电池水性粘合剂在研发和推广方面存在困难有哪些?未来锂电池粘合剂的发展趋势如何?

李仁贵:粘合剂本身的粘接力是影响电池能量密度的重要因素,提高粘接力可以降低粘合剂的使用量,从而增加活性物质使用量提高电池能量密度。中科来方已在胶的粘接力以及材料自身的内聚力等方面进行了改善,进而在以上两个方面得到提升,保证电池能量密度的提升。

从市场推广的角度来看,一方面,由于锂电池对水分特别敏感,因此水性粘合剂的推广过程中会遇到电池企业对其在锂电池中应用的顾虑,导致水性粘合剂在市场推广中受阻。

另一方面,一款新产品从研发到小试、中试再到大规模生产和批量化应用,存在漫长的时间周期。同时,粘合剂生产属于化工项目,涉及到繁琐的安全、环保政府审批等过程,中间市场需求可能出现巨大变化导致项目失败,这些不确定因素对粘合剂生产企业而言都是挑战,但也是机遇。

针对这些问题,中科来方从一个个基础实验开始,对粘合剂用于锂电池中的各个关键节点的水分进行测试,用数据跟客户逐一交流,消除了电池企业的顾虑,进而使水性粘合剂在锂电池领域得到推广应用。目前,公司已拥有深受行业客户信赖的“茵地乐”品牌及子公司,LA型水性粘合剂产品已在锂电池行业行销17年,得到了国内众多电池企业的普遍认可,销售规模和市场份额不断扩大。

未来,为满足动力电池在续航能力、安全性能、使用寿命、低成本等方面的更高需求,正负极材料以及电池制作工艺方面会有较大的变化,粘合剂也会出现大量的研发创新,将有更新的粘合剂被持续不断开发出来,比如满足硅碳材料的粘合剂等等。

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