磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料油系体系合浆常以N- 甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚矾和二甲基甲酞胺等强极性有机化合物为溶剂，存有溶剂难回收、用量大和污染环境等问题。LiFePO4正极材料水系体系合浆以去离子水为溶剂，对环境友好，成本低廉，但是水性粘结剂正极片存在柔韧性差、活性物质粘附力弱和电化学性能较差等问题 。本文制备了不同NMP添加量的正极片，研究NMP对采用水系粘结剂LA132制备的正极片性能的影响。

 

1、 实验

将水系粘结剂LA132、超导炭黑、去离子水和LiFePO4按质量比2.5∶2.5∶50∶40配置成浆料，取4份浆料分别向其添加0、1%、2%、3%的NMP，编号依次为A、B、C 和D。将正极片辊压压实，在100℃真空下除去水分和NMP干燥24h，制成活性物质含量95%的正极片，将其切成直径20mm 的圆片。在充满干燥氩气的手套箱中，以金属锂片为负极，1 mol/LLiPF6/(EC+DEC+DMC) (体积比为1∶1∶1)为电解液，微孔聚丙烯薄膜为隔膜，组装CR2016型扣式电池。

 

首先将A~D极片进行180°弯折，然后在拉力试验机上对极片进行粘附力测试，并在 韧性测试仪上对极片行韧性测试，轴棒的直径分别为1、2、3、4、6、8、10mm，观察卷绕后极片的表面是否有裂纹。电池的充放电测试在TT1136型测试仪上进行，测试电流密度为0.1C，测试电压为2.5~3.5V。

 

2、 结果与讨论

图1为LiFePO4极片180°弯折粘附力测试图，观察图1可发现，极片的粘附力由于NMP的加入得到显著提高，且极片粘附力提高与NMP的添加量成正比。粘附力是范德华力的一种，取决于分子之间的作用力。

LiFePO4极片的制作过程中，极片难免会接触空气中的氧气，在升温过程中，受热的极片与氧气反应，形成酸性基团。酸性基团缺电子，会与水性粘结剂中的(-CN)形成分子间作用力弱的氢键，改变浆料的触变性，降低流动性，导致浆料涂布不均。加入NMP后，会将极片上的酸性基团中和，可以降低极片表面电子的损失，阻止浆料发生触变，增加粘结剂与集流体的附着力，使正极浆料分散均匀、流动性提高，从而提高可浆料和极片的利用率。因此，加入富电子类溶剂NMP可以改善电池的性能。

 

表1所示为4种极片柔韧性测试的结果。观察图1可发现，直径6mm卷绕针测试A正极时出现表面裂纹，进行直径1mm卷绕针测试时，极片B~D并未出现表面裂纹。由此看出，柔韧性最差的为纯水系正极片，在制备时容易出现裂纹、破损和撕裂等问题。加入NMP可以改善极片的柔韧性，提高极片的利用率。LA132 粘结剂中的乳胶粒子是强极性聚合物，分子间作用力强，扭曲能力差，极片易断裂。随着NMP的添加，LA132粘结剂中的乳胶粒子直径随之增加，扭曲能力增大、分子链转动能力降低，极片的柔韧性增强。

表2所示为极片的电化学性能测试结果。首次放电比容量、充放电效率、放电中值电压和恒流比的数值也基本相同。这说明添加NMP对正极片的正极活性物质的放电容量和充放电特性没有影响。

图2~图4所示为四种极片的恒流比、倍率放电比容量、放电中值电压与NMP添加量的关系。

观察图2可发现，测试条件相同时，4种电池的充电恒流比都在98.2%以上。观察图3、图4可发现，同一个电极片的放电比容量和中值电压，随放电倍率的增加不断衰减。

极片A和B的放电比容量和中值电压，在不同放电倍率时基本相等。随着放电倍率的增加，极片C和极片D的中值电压和放电比容量逐渐增大，由此看出，当添加不高于1%的NMP时，电池的倍率放电性能不会受到影响；当添加高于1%的NMP时，NMP会影响正极的放电比容量和中值电压。

图5所示为4种电池的循环性能曲线，观察图5可发现，刚开始进行充放电循环时，极片A和极片B的容量衰减趋势相近，极片C与极片D的容量衰减趋势相近，而极片C和极片D的衰减速度较大。随着循环的继续进行，极片A、C和D的衰减加速，极片B衰减速度基本不变，最终电池容量保持率为极片D＜C＜A＜B。这说明当NMP添加量小于1%时有利于提高电池的循环特性，当NMP添加量大于1%后电池的循环特性会受到影响。

 

3、 结论

通过添加NMP可以提高正极片的粘附力，且粘附力随NMP的添加量增大逐渐增强。加入NMP后，会将极片上的酸性基团中和，可以降低极片表面电子的损失，阻止浆料发生触变，增加粘结剂与集流体的附着力，使正极浆料分散均匀、流动性提高，从而提高浆料和极片的利用率。NMP添加量小于1%时，不会影响电池的倍率放电性能，并能提高电池的循环特性，但当NMP添加量大于1%时，NMP会影响正极片的放电比容量和中值电压，并降低电池的循环特性。

 

文献参考：王萍, 王菲, 崔莉. NMP材料浓度对磷酸铁锂电池性能的影响[J]. 电源技术, 2018(012):042.

 

 

来源：Internet

关键词： 电池性能 NMP 正极片