之前,我们简单地介绍了干法电极(干法电极概述)和其工艺(干法电极-工艺).其工艺分为干粉混合及PTFE预纤维化,压延成膜和层压制备电极三步.其中PTFE的预纤维化和纤维化是压延成膜的关键.但是即使使用不能纤维化的PVDF,只要导电剂能够形成3D网络,也能制备压延成膜(干法电极-粘结剂).说明导电剂在干法电极中也占据重要作用.这里介绍干法电极中导电剂的影响.
对于无需PTFE,而可以单独形成3D网络的CNT(),其用量显著影响电池的性能,如图1所示.这很容易理解,导电剂作为电子导电通路,0D导电剂CB跟周围形成点接触而1D导电剂CNT能跟周围形成线接触,能够提高电极的导电性(如图1a-b所示),从而提高电池的倍率性能(图1c),降低其过电势(图1d).需要注意的是,这里虽然倍率性能跟极片导电能力呈现正相关,但从很多实验结果看,有些情况下降低阻抗并不都能提高倍率性能.
图1. CNT用量对干法极片性能的影响.
除了CB(0D),CNT(1D)导电剂之外,还有2D导电剂石墨烯,在使用PTFE作为粘结剂三者孰优孰劣?图2显示使用不同的导电剂时,极片的形貌,孔径分布,电解液浸润时间,面电阻等信息.SEM图显示,0D导电剂堆在一起,难以分辨其形貌;1D导电剂缠在一起,能够看出线状;2D导电剂叠在一起,可以看到片状.三者制备的极片孔径分布区别不到,主要是因为空间分别还是由占据多数的活性物颗粒决定.含有2D石墨烯导电剂的极片面电阻最小,含有1D CNT的极片电解液浸润最快.另外,导电剂还影响极片的传荷阻抗,这是个很有意思的现象.毕竟传荷阻抗是由活性材料得失电子的难易程度决定的,导电剂能影响其传荷阻抗,很可能是导电剂影响了电极的活性面积.
图2. 0D,1D和2D导电剂在干法电极中的作用.
从上面的结果看,1D导电剂能降低极片的传荷阻抗,2D导电剂能降低传荷阻抗和电子电阻.是不是1D和2D导电剂效果更好呢?也不一定.我们看看其他不一样的结果.
表1.不同导电剂的物理信息
表1中的导电剂的基本性质如图3所示.从中可以看出0D的Ketjen black EC-600JD(KB(600JD))的孔径最发达,其次是Ketjen black EC-300J(KB(300J)),在之后是石墨烯,CNT.电导率最高的是CNT,其次是石墨烯,再然后是KB(600JD)和KB(300J).
图3. 不同导电剂的形貌和性质.
对这些极片进行结构和电化学性质测试,结果如图4所示.其中CNT片,CNT+PTFE片和使用CNT导电剂的极片有最好的电子导电能力;使用KB(600JD)导电剂的极片有最大的孔隙率,最小的迂曲度和最大的离子电导.图4b与图2b不同,它显示出不同导电剂的极片,孔隙率还是有较大的区别.从阻抗和倍率性能来看,使用KB(600JD)导电剂的极片都有最优的表现.这个结果说明,0D导电剂也不一定比1D或者2D导电剂差.
图4.使用不同导电剂的极片的性质.
电池作为一个多材料,多物理场相互作用的体系,想要评估某一因素对电池性能的影响,是非常困难的.而各个实验室由于环境不同,操作手法不同,测试习惯不同,做出来的结果也是五花八门,想从中统计出规律也很困难.再有就是这些研究不容易讲故事发文章,不符合现如今的科研风向,所以做类似工作的团队并不多.
雪上加霜的是,到目前为止,对极片结构的准确描述都还做不到,更别提完成“配方→工艺→结构→性能”这一核心链条,构建从始端设计到终端性能的确定性映射了.路漫漫其修远兮……
