聚合物粘结剂通过在集流体-导电炭黑-活性物质中间构建桥梁以实现电极组分的完整性。粘结剂在粘附过程中首先对不同组分表面进行粘附和包裹，然后在溶剂的作用下渗入到电极颗粒孔隙中，经干燥或聚合进行固化，以实现粘附。粘结剂在颗粒表面吸附后形成边界层、固化层和自由层，其中，固化层和自由层的性能主要依赖于粘结剂的本体特性。

       目前关于聚合物粘结剂的粘结机制已建立6种不同的理论：机械互锁理论、静电理论、润湿理论、扩散理论、化学键合理论和弱边界层理论。通常情况下，不同理论相辅而成，机械互锁理论和化学键合理论被广泛用来解释聚合物与基体之间的粘结机制。

 图1 不同粘合剂粘合机理示意图

      聚偏氟乙烯 (PVDF)：由于其优异的化学稳定性和机械性能，PVDF 是最常用的锂离子电池正极粘合剂之一。它可以在电池工作的宽广电压范围内保持稳定，不与电解液发生反应，从而保证了电池的长期稳定运行。然而，PVDF 的主要缺点是其对环境的敏感性以及成本较高。

      粘结机理：常规的PVDF，主要作用机理是范德华力，就是分子间作用力起粘结作用，有些改性的PVDF，其作用机理有两部分，一部分是高分子量所带来的范德华力，另一方面是由于改性所导致的和箔材之间的化学键的作用。

图2 PVDF结构式

       然而，PVDF也有一些局限性，比如：

       环境敏感性：PVDF对环境条件(如湿度)较为敏感，可能会影响其性能和粘结效果。

       成本问题：与其他类型的粘合剂相比，PVDF的成本较高，这可能会增加电池的制造成本。

       为了克服这些缺点，研究人员可能会探索使用其他类型的粘合剂或者对PVDF进行改性，以提高其性能和降低成本。此外，新型粘合剂的开发也是电池技术研究的一个重要方向。

       聚四氟乙烯 (PTFE)，通常被称为特氟龙(Teflon)，是一种具有非常独特性能的高分子材料。PTFE对几乎所有化学物质都具有极高的抵抗力，包括强酸、强碱和有机溶剂，这使得它在化学工业和实验室设备中非常受欢迎。PTFE具有优异的机械性能，并且能够在极端温度下保持稳定，它的连续使用温度范围通常在-200°C至260°C之间，短时间耐温可达更高。

图3 PTFE结构式

       聚丙烯酸 (PAA)和聚丙烯酸锂 (PAA-Li)：这类水性粘合剂因其环保特性和低成本而受到重视。它们通过形成氢键和物理缠结作用来提供良好的粘接强度，适用于需要提高生产效率和降低成本的场合。但是，其在高湿度环境下的稳定性较差。

图4 PAA结构式

       聚乙烯醇 (PVA)：作为一种水性粘合剂，PVA 因其良好的胶结能力和环保特性而被用于锂离子电池电极的制备。PVA同样通过氢键作用来增强粘接性，但其耐水性能较差，限制了其在某些应用中的使用。

图5 PVA结构式

       聚乙烯醇 (PEO)：由于其良好的溶解性和生物相容性，PEO 是一种在医药和生物技术领域广泛应用的高分子材料。它可以在水溶液中形成稳定的凝胶，适用于药物递送系统和组织工程。PEO 的非毒性和生物可降解性使其成为生物医用材料的理想选择。然而，PEO 的主要缺点是其机械强度相对较低，这可能限制了其在某些需要较高机械性能的应用中的使用。

      粘结机理：常规的PEO，主要作用机理是氢键，即分子间的氢键作用力起粘结作用。改性PEO可能通过引入功能性基团来增强其与基材的相互作用，从而提高粘结强度。例如，通过化学改性引入的羧基或羟基可以与金属或无机材料形成更强的化学键。

图6 PEO结构式

       然而，PEO 的主要缺点包括其机械强度相对较低，这可能限制了其在需要较高机械性能的应用中的使用。此外，PEO的凝胶在高温下可能不稳定，这限制了其在需要热稳定性的应用中的使用。

       羧甲基纤维素钠 (CMC-Na)：当今世界上使用范围最广、用量最大的纤维素种类。是葡萄糖聚合度为100~2000的纤维素衍生物，相对分子质量242.16。白色纤维状或颗粒状粉末。无臭，无味，无味，有吸湿性，不溶于有机溶剂。

       丁苯橡胶 (SBR)：作为一种橡胶类粘合剂，丁苯橡胶因其优异的柔韧性和粘结强度而被研究用于锂离子电池正极材料。它可以有效缓冲电极材料在充放电过程中的体积变化，减少活性物质的脱落，从而提高电池的循环稳定性。

图7 CMC SBR结构式

       粘结机理：SBR表面的基团与铜箔表面的基团发生缩合反应形成化学键。SBR乳液本身是一个亲水性和疏水性平衡的产物，一方面通过疏水性将石墨有机结合，另一方面通过亲水性基团和铜箔表面基团发生缩合反应。而CMC-Na作为一种稳定剂、悬浮分散剂，对SBR具有辅助的粘结作用，同时也可让SBR分散的更加均匀，同时利用空间电荷的排斥作用保证整个体系的稳定。

       CMC和SBR在实际锂电池石墨负极负极中是相互互补，缺一不可，是工业界长期实践积累的结果。如果单纯使用CMC作为粘接剂，条件是极片厚度较薄，不进行滚压工艺或者对极片的压实密度不高的情况下；在实际极片中，因为能量密度的要求，石墨极片必须滚压，而且压实密度大，这种情况下是不能单独使用CMC粘接剂的，因为CMC是脆性的，滚压后结构就坍塌，极片掉粉严重，不能使用；另外，也不能单独使用SBR作为粘接剂，因为很难制备浆料，SBR不具备悬浮分散功能，浆料会发生沉降，同时太多的SBR也会使得极片在电解液中溶胀。

       海藻酸盐(ALG)：由于其优异的生物相容性和凝胶化能力，ALG 成为食品工业、医药和化妆品中常用的天然高分子材料。它可以在水中迅速形成稳定的凝胶，适用于作为稳定剂或增稠剂。ALG 的生物降解性和可再生来源使其成为一种环境友好型材料。然而，ALG 的主要缺点是其对pH值敏感，这可能会影响其在某些应用中的稳定性。

       粘结机理：ALG的粘结作用主要依赖于其分子链上的羧基，这些羧基可以通过离子交联形成稳定的三维网络结构。在某些情况下，ALG可以通过与金属离子如钙离子形成交联来增强其凝胶的机械性能。改性ALG可能通过化学或物理方法来调节其交联程度，从而优化其粘结性能和稳定性。

图8 ALG结构式

       然而，ALG 的主要局限性在于其对pH值敏感，这可能会影响其在某些应用中的稳定性。此外，ALG的凝胶强度可能不如某些合成高分子材料，且在某些情况下可能对电解质敏感，这可能会限制其在高离子强度环境中的使用。

文章来源：新威研选、新能源创新材料编辑整理