探索碳酸丙烯酯作为绿色溶剂在可持续锂离子电池正极制造中的应用

这篇综述系统评估了碳酸丙烯酯（PC）作为N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）替代溶剂在锂离子电池（LIB）正极制造中的可行性。研究通过半电池和全电池测试验证了PC与聚偏氟乙烯（PVDF）粘结剂的兼容性，证明其能实现均匀涂覆和稳定电化学性能，同时具备低毒性、可生物降解等环保优势，为绿色电池制造提供了新思路。

　　

1 引言

全球能源转型推动了对可持续锂离子电池（LIB）制造工艺的需求。目前正极制造中广泛使用的N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）因被欧盟REACH法规列为生殖毒素而亟待替代。尽管水溶性粘结剂（如羧甲基纤维素）曾被探索，但其高表面张力导致电极润湿不均，且易引发镍基正极（如NMC811）的锂溶出和铝集流体腐蚀。近年来，三乙基磷酸酯（TEP）、二甲基亚砜（DMSO）等绿色溶剂因溶解性不足或热稳定性差未能突破性能瓶颈。

碳酸丙烯酯（PC）凭借低毒性、高沸点（242°C）和完全生物降解性脱颖而出。其独特的溶解特性需在80°C以上才能完全溶解PVDF，但此前研究未系统评估其工业适用性。本研究首次在正极浆料制备中验证了PC的可行性，覆盖NMC111和钴酸锂（LCO）等多种化学体系，并通过半电池/全电池测试填补了该领域空白。

2 实验方法

材料与工艺

采用PC和NMP分别溶解PVDF粘结剂，通过热水浴均匀加热至80°C实现快速溶解（20分钟）。浆料由NMC111或LCO、导电炭黑（CB）和PVDF按85:7.5:7.5或94:3:3比例混合，涂覆铝箔后经两段干燥（100°C热板+110°C真空烘箱）。

表征技术

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  流变学测试显示PC浆料具有剪切稀化特性（幂律指数n<1），适合涂覆工艺

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  扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDAX）证实PC电极颗粒分布均匀，无粘结剂迁移

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  热重分析（TGA）检测到<1%的残留溶剂，略高于NMP电极

3 结果与讨论

3.1 低活性物质负载下的性能

半电池测试中，PC电极首圈库伦效率达88%，优于NMP电极。其放电容量在3C倍率下保持率超过87%，与NMP电极相当。电化学阻抗谱（EIS）显示界面阻抗略高，但弛豫时间分布（DRT）分析表明电荷转移动力学未受显著影响。

3.2 高负载电极的挑战

当活性物质负载增至94%时，PC电极在C/3循环100次后容量保持率仍达97.7%，但高压区极化明显。DRT谱中1-10Hz新峰表明孔隙内离子传输受限，归因于残留PC分子阻碍锂离子扩散。

3.3 全电池验证

NMC/石墨全电池中，PC电极初始容量与NMP电极相当，但循环后高频阻抗增长更显著（增幅超2倍）。这种界面劣化可通过优化多段干燥工艺改善，例如采用实时溶剂监测技术。

4 结论

PC作为绿色溶剂在LIB正极制造中展现出工业化潜力：

1. 1.

   环保优势：非危险空气污染物（HAP），生物降解性优于NMP

2. 2.

   工艺兼容性：适配现有涂布设备，仅需调整溶解温度

3. 3.

   性能平衡点：低负载下电化学性能匹配NMP，高负载需优化干燥流程

   未来研究应聚焦溶剂残留控制策略，如梯度升温干燥或溶剂共沸体系设计，以突破高能量密度电极的应用瓶颈。