混合粘结剂体系准干法制备高质量负载石墨负极提升锂离子电池性能

本刊推荐：本文创新性地提出采用CMC（羧甲基纤维素）部分替代PTFE（聚四氟乙烯）的混合粘结剂准干法工艺，成功解决了传统干法工艺中PTFE在石墨负极低电位下电化学分解的难题。该策略显著提升电极的初始库伦效率（ICE）、倍率性能和循环稳定性，为高能量密度锂离子电池（LIBs）的绿色低成本制造提供了新思路。

　　

混合与干法处理石墨电极的物理化学特性

在典型的PTFE原纤化干法工艺制备石墨负极过程中，电极通过混合石墨、导电剂和PTFE粘结剂，再经过剪切力和压延工艺制成自支撑电极。然而，这种方式制备的石墨负极由于PTFE在阳极电压下的分解问题，通常表现不佳[20,32]。一般来说，干法电极中PTFE的含量约为2 wt%，以平衡机械性能和活性物质含量。在本研究中，我们通过用CMC部分替代PTFE，开发了一种混合粘结剂策略。为了将CMC有效地整合到干混合物中，我们采用了乙醇作为分散介质，通过简易的湿法混合实现均匀分布，随后在80°C下短暂干燥以去除乙醇。这种准干法工艺既保留了PTFE的原纤化特性，又引入了CMC的功能性基团，避免了传统浆料工艺所需的高能耗干燥过程。

通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了PTFE、CMC及其混合物的化学结构。图1a显示了PTFE在1200 cm^?1和1150 cm^?1处的特征峰（CF₂伸缩振动），而CMC在1600 cm^?1（COO-不对称伸缩）和1420 cm^?1（COO-对称伸缩）处显示出明显的吸收峰。HGE-1（含1 wt% CMC）的红外光谱同时呈现出PTFE和CMC的特征峰，且未出现峰位移或新峰，表明两种粘结剂之间没有强烈的化学相互作用，主要是物理混合。

通过扫描电子显微镜（SEM）观察了电极的表面形貌和微观结构。图1b-d显示，纯PTFE基电极（GE）呈现出由PTFE原纤维形成的多孔网络结构，但存在明显的石墨颗粒团聚现象。相比之下，HGE-1电极显示出更均匀的形貌，石墨颗粒被PTFE原纤维和CMC薄膜共同包裹，减少了团聚并改善了组分分布。这种结构有利于离子和电子的传输，并增强电极的机械完整性。

通过热重分析（TGA）评估了电极的热稳定性。如图1e所示，PTFE在500°C以下表现出极高的热稳定性，而CMC在250°C左右开始分解。HGE-1的热分解曲线介于PTFE和CMC之间，说明两种粘结剂在混合后仍保持各自的热行为特征，没有明显的热降解协同效应。

电极的粘附强度通过180°剥离试验进行评估。结果如图1f所示，HGE-1电极表现出比GE更高的剥离力，表明CMC的引入显著增强了电极与集流体之间的粘附力。这归因于CMC的极性官能团与石墨表面和铜箔之间的强相互作用。

结论

在本研究中，我们介绍了一种用于制备高质量负载石墨负极的混合粘结剂准干法工艺策略，其中羧甲基纤维素（CMC）作为多功能粘结剂部分替代聚四氟乙烯（PTFE）。通过制备一系列不同CMC含量的混合粘结剂石墨电极（HGEs）并进行系统评估，确定了最优组成。含1 wt% CMC的电极（HGE-1）表现出最佳的电化学性能，包括更高的初始库伦效率、改善的倍率性能和优异的循环稳定性。CMC的引入不仅增强了锂离子（Li⁺）传输和电极粘附性，还减少了PTFE与石墨之间的直接接触，从而抑制了PTFE的分解反应。本研究为推进锂离子电池高能量密度负极的绿色制造提供了一种经济有效的解决方案。