PVdF粘结剂分子量和活性材料形貌对LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2基正极加工、结构和性能的影响

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Effects of PVdF Binder Molecular Weight and Active Material Morphology on Processing, Structure, and Performance of LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2-Based Positive Electrodes

　　

聚偏二氟乙烯（polyvinylidene difluoride, PVdF）是锂离子电池（lithium ion battery, LIB）正极中最常见的粘结剂。然而，其加工溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮（N-methyl-2-pyrrolidone, NMP）带来安全和环境风险，法规日益要求减少其使用。调整粘结剂是降低材料和能量消耗的一种有前景的方法。本研究考察了PVdF分子量（molecular weight, MW）如何影响LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂基电极的电极浆料性质、复合电极性质以及电化学性能，同时考虑了活性材料颗粒形貌。分子量对电极浆料性质的影响在单晶活性材料颗粒上比多晶活性材料颗粒更显著，这归因于单晶颗粒较窄的粒径分布。在所研究的粘结剂中，低分子量PVdF对多晶体系显示出最有希望的结果。在加工过程中，固含量提高至82%，使湿电极浆料中NMP的质量分数降低了33%。基于低分子量粘结剂的电极表现出高孔隙率，同时保持足够的颗粒-颗粒接触，从而获得高倍率性能。通过调整固含量并利用低分子量粘结剂，循环寿命显著延长。总体而言，本研究证明了使用低分子量PVdF的潜力，能够大幅减少正极生产中的NMP用量，从而促进更安全、更环保的电池制造。

聚偏二氟乙烯（PVdF）是锂离子电池正极的标准粘结剂，但需使用N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）作为加工溶剂。NMP存在安全和环境风险，其沸点与自燃温度接近，干燥过程中需严格控制蒸气浓度，且回收能耗高达10.2 kWh/kg。法规日益严格，因此减少NMP使用是电极制造经济与生态优化的关键。现有替代方案如干法、水系加工仍面临工艺放大困难和锂质子交换等问题。本研究旨在通过调整PVdF分子量（MW），在不牺牲电极性能的前提下提高浆料固含量、降低NMP用量，并考察活性材料颗粒形貌（单晶与多晶）的影响。该成果发表于《Advanced Energy and Sustainability Research》。

研究人员选用三种分子量PVdF（低分子量LMW 180 kDa、中分子量MMW 275 kDa、高分子量HMW 534 kDa）及商业参考粘结剂REF（MW 1–1.1 MioDa），以LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂（NMC622）为活性材料，配方为NMC622/导电剂/PVdF = 95/2/3 wt%。设计了三个系列：SSC（多晶，固含量恒定为73%）、ASC（多晶，调整固含量使浆料在剪切速率10 s^?1下粘度为10 Pa·s）、SinCry（单晶，同样调整固含量）。系统研究了浆料流变、电极附着力、电导率、微观结构及电化学性能。

主要关键技术方法包括：静态光散射测定粒径分布，krypton物理吸附（BET）测定比表面积；凝胶渗透色谱（GPC）、傅里叶变换红外光谱