之前,我們簡單地介紹了干法電極(干法電極概述)和其工藝(干法電極-工藝).其工藝分為干粉混合及PTFE預(yù)纖維化,壓延成膜和層壓制備電極三步.其中PTFE的預(yù)纖維化和纖維化是壓延成膜的關(guān)鍵.但是即使使用不能纖維化的PVDF,只要導(dǎo)電劑能夠形成3D網(wǎng)絡(luò),也能制備壓延成膜(干法電極-粘結(jié)劑).說明導(dǎo)電劑在干法電極中也占據(jù)重要作用.這里介紹干法電極中導(dǎo)電劑的影響.
對于無需PTFE,而可以單獨形成3D網(wǎng)絡(luò)的CNT(),其用量顯著影響電池的性能,如圖1所示.這很容易理解,導(dǎo)電劑作為電子導(dǎo)電通路,0D導(dǎo)電劑CB跟周圍形成點接觸而1D導(dǎo)電劑CNT能跟周圍形成線接觸,能夠提高電極的導(dǎo)電性(如圖1a-b所示),從而提高電池的倍率性能(圖1c),降低其過電勢(圖1d).需要注意的是,這里雖然倍率性能跟極片導(dǎo)電能力呈現(xiàn)正相關(guān),但從很多實驗結(jié)果看,有些情況下降低阻抗并不都能提高倍率性能.
圖1. CNT用量對干法極片性能的影響.
除了CB(0D),CNT(1D)導(dǎo)電劑之外,還有2D導(dǎo)電劑石墨烯,在使用PTFE作為粘結(jié)劑三者孰優(yōu)孰劣?圖2顯示使用不同的導(dǎo)電劑時,極片的形貌,孔徑分布,電解液浸潤時間,面電阻等信息.SEM圖顯示,0D導(dǎo)電劑堆在一起,難以分辨其形貌;1D導(dǎo)電劑纏在一起,能夠看出線狀;2D導(dǎo)電劑疊在一起,可以看到片狀.三者制備的極片孔徑分布區(qū)別不到,主要是因為空間分別還是由占據(jù)多數(shù)的活性物顆粒決定.含有2D石墨烯導(dǎo)電劑的極片面電阻最小,含有1D CNT的極片電解液浸潤最快.另外,導(dǎo)電劑還影響極片的傳荷阻抗,這是個很有意思的現(xiàn)象.畢竟傳荷阻抗是由活性材料得失電子的難易程度決定的,導(dǎo)電劑能影響其傳荷阻抗,很可能是導(dǎo)電劑影響了電極的活性面積.
圖2. 0D,1D和2D導(dǎo)電劑在干法電極中的作用.
從上面的結(jié)果看,1D導(dǎo)電劑能降低極片的傳荷阻抗,2D導(dǎo)電劑能降低傳荷阻抗和電子電阻.是不是1D和2D導(dǎo)電劑效果更好呢?也不一定.我們看看其他不一樣的結(jié)果.
表1.不同導(dǎo)電劑的物理信息
表1中的導(dǎo)電劑的基本性質(zhì)如圖3所示.從中可以看出0D的Ketjen black EC-600JD(KB(600JD))的孔徑最發(fā)達(dá),其次是Ketjen black EC-300J(KB(300J)),在之后是石墨烯,CNT.電導(dǎo)率最高的是CNT,其次是石墨烯,再然后是KB(600JD)和KB(300J).
圖3. 不同導(dǎo)電劑的形貌和性質(zhì).
對這些極片進(jìn)行結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性質(zhì)測試,結(jié)果如圖4所示.其中CNT片,CNT+PTFE片和使用CNT導(dǎo)電劑的極片有最好的電子導(dǎo)電能力;使用KB(600JD)導(dǎo)電劑的極片有最大的孔隙率,最小的迂曲度和最大的離子電導(dǎo).圖4b與圖2b不同,它顯示出不同導(dǎo)電劑的極片,孔隙率還是有較大的區(qū)別.從阻抗和倍率性能來看,使用KB(600JD)導(dǎo)電劑的極片都有最優(yōu)的表現(xiàn).這個結(jié)果說明,0D導(dǎo)電劑也不一定比1D或者2D導(dǎo)電劑差.
圖4.使用不同導(dǎo)電劑的極片的性質(zhì).
電池作為一個多材料,多物理場相互作用的體系,想要評估某一因素對電池性能的影響,是非常困難的.而各個實驗室由于環(huán)境不同,操作手法不同,測試習(xí)慣不同,做出來的結(jié)果也是五花八門,想從中統(tǒng)計出規(guī)律也很困難.再有就是這些研究不容易講故事發(fā)文章,不符合現(xiàn)如今的科研風(fēng)向,所以做類似工作的團(tuán)隊并不多.
雪上加霜的是,到目前為止,對極片結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確描述都還做不到,更別提完成“配方→工藝→結(jié)構(gòu)→性能”這一核心鏈條,構(gòu)建從始端設(shè)計到終端性能的確定性映射了.路漫漫其修遠(yuǎn)兮……
