从CMC粘结剂到极片：电池能量密度何以提升？

锂电池生产工艺复杂，可分为前、中、后三个阶段。前端极片制作重要包括包括正/负极配料、涂布、辊压、分切、制片等工序；中端电芯制作重要包括卷绕或叠片、封装、注液等工序；后端电池组装包括化成、分容、PACK组装等工序。

对那些大容量、大功率的动力型锂电池来说，如何保持电池的一致性是锂电池制作的技术难点。随着锂电池材料的不断进步，原材料颗粒粒径越来越小，提高了锂电池性能的同时，也新增了混合分散工艺的难度。

在锂电池生产过程中，对电池电极结构的控制是关键，如何控制其电极片内部的微观结构，是锂电池生产过程的关键技术。采用不同结构的电极片生产的电池的自放电率、循环性、容量、一致性等都不同。在锂电池生产前端制备电极片的过程中，必须控制好锂电池浆料的混合分散质量，提高电池浆料的均匀一致性和分散稳定性。

正极浆料由粘合剂、导电剂、正极材料等组成；负极浆料由粘合剂、石墨碳粉等组成。正、负极浆料的制备都包括了液体和液体、液体和固体物料之间的相互混合、溶解、分散等一系列工艺过程。在这个过程中都伴随着温度、粘度、环境等变化。

在正、负极浆料中，颗粒状活性物质的分散性和均匀性直接响到锂离子在电池两极间的运动。因此，在锂电池生产中各极片材料的浆料的混合分散至关重要，浆料分散质量的好坏，直接影响到后续锂电池生产的质量及其产品的性能。

作为浆料中的重要组成部分，粘结剂将各种颗粒粘接在一起，形成了具有粘附性的浆料，将其和金属箔紧密粘接在一起。活物质、导电剂、溶剂对金属电极没有粘附性，无法做成极片用于制备锂电池。

粘结剂是一种高分子化合物，是锂电池电极片中的非活性成分，其有粘结和导电两个重要用途。通常状况下，对锂电池专用粘结剂的要求，体现在粘结力、柔韧性、耐碱性、亲水性、电导率等性能的合适和稳定。

好的粘结剂不仅有利于电池能量密度的提高，关于电池内阻也有明显的降低用途，对电池的电化学性能也具有重要的影响。

从极片加工角度看，粘结剂的性能要求重要有以下几点：

一是能够长时间维持浆料粘度保持不变；不会因为浆料放置导致其沉降，失效。

二是可溶解形成高浓度溶液，所需的汽化热较低。

三是碾压时容易成型且不会反弹。

四是具有柔性，在电极破裂时不会形成碎片。

粘结剂本身没有容量，在锂电池中所占的比重也很小。目前得到广泛应用的锂电池粘结剂重要有三大类：聚偏氟乙烯（PVDF）、丁苯橡胶（SBR）乳液和羧甲基纤维素（CMC），此外，以聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯腈（PAN）和聚丙烯酸酯作为重要成分的水性粘结剂也占有一定市场。现在负极选用水系粘结剂已经成为市场主流方向。

CMC是纤维素的羧甲基化衍生物，作为负极材料的重要粘合剂，被国内外电池制造公司广泛采用。其四大特点有：

第一，CMC使产品的亲水性和溶解性好，完全溶于水，没有游离纤维和杂质。

第二，取代度均匀且粘度稳定，可以供应稳定的粘度和附着力。

第三，制作出高纯度产品，并且是属于低金属离子含量。

第四，产品和SBR胶乳和其他材料配合使用具有良好的相容性。

CMC通常由天然的纤维素和苛性碱及一氯醋酸反应后而制得，因为溶液中有增稠、粘结、保水、乳化及悬浮用途，因此广泛应用于陶瓷、食品、化妆品、印染、造纸、纺织、涂料、粘结剂和医药等领域，高端陶瓷和锂电池领域约占7%左右。

CMC分子结构

具体到电池中，CMC的用途有：对负极活性材料及导电剂起到分散用途；对负极浆料起到增稠及防沉降用途；辅助粘结用途；稳定电极的加工性能，辅助改善电池循环性能；提高极片的剥离强度等。

在制作电极浆料的时候加入CMC，能提高浆料粘度和防止浆料沉淀。CMC在水溶液中会分解出钠离子和阴离子，CMC胶液粘度会随着温度的升高而降低，容易吸潮，弹性较差。

CMC关于负极石墨的分散能够起到很好的用途。随着CMC量新增，其分解产物将附着在石墨颗粒表面，石墨颗粒之间由于静电用途相互排斥，达到很好分散效果。

但是CMC的明显缺点是比较脆，假如全部选用CMC作为粘结剂，极片在压片、分切过程中石墨负极出现坍塌会出现严重的掉粉情况。同时，CMC受电极材料配比、pH值的影响较大，充放电时极片可能会龟裂，直接影响电池的安全性。

要注意的是，完美的粘结剂并不存在，要尽量选择符合物理加工及电化学要求的粘结剂。

为了更好的提升锂电池操作人员在混料、涂布、极片制作的技术水平，加强他们在生产过程中突发工艺问题的解决能力，电池联盟、我国绿色供应链联盟电池专委会、我国电子节能技术协会电池专业委员会联合北京绿色智汇能源技术研究院于五月13-十五日，召开锂电池前工序技术暨CMC工艺培训。

培训内容包括CMC用途和使用、CMC制造方法、CMC级别重要性、CMC品质和浆料特性的关系、CMC品质和电池品质的关系、如何选择电池用CMC等。

培训结业考核合格者颁发工业和信息化人才培养工程培训基地、我国电子节能技术协会锂电池生产岗位操作专项技术证书。此外，通过培训考核的学员信息录入到协会官方数据库中，终生可享受免费推荐工作单位。