摘要

勃姆石，又称软水铝石，是铝土矿的核心成分。1925年德国化学家约翰·勃姆揭开了它的神秘面纱，两年后，德拉帕兰特在莱博的铝土矿中证实了它的身份，并赋予了它名字。这种矿物拥有独特的层状结构，天然与人工两种形态共存。天然勃姆石藏于铝土矿之中，经过煅烧可转化为氧化铝；人工合成的勃姆石纯度高、耐热度高，可作为催化剂的载体、锂电涂覆材料、无机阻燃剂、造纸填料等。

勃姆石主要应用于锂电电芯隔膜和极片的涂覆。涂覆在锂电池电芯隔膜上能够提高隔膜的耐热性，增强隔膜的抗刺穿性，提高锂电的安全性能；涂覆在锂电池的极片中，可避免正极材料极片分切过程中产生的毛刺刺穿隔膜，提高锂电池的安全性能，改良电池生产工艺，提高能量密度。

此外，受益于磁性异物含量低、吸水率低、比重低、莫氏硬度低的特点，勃姆石还能有助于改善电池的倍率性能和循环性能，提升电芯的良品率，并减少电池在使用过程中的自放电，是提升锂电池安全可靠性的重要材料。

以勃姆石、氧化铝为主要涂覆材料的无机涂覆较以聚偏氟乙烯（PVDF）、芳纶为代表的有机涂覆和有机无机混合涂覆技术更加成熟，无机涂覆隔膜的可拉伸强度和热收缩率更好，下游客户已形成产业化应用。 勃姆石的独特属性使其成为支持锂离子电池技术持续发展的关键材料。

在锂电池的电极材料中，粘结剂的比例通常在1%到10%之间，它的主要作用是将电极的活性材料、集流体和导电剂粘合在一起，从而增强电极的性能和稳定性。而电极中的活性材料和导电剂往往是纳米级别的，这些纳米材料在高浓度的电极浆料中容易出现团聚现象。

为了改善这些纳米粉末在浆料中的分散性，使用化学分散剂变得尤为重要。因此，新型粘结剂和分散剂的研发与应用正逐渐成为行业关注的热点。

● 粘结剂

作为电极中不可或缺的组成部分，粘结剂除了最基本的粘结功能外，还承担着其他重要的职责。

一、粘结剂的功能

粘结剂在电极材料中的主要作用包括匀浆、稳定结构和提高性能。

1. 匀浆

在电极制造过程中，粘结剂首先会被溶解在适当的溶剂中形成胶状物质，然后与导电剂和活性材料混合，通过球磨均匀化。这一过程确保了材料的均匀分布和稳定性。

2. 稳定结构

锂电池在充电和放电过程中电极的体积会发生变化。粘结剂能够在这个过程中起到缓冲作用，防止含有活性物质的涂膜脱落或产生裂纹。

3. 提高性能

粘结剂通过降低电极的阻抗来提升电池的整体性能。

二、高效粘结剂的关键特性

为了满足上述要求，高效的粘结剂必须具备以下特点：

1. 稳定性

在特定的电极/电解质体系中，粘结剂应具有良好的稳定性，能够耐受电解液的腐蚀，并且在工作电压范围内不发生氧化还原反应。

2. 溶解性

粘结剂应在溶剂中具备较高的溶解速度和溶解度，同时所用溶剂需要安全、环保且无毒。

3. 适中粘度

粘结剂应具备适中的粘度，以便于匀浆操作并维持浆料的稳定性。同时，其粘结能力要强，但用量应尽可能少。

4. 良好的柔韧性

粘结剂需要能够承受电极工作过程中活性物质颗粒的体积变化，确保电极结构的稳定性。

三、粘结剂的分类及应用现状

在明确了粘结剂的作用和性能要求之后，选择合适的材料成为关键。根据溶剂类型的不同，粘结剂通常可以分为两大类：以有机溶剂为基础的油性粘结剂和以去离子水为溶剂的水性粘结剂。

1. 新型油性粘结剂的应用现状

聚偏氟乙烯（PVDF）是传统的油性粘结剂，广泛应用于工业中。然而，它在与导电剂的相互作用上较弱，且在电解液中可能会发生缓慢溶胀，从而影响离子传输能力。更重要的是，PVDF的使用量较大，降低了电池的整体能量密度。因此，开发新型油性粘结剂以解决这些问题显得尤为重要。

(1) 聚酰亚胺的兴起

聚酰亚胺（PI）是一种在锂电池应用中展现出广泛前景的材料。它具有优良的加工性能、机械强度、热稳定性和化学稳定性。研究表明，PI作为粘结剂应用于硅负极时，电池在经历数百次充放电循环后，容量保持率仍不低于75%，是传统PVDF的两倍左右。

此外，氟代聚酰亚胺（FPI）在高温高压条件下的电极材料中表现出了优异的稳定性，这标志着PI粘结剂的一次重要技术提升，为高温高压环境下的无电解液体系开辟了新的发展方向。

(2) 基于PVDF的改性

常见的改性方法包括共聚法和共混法。研究表明，将聚偏氟乙烯（PVDF）与聚四氟乙烯（TFE）和聚丙烯（PP）共聚形成的共聚物，与纯PVDF相比，在断裂伸长率（即弹性程度）上有显著提升。

具体来说，这种共聚物的断裂伸长率达到了100%，而纯PVDF仅为不到10%。这表明，共聚物在电极材料的充放电过程中能更好地保持弹性，维持电极材料的聚集状态，并保证活性材料与集流体之间的有效电子传递。因此，在需要大体积变化的应用场景中，这种共聚物可作为PVDF的替代材料。

2. 新型水性粘结剂的应用现状

水性粘结剂因其环保特性而受到青睐，尽管它们在性能上表现出色，但仍面临一些挑战。例如，水性粘结剂可能导致浆料分散性差，容易形成团聚。此外，水性粘结剂对基材的润湿性较差，以及水的较高热容量等因素，也在一定程度上限制了它们的应用。

(1) 中等分子量聚丙烯酸的应用

研究发现，分子量在10,000到1,000,000范围内的聚丙烯酸（PAA）作为水性粘结剂具有显著优势。PAA能够有效促进锂离子与活性物质的接触，并减少电解液与活性物质之间的副反应，从而提高整体循环效率。同时，PAA能在电极表面形成筛网状结构，使锂离子能够迅速通过，进而提升离子传输效率，改善电池的倍率性能。

(a) PVDF对锂离子流通的阻碍及其对活性材料结构的影响

聚偏氟乙烯（PVDF）在锂电池中虽然作为传统的油性粘结剂被广泛使用，但它对锂离子的流动存在一定的阻碍作用。此外，PVDF可能会导致活性材料的结构发生变化，从而影响电池的整体性能。

(b) PAA形成的筛网结构对锂离子传输的促进

相对而言，聚丙烯酸（PAA）作为水性粘结剂，在电极中形成的筛网状结构能够有效促进锂离子的传输。这种结构不仅提升了离子通过电极的速度，还改善了电池的倍率性能。

2. 传统水性粘结剂的组合应用

将羧甲基纤维素钠（CMC-Na）与海藻酸钠（SA）这两种水性粘结剂结合使用，研究表明，这种组合能显著提升电极性能。测试结果显示，加入CMC-Na的电极在0.1C的充放电条件下经过80次循环，其容量仍高于使用PVDF的电极。

同时，CMC-Na和SA均能提供丰富的钠离子，由于钠离子的半径大于锂离子，这些钠离子能够在放电过程中插入锂离子迁移所形成的空位中，从而帮助稳定晶体结构。

● 分散剂

分散剂在锂电池制造中主要用于化学分散，其通过改变颗粒表面的性质，从而优化颗粒之间以及颗粒与液相介质之间的相互作用，以实现粉体的有效分散。

一、分散剂的作用

除了最基本的减少颗粒团聚，分散剂还发挥着以下几个重要作用：

1. 优化浆料粘度

分散剂可以调节加工浆料的粘度，使其更易于处理，并加快加工速度。

2. 稳定导电炭黑

在电极生产过程中，分散剂有助于保持导电炭黑在溶剂中的稳定分散，防止其沉降或聚集。

3. 均匀碳颗粒分布

在电极中使用分散剂能使碳颗粒分布更加均匀，从而提高电极的导电性，并有效降低电池内阻。

二、分散剂的性质要求

选择分散剂时，需要考虑以下几个方面，以确保其有效性和安全性：

1. 高解离度

在电极浆料的液相环境中，分散剂应具有高解离度，以防自身团聚，并有效减少浆料整体的团聚现象。

2. 减少副反应

分散剂作为成品锂电池中的杂质，其使用时应尽量减少副反应，以避免引入额外的杂质，影响电池的正常性能。

3. 无腐蚀性

分散剂不应对电极或集流体表面产生腐蚀，以免对电极造成损坏。

三、新型分散剂的应用现状

分散剂的研发正逐渐向提高分散效果和拓展新功能的方向发展。以下是一些新型分散剂的应用现状：

1. 润湿分散剂

毕克化学推出的新型润湿分散剂“BYK-ET 3000”，由引入季铵基团的改性苯乙烯-马来酸共聚物（SMA）制成，溶解在1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）中。季铵基团的加入增强了分散剂的表面活性，改善了固体的润湿性，从而缩短了炭黑及其他导电碳的分散时间。

铵根的四个氢离子均被取代，故季铵盐能根据需求具备分散/润湿/增溶等非常多种功能。

2. PAA的另一种妙用

聚丙烯酸（PAA）的功能与其分子量密切相关。前述提到，中等分子量的PAA可作为粘结剂，而分子量小于1万的低分子量PAA则表现为优良的分散剂。在此基础上，某些改性聚合物也展示出了卓越的分散性能。

例如，聚丙烯酸钠（PAANa）是PAA的离子态形式，具有极强的水溶性。PAANa能够有效吸附在粉体颗粒的表面，降低颗粒的表面能，同时通过颗粒表面的电荷排斥作用，实现颗粒间的分散。此外，PAANa还通过降低介质的表面张力，进一步提高了颗粒的分散性能。

● 小结

无论在企业还是学术界，新型粘结剂的研发都集中在以下几个关键目标：确保有效的粘结作用的同时降低粘度和使用量，提升导电性，增强柔韧性，并实现环保。

此外，新型分散剂的开发则关注于提供更优异的分散性能，降低粘度，同时尽量减少对电池性能的负面影响。作为锂电池结构中不可替代的两个组成部分，粘结剂和分散剂的未来发展潜力依然广阔。

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PVDF（聚偏氟乙烯）是一种高度非反应性的热塑性含氟聚合物，常用于锂离子电池粘结剂。它具有良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性。PVDF在电池的性能方面起着重要作用，包括容量、循环寿命、内阻和快充内压等。

01

粘结剂的作用及性能

均匀性和安全性：确保活性物质在制浆过程中均匀分散，提高制备过程效率，并降低活性物质的风险。

键合活性物质颗粒：增强颗粒之间的结合力，提高材料的机械强度和稳定性。

活性物质与收集液结合：帮助活性物质与收集液形成化学或物理键合，实现有效的分离和提取。

保持活性物质与聚集体之间的结合：提供粘合力，确保活性物质牢固地附着在聚集体上，保持稳定性和持久性。

促进SEI膜形成：在电池等能源储存领域，形成固体电解质界面（SEI）膜，提高电池的循环稳定性和寿命。

02

PVDF粘结剂特点

PVDF（聚偏二氟乙烯）是一种半结晶聚合物，具有高结晶度和高熔融温度。然而，在电池的常规使用温度下，PVDF的高结晶性会导致带有电解液的分子难以循环，从而增加电池的充放电负荷。

此外，如果电池的干燥速率不适当，PVDF的收缩率与集电体的收缩率不匹配，导致涂层与集电体分离。随着时间的推移，由于电极内部的应力作用，电极层可能会部分或完全从集电体上剥离，导致负载特性不佳和容量衰减。

为了解决上述问题，经过深入研究和试验，在PVDF的聚合过程中引入少量极性单体与偏二氟乙烯（VDF）共聚，制备了PVDF共聚物。

这种带有极性基团的PVDF共聚物可以显著改善粘结剂的粘结性能，防止电极脱落，同时大幅减少粘结剂的使用量。这使得电池能够具有更高的能量密度、更低的内阻、更好的功率性能和更长的循环寿命。

03

粘结剂对电池性能的影响因素

(1)粘结剂与电极之间的反应；(2)粘结剂对电池低温性能的影响；(3)粘合剂、活性物质和导电剂的协同作用；(4)粘结剂的放热反应；(5)锂离子和电子在粘结剂中的传导；(6)粘合剂和集电体附着力对电池性能的影响；(7)电极制备方法对电池性能的影响；(8)粘结剂中的杂质对电池性能的影响。

锂电池中粘结剂的选择与性能

锂离子电池的特点包括锂嵌入和释放引起的膨胀和收缩，需要粘结剂来缓冲这种变化。锂离子电池在干燥过程中可能达到高温，因此粘结剂必须能够承受高温（如200℃）。

常用的粘结剂包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）以及聚偏氟乙烯与六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）。

粘结剂的选择对电极性能至关重要，应具备低欧姆电阻、在电解液中稳定、不膨胀、不松散、不脱落粉末的性能。

粘结剂的相对分子量也会影响其性能，低相对分子量的粘结剂粘附力较低但粘附性好，高相对分子量的粘结剂内聚力大但粘接性能较差。

因此，在选择粘结剂时需要考虑相对分子质量的适当性。

此外，在锂电池制备过程中，粘结剂的柔韧性也很重要，取代基较少的粘结剂通常具有较好的柔韧性。

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PVDF在锂电池中主要应用在正极粘结剂和隔膜涂覆两个方面。

知道的越多，疑惑的越少，本期带大家了解PVDF在锂电相关的应用，以及锂电级PVDF的性能。

首先，作为正极粘结剂，PVDF能够连接正极活性物质、导电剂和集流体，从而降低电极阻抗和电池极化。

由于其耐高压能力强、热稳定性好以及易于分散的特点，PVDF是最常用的正极粘结剂，占据了约90%的市场份额。

相比之下，水系粘结剂由于耐高压性能差、对正极材料造成损害以及难以干燥等缺点，市场份额较小。

随着高压高能量密度电池体系的迅速发展，高压稳定性成为粘结剂的重要指标。因此，相比水系粘结剂，具有宽电化学窗口的PVDF更加不可替代。

其次，PVDF还用于隔膜涂覆，可以提高耐高温性能、增加电解液保液量以及提高高压状态下电池的安全性。

传统有机隔膜（如PP和PE）在使用过程中存在熔点低、机械强度不够以及受热收缩率高等问题，极端情况下可能导致电池短路并引发热失控，存在燃烧和爆炸的安全隐患。

因此，对隔膜进行涂覆是提高电池性能的有效途径。除了PVDF可用于隔膜涂覆外，高纯氧化铝、勃姆石、芳纶纤维以及其他纳米复合材料等也是可选材料。

在锂电隔膜涂覆领域，PVDF并不是唯一的选择，存在一定的可替代性。

与普通PVDF相比，锂电级PVDF具有很高的技术壁垒：

1. 高粘度：为了提高电池的能量密度，使用PVDF作为锂电粘结剂时需要较小的添加量，通常在1.5%至4%之间。

因此，锂电级PVDF需要具备较高的粘结力，即较高的分子量。例如，阿科玛的KynarHSV900分子量为100万，索尔维的Solef5130分子量在100-120万之间。

2. 分子量一致性：锂电级PVDF需要具备很高的分子量一致性，这就要求具备高精度反应釜和先进的反应过程控制技术。

在实际生产过程中，容易发生副反应导致产品分子量呈三段分布：

分子量小的易溶但性能不稳定；分子量大的难溶且大多只是溶胀，性能难以完全发挥；分子量合格的使用性能达标。

3. 高纯度：电池运行中杂质会干扰电化学反应，进而影响电池寿命。

4. 高柔韧性：生产过程中电池受到很多机械压力，因此需要电池弯曲后粘结剂保持粘结力而不致开裂。

以上就是关于PVDF的全部介绍，相信随着科技的不断进步，PVDF将在更多领域发挥重要作用。感谢大家的收看，我们下期再见！

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基于政策的大力扶持和企业自主创新的推动，我国的光伏和锂电产业在全球居于领先地位，实现从无到有、从有到强的跨越式发展。
随着技术的不断创新和市场需求的增长，这两个领域将继续引领能源科技的发展，为实现全球能源转型和碳中和目标做出重要贡献。
知道的越多，疑惑的越少，本系列我们要介绍的是一种在锂电和光伏领域备受瞩目的明星氟聚合物——PVDF。讲PVDF之前，让我们来了解一下什么是氟聚合物。

氟聚合物是指高分子聚合物中和C-C链相连接的氢原子全部或部分被氟原子所取代的一类聚合物。它们通常拥有其他聚合物所不具备的优良性能，因此被称为氟聚合物。

而氟树脂和氟橡胶由于具有很多相似之处，所以被统称为氟聚合物。接下来，我们要重点介绍的是聚偏氟乙烯（PVDF）。

PVDF是VDF的均聚物或少量改性单体和VDF的共聚物，属于可熔融加工氟树脂。它是市场规模仅次于PTFE的第二大氟树脂。

PVDF的推荐使用温度为-60℃至150℃，具有良好的抗化学腐蚀、抗水解、抗紫外线和耐气候性能。它的机械强度优于其他氟树脂，可燃性低，电绝缘性能好。

那么，PVDF是如何合成的呢？

PVDF由VDF聚合得到，聚合时可以加入共聚单体如HFP、CTFE、TFE以改性，通常是为了提高冲击强度和伸长率。

VDF生产PVDF的聚合是由自由基加成聚合，聚合方法有乳液聚合、悬浮聚合和溶液聚合。在工业化生产中，无论是VDF的均聚物还是以VDF为主体的共聚物，乳液聚合和悬浮聚合都占有绝对优势。

最后，让我们来看看PVDF的应用领域。根据加工工艺和用途的不同，PVDF可分为涂料级、注塑级、水处理级、隔膜级、光伏级和锂电级。

其中，涂料和注塑是传统的应用领域，而锂电和光伏则是其新兴领域需求。从2022年下游消费结构来看，锂电已成为国内PVDF的第一大应用领域。

它不仅在传统领域中有着广泛的应用，而且在锂电和光伏领域也展现出了巨大的潜力。下期我们让我们继续了解聚偏氟乙烯，感谢大家的收看，我们下期再见！