NMP材料浓度对磷酸铁锂电池性能的影响

王萍;王菲;崔莉

【摘 要】采用水性粘结剂LA132制备N-甲基吡咯烷酮(NMP).磷酸铁锂(LiFePO4)电池正极片添加NMP的含量分别为0、1％、2％和3％(质量分数),测试并分析NMP的添加量对正极片粘附力、柔韧性和电化学性能的影响.结果 表明:添加NMP可以提高正极片的粘附力,增加成膜后极片的柔韧性;当NMP添加量小于1％时,正极片充放电特性和放电比容量不受影响,电池循环容量降低9％. 【期刊名称】《电源技术》 【年(卷),期】2018(042)012 【总页数】3页(P1799-1801)

【关键词】N-甲基吡咯烷酮;LiFePO4;充放电 【作 者】王萍;王菲;崔莉

【作者单位】唐山职业技术学院,河北唐山063000;唐山职业技术学院,河北唐山063000;河北科技师范学院,河北秦皇岛066004 【正文语种】中 文 【中图分类】TM912

磷酸铁锂(LiFePO4)正极材料油系体系合浆常以N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚矾和二甲基甲酞胺等强极性有机化合物为溶剂，存有溶剂难回收、用量大和污染环境等问题。LiFePO4正极材料水系体系合浆以去离子水为溶剂，对环境友好，

成本低廉，但是水性粘结剂正极片存在柔韧性差、活性物质粘附力弱和电化学性能较差等问题 [1]。本文制备了不同NMP添加量的正极片，研究NMP对采用水系粘结剂LA132制备的正极片性能的影响。 1 实验

将水系粘结剂LA132、超导炭黑、去离子水和LiFePO4按质量比

2.5∶2.5∶50∶40配置成浆料，取4份浆料分别向其添加0、1%、2%、3%的NMP，编号依次为A、B、C和D。将正极片辊压压实，在100℃真空下除去水分和NMP干燥24 h，制成活性物质含量95%的正极片，将其切成直径20 mm的圆片。在充满干燥氩气的手套箱中，以金属锂片为负极，1 mol/L

LiPF6/(EC+DEC+DMC)(体积比为1∶1∶1)为电解液，微孔聚丙烯薄膜为隔膜，组装CR2016型扣式电池。

首先将A～D极片进行180°弯折，然后在6104型拉力试验机上对极片进行粘附力测试，并在TX116型韧性测试仪上对极片行韧性测试，轴棒的直径分别为 1、2、3、4、6、8、10 mm，观察卷绕后极片的表面是否有裂纹。电池的充放电测试在TT1136型测试仪上进行，测试电流密度为0.1C，测试电压为2.5～3.5 V。 2 结果与讨论

图1 粘附力与NMP添加量的关系

图1为LiFePO4极片180°弯折粘附力测试图，观察图1可发现，极片的粘附力由于NMP的加入得到显著提高，且极片粘附力提高与NMP的添加量成正比。粘附力是范德华力的一种，取决于分子之间的作用力[2]。LiFePO4极片的制作过程中，极片难免会接触空气中的氧气，在升温过程中，受热的极片与氧气反应，形成酸性基团。酸性基团缺电子，会与水性粘结剂中的(-CN)形成分子间作用力弱的氢键，改变浆料的触变性，降低流动性，导致浆料涂布不均。加入NMP后，会将极片上的酸性基团中和，可以降低极片表面电子的损失，阻止浆料发生触变，增加粘结剂

与集流体的附着力，使正极浆料分散均匀、流动性提高，从而提高可浆料和极片的利用率。因此，加入富电子类溶剂NMP可以改善电池的性能。

表1所示为4种极片柔韧性测试的结果。观察图1可发现，直径6 mm卷绕针测试A正极时出现表面裂纹，进行直径1 mm卷绕针测试时，极片B～D并未出现表面裂纹。由此看出，柔韧性最差的为纯水系正极片，在制备时容易出现裂纹、破损和撕裂等问题。加入NMP可以改善极片的柔韧性，提高极片的利用率 [3]。LA132粘结剂中的乳胶粒子是强极性聚合物，分子间作用力强，扭曲能力差，极片易断裂。随着NMP的添加，LA132粘结剂中的乳胶粒子直径随之增加，扭曲能力增大、分子链转动能力降低，极片的柔韧性增强。

表1 极片柔韧性与NMP添加量的关系编号 D 1 0 D 8 D 6 D 4 D 3 D 2 D 1 A 无柔性 有柔性 有柔性 有柔性 有柔性 有柔性 有柔性B 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性C 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性D 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性 无柔性

表2所示为极片的电化学性能测试结果。首次放电比容量、充放电效率、放电中值电压和恒流比的数值也基本相同。这说明添加NMP对正极片的正极活性物质的放电容量和充放电特性没有影响。

表2 极片的电化学性能充放电效率/%A 1 5 7.0 9 7.9 3.3 8 4 9 9.3放电中值电压/V 恒流比/%B 1 5 7.1 9 8.1 3.3 8 6 9 9.4 C 1 5 6.9 9 8.0 3.3 8 5 9 9.4 D 1 5 7.0 9 7.9 3.3 8 5 9 9.3

图2～图4所示为四种极片的恒流比、倍率放电比容量、放电中值电压与NMP添加量的关系。观察图2可发现，测试条件相同时，4种电池的充电恒流比都在98.2%以上。观察图3、图4可发现，同一个电极片的放电比容量和中值电压，随放电倍率的增加不断衰减。极片A和B的放电比容量和中值电压，在不同放电倍率时基本相等[4]。随着放电倍率的增加，极片C和极片D的中值电压和放电比容

量逐渐增大，由此看出，当添加不高于1%的NMP时，电池的倍率放电性能不会受到影响；当添加高于1%的NMP时，NMP会影响正极的放电比容量和中值电压。

图2 恒流比与NMP添加量的关系 图3 放电比容量与NMP添加量的关系 图4 中值电压与NMP添加量的关系

图5所示为4种电池的循环性能曲线，观察图5可发现，刚开始进行充放电循环时，极片A和极片B的容量衰减趋势相近，极片C与极片D的容量衰减趋势相近，而极片C和极片D的衰减速度较大。随着循环的继续进行，极片A、C和D的衰减加速，极片B衰减速度基本不变，最终电池容量保持率为极片D＜C＜A＜B。这说明当NMP添加量小于1%时有利于提高电池的循环特性[5]，当NMP添加量大于1%后电池的循环特性会受到影响。 图5 不同NMP添加量电池的循环特性曲线 3 结论

通过添加NMP可以提高正极片的粘附力，且粘附力随NMP的添加量增大逐渐增强。加入NMP后，会将极片上的酸性基团中和，可以降低极片表面电子的损失，阻止浆料发生触变，增加粘结剂与集流体的附着力，使正极浆料分散均匀、流动性提高，从而提高浆料和极片的利用率。NMP添加量小于1%时，不会影响电池的倍率放电性能，并能提高电池的循环特性，但当NMP添加量大于1%时，NMP会影响正极片的放电比容量和中值电压，并降低电池的循环特性。 参考文献:

【相关文献】

[1] 江茉，王维坤，王安邦，等.粘合剂对于锂-硫电池正极性能的影响[J].电源技术，2016(3)：554-557.

[2] 石钟琪，黄明，杨克润，等.LA132的pH值对锂离子电池性能的影响[J].电源技术，2011(12)：1487-1489.

[3] 周建银.水性粘合剂LA132在钴酸锂正极材料中的应用研究[J].新材料产业，2009(3)：19-21. [4] 李胜英，孙文仙.磷酸铁锂正极浆料稳定性研究[J].河池学院学报，2013(5)：86-92.

[5] 邢宇，李晶晶，刘振新，等.中间体法合成磷酸铁锂正极材料：锂量与锂源的影响[J].化工新型材料，2015(6)：111-113.