中國粉體網(wǎng)訊  粘結(jié)劑的黏附過程主要有兩個(gè)階段。首先，溶解的粘結(jié)劑擴(kuò)散、潤濕活性顆粒表面；然后，粘結(jié)劑通過干燥 (非反應(yīng)型粘結(jié)劑) 或聚合(反應(yīng)型粘結(jié)劑) 方式固化。粘結(jié)劑固化產(chǎn)生機(jī)械互鎖效應(yīng)或界面黏附作用。粘結(jié)劑在顆粒表面吸附后形成三種吸附層：邊界層、固化層和自由層。邊界層由粘結(jié)劑通過分子間作用力和化學(xué)鍵方式吸附顆粒形成的表面粘結(jié)劑層。自由層包覆在固化層表面，固化層力學(xué)強(qiáng)度高于自由層。固化層和自由層的性能主要由聚合物粘結(jié)劑本身特性決定。

鋰離子電池粘結(jié)劑粘結(jié)機(jī)理示意圖 

(a)電極制備過程中的擴(kuò)散/滲透過程；(b)干燥過程中形成機(jī)械互鎖；(c)界面結(jié)合力包括分子間力和化學(xué)鍵

來源：李澤珩. 鋰離子電池硅負(fù)極粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

目前粘結(jié)劑的工作機(jī)理主要可以分為浸潤理論、機(jī)械互鎖理論、吸附理論、擴(kuò)散理論、靜電理論和弱邊界層理論。這些理論都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有各自可以很好解釋的粘結(jié)現(xiàn)象，也有各自無法解釋的現(xiàn)象。在粘結(jié)過程中，這些理論是可以相輔相成，協(xié)同作用的。其中在鋰離子電池粘結(jié)劑中，浸潤理論、機(jī)械互鎖理論和吸附理論是被廣泛應(yīng)用于粘結(jié)劑和活性物質(zhì)之間的粘結(jié)進(jìn)行解釋的三種理論，也被認(rèn)為是三種最主要的理論。

從浸潤角度，希望粘結(jié)劑能夠完全浸潤活性物質(zhì)和導(dǎo)電添加劑表面，從而實(shí)現(xiàn)粘結(jié)劑與被粘物之間的緊密接觸，減小粘結(jié)界面上缺陷的產(chǎn)生。從機(jī)械互鎖角度而言，為了產(chǎn)生顯著的機(jī)械互鎖，需要增加電極材料的表面粗糙度和孔隙率，選擇合適的粘結(jié)系統(tǒng)，以及制備粘度適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑溶液，以確保有效地混合、分散。界面處的粘結(jié)強(qiáng)度會隨著材料表面粗糙度和孔隙率的增加而增大。從吸附理論的角度而言，如果粘結(jié)劑與活性物質(zhì)之間產(chǎn)生很強(qiáng)的相互作用，就更有利于粘結(jié)劑和活性物質(zhì)之間的牢固粘結(jié)，在充放電過程中更好的保持電極的完整性，從而有效的提升電極的循環(huán)壽命。

1.浸潤理論

為了達(dá)到較強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度，粘結(jié)劑與被粘結(jié)物之間緊密的分子接觸是必須的。即使是肉眼看起來非常光滑的固體表面，在微觀上都是凹凸不平的，要使粘結(jié)劑可以良好的匹配固體表面的形貌，在粘結(jié)過程中粘結(jié)劑必須是可流動(dòng)。為此，一般都會將粘結(jié)劑變成液體來使用，并且使其盡可能的浸潤固體表面，并取代存在與表面的空氣或者其他附著物。良好的浸潤可以獲得高強(qiáng)度的接頭；不良浸潤會在粘結(jié)界面處形成許多缺陷，在應(yīng)力作用下缺陷周圍區(qū)域容易發(fā)生應(yīng)力集中，使粘結(jié)強(qiáng)度大大下降。一般而言，液體粘度越小，接觸角越小，越有利于浸潤。

2.機(jī)械互鎖理論

機(jī)械互鎖理論認(rèn)為粘結(jié)力的產(chǎn)生主要是由于粘結(jié)劑與被粘結(jié)物表面形成了機(jī)械互鎖。如前所述，固體的微觀表面都是十分粗糙，凹凸不平的，有些表面還是多孔性的。粘結(jié)劑深入被粘物的凹凸不平的溝壑或孔隙中，并排除其界面上吸附的空氣，待粘結(jié)劑固化后就像許多小鉤子把粘結(jié)劑和被粘物連結(jié)在了一起。

3.吸附理論

吸附理論是進(jìn)一步將粘結(jié)界面擴(kuò)大至了分子尺度來看。吸附理論認(rèn)為，粘結(jié)是由粘結(jié)劑和被粘物分子間接觸和界面力所引起的，粘結(jié)劑和被粘物的具體性質(zhì)決定了可能存在的相互作用，包括共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵和范德華作用。

4.擴(kuò)散理論

擴(kuò)散理論認(rèn)為，粘結(jié)是由于粘結(jié)劑與被粘物界面上分子擴(kuò)散產(chǎn)生的。即擴(kuò)散在被粘物的界面上進(jìn)行，最后結(jié)果使得界面消失。當(dāng)粘結(jié)劑和被粘物都是能夠運(yùn)動(dòng)的長鏈大分子時(shí)，擴(kuò)散理論是適用的。例如，熱塑性塑料的熱焊接，然而該理論并不適合鋰離子電池粘結(jié)劑。

5.靜電理論

靜電理論又稱為雙電層理論，該理論認(rèn)為在粘結(jié)劑與被粘物接觸界面上形成了雙電層，粘結(jié)是由于靜電的相互吸引而產(chǎn)生的。然而，雙電層的靜電吸引力并不能產(chǎn)生足夠的粘結(jié)力，對站街的貢獻(xiàn)有限。

6.弱邊界層理論

弱邊界層是指妨礙粘結(jié)作用形成并使粘結(jié)強(qiáng)度降低的表面層，其來自粘結(jié)劑、被粘物和環(huán)境或者三者的任意組合。當(dāng)雜質(zhì)集中在粘結(jié)界面附近，并與被粘物結(jié)合不牢，在粘結(jié)劑和被粘物中都可能出現(xiàn)弱邊界層。該理論認(rèn)為，當(dāng)發(fā)生粘結(jié)破壞時(shí)，雖然看上去是發(fā)生了粘結(jié)劑和被粘物的界面破壞，但是實(shí)質(zhì)上是弱邊界層的破壞所導(dǎo)致的。

參考資料：

1.李澤珩. 鋰離子電池硅負(fù)極粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

2.趙桃林，等. 鋰離子電池硅基負(fù)極用粘結(jié)劑的設(shè)計(jì)改性進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初心）

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