锂离子电池的电极构造精细且关键，主要由活性物质、粘结剂、导电剂和集流体等核心元素构成。尽管粘结剂和导电剂在成分中所占比例较低，但它们对电池性能的影响却不容小觑。粘结剂的核心功能在于将活性物质、导电剂等固体颗粒紧密结合成一个整体，并稳固地将电极涂层附着在集流体之上。

粘结剂的作用具体体现在：

• 确保机械稳定性，稳定正负极活性材料在充放电过程中的结构和体积变化，防止活性材料脱落，从而增强极片的循环稳定性；
• 降低电池内阻，与导电剂协同作用，构建导电网络，有效促进电极内部的电子传导；
• 优化电解液的润湿性能，通过吸附电解液，增强锂离子在电极与电解液界面间的传输效率。

对于锂电粘结剂的性能要求，主要体现在以下几个方面：

• 粘结性能：要求粘结剂具有出色的粘结性能、高抗拉强度、良好的柔韧性和较低的杨氏模量，以确保在电池生产、使用（存储、循环）过程中，活性材料不会在反复膨胀和收缩中从极片上脱落，电极微粒间的结合也不会被破坏；
• 化学稳定性和电化学稳定性：无论是在高电位（正极粘结剂）还是低电位（负极粘结剂）环境下，粘结剂都应保持其稳定性，不与活性材料、Li及其他物质发生副反应；
• 电解液相容性：要求粘结剂在电解液中保持形状、结构和性质的稳定，不溶于电解溶液或溶胀系数小，不与电解液发生化学反应；
• 加工性能：在浆料介质中应具有良好的分散性，有利于活性物质在集流体上的均匀粘结，为浆料、极片、电池的加工提供便利；
• 动力学性能：对电极中的电子、离子传导产生的负面影响应尽量小。

锂离子电池电极中常用的粘合剂种类繁多，包括PVDF、PTFE、聚（丙烯酸）（PAA）、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、聚环氧乙烷（PEO）、羧甲基纤维素钠（CMC）和藻酸盐（Alginate）等。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的禹习谦研究员团队对这些常用粘结剂的性能参数进行了深入研究与比较。

这些粘合剂的基本性能，如拉伸和压缩机械性能、粘合力以及热性能等，都已详细记录在表1、2、3和4中。其中，拉伸性能反映了电极对体积膨胀的抵抗能力，而压缩性能则展现了电极在受压时保持结构完整性的能力。

在深入对比评估这七种常见粘合剂的性能时，我们考量了它们的粘附力、拉伸强度、弹性、溶胀性、离子电导率、热稳定性以及氧化稳定性，如图1所示。

PVDF（聚偏二氟乙烯）在众多粘结剂中展现出了卓越的综合性能。作为一种关键聚合物，PVDF主要通过乳液或悬浮聚合技术，使用偏二氟乙烯单体、表面活性剂和引发剂进行大规模生产。其独特的分子结构，其中H原子部分被F原子取代，赋予了PVDF极高的化学、电化学和热稳定性。其电化学窗口宽达约5V，热分解温度高达400℃。此外，PVDF的分子结构有利于氢键的形成，通过范德华力和氢键与分子间聚合物链或粘附表面相互作用，确保了其出色的机械强度和粘合强度。与完全氟取代的聚四氟乙烯（PTFE）相比，PVDF不仅拉伸强度和粘附力更为优异，而且展现出良好的溶胀行为和结晶度，从而能在吸收电解质后提供优异的离子电导率。然而，对于超高质量负载电极（>20 mg/cm²）或面对电极体积的显著变化时，PVDF的粘结性可能稍显不足，这源于其较低的电子云密度和极化率导致的范德华力相互作用较弱。

PTFE（聚四氟乙烯），以其全氟化形式展现出极不平衡的性能。其独特的CF2-CF2单元赋予其无与伦比的化学稳定性，机械性能和氧化稳定性在众多粘结剂中名列前茅。然而，其粘附性和导电性相对较弱。PTFE的六方晶体结构使其链间内聚力较低，沿链轴滑动更为容易。因此，在剪切载荷下，PTFE晶体易于发生沿c轴的晶体滑移，形成高长径比的纳米纤维结构，进而构建三维网状结构，有效聚合活性材料和炭黑。这一特性使得PTFE在干法电极工艺中得到了广泛应用。

从机械性能角度看，PAA（聚丙烯酸）、CMC（羧甲基纤维素钠）和藻酸盐虽不及PVDF，但它们的水溶性和丰富的羧基或羟基有助于形成更强的粘附性。SBR（苯乙烯-丁二烯橡胶）以其高弹性著称，常与CMC混合使用以互补彼此的不足。CMC作为一种多元弱酸，能解离形成羧酸根阴离子功能团，与硅/碳等材料表面的羟基相互作用，形成理想的碳胶相网络。尽管CMC成本低、热稳定性好且环保，但其作为水性粘结剂时表现出较强的刚性和脆性，可能导致电极表面出现裂纹，甚至引发电极材料与集流体之间的缝隙。为解决这一问题，常采用SBR作为CMC的弹性添加剂，降低电极的脆性，提高电极对集流器的附着强度。PAA作为一种水溶性高分子聚合物，其丰富的羧酸基团使其与活性物质及铝箔形成强相互作用，成为电极潜在的高性能粘结剂。在电池循环过程中，PAA还有助于形成稳定的CEI（固体电解质界面），提高电池的循环稳定性。而PEO（聚环氧乙烷）则以其出色的离子导电性著称，但在高电压下的抗氧化性稍显不足。

**图1 粘结剂性能对比 **

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