研究背景

全固態鋰電池因其高能量密度和安全性成為電動汽車電池的有力候選者。然而，聚合物粘結劑作為離子絕緣體，可能對復合正極中的電荷傳輸產生不利影響，從而影響電池的倍率性能。本研究旨在探討干法和濕法兩種制造方法對粘結劑分布和電荷傳輸的影響。

研究方法

Millennial Lithium

復合正極的制備

材料：
正極活性材料為單晶 NMC，固體電解質為 LPSCl，導電添加劑為 VGCF。濕法使用 NBR 作為粘結劑，干法使用 PTFE 作為粘結劑。

制備工藝：

濕法：將NBR 溶解于溶劑，與 NMC、LPSCl、VGCF 混合制成漿料，流延成膜后干燥。

干法：將 PTFE 與 NMC、LPSCl、VGCF 手工研磨混合，通過剪切滾壓形成片狀正極。

濕法與干法正極的光學、SEM 圖像及組分體積占比

濕法工藝：NBR粘結劑均勻覆蓋活性材料表面，增加了離子傳輸的曲折度。

干法工藝：PTFE形成纖維網絡，未完全覆蓋活性材料，有利于電荷傳輸。

濕法粘結劑均勻包覆導致離子傳導受阻，干法纖維網絡結構更有利于電荷傳輸。

粘結劑分布分析

Millennial Lithium

ToF-SIMS 光譜分析粘結劑特征信號

ToF-SIMS 工作原理示意圖：通過 Bi??離子束掃描表面，檢測 m/z 信號映射化學組分分布。

干法工藝中PTFE的負離子模式譜圖（F?信號，m/z=19）；濕法工藝中NBR的正離子模式譜圖（C?H??片段，m/z=41）。通過質譜信號確認粘結劑的化學分布特征。

ToF-SIMS 化學分布圖

干法工藝中PTFE的負離子模式映射，顯示纖維狀網絡分布。

濕法工藝中NBR的正離子模式映射，顯示均勻覆蓋分布。

進一步驗證了SEM觀察到的粘結劑分布模式。

電荷傳輸對比

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離子與電子電導率測量

離子電導率：干法正極的離子電導率在 30℃時為 6.9×10?? S/cm，是濕法正極（3.3×10?? S/cm）的 20 倍。濕法中粘結劑的均勻包覆顯著增加了離子傳輸的曲折度，而干法的纖維網絡結構減少了對離子路徑的阻礙。

電子電導率：干法正極的電子電導率為 4.6×10?2 S/cm，高于濕法正極的 3.0×10?3 S/cm。導電添加劑 VGCF 的存在增強了電子傳導，干法中粘結劑未過度包覆導電網絡，保持了更好的電子通路。

倍率性能對比

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全電池倍率性能與循環穩定性

倍率性能：
在 C/3 和 C/2 倍率下，干法電池的容量保持率分別為 89% 和 83%，而濕法電池僅為 68% 和 58%。干法更高的離子電導率使其在高倍率下仍能保持良好的電荷傳輸，容量衰減更慢。

循環穩定性：
干法電池在 C/3 倍率下循環 200 次后，容量保持率為 76%，顯示出良好的長期穩定性。

干法工藝通過形成纖維網絡狀的粘結劑分布，顯著提高了復合正極的離子和電子電導率，從而改善了電池的倍率性能和循環穩定性。濕法工藝中粘結劑的均勻覆蓋和溶劑的使用是導致性能下降的主要原因。隨著技術的不斷突破，全固態鋰電池有望在電動汽車和大規模儲能領域實現廣泛應用，推動能源轉型的加速發展。