SBR作為一種粘合劑，其主要功能是將石墨顆粒粘結(jié)在一起，形成堅固的負(fù)極材料。作為鋰離子電池的輔材之一，SBR雖然用量極少 (僅用于石墨負(fù)極材料的勻漿和涂布)，但是不可或缺的組成部分。在涂布過程中，SBR通過與石墨顆粒相互作用，使得石墨顆粒能夠均勻地分布在電極上，并且保持良好的粘結(jié)性。同時，SBR還能提供一定的彈性和柔韌性，使得電池在充放電過程中能夠更好地承受應(yīng)力和變形。然而，由于烘干速度和溶劑的揮發(fā)，SBR在涂布過程中會發(fā)生遷移。這種遷移導(dǎo)致SBR在電極上的分布狀態(tài)發(fā)生變化，從而影響到形成的漿料和極片的微觀結(jié)構(gòu)。如果SBR的遷移不均勻或不穩(wěn)定，可能會導(dǎo)致石墨顆粒聚集或分散不均勻，從而影響到電極的密實度和導(dǎo)電性能。
SBR使用不合理，會造成極片微觀結(jié)構(gòu)差異，影響石墨負(fù)極粘結(jié)性能，在輥壓時容易出現(xiàn)黏輥;影響石墨負(fù)極與銅箔之間的粘結(jié)性能，極片在電池充放電過程中容易極化，引起負(fù)極掉料降低電池的使用壽命。因此對SBR正確的認(rèn)識、分析SBR對鋰電池性能的影響，合理使用SBR對鋰離子電池有重要的意義。
1 SBR連接機(jī)理
首先了解一下SBR在漿料中如何才能起到黏接劑的作用。只有石墨和炭黑顆粒均勻分散在漿料和極片中，鋰離子電池才能表現(xiàn)出較好的性能。石墨和炭黑顆粒因為都是表面疏水性、非極性，沒有添加劑其在水中發(fā)生聚集不能分散。石墨負(fù)極與炭黑分散時以陰離子分散劑為主，以非離子分散劑為輔，可以取得穩(wěn)定的分散體系，一般負(fù)極石墨負(fù)極選用SBR和CMC兩者協(xié)同作為黏結(jié)劑，CMC稱為增稠劑，SBR稱為黏結(jié)劑。
選用SBR和CMC兩者協(xié)同作為黏結(jié)劑的原因：1)SBR黏結(jié)性雖然很強(qiáng)，但不能長時間高速攪拌。如果勻漿時加入SBR后再長時間的攪拌，SBR容易破乳，因其結(jié)構(gòu)遭到破壞而降低了黏結(jié)性，一般SBR選擇在攪拌后期加入低速攪拌，漿料配備后如果不能進(jìn)行涂布，需要低速攪拌代替靜置。另外SBR分散效果不好，過多的SBR會產(chǎn)生較大溶脹，所以不單獨用SBR作為黏結(jié)劑。
2)CMC對于負(fù)極石墨的分散能夠起到很好的作用。CMC在水溶液中會分解，其分解產(chǎn)物將在石墨表面吸附，吸附后石墨顆粒因靜電而相互排斥，達(dá)到很好分散效果。當(dāng) CMC的比例很高時，多出來CMC沒有吸附到石墨顆粒表面，這些CMC結(jié)合導(dǎo)致相互之間的引力大于吸附后石墨顆粒之間的斥力，形成的石墨顆粒團(tuán)聚。CMC呈脆性，如果黏結(jié)劑只用CMC配備石墨負(fù)極漿料，在后序制片過程中，輥壓時石墨負(fù)極會出現(xiàn)塌陷，分切時出現(xiàn)嚴(yán)重的掉粉。
3)勻漿工藝中CMC和SBR合理比例混合可以互相彌補(bǔ)缺陷，因而石墨負(fù)極漿料具有良好的涂布性能。CMC和SBR與石墨、炭黑之間的配比需要通過一系列的試驗數(shù)據(jù)，然后選擇優(yōu)化的配比方案。另外CMC和SBR混合的方式及攪拌工藝也對漿料性能產(chǎn)生影響，這些都需要時間過程中通過試驗數(shù)據(jù)摸索穩(wěn)定的工藝，其中SBR主要起黏結(jié)、CMC起增稠作用。不同的CMC/SBR/石墨/炭黑都需要優(yōu)化工藝來獲得最佳的漿料性能。
從電池負(fù)極的組成來看，石墨約用96份、SBR約用1.5～2.3份，但是石墨的比表面積是最小的，SBR膜覆蓋在石墨顆粒的表面，以及存在與石墨顆粒的中間，SBR之間形成連接網(wǎng)絡(luò)起到橋梁作用。同時SBR顆粒只有150nm左右單獨SBR顆粒沒有連接力，在漿料中只有很多SBR結(jié)合在一起形成SBR膜，才能形成連接力對石墨負(fù)極顆粒起到黏結(jié)的作用。SBR更多的連接是點對點的連接，把石墨與石墨中間、石墨和碳黑、石墨和銅箔聯(lián)結(jié)在一起。
2 SBR對石墨分散的影響
1)當(dāng)漿料里只有低含量的CMC沒有SBR時，石墨顆粒在勻漿過程成中團(tuán)聚而不能很好的分散。
2)加入CMC與石墨比例適中時，加入1.0%～4.5%的SBR到漿料里，由SBR吸附在石墨表面使石墨顆粒分散而漿料的黏度和模量都會降低。
3)當(dāng)CMC為0.7%～1.0%時漿料表現(xiàn)黏彈性，連續(xù)加入SBR也不會改變漿料的流變特性。SBR和CMC同時加入和先加CMC隨后加入SBR兩種混合方式進(jìn)行對比，結(jié)果表明，石墨在漿料分散中CMC起了主導(dǎo)作用，CMC優(yōu)先與石墨顆粒表面吸附。
總之，當(dāng)CMC添加量很低時，SBR加入會吸附在石墨顆粒表面，對石墨的分散有一定的影響;隨著CMC添加量的增加石墨表面的吸附量也增加，SBR就不能吸附在石墨表面，進(jìn)而對石墨的分散起不到作用;當(dāng)CMC達(dá)到一定量以后，多余的沒能吸附在石墨表面的CMC結(jié)合導(dǎo)致引力大于斥力，這樣會形成的石墨顆粒之間的團(tuán)聚。因此，在石墨負(fù)極漿料的分散中CMC起到了很關(guān)鍵的作用。
3 與SBR相關(guān)的黏輥
1)涂布工序時，極片烤箱溫度設(shè)置太高，負(fù)極片烘烤得相對較快，因溶劑蒸發(fā)過快導(dǎo)致SBR遷移大部分帶到極片表面，表面SBR濃度明顯增高，形成表面黏性大于銅箔與負(fù)極材料之間黏性的極片微觀結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致輥壓機(jī)形成黏輥，導(dǎo)致因為黏輥脫落的顆粒掉落在極片上?？梢酝ㄟ^我們調(diào)整涂布的烘干及抽風(fēng)頻率的設(shè)置，更好控制涂布機(jī)的運行抑制SBR遷移，優(yōu)化涂布烘烤干燥曲線。
2)SBR連接力不夠，漿料中SBR含量偏少，導(dǎo)致活性物質(zhì)之間黏結(jié)力不足，與箔片接結(jié)合力不足，當(dāng)輥壓時(與觸其它物質(zhì)接觸時)，有立刻脫離黏到其它物體上的趨勢。水性負(fù)極漿料的話可以考慮下CMC和SBR的比例，太少肯定黏不好，可以調(diào)整控制SBR的存儲膜量和黏彈性來改善黏輥性能。
3)在制漿時出現(xiàn)SBR漂藍(lán)上浮情況，涂布后會使SBR的濃度分布不均，活性物質(zhì)與箔材之間的黏接性變差，輥壓時就容易黏輥。主要措施：制漿后減少靜置時間，或可用低速攪拌代替靜置;通過不同工藝調(diào)整石墨-CMC-SBR攪拌方式及配比，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)選擇匹配的石墨-CMC-SBR工藝方案;也可選擇特殊改性的SBR，使其表面官能團(tuán)和CMC形成更好的相互作用，減少SBR漂藍(lán)的現(xiàn)象。
4 鋰電池干燥溫度對SBR的影響
鋰離子電池在制作過程中嚴(yán)格控制水分，提高電芯干燥溫度是降低水分的主要途徑。在電芯烘烤干燥過程中，黏結(jié)劑會高溫下受熱，不同性能的黏結(jié)劑可能會引發(fā)可交聯(lián)基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)的現(xiàn)象，從而影響電極性能。因此研究電芯干燥對黏結(jié)劑性能的影響也是十分重要的。
有試驗分析了水性黏結(jié)劑LA132和SBR的熱性能，溫度過高時LA132會發(fā)生分子間交聯(lián)，導(dǎo)致活性物質(zhì)同集流體的黏接性受到破壞電池循環(huán)性能變差，其干燥溫度不宜高120℃，而使用SBR的極片，性能幾乎不受干燥溫度的影響，SBR受熱不發(fā)生交聯(lián)，剝離強(qiáng)度都維持在3.5N/mm左右。
5 SBR對低溫性能產(chǎn)生的影響
低溫條件下鋰離子電池的阻抗RB、RSEI和RCT隨著溫度的下降都會上升，但是RCT的上升幅度最大。如果可以降低低溫條件下的RCT，就有可能提升電池的低溫性能。SBR的因素而減少低溫條件下電池RCT的增長幅度，SBR的應(yīng)用就能夠有效的提升電池的低溫特性。
充電過程中，SBR的膜覆蓋石墨一定的比表面積，鋰離子在傳輸過程中有效的嵌入石墨的方式是繞過SBR膜到達(dá)石墨表面。電解液是鋰電池中正負(fù)極之間鋰離子傳輸?shù)倪\動載體，電解液和SBR潤濕性能越好，越有利于鋰離子在界面之間的傳導(dǎo)。不同SBR與相同電解液潤濕是不同的。選用不同SBR的低溫電池放電數(shù)據(jù)顯示，潤濕性能好SBR的比一般SBR有4%的提升，而0℃下電池DCR比一般SBR低15%。雖然選用接觸比小的SBR提升電池性能幅度沒有其他途徑大，但是對于SBR來說，對電池性能影響是明顯的提高。
6 SBR對負(fù)極膨脹的影響
石墨負(fù)極極片經(jīng)常遇到掉料、厚度反彈大等問題。負(fù)極極片膨脹對電池的循環(huán)性能、內(nèi)阻等具有重要的影響，所以我們需要了解黏結(jié)劑SBR對負(fù)極極片膨脹的影響。負(fù)極極片的反彈主要與材料的物理性質(zhì)有關(guān)系，例如彈性模量、斷裂強(qiáng)度、延伸率等等。CMC在負(fù)極漿料中主要起到增稠的作用，SBR起到了較強(qiáng)的黏結(jié)作用，也正是因為 SBR的高彈性，在輥壓過程后，負(fù)極片會有較大程度的厚度反彈。SBR的彈性模量和強(qiáng)度越高，負(fù)極膨脹率越低。
試驗表明：負(fù)極膨脹與輥壓時所受壓力以及黏結(jié)劑彈性模量和強(qiáng)度有關(guān)。SBR含量相同，輥壓時所受壓力相同，SBR彈性模量和強(qiáng)度越高，負(fù)極膨脹率越低;SBR含量越少，輥壓時所受壓力越小，前期的物理擱置、滿電態(tài)和空電態(tài)的膨脹率就越小;負(fù)極膨脹導(dǎo)致電池卷芯變形，影響鋰離子傳輸通道，進(jìn)而對電池循環(huán)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
SBR的彈性模量影響極片的反彈，彈性模量越大極片厚度反彈越小。在電池材料選型時要優(yōu)先挑選彈性模量大、斷裂強(qiáng)度高的黏結(jié)劑，在材料配比調(diào)整過程中盡量降低SBR，這樣可以提高電池的循環(huán)壽命。
7 總結(jié)
綜上所述，鋰離子電池制造過程中漿料工序通過SBR優(yōu)化的設(shè)計，在特定條件改善SBR在極片中的微觀結(jié)構(gòu)，在壓實的過程中提升SBR的儲能膜量，通過這個來提升減緩SBR引起的黏輥。通過提升電解液對SBR的浸潤性提升電池的低溫性能。SBR合成工藝采用不同的手段，對SBR采用不同的合成單體，通過SBR表面的調(diào)整使SBR具有不同的性能，包括解耦、凝膠等方面都有調(diào)整，這樣不同的SBR會表現(xiàn)不同的對電解液的浸潤性，對提升鋰電池的低溫性能有一定的幫助。
SBR作為鋰離子電池中的輔材，在石墨負(fù)極材料的勻漿和涂布過程中發(fā)揮著重要的作用。然而，由于揮發(fā)速度溶劑的影響，SBR的遷移不均勻性可能會導(dǎo)致電池的微觀結(jié)構(gòu)和性能受到負(fù)面影響。為解決這一問題，優(yōu)化烘干速度和溶劑選擇，改進(jìn)SBR的配方和制備工藝都是潛在的解決方案。在鋰離子電池的制造過程中，準(zhǔn)確控制SBR的遷移情況非常重要。通過調(diào)整涂布工藝參數(shù)，例如烘干溫度、烘干時間和溶劑類型，可以優(yōu)化SBR的遷移行為，實現(xiàn)均勻分布在電極上，并形成理想的微觀結(jié)構(gòu)。這將有助于提高電池的性能和循環(huán)壽命，進(jìn)一步推動鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展。
文獻(xiàn)參考：孫仲振. SBR在鋰離子電池中的影響[J]. 云南化工, 2020, 47(9):3.
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