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班门弄氟之PVDF的秘密

革鑫纳米  · 公众号  ·  · 2017-09-07 00:42

正文

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在锂电池的应用中, PVDF 长期以辅料的身份出现,因此并没有得到电芯厂足够的重视。


PVDF ,英文全称 Poly(vinylidene fluoride) ,聚偏二氟乙烯,单元结构为 -CH2-CF2- 。分析单元结构,我们先从 HF 说起,或者先从 F 说起。氟,卤族元素,处于第二周期中,原子半径小,电负性强,具有强大的吸电子作用,成键能力极强。假设我们可以不科学的把 H F 拆散,中间加上双碳连接,就得到了 PVDF 的单元结构 -CH2-CF2- ,骨架 C 呈四面体结构(如下图所示)。该单元电子云仍然偏向 F 一端。这里会有两个形成氢键的可能,一个氢键是 H 与其他吸电子基团形成,另一个是 F 与其他供电子基团的H形成。这就是 PVDF 单元结构的化学性质。

PVDF ,我们买回来,拆开包裹,肉眼看到的是白色粉末, PVDF 是线状结晶性聚合物,存在非结晶区域。结晶链段并不能自由的活动,非晶区(或者准晶区)存在缺陷,可以自由活动。结晶涉及三个实际问题,极片的吸液能力、柔韧性以及粘结力。非晶区吸液能力强,所谓的溶胀主要在非晶区进行。我们知道极片在电解液中浸泡一段时间后,会出现掉料问题,说明溶胀溶解导致粘结能力弱。由于非结晶区域分子间作用力弱,因此柔韧性较好。

那么什么造成了结晶度的差异呢?

主要是链的对称性以及规整性,当然也有其他因素。 PVDF 有两种制备工艺,乳液法和悬浮法,乳液法采用高温环境,造成的 -CH2-CF2- 混序排列,头 - 头、头 - 尾混排,同时乳液法分子量分布更宽,因此造成乳液聚合法制备的 PVDF 较悬浮法制备的 PVDF 规整性减弱,结晶度低。结晶度低会造成吸液更好,但是在极片中,吸液主要靠粉体, PVDF 的吸液会造成附着力下降,再但是,由于有一些高分子量物质(分子量分布宽)的团聚,反而造成的粉体与极片附着力的提高。

这里讲到了附着力的测试,常用方法即 180 ° C 剥离。分散差的浆料制备的极片,由于 PVDF 分散不均会,随着剥离的位移增加,附着力有较大的波动,因此附着力的测试也可以表征极片分散的效果。通常在正极分散不好的情况下,我们在电镜中发现的颗粒呈火山口一样的形状,如果将粉体和箔材剥离,会发现火山口位置存留一个难以剥离的小点,这就是我们常见的正极麻点现象。

再讲一下改性,改性主要放在进阶中,这里简单介绍一下,改性引入极性基团,降低了亲油性,因此改性后的 PVDF 制备的浆料以及胶液,粘度都很低,但是PVDF的分散会更均匀,附着力也会更高。同时极性基团也能够捕捉 NMP 中的游离胺( NMP 的制备原料中导入甲胺,由于是可逆反应,该甲胺有助于提高 NMP 纯度,加入草酸同样是捕获甲胺),防止进攻 -CF2-CH2- 中的 H ,开头说了,由于 F 的强大吸电子作用,这个 H 极易受到攻击,发生消除反应形成不饱和双键,双键π - π * 跃迁使胶液显色,而且双键易于受攻击与周围 PVDF 发生交联反应,形成凝胶,就失效了。

初级的介绍先讲到这里。下面是讨论 PVDF 是否存在氧化现象。

三元材料满电高温存储掉料是由于正极表面氧化物沉积阻隔了PVDF的粘接,而不是PVDF被氧化失效。这里主要讲解为什么不是PVDF氧化失效。


首先通过HOMO(N/P比中讲过)计算,PVDF比EC负了一点,越负电子越稳定,不容易失去,所以被氧化的应该首先是EC。方便接触到gaussian的读者可以自己计算一下,为了避免版权纠纷,这里不上图了。另外循环伏安数据没有查到,也是一个重要的表征手段。


第二,参考了文献E. Markevich et al., Electrochemistry Communications 7(2005), 1289-1304。文献中对比了含PVDF的LCO粉体,浆料置于电解液后的Raman,得出结论Co溶解反应只发生在表面,体相不会发生,因为松弛的LCO与PVDF接触未发现Co溶解。在探讨PVDF在此间发挥的作用时提出了两种可能:1、PVDF的化学性质推动了反应,即参与反应;2、PVDF作为催化剂或提供反应环境。文中倾向催化提供反应活性的观点,提出LCO被还原后得到二价Co和Li2O,Li2O需要继续与HF(来自于LiPF6与水反应分解产物)反应得到最终产物LiF和H2O,因此HF是反应的一个推动力。而且最可能被还原的应为溶剂EC,并且已经明确的检测到CO2存在(碳酸脂类的氧化分解产物)。PVDF的作用是与电解液中痕量水/质子形成氢键从而局部提高了酸性物质的含量,从而催化了LCO分解。 编者:







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