通过加入PSSA改善正极材料LiFePO₄的分散均匀性

摘要本文研究了LiFePO4（磷酸铁锂）浆料的分散特定和其与PSSA（聚4-苯乙烯磺酸）联合制备的正极材料的电化学特性。通过Zeta电位和流变学的分析研究PSSA对LiFePO4和导电剂石墨和炭黑在水中分散行为的影响。结果表明PSSA吸附在LiFePO4和导电剂上使其在水分散体系中达到静电稳定状态。通过扫描电镜观察到随着PSSA的含量增加，在LiFePO4电极片上的一系列组分的均匀性和分散性更好。然而，过量添加PSSA对阴极的导电性和电容有影响。为了得到的电池性能建议根据LiFePO4的PSSA含量为2%wt。在本研究中，基于水相的LiFePO4分散性和电池性能是研究重点。根据我们之前的工作， PAA-NH4（铵的聚电解质聚丙烯酸）是一种用于Li2CoO3正极材料在水相中的高效分散剂。因此将其用在LiFePO4水相分散中，结果表明完全无效。因为实验中的LiFePO4表面有碳涂层和导电剂，水溶的PSSA作为炭材料的分散剂应用在LiFePO4体系中，添加PSSA用于LiFePO4电极材料的分散作用可通过Zeta电位和流变性能表征。此外，通过测量电极的电导率和可循环行表征LiFePO4电极的电化学性能。LiFePO4，KS6和Super-P的表面化学性质用电声法设备表征（ZetaProbe，美国Colloind Dynamic 公司.）。水分散悬浮液LiFePO4和KS6的固含量分别为5wt%和1wt%，Super-P通过在去离子水中不同pH条件下（添加HCl和NaOH）混合各种粉末分别添加和不添加PSSA。正极材料浆料的分散特性通过流变仪（AR1000，TA Instruments Ltd. U.K）来表征其流变行为。水相正极浆料中LiFePO4的固含量为40wt%并混合1.5wt%KS6，4.6wt%Super-P，1.7wt%PBA，3.9wt%SCMC，PSSA从0到4wt%梯度投加。所有添加组分含量均基于LiFePO4粉末的含量。浆料解聚并且通过球磨将Y2O3稳定剂ZrO2媒介下室温保存2-3天。结果与讨论在LiFePO4和导电剂，KS6和Super-P中加入分散剂PSSA的效果通过测量Zeta电位来表征，具体见图1。LiFePO4和KS6的等电点（IEP）分别为pH3.2和pH8.2，Super-P的等电点在现有的pH研究范围内并未出现。等电点情况下粉末表面净电荷为0并且容易团聚。LiFePO4的水相浆料包括所有正极材料在pH8左右趋于平缓。因此KS6在正极浆料中将团聚。尽管LiFePO4和Super-P的等电点与正极浆料的平衡点不接近，但其Zeta电位绝对值较低仍会使其在浆料中团聚。通过添加2wt%PSSA-投加量基于LiFePO4的质量和25%wt%基于KS6和Super-P的质量，LiFePO4，KS6和Super-P的Zeta电位向负极方向大范围移动。这说明一定有带有负电的材料吸附到粉末表面并且增加其负电荷密度。因为PSSA被称为聚电解质（其化学结构和解离状态如Scheme1a所示），粉末的Zeta电位负值变强是由于解离的PSSA（PSSA-）的吸附造成的。当两个颗粒靠近时，距离小于两倍吸附层厚度时，PSSA-在颗粒的表面科提供静电斥力，能够使颗粒颗粒很好的分散在液体中。（Scheme 1b）图1. LiFePO4的Zeta电位（a和d）,KS6（b和e）,Super-P（c和f）分别添加和未添加PSSA结论本研究首次证实了在LiFePO4正极材料中投加PSSA对其分散性和相应的电池性能有影响。基于Zeta电位的测试结果，PSSA-解聚后可吸附到LiFePO4和导电剂中使其在水相悬浮液中静电稳定。流变测量结果表明可通过添加PSSA增加正极材料的分散均匀性，但PSSA都加量过低会引起聚合物的桥接，进而引发团聚，可通过SEM观察电极片发现。评估LiFePO4正极的电化学特性中发现PSSA过量投加对导电性和能量容量有影响。因为PSSA添加量太少不足与让LiFePO4正极材料充分分散，过量添加对电性能有影响，因此PSSA的建议添加量为2wt%能够使其分散均匀并且有良好的电池性能。