羧甲基纖維素鈉是什么

　　羧甲基纖維素鈉，（又稱：羧甲基纖維素鈉鹽，羧甲基纖維素，CMC，Carboxymethyl ，Cellulose Sodium，Sodium salt of Caboxy Methyl Cellulose）是當今世界上使用范圍最廣、用量最大的纖維素種類。

　　簡稱CMC-Na，是葡萄糖聚合度為100~2000的纖維素衍生物，相對分子質量242.16。白色纖維狀或顆粒狀粉末。無臭，無味，無味，有吸濕性，不溶于有機溶劑。本文主要來了解一下羧甲基纖維素鈉在鋰離子電池中應用的進展詳情。

　　羧甲基纖維素鈉在鋰離子電池中應用的進展

　　目前，鋰離子電池生產普遍采用聚偏氟乙烯［PVDF，（CH：一CF：）］作為粘結劑…。PVDF不僅價格昂貴，在應用過程中還需要使用易爆、對環境不友好的有機溶劑，如N甲基毗咯烷酮（NMP），對生產工藝的空氣濕度要求嚴格，還容易與金屬鋰、嵌鋰石墨發生二次反應，特別是在高溫狀態下，有自發熱失控的風險_2J。水溶性的粘結劑羧甲基纖維素鈉（CMC）作為PVDF的替代品用于電極材料，可避免NMP的使用，降低成本，減少環境污染；同時，生產工藝對環境濕度沒有要求，還可提高電池的容量，延長循環壽命。本文作者綜述了CMC在鋰離子電池性能中所起的作用，從熱穩定性、導電性和電化學特性等方面，對CMC提升電池性能的機理進行總結。

　　1、CMC的結構和性能

　　1）CMC的結構

　　CMC一般按不同的取代度（Ds）分類，產品形貌和性能受Ds的影響很大。LXie等研究了具有不同H對Na的Ds的CMC，SEM分析結果表明：CMC-Li-1（DS=1．00）呈粒狀結構，CMC-Li-2（DS=0．62）呈線狀結構。M．He等研究證明：CMC．丁苯橡膠（SBR）有利于抑制Li：O的團聚，并能穩定界面結構，有利于電化學性能的發揮。

　　2）CMC的性能

　　熱穩定性

　　z．J．Han等研究了不同粘結劑的熱穩定性。PVDF的臨界溫度約為4500C；當達到500℃時，發生快速分解，質量減輕約70％；當溫度達600℃時，質量在此基礎上又減輕了70％。當溫度達到300oC時，CMC．Li發生快速的分解，質量減輕了70％，到400℃時，質量在此基礎上又減輕了10％。CMC—Li在電池壽命結束后，相對于PVDF更易于分解。

　　導電性

　　s．LChou等的測試結果表明：CMC—Li-1、CMC-Li-2和PVDF的電阻率分別為0．3154Mn·m、0．2634Mn。m和》20．0365Mn·m，說明PVDF的電阻率高于CMC—Li，CMC-Li的導電性優于PVDF，CMCLi．1的導電性要低于CMCLi．2。

　 ? 3) 電化學性能

　　F．M．Courtel等研究了使用不同粘結劑時，聚磺酸酯（AQ）基電極的循環伏安曲線。不同的粘結劑氧化和還原反應不同，因此峰值電位不同，其中，CMC—Li的氧化電位為2.15V，還原電位為2.55V；PVDF的氧化電位為2．605V，還原電位為1．950V。對比前兩次的循環伏安曲線可知，使用CMC—Li粘結劑時，氧化一還原峰的峰值電位差小于使用PVDF時，說明反應受到的阻礙更小，CMC—Li粘結劑更利于氧化還原反應的發生。

　　2、CMC的應用效果及機理

　　1）應用效果

　　P．j．Zuo等研究了以PVDF和CMC作為粘結劑時，Si／C復合材料的電化學性能，發現使用CMC的電池，首次可逆比容量可達700mAh／g，4O次循環后仍有597mAh／g，性能優于使用PVDF的電池。J．H．Lee等研究了CMC的Ds對石墨懸浮液穩定性的影響，認為懸浮液的流質由DS決定。在低DS時，CMC具有很強的疏水性能，在以水為媒介時可增加與石墨表面的反應；CMC在維持硅錫合金負極材料循環性能的穩定性方面也有優勢。用不同濃度（0．1moUL、0．3moL／L及0．5moL／L）CMC和PVDF粘結劑制備NiO電極，以0．1C的電流在1．5～3．5V充放電，在首次循環時，使用PVDF粘結劑的電池，容量高于使用CMC粘結劑的電池。當循環次數達到lO次后，使用PVDF粘結劑的電池放電容量明顯下降。循環4JD次后，0．1moVL、0．3moUL及0．5moVLPVDF粘結劑的電池，放電比容量分別下降至250mAh／g、157mAtv‘g和102mAh／g：0．1moL／L、0．3moL／L及0．5moL／LCMC粘結劑的電池，放電比容量分別保持在698mAh／g、555mAh／g和550mAh／g。

　　CMC粘結劑已用于LiTi0。：和SnO2納米顆粒的工業化生產中。以CMC為粘結劑，LiFePO4、Li4Ti50l2分別為正、負極活性材料，使用阻燃電解液PYR14FS1制備的電池，在溫下以0．1C的電流在1．5～3．5V循環150次，正極比容維持在140mAh／g。在CMC的各種金屬鹽類中，CMC—Li引入其他金屬離子，在循環時可以抑制電解液中的“交換反應㈦。

　　2）性能提升的機理

　　CMC—Li粘結劑可提高鋰電池中AQ基電極的電化學性能。M．He等-4對機理進行了初步研究，提出了AQ基電極內部CMC-Li分布情況的模型。CMC—Li的良好性能來自一OH產生的氫鍵的強連接作用，它有助于高效網狀結構的生成。親水的CMC．Li在有機電解液中不會溶解，因此在電池內部有很好的穩定性，對電極結構的粘結力較強，使得電池具有較好的穩定性。CMC．Li粘結劑具有較好的Li傳導性，原因是在CMC．Li分子鏈上有大量的官能團。放電時，與Li起作用的有效物質的來源有兩個：①電解液中的Li；②靠近有效物質有效中心的，CMC．Li分子鏈上的Li。

　　羧甲基CMC．Li粘結劑中的羥基和“之問反應會形成共價鍵；在電場力的作用下，u可在該分子鏈或鄰近分子鏈上進行傳遞，即分子鏈結構不會被破壞；最終，Lj會與AQ顆粒結合。這表明CMC—Li的應用不僅提高了Li的傳遞效率，也提高了AQ的利用率。分子鏈中的一cH：COOLi和一0Li含量越高，Li的傳遞越容易。M．Armand等認為，-COOH或一OH的有機化合物分別能夠與1個Li進行反應，并且在低電位情況下產生一C00Li或一0Li。為了進一步探討CMC—Li粘結劑在電極中的作用機理，將CMC．Li一1作為活性材料進行了研究，并且得到了類似的結論。Li與來自CMC—Li上的一cH，COOH和一0H反應，并分別生成了CH：COOLi和一0“，如式（1）和式（2）所示

　　隨著一cH，COOLi和一OLi數量的增加，CMC．Li的DS增加。這表明，主要由AQ顆粒表面粘結劑組成的有機層變得更穩定，更易于Li的傳遞。CMC—Li是一種可導電的聚合物，可為Li到達AQ顆粒表面提供傳輸途徑。CMC—Li粘結劑具有良好的電子、離子導電性，因此CMC—Li電極擁有良好的電化學性能和較長的循環壽命。J．S．Bridel等制備了使用不同粘結劑的硅／碳／聚合物復合材料的鋰離子電池負極，以研究硅與聚合物間的相互作用對電池整體性能的影響，發現CMC作為粘結劑時具有最好的性能。硅與CMC之間存在強烈的氫鍵作用，這種氫鍵具有自修復能力，可調節材料在循環過程中不斷增大的應力作用，保持材料結構的穩定。用CMC作為粘結劑的硅基負極，容量能夠在至少100次循環中保持在1000mAh／g以上，庫侖效率接近99．9％。

　　3、結論

　　CMC材料作為粘結劑，可用于天然石墨、中間相炭微球（MCMB）、鈦酸鋰、錫基硅基負極材料和磷酸鐵鋰正極材料等不同類型的電極材料中，可使電池容量、循環穩定性、循環壽命較使用PYDF時有所提升。這j導益于CMC材料具有較好的熱穩定性、導電性、電化學特性。CMC提升鋰離子電池性能的機理主要有兩個：

　　①CMC的粘結性能穩定，為獲得穩定的電池性能創造了必要的前提條件；

　　②CMC具有良好的電子、離子導電性，能夠促進Li的傳遞