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，CelluloseSodium，SodiumsaltofCaboxyMethylCellulose）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(zhì)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。

目前，鋰離子電池生產(chǎn)普遍采用聚偏氟乙烯［pVDF，（CH：一CF：）］作為粘結(jié)劑…。pVDF不僅價格昂貴，在應用過程中還需要使用易爆、對環(huán)境不友好的有機溶劑，如N甲基毗咯烷酮（NMp），對生產(chǎn)工藝的空氣濕度要求嚴格，還容易與金屬鋰、嵌鋰石墨發(fā)生二次反應，特別是在高溫狀態(tài)下，有自發(fā)熱失控的風險_2J。水溶性的粘結(jié)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(huán)境污染；同時，生產(chǎn)工藝對環(huán)境濕度沒有要求，還可提高電池的容量，延長循環(huán)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(wěn)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(jié)。

1）CMC的結(jié)構(gòu)

CMC一般按不同的取代度（Ds）分類，產(chǎn)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(jié)果表明：CMC-Li-1（DS=1．00）呈粒狀結(jié)構(gòu)，CMC-Li-2（DS=0．62）呈線狀結(jié)構(gòu)。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(wěn)定界面結(jié)構(gòu)，有利于電化學性能的發(fā)揮。

2）CMC的性能

熱穩(wěn)定性

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

導電性

s．LChou等的測試結(jié)果表明：CMCLi-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CMCLi，CMC-Li的導電性優(yōu)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(jié)劑時，聚磺酸酯（AQ）基電極的循環(huán)伏安曲線。不同的粘結(jié)劑氧化和還原反應不同，因此峰值電位不同，其中，CMCLi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(huán)伏安曲線可知，使用CMCLi粘結(jié)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，CMCLi粘結(jié)劑更利于氧化還原反應的發(fā)生。

1）應用效果

p．j．Zuo等研究了以pVDF和CMC作為粘結(jié)劑時，Si／C復合材料的電化學性能，發(fā)現(xiàn)使用CMC的電池，首次可逆比容量可達700mAh／g，4O次循環(huán)后仍有597mAh／g，性能優(yōu)于使用pVDF的電池。J．H．Lee等研究了CMC的Ds對石墨懸浮液穩(wěn)定性的影響，認為懸浮液的流質(zhì)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(huán)性能的穩(wěn)定性方面也有優(yōu)勢。用不同濃度（0．1moUL、0．3moL／L及0．5moL／L）CMC和pVDF粘結(jié)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(huán)時，使用pVDF粘結(jié)劑的電池，容量高于使用CMC粘結(jié)劑的電池。當循環(huán)次數(shù)達到lO次后，使用pVDF粘結(jié)劑的電池放電容量明顯下降。循環(huán)4JD次后，0．1moVL、0．3moUL及0．5moVLpVDF粘結(jié)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(jié)劑的電池，放電比容量分別保持在698mAh／g、555mAh／g和550mAh／g。

CMC粘結(jié)劑已用于LiTI0。：和SnO2納米顆粒的工業(yè)化生產(chǎn)中。以CMC為粘結(jié)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(huán)150次，正極比容維持在140mAh／g。在CMC的各種金屬鹽類中，CMCLi引入其他金屬離子，在循環(huán)時可以抑制電解液中的“交換反應㈦。

2）性能提升的機理

CMCLi粘結(jié)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(nèi)部CMC-Li分布情況的模型。CMCLi的良好性能來自一OH產(chǎn)生的氫鍵的強連接作用，它有助于高效網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(nèi)部有很好的穩(wěn)定性，對電極結(jié)構(gòu)的粘結(jié)力較強，使得電池具有較好的穩(wěn)定性。CMC．Li粘結(jié)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(zhì)的來源有兩個：①電解液中的Li；②靠近有效物質(zhì)有效中心的，CMC．Li分子鏈上的Li。

羧甲基CMC．Li粘結(jié)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(jié)構(gòu)不會被破壞；最終，Lj會與AQ顆粒結(jié)合。這表明CMCLi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(chǎn)生一C00Li或一0Li。為了進一步探討CMCLi粘結(jié)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(jié)論。Li與來自CMCLi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(shù)量的增加，CMC．Li的DS增加。這表明，主要由AQ顆粒表面粘結(jié)劑組成的有機層變得更穩(wěn)定，更易于Li的傳遞。CMCLi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。CMCLi粘結(jié)劑具有良好的電子、離子導電性，因此CMCLi電極擁有良好的電化學性能和較長的循環(huán)壽命。J．S．Bridel等制備了使用不同粘結(jié)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(fā)現(xiàn)CMC作為粘結(jié)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(diào)節(jié)材料在循環(huán)過程中不斷增大的應力作用，保持材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。用CMC作為粘結(jié)劑的硅基負極，容量能夠在至少100次循環(huán)中保持在1000mAh／g以上，庫侖效率接近99．9％。

CMC材料作為粘結(jié)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(huán)穩(wěn)定性、循環(huán)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(wěn)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(jié)性能穩(wěn)定，為獲得穩(wěn)定的電池性能創(chuàng)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