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锂电池浆料干法混料工艺简析

来源:【拓尔德TRD】 4001com登录入口:2024-08-15 分享 加入收藏 关注:212

锂离子电池是一个复杂的系统工程,电池性能好坏受到原材料,电池设计,制造设备与工艺,环境等众多因素影响,任何一点缺陷都可能导致电池产品的崩塌。因此,虽然现在关于锂电池的新材料,新设计,新工艺大量涌现,它们的产业化进程却很缓慢,锂电池并没有出现巨大的技术革新。


材料是锂电池的基础,而制造工艺也很重要。其中,混料工艺在锂离子电池的整个生产工艺中对产品的品质影响度大于30%,是整个生产工艺中最重要的环节。锂离子电池的电极制造中,正负极浆料基本上都是由活物质、聚合物粘结剂、导电剂等组成。电极浆料的混料工艺大概分为三种:(1)球磨工艺,最初来源于涂料行业;(2)湿法混料工艺,基本过程为溶胶-混合导电剂-混合活物质-稀释。这是目前国内的主流工艺。(3)干法混料工艺,基本过程为活物质、导电剂和黏结剂干粉混合-加入适量溶剂润湿-加入溶剂高速分散破碎-稀释调节粘度。对电池浆料的要求,第一是分散均匀性,如果浆料分散不均,有严重的团聚现象,电池的电化学性能受到影响;第二,浆料需要具有良好的沉降稳定性和流变特性,满足极片涂布工艺的要求,并得到厚度均一的涂层。


干法混料工艺的优点

最开始锂电池浆料的制造借鉴涂料行业,1999年时,韩国人就开始了研究投料顺序对浆料性质和电池性能的影响。他们采取如图1所示四种投料工艺进行混料,采用相同的材料和配方,仅仅改变投料顺序就能改变浆料的性质。浆料的混合程度取决于颗粒大小,粒度分布,形状,比表面积,颗粒的溶剂吸取率等,从搅拌开始到粘度稳定所需的时间和依次加入的材料的比表面积最相关。


方法1:活物质吸取液体不充分,导电剂的比表面积比活物质颗粒大很多,表面吸取了大量的液体,液体陷入导电剂中,不能轻易流动。

方法2:活物质比表面积小,更容易释放液体。导电剂后加入,开始吸取溶剂,粘度稳定时间更长。

方法3:活物质和导电剂同时吸取液体,润湿固体颗粒,此种方法吸取溶剂最充分,浆料分散性最好,因此,相同的固含量条件下浆料粘度最低。


研究结果发现采用第4种工艺的浆料粘度达到稳定的时间可接受,而且所制备的浆料粘度最低,如表1所示,分散性最好,而且半电池循环测试结果表明此工艺制备的电池循放电容量衰减最小。钱龙等人采用活物质、导电剂、粘结剂干粉预混合-超高粘度的搅拌工艺,所制备的浆料与传统湿法工艺相比,该工艺生产的负极浆料具有更好的性能,浆料黏度、颗粒度和固含量稳定性等均比流体分散工艺得到的浆料要好,制成的膜片电阻率较低,粘接力较高,制成的电芯容量保持率更高。超高粘度搅拌时,剪切力大能够更加充分分散颗粒细小容易团聚的导电剂,同时也更有利于粘结剂溶解和稳定,从而电池性能更优。


常规干法搅拌工艺中,在润湿步骤,溶剂量、搅拌转速和时间选择不合适很容易出现品质问题,而这又与原料的颗粒大小、尺寸分布、比表面积等关系密切,这些参数稍有变化,相应的溶剂量和搅拌工艺条件也需要作出调整。如果第一步加入溶剂量过多,颗粒团聚体不容易分散,出现浆料细度大、导电剂分布不均匀的品质问题。而如果第一步加入的溶剂过少,润湿搅拌作用力大,粘结剂也无法充分分散溶解或者出现粘结剂长链被破坏的情况,导致浆料粘度和稳定性出现问题。这可能是限制干法混料工艺广泛应用的关键问题。同样,高强度干粉分散混合,同样存在合适的工艺范围,在合适工艺范围内,极片和电池性能会提升,但是超出此范围,电池性能反而变差。


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