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鋰電池配料的基礎知識

2018-11-12 16:03:00
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一、 電極的組成:  
1、 正極組成: 
a、 鈷酸鋰:正極活*物質,鋰離子源,為電池提高鋰源。 
b、 導電劑:提高正極片的導電*,補償正極活*物質的電子導電*。 
提高正極片的電解液的吸液量,增加反應界面,減少極化。 
c、 PVDF粘合劑:將鈷酸鋰、導電劑和鋁箔或鋁網粘合在一起。 
d、 正極引線:由鋁箔或鋁帶制成。 
2、 負極組成: 
a、 石墨:負極活*物質,構成負極反應的主要物質;主要分為天然石墨和人造 
石墨兩大類。 
b、 導電劑:提高負極片的導電*,補償負極活*物質的電子導電*。 
提高反應深度及利用率。 
防止枝晶的產生。 
利用導電材料的吸液能力,提高反應界面,減少極化。 
(可根據石墨粒度分布選擇加或不加)。 
c、 添加劑:降低不可逆反應,提高粘附力,提高漿料黏度,防止漿料沉淀。 
d、 水*粘合劑:將石墨、導電劑、添加劑和銅箔或銅網粘合在一起。 
e、 負極引線:由銅箔或鎳帶制成。 
二、 配料目的 : 
配料過程實際上是將漿料中的各種組成按標準比例混合在一起,調制成漿料,以利于均勻涂布,保證極片的一致*。配料大致包括五個過程,即:原料的預處理、摻和、浸濕、分散和絮凝。 
三、 配料原理: 
(一) 、正極配料原理 
1、 原料的理化*能。 
(1) 鈷酸鋰:非極*物質,不規則形狀,粒徑D50一般為6-8 μm,含水量≤0.2%,通常為堿*,PH值為10-11左右。 
錳酸鋰:非極*物質,不規則形狀,粒徑D50一般為5-7 μm,含水量≤0.2%,通常為弱堿*,PH值為8左右。 
(2) 導電劑:非極*物質,葡萄鏈狀物,含水量3-6%,吸油值~300,粒徑一般為 2-5 μm;主要有普通碳黑、超導碳黑、石墨乳等,在大批量應用時一般選擇超導碳黑和石墨乳復配;通常為中*。 
(3) PVDF粘合劑:非極*物質,鏈狀物,分子量從300,000到3,000,000不等;吸水后分子量下降,粘*變差。 
(4) NMP:弱極*液體,用來溶解/溶脹PVDF,同時用來稀釋漿料。 
2、 原料的預處理 
(1) 鈷酸鋰:脫水。一般用120 oC常壓烘烤2小時左右。 
(2) 導電劑:脫水。一般用200 oC常壓烘烤2小時左右。 
(3) 粘合劑:脫水。一般用120-140 oC常壓烘烤2小時左右,烘烤溫度視分子量的大小決定。 
(4) NMP:脫水。使用干燥分子篩脫水或采用特殊取料設施,直接使用。 
3、 原料的摻和: 
(1) 粘合劑的溶解(按標準濃度)及熱處理。 
(2) 鈷酸鋰和導電劑球磨:使粉料初步混合,鈷酸鋰和導電劑粘合在一起,提高團聚作用和的導電*。配成漿料后不會單獨分布于粘合劑中,球磨時間一般為2小時左右;為避免混入雜質,通常使用瑪瑙球作為球磨介子。 
4、 干粉的分散、浸濕: 
(1) 原理:固體粉末放置在空氣中,隨著時間的推移,將會吸附部分空氣在固體的表面上,液體粘合劑加入后,液體與氣體開始爭奪固體表面;如果固體與氣體吸附力比與液體的吸附力強,液體不能浸濕固體;如果固體與液體吸附力比與氣體的吸附力強,液體可以浸濕固體,將氣體擠出。 
當潤濕角≤90度,固體浸濕。 
當潤濕角>90度,固體不浸濕。 
正極材料中的所有組員都能被粘合劑溶液浸濕,所以正極粉料分散相對容易。 
(2) 分散方法對分散的影響: 
A、 靜置法(時間長,效果差,但不損傷材料的原有結構); 
B、 攪拌法;自轉或自轉加公轉(時間短,效果佳,但有可能損傷個別 
材料的自身結構)。 
1、攪拌槳對分散速度的影響。攪拌槳大致包括蛇形、蝶形、球形、槳形、齒輪形等。一般蛇形、蝶形、槳型攪拌槳用來對付分散難度大的材料或配料的初始階段;球形、齒輪形用于分散難度較低的狀態,效果佳。 
2、攪拌速度對分散速度的影響。一般說來攪拌速度越高,分散速度越快,但對材料自身結構和對設備的損傷就越大。 
3、濃度對分散速度的影響。通常情況下漿料濃度越小,分散速度越快,但太稀將導致材料的浪費和漿料沉淀的加重。 
4、濃度對粘結強度的影響。濃度越大,柔制強度越大,粘接強度 
越大;濃度越低,粘接強度越小。 
5、真空度對分散速度的影響。高真空度有利于材料縫隙和表面的氣體排出,降低液體吸附難度;材料在完全失重或重力減小的情況下分散均勻的難度將大大降低。 
6、溫度對分散速度的影響。適宜的溫度下,漿料流動*好、易分散。太熱漿料容易結皮,太冷漿料的流動*將大打折扣。 
5、 稀釋。將漿料調整為合適的濃度,便于涂布。 
(二)、負極配料原理(大致與正極配料原理相同) 
1、 原料的理化*能。 
(1) 石墨:非極*物質,易被非極*物質污染,易在非極*物質中分散;不易吸水,也不易在水中分散。被污染的石墨,在水中分散后,容易重新團聚。一般粒徑D50為20μm左右。顆粒形狀多樣且多不規則,主要有球形、片狀、纖維狀等。 
(2) 水*粘合劑(SBR):小分子線*鏈狀乳液,極易溶于水和極*溶劑。 
(3) 防沉淀劑(CMC):高分子化合物,易溶于水和極*溶劑。 
(4) 異丙醇:弱極*物質,加入后可減小粘合劑溶液的極*,提高石墨和粘合劑溶液的相容*;具有強烈的消泡作用;易催化粘合劑網狀交鏈,提高粘結強度。 
乙醇:弱極*物質,加入后可減小粘合劑溶液的極*,提高石墨和粘合劑溶液的相容*;具有強烈的消泡作用;易催化粘合劑線*交鏈,提高粘結強度(異丙醇和乙醇的作用從本質上講是一樣的,大批量生產時可考慮成本因素然后選擇添加哪種)。 
(5)去離子水(或蒸餾水):稀釋劑,酌量添加,改變漿料的流動*。 
2、 原料的預處理: 
(1) 石墨:A、混合,使原料均勻化,提高一致*。B、300~400℃常壓烘烤,除去表面油*物質,提高與水*粘合劑的相容能力,修圓石墨表面棱角(有些材料為保持表面特*,不允許烘烤,否則效能降低)。 
(2) 水*粘合劑:適當稀釋,提高分散能力。 
3、 摻和、浸濕和分散: 
(1) 石墨與粘合劑溶液極*不同,不易分散。 
(2) 可先用醇水溶液將石墨初步潤濕,再與粘合劑溶液混合。 
(3) 應適當降低攪拌濃度,提高分散*。 
(4) 分散過程為減少極*物與非極*物距離,提高勢能或表面能,所以為吸熱反應,攪拌時總體溫度有所下降。如條件允許應該適當升高攪拌溫度,使吸熱變得容易,同時提高流動*,降低分散難度。 
(5) 攪拌過程如加入真空脫氣過程,排除氣體,促進固-液吸附,效果更佳。 
(6) 分散原理、分散方法同正極配料中的相關內容,在三、(一)、4中有詳細論述,在此不予詳細解釋。 
4、 稀釋。將漿料調整為合適的濃度,便于涂布。 
四、 配料注意事項:  
1、 防止混入其它雜質; 
2、 防止漿料飛濺; 
3、 漿料的濃度(固含量)應從高往低逐漸調整,以免增加麻煩; 
4、 在攪拌的間歇過程中要注意刮邊和刮底,確保分散均勻; 
5、 漿料不宜長時間擱置,以免沉淀或均勻*降低; 
6、 需烘烤的物料必須密封冷卻之后方可以加入,以免組分材料*質變化; 
7、 攪拌時間的長短以設備*能、材料加入量為主;攪拌槳的使用以漿料分散難度進行更換,無法更換的可將轉速由慢到快進行調整,以免損傷設備; 
8、 出料前對漿料進行過篩,除去大顆粒以防涂布時造成斷帶; 
9、 對配料人員要加強培訓,確保其掌握專業知識,以免釀成大禍; 
10、 配料的關鍵在于分散均勻,掌握該中心,其它方式可自行調整。 

五、 總論:

隨著電池制程的日益透明,鋰離子電池生產廠家越來越將配料列為核心機密,因為從材料的挑選、處理到合理搭配包含了太多技術人員的心血,同樣的材料,有的廠家用起來特別順利,有的廠家就麻煩百出;有的廠家用中檔的材料可以做出高端的電池,而有的廠家卻使用最好的材料做成的電池慘不忍睹。

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