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锂电池配料的基础知识

2018-11-12 16:03:00
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一、 电极的组成: 
1、 正极组成: 
a、 钴酸锂:正极活*物质,锂离子源,为电池提高锂源。 
b、 导电剂:提高正极片的导电*,补偿正极活*物质的电子导电*。 
提高正极片的电解液的吸液量,增加反应界面,减少极化。 
c、 PVDF粘合剂:将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。 
d、 正极引线:由铝箔或铝带制成。 
2、 负极组成: 
a、 石墨:负极活*物质,构成负极反应的主要物质;主要分为天然石墨和人造 
石墨两大类。 
b、 导电剂:提高负极片的导电*,补偿负极活*物质的电子导电*。 
提高反应深度及利用率。 
防止枝晶的产生。 
利用导电材料的吸液能力,提高反应界面,减少极化。 
(可根据石墨粒度分布选择加或不加)。 
c、 添加剂:降低不可逆反应,提高粘附力,提高浆料黏度,防止浆料沉淀。 
d、 水*粘合剂:将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。 
e、 负极引线:由铜箔或镍带制成。 
二、 配料目的: 
配料过程实际上是将浆料中的各种组成按标准比例混合在一起,调制成浆料,以利于均匀涂布,保证极片的一致*。配料大致包括五个过程,即:原料的预处理、掺和、浸湿、分散和絮凝。 
三、 配料原理: 
(一) 、正极配料原理 
1、 原料的理化*能。 
(1) 钴酸锂:非极*物质,不规则形状,粒径D50一般为6-8 μm,含水量≤0。2%,通常为碱*,PH值为10-11左右。 
锰酸锂:非极*物质,不规则形状,粒径D50一般为5-7 μm,含水量≤0.2%,通常为弱碱*,PH值为8左右。 
(2) 导电剂:非极*物质,葡萄链状物,含水量3-6%,吸油值~300,粒径一般为 2-5 μm;主要有普通碳黑、超导碳黑、石墨乳等,在大批量应用时一般选择超导碳黑和石墨乳复配;通常为中*。 
(3) PVDF粘合剂:非极*物质,链状物,分子量从300,000到3,000,000不等;吸水后分子量下降,粘*变差。 
(4) NMP:弱极*液体,用来溶解/溶胀PVDF,同时用来稀释浆料。 
2、 原料的预处理 
(1) 钴酸锂:脱水。一般用120 oC常压烘烤2小时左右。 
(2) 导电剂:脱水。一般用200 oC常压烘烤2小时左右。 
(3) 粘合剂:脱水。一般用120-140 oC常压烘烤2小时左右,烘烤温度视分子量的大小决定。 
(4) NMP:脱水。使用干燥分子筛脱水或采用特殊取料设施,直接使用。 
3、 原料的掺和: 
(1) 粘合剂的溶解(按标准浓度)及热处理。 
(2) 钴酸锂和导电剂球磨:使粉料初步混合,钴酸锂和导电剂粘合在一起,提高团聚作用和的导电*。配成浆料后不会单独分布于粘合剂中,球磨时间一般为2小时左右;为避免混入杂质,通常使用玛瑙球作为球磨介子。 
4、 干粉的分散、浸湿: 
(1) 原理:固体粉末放置在空气中,随着时间的推移,将会吸附部分空气在固体的表面上,液体粘合剂加入后,液体与气体开始争夺固体表面;如果固体与气体吸附力比与液体的吸附力强,液体不能浸湿固体;如果固体与液体吸附力比与气体的吸附力强,液体可以浸湿固体,将气体挤出。 
当润湿角≤90度,固体浸湿。 
当润湿角>90度,固体不浸湿。 
正极材料中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿,所以正极粉料分散相对容易。 
(2) 分散方法对分散的影响: 
A、 静置法(时间长,效果差,但不损伤材料的原有结构); 
B、 搅拌法;自转或自转加公转(时间短,效果佳,但有可能损伤个别 
材料的自身结构)。 
1、搅拌桨对分散速度的影响。搅拌桨大致包括蛇形、蝶形、球形、桨形、齿轮形等。一般蛇形、蝶形、桨型搅拌桨用来对付分散难度大的材料或配料的初始阶段;球形、齿轮形用于分散难度较低的状态,效果佳。 
2、搅拌速度对分散速度的影响。一般说来搅拌速度越高,分散速度越快,但对材料自身结构和对设备的损伤就越大。 
3、浓度对分散速度的影响。通常情况下浆料浓度越小,分散速度越快,但太稀将导致材料的浪费和浆料沉淀的加重。 
4、浓度对粘结强度的影响。浓度越大,柔制强度越大,粘接强度 
越大;浓度越低,粘接强度越小。 
5、真空度对分散速度的影响。高真空度有利于材料缝隙和表面的气体排出,降低液体吸附难度;材料在完全失重或重力减小的情况下分散均匀的难度将大大降低。 
6、温度对分散速度的影响。适宜的温度下,浆料流动*好、易分散。太热浆料容易结皮,太冷浆料的流动*将大打折扣。 
5、 稀释。将浆料调整为合适的浓度,便于涂布。 
(二)、负极配料原理(大致与正极配料原理相同) 
1、 原料的理化*能。 
(1) 石墨:非极*物质,易被非极*物质污染,易在非极*物质中分散;不易吸水,也不易在水中分散。被污染的石墨,在水中分散后,容易重新团聚。一般粒径D50为20μm左右。颗粒形状多样且多不规则,主要有球形、片状、纤维状等。 
(2) 水*粘合剂(SBR):小分子线*链状乳液,极易溶于水和极*溶剂。 
(3) 防沉淀剂(CMC):高分子化合物,易溶于水和极*溶剂。 
(4) 异丙醇:弱极*物质,加入后可减小粘合剂溶液的极*,提高石墨和粘合剂溶液的相容*;具有强烈的消泡作用;易催化粘合剂网状交链,提高粘结强度。 
乙醇:弱极*物质,加入后可减小粘合剂溶液的极*,提高石墨和粘合剂溶液的相容*;具有强烈的消泡作用;易催化粘合剂线*交链,提高粘结强度(异丙醇和乙醇的作用从本质上讲是一样的,大批量生产时可考虑成本因素然后选择添加哪种)。 
(5)去离子水(或蒸馏水):稀释剂,酌量添加,改变浆料的流动*。 
2、 原料的预处理: 
(1) 石墨:A、混合,使原料均匀化,提高一致*。B、300~400℃常压烘烤,除去表面油*物质,提高与水*粘合剂的相容能力,修圆石墨表面棱角(有些材料为保持表面特*,不允许烘烤,否则效能降低)。 
(2) 水*粘合剂:适当稀释,提高分散能力。 
3、 掺和、浸湿和分散: 
(1) 石墨与粘合剂溶液极*不同,不易分散。 
(2) 可先用醇水溶液将石墨初步润湿,再与粘合剂溶液混合。 
(3) 应适当降低搅拌浓度,提高分散*。 
(4) 分散过程为减少极*物与非极*物距离,提高势能或表面能,所以为吸热反应,搅拌时总体温度有所下降。如条件允许应该适当升高搅拌温度,使吸热变得容易,同时提高流动*,降低分散难度。 
(5) 搅拌过程如加入真空脱气过程,排除气体,促进固-液吸附,效果更佳。 
(6) 分散原理、分散方法同正极配料中的相关内容,在三、(一)、4中有详细论述,在此不予详细解释。 
4、 稀释。将浆料调整为合适的浓度,便于涂布。 
四、 配料注意事项: 
1、 防止混入其它杂质; 
2、 防止浆料飞溅; 
3、 浆料的浓度(固含量)应从高往低逐渐调整,以免增加麻烦; 
4、 在搅拌的间歇过程中要注意刮边和刮底,确保分散均匀; 
5、 浆料不宜长时间搁置,以免沉淀或均匀*降低; 
6、 需烘烤的物料必须密封冷却之后方可以加入,以免组分材料*质变化; 
7、 搅拌时间的长短以设备*能、材料加入量为主;搅拌桨的使用以浆料分散难度进行更换,无法更换的可将转速由慢到快进行调整,以免损伤设备; 
8、 出料前对浆料进行过筛,除去大颗粒以防涂布时造成断带; 
9、 对配料人员要加强培训,确保其掌握专业知识,以免酿成大祸; 
10、 配料的关键在于分散均匀,掌握该中心,其它方式可自行调整。 

五、 总论:

随着电池制程的日益透明,锂离子电池生产厂家越来越将配料列为核心机密,因为从材料的挑选、处理到合理搭配包含了太多技术人员的心血,同样的材料,有的厂家用起来特别顺利,有的厂家就麻烦百出;有的厂家用中档的材料可以做出高端的电池,而有的厂家却使用最好的材料做成的电池惨不忍睹。

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