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鋰離子電池生產(chǎn)配料基礎(chǔ)知識
發(fā)布時(shí)間:2017-10-09 來源:Bunkin 瀏覽次數(shù):417次

一、電極的組成:
1、正極組成:
a、鈷酸鋰:正極活性物質(zhì),鋰離子源,為電池提供鋰源。
b、導(dǎo)電劑:提高正極片的導(dǎo)電性,補(bǔ)償正極活性物質(zhì)的電子導(dǎo)電性。提高正極片的電解液的吸液量,增加反應(yīng)界面,減少極化。
c、PVDF粘合劑:將鈷酸鋰、導(dǎo)電劑和鋁箔或鋁網(wǎng)粘合在一起。
d、正極引線:由鋁箔或鋁帶制成。
2、負(fù)極組成:
a、石墨:負(fù)極活性物質(zhì),構(gòu)成負(fù)極反應(yīng)的主要物質(zhì);主要分為天然石墨和人造石墨兩大類。
b、導(dǎo)電劑:提高負(fù)極片的導(dǎo)電性,補(bǔ)償負(fù)極活性物質(zhì)的電子導(dǎo)電性。提高反應(yīng)深度及利用率。防止枝晶的產(chǎn)生。利用導(dǎo)電材料的吸液能力,提高反應(yīng)界面,減少極化。(可根據(jù)石墨粒度分布選擇加或不加)。
c、添加劑:降低不可逆反應(yīng),提高粘附力,提高漿料黏度,防止?jié){料沉淀。
d、水性粘合劑:將石墨、導(dǎo)電劑、添加劑和銅箔或銅網(wǎng)粘合在一起。
e、負(fù)極引線:由銅箔或鎳帶制成。
二、配料目的:
配料過程實(shí)際上是將漿料中的各種組成按標(biāo)準(zhǔn)比例混合在一起,調(diào)制成漿料,以利于均勻涂布,保證極片的一致性。配料大致包括五個(gè)過程,即:原料的預(yù)處理、摻和、浸濕、分散和絮凝。
配(一)、正極配料原理
1、原料的理化性能。
(1)鈷酸鋰:非極性物質(zhì),不規(guī)則形狀,粒徑D50一般為6-8μm,含水量≤0.2%,通常為堿性,PH值為10-11左右。
錳酸鋰:非極性物質(zhì),不規(guī)則形狀,粒徑D50一般為5-7μm,含水量≤0.2%,通常為弱堿性,PH值為8左右。
(2)導(dǎo)電劑:非極性物質(zhì),葡萄鏈狀物,含水量3-6%,吸油值~300,粒徑一般為2-5μm;主要有普通碳黑、超導(dǎo)碳黑、石墨乳等,在大批量應(yīng)用時(shí)一般選擇超導(dǎo)碳黑和石墨乳復(fù)配;通常為中性。
(3)PVDF(聚偏二氟乙烯)粘合劑:非極性物質(zhì),鏈狀物,分子量從300,000到3,000,000不等;吸水后分子量下降,粘性變差。
(4)NMP(N-甲基吡洛烷酮):弱極性液體,用來溶解/溶脹PVDF,同時(shí)用來稀釋漿料。
2、原料的預(yù)處理
(1)鈷酸鋰:脫水。一般用120℃常壓烘烤2小時(shí)左右。
(2)導(dǎo)電劑:脫水。一般用200℃常壓烘烤2小時(shí)左右。
(3)粘合劑:脫水。一般用120-140℃常壓烘烤2小時(shí)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(shè)施,直接使用。
3、原料的摻和:
(1)粘合劑的溶解(按標(biāo)準(zhǔn)濃度)及熱處理。
(2)鈷酸鋰和導(dǎo)電劑球磨:使粉料初步混合,鈷酸鋰和導(dǎo)電劑粘合在一起,提高團(tuán)聚作用和的導(dǎo)電性。配成漿料后不會單獨(dú)分布于粘合劑中,球磨時(shí)間一般為2小時(shí)左右;為避免混入雜質(zhì),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(shí)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(qiáng),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(qiáng),液體可以浸濕固體,將氣體擠出。
當(dāng)潤濕角≤90度,固體浸濕。
當(dāng)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(shí)間長,效果差,但不損傷材料的原有結(jié)構(gòu));
B、攪拌法;自轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)(時(shí)間短,效果佳,但有可能損傷個(gè)別材料的自身結(jié)構(gòu))。
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(tài),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(jié)構(gòu)和對設(shè)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(dǎo)致材料的浪費(fèi)和漿料沉淀的加重。
4、濃度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響。濃度越大,柔制強(qiáng)度越大,粘接強(qiáng)度越大;濃度越低,粘接強(qiáng)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,漿料流動性好、易分散。太熱漿料容易結(jié)皮,太冷漿料的流動性將大打折扣。
5、稀釋。將漿料調(diào)整為合適的濃度,便于涂布。
(二)、負(fù)極配料原理(大致與正極配料原理相同)
1、原料的理化性能。
(1)石墨:非極性物質(zhì),易被非極性物質(zhì)污染,易在非極性物質(zhì)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(tuán)聚。一般粒徑D50為20μm左右。顆粒形狀多樣且多不規(guī)則,主要有球形、片狀、纖維狀等。
(2)水性粘合劑(SBR:丁苯橡膠):小分子線性鏈狀乳液,極易溶于水和極性溶劑。
(3)防沉淀劑(CMC:羧甲基纖維素):高分子化合物,易溶于水和極性溶劑。
(4)異丙醇:弱極性物質(zhì),加入后可減小粘合劑溶液的極性,提高石墨和粘合劑溶液的相容性;具有強(qiáng)烈的消泡作用;易催化粘合劑網(wǎng)狀交鏈,提高粘結(jié)強(qiáng)度。
乙醇:弱極性物質(zhì),加入后可減小粘合劑溶液的極性,提高石墨和粘合劑溶液的相容性;具有強(qiáng)烈的消泡作用;易催化粘合劑線性交鏈,提高粘結(jié)強(qiáng)度(異丙醇和乙醇的作用從本質(zhì)上講是一樣的,大批量生產(chǎn)時(shí)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,改變漿料的流動性。
2、原料的預(yù)處理:
(1)石墨:A、混合,使原料均勻化,提高一致性。B、300~400℃常壓烘烤,除去表面油性物質(zhì),提高與水性粘合劑的相容能力,修圓石墨表面棱角(有些材料為保持表面特性,不允許烘烤,否則效能降低)。
(2)水性粘合劑:適當(dāng)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性不同,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(yīng)適當(dāng)降低攪拌濃度,提高分散性。
(4)分散過程為減少極性物與非極性物距離,提高勢能或表面能,所以為吸熱反應(yīng),攪拌時(shí)總體溫度有所下降。如條件允許應(yīng)該適當(dāng)升高攪拌溫度,使吸熱變得容易,同時(shí)提高流動性,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(jìn)固-液吸附,效果更佳,可采用博進(jìn)化機(jī)的真空高速分散機(jī)。
(6)分散原理、分散方法同正極配料中的相關(guān)內(nèi)容,在三、(一)、4中有詳細(xì)論述,在此不予詳細(xì)解釋。
4、稀釋。將漿料調(diào)整為合適的濃度,便于涂布。
四、配料注意事項(xiàng):
1、防止混入其它雜質(zhì);
2、防止?jié){料飛濺;
3、漿料的濃度(固含量)應(yīng)從高往低逐漸調(diào)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(shí)間擱置,以免沉淀或均勻性降低;
6、需烘烤的物料必須密封冷卻之后方可以加入,以免組分材料性質(zhì)變化;
7、攪拌時(shí)間的長短以設(shè)備性能、材料加入量為主;攪拌槳的使用以漿料分散難度進(jìn)行更換,無法更換的可將轉(zhuǎn)速由慢到快進(jìn)行調(diào)整,以免損傷設(shè)備;
8、出料前對漿料進(jìn)行過篩,除去大顆粒以防涂布時(shí)造成斷帶;
9、對配料人員要加強(qiáng)培訓(xùn),確保其掌握專業(yè)知識,以免釀成大禍;
10、配料的關(guān)鍵在于分散均勻,掌握該中心,其它方式可自行調(diào)整。

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