锂离子电池浆料合浆工艺总结

锂离子电池浆料合浆工艺总结
本文主要从锂离子电池电极浆料的分散机理、合浆参数和评价方法三个方面对合浆工艺进行了概括和总结。
1 分散机理
锂离子电池浆料是由活性物质、导电剂及粘结剂等在溶剂中混合分散均匀组成的,涉及较为复杂的作用力和分散机理。
1.1 团聚与分散的关系
颗粒在液体介质中表现为分散和团聚两种行为。颗粒被浸入液体介质时,一种情况是颗粒之间发生团聚行为,形成团聚体,使单个颗粒“长大”成为二次颗粒,这种颗粒间互相粘附,连接成聚集体的状态称为团聚;另一种情况是颗粒之间互相排斥,颗粒彼此之间互不相干,能在液体介质中自由运动,形成稳定分散的悬浮液。
颗粒在液体介质中的团聚是吸附与排斥共同作用的结果,其根源是颗粒间的相互作用力。在液体介质中,粉体颗粒受力情况较复杂,不仅有像范德华力、静电力、表面张力、毛细管力等产生团聚的吸引力,而且在颗粒的表面,还会产
生双电层静电作用、溶剂化膜作用、聚合物吸附层的空间保护作用等使纳米颗粒趋向于分散的斥力作用。如果吸附作用大于排斥作用,粉体颗粒团聚;如果吸附作用小于排斥作用,粉体颗粒则分散。团聚体的破碎主要依靠颗粒- 颗粒相互作用、浆料溶剂-颗粒相互作用以及最主要的剪切力。在合浆过程会产生强大的摩擦、撞击和剪切作用,团聚体即被破碎、分散。
1.2 稳定分散过程
固体颗粒在液相中的稳定分散就是使颗粒在悬浮液中
均匀分离散开的过程,主要包括润湿、机械分散和分散稳定三个过程。颗粒的润湿过程是液相与气相争夺颗粒表面的过程,即颗粒与气相之间的界面被颗粒与溶剂、分散剂等之间的界面所取代的过程;机械分散是利用剪切力将大量颗粒细化,使团聚体解聚、被溶剂润湿、包裹吸附的过程;分散稳定是在静电斥力或空间位阻作用下,使颗粒不再聚集的过程。
1.3 浆料稳定性理论
锂电池浆料是由多种具有不同密度、不同粒度的原料组成的悬浮液体系。不稳定的悬浮液在静止状态下发生絮凝,并由于重力作用而很快分层。分散的目的就是要在产品的有
效期内抗絮凝、防止分层,维持悬浮颗粒的均匀分布,提高产品的稳定性。
2 合浆参数
锂离子电池浆料要求具有良好的均匀分散性和稳定性,其中影响合浆品质的因素主要有搅拌速度、温度、真空度、固含量、合浆工序以及表面活性剂等。
2.1 搅拌速度、温度和真空度
球磨搅拌、流体剪切搅拌和超声波搅拌是制备锂离子电池浆料的主要方式。机械推力、粒子间的碰撞和剪切力决定团聚体的破裂程度,充分有效的剪切力才能获得较高程度的团聚体破裂。因此,搅拌速度越高,分散速度越快。但较高的搅拌速度对材料颗粒结构和设备的损伤也较大。
除搅拌速度外,温度和真空度等环境因素对浆料品质也具有重要影响。适宜的温度下,浆料流动性好、易分散;反之,温度过高时浆料容易结皮,温度过低时浆料的流动性将大打折扣。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。
2.2 固含量
合浆时通常选用一个较高的固含量,主要基于以下优点:(1)高固含量有助于提高搅拌效率。物料之间可产生足够大的摩擦力,促进团聚体出现挤压破碎、利于分散,且浆料稳定性好;(2)高固含量有助于提高
涂布效率,浆料中溶剂较少,涂布干燥效率高,节省时间
固含量过高也存在一些不利影响:(1)对设备的损耗较高;
(2)浆料的粘度较大,浆料流动性差,这非常考验涂布工序的设备和技术人员,所以搅拌后期,经常加入溶剂调节到合适的固含量和粘度。
2.3 合浆工序
在合浆工艺中,材料的挑选、处理、合理搭配、物质配比及浆料制备步骤等对电池性能都具有至关重要的作用。其中,合浆工序,即电极材料、导电剂、粘结剂和溶剂的加入比例和顺序直接影响电池性能,是制浆工艺中最关键的一步。
有试验研究发现,相比于一步合浆工艺,采取分次加入NMP的多步合浆工艺制备的钴酸锂极片,表现出更优异的倍率性能(,一步合浆工艺将NMP一次性加入,多步合浆工艺
则以多次加入NMP的方式进行,4次添加的NMP比例分别
为40%、20%、20%和20%)。
扫描电镜测试结果对此给出了解释:一步法合浆工艺制备的极片中存在很多导电剂和活性材料的团聚体,分散均匀性差;而多步合浆工艺制备的极片颗粒接触更加紧密,导电剂、活性材料均匀分散、混合的状态更好,因此保证了电池更优的电化学性能。
有试验研究发现,合浆工艺对极片的电导率和粘结剂分布具有重要影响;电极活性材料的形貌和粒径对浆料乃至极片性能具有重要影响。对于具有不同形貌和粒径的电极活性材料,最佳合浆工艺也不尽相同。
大立方体颗粒更适合采用多步合浆工艺1,此时电极具有更高的电导率和粘结性。小立方体颗粒适合用两步合浆工艺,球状大颗粒采用“全部电极活性材料&50%炭黑—50%炭黑--全部粘结剂”多步合浆工艺2时极片性能最优。粘结剂分散指数方面,导电性界面面积指数越小,极片导电性越差;粘结剂分散指数越小,粘结剂分散越均匀。
2.4 表面活性剂

本文发布于:2024-09-20 14:52:27,感谢您对本站的认可!

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