鋰離子電池生產配料基礎知識

基本介紹

• 中文名：鋰離子電池生產配料基礎知識
• 外文名：Basic knowledge of lithium ion battery production

電極的組成

正極組成

a、 鈷酸鋰：正極活性物質，鋰離子源，為電池提供鋰源。
b、 導電劑：提高正極片的導電性，補償正極活性物質的電子導電性。
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：由鋁箔或鋁帶製成。

負極組成

a、 石墨：負極活性物質，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：提高負極片的導電性，補償負極活性物質的電子導電性。
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，防止漿料沉澱。
d、 水性粘合劑：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：由銅箔或鎳帶製成。

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，調製成漿料，以利於均勻塗布，保證極片的一致性。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。

正極配料原理原料的理化性能

（1） 鈷酸鋰：非極性物質，不規則形狀，粒徑D50一般為6-8 μm，含水量≤0.2%，通常為鹼性，PH值為10-11左右。
錳酸鋰：非極性物質，不規則形狀，粒徑D50一般為5-7 μm，含水量≤0.2%，通常為弱鹼性，PH值為8左右。
（2） 導電劑：非極性物質，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，在大批量套用時一般選擇超導碳黑和石墨乳復配；通常為中性。
（3） PVDF（聚偏二氟乙烯）粘合劑：非極性物質，鏈狀物，分子量從300，000到3，000，000不等；吸水後分子量下降，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，同時用來稀釋漿料。

原料的預處理

（1） 鈷酸鋰：脫水。一般用120 ℃常壓烘烤2小時左右。
（2） 導電劑：脫水。一般用200 ℃常壓烘烤2小時左右。
（3） 粘合劑：脫水。一般用120-140 ℃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。使用乾燥分子篩脫水或採用特殊取料設施，直接使用。

原料的摻和料原理

（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性。配成漿料後不會單獨分布於粘合劑中，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。

乾粉的分散、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，液體粘合劑加入後，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、齒輪形用於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澱的加重。
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。高真空度有利於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。太熱漿料容易結皮，太冷漿料的流動性將大打折扣。

稀釋

將漿料調整為合適的濃度，便於塗布。

負極配料原理原料的理化性能

（1） 石墨：非極性物質，易被非極性物質污染，易在非極性物質中分散；不易吸水，也不易在水中分散。被污染的石墨，在水中分散後，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） 水性粘合劑（SBR：丁苯橡膠）：小分子線性鏈狀乳液，極易溶於水和極性溶劑。
（3） 防沉澱劑（CMC：羧甲基纖維素）：高分子化合物，易溶於水和極性溶劑。
（4） 異丙醇：弱極性物質，加入後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：弱極性物質，加入後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；具有強烈的消泡作用；易催化粘合劑線性交鏈，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後選擇添加哪種）。
（5）去離子水（或蒸餾水）：稀釋劑，酌量添加，改變漿料的流動性。

原料的預處理

（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，提高與水性粘合劑的相容能力，修圓石墨表面稜角（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：適當稀釋，提高分散能力。

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） 應適當降低攪拌濃度，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，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，前面有詳細論述，在此不予詳細解釋。

稀釋

將漿料調整為合適的濃度，便於塗布。

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，以免沉澱或均勻性降低；6、 需烘烤的物料必須密封冷卻之後方可以加入，以免組分材料性質變化；
7、 攪拌時間的長短以設備性能、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，除去大顆粒以防塗布時造成斷帶；
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、 配料的關鍵在於分散均勻，掌握該中心，其它方式可自行調整。

總論

隨著電池製程的日益透明，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；配料的基礎知識可以讓大家對配料的了解多一些，少走一些彎路；但水平有限，難免有疏漏之處，希望大家多多批評指正。也期望大家在工作中認真研究，真誠交流，大膽創新，團結起來，共同促進中國鋰離子電池生產水平的提高。