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【易鸿智能•技术π】结合生产制造谈锂电池浆料性质(上)

原标题:【易鸿智能•技术π】结合生产制造谈锂电池浆料性质(上)

编者按

日本电池界普遍认为电池的质量有70%与极片品质相关,而极片的质量有70%与浆料的品质相关,可见锂电池浆料的制作是多么核心的工作。

锂离子电池的生产制造步骤较为繁琐,且每一个工艺步骤都紧密相关,需要考虑整个工艺流程的连续性、稳定性、一致性和可加工性等等。就现行的锂离子电池生产过程来说,锂电池的生产主要包括极片制造工艺、电池组装工艺以及最后的注液、预充、化成、老化工艺。在这三个阶段的工艺中,每段工序又可分为好几个关键工艺,每一步工艺操作都会对电池最后的性能形成很大的影响,所以要严控本道工序的半产品或产品性质,以防不适用下道工序加工或性能不合格造成的报废。

在极片制造工艺阶段,可细分为浆料制备、浆料涂布、极片辊压、极片分切、极片模切、极片干燥等六道工艺,也可简称为制浆、涂布和极片制造等三阶段。在电池组装工艺,又可根据电池规格型号、封装形式、电极形式的不同分为其它工艺。

例如,圆柱电池大致分为卷绕、焊机耳、入壳、底封、焊盖帽、封盖帽等工艺。软包叠片电池大致分为叠片、焊接、铝塑膜冲壳、入壳、铝塑膜热封、抽真空等工序。在最后的注液、电池激活阶段大多数电池是一致的,包括注液、排气、封口、预充、化成、老化等各个工艺。其中极片制造工序是整个锂电池制造的核心内容,关系着电池电化学性能的好坏,成本上也占了很大比例,而其中浆料的性质则直接影响了锂电池的性能。

日本电池界普遍认为电池的质量有70%与极片品质相关,而极片的质量有70%与浆料的品质相关,可见锂电池浆料的制作是多么核心的工作。

锂离子电池的电极制造中,正极浆料主要由粘结剂、导电剂、正极材料等组成;负极浆料也类似,主要由增稠剂、粘结剂、碳粉或其它负极材料等组成。正、负极浆料的制备都包括了液体与液体、液体与固体物料、固体与固体颗粒之间的相互混合、溶解、摩擦、分散等一系列工艺过程,而且在这个过程中都伴随着温度、粘度、粒度、粘度等参数的变化。锂离子电池浆料的混合分散过程可以分为宏观混合过程和微观分散过程,这两个过程始终都会伴随着锂离子电池浆料制备的整个过程。浆料的制备一般会经过以下几个阶段:

①干粉混合。颗粒之间以点点、点面、点线形式接触。

②半干泥状捏合阶段。此阶段在干粉混合均匀之后,加入粘结剂液体或溶剂,原材料被润湿、呈泥状。经过搅拌机的强力搅拌,物料受到机械力的剪切和摩擦,同时颗粒之间也会有内摩擦,在各个作用力下,原料颗粒之间趋于高度分散。此阶段对于成品浆料的粒度和粘度有至关重要的影响。

③稀释分散阶段。捏合完成之后,缓慢加入溶剂调节浆料粘度和固含量。此阶段分散与团聚共存,并最后达到稳定。在这个阶段物料的分散主要受机械力、粉液间摩擦阻力、高速分散剪切力、浆料与容器壁撞击相互作用力的影响。

经过以上几个阶段之后,一罐锂电池浆料就会形成了。我们知道浆料不是用来看的,不是用来测的,而是最终要用来涂布的。那么什么样的浆料才是适合涂布的,才是对涂布的稳定性、合格率有利的?

一、浆料基本性质测试

(1)温度

一定比例的原材料,经过混合、捏合以及高速分散之后,形成流动性良好的浆料。尤其是在2000转每分钟的转速下,物料颗粒之间的磨擦会产生极大的热量,热量在浆料内部堆积无处释放,则会引起浆料的温度变化。虽然制浆机都配备了冷却水装置,但实际使用过程中,因为罐体体积较大,浆料内部温度分布不均匀,无法做到准确控温。

浆料温度对于下一道工序涂布的影响是面密度的不稳定,如果进入涂布头的浆料温度和涂布头唇口本身温度不同,涂布头唇口就变成了热交换器,其结果是涂布浆料从分配腔进口到末端流动时浆料的温度发生变化。温度的变化会引起粘度的变化,从而造成涂布厚度不均匀。所以需要对浆料的温度进行测试,并在浆料输送过程中安装温度控制系统,尽量保持浆料温度、涂布头温度、环境温度的一致性,以确保浆料涂布面密度的一致性。

浆料的温度可以用温度计测试,但是取样位置要注意,可以选择上、中、下,三个位置的浆料来测量温度,以确保温度测量的准确性。如果发现浆料的温度较环境温度高或者低的话则需要通过浆料控制系统来使浆料涂布前温度达成差不多一致,才不会影响涂布的稳定性。当然,如果没有浆料温度控制系统,最简单的办法是自然降温,这样时间会比较长,而且可能对浆料的分散性和稳定性会有一定影响。

(2)浆料粘度

粘度是流体粘滞性的一种量度,是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。液体在流动时,在其分子间产生内摩擦的性质,称为液体的黏性,粘性的大小用黏度表示,是用来表征液体性质相关的阻力因子。粘度又分为动力黏度和条件粘度。锂电池浆料属于非牛顿流体,非牛顿流体不符合牛顿公式τ/D=f(D),以ηa表示一定(τ/D)下的粘度,称表观粘度。非牛顿液体的粘度除了与温度有关外,还与剪切速率、时间有关,并有剪切变稀或剪切变稠的变化。

浆料粘度是鉴定浆料是否适合涂布的关键参数之一,浆料粘度太高时虽然浆料稳定性较好,但是其流动性差,对铜箔和铝箔的流平表现以及浸润效果都不好,不利于涂布工序的进行,容易出现极片外观的异常。浆料粘度太低时,浆料虽然流动性较好,但是浆料储存性能差容易沉降,分散性也比较一般。

浆料粘度过低,也会造成涂布烘干困难,形成的湿片。如果要保证烘干,会降低涂布的干燥效率和升高动力成本,此外还会发生涂层龟裂、浆料颗粒团聚、面密度一致性不好等问题。锂电池浆料的测试工具是用粘度计,测粘度时要保证浆料温度的一致性,才能对比浆料粘度的稳定性。

图1. 粘度测试-粘度计

(3)浆料的粒度

在制浆完成之后,需要对其粒度进行测量,粒度测量的方法通常采用刮板法,更加细致的分析方法是激光粒度分析法或者沉降粒度分析法等,在生产中刮板法是最直接的方式。刮板法测细度使用的工具是刮板细度计。

图2.浆料粒度测试—刮板细度计

粒度是表征浆料好坏的一个重要参数,粒度大小对于涂布工序、辊压工序以及电池性能有重要影响,理论上来说浆料粒度需要足够小。当浆料粒度过小时,也会更加容易团聚造成涂布堵过滤筛,面密度不稳等问题。

当颗粒粒径过大时,浆料的稳定性会受到影响,容易出现沉降、浆料一致性不良等。在挤压式涂布过程中会出现堵料、极片划痕多、极片干燥后麻点等情况,造成极片质量问题。在后续的辊压工序中,涂布不良处由于受力不均,极易造成极片断裂、局部微裂纹,这对电池的循环性能、倍率性能和安全性能造成了极大的危害。

正负极活物质、粘接剂、导电剂等主材料粒径大小不一,密度不同,在搅拌过程中会出现混合、挤压、摩擦、团聚等多种不同的接触方式。在原材料被逐渐混匀、被溶剂润湿、大块物料破裂和逐渐趋于稳定这几个阶段中,会出现物料混合不匀、粘接剂溶解不良、细颗粒严重团聚、粘接剂性状发生变化等情况,就会导致大颗粒的产生。通过改变制浆过程中各阶段的固含量,分散时间、转速等参数可以提高浆料的分散程度,避免浆料中大颗粒的产生。

(4)浆料的固含量

浆料的固含量和浆料稳定性息息相关,同种工艺与配方,浆料固含量越高,粘度越大,反之亦然。在一定范围内,粘度越高,浆料稳定性越高。在实际生产过程中,检验浆料的固含量具有其它的意义,就是保证浆料制浆投入的各种物料重量是准确的。在生产中,难免会出现错投、漏投、重复投入某种原材料,错误的投入原材料会从浆料的固含量上直接反应出来,造成的后果就是材料配方的改变,电池性能的改变,这种错误是绝对要避免的,因为成本太高了、影响太大了。

浆料固含量的测试方法是采用烘干法,固含量顾名思义就是浆料中固体物质占浆料总的百分比例。将浆料中的液体烘掉,获得的物质就是纯干粉了。固含量测试采用的仪器是水分测试仪。

图3.固含量测试—水分测试仪

浆料固含量的测试最好采用统一的试样,例如固定浆料质量、固定浆料采取位置等,以确保浆料固含量测试的准确性。浆料固含量的测试目的是为了把溶剂烘烤出去,所以温度选择可以定的高一点,150℃——180℃都是可以的,测固含量过程中味道还是挺大的,要做好防护工作。

以上分别介绍了生产过程中浆料出锅之后,需要测试的一些基本性能如温度、粘度、粒度、固含量等,除了以上之外还可以测试浆料密度,用来表征浆料的分散均匀性,需要取不同位置的浆料,对于大锅浆料来说取样不太方便。基本性能测试完成后,浆料好不好涂布,涂布效果怎么样,还需要关注浆料下面的性质。(未完待续)返回搜狐,查看更多

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