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颗粒特性及浆料流变特性对锂电池电极加工性能的影响

本文是2018高能量密度正负极材料产业化研讨会上马尔文帕纳科(中国)公司产品经理杨凯的发言稿,主要介绍了电池原材料颗粒特性及浆料流变特性对极片加工工艺过程的影响。我添加了自己对这份PPT的介绍和理解,因此标注了原创,理解不对的地方请大家指正。

颗粒特性及浆料流变特性对锂电池电极加工性能的影响颗粒特性及浆料流变特性对锂电池电极加工性能的影响

主要内容包括:锂电池电极加工工艺概述;电池浆料特性表征技术;颗粒粒径大小及分布颗粒形态;流变特性表征技术;电池浆料颗粒特性与浆料流变特性的关系;流变特性在锂电池加工过程的应用。

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锂离子电池是有正负极极片和隔膜通过叠片或卷绕的方式组装起来,再添加电解液,活化之后形成产品的,而正、负极极片是一种颗粒组成的涂层,均匀的涂敷在金属集流体上。锂离子电池极片涂层可看成一种复合材料,主要由三部分组成:(1)活性物质颗粒;(2)导电剂和黏结剂相互混合的组成相(碳胶相);(3)孔隙,填满电解液。

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在电池生产工艺过程中,浆料的制备过程以及浆料的涂布过程是整个工艺过程的基础,直接决定电池的性能和产品质量。这两道工艺非常关键,它们又涉及到粉末颗粒和悬浮液流体,因此颗粒特性和浆料的流变特性对电池加工过程具有重要的影响,工艺过程中,浆料内部的颗粒分布与特性与工艺过程的相互影响,以及内部微结构的表征技术都是很关键的,对这些过程充分认识后,我们能够更好地理解工艺-微结构-性能之间的相互关系。

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锂离子电池浆料是由固体活性物质颗粒、导电剂以及溶解在溶剂中的粘结剂等组成的高填充的悬浮液,一般固含量40-70%,各物质的分布状态,以及它们之间的相互作用对流体体系的稳定性和加工性能都有影响。比如浆料中的导电剂分布状态可能具有三种情况:(1)导电剂团聚在一起,没有完全分散开;(2)导电剂分散均匀,但是导电剂与活性物质颗粒不形成相互作用,各自独立分散;(3)导电剂分散均匀,并且对活性物质颗粒形成包覆作用。最理想的是第三种情况。

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活性物质颗粒的粒径、形貌、含量,以及各组分之间的相互作用等都会对浆料特性有影响,从而形成不同的涂布加工性能和最终电池性能的差异。而涂布过程由浆料特性、涂布工艺参数、设备结构等参数的控制。浆料的好坏对涂布加工起到决定性影响,比如涂层的厚度均匀性、边缘效应等都和浆料有关。

 

因此,要充分理解好锂离子电池浆料制备和涂布工艺,首先就需要全方位对浆料特性进行表征,充分认识性质,才能控制好它。比如采用激光衍射测量技术表征颗粒的尺寸大小和分布,图像分析法研究颗粒的大小和形貌,旋转流变仪研究浆料的流变特性。

 

以下几页是这几种测试表征技术的基本原理和设备基本构成。

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在日常的电池生产工艺中,我们常常采用重量百分比配置浆料。其实,在悬浮液体系以及电池浆料配方优化估算时,各相的体积分数是一个重要的考虑参数。固体颗粒在悬浮液存在一个最大的填充体积。实际的颗粒体积分数会对流体特性产生影响,颗粒体积分数特别低的极稀体系和颗粒体积分数高的高填充体系符合不同的颗粒体积分数与剪切粘度函数关系,流变特性随着颗粒体积分数增加也发生变化,由牛顿流体变为剪切变稀,再转变为剪切增稠。

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在剪切作用下,高拉伸比的颗粒容易排列取向。球形的电极颗粒制备的极片各相同性,三个方向孔隙率迂曲度一致;而对于非球形颗粒电极,就会表现出各向异性, 如片状石墨倾向于平行集流体分布,z轴孔隙迂曲度最大,不不利于锂离子的传输。

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锂离子浆料属于具有剪切稀释现象的非牛顿流体。实际涂布工艺中,模头狭缝区域应该计算实际剪切速率,才能知道对应剪切速率下浆料的粘度。以下是几种涂布工艺的剪切速率估算方法。

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零剪切速率粘度是一个与时间无关的值,它直接反映了流体层间的微观属性,是评价不同高聚物溶液流体粘度和流体层间化学特性的重要基本参数,直接与浆料的沉降速度相关

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浆料具有流平特性,将浆料涂刷在样板上,使之平滑均匀,然后在涂层中部用刷子纵向抹一刷痕,观察多少时间刷痕消失,涂层又恢复成平滑表面。一般按照涂层达到均匀平滑表面的时间来评级。对流平性能的评价与浆料的类型和粘度有极大的关系,粘度大的浆料一般流平性能不如低粘度的。

 

浆料流动成形的力是外加的剪切力,即箔材移动时的外力作用于浆料使其铺展。而流平的动力是浆料表面张力即自身收缩的力,这是在外力消失后,使涂膜表面达到光滑平整状态的主要作用力。浆料要达到光滑平整的表面需要具有良好的流动与流平特性。

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