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电极浆料制备过程中物料颗粒状态变化详解

电极浆料制备过程中物料颗粒状态变化详解

锂电池极片厚度一般为40-200μm左右,其中极片厚度根据电池种类(高能量、高功率等)的不同而变化。如果想要锂电池具有好的电化学性能,极片必须要前中后厚度一致,且表面平滑,没有缺陷。在排除涂布工艺的条件下,浆料制备是决定其质量好坏的关键程序。好的锂电池浆料粘度稳定不易发生变化,颗粒粒径小,涂布干燥后无明显颗粒感,无气泡等异物。那么,浆料制备过程中,需要注意的主要有两方面:一方面是将最初的物料分散均匀;另一方面是阻止原材料之间相互作用而引起的二次团聚。所以,搅拌过程的目的就是要把原始状态的物料分散、混合均匀,同时也要防止颗粒间再次团聚。

锂电池极片分为正极极片、负极极片,两种极片所用活物质、导电剂、粘结剂、溶剂等随电池体系不同而不同。将这样一个复杂的多相体系混合成均一性良好的悬浮浆料需要较多的实操经验和理论基础。物料的粒径越小,形状越怪就越难以分散,特别是导电剂炭黑,经常在搅拌过程中二次团聚成大块,不仅没有起到良好的导电作用,还会影响电池的比能量。炭黑不仅可以用于锂电池还可用于塑料、高分子等行业,所以关于炭黑的分散研究很多。根据目前的研究报告,团聚物的分散可以有以下几种方式:

电极浆料制备过程中物料颗粒状态变化详解

左边第一种分散情况(erosion)发生在较弱机械力作用下,此时物料随着机械力发生流动,形成大小不一的颗粒团聚体。在此过程中,小碎片的物料逐渐从大团聚物上剥离下来,形成了二次颗粒。当外在机械力超过一定的临界值时,颗粒的破碎(rupture)就会突然发生,如上图中间所示。如果机械能量高达一定程度,和时间的延长,颗粒间会发生继续破碎,不过这种现象出现概率较低。

电极浆料制备过程中物料颗粒状态变化详解

在锂电池浆料制备过程中,材料间的接触形式可能有上图中所示三种状态。首先炭黑的结构不容易被改变,且其分布比较均匀,以structure1存在。随着机械搅拌的进行,导电剂的解聚和分散会同时发生,最后导电剂完全包覆在活物质表面。

       从原材料颗粒间单独存在到变成混合均匀的物质是一个很重要的过程。整个过程可以分为固体粉末态(I)、混合润湿态(II)以及最后形成的悬浮态(III)。其过程控制如下图所示。

电极浆料制备过程中物料颗粒状态变化详解

在此过程中每一阶段的特征、优势及劣势如下表所示:

电极浆料制备过程中物料颗粒状态变化详解

       在干混阶段,设备的输入能量大小、机械力大小以及活物质的颗粒大小都影响着导电剂的分散。此外,物料的团聚受空气湿度影响很大。

       润湿状态是由固体粉末中第一次加入溶剂开始的,润湿程度取决于粉料对液体的饱和程度以及粘附和应力状态。在此过程中,不断发生着分散和团聚,同时改变着混合料的混合状态。当凝胶点或完全饱和状态达到之后,不再有大的力量输入同时颗粒间的相互作用力也降低了,随后就可以稀释将其降到想要达到的固含量。在稀释悬浮液阶段,涉及到了浆料的流体力学和剪切力,流体流动条件下,搅拌机对颗粒施加的剪切力促使物料处于一个稳定的状态。

       不同的加工控制过程对物质原材料施加的力不同,会造成颗粒的分散均匀程度,尤其是对于炭黑导电剂来说,变化的应力强度对极片的电子传导率、电池容量、电流密度均匀很大影响,故了解浆料制备过程中的物料混合阶段的状态是非常必要的。

转载自 锂电派


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培训内容及报名链接


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供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨锂电派

主编丨张哲旭


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