锂离子电池浆料配方估算方法

浆料在生产过程中，各组分配方通常是以重量为单位计算的，但电极涂层在干燥后一般是多元结构组成的，各个组分（活性物质、导电剂、孔隙率）之间的体积关系，对电池的性能有重要的作用。在电化学模型计算中，常常根据活性物质、导电剂等体积分数来计算电化学性能。电极浆料流体特性，加工工艺特性也更多与各组分的体积分数关系大。因此，浆料配方设计根据体积更加合理。

涂料行业有一个重要的参数，颜料的体积浓度（PVC），即在干膜中粉料所占的体积百分比。

PVC=粉料的体积/(粉料的体积+聚合物粘结剂的体积)

电池浆料中，粉料包括活性物质和导电添加剂，因此，电池浆料中

PVC=（活性物质的体积+导电剂的体积）/(活性物质和导电剂粉料的体积+聚合物粘结剂的体积)

在浆料配方的计算中，如果想要知道浆料的体积浓度对电池性能的影响，必须首先要知道这个体系的临界粉料体积浓度，即CPVC。涂料行业中在测试粉体的吸油量时，当颜料刚刚被亚麻油粘结成糊状，而没有多余的亚麻油时，这时的颜料体积浓度就刚好处在CPVC值，所以颜料的吸油量和CPVC值就可以通过以下方法计算：

CPVC=1/[1+( OA•ρ/0.935)]

式中：OA --- 粉料的吸油量，%；ρ--- 粉料的密度，g/cm3；0.935---亚麻油的密度，g/cm3，如果采用其他有机物测试时，相应变更为该材料的密度。

对于混合粉体，计算CPVC值的方法进一步延伸，方法如下：

CPVC =1/{1+Σ[(OA•ρ•V/0.935]}

式中：OA--- 某个粉体的吸油量，%； ρ--- 某个粉体的密度，g/cm3；V --- 某个粉体在整个粉体体积中所占有的体积分数，%。

称取试样m1 g置于玻璃板或釉面板上用滴定管滴加精制亚麻油，在滴加的同时用调刀不断进行翻动研磨，起初试样呈分散状，后逐渐成团甚至全部被精制亚麻油所湿润，并形成一整团即为终点。记录滴加的精制亚麻油的质量m2 g，或者体积V ml。

以每100g粉体所吸收的精制亚麻油的体积表示吸油值，按吸收亚麻油的质量比表示吸油量：

吸油值=V/m1*100

吸油量=m2/m1*100%

例如：在某个配方中NCA材料96kg，sp导电剂2kg。假设NCA密度为4.86g/cm3，sp密度为2.05g/cm3，

则：

活性物质体积为：96000/4.86 = 19753 cm3

导电剂体积为：2000/2.05 = 976 cm3

两种粉体总体积为：19753+976 = 20729 cm3

活性物质粉体在所有粉料所占的体积分数：19753/20729 = 95.29%

导电剂粉体在所有粉料所占的体积分数：976/20729 = 4.71%

混合粉料的CPVC值计算，假定活性物质吸油量为16%，导电剂吸油值为290 ml/100g，转化为吸油量（吸油的质量比）为(290ml)*(0.935g/ml)/100g = 271%

CPVC =1/{1+Σ[(OA•ρ•V/0.935]}

=1/{1+[（16%×4.86×95.29%）+（271%×2.05×4.71%）]/0.935}

= 48.27%

浆料在CPVC值时所需用的乳液量X计算，根据 PVC=（活性物质的体积+导电剂的体积）/(活性物质和导电剂粉料的体积+聚合物粘结剂的体积)，有

(19753+976)/(19753+976+X)=48.27%

即X=[(1-0.4827)×(19753+976)]/0.4827=22215 cm3

假定聚合物粘结剂密度为1.77g/cm3，则粘结剂重量为22215/1.77=12551g=12.551kg

此时，电极涂层由活性物质相，导电剂相和聚合物粘结剂相组成，没有任何孔隙。

假定涂层孔隙率为30%，所需聚合物粘结剂量Y计算。此时，将孔隙也看成一个组分相，此时

PVC=48.27%+30% = 78.27%

根据，PVC=（活性物质的体积+导电剂的体积）/(活性物质和导电剂粉料的体积+聚合物粘结剂的体积)，有

(19753+976)/(19753+976+Y)=78.27%

即Y=[(1-0.7827)×(19753+976)]/0.7827=5755 CM3

聚合物粘结剂重量为

5755/1.77 = 3251g=3.25kg。

最终，浆料配方为

NCA：SP：PVDF=96：2：3.25=94.81：1.98：3.21

浆料配方计算依据是各材料的密度和吸油量，这两个参数可以测量，但是也受很多因素影响，比如实际吸油量的大小与粉体的粒度分布、颗粒形状、分散与凝聚程度、比表面积及表面性质等有关，因此该方法只能估算。