生产锂离子电池的关键影响因素

一、浆料基本理论

锂离子电池电极浆料是流体的一种，一般流体能够分为牛顿流体和非牛顿流体。其间，非牛顿流体又可分为胀塑性流体、依时性非牛顿流体、假塑性流体和宾汉塑性流体等几种。牛顿流体是指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数联系的流体。天然界中许多流体是牛顿流体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。

非牛顿流体，是指不满意牛顿黏性试验规则的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性联系的流体。非牛顿流体广泛存在于生活、出产和大天然之中。高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。绝大多数生物流体都归于现在所界说的非牛顿流体。人身上血液、淋巴液、囊液等多种体液，以及像细胞质那样的半流体都归于非牛顿流体。

电极浆料是一种是由多种不同比重、不同粒度的原料组成，又是固-液相混合涣散，构成的浆料归于非牛顿流体。锂离子电池浆料又可分为正极浆料和负极浆料两种，由于浆料系统(油性、水性)不同，其性质必千差万别。可是，判别浆料的性质无非以下几个参数：

1.浆料的粘度

粘度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部冲突现象的一种表明。液体在流动时，在其分子间发作内冲突的性质，称为液体的黏性，粘性的大小用黏度表明，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。

粘度的界说为一对平行板，面积为A，相距dr，板间充以某液体。今对上板施加一推力F，使其发作一速度改动du。由于液体的粘性将此力层层传递，各层液体也相应运动，构成一速度梯度du/dr，称剪切速率，以r′表明。F/A称为剪切应力，以τ表明。剪切速率与剪切应力间具有如下联系：

(F/A)=η(du/dr)

牛顿流体契合牛顿公式，粘度只与温度有关，与切变速率无关，τ与D为正比联系。

非牛顿流体不契合牛顿公式τ/D=f(D)，以ηa表明必定(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、时刻有关，并有剪切变稀或剪切变稠的改动。

2.浆料性质

浆料是一种非牛顿流体，是固液混合流体，为了满意后续涂布工艺的要求，浆料需求具有以下三个特性：

①好的流动性。流动性能够经过搅动浆料，让其天然流下，调查其持续性。持续性好，不断断续续则阐明流动性好。流动性与浆料的固含量和粘度有关，

②流平性。浆料的流平性影响的是涂布的平整度和均匀度。

③流变性。流变性是指浆料在流动中的形变特点，其性质好坏影响着极片质量的好坏。

3.浆料涣散基础

锂离子电池的电极制作，正极浆料由粘合剂、导电剂、正极资料等组成;负极浆料则由粘合剂、石墨碳粉等组成。正、负极浆料的制备都包括了液体与液体、液体与固体物料之间的相互混合、溶解、涣散等一系列工艺进程，而且在这个进程中都伴跟着温度、粘度、环境等改动。锂离子电池浆料的混合涣散进程能够分为微观混合进程和微观涣散进程，这两个进程始终都会伴跟着锂离子电池浆料制备的整个进程。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，原资料被潮湿、呈泥状。经过拌和机的强力拌和，物料遭到机械力的剪切和冲突，一起颗粒之间也会有内冲突，在各个效果力下，原料颗粒之间趋于高度涣散。此阶段有关制品浆料的粒度和粘度有至关重要的影响。

③稀释涣散阶段。捏合完成之后，缓慢加入溶剂调理浆料粘度和固含量。此阶段涣散与聚会共存，并最终达到安稳。在这个阶段物料的涣散首要受机械力、粉液间冲突阻力、高速涣散剪切力、浆料与容器壁碰击相互效果力的影响。

二、影响浆料性质的参数剖析

合浆后的浆料需求具有较好的安稳性，这是电池出产进程中确保电池一致性的一个重要目标。跟着合浆结束，拌和中止，浆料会呈现沉降、絮凝聚并等现象，发作大颗粒，这会对后续的涂布等工序形成较大的影响。表征浆料安稳性的首要参数有流动性、粘度、固含量、密度等。

1.浆料的粘度

电极浆料需求具有安稳且恰当的粘度，其对极片涂布工序具有至关重要的影响。粘度过高或过低都是不利于极片涂布的，粘度高的浆料不容易沉淀且涣散性会好一点，可是过高的粘度不利于流平效果，不利于涂布;粘度过低也是欠好的，粘度低时尽管浆料流动性好，但枯燥困难，下降了涂布的枯燥功率，还会发作涂层龟裂、浆料颗粒聚会、面密度一致性欠好等问题。

在咱们出产进程中经常呈现的问题是粘度呈现改动，而这里的改动又可分为：瞬时改动和停止改动。瞬时改动是指在粘度测验进程中间就呈现了剧烈的改动，停止改动是指浆料停止放置一段时刻后粘度呈现改动。粘度的改动或高或低，或时高时低。一般来说，影响浆料粘度的要素首要有拌和浆料的转速、时刻操控、配料次序、环境温湿度等。要素很多，当咱们遇见粘度改动时应该怎么样剖析处理呢?浆料的粘度本质上，是由粘结剂决议性影响的。设想，没有粘结剂PVDF/CMC/SBR(如图2、3)，或许粘结剂没有很好的将活物质组合起来，固体活物质会与导电剂构成具有均匀涂覆的非牛顿流体吗?不会!所以，剖析处理浆料粘度改动的原因，要从粘结剂的本质及浆料涣散程度上着手。

(1)粘度升高

不同的浆料系统具有不同的粘度改动规则，现在干流的浆料系统是正极浆料PVDF/NMP油性系统，负极浆料是石墨/CMC/SBR水性系统。

①正极浆料在放置一段时刻后粘度升高。其原因一(短时刻放置)是浆料拌和速度过快，粘结剂未充沛溶解，放置一段时刻后PVDF粉末充沛溶解，粘度升高。一般来说，PVDF需求至少3个小时才能充沛溶解，不管多快的拌和速度都无法改动这一影响要素，所谓欲速则不达。原因之二(长时刻放置)是浆料静置进程中，胶体由溶胶状态变为凝胶状态，此时假如对其进行慢速匀浆，其粘度能够康复。原因之三是胶体与活物质、导电剂颗粒之间构成了一种特殊的结构，此状态是不可逆的，浆料粘度升高后无法康复。

②负极浆料粘度升高。负极浆料粘度升高首要是由粘结剂分子结构被损坏引起的，分子链开裂后被氧化后浆料粘度升高。假如物料被过度涣散，颗粒粒径发作较大的下降，也会新增浆料的粘度。

(2)粘度下降

①正极浆料粘度下降。原因之一，粘结剂胶体发作了性状的改动。改动的原因多种多样，如浆料传输进程中遭到强剪切力、粘结剂吸收水分发作质变、拌和进程中导致结构发作改动、本身发作降解等。原因之二，拌和涣散不均匀导致浆料中固体物质大面积沉降。原因之三，拌和进程中粘结剂遭到设备和活物质的强剪切力和冲突力，在高温状况下发作性状改动，形成粘度下降。

②负极浆料粘度下降。原因之一CMC中混有杂质，CMC中的杂质大多是难溶性高分子树脂，当CMC与钙、镁等混溶时，会下降其粘度。原因之二CMC是羟甲基纤维素钠，其首要是C/O的结合，键强很弱极易被剪切力损坏，当拌和速度过快或时刻太长时有或许损坏CMC的结构。CMC在负极浆料中起到增稠和安稳的效果，一起对原资料的涣散起重要的效果，其结构一旦发作损坏，必定引起浆料沉降，粘度下降。原因之三是SBR粘结剂的损坏。在实际出产中一般选择CMC和SBR协同工作，此二者的效果各不相同。SBR首要起到粘结剂的效果，可是其在长时刻拌和下极易发作破乳，导致粘结性失效，浆料粘度下降。

(3)特殊状况(果冻状及时高时低)

在正极浆料制备进程中有时候会呈现浆料变成果冻的状况。这种状况的原因首要有二：其一，水分。考虑活物质吸潮、拌和进程水分操控欠好，原资料吸收水分后或许拌和环境湿度较高，导致PVDF吸收水分变成果冻状。其二，浆料或资料的pH值。pH值越高，对水分的操控就要求更严格，尤其是NCA、NCM811等高镍资料的拌和。

浆料粘度忽高忽低，原因之一或许是浆料测验进程中未彻底安稳下来，浆料粘度受温度的影响很大。尤其是被高速涣散之后，浆料内部温度存在必定的温度梯度，取样不同粘度也不尽相同。原因之二是浆料的涣散性差，活物质、粘结剂、导电剂没有杰出的涣散开，浆料就没有好的流动性，天然浆料粘度忽高忽低。

2.浆料的粒度

在合浆之后，需求对其粒度进行丈量，粒度丈量的方法一般采用刮板法。粒度是表征浆料质量的一个重要参数，粒度大小有关涂布工序、辊压工序以及电池功能有重要影响，理论上来说浆料粒度越小越好。当颗粒粒径过大时，浆料的安稳性会遭到影响，呈现沉降、浆料一致性不良等。在揉捏式涂布进程中会呈现堵料、极片枯燥后麻点等状况，形成极片质量问题。在后续的辊压工序中，涂布不良处由于受力不均，极易形成极片开裂、局部微裂纹，这对电池的循环功能、倍率功能和安全功能形成了极大的损害。

正负极活物质、粘接剂、导电剂等主资料粒径大小不一，密度不同，在拌和进程中会呈现混合、揉捏、冲突、聚会等多种不同的接触方式。在原资料被逐步混匀、被溶剂潮湿、大块物料破裂和逐步趋于安稳这几个阶段中，会呈现物料混合不匀、粘接剂溶解不良、细颗粒严重聚会、粘接剂性状发作改动等状况，就会导致大颗粒的发作。

当咱们弄理解颗粒呈现的原因时就要对症下药，处理这些问题。有关物料干粉混合，个人觉得拌和机速度对干粉混合程度影响不大，可是两者需求满足的时刻来确保干粉的混匀。现在有的厂家选择粉状粘接剂有的选择液体溶解好的粘接剂，两种不同的粘接剂决议了工艺的不同，采用粉状粘结剂需求更长的时刻来进行溶解，不然在后期会呈现溶胀、回弹、粘度改动等。细颗粒之间的聚会不可防止，可是咱们要确保物料之间有满足大的冲突力，能够促使聚会颗粒呈现揉捏、破碎，利于混合。这就需求咱们操控好浆料不同阶段的固含量，太低的固含量会影响颗粒之间的冲突涣散。

3.浆料的固含量

浆料的固含量和浆料安稳性休戚相关，同种工艺与配方，浆料固含量越高，粘度越大，反之亦然。在必定范围内，粘度越高，浆料安稳性越高。咱们规划电池时，一般从电池容量反推卷芯厚度再到极片的规划，那么极片规划仅仅与面密度、活物质密度、厚度等参数有关。极片的参数是经过涂布机和辊压机对其进行调整的结果，浆料的固含量对其并无直接影响。那么，浆料固含量的凹凸是不是就无关紧要呢?

(1)固含量有关提高拌和功率和涂布功率具有必定影响。固含量越高，浆料拌和时刻越短，所耗溶剂越少，涂布枯燥功率越高，节省时刻。

(2)固含量对设备有必定的要求。高固含量浆料对设备的损耗较高，因为固含量越高，设备磨损越严重。

(3)高固含量的浆料安稳性更高，部分浆料安稳性测验结果表明(如下图)，惯例拌和的TSI(不安稳性指数)1.05要高于高粘度拌和工艺TSI值0.75，所以高粘度拌和工艺所获得的浆料安稳性要优于惯例拌和工艺。可是高固含量的浆料也会影响其流动性，十分应战涂布工序的设备和技术人员。

4副本.jpg

(4)高固含量的浆料能够削减涂层间厚度，下降电池内阻。

4.浆料密度

浆料的密度是反应浆料一致性的重要参数，经过测验不同位置的浆料密度能够验证浆料的涣散效果。在这就不多赘述，经过以上的总结，相信大家制备出杰出的电极浆料。