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介紹
鋰離子充電電池作為電動汽車和混合動力汽車的動力源,需要具有大功率輸出、高容量、高穩(wěn)定性和長生命周期的特征。在電池的生產(chǎn)過程中,需要先混料制備濃度均一、分散穩(wěn)定的正極和負極漿料,接下來進行涂布,得到正負極,再將正負極中加入隔膜并纏繞成卷,再灌入電解液。混料包括配料和攪拌,是影響鋰電池性能關(guān)鍵的工藝之一。一般鋰電池生產(chǎn)廠家都將混料列為核心機密,因為材料的挑選、處理、合理搭配、物質(zhì)配比以及攪拌過程對電池性能都是至關(guān)重要的。攪拌效果直接影響電池性能,是混料中關(guān)鍵的一步,甚至國外一些鋰電池廠認為攪拌工藝在鋰電池的整個生產(chǎn)工藝中對產(chǎn)品的品質(zhì)影響度大于30%,是整個生產(chǎn)工藝中重要的環(huán)節(jié)。
Turbiscan采用的多重光散射技術(shù)可以在不稀釋的情況下直接分析鋰電池漿料的穩(wěn)定性和均一性,是協(xié)助鋰電池研發(fā)的得力助手。本文首先介紹了鋰離子電池的基本工作原理和Turbiscan的實測案例。
鋰離子電池基本構(gòu)造和工作原理
在確定活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和導電劑的比例和固體含量后,在真空環(huán)境中經(jīng)過高速攪拌,并將漿料黏度調(diào)整至2500~4000mPa•s,便于涂布,涂布的厚度誤差應(yīng)該小于3μm。涂布后典型的正負極構(gòu)造如下圖所示。
正極構(gòu)造
LiMn2O4(錳酸鋰/磷酸鐵鋰等)+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體(鋁箔)正極
負極構(gòu)造
石墨+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(SBR)+集流體(銅箔)負極
鋰電池工作原理
充電過程
電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上,正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里,“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游泳”到達負極,與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。
正極上發(fā)生的反應(yīng)為LiMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(電子)
負極上發(fā)生的反應(yīng)為6C+XLi+Xe==LixC6
放電過程
電池放電,此時負極上的電子e從通過外部電路跑到正極上,正鋰離子Li+從負極“跳進”電解液里,“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游泳”到達正極,與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。
正極上發(fā)生的反應(yīng)為Li1-xMn2O4+xli++xe(電子)==LiMn2O4
負極上發(fā)生的反應(yīng)為LixC6==6C+xLi+xe
Turbiscan實際案例
研究了在以硅合金為活性材料、水基材料作為粘結(jié)劑、去離子水作為溶劑的正極漿料中,羥丙基纖維素(HPC)的加入對分散穩(wěn)定性的影響,HPC在此體系中起到分散劑和粘合劑的作用。利用Turbiscan實測數(shù)據(jù)如下圖所示。
Turbiscan數(shù)據(jù)(a無HPC,b加入0.7 wt %HPC)
從Turbiscan數(shù)據(jù)可見,未加入HPC的正極漿料背向散射backscattering不同高度的值不一致,在漿料的頂部背向散射隨著時間的推移而降低。然而, 在加入0.7 wt% HPC的料漿中,背向散射在不同高度基本一致。
也就是說,漿料中的顆粒在沒有HPC的情況下,隨著時間的推移逐漸發(fā)生絮凝,比表面積變小,因此,上層顆粒絮凝,下層沉淀。從這些結(jié)果表明,HPC的加入有利于均勻分散的炭黑顆粒,并降低顆粒之間的相互作用力,從而增加穩(wěn)定性。
SEM數(shù)據(jù)(a無HPC,b加入0.7 wt %HPC)
利用掃描電鏡(SEM)觀察漿料在涂布后的表面情況。在加入0.7 wt% HPC的情況下,電極表面結(jié)構(gòu)粒子密度大,分布規(guī)律,但在無hpc,結(jié)構(gòu)疏松,顆粒團聚,凝固顆粒周圍也有裂紋。此外文章經(jīng)過一些列驗證,確定HPC的加入使?jié){液具有良好的分散性。在電池中,電極與集電體的粘附性得到提高,提高了初始容量、極化電阻、循環(huán)的性能。
結(jié)論
鋰電池制片工藝對電池一致性有著至關(guān)重要的影響,必須盡可能保證攪拌、涂布和輥壓的均一性。當然鋰電池一致性是相對的,不一致性是的,但可以通過進一步提高工藝參數(shù)的性來提高單體電池的一致性,Turbiscan多重光散射儀是研究電池漿料分散一致性有效的工具。