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鋰電池電芯漿料制作的傳統工藝及基本原理是什么?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年07月18日  

鋰離子電池的電極制造,正極漿料由粘合劑、導電劑、正極材料等組成;負極漿料則由粘合劑、石墨碳粉等組成。正、負極漿料的制備都包括了液體與液體、液體與固體物料之間的相互混合、溶解、分散等一系列工藝過程,而且在這個過程中都伴隨著溫度、粘度、環境等變化。在正、負極漿料中,顆粒狀活性物質的分散性和均勻性直接響到鋰離子在電池兩極間的運動,因此在鋰離子電池生產中各極片材料的漿料的混合分散至關重要,漿料分散質量的好壞,直接影響到后續鋰離子電池生產的質量及其產品的性能。


在傳統工藝上再進行超細分散,這是因為:通過傳統混合與攪拌設備,只能夠將溶液中的大粉團打散,并均勻分布;但是,粉體形態是以微細粉團形態存于溶液之中,僅滿足了宏觀分散的加工要求。經過宏觀攪拌與分散后的漿料,在超細分散均質設備的強烈機械切割力作用下,能夠將溶液中的微細粉團或固體顆粒團聚體進一步打散和均質,得到足夠細小的固體顆粒,并均勻分布于溶液中,達到微觀超細分散均質的作用,可顯著提高漿料綜合性能。


目前傳統漿料工藝是:


(一)配料:


1.溶液配制:


a)PVDF(或CMC)與溶劑NMP(或去離子水)的混合比例和稱量;


b)溶液的攪拌時間、攪拌頻率和次數(及溶液表面溫度);


c)溶液配制完成后,對溶液的檢驗:粘度(測試)\溶解程度(目測)及擱置時間;


d)負極:SBR+CMC溶液,攪拌時間和頻率。


2.活性物質:


a)稱量和混合時監控混合比例、數量是否正確;


b)球磨:正負極的球磨時間;球磨桶內瑪瑙珠與混料的比例;瑪瑙球中大球與小球的比例;


c)烘烤:烘烤溫度、時間的設置;烘烤完成后冷卻后測試溫度。


d)活性物質與溶液的混合攪拌:攪拌方式、攪拌時間和頻率。


e)過篩:過100目(或150目)分子篩。


f)測試、檢驗:


對漿料、混料進行以下測試:固含量、粘度、混料細度、振實密度、漿料密度。


除了明確制作的傳統工藝外,還需要了解鋰電池漿料的基本原理。


膠體理論


導致膠體粒子團聚的主要作用,是來自粒子間的范德華力,若要增加膠體粒子穩定性,則由兩個途徑,一是增加膠體粒子間的靜電排斥力,二為使粉體間產生空間位阻,以這兩種方式阻絕粉體的團聚。


最簡單的膠體系統系由一分散相與一相分散媒介所構成,其中分散相尺度范圍于10-9~10-6m間。膠體內的物質存在于系統內需具有一定程度以上的分散能力。根據溶劑與分散相的不同而可產生多種不同的膠體型態,如:霧氣即為液滴分散于氣體中之氣膠、牙膏即固態高分子微粒分散在液體中的溶膠。


膠體的應用在生活中比比皆是,而膠體的物理特性需視分散相與分散介質的不同而有所差異。從微觀角度觀察膠體,膠體粒子并非處于恒定狀態,而是在介質內隨機運動,這便是我們所稱的布朗運動(Brownianmotion)。絕對零度以上,膠體粒子均會因熱運動而發生布朗運動,這便是微觀膠體的動力學特性。膠體粒子因布朗運動而產生碰撞,是為團聚(aggregate)發生的契機,而膠體粒子在熱力學上處于不穩定狀態,因而粒子間的交互作用力為分散的關鍵因素之一。


雙電層理論


雙電層理論可用以解釋膠體中帶電離子的分布情形,以及粒子表面所產生的電位問題。19世紀Helmholtz提出平行電容器模型以描述雙電層結構,簡單的假設粒子帶負電,且表面如同電容器中的電極,溶液中帶正電的反離子因異電荷相吸而吸附在粒子表面。然而這個理論卻忽略了帶電離子會因熱運動產生擴散行為。


因此,在20世紀初Gouy與Chapman提出擴散雙電層模型,在溶液中的反離子會因靜電作用吸附于帶電粒子表面,同時受熱運動影響而在粒子周圍擴散。因此,反離子在溶液中的分布濃度將隨粒子表面的距離增加而下降。1924年,史特恩(Stern)將平行電容器與擴散雙電層兩種模型加以結合,以描述雙電層結構。Stern認為反離子會在粒子表面形成緊密的吸附層,亦稱Sternlayer,隨著與粒子表面距離增加,粒子的電位會呈現線性下降,同時Sternlayer外亦有擴散層的存在,并且粒子于擴散層中的電位會隨距離增加而指數下降。


zeta電位與膠體的分散穩定性有密切的關系,當zeta電位愈大時,膠體粒子表面上的靜電荷愈多,當粒子于水溶液中的zeta電位達到±25~30mV以上時,膠體有足夠的靜電排斥力克服粒子間的范德華力以維持膠體穩定性。


1940-1948年,由Deryagin、Landau、Verwey、Overbeek建立膠體粒子相互接近時的能量變化及對膠體穩定性影響的相關理論,簡稱DLVO理論。其理論主要描述膠體粒子間距與能量變化的關系,此作用能量是膠體雙電層重迭的電荷排斥能與范德華力加成下的結果。


下圖為DLVO示意圖,表示膠體粒子之間存在吸引力與排斥力,這兩種作用力的大小決定膠體溶液的穩定性,粒子間的吸引力為主要作用,則粒子將產生團聚;而排斥力大于吸引力的狀態下,則可避免粒子凝聚而保持膠體的穩定性。


由DLVO曲線,當粒子之間的距離愈來愈短,粒子首先會產生吸引力,若粒子彼此再持續靠近時,則將使得粒子之間產生排斥力,而若粒子越過排斥能障,則會快速產生團聚。因此為了使得膠體內的粒子分散穩定性提高,必須提高粒子間排斥力,以避免粒子間產生團聚。


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