加工磷酸鐵鋰電池材料有哪些常見的問題？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-28 16:05
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材料分散問題
制漿是鋰電池生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的工序之一，其核心任務(wù)就是把活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等物料均勻的混合，使得材料性能能夠更好的發(fā)揮。
要混勻，先要能分散。顆粒減小，相應(yīng)的比表面也就增大，表面能也就增大，顆粒間發(fā)生聚合的趨勢就增強(qiáng)?？朔砻婺芊稚⑺枰哪芰恳簿驮酱?。要提升分散能力，一個是在攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，不改變最大剪切速度的情況下提高有效分散區(qū)域的空間比例;一個是提高攪拌功率，提升剪切速度，相應(yīng)的有效分散空間也會增大。前者屬設(shè)備上的問題，提升空間有多大，涂布在線不做評論。后者，提升空間有限，因?yàn)榧羟兴俣忍岬揭欢ㄏ薅龋蜁Σ牧显斐蓚?，?dǎo)致顆粒破損。
較為有效的方法是采用超聲波分散技術(shù)。只是超聲波設(shè)備價格較高，前些時候接觸的一家，其價格和進(jìn)口的日本機(jī)械攪拌機(jī)相當(dāng)。超聲分散工藝時間短，總體能耗降低，漿料分散效果好，材料顆粒的聚合得到有效延緩，穩(wěn)定性大為提高。
涂布均一性問題
涂布不均，不僅鋰電池一致性就不好，還關(guān)系到設(shè)計、使用安全性等問題。所以，電池制作過程中對涂布均一性的控制很嚴(yán)格。做配方、涂布工藝的知道，材料顆粒越小，涂布越難做均勻。
磷酸鐵鋰電池顆粒細(xì)小，同等質(zhì)量下，顆粒數(shù)量增加，要把他們聯(lián)結(jié)起來組成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，需要的導(dǎo)電劑的量也相應(yīng)增加。顆粒小、導(dǎo)電劑用量增加，所需的粘結(jié)劑用量也上升。靜置時，更容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，流動性比常規(guī)材料差。
根本的是從材料上進(jìn)行改善，如提高導(dǎo)電性加大顆粒、顆粒球形化等，短時間內(nèi)可能有效果較為有限。立足現(xiàn)有材料，從電池加工的角度來說，改善的途徑，可從以下幾項進(jìn)行嘗試：
1.采用“線性”的導(dǎo)電劑
采用“線形”導(dǎo)電劑，目前主要是VGCF(碳纖維)和CNTS(碳納米管)、金屬納米線等。
使用CNTS或者VGCF等“線性”導(dǎo)電劑可能產(chǎn)生的影響有：
(1)線性導(dǎo)電劑在一定程度上提升粘結(jié)效果，提高極片柔韌性和強(qiáng)度;
(2)減少導(dǎo)電劑用量，膠用量也有可能降低，活性物質(zhì)含量可提高;
(3)改善極化，降低接觸阻抗，改善循環(huán)性能;
(4)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)接觸節(jié)點(diǎn)多，網(wǎng)絡(luò)更為完善，倍率性能較常規(guī)導(dǎo)電劑更為出色;散熱性能提升，對高倍率電池很有意義;
(5)吸收性能得到改善;
(6)材料價格較高，成本上升。1Kg導(dǎo)電劑，常用的SUPERP僅為數(shù)十元，VGCF大約兩三千元，CNTS比VGCF略高;
(7)CNTS、VGCF等比表面較高，如何分散是使用中必需解決的一個問題，否則分散不好性能得不大發(fā)揮。可借助超聲分散等手段。有CNTs廠家提供分散好的導(dǎo)電液。
2.改善分散效果
分散效果好的漿料，則顆粒接觸團(tuán)聚的概率會大為降低，漿料的穩(wěn)定性會得到很大改善。通過配方、配料工步的改善在一定程度上可以改善分散效果，采用前面提及的超聲分散也是一個有效方法。
3.改進(jìn)漿料轉(zhuǎn)移過程
漿料儲存時可考慮提高攪拌速度避免漿料粘稠;對于使用周轉(zhuǎn)桶轉(zhuǎn)移漿料的，盡可能縮短出料到涂布的時間，有條件的改用管道輸送，改善漿料粘稠現(xiàn)象。
4.采用擠壓涂布
擠壓涂布可以改善刮刀涂布表面紋路、厚度不均等現(xiàn)象，但是設(shè)備價格較高，對漿料的穩(wěn)定性要求較高。
干燥困難
由于磷酸鐵鋰電池比表面大、粘結(jié)劑用量大，制備漿料時所需要的溶劑用量也就大，涂布后干燥也就較為困難。如何控制溶劑的揮發(fā)速度，則是一個值得關(guān)注的問題。溫度高、風(fēng)量大，干燥速度快，產(chǎn)生的空隙也就大，同時還可能帶動膠質(zhì)的遷移，導(dǎo)致涂層中材料分布不均，如果膠質(zhì)在表層產(chǎn)生聚集，則會阻礙帶電粒子的傳導(dǎo)，增大阻抗。溫度低、風(fēng)量低，溶劑逸出慢，干燥時間長，產(chǎn)能低。
粘結(jié)性能較差
磷酸鐵鋰電池材料的顆粒小，比表面比比鈷酸鋰、錳酸鋰配增大了很多，需要的粘結(jié)劑也就更多。但是粘結(jié)劑用多了，降低活性物質(zhì)的含量，能量密度就降低，所以可能的情況下，電池生產(chǎn)過程中會盡力減少粘結(jié)劑用量。為改善粘結(jié)效果，目前磷酸鐵鋰加工的通用做法一方面提高粘結(jié)劑的分子量，一方面是提高粘結(jié)劑用量。目前似乎結(jié)果還不是讓人滿意。
制漿是鋰電池生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的工序之一，其核心任務(wù)就是把活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等物料均勻的混合，使得材料性能能夠更好的發(fā)揮。
要混勻，先要能分散。顆粒減小，相應(yīng)的比表面也就增大，表面能也就增大，顆粒間發(fā)生聚合的趨勢就增強(qiáng)?？朔砻婺芊稚⑺枰哪芰恳簿驮酱?。要提升分散能力，一個是在攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，不改變最大剪切速度的情況下提高有效分散區(qū)域的空間比例;一個是提高攪拌功率，提升剪切速度，相應(yīng)的有效分散空間也會增大。前者屬設(shè)備上的問題，提升空間有多大，涂布在線不做評論。后者，提升空間有限，因?yàn)榧羟兴俣忍岬揭欢ㄏ薅龋蜁Σ牧显斐蓚?，?dǎo)致顆粒破損。
較為有效的方法是采用超聲波分散技術(shù)。只是超聲波設(shè)備價格較高，前些時候接觸的一家，其價格和進(jìn)口的日本機(jī)械攪拌機(jī)相當(dāng)。超聲分散工藝時間短，總體能耗降低，漿料分散效果好，材料顆粒的聚合得到有效延緩，穩(wěn)定性大為提高。
涂布均一性問題
涂布不均，不僅鋰電池一致性就不好，還關(guān)系到設(shè)計、使用安全性等問題。所以，電池制作過程中對涂布均一性的控制很嚴(yán)格。做配方、涂布工藝的知道，材料顆粒越小，涂布越難做均勻。
磷酸鐵鋰電池顆粒細(xì)小，同等質(zhì)量下，顆粒數(shù)量增加，要把他們聯(lián)結(jié)起來組成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，需要的導(dǎo)電劑的量也相應(yīng)增加。顆粒小、導(dǎo)電劑用量增加，所需的粘結(jié)劑用量也上升。靜置時，更容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，流動性比常規(guī)材料差。
根本的是從材料上進(jìn)行改善，如提高導(dǎo)電性加大顆粒、顆粒球形化等，短時間內(nèi)可能有效果較為有限。立足現(xiàn)有材料，從電池加工的角度來說，改善的途徑，可從以下幾項進(jìn)行嘗試：
1.采用“線性”的導(dǎo)電劑
采用“線形”導(dǎo)電劑，目前主要是VGCF(碳纖維)和CNTS(碳納米管)、金屬納米線等。
使用CNTS或者VGCF等“線性”導(dǎo)電劑可能產(chǎn)生的影響有：
(1)線性導(dǎo)電劑在一定程度上提升粘結(jié)效果，提高極片柔韌性和強(qiáng)度;
(2)減少導(dǎo)電劑用量，膠用量也有可能降低，活性物質(zhì)含量可提高;
(3)改善極化，降低接觸阻抗，改善循環(huán)性能;
(4)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)接觸節(jié)點(diǎn)多，網(wǎng)絡(luò)更為完善，倍率性能較常規(guī)導(dǎo)電劑更為出色;散熱性能提升，對高倍率電池很有意義;
(5)吸收性能得到改善;
(6)材料價格較高，成本上升。1Kg導(dǎo)電劑，常用的SUPERP僅為數(shù)十元，VGCF大約兩三千元，CNTS比VGCF略高;
(7)CNTS、VGCF等比表面較高，如何分散是使用中必需解決的一個問題，否則分散不好性能得不大發(fā)揮。可借助超聲分散等手段。有CNTs廠家提供分散好的導(dǎo)電液。
2.改善分散效果
分散效果好的漿料，則顆粒接觸團(tuán)聚的概率會大為降低，漿料的穩(wěn)定性會得到很大改善。通過配方、配料工步的改善在一定程度上可以改善分散效果，采用前面提及的超聲分散也是一個有效方法。
3.改進(jìn)漿料轉(zhuǎn)移過程
漿料儲存時可考慮提高攪拌速度避免漿料粘稠;對于使用周轉(zhuǎn)桶轉(zhuǎn)移漿料的，盡可能縮短出料到涂布的時間，有條件的改用管道輸送，改善漿料粘稠現(xiàn)象。
4.采用擠壓涂布
擠壓涂布可以改善刮刀涂布表面紋路、厚度不均等現(xiàn)象，但是設(shè)備價格較高，對漿料的穩(wěn)定性要求較高。
干燥困難
由于磷酸鐵鋰電池比表面大、粘結(jié)劑用量大，制備漿料時所需要的溶劑用量也就大，涂布后干燥也就較為困難。如何控制溶劑的揮發(fā)速度，則是一個值得關(guān)注的問題。溫度高、風(fēng)量大，干燥速度快，產(chǎn)生的空隙也就大，同時還可能帶動膠質(zhì)的遷移，導(dǎo)致涂層中材料分布不均，如果膠質(zhì)在表層產(chǎn)生聚集，則會阻礙帶電粒子的傳導(dǎo)，增大阻抗。溫度低、風(fēng)量低，溶劑逸出慢，干燥時間長，產(chǎn)能低。
粘結(jié)性能較差
磷酸鐵鋰電池材料的顆粒小，比表面比比鈷酸鋰、錳酸鋰配增大了很多，需要的粘結(jié)劑也就更多。但是粘結(jié)劑用多了，降低活性物質(zhì)的含量，能量密度就降低，所以可能的情況下，電池生產(chǎn)過程中會盡力減少粘結(jié)劑用量。為改善粘結(jié)效果，目前磷酸鐵鋰加工的通用做法一方面提高粘結(jié)劑的分子量，一方面是提高粘結(jié)劑用量。目前似乎結(jié)果還不是讓人滿意。
