鋰電池漿料制備技術(shù)及其對電極形貌的影響
來源：寶鄂實業(yè)
2019-02-17 18:37
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鋰離子電池性能依賴于電池極片各組分的成分和性質(zhì)，包括電活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等。電極制備工藝決定電極的微觀形貌，也是非常重要的。電極制備技術(shù)的進(jìn)步不僅可以降低電池生產(chǎn)成本，而且可以提升電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性。在學(xué)術(shù)界，許多方法被嘗試用于鋰電池極片制備，比如化學(xué)氣相沉積、噴射沉積、激光沉積、旋轉(zhuǎn)涂布等。甚至有研究人員致力于開發(fā)由電活性顆粒、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑干粉混合物直接涂敷在集流體基體上，而不用液態(tài)漿料。所有這些方法都還沒有商業(yè)應(yīng)用，本文也不做討論。
目前，大部分鋰離子電池極片生產(chǎn)都是在金屬集流體上涂敷電極漿料層，然后干燥，干燥極片再輥壓壓實。這些技術(shù)不僅在商業(yè)化生產(chǎn)上使用，學(xué)術(shù)界也普遍采用，只是科研上一般采用逗號刮刀涂布。電極漿料制備都是電活性物質(zhì)、聚合物粘結(jié)劑，導(dǎo)電劑和溶劑一起攪拌混合，表1是常見的商業(yè)化電池電極材料。有時，漿料工藝也需要加入一些混料輔助添加劑，比如水基溶劑，往往需要添加分散劑調(diào)節(jié)漿料的流變特性，以匹配涂布設(shè)備要求。
漿料制備技術(shù)，濕極片的干燥和極片的輥壓壓實處理工藝參數(shù)控制電極微觀形貌，因而對電極性能影響巨大。另外，漿料的性質(zhì)也會影響電極生產(chǎn)工藝性能，從而影響設(shè)備的生產(chǎn)效率和最終的電極形貌，甚至整個電池的可使用性。
漿料形貌和制備工藝對電極形貌特征的影響
鋰離子電池極片擁有復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，包含活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑顆粒，它們通過粘結(jié)劑連結(jié)在一起，并粘附在金屬集流體上。電極性能取決于各組分的性能和電極形貌，導(dǎo)電劑通常是各種各樣的碳導(dǎo)電材料顆粒，它還可以與活性物質(zhì)顆粒形成互鎖，強化與集流體的粘結(jié)。理想的電極顆粒涂層形貌如圖1所示，應(yīng)該是這樣的：
（i）活物質(zhì)顆粒細(xì)小均勻分散沒有團(tuán)聚，導(dǎo)電劑顆粒形成薄層彌散成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并最大量地在集流體上互鎖連結(jié)活物質(zhì)顆粒。實際上，導(dǎo)電劑顆粒一般為各種各樣的碳材料顆粒，最優(yōu)情況可以考慮多尺度特征的導(dǎo)電劑體系。粘結(jié)劑的作用是確保電極結(jié)構(gòu)的機械穩(wěn)定性，正極通常是PVDF基的聚合物。另外，電極還需要有足夠的孔洞，允許電解液滲透到所有的活物質(zhì)顆粒。電極結(jié)構(gòu)特征也意味著活物質(zhì)與導(dǎo)電劑，與粘結(jié)劑的質(zhì)量比要盡可能高。
（ii）活物質(zhì)顆粒最好細(xì)小，確保電池有高的電流密度。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為活物質(zhì)顆粒內(nèi)部的鋰離子擴散決定電池倍率性能，小顆粒鋰離子擴散路徑短，能夠提升電流特性和庫侖效率。近來，許多研究工作開始修訂傳統(tǒng)所接受的鋰離子擴散或鋰離子傳導(dǎo)觀念，并認(rèn)為即使活物質(zhì)顆粒是微米尺度，鋰離子的擴散也不是決定倍率性能的關(guān)鍵過程。同時，提升鋰離子擴散速率已經(jīng)被認(rèn)為不是減小活物質(zhì)顆粒尺寸的唯一原因，減小顆粒尺寸能夠提升電池倍率性能，目前出現(xiàn)了另外兩種解釋，減小活物質(zhì)顆粒尺寸是：
目前，大部分鋰離子電池極片生產(chǎn)都是在金屬集流體上涂敷電極漿料層，然后干燥，干燥極片再輥壓壓實。這些技術(shù)不僅在商業(yè)化生產(chǎn)上使用，學(xué)術(shù)界也普遍采用，只是科研上一般采用逗號刮刀涂布。電極漿料制備都是電活性物質(zhì)、聚合物粘結(jié)劑，導(dǎo)電劑和溶劑一起攪拌混合，表1是常見的商業(yè)化電池電極材料。有時，漿料工藝也需要加入一些混料輔助添加劑，比如水基溶劑，往往需要添加分散劑調(diào)節(jié)漿料的流變特性，以匹配涂布設(shè)備要求。
漿料制備技術(shù)，濕極片的干燥和極片的輥壓壓實處理工藝參數(shù)控制電極微觀形貌，因而對電極性能影響巨大。另外，漿料的性質(zhì)也會影響電極生產(chǎn)工藝性能，從而影響設(shè)備的生產(chǎn)效率和最終的電極形貌，甚至整個電池的可使用性。
漿料形貌和制備工藝對電極形貌特征的影響
鋰離子電池極片擁有復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，包含活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑顆粒，它們通過粘結(jié)劑連結(jié)在一起，并粘附在金屬集流體上。電極性能取決于各組分的性能和電極形貌，導(dǎo)電劑通常是各種各樣的碳導(dǎo)電材料顆粒，它還可以與活性物質(zhì)顆粒形成互鎖，強化與集流體的粘結(jié)。理想的電極顆粒涂層形貌如圖1所示，應(yīng)該是這樣的：
（i）活物質(zhì)顆粒細(xì)小均勻分散沒有團(tuán)聚，導(dǎo)電劑顆粒形成薄層彌散成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并最大量地在集流體上互鎖連結(jié)活物質(zhì)顆粒。實際上，導(dǎo)電劑顆粒一般為各種各樣的碳材料顆粒，最優(yōu)情況可以考慮多尺度特征的導(dǎo)電劑體系。粘結(jié)劑的作用是確保電極結(jié)構(gòu)的機械穩(wěn)定性，正極通常是PVDF基的聚合物。另外，電極還需要有足夠的孔洞，允許電解液滲透到所有的活物質(zhì)顆粒。電極結(jié)構(gòu)特征也意味著活物質(zhì)與導(dǎo)電劑，與粘結(jié)劑的質(zhì)量比要盡可能高。
（ii）活物質(zhì)顆粒最好細(xì)小，確保電池有高的電流密度。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為活物質(zhì)顆粒內(nèi)部的鋰離子擴散決定電池倍率性能，小顆粒鋰離子擴散路徑短，能夠提升電流特性和庫侖效率。近來，許多研究工作開始修訂傳統(tǒng)所接受的鋰離子擴散或鋰離子傳導(dǎo)觀念，并認(rèn)為即使活物質(zhì)顆粒是微米尺度，鋰離子的擴散也不是決定倍率性能的關(guān)鍵過程。同時，提升鋰離子擴散速率已經(jīng)被認(rèn)為不是減小活物質(zhì)顆粒尺寸的唯一原因，減小顆粒尺寸能夠提升電池倍率性能，目前出現(xiàn)了另外兩種解釋，減小活物質(zhì)顆粒尺寸是：
