最全面的磷酸鐵鋰材料在電池加工中的常見(jiàn)問(wèn)題解答
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-10-06 23:21
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由于鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)低、導(dǎo)電性差，磷酸鐵鋰可以通過(guò)縮短鋰離子遷移率和電子遷移路徑來(lái)充電和放電（理論上，遷移路徑的平方和遷移路徑的平方成反比）。但是這給電池的處理帶來(lái)了一系列的困難。
第一個(gè)問(wèn)題是材料分散。
制漿是電池生產(chǎn)過(guò)程中最關(guān)鍵的工序之一。它的核心任務(wù)是將活性材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等材料均勻混合，從而更好地發(fā)揮材料性能。要充分混合，先分散。當(dāng)顆粒尺寸減小時(shí)，比表面積增大，表面能增加，顆粒間聚集的趨勢(shì)增加?？朔砻婺芊稚⑺璧哪芰吭蕉?。目前，機(jī)械攪拌被廣泛應(yīng)用。機(jī)械攪拌的能量分布不均勻。只有在一定范圍內(nèi)，剪切強(qiáng)度足夠大，能量足夠高，才能將聚集的顆粒分離。為了提高分散能力，一是優(yōu)化混合設(shè)備的結(jié)構(gòu)，在不改變最大剪切速率的情況下增加有效分散面積的空間比例；另一方面是增加混合功率（增加混合速度），增加剪切速率，相應(yīng)的有效色散空間也將增大。前者屬于設(shè)備問(wèn)題，升級(jí)空間有多大，在線涂裝無(wú)可奉告。在后一種情況下，提升空間是有限的，因?yàn)榧羟兴俾试谝欢ǔ潭壬鲜怯邢薜?，這將對(duì)材料造成損傷并導(dǎo)致顆粒損傷。
更有效的方法是采用超聲分散技術(shù)。但是超聲波設(shè)備的價(jià)格更高。我之前接觸過(guò)的一臺(tái)的價(jià)格和日本進(jìn)口的機(jī)械攪拌機(jī)相當(dāng)。超聲波分散工藝具有時(shí)間短、總能耗低、漿料分散效果好、物料顆粒聚集有效延遲、穩(wěn)定性大等優(yōu)點(diǎn)。
另外，分散劑可以改善分散效果。
涂層均勻性
涂層不均勻不僅導(dǎo)致電池的一致性差，而且還涉及到設(shè)計(jì)、安全等問(wèn)題。因此，在電池制造過(guò)程中，嚴(yán)格控制鍍層的均勻性。配方和涂布工藝知道材料顆粒越小，涂布越難于均勻。我還沒(méi)有看到任何關(guān)于其機(jī)制的解釋。在線涂層歸因于電極漿料的非牛頓流體性質(zhì)。
電極漿液應(yīng)是非牛頓流體中的觸變性流體，其特征是靜止時(shí)呈粘滯甚至固態(tài)，攪拌后變得更薄，更容易流動(dòng)。粘合劑是亞微觀狀態(tài)下的線性或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。攪拌時(shí)，這些結(jié)構(gòu)被破壞，流動(dòng)性好。當(dāng)它們靜止時(shí)，它們重新形成，流動(dòng)性變差。磷酸鐵鋰顆粒很小，顆粒的質(zhì)量隨質(zhì)量的增加而增加。如果它們被結(jié)合在一起形成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，則所需的導(dǎo)電劑的量將相應(yīng)增加。當(dāng)粒徑小且導(dǎo)電劑用量增加時(shí)，所需粘結(jié)劑的用量也增加。當(dāng)其靜止時(shí)，容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，流動(dòng)性比常規(guī)材料差。
在從混合器到漿料的漿料轉(zhuǎn)移過(guò)程中，許多廠家仍然使用周轉(zhuǎn)桶。在該過(guò)程中，漿料不攪拌或攪拌強(qiáng)度低。漿體流動(dòng)性發(fā)生變化，逐漸變粘，呈膠狀。流動(dòng)性差導(dǎo)致涂層均勻性差，其特點(diǎn)是單面密度公差增大，表面形貌差。
最根本的是改善材料，如提高導(dǎo)電率，增加顆粒大小，球形顆粒等，在短時(shí)間內(nèi)可能有有限的效果。在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上，從電池加工的角度，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：
一個(gè)
使用“線性”導(dǎo)電劑
所謂的“線性”和“顆粒狀”導(dǎo)電劑是作者的形象，這可能不是這樣描述的學(xué)術(shù)。
目前，VGCF（碳纖維）、CNTs（碳納米管）、金屬納米線等主要用作線性導(dǎo)電劑。它們的直徑為幾十納米至幾十納米，長(zhǎng)度為幾十毫米甚至厘米。目前常用的“顆粒狀”導(dǎo)電劑（如超級(jí)P、KS—6）的尺寸一般為幾十納米，電池材料的尺寸為幾微米。極板由“粒狀”導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)組成，接觸點(diǎn)和點(diǎn)相似，每個(gè)點(diǎn)只能與周圍的點(diǎn)接觸；極板由“線狀”導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)組成，是點(diǎn)、線、線、線的接觸點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)可以同時(shí)與多條線接觸，每條線也可以同時(shí)與多條線接觸，接觸更多的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)電。通道也更開(kāi)放，導(dǎo)電性更好。采用多種不同形式的導(dǎo)電劑組合，可以起到較好的導(dǎo)電效果，具體如何選擇導(dǎo)電劑用于電池生產(chǎn)是一個(gè)非常值得探索的問(wèn)題。
使用“線性”導(dǎo)電劑如CNTs或VGCF的可能效果如下：
（1）線性導(dǎo)電劑能在一定程度上提高板的粘接效果和撓性和強(qiáng)度。
（2）減少導(dǎo)電劑的用量（記得有報(bào)道說(shuō)，碳納米管的導(dǎo)電效率是相同質(zhì)量（重量）的常規(guī)粒狀導(dǎo)電劑的三倍。”。一般（1），粘合劑的量也可以減少，并且活性物質(zhì)的含量可以增加。
（3）改善極化，降低接觸阻抗，提高循環(huán)性能；
（4）導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中有許多接觸節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)更完善，速率性能優(yōu)于常規(guī)導(dǎo)電劑，散熱性能的改善對(duì)高速率電池有重要意義；
（5）提高了吸附性能。
（6）材料價(jià)格上漲，成本上升。對(duì)于1公斤導(dǎo)電劑，常用的超級(jí)P僅為幾十元，VGCF約為二元或三千元。cnts略高于vgcf（當(dāng)用量為1%時(shí)，1kg cnts的成本按4000元計(jì)算，每小時(shí)增加約0.3元）。
（7）碳納米管、vgcf等高比表面積材料，如何分散是使用中必須解決的問(wèn)題，否則分散性能差將不會(huì)起主要作用。可以使用超聲分散。CNTs制造商提供分散的導(dǎo)電液體。
二
提高分散效果
當(dāng)分散效果良好的漿料分散時(shí)，顆粒接觸團(tuán)聚的概率將大大降低，漿料的穩(wěn)定性將大大提高。通過(guò)改進(jìn)配方和配料步驟，可以在一定程度上改善分散效果，上述超聲分散也是一種有效的方法。
三
漿料輸送工藝的改進(jìn)
儲(chǔ)存泥漿時(shí)，應(yīng)提高攪拌速度，避免泥漿粘滯。對(duì)于使用周轉(zhuǎn)桶輸送漿料的人員，應(yīng)盡可能縮短從排放到涂層的時(shí)間。應(yīng)采用有條件的管道輸送來(lái)改善漿料黏度。
四
擠壓涂層（噴涂）
擠壓涂層可以改善刮板涂層的不均勻表面結(jié)構(gòu)和厚度，但設(shè)備價(jià)格較高，對(duì)漿料的穩(wěn)定性要求較高。
干燥困難
由于磷酸鐵鋰比表面積大，粘合劑用量大，漿料制備所需溶劑量也大，所以涂膜后很難干燥。如何控制溶劑揮發(fā)速率是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。溫度高、風(fēng)量大、干燥速度快，由此產(chǎn)生的空隙會(huì)很大，還可能導(dǎo)致膠體的遷移，導(dǎo)致涂層中物料分布不均。如果膠體聚集在表面上，它將阻礙帶電粒子的傳輸和增加阻抗。低溫、低空氣流動(dòng)、溶劑逸出緩慢、干燥時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低。
粘結(jié)性能差
磷酸鐵鋰材料的粒徑較小，比表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈷酸鋰和錳酸鋰，因此需要更多的粘結(jié)劑。然而，當(dāng)粘結(jié)劑用量較多時(shí)，通過(guò)降低活性物質(zhì)的含量，可以降低電池的能量密度，從而在電池生產(chǎn)過(guò)程中盡可能地減少粘結(jié)劑的用量。
