顆粒特性及漿料流變特性對鋰電池電極加工性能有什么影響？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-02 06:55
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主要內容包括：鋰電池電極加工工藝概述；電池漿料特性表征技術；顆粒粒徑大小及分布顆粒形態(tài)；流變特性表征技術；電池漿料顆粒特性與漿料流變特性的關系；流變特性在鋰電池加工過程的應用。
鋰離子電池是有正負極極片和隔膜通過疊片或卷繞的方式組裝起來，再添加電解液，活化之后形成產品的，而正、負極極片是一種顆粒組成的涂層，均勻的涂敷在金屬集流體上。鋰離子電池極片涂層可看成一種復合材料，主要由三部分組成：(1)活性物質顆粒；(2)導電劑和黏結劑相互混合的組成相(碳膠相)；(3)孔隙，填滿電解液。
在電池生產工藝過程中，漿料的制備過程以及漿料的涂布過程是整個工藝過程的基礎，直接決定電池的性能和產品質量。這兩道工藝非常關鍵，它們又涉及到粉末顆粒和懸浮液流體，因此顆粒特性和漿料的流變特性對電池加工過程具有重要的影響，工藝過程中，漿料內部的顆粒分布與特性與工藝過程的相互影響，以及內部微結構的表征技術都是很關鍵的，對這些過程充分認識后，我們能夠更好地理解工藝-微結構-性能之間的相互關系。
鋰離子電池漿料是由固體活性物質顆粒、導電劑以及溶解在溶劑中的粘結劑等組成的高填充的懸浮液，一般固含量40-70%，各物質的分布狀態(tài)，以及它們之間的相互作用對流體體系的穩(wěn)定性和加工性能都有影響。比如漿料中的導電劑分布狀態(tài)可能具有三種情況：（1）導電劑團聚在一起，沒有完全分散開；（2）導電劑分散均勻，但是導電劑與活性物質顆粒不形成相互作用，各自獨立分散；（3）導電劑分散均勻，并且對活性物質顆粒形成包覆作用。最理想的是第三種情況。
活性物質顆粒的粒徑、形貌、含量，以及各組分之間的相互作用等都會對漿料特性有影響，從而形成不同的涂布加工性能和最終電池性能的差異。而涂布過程由漿料特性、涂布工藝參數、設備結構等參數的控制。漿料的好壞對涂布加工起到決定性影響，比如涂層的厚度均勻性、邊緣效應等都和漿料有關。
因此，要充分理解好鋰離子電池漿料制備和涂布工藝，首先就需要全方位對漿料特性進行表征，充分認識性質，才能控制好它。比如采用激光衍射測量技術表征顆粒的尺寸大小和分布，圖像分析法研究顆粒的大小和形貌，旋轉流變儀研究漿料的流變特性。
以下幾頁是這幾種測試表征技術的基本原理和設備基本構成。
在日常的電池生產工藝中，我們常常采用重量百分比配置漿料。其實，在懸浮液體系以及電池漿料配方優(yōu)化估算時，各相的體積分數是一個重要的考慮參數。固體顆粒在懸浮液存在一個最大的填充體積。實際的顆粒體積分數會對流體特性產生影響，顆粒體積分數特別低的極稀體系和顆粒體積分數高的高填充體系符合不同的顆粒體積分數與剪切粘度函數關系，流變特性隨著顆粒體積分數增加也發(fā)生變化，由牛頓流體變?yōu)榧羟凶兿?，再轉變?yōu)榧羟性龀怼?/div>
在剪切作用下，高拉伸比的顆粒容易排列取向。球形的電極顆粒制備的極片各相同性，三個方向孔隙率迂曲度一致；而對于非球形顆粒電極，就會表現出各向異性， 如片狀石墨傾向于平行集流體分布，z軸孔隙迂曲度最大，不不利于鋰離子的傳輸。
鋰離子漿料屬于具有剪切稀釋現象的非牛頓流體。實際涂布工藝中，模頭狹縫區(qū)域應該計算實際剪切速率，才能知道對應剪切速率下漿料的粘度。以下是幾種涂布工藝的剪切速率估算方法。
零剪切速率粘度是一個與時間無關的值，它直接反映了流體層間的微觀屬性，是評價不同高聚物溶液流體粘度和流體層間化學特性的重要基本參數，直接與漿料的沉降速度相關。
漿料具有流平特性，將漿料涂刷在樣板上,使之平滑均勻,然后在涂層中部用刷子縱向抹一刷痕,觀察多少時間刷痕消失,涂層又恢復成平滑表面。一般按照涂層達到均勻平滑表面的時間來評級。對流平性能的評價與漿料的類型和粘度有極大的關系,粘度大的漿料一般流平性能不如低粘度的。
漿料流動成形的力是外加的剪切力，即箔材移動時的外力作用于漿料使其鋪展。而流平的動力是漿料表面張力即自身收縮的力，這是在外力消失后，使涂膜表面達到光滑平整狀態(tài)的主要作用力。漿料要達到光滑平整的表面需要具有良好的流動與流平特性。
