關于鋰離子電池的原理工藝和基本性能介紹
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-10 13:40
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1、正極構造
LiCoO2 + 導電劑 + 粘合劑 (PVDF) + 集流體（鋁箔）
2、負極構造
石墨 + 導電劑 + 增稠劑 (CMC) + 粘結劑 (SBR) + 集流體（銅箔）
3.1 充電過程
一個電源給電池充電，此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上，正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達負極，與早就跑過來的電子結合在一起。此時：
3.2 電池放電過程
放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實是在外電路加一個可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實質都是在電池正負極加一個電阻讓電子通過。由此可知，只要負極上的電子不能從負極跑到正極，電池就不會放電。電子和Li+都是同時行動的，方向相同但路不同，放電時，電子從負極經過電子導體跑到正極，鋰離子Li+從負極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達正極，與早就跑過來的電子結合在一起。
3.3 充放電特性
電芯正極采用LiCoO2 、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一種層結構很穩(wěn)定的晶型，但當從LiCoO2拿走x個Li離子后，其結構可能發(fā)生變化，但是否發(fā)生變化取決于x的大小。
通過研究發(fā)現(xiàn)當x >0.5時，Li1-xCoO2的結構表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定，會發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒終結。所以電芯在使用過程中應通過限制充電電壓來控制Li1-xCoO2中的x值，一般充電電壓不大于4.2V那么x小于0.5 ，這時Li1-xCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。
負極C6其本身有自己的特點，當第一次化成后，正極LiCoO2中的Li被充到負極C6中，當放電時Li回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li留在負極C6中心，以保證下次充放電Li的正常嵌入，否則電芯的壓倒很短，為了保證有一部分Li留在負極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實現(xiàn)：安全充電上限電壓≤4.2V，放電下限電壓≥2.5V。
記憶效應的原理是結晶化，在鋰電池中幾乎不會產生這種反應。但是，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會下降，其原因是復雜而多樣的。主要是正負極材料本身的變化，從分子層面來看，正負極上容納鋰離子的空穴結構會逐漸塌陷、堵塞；從化學角度來看，是正負極材料活性鈍化，出現(xiàn)副反應生成穩(wěn)定的其他化合物。物理上還會出現(xiàn)正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動的鋰離子數目。
過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀的理解，過度放電將導致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結構出現(xiàn)塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結構里去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。
不適合的溫度將引發(fā)鋰離子電池內部其他化學反應生成我們不希望看到的化合物，所以在不少的鋰離子電池正負極之間設有保護性的溫控隔膜或電解質添加劑。在電池升溫到一定的情況下，復合膜膜孔閉合或電解質變性，電池內阻增大直到斷路，電池不再升溫，確保電池充電溫度正常。
二、鋰電池的配方與工藝流程
1. 正負極配方
1.1 正極配方：LiCoO2+導電劑+粘合劑+集流體（鋁箔）
LiCoO2(10μm): 96.0%
導電劑（Carbon ECP） 2.0%
粘合劑（PVDF 761） 2.0%
NMP（增加粘結性）:固體物質的重量比約為810:1496
a)正極粘度控制6000cps（溫度25轉子3）；
b) NMP重量須適當調節(jié)，達到粘度要求為宜；
c)特別注意溫度、濕度對黏度的影響
正極活性物質：
鈷酸鋰：正極活性物質，鋰離子源，為電池提高鋰源。非極性物質，不規(guī)則形狀，粒徑D50一般為6-8 μm，含水量≤0.2%，通常為堿性，pH值為10-11左右。
錳酸鋰：非極性物質，不規(guī)則形狀，粒徑D50一般為5-7 μm，含水量≤0.2%，通常為弱堿性，pH值為8左右。
導電劑：鏈狀物，含水量< 1%，粒徑一般為 1-5 μm。通常使用導電性優(yōu)異的超導碳黑，如科琴炭黑Carbon ECP和ECP600JD，其作用：提高正極材料的導電性，補償正極活性物質的電子導電性；提高正極片的電解液的吸液量，增加反應界面，減少極化。
PVDF粘合劑：非極性物質，鏈狀物，分子量從300,000到3,000,000不等；吸水后分子量下降，粘性變差。用于將鈷酸鋰、導電劑和鋁箔或鋁網粘合在一起。常用的品牌如Kynar761。
NMP：弱極性液體，用來溶解/溶脹PVDF，同時用來稀釋漿料。
集流體（正極引線）：由鋁箔或鋁帶制成。
1.2 負極配方：石墨+導電劑+增稠劑（CMC）+粘結劑（SBR）+ 集流體（銅箔）
負極材料（石墨）：94.5%
導電劑（Carbon ECP）：1.0%(科琴超導碳黑)
粘結劑（SBR）：2.25%(SBR = 丁苯橡膠膠乳）
增稠劑（CMC）：2.25%(CMC = 羧甲基纖維素鈉）
水：固體物質的重量比為1600:1417.5
a) 負極黏度控制5000-6000cps（溫度25轉子3）
b) 水重量需要適當調節(jié)，達到黏度要求為宜；
c) 特別注意溫度濕度對黏度的影響
2、正負混料
石墨：負極活性物質，構成負極反應的主要物質；主要分為天然石墨和人造石墨兩大類。非極性物質，易被非極性物質污染，易在非極性物質中分散；不易吸水，也不易在水中分散。被污染的石墨，在水中分散后，容易重新團聚。一般粒徑 D50為20μm左右。顆粒形狀多樣且多不規(guī)則，主要有球形、片狀、纖維狀等。
導電劑：其作用為：
a) 提高負極片的導電性，補償負極活性物質的電子導電性。
b) 提高反應深度及利用率。
c) 防止枝晶的產生。
d) 利用導電材料的吸液能力，提高反應界面，減少極化。（可根據石墨粒度分布選擇加或不加）。
添加劑：降低不可逆反應，提高粘附力，提高漿料黏度，防止?jié){料沉淀。
增稠劑/防沉淀劑（CMC）：高分子化合物，易溶于水和極性溶劑。
異丙醇：弱極性物質，加入后可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶液的相容性；具有強烈的消泡作用；易催化粘合劑網狀交鏈，提高粘結強度。
乙醇：弱極性物質，加入后可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶液的相容性；具有強烈的消泡作用；易催化粘合劑線性交鏈，提高粘結強度（異丙醇和乙醇的作用從本質上講是一樣的，大批量生產時可考慮成本因素然后選擇添加哪種）。
水性粘合劑（SBR）：將石墨、導電劑、添加劑和銅箔或銅網粘合在一起。小分子線性鏈狀乳液，極易溶于水和極性溶劑。
去離子水（或蒸餾水）：稀釋劑，酌量添加，改變漿料的流動性。
負極引線：由銅箔或鎳帶制成。
2.1正極混料 ：
2.1.1原料的預處理
1) 鈷酸鋰：脫水。一般用120 °C常壓烘烤2小時左右。
2) 導電劑：脫水。一般用200 °C常壓烘烤2小時左右。
3) 粘合劑：脫水。一般用120-140 °C常壓烘烤2小時左右，烘烤溫度視分子量的大小決定。
4) NMP：脫水。使用干燥分子篩脫水或采用特殊取料設施，直接使用。
2.1.2物料球磨：
1) 4小時結束，過篩分離出球磨；
2) 將LiCoO2 和Carbon ECP倒入料桶，同時加入磨球（干料：磨球=1:1），在滾瓶及上進行球磨，轉速控制在60rmp以上
2.1.3 原料的摻和：
1) 粘合劑的溶解（按標準濃度）及熱處理。
2) 鈷酸鋰和導電劑球磨：使粉料初步混合，鈷酸鋰和導電劑粘合在一起，提高團聚作用和的導電性。配成漿料后不會單獨分布于粘合劑中，球磨時間一般為2小時左右；為避免混入雜質，通常使用瑪瑙球作為球磨介子。
2.1.4 干粉的分散、浸濕：
原理：固體粉末放置在空氣中，隨著時間的推移，將會吸附部分空氣在固體的表面上，液體粘合劑加入后，液體與氣體開始爭奪固體表面；如果固體與氣體吸附力比與液體的吸附力強，液體不能浸濕固體；如果固體與液體吸附力比與氣體的吸附力強，液體可以浸濕固體，將氣體擠出。
當潤濕角≤90°，固體浸濕。當潤濕角>90°，固體不浸濕。
正極材料中的所有組員都能被粘合劑溶液浸濕，所以正極粉料分散相對容易。
分散方法對分散的影響：
1)靜置法（時間長，效果差，但不損傷材料的原有結構）；
2)攪拌法：自轉或自轉加公轉（時間短，效果佳，但有可能損傷個別材料的自身結構）。
攪拌槳對分散速度的影響：攪拌槳大致包括蛇形、蝶形、球形、槳形、齒輪形等。一般蛇形、蝶形、槳型攪拌槳用來對付分散難度大的材料或配料的初始階段；球形、齒輪形用于分散難度較低的狀態(tài)，效果佳。
攪拌速度對分散速度的影響。一般說來攪拌速度越高，分散速度越快，但對材料自身結構和對設備的損傷就越大。
濃度對分散速度的影響。通常情況下漿料濃度越小，分散速度越快，但太稀將導致材料的浪費和漿料沉淀的加重。
濃度對粘結強度的影響。濃度越大，柔制強度越大，粘接強度越大；濃度越低，粘接強度越小。
真空度對分散速度的影響。高真空度有利于材料縫隙和表面的氣體排出，降低液體吸附難度；材料在完全失重或重力減小的情況下分散均勻的難度將大大降低。
溫度對分散速度的影響。適宜的溫度下，漿料流動性好、易分散。太熱漿料容易結皮，太冷漿料的流動性將大打折扣。
稀釋：將漿料調整為合適的濃度，便于涂布。
