眾所周知，正極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵核心材料之一，其性能直接影響了鋰離子電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)，目前已經(jīng)市場化的鋰離子電池正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等產(chǎn)品[1]。相比于鋰離子電池的其他原材料，正極材料的品種更加多樣化，生產(chǎn)工藝也更加復(fù)雜，品質(zhì)失效的風(fēng)險(xiǎn)也就更大，因而對其質(zhì)量管理的要求也就更高。該文從材料使用者的角度談一談鋰離子電池正極材料常見的失效形式以及相應(yīng)的預(yù)防措施。

1正極材料中混入金屬異物

當(dāng)正極材料中存在鐵（Fe）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、鋅（Zn）、銀（Ag）等金屬雜質(zhì)時(shí)，電池化成階段的電壓達(dá)到這些金屬元素的氧化還原電位后，這些金屬就會(huì)先在正極氧化再到負(fù)極還原，當(dāng)負(fù)極處的金屬單質(zhì)累積到一定程度，其沉積金屬堅(jiān)硬的棱角就會(huì)刺穿隔膜，造成電池自放電[2]。自放電對鋰離子電池會(huì)造成致命的影響，因而從源頭上防止金屬異物的引入就顯得格外重要。

 

正極材料生產(chǎn)工序較多，制造過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有金屬異物引入的風(fēng)險(xiǎn)，這就對材料供應(yīng)商的設(shè)備自動(dòng)化程度及現(xiàn)場質(zhì)量管理水平提出了更高要求。但材料供應(yīng)商往往由于成本限制，其設(shè)備自動(dòng)化程度較低，生產(chǎn)制造工序斷點(diǎn)較多，不可控的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，電池制造商為了保證電池性能穩(wěn)定，預(yù)防自放電發(fā)生，必須推動(dòng)材料供應(yīng)商從人、機(jī)、料、法、環(huán)五大方面防止金屬異物引入。

生產(chǎn)設(shè)備是異物引入的主要環(huán)節(jié)，比如跟物料接觸的設(shè)備部件和工具出現(xiàn)生銹、固有材質(zhì)磨損等現(xiàn)象；未直接跟物料接觸的設(shè)備部件和工具，粉塵粘附后因車間氣流作用漂浮到物料中。根據(jù)影響程度，可采取不同的處理方式，如刷漆、更換為非金屬材質(zhì)涂層（塑料、陶瓷類）、裸露金屬部件進(jìn)行包裹等。管理者還應(yīng)制定相應(yīng)的規(guī)章制度，對如何管理金屬異物進(jìn)行明確規(guī)定，制定點(diǎn)檢表，要求員工定期檢查，防患于未然。

原材料是正極材料中金屬異物的直接來源，應(yīng)對購買的原材料進(jìn)行金屬異物含量的規(guī)定，入廠后應(yīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)，保證其含量在規(guī)定的范圍內(nèi)。如果原材料的金屬異物含量超標(biāo)，后續(xù)工序很難將其除去。

為了除去金屬異物，電磁除鐵已成為生產(chǎn)正極材料的必經(jīng)工序，電磁除鐵機(jī)被普遍使用，但該設(shè)備對非磁性金屬物質(zhì)如銅、鋅等不起作用，因此車間應(yīng)避免銅、鋅部件的使用，如必須要用到也盡量不要與粉料直接接觸或裸露在空氣中。此外，電磁除鐵機(jī)的安裝位置、安裝個(gè)數(shù)、參數(shù)設(shè)置等對除鐵效果也有一定影響。

為了保證車間環(huán)境，實(shí)現(xiàn)車間正壓，建立雙重門、風(fēng)淋門避免外界粉塵流入車間污染物料也是很必要的措施，同時(shí)車間設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)避免生銹，地面也要進(jìn)行刷漆并定期除磁。

2正極材料水分超標(biāo)

正極材料大都是微米或納米級顆粒，極易吸收空氣中的水分，特別是Ni含量高的三元材料。在制備正極漿料時(shí)，如果正極材料水分高，在進(jìn)行漿料攪拌過程中NMP吸水后會(huì)造成PVDF溶解度降低，導(dǎo)致漿料凝膠成果凍狀，影響加工性能。制成電池后，其容量、內(nèi)阻、循環(huán)和倍率等都會(huì)受到影響，因此正極材料的水分與金屬異物一樣要作為重點(diǎn)管控項(xiàng)目。

 

產(chǎn)線設(shè)備自動(dòng)化程度越高，粉料在空氣中暴露的時(shí)間越短，水分引入也就越少。推動(dòng)材料供應(yīng)商提高設(shè)備自動(dòng)化程度，如實(shí)現(xiàn)全程管道輸送，監(jiān)控管道露點(diǎn)，安裝機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝料、下料對防止水分引入貢獻(xiàn)巨大。但有些材料供應(yīng)商受限于廠房設(shè)計(jì)或是成本壓力，設(shè)備自動(dòng)化程度不高、制造工序斷點(diǎn)較多時(shí)就要嚴(yán)格控制粉料暴露時(shí)間，中轉(zhuǎn)過程的粉料最好使用充氮?dú)獾耐笆⒀b。生產(chǎn)車間的溫濕度也是一項(xiàng)重點(diǎn)管控指標(biāo)，理論上講露點(diǎn)越低越有利。大多數(shù)材料供應(yīng)商會(huì)重點(diǎn)關(guān)注燒結(jié)工序之后的水分控制，他們認(rèn)為1000度左右的燒結(jié)溫度可以除去粉料中的大部分水分，只要嚴(yán)格控制燒結(jié)工序之后到包裝這個(gè)階段的水分引入，基本可以保證材料水分不超標(biāo)。當(dāng)然這并不意味著燒結(jié)工序之前就不需要控制水分，因?yàn)槿绻肮ば蛩忠脒^多，燒結(jié)效率和材料的微觀形態(tài)都會(huì)受到影響。此外，包裝方式也是很重要的，大部分材料供應(yīng)商采用鋁塑袋抽真空的包裝方式，目前看來這種方式還是最經(jīng)濟(jì)有效的。

 

當(dāng)然材料設(shè)計(jì)不同，吸水性也會(huì)有較大差異，比如包覆材料差異、比表面積差異等都會(huì)影響其吸水性。有些材料供應(yīng)商雖然在制造過程中防止了水分的引入，但材料本身卻具有易吸水的特性，制成極片后水分極難烘出，這就給電池制造商造成了麻煩。因此，在開發(fā)新材料時(shí)應(yīng)考慮到吸水性的問題，開發(fā)出普適性更高的材料，這對供需雙方都大有好處。

 

(1)作業(yè)規(guī)程的建立。

 

產(chǎn)品的固有質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來的、更是制造出來的。因此，操作者如何操作對于控制產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要，應(yīng)建立詳細(xì)具體的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

 

(2)CTQ的識(shí)別。

 

對影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)和關(guān)鍵工序加以識(shí)別，對這些關(guān)鍵的管控指標(biāo)應(yīng)做特別的監(jiān)控，并制定相應(yīng)的應(yīng)急反應(yīng)措施。正磷酸鐵路線是當(dāng)前制備磷酸鐵鋰的主流，其工序包括配料、球磨、燒結(jié)、粉碎、包裝等，其球磨工序應(yīng)作為關(guān)鍵工序進(jìn)行管理，因?yàn)榍蚰ズ笠淮瘟Ｗ恿降囊恢滦匀绻刂撇缓?，成品的粒徑一致性就?huì)受影響，進(jìn)而會(huì)影響到材料的批次一致性。

 

(3)SPC的使用。

 

對關(guān)鍵過程的關(guān)鍵特性參數(shù)進(jìn)行SPC時(shí)時(shí)監(jiān)控，對異常點(diǎn)進(jìn)行剖析，找出導(dǎo)致不穩(wěn)定的原因、采取有效的糾正措施和預(yù)防措施，避免不良品流向客戶端。

 

4其他不良情況

 

制漿時(shí)，正極材料在制漿罐內(nèi)與溶劑、膠、導(dǎo)電劑按一定比例混合均勻后經(jīng)管道出料，出料口安裝了過濾網(wǎng)，其目的是為了攔截正極材料中的大顆粒和異物，以保證涂覆的質(zhì)量。若正極材料中含有大顆粒會(huì)導(dǎo)致過濾網(wǎng)堵塞，如果大顆粒的成分仍是正極材料本身，只是影響了生產(chǎn)效率不會(huì)對電池性能造成影響，這樣的損失還能小一些。但如果這種大顆粒的成分不確定，是其它金屬異物，那樣已經(jīng)制成的漿料就要全部報(bào)廢，帶來的損失是巨大的。出現(xiàn)這種異常，應(yīng)是材料供應(yīng)商內(nèi)部的質(zhì)量管理出了問題，大部分正極材料的生產(chǎn)都有過篩工序，篩網(wǎng)有無破損、是否及時(shí)檢查和更換，如果篩網(wǎng)破損有無防呆措施，出廠檢驗(yàn)時(shí)是否進(jìn)行大顆粒的檢測等工作還有待完善。