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介紹
鋰離子充電電池作為電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力源,需要具有大功率輸出、高容量、高穩定性和長(cháng)生命周期的特征。在電池的生產(chǎn)過(guò)程中,需要先混料制備濃度均一、分散穩定的正極和負極漿料,接下來(lái)進(jìn)行涂布,得到正負極,再將正負極中加入隔膜并纏繞成卷,再灌入電解液?;炝习ㄅ淞虾蛿嚢?,是影響鋰電池性能關(guān)鍵的工藝之一。一般鋰電池生產(chǎn)廠(chǎng)家都將混料列為核心機密,因為材料的挑選、處理、合理搭配、物質(zhì)配比以及攪拌過(guò)程對電池性能都是至關(guān)重要的。攪拌效果直接影響電池性能,是混料中關(guān)鍵的一步,甚至國外一些鋰電池廠(chǎng)認為攪拌工藝在鋰電池的整個(gè)生產(chǎn)工藝中對產(chǎn)品的品質(zhì)影響度大于30%,是整個(gè)生產(chǎn)工藝中重要的環(huán)節。
Turbiscan采用的多重光散射技術(shù)可以在不稀釋的情況下直接分析鋰電池漿料的穩定性和均一性,是協(xié)助鋰電池研發(fā)的得力助手。本文首先介紹了鋰離子電池的基本工作原理和Turbiscan的實(shí)測案例。
鋰離子電池基本構造和工作原理
在確定活性物質(zhì)、粘結劑和導電劑的比例和固體含量后,在真空環(huán)境中經(jīng)過(guò)高速攪拌,并將漿料黏度調整至2500~4000mPa•s,便于涂布,涂布的厚度誤差應該小于3μm。涂布后典型的正負極構造如下圖所示。
正極構造
LiMn2O4(錳酸鋰/磷酸鐵鋰等)+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體(鋁箔)正極
負極構造
石墨+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(SBR)+集流體(銅箔)負極
鋰電池工作原理
充電過(guò)程
電源給電池充電,此時(shí)正極上的電子e從通過(guò)外部電路跑到負極上,正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里,“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游泳”到達負極,與早就跑過(guò)來(lái)的電子結合在一起。
正極上發(fā)生的反應為L(cháng)iMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(電子)
負極上發(fā)生的反應為6C+XLi+Xe==LixC6
放電過(guò)程
電池放電,此時(shí)負極上的電子e從通過(guò)外部電路跑到正極上,正鋰離子Li+從負極“跳進(jìn)”電解液里,“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游泳”到達正極,與早就跑過(guò)來(lái)的電子結合在一起。
正極上發(fā)生的反應為L(cháng)i1-xMn2O4+xli++xe(電子)==LiMn2O4
負極上發(fā)生的反應為L(cháng)ixC6==6C+xLi+xe
Turbiscan實(shí)際案例
研究了在以硅合金為活性材料、水基材料作為粘結劑、去離子水作為溶劑的正極漿料中,羥丙基纖維素(HPC)的加入對分散穩定性的影響,HPC在此體系中起到分散劑和粘合劑的作用。利用Turbiscan實(shí)測數據如下圖所示。
Turbiscan數據(a無(wú)HPC,b加入0.7 wt %HPC)
從Turbiscan數據可見(jiàn),未加入HPC的正極漿料背向散射backscattering不同高度的值不一致,在漿料的頂部背向散射隨著(zhù)時(shí)間的推移而降低。然而, 在加入0.7 wt% HPC的料漿中,背向散射在不同高度基本一致。
也就是說(shuō),漿料中的顆粒在沒(méi)有HPC的情況下,隨著(zhù)時(shí)間的推移逐漸發(fā)生絮凝,比表面積變小,因此,上層顆粒絮凝,下層沉淀。從這些結果表明,HPC的加入有利于均勻分散的炭黑顆粒,并降低顆粒之間的相互作用力,從而增加穩定性。
SEM數據(a無(wú)HPC,b加入0.7 wt %HPC)
利用掃描電鏡(SEM)觀(guān)察漿料在涂布后的表面情況。在加入0.7 wt% HPC的情況下,電極表面結構粒子密度大,分布規律,但在無(wú)hpc,結構疏松,顆粒團聚,凝固顆粒周?chē)灿辛鸭y。此外文章經(jīng)過(guò)一些列驗證,確定HPC的加入使漿液具有良好的分散性。在電池中,電極與集電體的粘附性得到提高,提高了初始容量、極化電阻、循環(huán)的性能。
結論
鋰電池制片工藝對電池一致性有著(zhù)至關(guān)重要的影響,必須盡可能保證攪拌、涂布和輥壓的均一性。當然鋰電池一致性是相對的,不一致性是的,但可以通過(guò)進(jìn)一步提高工藝參數的性來(lái)提高單體電池的一致性,Turbiscan多重光散射儀是研究電池漿料分散一致性有效的工具。