鋰電池的工作原理和漿料穩(wěn)定性的重要性

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(wěn)定性和長(zhǎng)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(wěn)定的正極和負(fù)極漿料，接下來(lái)進(jìn)行涂布，得到正負(fù)極，再將正負(fù)極中加入隔膜并纏繞成卷，再灌入電解液。混料包括配料和攪拌，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(jī)密，因?yàn)椴牧系奶暨x、處理、合理搭配、物質(zhì)配比以及攪拌過(guò)程對(duì)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(guó)外一些鋰電池廠(chǎng)認(rèn)為攪拌工藝在鋰電池的整個(gè)生產(chǎn)工藝中對(duì)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(jié)。

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(wěn)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(cè)案例。

鋰離子電池基本構(gòu)造和工作原理

在確定活性物質(zhì)、粘結(jié)劑和導(dǎo)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(diào)整至2500~4000mPa•s，便于涂布，涂布的厚度誤差應(yīng)該小于3μm。涂布后典型的正負(fù)極構(gòu)造如下圖所示。

正極構(gòu)造

LiMn2O4(錳酸鋰/磷酸鐵鋰等)+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體(鋁箔)正極

負(fù)極構(gòu)造

石墨+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(SBR)+集流體(銅箔)負(fù)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(fù)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(dá)負(fù)極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。

正極上發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)iMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(電子)

負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為6C+XLi+Xe==LixC6

放電過(guò)程

電池放電，此時(shí)負(fù)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(fù)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(dá)正極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。

正極上發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)i1-xMn2O4+xli++xe(電子)==LiMn2O4

負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)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(jié)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(duì)分散穩(wěn)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(cè)數(shù)據(jù)如下圖所示。

Turbiscan數(shù)據(jù)（a無(wú)HPC，b加入0.7 wt %HPC）

從Turbiscan數(shù)據(jù)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(jié)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(wěn)定性。

SEM數(shù)據(jù)（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(jié)構(gòu)粒子密度大，分布規(guī)律，但在無(wú)hpc，結(jié)構(gòu)疏松，顆粒團(tuán)聚，凝固顆粒周?chē)灿辛鸭y。此外文章經(jīng)過(guò)一些列驗(yàn)證，確定HPC的加入使?jié){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(jié)論

鋰電池制片工藝對(duì)電池一致性有著至關(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(dāng)然鋰電池一致性是相對(duì)的，不一致性是的，但可以通過(guò)進(jìn)一步提高工藝參數(shù)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。