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磷酸鐵鋰電池材料在加工中常見問題分析

日期:2018-08-06 09:56  瀏覽量:

  磷酸鐵鋰電池材料在加工中常見問題分析。磷酸鐵鋰電池因鋰離子的擴散係數低,導電性上較差,所以當下做法是將其顆粒做小,甚至是做成納米級數,通過縮短LI+和電子的遷移路徑,來提升其充放電速度。但由此給電池加工帶來一係列難題。

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  材料分散問題

  製漿是鋰電池生產過程中最為關鍵的工序之一,其核心任務就是把活性物質、導電劑、粘結劑等物料均勻的混合,使得材料性能能夠更好的發揮。

  要混勻,先要能分散。顆粒減小,相應的比表麵也就增大,表麵能也就增大,顆粒間發生聚合的趨勢就增強。克服表麵能分散所需要的能量也就越大。要提升分散能力,一個是在攪拌設備的結構上優化,不改變最大剪切速度的情況下提高有效分散區域的空間比例;一個是提高攪拌功率,提升剪切速度,相應的有效分散空間也會增大。前者屬設備上的問題,提升空間有多大,塗布在線不做評論。後者,提升空間有限,因為剪切速度提到一定限度,就會對材料造成傷害,導致顆粒破損。

  較為有效的方法是采用超聲波分散技術。隻是超聲波設備價格較高,前些時候接觸的一家,其價格和進口的日本機械攪拌機相當。超聲分散工藝時間短,總體能耗降低,漿料分散效果好,材料顆粒的聚合得到有效延緩,穩定性大為提高。

  塗布均一性問題

  塗布不均,不僅鋰電池一致性就不好,還關係到設計、使用安全性等問題。所以,電池製作過程中對塗布均一性的控製很嚴格。做配方、塗布工藝的知道,材料顆粒越小,塗布越難做均勻。

  磷酸鐵鋰電池顆粒細小,同等質量下,顆粒數量增加,要把他們聯結起來組成有效的導電網絡,需要的導電劑的量也相應增加。顆粒小、導電劑用量增加,所需的粘結劑用量也上升。靜置時,更容易形成網狀結構,流動性比常規材料差。

  根本的是從材料上進行改善,如提高導電性加大顆粒、顆粒球形化等,短時間內可能有效果較為有限。立足現有材料,從電池加工的角度來說,改善的途徑,可從以下幾項進行嚐試:

  1.采用“線性”的導電劑

  采用“線形”導電劑,目前主要是VGCF(碳纖維)和CNTS(碳納米管)、金屬納米線等。

  使用CNTS或者VGCF等“線性”導電劑可能產生的影響有:

  (1)線性導電劑在一定程度上提升粘結效果,提高極片柔韌性和強度;

  (2)減少導電劑用量,膠用量也有可能降低,活性物質含量可提高;

  (3)改善極化,降低接觸阻抗,改善循環性能;

  (4)導電網絡接觸節點多,網絡更為完善,倍率性能較常規導電劑更為出色;散熱性能提升,對高倍率電池很有意義;

  (5)吸收性能得到改善;

  (6)材料價格較高,成本上升。1Kg導電劑,常用的SUPERP僅為數十元,VGCF大約兩三千元,CNTS比VGCF略高;

  (7)CNTS、VGCF等比表麵較高,如何分散是使用中必需解決的一個問題,否則分散不好性能得不大發揮。可借助超聲分散等手段。有CNTs廠家提供分散好的導電液。

  2.改善分散效果

  分散效果好的漿料,則顆粒接觸團聚的概率會大為降低,漿料的穩定性會得到很大改善。通過配方、配料工步的改善在一定程度上可以改善分散效果,采用前麵提及的超聲分散也是一個有效方法。

  3.改進漿料轉移過程

  漿料儲存時可考慮提高攪拌速度避免漿料粘稠;對於使用周轉桶轉移漿料的,盡可能縮短出料到塗布的時間,有條件的改用管道輸送,改善漿料粘稠現象。

  4.采用擠壓塗布

  擠壓塗布可以改善刮刀塗布表麵紋路、厚度不均等現象,但是設備價格較高,對漿料的穩定性要求較高。

  幹燥困難

  由於磷酸鐵鋰電池比表麵大、粘結劑用量大,製備漿料時所需要的溶劑用量也就大,塗布後幹燥也就較為困難。如何控製溶劑的揮發速度,則是一個值得關注的問題。溫度高、風量大,幹燥速度快,產生的空隙也就大,同時還可能帶動膠質的遷移,導致塗層中材料分布不均,如果膠質在表層產生聚集,則會阻礙帶電粒子的傳導,增大阻抗。溫度低、風量低,溶劑逸出慢,幹燥時間長,產能低。

  粘結性能較差

  磷酸鐵鋰電池材料的顆粒小,比表麵比比鈷酸鋰、錳酸鋰配增大了很多,需要的粘結劑也就更多。但是粘結劑用多了,降低活性物質的含量,能量密度就降低,所以可能的情況下,電池生產過程中會盡力減少粘結劑用量。為改善粘結效果,目前磷酸鐵鋰加工的通用做法一方麵提高粘結劑的分子量,一方麵是提高粘結劑用量。目前似乎結果還不是讓人滿意。

  柔韌性較差

  目前磷酸鐵鋰極片加工時,普遍感覺極片較硬、較脆,對疊片來說可能影響不是稍小,但對是在卷繞時,則是很為不利。極片柔韌性不好,卷繞彎曲時就容易掉粉、斷裂,導致短路等不良。這方麵的機理解釋尚不清楚,猜測是顆粒小,塗層的彈性空間小。降低壓實密度可以有所改善,但是這樣體積能量密度也就降到。原本磷酸鐵鋰的壓實密度就比較低,降低壓實密度是不得以才會采取的手段。

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