鋰電池漿料制備技術(shù)及其對(duì)電極形貌的影響

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1、鋰電池漿料制備技術(shù)及其對(duì)電極形貌的影響（1）鏈接：www.china-nengyuan.com/tech/113594.html來(lái)源：新能源Leander鋰電池漿料制備技術(shù)及其對(duì)電極形貌的影響（1）1、前言鋰離子電池性能依賴于電池極片各組分的成分和性質(zhì)，包括電活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等。電極制備工藝決定電極的微觀形貌，也是非常重要的。電極制備技術(shù)的進(jìn)步不僅可以降低電池生產(chǎn)成本，而且可以提升電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性。在學(xué)術(shù)界，許多方法被嘗試用于鋰電池極片制備，比如化學(xué)氣相沉積、噴射沉積、激光沉積、旋轉(zhuǎn)涂布等。甚至有研究人員致力于開發(fā)由電活性顆粒、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑干粉混合物直接涂敷在

2、集流體基體上，而不用液態(tài)漿料。所有這些方法都還沒有商業(yè)應(yīng)用，本文也不做討論。目前，大部分鋰離子電池極片生產(chǎn)都是在金屬集流體上涂敷電極漿料層，然后干燥，干燥極片再輥壓壓實(shí)。這些技術(shù)不僅在商業(yè)化生產(chǎn)上使用，學(xué)術(shù)界也普遍采用，只是科研上一般采用逗號(hào)刮刀涂布。電極漿料制備都是電活性物質(zhì)、聚合物粘結(jié)劑，導(dǎo)電劑和溶劑一起攪拌混合，表1是常見的商業(yè)化電池電極材料。有時(shí)，漿料工藝也需要加入一些混料輔助添加劑，比如水基溶劑，往往需要添加分散劑調(diào)節(jié)漿料的流變特性，以匹配涂布設(shè)備要求。漿料制備技術(shù)，濕極片的干燥和極片的輥壓壓實(shí)處理工藝參數(shù)控制電極微觀形貌，因而對(duì)電極性能影響巨大。另外，漿料的性質(zhì)

3、也會(huì)影響電極生產(chǎn)工藝性能，從而影響設(shè)備的生產(chǎn)效率和最終的電極形貌，甚至整個(gè)電池的可使用性。2、漿料形貌和制備工藝對(duì)電極形貌特征的影響鋰離子電池極片擁有復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)，包含活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑顆粒，它們通過粘結(jié)劑連結(jié)在一起，并粘附在金屬集流體上。電極性能取決于各組分的性能和電極形貌，導(dǎo)電劑通常是各種各樣的碳導(dǎo)電材料顆粒，它還可以與活性物質(zhì)顆粒形成互鎖，強(qiáng)化與集流體的粘結(jié)。理想的電極顆粒涂層形貌如圖1所示，應(yīng)該是這樣的：頁(yè)面1/9鋰電池漿料制備技術(shù)及其對(duì)電極形貌的影響（1）鏈接：www.china-nengyuan.com/tech/113594.html來(lái)源：新能源Leander

4、（i）活物質(zhì)顆粒細(xì)小均勻分散沒有團(tuán)聚，導(dǎo)電劑顆粒形成薄層彌散成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并最大量地在集流體上互鎖連結(jié)活物質(zhì)顆粒。實(shí)際上，導(dǎo)電劑顆粒一般為各種各樣的碳材料顆粒，最優(yōu)情況可以考慮多尺度特征的導(dǎo)電劑體系。粘結(jié)劑的作用是確保電極結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性，正極通常是PVDF基的聚合物。另外，電極還需要有足夠的孔洞，允許電解液滲透到所有的活物質(zhì)顆粒。電極結(jié)構(gòu)特征也意味著活物質(zhì)與導(dǎo)電劑，與粘結(jié)劑的質(zhì)量比要盡可能高。（ii）活物質(zhì)顆粒最好細(xì)小，確保電池有高的電流密度。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為活物質(zhì)顆粒內(nèi)部的鋰離子擴(kuò)散決定電池倍率性能，小顆粒鋰離子擴(kuò)散路徑短，能夠提升電流特性和庫(kù)侖效率。近來(lái)，許多研究工作開始修

5、訂傳統(tǒng)所接受的鋰離子擴(kuò)散或鋰離子傳導(dǎo)觀念，并認(rèn)為即使活物質(zhì)顆粒是微米尺度，鋰離子的擴(kuò)散也不是決定倍率性能的關(guān)鍵過程。同時(shí)，提升鋰離子擴(kuò)散速率已經(jīng)被認(rèn)為不是減小活物質(zhì)顆粒尺寸的唯一原因，減小顆粒尺寸能夠提升電池倍率性能，目前出現(xiàn)了另外兩種解釋，減小活物質(zhì)顆粒尺寸是：a、活物質(zhì)顆粒電子電導(dǎo)率低所需求的。比如磷酸鐵鋰顆粒電導(dǎo)率約為10^-10S/cm，而2微米的顆粒比電導(dǎo)率高于15微米顆粒，因此活物質(zhì)低電導(dǎo)率也要求顆粒越小越好，這樣電子和離子導(dǎo)電性都能提高，從而提升電池功率性能。b、電極涂層形貌的需要，特別是導(dǎo)電組分。活物質(zhì)顆粒配合導(dǎo)電劑顆粒，顆粒越小，理論上越有可能形成彌散分布

6、的薄層，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電劑均勻分布在活物質(zhì)顆粒表面。（iii）以上分析表明顆粒越小越好，因此，現(xiàn)在廣泛使用微米、亞微米、納米顆?；钗镔|(zhì)。但是，這同時(shí)也面臨一些挑戰(zhàn)或需要注意的地方：a、小顆粒特別是納米顆粒的活物質(zhì)和導(dǎo)電劑比表面積大，當(dāng)正負(fù)極電勢(shì)在電解液熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定窗口之外時(shí)，電解頁(yè)面2/9鋰電池漿料制備技術(shù)及其對(duì)電極形貌的影響（1）鏈接：www.china-nengyuan.com/tech/113594.html來(lái)源：新能源Leander液溶劑更容易反應(yīng)分解，在顆粒表面形成薄層，它會(huì)阻止鋰離子傳輸并消耗電解液。b、電池使用過程中，SEI膜持續(xù)在電極活物質(zhì)和導(dǎo)電劑顆粒表面形成，不斷

7、消耗鋰離子和電解質(zhì)。雖然SEI膜的厚度與活物質(zhì)和導(dǎo)電劑顆粒尺寸無(wú)關(guān)，但是卻與顆粒表面積相關(guān)。納米顆粒的高比表面積更容易出現(xiàn)問題。c、再有一個(gè)阻礙納米材料應(yīng)用的問題就是納米顆粒振實(shí)密度較低，因此顆粒組成的電極涂層一般密度也較低。這些問題促使活物質(zhì)和導(dǎo)電劑顆粒尺寸優(yōu)化時(shí)需要綜合考慮電解液、顆粒材料特性和電極形貌。此外，從漿料制備工藝角度看，顆粒尺寸優(yōu)化也是非常重要的，因?yàn)樾☆w粒分散困難，在漿料中更容易發(fā)生團(tuán)聚。（iv）鋰離子電池電極一般厚度為40~300微米，偏差要求1~2微米。逗號(hào)刮刀和模頭擠壓涂布是最常用的電極制備