磷酸铁锂电池材料在加工中常见问题

2018-12-26      171 次浏览

磷酸铁锂电池材料在加工中常见问题分析。磷酸铁锂电池因锂离子的扩散系数低,导电性上较差,所以当下做法是将其颗粒做小,甚至是做成纳米级数,通过缩短LI+和电子的迁移路径,来提升其充放电速度。但由此给电池加工带来一系列难题。


材料分散问题


制浆是锂电池生产过程中最为关键的工序之一,其核心任务就是把活性物质、导电剂、粘结剂等物料均匀的混合,使得材料性能能够更好的发挥。


要混匀,先要能分散。颗粒减小,相应的比表面也就增大,表面能也就增大,颗粒间发生聚合的趋势就增强。克服表面能分散所需要的能量也就越大。要提升分散能力,一个是在搅拌设备的结构上优化,不改变最大剪切速度的情况下提高有效分散区域的空间比例;一个是提高搅拌功率,提升剪切速度,相应的有效分散空间也会增大。前者属设备上的问题,提升空间有多大,涂布在线不做评论。后者,提升空间有限,因为剪切速度提到一定限度,就会对材料造成伤害,导致颗粒破损。


较为有效的方法是采用超声波分散技术。只是超声波设备价格较高,前些时候接触的一家,其价格和进口的日本机械搅拌机相当。超声分散工艺时间短,总体能耗降低,浆料分散效果好,材料颗粒的聚合得到有效延缓,稳定性大为提高。


涂布均一性问题


涂布不均,不仅锂电池一致性就不好,还关系到设计、使用安全性等问题。所以,电池制作过程中对涂布均一性的控制很严格。做配方、涂布工艺的知道,材料颗粒越小,涂布越难做均匀。


磷酸铁锂电池颗粒细小,同等质量下,颗粒数量增加,要把他们联结起来组成有效的导电网络,需要的导电剂的量也相应增加。颗粒小、导电剂用量增加,所需的粘结剂用量也上升。静置时,更容易形成网状结构,流动性比常规材料差。


根本的是从材料上进行改善,如提高导电性加大颗粒、颗粒球形化等,短时间内可能有效果较为有限。立足现有材料,从电池加工的角度来说,改善的途径,可从以下几项进行尝试:


1.采用“线性”的导电剂


采用“线形”导电剂,目前主要是VGCF(碳纤维)和CNTS(碳纳米管)、金属纳米线等。


使用CNTS或者VGCF等“线性”导电剂可能产生的影响有:


(1)线性导电剂在一定程度上提升粘结效果,提高极片柔韧性和强度;


(2)减少导电剂用量,胶用量也有可能降低,活性物质含量可提高;


(3)改善极化,降低接触阻抗,改善循环性能;


(4)导电网络接触节点多,网络更为完善,倍率性能较常规导电剂更为出色;散热性能提升,对高倍率电池很有意义;


(5)吸收性能得到改善;


(6)材料价格较高,成本上升。1Kg导电剂,常用的SUPERP仅为数十元,VGCF大约两三千元,CNTS比VGCF略高;


(7)CNTS、VGCF等比表面较高,如何分散是使用中必需解决的一个问题,否则分散不好性能得不大发挥。可借助超声分散等手段。有CNTs厂家提供分散好的导电液。


2.改善分散效果


分散效果好的浆料,则颗粒接触团聚的概率会大为降低,浆料的稳定性会得到很大改善。通过配方、配料工步的改善在一定程度上可以改善分散效果,采用前面提及的超声分散也是一个有效方法。


3.改进浆料转移过程


浆料储存时可考虑提高搅拌速度避免浆料粘稠;对于使用周转桶转移浆料的,尽可能缩短出料到涂布的时间,有条件的改用管道输送,改善浆料粘稠现象。


4.采用挤压涂布


挤压涂布可以改善刮刀涂布表面纹路、厚度不均等现象,但是设备价格较高,对浆料的稳定性要求较高。


干燥困难


由于磷酸铁锂电池比表面大、粘结剂用量大,制备浆料时所需要的溶剂用量也就大,涂布后干燥也就较为困难。如何控制溶剂的挥发速度,则是一个值得关注的问题。温度高、风量大,干燥速度快,产生的空隙也就大,同时还可能带动胶质的迁移,导致涂层中材料分布不均,如果胶质在表层产生聚集,则会阻碍带电粒子的传导,增大阻抗。温度低、风量低,溶剂逸出慢,干燥时间长,产能低。


粘结性能较差


磷酸铁锂电池材料的颗粒小,比表面比比钴酸锂、锰酸锂配增大了很多,需要的粘结剂也就更多。但是粘结剂用多了,降低活性物质的含量,能量密度就降低,所以可能的情况下,电池生产过程中会尽力减少粘结剂用量。为改善粘结效果,目前磷酸铁锂加工的通用做法一方面提高粘结剂的分子量,一方面是提高粘结剂用量。目前似乎结果还不是让人满意。


柔韧性较差


目前磷酸铁锂极片加工时,普遍感觉极片较硬、较脆,对叠片来说可能影响不是稍小,但对是在卷绕时,则是很为不利。极片柔韧性不好,卷绕弯曲时就容易掉粉、断裂,导致短路等不良。这方面的机理解释尚不清楚,猜测是颗粒小,涂层的弹性空间小。降低压实密度可以有所改善,但是这样体积能量密度也就降到。原本磷酸铁锂的压实密度就比较低,降低压实密度是不得以才会采取的手段。

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