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：次
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系數低，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系列難題。
材料分散問題
制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，相應的比表面也就增大，表面能也就增大，顆粒間發生聚合的趨勢就增強。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，涂布在線不做評論。后者，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。只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。
涂布均一性問題
涂布不均，不僅鋰電池一致性就不好，還關系到設計、使用安全性等問題。所以，電池制作過程中對涂布均一性的控制很嚴格。做配方、涂布工藝的知道，材料顆粒越小，涂布越難做均勻。
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，可從以下幾項進行嘗試：
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等比表面較高，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，采用前面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;對于使用周轉桶轉移漿料的，盡可能縮短出料到涂布的時間，有條件的改用管道輸送，改善漿料粘稠現象。
4.采用擠壓涂布
擠壓涂布可以改善刮刀涂布表面紋路、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。
干燥困難
由于磷酸鐵鋰電池比表面大、粘結劑用量大，制備漿料時所需要的溶劑用量也就大，涂布后干燥也就較為困難。如何控制溶劑的揮發速度，則是一個值得關注的問題。溫度高、風量大，干燥速度快，產生的空隙也就大，同時還可能帶動膠質的遷移，導致涂層中材料分布不均，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，干燥時間長，產能低。
粘結性能較差
磷酸鐵鋰電池材料的顆粒小，比表面比比鈷酸鋰、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面提高粘結劑的分子量，一方面是提高粘結劑用量。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。這方面的機理解釋尚不清楚，猜測是顆粒小，涂層的彈性空間小。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。
