電極漿料制備過程中物料顆粒狀態變化詳解

鋰電池極片厚度一般為40-200μm左右,其中極片厚度根據電池種類(高能量、高功率等)的不同而變化。如果想要鋰電池具有好的電化學性能,極片必須要前中后厚度一致,且表面平滑,沒有缺陷。在排除涂布工藝的條件下,漿料制備是決定其質量好壞的關鍵程序。好的鋰電池漿料粘度穩定不易發生變化,顆粒粒徑小,涂布干燥后無明顯顆粒感,無氣泡等異物。那么,漿料制備過程中,需要注意的主要有兩方面:一方面是將最初的物料分散均勻;另一方面是阻止原材料之間相互作用而引起的二次團聚。所以,攪拌過程的目的就是要把原始狀態的物料分散、混合均勻,同時也要防止顆粒間再次團聚。

鋰電池極片分為正極極片、負極極片,兩種極片所用活物質、導電劑、粘結劑、溶劑等隨電池體系不同而不同。將這樣一個復雜的多相體系混合成均一性良好的懸浮漿料需要較多的實操經驗和理論基礎。物料的粒徑越小,形狀越怪就越難以分散,特別是導電劑炭黑,經常在攪拌過程中二次團聚成大塊,不僅沒有起到良好的導電作用,還會影響電池的比能量。炭黑不僅可以用于鋰電池還可用于塑料、高分子等行業,所以關于炭黑的分散研究很多。根據目前的研究報告,團聚物的分散可以有以下幾種方式:


左邊第一種分散情況(erosion)發生在較弱機械力作用下,此時物料隨著機械力發生流動,形成大小不一的顆粒團聚體。在此過程中,小碎片的物料逐漸從大團聚物上剝離下來,形成了二次顆粒。當外在機械力超過一定的臨界值時,顆粒的破碎(rupture)就會突然發生,如上圖中間所示。如果機械能量高達一定程度,和時間的延長,顆粒間會發生繼續破碎,不過這種現象出現概率較低。

 

在鋰電池漿料制備過程中,材料間的接觸形式可能有上圖中所示三種狀態。首先炭黑的結構不容易被改變,且其分布比較均勻,以structure1存在。隨著機械攪拌的進行,導電劑的解聚和分散會同時發生,最后導電劑完全包覆在活物質表面。

 

從原材料顆粒間單獨存在到變成混合均勻的物質是一個很重要的過程。整個過程可以分為固體粉末態(I)、混合潤濕態(II)以及最后形成的懸浮態(III)。其過程控制如下圖所示。

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