关于磷酸铁锂材料在电池加工中的常见问题分析

制浆是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。现在普遍用的是机械搅拌，机械搅拌能量分布是不均匀的，只有在一定的区域内，剪切强度足够大，能量足够高，才能把聚合的颗粒分开。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(提高搅拌速度)，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。

另外，可以通过使用分散剂来改善分散效果。

涂布不均，不仅电池一致性就不好，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。 就其机理，我尚未看到相关的解释。涂布在线认为是电极浆料的非牛顿流体特性引起的。

电极浆料应属非牛顿流体中的触变流体，该类流体的特点是静止时粘稠，甚至呈固态，但搅动后变稀而易于流动。粘结剂在亚微观状态下是线性或网状结构，搅动时，这些结构被破坏，流动性就好，静止后，它们又重新形成，流动性就变差。磷酸铁锂颗粒细小，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。

从搅拌器取出后浆料到涂布的过程中，很多厂商还是采用周转桶转移，过程中浆料不搅拌或者搅拌强度低，浆料的流动性发生变化，逐渐变得粘稠，以至于像果冻一样。流动性不好，导致涂布的均一性不好，表现为极片面密度公差增大，表面形貌不好。

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：

采用“线性”的导电剂

所谓的“线形”“颗粒形”导电剂是笔者形象的说法，学术上可能不是如此描述。

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。它们直径在几个纳米到几十纳米，长度在几十微米以上甚至于几厘米，而目前常用的“颗粒形”导电剂(如Super P，KS-6)尺寸一般在几十个纳米，电池材料的尺寸为几个微米。“颗粒形”导电剂和活性物质组成的极片，接触类似点和点之间的接触，每个点能只与周围的点发生接触;“线形”导电剂与活性物质组成的极片中，是点和线、线和线的接触，每个点可以同时和多根线接触，每根线也可以同时和多根线接触，接触的节点更多，导电通道也就更为通畅，导电能力也就更好。使用多种不同形态的导电剂组合，可以发挥更好的导电效果，具体如何使选择导电剂，对于电池制作是一个很值得探索的问题。

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(记得曾有报道说CNTS的导电效能为同质量(重量)常规颗粒导电剂的3倍)，综合(1)，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SUPER P仅为数十元，VGCF大约两三千元，CNTS比VGCF略高(当添加量为1%时，1Kg CNTs以4000元计算，大约每Ah成本增加0.3元);

(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。

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。

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。

采用挤压涂布(喷涂)

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。

由于磷酸铁锂比表面大、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。

磷酸铁锂材料的颗粒小，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(分子量高，粘结能力提高，但是分散越困难、阻抗越高)，一方面是提高粘结剂用量。目前似乎结果还不是让人满意。

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。

8月7日消息，据连线杂志报道，从智能手机到笔记本电脑，从电动汽车到电子烟，锂离子电池正为各种各样的电子产品提供动力。但是，随着锂的潜力被开发至极致，研究人员正在努力寻找下一个电池突破点。

如果你在智能手机上阅读这篇文章，这意味着你正拿着一颗“炸弹”。在防护屏下，锂（一种非常易挥发的金属，一旦与水接触就会被点燃）的化合物正在被分解，并在强大的化学反应中重新构建，这种化学反应为现代世界提供了不可或缺的动力。

锂正被应用在手机、平板电脑、笔记本电脑以及智能手表中，并且存在于我们的电子烟和电动汽车上。它身轻体软，且属于能量密集型物质，这使它成为便携式电子产品的完美动力之源。但是，随着消费技术变得越来越强大，锂离子电池技术却始终难以跟上步伐。现在，就在全世界都对锂上瘾之际，科学家们正争相重新发明为世界提供动力的电池。

巨大的发光屏幕、更快的处理速度、快速的数据连接以及轻薄的设计时尚，这些都意味着许多智能手机的电量很难支持使用一整天。有时候，手机用户甚至要多次充电。在使用两年后，很多设备的电池续航时间都会急剧缩短，不得不被扔进垃圾堆。锂的巨大优势也是它最大的弱点。它是不稳定的，可能会爆炸。锂离子笔记本电脑电池的能量与手榴弹相差无几。Ionic Materials创始人兼首席执行官迈克·齐默尔曼（Mike Zimmerman）说：“口袋里有部智能手机就像口袋里揣着煤油一样。”

齐默尔曼在他位于美国马萨诸塞州沃本（Woburn）的公司研究实验室，亲眼目睹了这种燃烧效果。在一项实验中，一台机器通过电池组驱动钉子，电池组迅速膨胀，就像微波炉里的爆米花一样，然后发出明亮的闪光。过去50年的电池研究始终在性能和安全性之间走钢丝，即在不把锂推向极端的情况下，尽可能多地挤出能量。

我们现在也在这样做。据预测，到2022年，全球的电池市场规模将达到250亿美元。但消费者认为，在一项又一项的调查中，电池续航时间是智能手机最受关注的功能。随着未来十年能耗更高的5G网络普及，问题只会越来越严重。而对于那些能够解决问题的人来说，他们将会得到巨大的回报。

Ionic Materials公司只是数十家公司中的一员，它们正在进行从根本上重新思考电池问题的史诗竞赛。不过，这场竞赛被错误的开端、痛苦的诉讼以及失败的初创公司所困扰。但在经过十年的缓慢发展之后，希望仍在。世界各地的初创企业、大学和资金雄厚的国家实验室的科学家们，正在使用复杂的工具寻找新材料。他们似乎即将大幅提高智能手机电池的能量密度和续航时间，并创造更环保、更安全的设备，这些设备将在几秒钟内完成充电，并足够持续全天使用。

电池通过分解化学物质来发电。自从1799年意大利物理学家亚历山德罗·沃尔塔（Alessandro Volta）发明了电池，用来解决关于青蛙的争论以来，每块电池都有相同的关键部件：两个金属电极——带负电的阳极和带正电的阴极，由被称为电解质的物质隔开。当电池连接到电路时，阳极中的金属原子会发生化学反应。它们失去一个电子，变成带正电荷的离子，并通过电解质被吸引到正极。与此同时，电子（也带负电荷）则会流向阴极。但是它并没有通过电解质，而是通过电路在电池的外部传播，为它连接的设备供电。

阳极上的金属原子最终会耗尽，此时意味着电池耗尽电量。但在可充电电池中，可以通过充电来逆转这一过程，从而迫使离子和电子回到原位，准备再次启动循环之旅。纯金属制成的电极无法承受原子不断进出的压力而不发生坍缩，因此可充电电池必须使用组合材料，使阳极和阴极通过重复的充电循环保持形状。这种结构可被比作公寓建筑，其中有用于反应性元素的“房间”。可充电电池的性能在很大程度上取决于你能以多快的速度在这些房间里进出，而不会导致建筑物倒塌。

1977年，年轻的英国科学家斯坦·惠廷汉姆（Stan Whittingham）在新泽西州林登（Linden）的埃克森公司（Exxon）工厂工作，他建造了一个阳极，用铝来形成“公寓街区的墙壁和地板”，用锂作为活性材料。当他给电池充电时，锂离子从阴极移动到阳极，在铝原子之间的空隙中沉淀。当放电时，他们向另一个方向移动，通过电解质回到阴极一侧的空间。

惠廷汉姆发明了世界上第一个可充电的锂电池，这种硬币大小的电池足以为太阳能手表提供动力。但当他试图增加电压（使更多离子进出）或试图制造更大的电池时，它们就会继续燃烧。1980年，在牛津大学工作的美国物理学家约翰·古德诺夫（John Goodenough）取得了突破。古德诺夫是一名基督徒，曾在第二次世界大战中担任美国陆军气象学家，他也是金属氧化物方面的专家。他怀疑，与惠廷汉姆使用的铝化合物相比，肯定有某种物质能为锂提供更坚固的牢笼。

古德诺夫指导两名博士后研究人员系统性地在周期表中摸索，用不同的金属氧化物对锂进行比对，看看在它们崩溃前能从其中抽出多少锂。最终，他们确定了锂和钴的混合物，后者是遍布非洲中部的蓝灰色金属。锂钴氧化物可以承受半数锂被拉出的极限。当它被用作阴极时，这代表了电池技术向前迈出了一大步。钴是一种更轻便、廉价的材料，既适用于小型设备也适用于大型设备，而且大大优于市场上的其他材料。