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详解锂电池的配方以及工艺流程

来源:宝鄂实业    2019-09-24 14:47    点击量:
1. 正负极配方
 
1.1 正极配方:LiCoO2+导电剂+粘合剂+集流体(铝箔)
 
LiCoO2(10μm): 96.0%
 
导电剂(Carbon ECP) 2.0%
 
粘合剂(PVDF 761) 2.0% 
 
NMP(增加粘结性):固体物质的重量比约为810:1496
 
a)正极粘度控制6000cps(温度25转子3);
 
b) NMP重量须适当调节,达到粘度要求为宜;
 
c)特别注意温度、湿度对黏度的影响
 
正极活性物质:
 
钴酸锂:正极活性物质,锂离子源,为电池提高锂源。非极性物质,不规则形状,粒径D50一般为6-8 μm,含水量≤0.2%,通常为碱性,pH值为10-11左右。
 
锰酸锂:非极性物质,不规则形状,粒径D50一般为5-7 μm,含水量≤0.2%,通常为弱碱性,pH值为8左右。
 
导电剂:链状物,含水量< 1%,粒径一般为 1-5 μm。通常使用导电性优异的超导碳黑,如科琴炭黑Carbon ECP和ECP600JD,其作用:提高正极材料的导电性,补偿正极活性物质的电子导电性;提高正极片的电解液的吸液量,增加反应界面,减少极化。
 
PVDF粘合剂:非极性物质,链状物,分子量从300,000到3,000,000不等;吸水后分子量下降,粘性变差。用于将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。常用的品牌如Kynar761。
 
NMP:弱极性液体,用来溶解/溶胀PVDF,同时用来稀释浆料。
 
集流体(正极引线):由铝箔或铝带制成。
 
1.2 负极配方:石墨+导电剂+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+ 集流体(铜箔)
 
负极材料(石墨):94.5%
 
导电剂(Carbon ECP):1.0%(科琴超导碳黑)
 
粘结剂(SBR):2.25%(SBR = 丁苯橡胶胶乳)
 
增稠剂(CMC):2.25%(CMC = 羧甲基纤维素钠)
 
水:固体物质的重量比为1600:1417.5
 
a) 负极黏度控制5000-6000cps(温度25转子3)
 
b) 水重量需要适当调节,达到黏度要求为宜;
 
c) 特别注意温度湿度对黏度的影响
 
2、正负混料
石墨:负极活性物质,构成负极反应的主要物质;主要分为天然石墨和人造石墨两大类。非极性物质,易被非极性物质污染,易在非极性物质中分散;不易吸水,也不易在水中分散。被污染的石墨,在水中分散后,容易重新团聚。一般粒径 D50为20μm左右。颗粒形状多样且多不规则,主要有球形、片状、纤维状等。
 
导电剂:其作用为:
 
a) 提高负极片的导电性,补偿负极活性物质的电子导电性。
 
b) 提高反应深度及利用率。
 
c) 防止枝晶的产生。
 
d) 利用导电材料的吸液能力,提高反应界面,减少极化。(可根据石墨粒度分布选择加或不加)。
 
添加剂:降低不可逆反应,提高粘附力,提高浆料黏度,防止浆料沉淀。
 
增稠剂/防沉淀剂(CMC):高分子化合物,易溶于水和极性溶剂。
 
异丙醇:弱极性物质,加入后可减小粘合剂溶液的极性,提高石墨和粘合剂溶液的相容性;具有强烈的消泡作用;易催化粘合剂网状交链,提高粘结强度。
 
乙醇:弱极性物质,加入后可减小粘合剂溶液的极性,提高石墨和粘合剂溶液的相容性;具有强烈的消泡作用;易催化粘合剂线性交链,提高粘结强度(异丙醇和乙醇的作用从本质上讲是一样的,大批量生产时可考虑成本因素然后选择添加哪种)。
 
水性粘合剂(SBR):将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。小分子线性链状乳液,极易溶于水和极性溶剂。
 
去离子水(或蒸馏水):稀释剂,酌量添加,改变浆料的流动性。
 
负极引线:由铜箔或镍带制成。
 
2.1正极混料 :
 
2.1.1原料的预处理
 
1) 钴酸锂:脱水。一般用120 °C常压烘烤2小时左右。
 
2) 导电剂:脱水。一般用200 °C常压烘烤2小时左右。
 
3) 粘合剂:脱水。一般用120-140 °C常压烘烤2小时左右,烘烤温度视分子量的大小决定。
 
4) NMP:脱水。使用干燥分子筛脱水或采用特殊取料设施,直接使用。
 
2.1.2物料球磨:
 
1) 4小时结束,过筛分离出球磨;
 
2) 将LiCoO2 和Carbon ECP倒入料桶,同时加入磨球(干料:磨球=1:1),在滚瓶及上进行球磨,转速控制在60rmp以上
 
2.1.3 原料的掺和:
 
1) 粘合剂的溶解(按标准浓度)及热处理。
 
2) 钴酸锂和导电剂球磨:使粉料初步混合,钴酸锂和导电剂粘合在一起,提高团聚作用和的导电性。配成浆料后不会单独分布于粘合剂中,球磨时间一般为2小时左右;为避免混入杂质,通常使用玛瑙球作为球磨介子。
 
2.1.4 干粉的分散、浸湿:
 
原理:固体粉末放置在空气中,随着时间的推移,将会吸附部分空气在固体的表面上,液体粘合剂加入后,液体与气体开始争夺固体表面;如果固体与气体吸附力比与液体的吸附力强,液体不能浸湿固体;如果固体与液体吸附力比与气体的吸附力强,液体可以浸湿固体,将气体挤出。
 
当润湿角≤90°,固体浸湿。当润湿角>90°,固体不浸湿。
 
正极材料中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿,所以正极粉料分散相对容易。
 
分散方法对分散的影响:
 
1)静置法(时间长,效果差,但不损伤材料的原有结构);
 
2)搅拌法:自转或自转加公转(时间短,效果佳,但有可能损伤个别材料的自身结构)。
 
搅拌桨对分散速度的影响:搅拌桨大致包括蛇形、蝶形、球形、桨形、齿轮形等。一般蛇形、蝶形、桨型搅拌桨用来对付分散难度大的材料或配料的初始阶段;球形、齿轮形用于分散难度较低的状态,效果佳。
 
搅拌速度对分散速度的影响。一般说来搅拌速度越高,分散速度越快,但对材料自身结构和对设备的损伤就越大。
 
浓度对分散速度的影响。通常情况下浆料浓度越小,分散速度越快,但太稀将导致材料的浪费和浆料沉淀的加重。
 
浓度对粘结强度的影响。浓度越大,柔制强度越大,粘接强度越大;浓度越低,粘接强度越小。
 
真空度对分散速度的影响。高真空度有利于材料缝隙和表面的气体排出,降低液体吸附难度;材料在完全失重或重力减小的情况下分散均匀的难度将大大降低。
 
温度对分散速度的影响。适宜的温度下,浆料流动性好、易分散。太热浆料容易结皮,太冷浆料的流动性将大打折扣。
 
稀释:将浆料调整为合适的浓度,便于涂布。
 
2.1.5操作步骤
 
a) 将NMP倒入动力混合机(100L)至80°C,称取PVDF加入其中,开机;参数设置:转速25±2转/分,搅拌115-125分钟;
 
b) 接通冷却系统,将已经磨号的正极干料平均分四次加入,每次间隔28-32分钟,第三次加料视材料需要添加NMP,第四次加料后加入NMP;动力混合机参数设置:转速为20±2转/分
 
c) 第四次加料30±2分钟后进行高速搅拌,时间为480±10分钟;动力混合机参数设置:公转为30±2转/分,自转为25±2转/分;
 
d) 真空混合:将动力混合机接上真空,保持真空度为-0.09Mpa,搅拌30±2分钟;动力混合机参数设置:公转为10±2分钟,自转为8±2转/分
 
e) 取250-300毫升浆料,使用黏度计测量黏度;测试条件:转子号5,转速12或30rpm,温度范围25°C;
 
f) 将正极料从动力混合机中取出进行胶体磨、过筛,同时在不锈钢盆上贴上标识,与拉浆设备操作员交接后可流入拉浆作业工序。
 
2.1.6注意事项
 
a)  完成,清理机器设备及工作环境;
 
b)  操作机器时,需注意安全,避免砸伤头部。
 
2.2 负极混料
 
2.2.1原料的预处理:
 
1) 石墨:
 
A、混合,使原料均匀化,提高一致性。
 
B、300~400°C常压烘烤,除去表面油性物质,提高与水性粘合剂的相容能力,修圆石墨表面棱角(有些材料为保持表面特性,不允许烘烤,否则效能降低)。
 
2) 水性粘合剂:适当稀释,提高分散能力。
 
2.2.2 掺和、浸湿和分散: 
 
1) 石墨与粘合剂溶液极性不同,不易分散。
 
2) 可先用醇水溶液将石墨初步润湿,再与粘合剂溶液混合。
 
3) 应适当降低搅拌浓度,提高分散性。
 
4) 分散过程为减少极性物与非极性物距离,提高势能或表面能,所以为吸热反应,搅拌时总体温度有所下降。如条件允许应该适当升高搅拌温度,使吸热变得容易,同时提高流动性,降低分散难度。
 
5) 搅拌过程如加入真空脱气过程,排除气体,促进固-液吸附,效果更佳。
 
6) 分散原理、分散方法同正极配料中的相关内容
 
2.2.3稀释:
 
将浆料调整为合适的浓度,便于涂布。
 
2.2.4物料球磨
 
1) 将负极和KetjenblackECP倒入料桶同时加入球磨(干料:磨球=1:1.2)在滚瓶及上进行球磨,转速控制在60rmp以上;
 
2) 4小时结束,过筛分离出球磨;
 
2.2.5操作步骤
 
1) 纯净水加热至至80°C倒入动力混合机(2L)
 
2) 加CMC,搅拌60±2分钟;动力混合机参数设置:公转为25±2分钟,自转为15±2转/分;
 
3) 加入SBR和去离子水,搅拌60±2分钟;
 
动力混合机参数设置:公转为30±2分钟,自转为20±2转/分;
 
4) 负极干料分四次平均顺序加入,加料的同时加入纯净水,每次间隔28-32分钟;动力混合机参数设置:公转为20±2转/分,自转为15±2转/分;
 
5) 第四次加料30±2分钟后进行高速搅拌,时间为480±10分钟;
 
动力混合机参数设置:公转为30±2转/分,自转为25±2转/分;
6) 真空混合:将动力混合机接上真空,保持真空度为-0.09到0.10Mpa,搅拌30±2分钟;
 
动力混合机参数设置:公转为10±2分钟,自转为8±2转/分
 
7) 取500毫升浆料,使用黏度计测量黏度;
 
测试条件:转子号5,转速30rpm,温度范围25°C;
 
8) 将负极料从动力混合机中取出进行磨料、过筛,同时在不锈钢盆上贴上标识,与拉浆设备操作员交接后可流入拉浆作业工序。
 
2.2.6注意事项
 
1) 完成,清理机器设备及工作环境;
 
2) 操作机器时,需注意安全,避免砸伤头部。
 
配料注意事项:
 
防止混入其它杂质;
 
防止浆料飞溅;
 
浆料的浓度(固含量)应从高往低逐渐调整,以免增加麻烦;
 
在搅拌的间歇过程中要注意刮边和刮底,确保分散均匀;
 
浆料不宜长时间搁置,以免沉淀或均匀性降低;
 
需烘烤的物料必须密封冷却之后方可以加入,以免组分材料性质变化;
 
搅拌时间的长短以设备性能、材料加入量为主;
 
搅拌桨的使用以浆料分散难度进行更换,无法更换的可将转速由慢到快进行调整,以免损伤设备;
 
出料前对浆料进行过筛,除去大颗粒以防涂布时造成断带;
 
对配料人员要加强培训,确保其掌握专业知识,以免酿成大祸;
 
配料的关键在于分散均匀,掌握该中心,其它方式可自行调整。