鋰電池的工作原理和漿料穩定性的重要性

介紹

鋰離子充電電池作為電動汽車和混合動力汽車的動力源，需要具有大功率輸出、高容量、高穩定性和長生命周期的特征。在電池的生產過程中，需要先混料制備濃度均一、分散穩定的正極和負極漿料，接下來進行涂布，得到正負極，再將正負極中加入隔膜并纏繞成卷，再灌入電解液。混料包括配料和攪拌，是影響鋰電池性能關鍵的工藝之一。一般鋰電池生產廠家都將混料列為核心機密，因為材料的挑選、處理、合理搭配、物質配比以及攪拌過程對電池性能都是至關重要的。攪拌效果直接影響電池性能，是混料中關鍵的一步，甚至國外一些鋰電池廠認為攪拌工藝在鋰電池的整個生產工藝中對產品的品質影響度大于30%，是整個生產工藝中重要的環節。

Turbiscan采用的多重光散射技術可以在不稀釋的情況下直接分析鋰電池漿料的穩定性和均一性，是協助鋰電池研發的得力助手。本文首先介紹了鋰離子電池的基本工作原理和Turbiscan的實測案例。

鋰離子電池基本構造和工作原理

在確定活性物質、粘結劑和導電劑的比例和固體含量后，在真空環境中經過高速攪拌，并將漿料黏度調整至2500~4000mPa•s，便于涂布，涂布的厚度誤差應該小于3μm。涂布后典型的正負極構造如下圖所示。

正極構造

LiMn2O4(錳酸鋰/磷酸鐵鋰等)+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體(鋁箔)正極

負極構造

石墨+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(SBR)+集流體(銅箔)負極

鋰電池工作原理

充電過程

電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上，正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達負極，與早就跑過來的電子結合在一起。

正極上發生的反應為LiMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(電子)

負極上發生的反應為6C+XLi+Xe==LixC6

放電過程

電池放電，此時負極上的電子e從通過外部電路跑到正極上，正鋰離子Li+從負極“跳進”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達正極，與早就跑過來的電子結合在一起。

正極上發生的反應為Li1-xMn2O4+xli++xe(電子)==LiMn2O4

負極上發生的反應為LixC6==6C+xLi+xe

Turbiscan實際案例

研究了在以硅合金為活性材料、水基材料作為粘結劑、去離子水作為溶劑的正極漿料中，羥丙基纖維素(HPC)的加入對分散穩定性的影響，HPC在此體系中起到分散劑和粘合劑的作用。利用Turbiscan實測數據如下圖所示。

Turbiscan數據（a無HPC，b加入0.7 wt %HPC）

從Turbiscan數據可見，未加入HPC的正極漿料背向散射backscattering不同高度的值不一致，在漿料的頂部背向散射隨著時間的推移而降低。然而, 在加入0.7 wt% HPC的料漿中，背向散射在不同高度基本一致。

也就是說，漿料中的顆粒在沒有HPC的情況下，隨著時間的推移逐漸發生絮凝，比表面積變小，因此，上層顆粒絮凝，下層沉淀。從這些結果表明，HPC的加入有利于均勻分散的炭黑顆粒，并降低顆粒之間的相互作用力，從而增加穩定性。

SEM數據（a無HPC，b加入0.7 wt %HPC）

利用掃描電鏡(SEM)觀察漿料在涂布后的表面情況。在加入0.7 wt% HPC的情況下，電極表面結構粒子密度大，分布規律，但在無hpc，結構疏松，顆粒團聚，凝固顆粒周圍也有裂紋。此外文章經過一些列驗證，確定HPC的加入使漿液具有良好的分散性。在電池中，電極與集電體的粘附性得到提高，提高了初始容量、極化電阻、循環的性能。

結論

鋰電池制片工藝對電池一致性有著至關重要的影響，必須盡可能保證攪拌、涂布和輥壓的均一性。當然鋰電池一致性是相對的，不一致性是的，但可以通過進一步提高工藝參數的性來提高單體電池的一致性，Turbiscan多重光散射儀是研究電池漿料分散一致性有效的工具。