鉅大LARGE | 點擊量：1518次 | 2021年04月21日
顆粒粒徑和漿料流變特性對鋰離子電池性能究竟有什么影響？
在鋰離子電池的生產研發過程中，正負極片的性能關于電池性能影響巨大。而其中正負極材料特性和相關的加工工藝是最為重要的影響因素。正負極材料的顆粒大小將會直接影響電池的充放電行為，而相關電池漿料的流變性能又會直接影響流漿液的存儲、涂布和加工穩定性。
在鋰離子電池的生產過中，正負極片制備是非常關鍵的步驟，直接影響電池的使用性能。正極極片和負極極片的生產工藝非常接近，如圖1所示。
圖1鋰離子電池極片制備過程
通常第一步是先將由活性物質、粘結劑、導電劑通過攪拌均勻分散于溶劑中，制成電池漿料；第二步，將電池漿料涂覆在集流體(負極銅箔和正極鋁箔)上，然后就是干燥涂層；接下來，將干燥好的極片在重壓下壓實、壓薄，使鋰離子電池體積能量密度得以提高，保證粘結劑把活性成份和導電劑緊緊的精粘附在在集流體上；最后，就是裁片和分切，直接把大卷冷壓好的極片在分切機上分切成指定寬度的小卷極片，等待然后把分切好的小卷保存在真空干燥箱中，待下一步使用。混合制備電池漿料、涂布、干燥和壓實工藝決定了漿料的均勻性、極片的厚度、機械性能和極片涂層的孔隙度，所以，極片制備過程直接影響了電池的使用性能。
正負極材料顆粒大小對充放電性能的影響
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰離子電池實質上是鋰離子在正負極材料之間的一個反復循環流動的過程，在這個過程當中，鋰離子不斷地嵌入電極材料中，同時又要不斷的脫嵌出來，正是這種搖擺式的嵌入和脫嵌過程，才使得鋰離子電池能夠反復充放電使用。然而鋰離子的脫和嵌是受很多影響因素決定的，比如正負極材料本身的層狀結構、電極材料顆粒的形態、以及電極材料顆粒間的堆積狀況等，這些影響因素都直接影響到鋰離子脫嵌的整個過程，從而對鋰離子電池的離子遷移速率、充放電平臺出現顯著影響。在這些影響因素當中，正負極材料的顆粒大小無疑是非常重要的，顆粒的大小將會對材料的堆積出現直接的影響，而這種影響導致的空間效應將會直接影響到鋰離子的脫嵌，從而影響到電池性能。
圖2就是采用不同制備工藝生產的兩種正極材料LiNi0.8Co0.2O2，其中a是反應過程中采用膠體磨進行研磨混合，而b是采用普通攪拌的方式進行反應混合。兩種方式得到的顆粒大小通過電鏡結果來看差異較大，而下方的激光衍射結果比對則可以進一步從定量上看出兩種材料的粒度大小。其中采用膠體磨的樣品粒度分布較窄，顆粒大小從幾百納米到十微米左右，而采用普通混合的方式則粒徑分布要寬很多，從幾個微米到一兩百微米。這兩種樣晶在充放電性能上也有著顯著的差異。
圖4中a為樣品研磨頻率偏低，因此其材料重要在幾個微米級別，而b材料則研磨頻率更高，其顆粒很多達到亞微米的水平，其粒度分布也更寬。通過兩種材料的克放電性能比對可以發現，在充放電循環100次的情況下，兩種材料的庫倫效率都是比較接近的，但電池容量的衰減卻大大不同。微米顆粒的樣品其電池容量隨著充放電次數新增明顯發生了衰減，由最開始的160mAh/g下降到150mAh/g，而亞微米材料的在整個充放電進行過程中比較穩定。
流變特性與電池漿料的關系
電池漿料是整個電池極片制備過程中的最關鍵的因素。電池漿料是由活性物質、粘結劑、導電劑通過攪拌均勻分散于溶劑中形成，屬于典型的高粘稠的固液兩相懸浮體系。對電池漿料的要求，第一是分散均勻性，假如漿料分散不均，有嚴重的團聚現象，電池的電化學性能受到影響，如若導電劑分布不均勻，電極在充放電過程中，各處電導率不同會發生不同的電化學反應，負極處可能出現較復雜的SEI膜，可逆容量減小，并伴有局部的過充過放現象或有可能會有鋰金屬析出，形成安全隱患;粘結劑分布不均，顆粒之間、顆粒與集流體之間粘結力出現過大過小的情況，過小部位電極內阻大，甚至會掉料，最終影響整個電池容量的發揮。第二，漿料要具有良好的沉降穩定性和流變特性，滿足極片涂布工藝的要求，并得到厚度均一的涂層，要求電池極片中心的厚度要和邊緣處的厚度盡量保持一致，這是電池漿料涂布工藝的難點。在涂布過程中，涂層邊緣經常會出現拖尾現象，通常會將拖尾的邊緣裁切掉，以保證單位面積內的活性物質的量保持一致。假如在涂層的其他位置出現拖尾現象，不能裁切，在該位置的活性物質減少，會導致局部電壓過大。另外，在涂布過程中，還有可能會出現涂層邊緣雖然齊平，但是邊緣處的局部厚度過高，這會導致在壓實過程中壓力分布不均，電池極片的孔隙度和單位面積的容量就會不均一。還有會影響到卷繞或者疊片的層數。
