锂离子电池原理及生产工艺流程Word格式文档下载.docx
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1.正负极配方
1.1正极配方(LiCoO2(钴酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体(铝箔)正极)
LiCoO2(10μm):
93.5%
其它:
6.5%
如Super-P:
4.0%
PVDF761:
2.5%
NMP(增加粘结性):
固体物质的重量比约为810:
1496
a)正极黏度控制6000cps(温度25转子3);
b)NMP重量须适当调节,达到黏度要求为宜;
c)特别注意温度湿度对黏度的影响
●钴酸锂:
正极活性物质,锂离子源,为电池提高锂源。
钴酸锂:
非极性物质,不规则形状,粒径D50一般为6-8μm,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5-7μm,含水量≤0.2%,通常为弱碱性,PH值为8左右。
●导电剂:
提高正极片的导电性,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。
非极性物质,葡萄链状物,含水量3-6%,吸油值~300,粒径一般为2-5μm;
主要有普通碳黑、超导碳黑、石墨乳等,在大批量应用时一般选择超导碳黑和石墨乳复配;
通常为中性。
●PVDF粘合剂:
将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。
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。
●NMP:
弱极性液体,用来溶解/溶胀PVDF,同时用来稀释浆料。
●正极引线:
由铝箔或铝带制成。
1.2负极配方(石墨+导电剂(乙炔黑)+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+集流体(铜箔)负极)
负极材料:
94.5%
Super-P:
1.0%
SBR:
2.25%
CMC:
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.正负极混料
★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:
提高负极片的导电性,补偿负极活性物质的电子导电性。
提高反应深度及利用率。
防止枝晶的产生。
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:
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。
★负极引线:
由铜箔或镍带制成。
去离子水(或蒸馏水):
稀释剂,酌量添加,改变浆料的流动性。
2.1正极混料
●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。
●干粉的分散、浸湿:
(1)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度,固体浸湿。
当润湿角>90度,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。
(2)分散方法对分散的影响:
A、静置法(时间长,效果差,但不损伤材料的原有结构);
B、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)。
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、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。
6、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。
(1)钴酸锂:
脱水。
一般用120oC常压烘烤2小时左右。
(2)导电剂:
一般用200oC常压烘烤2小时左右。
(3)粘合剂:
一般用120-140oC常压烘烤2小时左右,烘烤温度视分子量的大小决定。
(4)NMP:
使用干燥分子筛脱水或采用特殊取料设施,直接使用。
a)将LiCoO2Super-P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;
b)4小时结束,过筛分离出球磨;
a)将NMP倒入动力混合机(100L)至80℃,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;
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;
公转为10±
2分钟,自转为8±
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℃;
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。
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
(1)石墨:
A、混合,使原料均匀化,提高一致性。
B、300~400℃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。
★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
★稀释:
a)将负极和Super-P倒入料桶同时加入球磨(干料:
1.2)在滚瓶及上进行球磨,转速控制在60rmp以上;
a)纯净水加热至至80℃倒入动力混合机(2L)
b)加CMC,搅拌60±
公转为25±
2分钟,自转为15±
c)加入SBR和去离子水,搅拌60±
2分钟,自转为20±
d)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;
公转为20±
2转/分,自转为15±
e)第四次加料30±
f)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±
g)取500毫升浆料,使用黏度计测量黏度;
转子号5,转速30rpm,温度范围25℃;
h)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。
★配料注意事项:
1、防止混入其它杂质;
2、防止浆料飞溅;
3、浆料的浓度(固含量)应从高往低逐渐调整,以免增加麻烦;
4、在搅拌的间歇过程中要注意刮边和刮底,确保分散均匀;
5、浆料不宜长时间搁置,以免沉淀或均匀性降低;
6、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;
7、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;
8、出料前对浆料进行过筛,除去大颗粒以防涂布时造成断带;
9、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;
10、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。
3.电池的制作
3.1极片尺寸
3.2拉浆工艺
a)集流体尺寸