锂电池生产配料基础知识大全.docx

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锂电池生产配料基础知识大全

锂离子电池生产配料基础知识大全

锂电池生产配料基础知识大全

一、电极的组成：

1、正极组成：

a、钴酸锂：

正极活性物质，锂离子源，为电池提供锂源。

b、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。

c、PVDF粘合剂：

将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。

d、正极引线：

由铝箔或铝带制成。

2、负极组成：

a、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。

b、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）。

c、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。

d、水性粘合剂：

将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。

e、负极引线：

由铜箔或镍带制成。

二、配料目的：

配料过程实际上是将浆料中的各种组成按标准比例混合在一起，调制成浆料，以利于均匀涂布，保证极片的一致性。

配料大致包括五个过程，即：

原料的预处理、掺和、浸湿、分散和絮凝。

配

（一）、正极配料原理

1、原料的理化性能。

（1）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。

（2）导电剂：

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。

（3）PVDF（聚偏二氟乙烯）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。

（4）NMP（N-甲基吡洛烷酮）：

弱极性液体，用来溶解/溶胀PVDF，同时用来稀释浆料。

2、原料的预处理

（1）钴酸锂：

脱水。

一般用120℃常压烘烤2小时左右。

（2）导电剂：

脱水。

一般用200℃常压烘烤2小时左右。

（3）粘合剂：

脱水。

一般用120-140℃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。

3、原料的掺和：

料原理：

（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。

4、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。

5、稀释。

将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。

（二）、负极配料原理（大致与正极配料原理相同）

1、原料的理化性能。

（1）石墨：

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。

（2）水性粘合剂（SBR：

丁苯橡胶）：

小分子线性链状乳液，极易溶于水和极性溶剂。

（3）防沉淀剂（CMC：

羧甲基纤维素）：

高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。

（4）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）。

（5）去离子水（或蒸馏水）：

稀释剂，酌量添加，改变浆料的流动性。

2、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℃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。

3、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，在三、

（一）、4中有详细论述，在此不予详细解释。

4、稀释。

将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。

四、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。

五、总论：

随着电池制程的日益透明，锂离子电池生产厂家越来越将配料列为核心机密，因为从材料的挑选、处理到合理搭配包含了太多技术人员的心血，同样的材料，有的厂家用起来特别顺利，有的厂家就麻烦百出；有的厂家用中档的材料可以做出高端的电池，而有的厂家却使用最好的材料做成的电池惨不忍睹；本人在此发表配料的基础知识，旨在让大家对配料的了解多一些，少走一些弯路；但因本人水平有限，难免有疏漏之处，希望大家多多批评指正。

我也期望大家在工作中认真研究，真诚交流，大胆创新，团结起来，共同促进中国锂离子电池生产水平的提高。

电池名词

●电池:

指通过正负极之间的反应将化学能转化为电能的装置.

●一次电池：

指无法进行充电，仅能放电的电池，但一次电池容量一般大于同等规格充电电池，如锌锰、碱性干电池，锂扣电池，锂亚电池等。

●二次电池：

指可反复充电再循环的电池，如铅酸、镍镉、镍氢、锂离子、锂聚合物、燃料、锌、铝、镁空气电池等。

●额定容量：

指电池在充满电後，空载状态下放电至截止电压时，所能释放出的电能量，一般以mAh或Ah（1Ah=1000mAh）符号来表示。

但如果电池使用时连接负载及长期使用后，电池释放的电量会下降。

容量由于充放电是在一定的C-倍率条件下进行的，因此电池的容量与C-倍率直接相关。

通常情况下电池的标称容量是指0.2C条件下测试得到的电容量。

C-倍率越大，电池的放电率越小。

充电容量（Ah或者mAh）=充电电流×充电时间，放电容量（Ah或者mAh）=放电电流×放电时间。

一般而言，0.2C电流放电基本能够达到95%~100%放电率，而1C电流放电只能能够达到90%放电率左右，由于充电受电池原材料本身特性影响，相应需要多充一部分时间，大致是同等电流放电时间的120~160%，例如，NI-MHAA1800mAh,以0.2C（360mA）充电约需6~8小时，而以0.2C（360mA）放电约可以达到5小时。

●额定电压：

指电池正负极材料因化学反应而造成的电位差,由此产生的电压值。

不同电池由于正负极材料不同，产生的电压是不一样的，如铅酸：

2V/节，镍镉、镍氢：

1.2V/节，锂离子电池：

3.6V/节。

另外，电池电压会随着充电的过程而不断上升至某一值，会随着放电的过程而不断下降至某一值。

●开路电压：

指电池在没有连接外电路或者外负载时的电压。

开路电压与电池的剩余能量有一定的联系，因此，手机的电池显示器是利用这种关系而制造。

●内阻：

指电池内部由化学材料自动生成的阻抗，一般而言，内阻越小，电池的充放电性能越好。

电池内阻是一个非常复杂而又非常重要的特性，又称为电池阻抗，包含直流电阻和交流电阻。

影响电池内阻的因素有：

①电解质的成份；②正负电极片中的成份配方，例如导电碳粉的含量；③正负电极片的几何面积以及比表面积；④金属基片（铜箔和铝箔）；⑤电解液与正负电极片界面状态；⑥温度；⑦充电状态（电池的开路电压）；⑧测量频率高低；⑨电池的内部结构设计。

●C：

用来表示电池充放电时电流大小的比率，即倍率。

如1200mAh的电池，0.2C表示240mA（1200mAh的0.2倍率），1C表示1200mA（1200mAh的1倍率）。

充放电效率充放电效率也与C（倍率）相关，在0.2C条件下，聚合物锂电池的充放电效率应该在99.8%。

充放电效率=放电容量/充电容量×100%

●放电截止电压：

指电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压（若继续放电则为过度放电，对电池的寿命和性能有极大的损伤），一般而言，铅酸电池：

1.8V/节，镍镉、镍氢：

1.0V/节，锂离子电池：

2.75V/节。

●开路电压：

指电池在无负载的情况下，电池正负极之间的电压。

●放电深度：

与电池额定容量比较，放电量的比率。

●过充（放）电：

指超过电池规定的充（放）电状态，若继续充（放）电可能造成电池漏液或劣化。

●能量密度：

指单位体积或单位质量所释放的能量，一般用体积能量密度（wh/l）和质量能量密度（wh/kg）表示。

●自放电：

电池充满电之后，在与外电路没有接触和常温放置的条件下，其电容量会自然衰减。

在储存过程中，电池蓄电容量会逐渐下降，其减少的容量与额定容量的比例，称为自放电率（镍镉、镍氢电池与锂离子电池相比，自放电率较大）。

通常，环境温度对其影响较大，过高温度会加速电池的自放电。

电池容量衰减（自放电率）的表达方法和单位为：

%/月。

镍镉、镍氢电池的自放电率为20-25%/月，锂电池