锂电池浆料制备技术及其对电极形貌的影响

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1、锂电池浆料制备技术及其对电极形貌的影响（1）链接：www.china-nengyuan.com/tech/113594.html来源：新能源Leander锂电池浆料制备技术及其对电极形貌的影响（1）1、前言锂离子电池性能依赖于电池极片各组分的成分和性质，包括电活性物质、导电剂、粘结剂等。电极制备工艺决定电极的微观形貌，也是非常重要的。电极制备技术的进步不仅可以降低电池生产成本，而且可以提升电池容量和循环稳定性。在学术界，许多方法被尝试用于锂电池极片制备，比如化学气相沉积、喷射沉积、激光沉积、旋转涂布等。甚至有研究人员致力于开发由电活性颗粒、导电剂、粘结剂干粉混合物直接涂敷在

2、集流体基体上，而不用液态浆料。所有这些方法都还没有商业应用，本文也不做讨论。目前，大部分锂离子电池极片生产都是在金属集流体上涂敷电极浆料层，然后干燥，干燥极片再辊压压实。这些技术不仅在商业化生产上使用，学术界也普遍采用，只是科研上一般采用逗号刮刀涂布。电极浆料制备都是电活性物质、聚合物粘结剂，导电剂和溶剂一起搅拌混合，表1是常见的商业化电池电极材料。有时，浆料工艺也需要加入一些混料辅助添加剂，比如水基溶剂，往往需要添加分散剂调节浆料的流变特性，以匹配涂布设备要求。浆料制备技术，湿极片的干燥和极片的辊压压实处理工艺参数控制电极微观形貌，因而对电极性能影响巨大。另外，浆料的性质

3、也会影响电极生产工艺性能，从而影响设备的生产效率和最终的电极形貌，甚至整个电池的可使用性。2、浆料形貌和制备工艺对电极形貌特征的影响锂离子电池极片拥有复杂的多孔结构，包含活性物质和导电剂颗粒，它们通过粘结剂连结在一起，并粘附在金属集流体上。电极性能取决于各组分的性能和电极形貌，导电剂通常是各种各样的碳导电材料颗粒，它还可以与活性物质颗粒形成互锁，强化与集流体的粘结。理想的电极颗粒涂层形貌如图1所示，应该是这样的：页面1/9锂电池浆料制备技术及其对电极形貌的影响（1）链接：www.china-nengyuan.com/tech/113594.html来源：新能源Leander

4、（i）活物质颗粒细小均匀分散没有团聚，导电剂颗粒形成薄层弥散成导电网络，并最大量地在集流体上互锁连结活物质颗粒。实际上，导电剂颗粒一般为各种各样的碳材料颗粒，最优情况可以考虑多尺度特征的导电剂体系。粘结剂的作用是确保电极结构的机械稳定性，正极通常是PVDF基的聚合物。另外，电极还需要有足够的孔洞，允许电解液渗透到所有的活物质颗粒。电极结构特征也意味着活物质与导电剂，与粘结剂的质量比要尽可能高。（ii）活物质颗粒最好细小，确保电池有高的电流密度。传统观点认为活物质颗粒内部的锂离子扩散决定电池倍率性能，小颗粒锂离子扩散路径短，能够提升电流特性和库仑效率。近来，许多研究工作开始修

5、订传统所接受的锂离子扩散或锂离子传导观念，并认为即使活物质颗粒是微米尺度，锂离子的扩散也不是决定倍率性能的关键过程。同时，提升锂离子扩散速率已经被认为不是减小活物质颗粒尺寸的唯一原因，减小颗粒尺寸能够提升电池倍率性能，目前出现了另外两种解释，减小活物质颗粒尺寸是：a、活物质颗粒电子电导率低所需求的。比如磷酸铁锂颗粒电导率约为10^-10S/cm，而2微米的颗粒比电导率高于15微米颗粒，因此活物质低电导率也要求颗粒越小越好，这样电子和离子导电性都能提高，从而提升电池功率性能。b、电极涂层形貌的需要，特别是导电组分。活物质颗粒配合导电剂颗粒，颗粒越小，理论上越有可能形成弥散分布

6、的薄层，实现导电剂均匀分布在活物质颗粒表面。（iii）以上分析表明颗粒越小越好，因此，现在广泛使用微米、亚微米、纳米颗粒活物质。但是，这同时也面临一些挑战或需要注意的地方：a、小颗粒特别是纳米颗粒的活物质和导电剂比表面积大，当正负极电势在电解液热动力学稳定窗口之外时，电解页面2/9锂电池浆料制备技术及其对电极形貌的影响（1）链接：www.china-nengyuan.com/tech/113594.html来源：新能源Leander液溶剂更容易反应分解，在颗粒表面形成薄层，它会阻止锂离子传输并消耗电解液。b、电池使用过程中，SEI膜持续在电极活物质和导电剂颗粒表面形成，不断

7、消耗锂离子和电解质。虽然SEI膜的厚度与活物质和导电剂颗粒尺寸无关，但是却与颗粒表面积相关。纳米颗粒的高比表面积更容易出现问题。c、再有一个阻碍纳米材料应用的问题就是纳米颗粒振实密度较低，因此颗粒组成的电极涂层一般密度也较低。这些问题促使活物质和导电剂颗粒尺寸优化时需要综合考虑电解液、颗粒材料特性和电极形貌。此外，从浆料制备工艺角度看，颗粒尺寸优化也是非常重要的，因为小颗粒分散困难，在浆料中更容易发生团聚。（iv）锂离子电池电极一般厚度为40~300微米，偏差要求1~2微米。逗号刮刀和模头挤压涂布是最常用的电极制备