磷酸鐵鋰電池加工過程中常見的問題

磷酸鐵鋰因鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)低，導(dǎo)電性上較差，所以當(dāng)下做法是將其顆粒做小，甚至是做成納米級(jí)數(shù)，通過縮短LI+和電子的遷移路徑，來提升其充放電速度（理論上，遷移時(shí)間和遷移路徑平方成反比）。但由此給電池加工帶來一系列的難題。

首先遇到的是材料分散問題

制漿是電池生產(chǎn)過程中最為關(guān)鍵的工序之一，其核心任務(wù)就是把活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等物料均勻的混合，使得材料性能能夠更好的發(fā)揮。要混勻，先要能分散。顆粒減小，相應(yīng)的比表面也就增大，表面能也就增大，顆粒間發(fā)生聚合的趨勢(shì)就增強(qiáng)?？朔砻婺芊稚⑺枰哪芰恳簿驮酱蟆，F(xiàn)在普遍用的是機(jī)械攪拌，機(jī)械攪拌能量分布是不均勻的，只有在一定的區(qū)域內(nèi)，剪切強(qiáng)度足夠大，能量足夠高，才能把聚合的顆粒分開。要提升分散能力，一個(gè)是在攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，不改變最大剪切速度的情況下提高有效分散區(qū)域的空間比例；一個(gè)是提高攪拌功率(提高攪拌速度)，提升剪切速度，相應(yīng)的有效分散空間也會(huì)增大。前者屬設(shè)備上的問題，提升空間有多大，涂布在線不做評(píng)論。后者，提升空間有限，因?yàn)榧羟兴俣忍岬揭欢ㄏ薅?，就?huì)對(duì)材料造成傷害，導(dǎo)致顆粒破損。

較為有效的方法是采用超聲波分散技術(shù)。只是超聲波設(shè)備價(jià)格較高，前些時(shí)候接觸的一家，其價(jià)格和進(jìn)口的日本機(jī)械攪拌機(jī)相當(dāng)。超聲分散工藝時(shí)間短，總體能耗降低，漿料分散效果好，材料顆粒的聚合得到有效延緩，穩(wěn)定性大為提高。

另外，可以通過使用分散劑來改善分散效果。

涂布均一性問題

涂布不均，不僅電池一致性就不好，還關(guān)系到設(shè)計(jì)、使用安全性等問題。所以，電池制作過程中對(duì)涂布均一性的控制很嚴(yán)格。做配方、涂布工藝的知道，材料顆粒越小，涂布越難做均勻。 就其機(jī)理，我尚未看到相關(guān)的解釋。涂布在線認(rèn)為是電極漿料的非牛頓流體特性引起的。

電極漿料應(yīng)屬非牛頓流體中的觸變流體，該類流體的特點(diǎn)是靜止時(shí)粘稠，甚至呈固態(tài)，但攪動(dòng)后變稀而易于流動(dòng)。粘結(jié)劑在亞微觀狀態(tài)下是線性或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，攪動(dòng)時(shí)，這些結(jié)構(gòu)被破壞，流動(dòng)性就好，靜止后，它們又重新形成，流動(dòng)性就變差。磷酸鐵鋰顆粒細(xì)小，同等質(zhì)量下，顆粒數(shù)量增加，要把他們聯(lián)結(jié)起來組成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，需要的導(dǎo)電劑的量也相應(yīng)增加。顆粒小、導(dǎo)電劑用量增加，所需的粘結(jié)劑用量也上升。靜置時(shí)，更容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，流動(dòng)性比常規(guī)材料差。

從攪拌器取出后漿料到涂布的過程中，很多廠商還是采用周轉(zhuǎn)桶轉(zhuǎn)移，過程中漿料不攪拌或者攪拌強(qiáng)度低，漿料的流動(dòng)性發(fā)生變化，逐漸變得粘稠，以至于像果凍一樣。流動(dòng)性不好，導(dǎo)致涂布的均一性不好，表現(xiàn)為極片面密度公差增大，表面形貌不好。

根本的是從材料上進(jìn)行改善，如提高導(dǎo)電性加大顆粒、顆粒球形化等，短時(shí)間內(nèi)可能有效果較為有限。立足現(xiàn)有材料，從電池加工的角度來說，改善的途徑，可從以下幾項(xiàng)進(jìn)行嘗試：

1。采用“線性”的導(dǎo)電劑

所謂的“線形”“顆粒形”導(dǎo)電劑是筆者形象的說法，學(xué)術(shù)上可能不是如此描述。

采用“線形”導(dǎo)電劑，目前主要是VGCF（碳纖維）和CNTs（碳納米管）、金屬納米線等。它們直徑在幾個(gè)納米到幾十納米，長(zhǎng)度在幾十微米以上甚至于幾厘米，而目前常用的“顆粒形”導(dǎo)電劑(如Super P，KS-6)尺寸一般在幾十個(gè)納米，電池材料的尺寸為幾個(gè)微米?！邦w粒形”導(dǎo)電劑和活性物質(zhì)組成的極片，接觸類似點(diǎn)和點(diǎn)之間的接觸，每個(gè)點(diǎn)能只與周圍的點(diǎn)發(fā)生接觸；“線形”導(dǎo)電劑與活性物質(zhì)組成的極片中，是點(diǎn)和線、線和線的接觸，每個(gè)點(diǎn)可以同時(shí)和多根線接觸，每根線也可以同時(shí)和多根線接觸，接觸的節(jié)點(diǎn)更多，導(dǎo)電通道也就更為通暢，導(dǎo)電能力也就更好。使用多種不同形態(tài)的導(dǎo)電劑組合，可以發(fā)揮更好的導(dǎo)電效果，具體如何使選擇導(dǎo)電劑，對(duì)于電池制作是一個(gè)很值得探索的問題。

使用CNTS或者VGCF等“線性”導(dǎo)電劑可能產(chǎn)生的影響有：

(1)線性導(dǎo)電劑在一定程度上提升粘結(jié)效果，提高極片柔韌性和強(qiáng)度；

(2)減少導(dǎo)電劑用量（記得曾有報(bào)道說CNTS的導(dǎo)電效能為同質(zhì)量（重量）常規(guī)顆粒導(dǎo)電劑的3倍），綜合（1），膠用量也有可能降低，活性物質(zhì)含量可提高；

(3)改善極化，降低接觸阻抗，改善循環(huán)性能；

(4)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)接觸節(jié)點(diǎn)多，網(wǎng)絡(luò)更為完善，倍率性能較常規(guī)導(dǎo)電劑更為出色；散熱性能提升，對(duì)高倍率電池很有意義；

(5)吸收性能得到改善；

(6)材料價(jià)格較高，成本上升。1Kg導(dǎo)電劑，常用的SUPER P僅為數(shù)十元，VGCF大約兩三千元，CNTS比VGCF略高(當(dāng)添加量為1%時(shí)，1Kg CNTs以4000元計(jì)算，大約每Ah成本增加0.3元)；

(7)CNTS、VGCF等比表面較高，如何分散是使用中必需解決的一個(gè)問題，否則分散不好性能得不大發(fā)揮?？山柚暦稚⒌仁侄?。有CNTs廠家提供分散好的導(dǎo)電液。

2.改善分散效果

分散效果好的漿料，則顆粒接觸團(tuán)聚的概率會(huì)大為降低，漿料的穩(wěn)定性會(huì)得到很大改善。通過配方、配料工步的改善在一定程度上可以改善分散效果，采用前面提及的超聲分散也是一個(gè)有效方法。

3.改進(jìn)漿料轉(zhuǎn)移過程

漿料儲(chǔ)存時(shí)可考慮提高攪拌速度避免漿料粘稠；對(duì)于使用周轉(zhuǎn)桶轉(zhuǎn)移漿料的，盡可能縮短出料到涂布的時(shí)間，有條件的改用管道輸送，改善漿料粘稠現(xiàn)象。

4.采用擠壓涂布（噴涂）

擠壓涂布可以改善刮刀涂布表面紋路、厚度不均等現(xiàn)象，但是設(shè)備價(jià)格較高，對(duì)漿料的穩(wěn)定性要求較高。

干燥困難

由于磷酸鐵鋰比表面大、粘結(jié)劑用量大，制備漿料時(shí)所需要的溶劑用量也就大，涂布后干燥也就較為困難。如何控制溶劑的揮發(fā)速度，則是一個(gè)值得關(guān)注的問題。溫度高、風(fēng)量大，干燥速度快，產(chǎn)生的空隙也就大，同時(shí)還可能帶動(dòng)膠質(zhì)的遷移，導(dǎo)致涂層中材料分布不均，如果膠質(zhì)在表層產(chǎn)生聚集，則會(huì)阻礙帶電粒子的傳導(dǎo)，增大阻抗。溫度低、風(fēng)量低，溶劑逸出慢，干燥時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)能低。

粘結(jié)性能較差

磷酸鐵鋰材料的顆粒小，比表面比比鈷酸鋰、錳酸鋰配增大了很多，需要的粘結(jié)劑也就更多。但是粘結(jié)劑用多了，降低活性物質(zhì)的含量，能量密度就降低，所以可能的情況下，電池生產(chǎn)過程中會(huì)盡力減少粘結(jié)劑用量。為改善粘結(jié)效果，目前磷酸鐵鋰加工的通用做法一方面提高粘結(jié)劑的分子量（分子量高，粘結(jié)能力提高，但是分散越困難、阻抗越高），一方面是提高粘結(jié)劑用量。目前似乎結(jié)果還不是讓人滿意。

柔韌性較差

目前磷酸鐵鋰極片加工時(shí)，普遍感覺極片較硬、較脆，對(duì)疊片來說可能影響不是稍小，但對(duì)是在卷繞時(shí)，則是很為不利。極片柔韌性不好，卷繞彎曲時(shí)就容易掉粉、斷裂，導(dǎo)致短路等不良。這方面的機(jī)理解釋尚不清楚，猜測(cè)是顆粒小，涂層的彈性空間小。降低壓實(shí)密度可以有所改善，但是這樣體積能量密度也就降到。原本磷酸鐵鋰的壓實(shí)密度就比較低，降低壓實(shí)密度是不得以才會(huì)采取的手段。

以上是磷酸鐵鋰電池加工過程中常見的問題和涂布在線的一些看法，在此厚顏提出，做拋磚引玉之舉，如有大方之家，還請(qǐng)指點(diǎn)斧正。如有其他發(fā)現(xiàn)或者看法，歡迎探討。