鋰離子電池漿料穩(wěn)定性的優(yōu)化

徐中元，王 進，徐 迅，唐琛明

(1.江蘇海四達電源股份有限公司，江蘇啟東226200；2.江蘇新動力電池及其材料工程技術(shù)研究中心，江蘇啟東226200)

鋰離子電池漿料穩(wěn)定性的優(yōu)化

徐中元1，王 進2，徐 迅1，唐琛明2

(1.江蘇海四達電源股份有限公司，江蘇啟東226200；2.江蘇新動力電池及其材料工程技術(shù)研究中心，江蘇啟東226200)

采用漿料穩(wěn)定性測試儀、粘度計等測試方法研究了攪拌工藝、固含量、漿料粘度與穩(wěn)定劑等因素對鋰離子電池漿料穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：取代度大、粘度高的CMC(羧甲基纖維素鈉)，有利于提高電池漿料的穩(wěn)定性。對于A1負極配方，采用高粘度攪拌工藝，選用B種CMC，固含量控制在46%，漿料粘度控制在4 000 mPa·s時，制備的漿料穩(wěn)定性能最佳。

漿料穩(wěn)定性；粘結(jié)劑；攪拌工藝；固含量；漿料粘度

合漿后的漿料需要具有較好的穩(wěn)定性，這是電池生產(chǎn)過程中保證電池一致性的一個重要指標。隨著合漿結(jié)束，攪拌停止，漿料會出現(xiàn)沉降、絮凝聚并等現(xiàn)象，產(chǎn)生大顆粒，這會對后續(xù)的涂布等工序造成較大的影響。因而檢測和控制好漿料的穩(wěn)定性十分重要[1]。

對于合漿工序而言，合漿的攪拌工藝、粘結(jié)劑、固含量和漿料粘度對漿料的穩(wěn)定性有重大的意義。本文主要針對A1負極漿料進行研究，通過優(yōu)化攪拌工藝、穩(wěn)定劑、固含量和漿料粘度，從而提高漿料的穩(wěn)定性，為生產(chǎn)和基礎(chǔ)研究提供參考依據(jù)。

1 實驗

1.1 原材料

所有測試漿料均是采用A1配方所制的負極漿料。

1.2 實驗設(shè)備及表征方法

合漿設(shè)備使用實驗用HY-DLH5L型5 L合漿機；涂布設(shè)備使用實驗用小涂布機。

表征方法：漿料穩(wěn)定性(使用Turbiscan分析儀)；漿料粘度(使用SNB-1的數(shù)字式粘度計)；掃描電鏡采用JSM-6360LA型掃描電子顯微鏡對樣品的形貌進行表征，加速電壓為20 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌工藝對漿料穩(wěn)定性的影響

對于合漿工序而言，攪拌工藝和配方對漿料的穩(wěn)定性起著決定性的作用。合理的攪拌工藝可以有效地提高漿料的穩(wěn)定性，反之亦然。合漿過程主要是一個分散過程，主要有三個階段，分別為潤濕階段、粒子集群的破裂階段和穩(wěn)定化階段，其中潤濕階段主要由分子之間作用力和分子間的表面張力決定，粒子集群的破裂階段主要由攪拌方式?jīng)Q定，穩(wěn)定化階段主要由具有穩(wěn)定作用的CMC決定。機械推力、粒子間的碰撞和剪切力決定粒子集群的破裂程度，攪拌方式?jīng)Q定了粒子集群破裂程度，只有充分有效的剪切力才能獲得較高程度的粒子集群破裂，而采用高粘度攪拌工藝就可以使分散體介質(zhì)中的在較高的黏度攪拌，從而獲得高剪切力。通過漿料穩(wěn)定性測試，由圖1比較相同攪拌時間內(nèi)，A1負極配方兩種不同的攪拌方式可以得出，測試12 h，常規(guī)攪拌的(不穩(wěn)定性指數(shù)) 1.05要高于高粘度攪拌工藝值0.75，所以高粘度攪拌工藝所獲得的漿料穩(wěn)定性要優(yōu)于常規(guī)攪拌工藝。

由圖2兩種攪拌方式下漿料涂布后的SEM圖對比可見，采用高粘度攪拌工藝漿料中導電劑能較好地分散在主料的表面，均勻地包覆住主料石墨粉，而常規(guī)工藝，導電劑部分團聚造成了其不能完全包裹住主料，影響極片的導電性，造成電池的倍率性能降低。

圖1 兩種攪拌方式漿料穩(wěn)定性比較

圖2 兩種攪拌方式下漿料涂布后的SEM圖

2.2 固含量與漿料粘度對漿料穩(wěn)定性的影響

固含量和漿料粘度是合漿過程中的一個重要指標，對后段涂布工序有較大影響。同種工藝與配方，漿料固含量越高，粘度越大，反之亦然。影響漿料粘度的因素：攪拌漿料的轉(zhuǎn)速、時間控制、配料順序、環(huán)境溫濕度等。正極漿料在暴露在空氣中易吸收空氣中的水分，粘結(jié)劑出現(xiàn)凝聚，使得漿料粘度有所增大，另外，顆粒沉降及團聚也可能使粘度增加。粘度不同對電極的影響主要是敷料量的均一性。在一致性極差的情況下，在充電過程中負極會局部析鋰，循環(huán)越來越差[2]。

漿料粘度本身不會影響電芯的性能，但對漿料穩(wěn)定性有較大影響，且粘度會導致涂布種種問題，漿料粘度的調(diào)整，是需要根據(jù)材料的性能特性及涂布機的性能來設(shè)定調(diào)整。圖3比較了A1配方所制得的幾種不同粘度下漿料的穩(wěn)定性，經(jīng)比較從圖3可見，對于A1配方所制得的幾種漿料，當漿料粘度在500、1 500、3 000、4 000和6 000 mPa·s時，漿料的TSI值分別為1.55、1.05、0.65、0.36和0.21，隨著粘度的增加，漿料穩(wěn)定性隨之增加，即在一定的粘度范圍內(nèi)，固含量越大，漿料穩(wěn)定性越好，但漿料粘度過大，在后續(xù)涂布時容易產(chǎn)生劃痕，一方面造成極片外觀較差，另一方面在充電過程中易造成負極析鋰，所以選擇漿料粘度在4 000 mPa·s左右，固含量為46%左右，比較合適。

作為A1負極配方中重要組成成分，CMC是一種重要的纖維素醚，是天然纖維經(jīng)過化學改性后所獲得的一種水溶性好的聚陰離子纖維素化合物，在漿料中起著穩(wěn)定劑、增稠劑、分散劑和粘結(jié)劑的作用。衡量CMC的主要指標是取代度和純度。取代度是影響CMC水溶性的主要因素，而水溶性對粘度的影響也很大。結(jié)合表1和圖4比較三種CMC性質(zhì)可以得知，不同，則CMC的性質(zhì)也不同；取代度越大，溶解性就越強，粘度也隨之增強，比較由三種CMC所制備的漿料穩(wěn)定性可知，值越大，漿料指數(shù)越小，即漿料穩(wěn)定性越好。

表1 1%含量的CMC膠液性質(zhì)比較

圖4 不同取代度的CMC對漿料穩(wěn)定性的影響

3 結(jié)論

通過上述實驗，得出如下結(jié)論：對于合漿工序，攪拌方式?jīng)Q定了粒子集群破裂程度，充分有效的剪切力可以獲得較高程度的粒子集群破裂程度，提高漿料的穩(wěn)定性；同種漿料，固含量與粘度成反比，在一定范圍內(nèi)，粘度越高，漿料穩(wěn)定性越高；取代度越大，CMC溶解性就越強，所合漿料的穩(wěn)定性越好；實驗結(jié)果表明，對于A1負極配方，選用B種CMC，以高粘度攪拌為制漿工藝，固含量和粘度設(shè)置在46%和4 000 mPa·s，所制得漿料穩(wěn)定性最好。

[1]張偉清，魏巖巍，廖細英，等.一種評價漿料的穩(wěn)定性的方法：中國，CN 1013824829[P].2009-03-11.

[2]AZEMA N.Sedimentation behaviour study by three optical methodsgranulometric and electrophoresis measurements,dispersion optical analyser[J].Powder Technology,2006(165):133-139.

Optimization of slurry stability for lithium ion battery

XU Zhong-yuan1,WANG Jin2,XU Xun1,TANG Chen-ming2

The effect of the mixing process,solid content,viscosity of slurry and stabilizer on the stability of lithium ion battery slurry was studied by the stability tester,paste viscosity meter and other test methods.The results show that the CMC(carboxyl methyl cellulose)with higher degree of substitution and viscosity is helpful to improve the stability of the battery slurry.To achieve the best performance of slurry stability for anode formula of A1,the optimized mixing process is high viscosity mixing process;the optimized CMC is B;the optimized solid content is 46%;the optimized slurry viscosity is 4 000 mPa·s.

slurry stability;binder;mixing process;solid content;slurry viscosity

TM 912.9

A

1002-087 X(2015)04-0743-02

2014-09-03

徐中元（1962—），男，江蘇省人，工程師，主要研究方向為電池制造工藝。