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温度对锂离子电池极片制作的影响

宣布:pmgnld 阅读:728次

      锂离子电池机能遭到浩繁身分的影响,不只仅包含电池设想、原资料、工艺程度、装备精度等方面,还包含出产环境身分,比方温度、粉尘和水份。即便少许的杂质也会对锂离子电池的轮回不变性和宁静性构成倒霉影响;水份的节制也很是关头,微量水份就会愈电解液产生反映,产生倒霉影响,贸易化锂离子电池在环境水份严酷节制的大型枯燥间内出产,一切部件在电池组装前都要停止枯燥。而温度对电池的影响也是多方面,多工艺进程的。是以,咱们必须高度正视出产进程,并严酷节制品德。锂电池的出产包含极片制作工艺、电池组装工艺和最初的注液、预充、化成、老化等。

锂离子电池工艺进程

传统的贸易化锂离子电池极片工艺进程为:活性物资,粘结剂和导电剂等夹杂制备成浆料,而后涂敷在铜或铝集流体两面,经枯燥后去除溶剂构成枯燥极片,极片颗粒涂层颠末压实致密化,再裁切或分条。而后正负极极片和隔阂组装成电池的电芯,封装后注入电解液,颠末充放电激活,最初构成产物。详细的电池工艺流程如图1所示。

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图1  工艺流程图

进步温度按捺浆料沉降

在锂离子电池浆猜中,活性物资、导电剂分离悬浮在消融了无机物粘结剂的溶剂中,悬浮颗粒遭到布朗力、浮力和自身重力感化。

悬浮在流体中的微粒表现出没法则活动,这类微粒的活动称之为布朗活动。液体份子不停地做没法则的活动,不时地随机撞击悬浮微粒。是以,布朗活动是大批份子做没法则活动对悬浮的固体微粒各个标的目标撞击感化的不均衡性构成的,以是布朗活动是大批液体份子个人行动的成果。悬浮颗粒遭到布朗力FB感化,抒发式以下式所示,此中kB是布朗常量,1.381×10 −23 J/K ;r是悬浮颗粒半径,m;Tabs是相对温度,K。

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颗粒越小,颗粒的外表积越小,统一刹时,撞击颗粒的液体份子数越少,据统计纪律,少许份子同时感化于小颗粒时,它们的协力是不能够或许均衡的。并且,统一刹时撞击的份子数越少,其协力越不均衡,又颗粒越小,其品德越小,是以颗粒的加速率越大,活动状况越轻易转变,故颗粒越小,布朗活动越较着。

温度越高,液体份子的活动越猛烈,份子撞击颗粒时对颗粒的撞击力越大,是以统一刹时来自各个差别标的目标的液体份子对颗粒撞击力越大,小颗粒的活动状况转变越快,故温度越高,布朗活动越较着。

别的,悬浮颗粒还遭到重力和浮力的感化,这二者的协力Fg抒发式为:

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此中,ρp 和 ρm 别离是粒子和溶剂的密度,kg/m3;r是悬浮颗粒半径,m;g 是重力加速率,9.81 m/s2

不法则的布朗活动禁止颗粒沉降,而重力感化使颗粒产生沉降。对大大都溶剂中的胶体粒子,布朗力占主导位置。但是,对锂离子电池浆料,很多活性物资颗粒尺寸比拟大,并且活性物资(出格是正极)的密度凡是比溶剂(比方NMP)大很多,除非在涂覆前持续搅拌,不然浆料轻易产生沉降。

按照以上两个公式可知,削弱乃至防止沉降景象的体例首要包含:(i)挑选与活性资料密度相婚配的溶剂,使ρp = ρm ;(ii)减小活性粒子尺寸r;(iii)增添固体含量,从而使介质密度增添;(iv)进步温度。前两种体例须要转变浆料成份,这会影响制作工艺和电化学机能,第三种体例会增添浆料的粘度,从而削减涂层窗口。第四种体例进步温度,进步了沉降阻力,能够或许有用按捺沉降。

温度对浆料性子的影响

锂离子电池浆料搅拌工艺要到达以下目标:

a、分离活物资和导电剂颗粒团圆体;

b、打启发电剂长链,进一步分离链状导电剂;

c、构成最适合的活物资、导电剂和粘结剂彼此之间的排布体例;

d、坚持浆料最优悬浮布局和成份不变性,防止沉降和团圆等成份偏析。

导电剂的散布体例如图2所示,锂离子电池浆料分离悬浮液中能够或许的物资散布存在三种环境:导电剂不充实分离,坚持团圆,被粘结剂包裹会构成大颗粒;导电剂分离但与活性颗粒彼此自力;导电剂分离并平均包覆在活性颗粒外表,这是最抱负的环境。

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图2  浆料导电剂能够或许的散布布局表示图

粘结剂与活性物资的彼此感化如图3所示:(a)聚合物链与颗粒外表感化,而后聚合物之间的静电感化禁止颗粒的团圆;(b)粘结剂相成三维收集布局,空间位阻感化禁止颗粒的团圆;(c)粘结剂与活性物资颗粒外表感化,将颗粒之间毗连在一路,这是浆料构成凝胶布局,粘度比拟高,且没法活动。

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图3  粘结剂的分离不变感化

跟着温度的下降,浆料外部液体份子的没法则热活动、聚合物链的活动和悬浮颗粒的布朗活动城市增添。W. Blake Hawley等研讨了温度对NMC532正极浆料流变特征的影响。差别温度下,浆料应力与剪切速率的曲线如图4所示。成果标明,在剪切速率约为1.0 s-1的规模内,一切温度下贱体都表现出剪切应力平台,从而考证了在一切温度规模内浆液都存在屈就应力(见图4)。从25℃到60 ℃规模内,屈就应力随温度的下降而增添,但在75℃时屈就应力降落到25℃的程度。

从25℃到60 ℃规模内,跟着温度下降,吸附在颗粒外表的粘结剂构成了较多的颗粒-聚合物联络和胶葛。这些毗连使得浆料在屈就应力之前的低剪切速率下具备较大的活动阻力,如图4所示。而在75 ℃时,屈就应力的下降能够或许是由于颗粒的高振动致使一些聚合物链接被扯破。

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图4  正极浆料在差别温度下应力-剪切速率曲线

温度加重浆料构成凝胶

在高镍正极浆料制备进程中,PVDF消融于NMP中,资料外表的碱性基团会进犯相邻的C-F、C-H键,PVDF很轻易产生双份子消去反映,会在份子链上构成一局部的碳碳双键,反映以下:

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当PVDF内双键増加时,其粘结力也会増加,这会致使浆料粘度増加,乃至浆料构成凝胶状况。是以,高镍正极浆料在制备和涂布进程,环境湿度对其影响庞大,若是在工艺进程中吸水反映,出格轻易构成浆料性子产生变更,致使极片制作进程呈现品德不不变,工艺分歧性差等题目,构成凝胶浆料时,乃至涂布进程没法停止。并且,当PVDF内双键増加致使粘结力増加时,极片脆性増加出格轻易产生断裂,极片辊压、分切等工艺收放卷进程中,极片段裂构成工艺进程没法停止。

而温度会加速PVDF内双键反映,从而急剧浆料构成凝胶。这是温度对浆料,出格是高镍资料的负面影响。

温度对涂布进程的影响

要构成平均不变涂布,必须知足以下前提:

(1)浆料性子不变,不产生沉降,粘度、固含量等不变更;

(2)浆料上料供给不变,在模头外部或涂辊及转移辊上构成平均不变的活动状况;

(3)涂布工艺在涂布窗口规模内,在涂辊之间构成不变的流场;

(4)走箔不变,不产生走带滑动,严峻发抖和褶皱:张力、纠偏节制。

涂布进程首要遭到三类身分的影响:(1)流体特征,如粘度μ、外表张力σ、密度ρ2涂布模头多少参数,如涂布间距G,模头狭缝尺寸S3)涂布工艺参数,如涂布速率U,浆料送料流量q等。

温度首要经由进程影响浆料性子,间接对涂布进程产生影响。所后面所述,低剪切速率粘度(LSV)会影响涂层的边缘效应,较高的LSV能够或许消弭锯齿边缘,使涂层具备更清楚的边境。别的一方面,由于大大都涂布操纵都希冀接纳更高的速率,这响应于更高的剪切速率(即几百s-1) ,是以,将温度进步到75℃有益于下降黏度,利于涂布操纵。别的,由于粘度的变更能够或许经由进程加热来对消,浆猜中活性物资的比例能够或许进步, 固体颗粒浓度增添使溶剂的用量削减,从而能够或许接纳更短的时候、更少的热能和更宁静的涂布枯燥前提。

温度对极片烘干的影响

锂离子电池极片的枯燥进程和涂布进程各自自力,又彼此接洽;涂层的性子,影响到枯燥工艺的设想和操纵;涂布速率、涂层的厚度决议枯燥长度;枯燥进程中涂层有流平进程,影响涂层的平均性。是以,涂布在设想进程中可否精确地操纵最好的涂布、枯燥工艺,均衡二者的干系,终究影响到涂布的综合手艺机能。

极片枯燥体例包含:

(1)远红外辐射枯燥。用远红外发射元件将热能辐射到枯燥物体外表,使液体蒸发汽化停止枯燥。特色:其枯燥速率首要取决于辐射温度,温度高,枯燥速率快。其长处是装备比拟简略,是以都在比拟低挡的涂布机中操纵。其错误谬误是枯燥效力低,枯燥不平均,轻易产生枯燥弊病。

(2)双面送风飘浮枯燥。漂泊枯燥是在枯燥箔材双面设置特别设想的风嘴,送高速放射的气流,在氛围活动附壁效应的感化下,垂直感化到枯燥箔材上,在气流的感化下,枯燥片材呈漂泊状况停止枯燥。

(3)惯例对流热风枯燥。对流枯燥是比拟传统的枯燥手艺。加热的枯燥氛围送入烘道,枯燥氛围中的热能经由进程氛围的对传播导到被枯燥物体,使液体蒸发汽化停止枯燥。其长处是装备简略,其错误谬误是枯燥效力低,在古代枯燥装备中逐步被高效热风打击枯燥所代替。

(4)轮回热风打击枯燥。操纵氛围放射流膂力学道理成长起来的高效枯燥手艺。枯燥氛围经由进程特别设想的风嘴,以高速放射到被枯燥物体外表,在枯燥物体外表障碍枯燥运动氛围层在打击感化下被粉碎,从而加速了枯燥进程,使枯燥效力大大进步。 轮回热风打击枯燥的特色是:枯燥速率和温度有关,并且和枯燥风量有关。能够或许经由进程局部轮回枯燥氛围送风加微风量进步枯燥速率,大大进步枯燥氛围的热量的操纵,是以轮回热风打击枯燥具备高效节能的特色。别的用增大送风量来进步枯燥速率,能够或许防止接纳低温枯燥能够或许产生的龟裂枯燥弊病。

(5)过热水蒸气枯燥。过热蒸气是将液体加热到使其全数蒸发的饱和蒸气后,再持续加热而取得的蒸气。过热蒸汽枯燥是枯燥介质间接与湿涂层打仗,其热量首要以对流体例传入物料,枯燥析出的溶剂被枯燥介质带走的一种新兴的枯燥体例。在枯燥进程中,过热蒸汽作为枯燥介颠末物料外表,热量传给湿涂层,涂层外表的自在溶剂受热汽化,从而构成物料外表与外部湿分浓度的差别。在这一差别下,外部湿分就由液态或气态的情势向外表分散,气化的水蒸汽由过热蒸汽气流带走。其长处是能够或许操纵蒸汽的潜热,热效力高,可到达节俭能源的结果,过热蒸汽枯燥要比热风枯燥的传热系数大。

(6)微波枯燥。微波枯燥是操纵频次为915-2450MHZ的微波能量使物料发烧升温,从而蒸发水份停止枯燥的体例。

温度对极片辊压得影响

与冷轧比拟,热轧首要有以下长处:

1)能够或许削减约50%的极片反弹;

2)操纵较小的轧制力便可将极片的厚度紧缩到工艺需要的厚度,轧制力最大可减小62%;

3)加强涂层资料与集流体的结协力,削减电池在充放电轮回进程中掉粉环境的产生,进步电池的轮回寿命。

以上是温度对极片工艺影响的清算,错误的地方请大师攻讦斧正,不周全的接待大师多补充。后续将持续会商温度对其余工艺进程的影响。


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