一種分析鋰電池極片涂布干燥過程的新方法

來源：新能源汽車網

時間：2017-05-02 15:30:47

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一種分析鋰電池極片涂布干燥過程的新方法鋰電池電極是一種顆粒組成的涂層，電極制備過程中，均勻的濕漿料涂敷在金屬集流體上，然后通過干燥去除濕涂層中的溶劑。電極漿料往往需要加入聚合物粘結

鋰電池電極是一種顆粒組成的涂層，電極制備過程中，均勻的濕漿料涂敷在金屬集流體上，然后通過干燥去除濕涂層中的溶劑。電極漿料往往需要加入聚合物粘結劑或者分散劑，以及炭黑等導電劑。盡管固含量一般大于30%，但是干燥過程中，溶劑蒸發(fā)時，涂層總會經歷一定的收縮，固體物質在濕涂層中彼此接近，最后形成多孔的干燥電極結構。

1、前言

毛細管力作用在三相界面上，半月形液相蒸發(fā)固化，并顯著影響電極微結構。當涂層收縮完成，隨著溶劑進一步蒸發(fā)，氣-液界面逐步從孔隙中退出，最后形成干涂層。在涂層收縮和溶劑蒸發(fā)過程中，添加劑容易遷移，可能在多孔電極中重新分配，比如普遍認為存在的粘結劑遷移。當干燥速度太高時，涂層表面溶劑蒸發(fā)，可溶性的或分散性的粘結劑傾向于以高濃度存在于涂層表面。相反，較低的干燥速度可以使粘結劑分布平衡。粘結劑遷移是電極制造過程中不期望發(fā)生的，局部富集必然導致其他區(qū)域量減少，比如涂層和集流體界面粘結劑減少會導致涂層結合強度低。而且粘結劑分布不均勻也會導致電池電化學性能裂化，比如內阻增加，相應倍率特性變差。因此，干燥條件以及溶劑蒸發(fā)對電極制造過程是非常重要的。

另外，涂層干燥又是和能源消耗相關的，因此電極干燥也是決定性的成本因素。近年來，電池工業(yè)上不斷要求提高干燥速度，減少烘箱長度，從而降低能源消耗成本。要想提高干燥速度，就需要提高溫度或者加大風量，然而這又會導致電極性能的下降。幸好，電極干燥不是一個線性過程，可以分為兩個階段，在第二階段可以提高干燥速率。基于此，多區(qū)域干燥模型能夠顯著減少所需的干燥時間。這就需要我們深入認識電極干燥過程，不斷克服目前的局限。

德國卡爾斯魯厄理工學院薄膜技術研究所的Stefan Jaiser等人引入了一種實驗裝置，在涂層干燥溶劑蒸發(fā)過程中能夠測量涂層的收縮，涂層表面液體含量，以及表面孔洞消失的過程。在電極漿料中少量加入一種熒光增白劑，涂層中的液體在UV-A紫外線輻照下能夠發(fā)出藍光，因而可以用相機觀察到液相。圖像處理可以估算涂層表面的液體含量，跟蹤電極孔隙中的液相消失過程。同時，濕涂層的厚度采用二維激光位移傳感器測量。實驗結果揭示了液相去除，電極孔隙中開始形成的時刻。

2、實驗方法

2.1、材料和攪拌

(1)PVDF：NMP=5.55:94.45，先打膠

(2)石墨與炭黑干混，其中石墨分別采用兩種：Graphite 1 (球形，d50 = 8.9 μm) 和 Graphite 2 (多面體，d50 = 20.4 μm)

(3)攪拌制備漿料，漿料最終固含量 47.5%，石墨：炭黑：PVDF= 91.7：2.8：5.5

(4)涂布之前，漿料中加入熒光增白劑DSBB重量0.1%

2.2、實驗裝置-涂布和干燥

濕涂層通過刮刀以6m/min的速度涂敷在10μm的銅箔上，涂層寬度60mm，最大涂層長度80cm，面密度72g/m2，干燥溫度為76.5℃，NMP干燥速率為1.2g?m-2? s-1。實驗裝置如圖1所示，對流槽噴嘴干燥器位于濕涂層上方用來干燥涂層，銅箔放置在控制溫度的鋁板上，鋁板開孔真空吸附銅箔。UV燈發(fā)射紫外線照射在涂層上，用尼康相機照相，另外，電磁閥控制加壓空氣噴嘴能夠噴掃涂層。

涂層移出干燥機的時間texit即電極干燥時間，電極片移出干燥機后隨即連續(xù)照相3次，其中第二張照片拍照時刻打開加壓空氣噴嘴。照片每個像素尺寸為8.4μm x 8.4μm。

圖1 實驗裝置示意圖

①-對流槽噴嘴干燥機，②-溫控板，③-SLR相機，④-UV燈，⑤-加壓空氣噴嘴

圖2為圖像處理流程，每個圖像都是RGB灰度值疊加照片，首先將照片分割成紅(red)、綠(grenn)、藍(blue)三原色各自的顏色通道。本文中只分析紅色通道，因為藍色在長時間干燥后仍舊飽和狀態(tài)，因而缺少最開始的信息，而綠色值強度低，接近零。采用MATLAB對圖像進行處理，讀取每一個像素的灰度值并計數，再做成灰度值高斯分布圖。標準偏差σ和平均灰度值nmax作為圖像處理的特征量，nmax表示涂層表面液體的含量。