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    公司新聞

    極片制造對鋰電池性能一致性的影響

    本文首發:鋰電派。感謝作者授權

    由于受到當前鋰電池原材料、制造技術的限制,單體電池無法為電動汽車提供足夠的能量,需要將鋰電池進行串、并聯做成電池模組,再將模組組成pack進行使用。將不等數目的鋰電池共同用于同一個pack時,pack的使用壽命和性能則遠不及單體電芯的使用壽命和性能。這是因為電池的原材料、制造工藝、設備的穩定性、操作工的操作熟練程度不一等因素造成的。鋰電池的制造過程非常復雜,每一道操作工序的微小差別,累積起來會造成較大的成品電芯性能差異。

    01

    鋰電池性能不一致的弊端

    電芯性能的差異主要體現在電芯容量、內阻、電壓等方面。電芯成組之后在充電過程中,容量小的電芯會先充滿電,容量大的電芯還會繼續充電,這樣就造成容量小的電芯過充電。過充電的過程中,鋰離子會在石墨負極表面析出枝晶鋰,長時間的過充電可能會導致金屬鋰由石墨表面縱向生長刺穿隔膜,引起電芯短路甚至起火爆炸。電芯模組在放電過程中,容量小的電芯會先放完電,但是其它電芯還未放完電,如果想要放出剩余電量,容量低的電芯勢必會造成過放電。放電深度對電芯的壽命有著關鍵性的影響,如果長時間過放電則會影響到整個模組的使用壽命。同樣,在串并聯電路中,單體電芯內阻的差異也會在充放電過程中體現出部分電池充電快、發熱量大、放電倍率不同等差異,最終造成電芯模組的容量衰減、壽命衰減。

    02

    影響鋰電池一致性因素之制漿

    電芯性能不一致性的原因有很多,極片的制造絕對算是主要原因之一。制片工藝主要包括混料制漿、極片涂布、極片輥壓、極片分切、極片沖切等工序,可謂是影響電芯性能的關鍵工序?;炝现茲{是制片過程中第一道工序,鋰電工藝員認為混料制漿效果對電芯的品質影響程度大于30%。鋰電漿料的一致性對后續的涂布、輥壓和極片的一致性有著重要影響,表征鋰電漿料性質的因素主要有漿料流動性(是否適合涂布)、漿料沉降性(沉降快慢、漿料穩定時間)、漿料的均一性(粘結劑、導電劑是否分散均勻)、粘度穩定性(是否能在涂布完成之前保證漿料粘度穩定)固含量(固含量影響的是涂布效率、生產成本以及極片的質量)、漿料的粒度(刮板粒度儀測試,一般要求小于25μm,過大不利于漿料涂布,可能會造成刮箔,一般需要過濾處理)。

    影響鋰電漿料一致性的因素主要有攪拌工藝、攪拌設備、原材料差異、環境控制、操作工人熟練程度。在這里先不講操作工人的熟練程度,這個可以通過培訓、實操等提升,完成之后對漿料性質沒有太大的波動。以上提到的影響因素中,都是相互關聯的?;炝现茲{工藝因公司而異,目前主流攪拌工藝主要有兩種,一種是濕法攪拌工藝,一種是干法攪拌工藝。兩種工藝的區別見:無論采用哪種工藝體系,關鍵是把握該種工藝在制漿過程中的適應性。攪拌工藝的變量是攪拌速度(包括混料速度、分散速度)、攪拌時間(同樣對于各步驟時間)、漿料溫度控制、加料的順序等。攪拌工藝的變動對漿料一致性肯定會產生差異,在攪拌工藝成熟不變的情況下,影響漿料一致性的原因可能來源于設備、原材料及環境控制。

    目前各大鋰電池廠家采用的混料制漿設備主要是行星式混料機,此外還有部分雙螺桿擠出機。根據相關政策,政府對鋰電廠的產品產能有一定的要求,需要采用大容積的攪拌機。然鵝,攪拌機的容積不能無限擴大,擴充產能只能通過增加攪拌機數量來解決。攪拌機數量增多,必然帶來設備的差異性。攪拌機之間的差異性主要在于設備廠家(采購批次不同)、攪拌容積、攪拌功率、攪拌速度等,即使在保證攪拌線速度一致的情況下,也難免有攪拌掉轉、空轉等現象。攪拌軸及攪拌半徑的不同,在攪拌過程中與材料的接觸面積也不同,攪拌機對材料的輸出功自然不同,微觀上則表現為原材料顆粒間受到的剪切力不同。即,雖然看著攪拌線速度一致,但是攪拌效果不同,漿料分散程度略不同,表現出來則是漿料的分散性、細度和粘度的變化。為了保證鋰電漿料的一致性,目前有的廠家會在不同攪拌機制漿完成之后,在同一個攪拌容器中進行二次攪拌以提高漿料的一致性。雙螺桿擠出機原先是用于橡膠混煉的領域,近些年跨界進入鋰電池漿料制漿領域,可謂是攪拌領域的一條鲇魚。雙螺桿擠出機的優勢在于漿料一致性好、出料連續性好,對于鋰電池的量產大大有利,但是為什么遲遲沒有打開鋰電池制漿市場呢?究其原因還是存在一些不足的,其劣勢先不表。

    03

    影響鋰電池一致性因素之涂布

    鋰電原材料的關鍵物理化學性質主要有晶體結構、晶相純度、晶體尺寸、顆粒形貌、表面積、陽離子混排、鋰離子擴散系數、充放電過程中的結構變化等。其中,影響漿料一致性的主要有原材料的成分組成、表面pH值、結構(包括導電劑、粘結劑等)、材料粒度、比表面積、振實密度、漿料原材料的配比組成等。在原材料配比、成分不變的情況下,主要考慮來料性質的一致性,例如pH值波動、吸水率、水分含量不同、粒度分布等,在來料性質出現微小波動的情況下要持續跟進,根據情況做出工藝調整。此外,還有混料制漿的環境控制,例如溫度、濕度等要保持均一性。

    涂布工序分為三個板塊,一是漿料上料系統,二是涂布系統,三是極片烘干系統。三位一體,需要每個系統都能維持穩定,才能保證極片的一致性。

    漿料上料系統是將攪拌完成后的漿料轉移到儲料罐后,通過隔膜泵轉移到過渡缸中,然后利用螺桿泵將漿料穩定輸出通過過濾裝置、除鐵裝置輸送給涂布設備進行涂布。在漿料自動上料系統中需要注意的幾個點是:防止儲料罐中漿料的分層、過渡缸中漿料液位、螺桿泵的穩定性、過濾罐的堵塞要及時清理等。下圖是某種自動上料系統的示意圖。

    鋰電池漿料的涂布方式主要有逗號刮刀式、轉移式、狹縫擠壓式涂布。三種涂布方式各有其特點,刮刀式主要應用于實驗室條件下,轉移式涂布主要應用于3C電池的生產,狹縫式擠壓涂布主要應用于動力電池。表征極片穩定性的參數主要是極片面密度、極片厚度以及粘結性。在涂布系統中,影響極片一致性的因素主要有涂布頭制造精度、螺桿泵輸送漿料穩定性、壓縮氣體穩定性、速度穩定性以及動態張力的控制等。

    刮刀式

    轉移式

    狹縫擠壓式

    極片烘干系統主要由數節不同溫度分布的烘箱組成,目的是烘干極片。在烘干系統中需要注意的是烘干溫度的設置,涂布過程中如果溫度過高容易導致極片龜裂,溫度低則極片不能完全干燥,都會造成電池局部極化不一致。此外還要注意防止粘結劑上浮的問題。

    在涂布工序經常出現的問題是頭厚尾薄、雙側厚邊、點狀暗斑、表面粗糙、露箔等缺陷。頭尾厚度可以通過涂布閥或間歇閥的開關時間來調整,厚邊問題可以從漿料性質、涂布間隙調整、漿料流速等方面改善,表面粗糙不平整有條紋等可以通過穩定箔材、降低速度、調整風刀角度等改善。

    本文簡述了涂布工序中影響極片一致性的一些因素,關于解決方案未多做贅述,相信了解涂布過程中遇到的問題并明白其原理后就能夠對癥下藥,解決涂布問題,歡迎大家加群討論。

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