锂电池的工作原理和浆料稳定性的重要性

介绍

锂离子充电电池作为电动汽车和混合动力汽车的动力源，需要具有大功率输出、高容量、高稳定性和长生命周期的特征。在电池的生产过程中，需要先混料制备浓度均一、分散稳定的正极和负极浆料，接下来进行涂布，得到正负极，再将正负极中加入隔膜并缠绕成卷，再灌入电解液。混料包括配料和搅拌，是影响锂电池性能关键的工艺之一。一般锂电池生产厂家都将混料列为核心机密，因为材料的挑选、处理、合理搭配、物质配比以及搅拌过程对电池性能都是至关重要的。搅拌效果直接影响电池性能，是混料中关键的一步，甚至国外一些锂电池厂认为搅拌工艺在锂电池的整个生产工艺中对产品的品质影响度大于30%，是整个生产工艺中重要的环节。

Turbiscan采用的多重光散射技术可以在不稀释的情况下直接分析锂电池浆料的稳定性和均一性，是协助锂电池研发的得力助手。本文首先介绍了锂离子电池的基本工作原理和Turbiscan的实测案例。

锂离子电池基本构造和工作原理

在确定活性物质、粘结剂和导电剂的比例和固体含量后，在真空环境中经过高速搅拌，并将浆料黏度调整至2500~4000mPa•s，便于涂布，涂布的厚度误差应该小于3μm。涂布后典型的正负极构造如下图所示。

正极构造

LiMn2O4(锰酸锂/磷酸铁锂等)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体(铝箔)正极

负极构造

石墨+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(SBR)+集流体(铜箔)负极

锂电池工作原理

充电过程

电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为LiMn2O4==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(电子)

负极上发生的反应为6C+XLi+Xe==LixC6

放电过程

电池放电，此时负极上的电子e从通过外部电路跑到正极上，正锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为Li1-xMn2O4+xli++xe(电子)==LiMn2O4

负极上发生的反应为LixC6==6C+xLi+xe

Turbiscan实际案例

研究了在以硅合金为活性材料、水基材料作为粘结剂、去离子水作为溶剂的正极浆料中，羟丙基纤维素(HPC)的加入对分散稳定性的影响，HPC在此体系中起到分散剂和粘合剂的作用。利用Turbiscan实测数据如下图所示。

Turbiscan数据（a无HPC，b加入0.7 wt %HPC）

从Turbiscan数据可见，未加入HPC的正极浆料背向散射backscattering不同高度的值不一致，在浆料的顶部背向散射随着时间的推移而降低。然而, 在加入0.7 wt% HPC的料浆中，背向散射在不同高度基本一致。

也就是说，浆料中的颗粒在没有HPC的情况下，随着时间的推移逐渐发生絮凝，比表面积变小，因此，上层颗粒絮凝，下层沉淀。从这些结果表明，HPC的加入有利于均匀分散的炭黑颗粒，并降低颗粒之间的相互作用力，从而增加稳定性。

SEM数据（a无HPC，b加入0.7 wt %HPC）

利用扫描电镜(SEM)观察浆料在涂布后的表面情况。在加入0.7 wt% HPC的情况下，电极表面结构粒子密度大，分布规律，但在无hpc，结构疏松，颗粒团聚，凝固颗粒周围也有裂纹。此外文章经过一些列验证，确定HPC的加入使浆液具有良好的分散性。在电池中，电极与集电体的粘附性得到提高，提高了初始容量、极化电阻、循环的性能。

结论

锂电池制片工艺对电池一致性有着至关重要的影响，必须尽可能保证搅拌、涂布和辊压的均一性。当然锂电池一致性是相对的，不一致性是的，但可以通过进一步提高工艺参数的性来提高单体电池的一致性，Turbiscan多重光散射仪是研究电池浆料分散一致性有效的工具。