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行業新聞

技術福利:一種分析鋰電池極片涂布干燥過程的新方法

分類  行業新聞    發布時間:  2018/04/27

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。

圖6 在烘干機中不同停留時間下第一張照片的nmax(三次實驗平均值),以及第一、二張照片的差值Δn12(單次實驗)的對比:(a)Graphite 1 (球形, d50 = 8.9 μm) , (b) Graphite 2 (多面體, d50 = 20.4 μm)。nmax與四參數邏輯(4PL)擬合曲線近似,并表明了不同的初始平臺。從恒定nmax平臺到中間階段的過渡時域以綠色突出顯示。

3.2、干燥中濕涂層的固化

基于以前干燥機理的文獻,作者提出了一個鋰電池電極干燥過程模型,如圖7所示。鋰電池電極漿料成分均勻分布,隨后,溶劑蒸發誘導濕涂層厚度減少,石墨顆粒逐漸彼此接近,直到形成最密集的堆積態,涂層收縮終止(圖7c),隨后進一步的溶劑蒸發迫使氣液界面退出孔結構,最終形成多孔結構干電極涂層(圖7e)。大孔傾向于優先排空液相,涂層收縮過程中,表面細小孔隙內充滿液相,知道涂層收縮停止(圖7c),孔隙內填滿溶劑。然后溶劑進一步去除,涂層中產生第一個較大尺寸的孔洞(圖7d),而細小孔洞由于毛細管力作用,液相更難排空。

圖5中,當加壓空氣吹掃涂層時,表面細孔內的溶劑被吹干去除,因此第二張照片的熒光強度降低。另一方面,毛細管力作用下溶劑液相再分配重新補充到涂層表面。干燥初始階段,毛細管力占主導,空氣吹掃外力去除表面液相少,因此熒光變化小(圖5)。而干燥后期,當空氣吹掃外力占主導時,表面液相更溶液去除,熒光差異大。



圖7 顆粒電極涂層干燥固化過程示意圖。

(a)溶劑蒸發引起初始均勻濕涂層收縮;(b)溶劑蒸發,石墨顆粒彼此接近;(c)當石墨顆粒獲得最密集的組態時,涂層收縮終止; (d)孔隙消失,溶劑進一步的蒸發導致液相散出多孔電極結構;(e)干燥的電極。

圖8是nmax(三個實驗的平均值)和無量綱標準化濕涂層厚度h(單次實驗)時間演變過程的比較,其中圖8a為Graphite 1 (球形, d50 = 8.9 μm) , 圖8b為Graphite 2 (多面體, d50 = 20.4 μm)。大顆粒石墨2實驗結果符合預期,與文獻【17】的結果也一致,涂層厚度基本不再變化時,灰度值nmax平臺開始消失,Δn12值突然增加,后續主要是溶劑從孔隙內排除過程。而小顆粒石墨并非如此,灰度值nmax平臺開始消失,Δn12值突然增加時,涂層厚度繼續減小。

圖8a和b曲線斜率基本相同,這說明干燥速率相同。而小石墨顆粒涂層收縮,厚度減小的持續時間更長。這主要是與石墨的粒徑和形貌相關,石墨1的涂層的孔隙率為47.5%,而石墨2顆粒涂層形成孔隙率為58.8%。小顆粒石墨孔隙率低,涂層收縮時間長,涂層厚度小。

圖8 nmax(三個實驗的平均值)和標準化濕膜厚度h(單次實驗)時間演變過程的比較:

(a)Graphite 1 (球形, d50 = 8.9 μm) , (b) Graphite 2 (多面體, d50 = 20.4 μm)。從nmax開始減少到平臺結束的時間間隔以以綠色突出顯示,這表明第一個孔洞形成時刻。五角星標記是文獻【17】的轉換時間。

本文設計了一種觀察和分析鋰電池電極涂布干燥過程的新裝置。對干燥過程捕捉照片,分析圖像的灰度值計算涂層表面的液相含量,同時與電極干燥孔洞形成過程相關聯。這些發現為開發與優化極片干燥工藝提供了科學依據,而不是經驗的參數變化。


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