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技术福利:一种分析锂电池极片涂布干燥过程的新方法

分类  行业新闻    发布时间:  2018/04/27

锂电池电极是一种颗粒组成的涂层,电极制备过程中,均匀的湿浆料涂敷在金属集流体上,然后通过干燥去除湿涂层中的溶剂。电极浆料往往需要加入聚合物粘结剂或者分散剂,以及炭黑等导电剂。尽管固含量一般大于30%,但是干燥过程中,溶剂蒸发时,涂层总会经历一定的收缩,固体物质在湿涂层中彼此接近,最后形成多孔的干燥电极结构。

图6 在烘干机中不同停留时间下第一张照片的nmax(三次实验平均值),以及第一、二张照片的差值Δn12(单次实验)的对比:(a)Graphite 1 (球形, d50 = 8.9 μm) , (b) Graphite 2 (多面体, d50 = 20.4 μm)。nmax与四参数逻辑(4PL)拟合曲线近似,并表明了不同的初始平台。从恒定nmax平台到中间阶段的过渡时域以绿色突出显示。

3.2、干燥中湿涂层的固化

基于以前干燥机理的文献,作者提出了一个锂电池电极干燥过程模型,如图7所示。锂电池电极浆料成分均匀分布,随后,溶剂蒸发诱导湿涂层厚度减少,石墨颗粒逐渐彼此接近,直到形成最密集的堆积态,涂层收缩终止(图7c),随后进一步的溶剂蒸发迫使气液界面退出孔结构,最终形成多孔结构干电极涂层(图7e)。大孔倾向于优先排空液相,涂层收缩过程中,表面细小孔隙内充满液相,知道涂层收缩停止(图7c),孔隙内填满溶剂。然后溶剂进一步去除,涂层中产生第一个较大尺寸的孔洞(图7d),而细小孔洞由于毛细管力作用,液相更难排空。

图5中,当加压空气吹扫涂层时,表面细孔内的溶剂被吹干去除,因此第二张照片的荧光强度降低。另一方面,毛细管力作用下溶剂液相再分配重新补充到涂层表面。干燥初始阶段,毛细管力占主导,空气吹扫外力去除表面液相少,因此荧光变化小(图5)。而干燥后期,当空气吹扫外力占主导时,表面液相更溶液去除,荧光差异大。



图7 颗粒电极涂层干燥固化过程示意图。

(a)溶剂蒸发引起初始均匀湿涂层收缩;(b)溶剂蒸发,石墨颗粒彼此接近;(c)当石墨颗粒获得最密集的组态时,涂层收缩终止; (d)孔隙消失,溶剂进一步的蒸发导致液相散出多孔电极结构;(e)干燥的电极。

图8是nmax(三个实验的平均值)和无量纲标准化湿涂层厚度h(单次实验)时间演变过程的比较,其中图8a为Graphite 1 (球形, d50 = 8.9 μm) , 图8b为Graphite 2 (多面体, d50 = 20.4 μm)。大颗粒石墨2实验结果符合预期,与文献【17】的结果也一致,涂层厚度基本不再变化时,灰度值nmax平台开始消失,Δn12值突然增加,后续主要是溶剂从孔隙内排除过程。而小颗粒石墨并非如此,灰度值nmax平台开始消失,Δn12值突然增加时,涂层厚度继续减小。

图8a和b曲线斜率基本相同,这说明干燥速率相同。而小石墨颗粒涂层收缩,厚度减小的持续时间更长。这主要是与石墨的粒径和形貌相关,石墨1的涂层的孔隙率为47.5%,而石墨2颗粒涂层形成孔隙率为58.8%。小颗粒石墨孔隙率低,涂层收缩时间长,涂层厚度小。

图8 nmax(三个实验的平均值)和标准化湿膜厚度h(单次实验)时间演变过程的比较:

(a)Graphite 1 (球形, d50 = 8.9 μm) , (b) Graphite 2 (多面体, d50 = 20.4 μm)。从nmax开始减少到平台结束的时间间隔以以绿色突出显示,这表明第一个孔洞形成时刻。五角星标记是文献【17】的转换时间。

本文设计了一种观察和分析锂电池电极涂布干燥过程的新装置。对干燥过程捕捉照片,分析图像的灰度值计算涂层表面的液相含量,同时与电极干燥孔洞形成过程相关联。这些发现为开发与优化极片干燥工艺提供了科学依据,而不是经验的参数变化。


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