一、 電極的組成:
1、 正極組成:
a、 鈷酸鋰:正極活性物質(zhì),鋰離子源,為電池提供鋰源。
b、 導電劑:提高正極片的導電性,補償正極活性物質(zhì)的電子導電性。 提高正極片的電解液的吸液量,增加反應界面,減少極化。
c、 PVDF粘合劑:將鈷酸鋰、導電劑和鋁箔或鋁網(wǎng)粘合在一起。
d、 正極引線:由鋁箔或鋁帶制成。
2、 負極組成:
a、 石墨:負極活性物質(zhì),構成負極反應的主要物質(zhì);主要分為天然石墨和人造石墨兩大類。
b、 導電劑:提高負極片的導電性,補償負極活性物質(zhì)的電子導電性。 提高反應深度及利用率。防止枝晶的產(chǎn)生。利用導電材料的吸液能力,提高反應界面,減少極化。(可根據(jù)石墨粒度分布選擇加或不加)。
c、 添加劑:降低不可逆反應,提高粘附力,提高漿料黏度,防止?jié){料沉淀。
d、 水性粘合劑:將石墨、導電劑、添加劑和銅箔或銅網(wǎng)粘合在一起。
e、 負極引線:由銅箔或鎳帶制成。
二、 配料目的:
配料過程實際上是將漿料中的各種組成按標準比例混合在一起,調(diào)制成漿料,以利于均勻涂布,保證極片的一致性。配料大致包括五個過程,即:原料的預處理、摻和、浸濕、分散和絮凝。
三、 正極配料:
(一) 、正極配料原理
1、 原料的理化性能。
(1) 鈷酸鋰:非極性物質(zhì),不規(guī)則形狀,粒徑D50一般為6-8 μm,含水量≤0.2%,通常為堿性,PH值為10-11左右。
錳酸鋰:非極性物質(zhì),不規(guī)則形狀,粒徑D50一般為5-7 μm,含水量≤0.2%,通常為弱堿性,PH值為8左右。
(2) 導電劑:非極性物質(zhì),葡萄鏈狀物,含水量3-6%,吸油值~300,粒徑一般為 2-5 μm;主要有普通碳黑、超導碳黑、石墨乳等,在大批量應用時一般選擇超導碳黑和石墨乳復配;通常為中性。
(3) PVDF(聚偏二氟乙烯)粘合劑:非極性物質(zhì),鏈狀物,分子量從300,000到3,000,000不等;吸水后分子量下降,粘性變差。
(4) NMP(N-甲基吡洛烷酮):弱極性液體,用來溶解/溶脹PVDF,同時用來稀釋漿料。
2、 原料的預處理
(1) 鈷酸鋰:脫水。一般用120 ℃常壓烘烤2小時左右。
(2) 導電劑:脫水。一般用200 ℃常壓烘烤2小時左右。
(3) 粘合劑:脫水。一般用120-140 ℃常壓烘烤2小時左右,烘烤溫度視分子量的大小決定。
(4) NMP:脫水。使用干燥分子篩脫水或采用特殊取料設施,直接使用。
3、 原料的摻和:
(1) 粘合劑的溶解(按標準濃度)及熱處理。
(2) 鈷酸鋰和導電劑球磨:使粉料初步混合,鈷酸鋰和導電劑粘合在一起,提高團聚作用和的導電性。配成漿料后不會單獨分布于粘合劑中,球磨時間一般為2小時左右;為避免混入雜質(zhì),通常使用瑪瑙球作為球磨介子。
4、 干粉的分散、浸濕:
(1) 原理:固體粉末放置在空氣中,隨著時間的推移,將會吸附部分空氣在固體的表面上,液體粘合劑加入后,液體與氣體開始爭奪固體表面;如果固體與氣體吸附力比與液體的吸附力強,液體不能浸濕固體;如果固體與液體吸附力比與氣體的吸附力強,液體可以浸濕固體,將氣體擠出。
當潤濕角≤90度,固體浸濕。
當潤濕角>90度,固體不浸濕。
正極材料中的所有組員都能被粘合劑溶液浸濕,所以正極粉料分散相對容易。
(2) 分散方法對分散的影響:
A、 靜置法(時間長,效果差,但不損傷材料的原有結構);
B、 攪拌法;自轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)(時間短,效果佳,但有可能損傷個別 材料的自身結構)。
a、攪拌槳對分散速度的影響。攪拌槳大致包括蛇形、蝶形、球形、槳形、齒輪形等。一般蛇形、蝶形、槳型攪拌槳用來對付分散難度大的材料或配料的初始階段;球形、齒輪形用于分散難度較低的狀態(tài),效果佳。
b、攪拌速度對分散速度的影響。一般說來攪拌速度越高,分散速度越快,但對材料自身結構和對設備的損傷就越大。
c、濃度對分散速度的影響。通常情況下漿料濃度越小,分散速度越快,但太稀將導致材料的浪費和漿料沉淀的加重。
d、濃度對粘結強度的影響。濃度越大,柔制強度越大,粘接強度 越大;濃度越低,粘接強度越小。
e、真空度對分散速度的影響。高真空度有利于材料縫隙和表面的氣體排出,降低液體吸附難度;材料在完全失重或重力減小的情況下分散均勻的難度將大大降低。
f、溫度對分散速度的影響。適宜的溫度下,漿料流動性好、易分散。太熱漿料容易結皮,太冷漿料的流動性將大打折扣。
g、稀釋。將漿料調(diào)整為合適的濃度,便于涂布。
(二)、負極配料原理(大致與正極配料原理相同)
1、 原料的理化性能。
(1) 石墨:非極性物質(zhì),易被非極性物質(zhì)污染,易在非極性物質(zhì)中分散;不易吸水,也不易在水中分散。被污染的石墨,在水中分散后,容易重新團聚。一般粒徑D50為20μm左右。顆粒形狀多樣且多不規(guī)則,主要有球形、片狀、纖維狀等。
(2) 水性粘合劑(SBR:丁苯橡膠):小分子線性鏈狀乳液,極易溶于水和極性溶劑。
(3) 防沉淀劑(CMC:羧甲基纖維素):高分子化合物,易溶于水和極性溶劑。
(4) 異丙醇:弱極性物質(zhì),加入后可減小粘合劑溶液的極性,提高石墨和粘合劑溶液的相容性;具有強烈的消泡作用;易催化粘合劑網(wǎng)狀交鏈,提高粘結強度。
乙醇:弱極性物質(zhì),加入后可減小粘合劑溶液的極性,提高石墨和粘合劑溶液的相容性;具有強烈的消泡作用;易催化粘合劑線性交鏈,提高粘結強度(異丙醇和乙醇的作用從本質(zhì)上講是一樣的,大批量生產(chǎn)時可考慮成本因素然后選擇添加哪種)。
(5)去離子水(或蒸餾水):稀釋劑,酌量添加,改變漿料的流動性。
2、 原料的預處理:
(1) 石墨:A、混合,使原料均勻化,提高一致性。B、300~400℃常壓烘烤,除去表面油性物質(zhì),提高與水性粘合劑的相容能力,修圓石墨表面棱角(有些材料為保持表面特性,不允許烘烤,否則效能降低)。
(2) 水性粘合劑:適當稀釋,提高分散能力。
3、 摻和、浸濕和分散:
(1) 石墨與粘合劑溶液極性不同,不易分散。
(2) 可先用醇水溶液將石墨初步潤濕,再與粘合劑溶液混合。
(3) 應適當降低攪拌濃度,提高分散性。
(4) 分散過程為減少極性物與非極性物距離,提高勢能或表面能,所以為吸熱反應,攪拌時總體溫度有所下降。如條件允許應該適當升高攪拌溫度,使吸熱變得容易,同時提高流動性,降低分散難度。
(5) 攪拌過程如加入真空脫氣過程,排除氣體,促進固-液吸附,效果更佳。
(6) 分散原理、分散方法同正極配料中的相關內(nèi)容,在三、(一)、4中有詳細論述,在此不予詳細解釋。
4、 稀釋。將漿料調(diào)整為合適的濃度,便于涂布。
四、 配料注意事項:
1、 防止混入其它雜質(zhì);
2、 防止?jié){料飛濺;
3、 漿料的濃度(固含量)應從高往低逐漸調(diào)整,以免增加麻煩;
4、 在攪拌的間歇過程中要注意刮邊和刮底,確保分散均勻;
5、 漿料不宜長時間擱置,以免沉淀或均勻性降低;
6、 需烘烤的物料必須密封冷卻之后方可以加入,以免組分材料性質(zhì)變化;
7、 攪拌時間的長短以設備性能、材料加入量為主;攪拌槳的使用以漿料分散難度進行更換,無法更換的可將轉(zhuǎn)速由慢到快進行調(diào)整,以免損傷設備;
8、 出料前對漿料進行過篩,除去大顆粒以防涂布時造成斷帶;
9、 對配料人員要加強培訓,確保其掌握專業(yè)知識,以免釀成大禍;
10、 配料的關鍵在于分散均勻,掌握該中心,其它方式可自行調(diào)整。
五、 總論:
隨著電池制程的日益透明,鋰離子電池生產(chǎn)廠家越來越將配料列為核心機密,因為從材料的挑選、處理到合理搭配包含了太多技術人員的心血,同樣的材料,有的廠家用起來特別順利,有的廠家就麻煩百出;有的廠家用中檔的材料可以做出高端的電池,而有的廠家卻使用最好的材料做成的電池慘不忍睹;筆者發(fā)表配料的基礎知識,旨在讓大家對配料的了解多一些,少走一些彎路;有疏漏之處,希望大家多多批評指正。
鋰電池型號命名含義
單體鋰電池的命名多有四部分組成,
第一部分是體系字母代號,就是上面說到的“C,E,W”;
第二部分為形狀字母代號,“R”代表圓柱形,“S”代表方形,“F”代表扁方(口香糖)形;第三部分為數(shù)字代表電池尺寸;第四部分為電池工作特性代號,“M”代表中倍率放電,“H”代表高倍率放電,“S”代表可在高溫(100-150攝氏度)條件下工作。舉個例子:ER14500MS,表示可以一支可以接受高溫條件下中倍率放電的,直徑為14.0mm,高為50mm的鋰-亞硫酰氯圓柱體電池。
鋰電池里面大家比較能接觸的上的,并且真能使用的得到的電池,就是鋰-二氧化錳電池,鋰-亞硫酰氯電池,鋰-二氧化硫電池三種。就這三種電池來寫一點心得和使用經(jīng)驗。
鋰-二氧化錳電池,常見,用的地方多,也很方便的可以買到,但是各個品牌質(zhì)量不一樣。
除了在以前介紹過的紐扣型鋰-二氧化錳電池,最最常見的鋰-二氧化錳電池就是給上膠卷的普通相機上面用那幾種。
CR2,CR123A,CRP2,2CR5。這四個型號的鋰-二氧化錳電池是非常常用的。我們銷售時候的行話分別把它們叫做“三伏短(CR2),三伏長(CR123A),六伏短(CRP2),六伏長(2CR5)”。 CR2,CR123A都是一支單體鋰-二氧化錳電池,CR2也可以叫做CR15266,它的直徑為15.6mm,高為27.0mm,公稱電壓3.0V;CR123A也可以叫做CR17335,它的直徑為17.0mm,高為34.5mm,公稱電壓3.0V。
CRP2,2CR5其實是電池組,里面都是兩支CR123A電池,只不過外面有一個很好看的塑料框架,串聯(lián)起來的兩支CR123A電池使CRP2,2CR5的電壓達到了6V。CRP2的直徑為Ф35.0*19.5mm,高為36.0mm,公稱電壓6.0V;2CR5的直徑為Ф34.0*17.0mm,高為45.0mm,公稱電壓6.0V
CRV3,CRV6電池,也是鋰-二氧化錳電池,都是兩支電池組成的電池組,CRV3是兩支電池并聯(lián)組合使用,CRV6是兩支電池串聯(lián)組合使用,這兩種鋰-二氧化錳都是新近推出的品種,多使用在數(shù)碼相機上面。
CRV3電池公稱電壓3.0V,尺寸14.5mm×29mm×52mm??梢源鎯芍A堿性電池使用,不過是用的時候可要看看電池倉,有的可以放進去,有的還不能放。這點要注意。CRV6電池公稱電壓6.0V,尺寸14.5mm×29mm×52mm 。實物貨品我還沒有見過。所以就不能給大家介紹太多了。
鋰-二氧化錳電池屬于有機電解質(zhì)電池,是一種以經(jīng)過專門熱處理的電解二氧化錳粉末為正極,以鋰為負極,采用有機電解液的一次性電池。鋰-二氧化錳電池公稱電壓3.0V(約為一般堿性/鎳鎘/鎳氫電池的2倍多,);起始電壓可達到3.3V,工作電壓2.9V,終止放電電壓為2V;放電電壓穩(wěn)定。鋰-二氧化錳電池的比能量較大可達到250Wh/kg;工作溫度范圍寬-20℃~+50℃;自放電率低(年自放電率≤2%),有較好的儲存性能(儲存時間4年以上),并且在存放期間無氣體逸出,安全性好。
需要大家注意的是:
?。?!鋰-二氧化錳電池是一次性電池,不可以充電?。?! 不要妄圖給這種電池充電,這個看似“經(jīng)濟”的做法絕對是對人身安全的考驗。 在實際使用的時候如果相機照相后有一段時間不用,最好把電池從相機的電池倉里面拿出來,放在陰涼干燥處絕緣保存。
鋰二氧化錳電池作為一次性電池來講,民用的通常給單反相機供電,一只CR123A可以拍照8-12個膠卷左右。這種一次性鋰二氧化錳電池售價還是很貴的,通常一支CR123A的零售價格在15-20元左右,于是乎就有人打起了可以代替的充電電池的念頭。
事實上是可行的,但使用起來有點危險。主要和大家講講用得最多,而且也有成功改造經(jīng)驗的CR123A,2CR5替換用充電電池。
CR123A也可以叫做CR17335,它的直徑為17.0mm,高為34.5mm。有同這個電池尺寸大小差不多的鋰離子電池,例如Lion-17335,Lion-16430。外型大小差不多是一致的,體積的問題解決了。然后需要面對電池電壓,容量,充電方法的問題。
CR123A的公稱電壓為3.0V,新的CR123A空載電壓可以達到3.3V,它的主要放電平臺在2.8-3.0V之間。Lion-17335或者Lion-16430的公稱電壓為3.6V/3.7V,剛剛充滿電的Lion-17335或者Lion-16430空載電壓可以達到4.1V,放置一小時后起始電壓可達到3.85V,它的主要放電平臺在3.6-3.7V之間。可以看到一次性鋰二氧化錳電池和二次可充鋰離子電池大致有一個0.6V的電壓差。
主流的PanasonicCR123A(真品)容量約為1200-1400mAh之間;Lion-17335或者Lion-16430的容量在550-650mAh之間,容量上面相差了一倍多。但是考慮到實際,使用時550-650mAh左右的容量也夠4-5卷膠卷拍照用的,而且鋰離子電池是可充電電池能有300次以上的循環(huán)壽命,相比之下鋰離子電池成本更加低廉。