鉅大LARGE | 點擊量：1597次 | 2019年05月20日
鋰離子電池的原理、配方和工藝流程
鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依托Li+在兩個電極之間往復嵌入和脫嵌來作業(yè)。隨著能源轎車等下游產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，鋰離子電池的出產(chǎn)規(guī)模正在不斷擴大。
本專題分為上、下兩個部分，其間上篇要點重視鋰離子電池的原理、配方和工藝流程。下篇講解鋰電池的制造及其功能，本文系本專題上篇。
一、作業(yè)原理
1、正極結構
LiCoO2+導電劑+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔）
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2、負極結構
石墨+導電劑+增稠劑(CMC)+粘結劑(SBR)+集流體（銅箔）
你應該知道的鋰離子<atarget=_blankhref='http://www.dghoppt.cn/product-list-13.html'><b>電池</b></a>原理及工藝（上）
3、作業(yè)原理
3.1充電進程
一個電源給電池充電，此刻正極上的電子e從經(jīng)過外部電路跑到負極上，正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液里，“爬過”隔閡上彎彎曲曲的小洞，“游水”到達負極，與早就跑過來的電子結合在一起。此刻：
正極上發(fā)生的反響為：
負極上發(fā)生的反響為：
3.2電池放電進程
放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實是在外電路加一個能夠隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的本質都是在電池正負極加一個電阻讓電子經(jīng)過。由此可知，只要負極上的電子不能從負極跑到正極，電池就不會放電。電子和Li+都是一起舉動的，方向相同但路不同，放電時，電子從負極經(jīng)過電子導體跑到正極，鋰離子Li+從負極“跳進”電解液里，“爬過”隔閡上彎彎曲曲的小洞，“游水”到達正極，與早就跑過來的電子結合在一起。
3.3充放電特性
電芯正極選用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其間LiCoO2本是一種層結構很安穩(wěn)的晶型，但當從LiCoO2拿走x個Li離子后，其結構或許發(fā)生變化，可是否發(fā)生變化取決于x的大小。
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)當x>0.5時，Li1-xCoO2的結構表現(xiàn)為極其不安穩(wěn)，會發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒完結。所以電芯在運用進程中應經(jīng)過約束充電電壓來操控Li1-xCoO2中的x值，一般充電電壓不大于4.2V那么x小于0.5，這時Li1-xCoO2的晶型仍是安穩(wěn)的。
負極C6其本身有自己的特色，當?shù)谝淮位珊?，正極LiCoO2中的Li被充到負極C6中，當放電時Li回到正極LiCoO2中，但化成之后有必要有一部分Li留在負極C6中心，以保證下次充放電Li的正常嵌入，不然電芯的壓倒很短，為了保證有一部分Li留在負極C6中，一般經(jīng)過約束放電下限電壓來完結：安全充電上限電壓≤4.2V，放電下限電壓≥2.5V。
回憶效應的原理是結晶化，在鋰電池中幾乎不會發(fā)生這種反響?？墒?，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會下降，其原因是雜亂而多樣的。主要是正負極資料本身的變化，從分子層面來看，正負極上容納鋰離子的空穴結構會逐步陷落、堵塞；從化學角度來看，是正負極資料活性鈍化，呈現(xiàn)副反響生成安穩(wěn)的其他化合物。物理上還會呈現(xiàn)正極資料逐步脫落等情況，總歸終究下降了電池中能夠自由在充放電進程中移動的鋰離子數(shù)目。
過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負極形成永久的損壞，從分子層面看，能夠直觀的理解，過度放電將導致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結構呈現(xiàn)陷落，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結構里去，而使得其間一些鋰離子再也無法釋放出來。
不適合的溫度將引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部其他化學反響生成咱們不期望看到的化合物，所以在不少的鋰離子電池正負極之間設有保護性的溫控隔閡或電解質添加劑。在電池升溫到一定的情況下，復合膜膜孔閉合或電解質變性，電池內(nèi)阻增大直到斷路，電池不再升溫，保證電池充電溫度正常。
二、鋰電池的配方與工藝流程
1.正負極配方
1.1正極配方：LiCoO2+導電劑+粘合劑+集流體（鋁箔）
LiCoO2(10μm):96.0%
導電劑（CarbonECP）2.0%
粘合劑（PVDF761）2.0%
NMP（添加粘結性）:固體物質的重量比約為810:1496
a)正極粘度操控6000cps（溫度25轉子3）；
b)NMP重量須恰當調(diào)理，到達粘度要求為宜；
c)特別注意溫度、濕度對黏度的影響
正極活性物質：
鈷酸鋰：正極活性物質，鋰離子源，為電池進步鋰源。非極性物質，不規(guī)則形狀，粒徑D50一般為6-8μm，含水量≤0.2%，一般為堿性，pH值為10-11左右。
錳酸鋰：非極性物質，不規(guī)則形狀，粒徑D50一般為5-7μm，含水量≤0.2%，一般為弱堿性，pH值為8左右。
導電劑：鏈狀物，含水量<1%，粒徑一般為1-5μm。一般運用導電性優(yōu)異的超導碳黑，如科琴炭黑CarbonECP和ECP600JD，其作用：進步正極資料的導電性，補償正極活性物質的電子導電性；進步正極片的電解液的吸液量，添加反響界面，削減極化。
PVDF粘合劑：非極性物質，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。用于將鈷酸鋰、導電劑和鋁箔或鋁網(wǎng)粘合在一起。常用的品牌如Kynar761。
NMP：弱極性液體，用來溶解/溶脹PVDF，一起用來稀釋漿料。
集流體（正極引線）：由鋁箔或鋁帶制成。
1.2負極配方：石墨+導電劑+增稠劑（CMC）+粘結劑（SBR）+集流體（銅箔）
負極資料（石墨）：94.5%
導電劑（CarbonECP）：1.0%(科琴超導碳黑)
粘結劑（SBR）：2.25%(SBR=丁苯橡膠膠乳）
增稠劑（CMC）：2.25%(CMC=羧甲基纖維素鈉）
水：固體物質的重量比為1600:1417.5
a)負極黏度操控5000-6000cps（溫度25轉子3）
b)水重量需求恰當調(diào)理，到達黏度要求為宜；
c)特別注意溫度濕度對黏度的影響
2、正負混料
石墨：負極活性物質，構成負極反響的主要物質；主要分為天然石墨和人造石墨兩大類。非極性物質，易被非極性物質污染，易在非極性物質中渙散；不易吸水，也不易在水中渙散。被污染的石墨，在水中渙散后，容易重新聚會。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。
導電劑：其作用為：
a)進步負極片的導電性，補償負極活性物質的電子導電性。
b)進步反響深度及運用率。
c)避免枝晶的發(fā)生。
d)運用導電資料的吸液才能，進步反響界面，削減極化。（可根據(jù)石墨粒度散布挑選加或不加）。
添加劑：下降不行逆反響，進步粘附力，進步漿料黏度，避免漿料沉積。
增稠劑/防沉積劑（CMC）：高分子化合物，易溶于水和極性溶劑。
異丙醇：弱極性物質，參加后可減小粘合劑溶液的極性，進步石墨和粘合劑溶液的相容性；具有激烈的消泡作用；易催化粘合劑網(wǎng)狀交鏈，進步粘結強度。
乙醇：弱極性物質，參加后可減小粘合劑溶液的極性，進步石墨和粘合劑溶液的相容性；具有激烈的消泡作用；易催化粘合劑線性交鏈，進步粘結強度（異丙醇和乙醇的作用從本質上講是一樣的，大批量出產(chǎn)時可考慮成本要素然后挑選添加哪種）。
水性粘合劑（SBR）：將石墨、導電劑、添加劑和銅箔或銅網(wǎng)粘合在一起。小分子線性鏈狀乳液，極易溶于水和極性溶劑。
去離子水（或蒸餾水）：稀釋劑，斟酌添加，改變漿料的流動性。
負極引線：由銅箔或鎳帶制成。
2.1正極混料：
2.1.1質料的預處理
1)鈷酸鋰：脫水。一般用120°C常壓烘烤2小時左右。
2)導電劑：脫水。一般用200°C常壓烘烤2小時左右。
3)粘合劑：脫水。一般用120-140°C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。運用枯燥分子篩脫水或選用特殊取料設施，直接運用。
2.1.2物料球磨：
1)4小時完畢，過篩別離出球磨；
2)將LiCoO2和CarbonECP倒入料桶，一起參加磨球（干料：磨球=1:1），在滾瓶及上進行球磨，轉速操控在60rmp以上
2.1.3質料的摻和：
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，進步聚會作用和的導電性。配成漿料后不會單獨散布于粘合劑中，球磨時間一般為2小時左右；為避免混入雜質，一般運用瑪瑙球作為球磨介子。
2.1.4干粉的渙散、浸濕：
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外表上，液體粘合劑參加后，液體與氣體開端爭奪固體外表；假如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；假如固體與液體吸附力比與氣體的吸附力強，液體能夠浸濕固體，將氣體擠出。
當潮濕角≤90°，固體浸濕。當潮濕角>90°，固體不浸濕。
正極資料中的所有組員都能被粘合劑溶液浸濕，所以正極粉料渙散相對容易。
渙散辦法對渙散的影響：
1)靜置法（時間長，作用差，但不損傷資料的原有結構）；
2)拌和法：自轉或自轉加公轉（時間短，作用佳，但有或許損傷個別資料的本身結構）。
拌和槳對渙散速度的影響：拌和槳大致包括蛇形、蝶形、球形、槳形、齒輪形等。一般蛇形、蝶形、槳型拌和槳用來對付渙散難度大的資料或配料的初始階段；球形、齒輪形用于渙散難度較低的狀態(tài)，作用佳。
拌和速度對渙散速度的影響。一般說來拌和速度越高，渙散速度越快，但對資料本身結構和對設備的損傷就越大。
濃度對渙散速度的影響。一般情況下漿料濃度越小，渙散速度越快，但太稀將導致資料的浪費和漿料沉積的加劇。
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。
真空度對渙散速度的影響。高真空度有利于資料縫隙和外表的氣體排出，下降液體吸附難度；資料在徹底失重或重力減小的情況下渙散均勻的難度將大大下降。
溫度對渙散速度的影響。適宜的溫度下，漿料流動性好、易渙散。太熱漿料容易結皮，太冷漿料的流動性將大打折扣。
稀釋：將漿料調(diào)整為適宜的濃度，便于涂布。
2.1.5操作步驟
a)將NMP倒入動力混合機（100L）至80°C，稱取PVDF參加其間，開機；參數(shù)設置：轉速25±2轉/分，拌和115-125分鐘；
b)接通冷卻系統(tǒng)，將已經(jīng)磨號的正極干料均勻分四次參加，每次距離28-32分鐘，第三次加料視資料需求添加NMP，第四次加料后參加NMP；動力混合機參數(shù)設置：轉速為20±2轉/分
c)第四次加料30±2分鐘后進行高速拌和，時間為480±10分鐘；動力混合機參數(shù)設置：公轉為30±2轉/分，自轉為25±2轉/分；
d)真空混合：將動力混合機接上真空，堅持真空度為-0.09Mpa，拌和30±2分鐘；動力混合機參數(shù)設置：公轉為10±2分鐘，自轉為8±2轉/分
e)取250-300毫升漿料，運用黏度計丈量黏度；測驗條件：轉子號5，轉速12或30rpm，溫度范圍25°C；
f)將正極料從動力混合機中取出進行膠體磨、過篩，一起在不銹鋼盆上貼上標識，與拉漿設備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。
2.1.6注意事項
a)完結，整理機器設備及作業(yè)環(huán)境；
b)操作機器時，需注意安全，避免砸傷頭部。
2.2負極混料
2.2.1質料的預處理：
1)石墨：
A、混合，使質料均勻化，進步一致性。
B、300~400°C常壓烘烤，除去外表油性物質，進步與水性粘合劑的相容才能，修圓石墨外表棱角（有些資料為堅持外表特性，不允許烘烤，不然效能下降）。
2)水性粘合劑：恰當稀釋，進步渙散才能。
2.2.2摻和、浸濕和渙散：
1)石墨與粘合劑溶液極性不同，不易渙散。
2)可先用醇水溶液將石墨初步潮濕，再與粘合劑溶液混合。
3)應恰當下降拌和濃度，進步渙散性。
4)渙散進程為削減極性物與非極性物距離，進步勢能或外表能，所以為吸熱反響，拌和時整體溫度有所下降。如條件允許應該恰當升高拌和溫度，使吸熱變得容易，一起進步流動性，下降渙散難度。
5)拌和進程如參加真空脫氣進程，排除氣體，促進固-液吸附，作用更佳。
6)渙散原理、渙散辦法同正極配料中的相關內(nèi)容
2.2.3稀釋：
將漿料調(diào)整為適宜的濃度，便于涂布。
2.2.4物料球磨
1)將負極和KetjenblackECP倒入料桶一起參加球磨（干料：磨球=1:1.2）在滾瓶及上進行球磨，轉速操控在60rmp以上；
2)4小時完畢，過篩別離出球磨；
2.2.5操作步驟
1)純凈水加熱至至80°C倒入動力混合機（2L）
2)加CMC，拌和60±2分鐘；動力混合機參數(shù)設置：公轉為25±2分鐘，自轉為15±2轉/分；
3)參加SBR和去離子水，拌和60±2分鐘；
動力混合機參數(shù)設置：公轉為30±2分鐘，自轉為20±2轉/分；
4)負極干料分四次均勻次序參加，加料的一起參加純凈水，每次距離28-32分鐘；動力混合機參數(shù)設置：公轉為20±2轉/分，自轉為15±2轉/分；
5)第四次加料30±2分鐘后進行高速拌和，時間為480±10分鐘；
動力混合機參數(shù)設置：公轉為30±2轉/分，自轉為25±2轉/分；
6)真空混合：將動力混合機接上真空，堅持真空度為-0.09到0.10Mpa，拌和30±2分鐘；
動力混合機參數(shù)設置：公轉為10±2分鐘，自轉為8±2轉/分
7)取500毫升漿料，運用黏度計丈量黏度；
測驗條件：轉子號5，轉速30rpm，溫度范圍25°C；
8)將負極料從動力混合機中取出進行磨料、過篩，一起在不銹鋼盆上貼上標識，與拉漿設備操作員交接后可流入拉漿作業(yè)工序。
2.2.6注意事項
1)完結，整理機器設備及作業(yè)環(huán)境；
2)操作機器時，需注意安全，避免砸傷頭部。
配料注意事項：
避免混入其它雜質；
避免漿料飛濺；
漿料的濃度（固含量）應從高往低逐步調(diào)整，以免添加費事；
在拌和的間歇進程中要注意刮邊和刮底，保證渙散均勻；
漿料不宜長時間放置，以免沉積或均勻性下降；
需烘烤的物料有必要密封冷卻之后方能夠參加，以免組分資料性質變化；
拌和時間的長短以設備功能、資料參加量為主；
拌和槳的運用以漿料渙散難度進行替換，無法替換的可將轉速由慢到快進行調(diào)整，以免損傷設備；
出料前對漿料進行過篩，除去大顆粒以防涂布時形成斷帶；
對配料人員要加強訓練，保證其掌握專業(yè)知識，以免釀成大禍；
配料的關鍵在于渙散均勻，掌握該中心，其它方法可自行調(diào)整。
以上就是鋰離子電池的原理、配方及其工藝流程，想完好學習鋰離子電池，敬請關該專題下篇。
