鋰電池極片涂布干燥過程的研究方法分享

　　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(fā)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。

　　1、前言

　　毛細管力作用在三相界面上，半月形液相蒸發(fā)固化，并顯著影響電極微結構。當涂層收縮完成，隨著溶劑進一步蒸發(fā)，氣-液界面逐步從孔隙中退出，最后形成干涂層。在涂層收縮和溶劑蒸發(fā)過程中，添加劑容易遷移，可能在多孔電極中重新分配，比如普遍認為存在的粘結劑遷移。當干燥速度太高時，涂層表面溶劑蒸發(fā)，可溶性的或分散性的粘結劑傾向于以高濃度存在于涂層表面。相反，較低的干燥速度可以使粘結劑分布平衡。粘結劑遷移是電極制造過程中不期望發(fā)生的，局部富集必然導致其他區(qū)域量減少，比如涂層和集流體界面粘結劑減少會導致涂層結合強度低。而且粘結劑分布不均勻也會導致電池電化學性能裂化，比如內阻增加，相應倍率特性變差。因此，干燥條件以及溶劑蒸發(fā)對電極制造過程是非常重要的。

　　另外，涂層干燥又是和能源消耗相關的，因此電極干燥也是決定性的成本因素。近年來，電池工業(yè)上不斷要求提高干燥速度，減少烘箱長度，從而降低能源消耗成本。要想提高干燥速度，就需要提高溫度或者加大風量，然而這又會導致電極性能的下降。幸好，電極干燥不是一個線性過程，可以分為兩個階段，在第二階段可以提高干燥速率?；诖?，多區(qū)域干燥模型能夠顯著減少所需的干燥時間。這就需要我們深入認識電極干燥過程，不斷克服目前的局限。

　　德國卡爾斯魯厄理工學院薄膜技術研究所的Stefan Jaiser等人引入了一種實驗裝置，在涂層干燥溶劑蒸發(fā)過程中能夠測量涂層的收縮，涂層表面液體含量，以及表面孔洞消失的過程。在電極漿料中少量加入一種熒光增白劑，涂層中的液體在UV-A紫外線輻照下能夠發(fā)出藍光，因而可以用相機觀察到液相。圖像處理可以估算涂層表面的液體含量，跟蹤電極孔隙中的液相消失過程。同時，濕涂層的厚度采用二維激光位移傳感器測量。實驗結果揭示了液相去除，電極孔隙中開始形成的時刻。

　　2、實驗方法

　　2.1、材料和攪拌

　?。?）PVDF：NMP=5.55:94.45，先打膠

　?。?）石墨與炭黑干混，其中石墨分別采用兩種：Graphite 1 （球形，d50 = 8.9 μm） 和 Graphite 2 （多面體，d50 = 20.4 μm）

　?。?）攪拌制備漿料，漿料最終固含量 47.5%，石墨：炭黑：PVDF= 91.7：2.8：5.5

　　（4）涂布之前，漿料中加入熒光增白劑DSBB重量0.1%

　　2.2、實驗裝置-涂布和干燥

　　濕涂層通過刮刀以6m/min的速度涂敷在10μm的銅箔上，涂層寬度60mm，最大涂層長度80cm，面密度72g/m2，干燥溫度為76.5℃，NMP干燥速率為1.2g？m-2？ s-1。實驗裝置如圖1所示，對流槽噴嘴干燥器位于濕涂層上方用來干燥涂層，銅箔放置在控制溫度的鋁板上，鋁板開孔真空吸附銅箔。UV燈發(fā)射紫外線照射在涂層上，用尼康相機照相，另外，電磁閥控制加壓空氣噴嘴能夠噴掃涂層。

　　涂層移出干燥機的時間texit即電極干燥時間，電極片移出干燥機后隨即連續(xù)照相3次，其中第二張照片拍照時刻打開加壓空氣噴嘴。照片每個像素尺寸為8.4μm x 8.4μm。