CN107195958A - 一种固体粉末粘结剂的制胶方法 - Google Patents

一种固体粉末粘结剂的制胶方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及固体粉末粘结剂的制胶方法，提供了一种通过优化搅拌工艺以实现粉末粘结剂制备成均匀分散胶体的方法。本发明主要原材料为聚偏二氟乙烯(PVDF)固体粉末和N‑甲基吡咯烷酮(NMP)溶液。本发明的技术方案是，先将NMP溶液加入搅拌锅，再分批次加入PVDF粉末，通过工艺制得固含量为8％的PVDF胶体。PVDF是广泛利用于锂离子电池的正极粘结剂，本发明方法操作简单，NMP作为溶剂将PVDF溶解制得的胶体分散均匀、粘度适中，可直接用于电池正负极浆料的搅拌，降低电池生产成本且提高电池生产效率。

Description

一种固体粉末粘结剂的制胶方法
技术领域
本发明涉及二次电池技术领域涉,具体涉及一种粉末打胶的制备方法,尤其涉及锂电池浆料制备用粘结剂的制胶方法。
背景技术
锂离子电池主要由正负极活物质涂覆在金属箔上,经过辊压、分切、卷绕、组装、注液、预充化成之后形成。其中，正负极活物质是电池的最关键组成部分，可以通过将正负极活物质制成浆料进行涂布。电池的浆料包括正负极活物质、导电剂、增稠剂、粘结剂和溶剂，制备的浆料要求充分搅拌均匀。
在正极浆料制备中，粘结剂起着重要的作用。直接采用粉体粘结剂进行搅拌，容易造成浆料搅拌结块、均一性差、涂布难度大等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种分散性好、成本低且能改善电池正极浆料均一性、一致性的粘结剂胶体的制备方法。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的：
一种固体粉末粘结剂的制胶方法，其特别之处在于：所述胶体的制备按如下步骤进行：
a.按制胶工艺所示配比称取原材料：粘结剂、溶剂
b.将原材料中的溶剂加入搅拌锅中，充分搅拌；
c.将步骤a中的50％±5％的粘结剂加入溶剂中，充分搅拌均匀；
d.将步骤a中25％±5％的粘结剂加入步骤c的混合物中，充分搅拌均匀；
e.将余量的粘结剂加入步骤d的混合物中，充分搅拌至均匀；
f.将制得的胶体在真空状态下脱泡，即成。
上述粘结剂胶体的制备方法，溶剂为N-甲基吡咯烷酮，粘结剂为聚偏二氟乙烯PVDF粉末；
上述粘结剂胶体的制备方法，所述胶体质量比为粘结剂PVDF：NMP＝8:92。
上述粘结剂胶体的制备方法，由上述方法混合制备得到的粘结剂胶体粘度为3000～6000mpa.s。
上述粘结剂胶体的制备方法，由上述方法混合制备得到的粘结剂胶体固含量为8％。
上述粘结剂胶体的制备方法，其特征在于：采用高速分散机，循环进行多个搅拌单元操作，具体操作步骤是：
a.先进行低速搅拌，搅拌时间T1；
b.再进行高速搅拌，搅拌时间T2；
c.最后进行中速搅拌，搅拌时间T3；
上述粘结剂胶体的制备方法，其特征在于：低速搅拌速度为2000-3000r/min，中速搅拌速度为3000-4000r/min，高速搅拌为4000r/min-4500r/min。
上述粘结剂胶体的制备方法，其特征在于：搅拌时间T1为1-30min，T2为10-30min,T3为1-10min。
本发明对粉体粘结剂容易造成正极浆料混合不均匀、不易分散的问题进行了改进，采用分步搅拌方法，将粉体粘结剂制备成均一性良好的胶体再用于正极浆料搅拌，此方法利于正极活性物质的分散，从而制备出均一性、稳定性好的正极浆料。
具体实施方式
本发明采用分步搅拌方法，制备粘结剂胶体过程如下：
a.按制胶工艺所示配比称取原材料：粘结剂、溶剂；
b.将原材料中的溶剂加入搅拌锅中，充分搅拌；
c.将步骤a中的50％±5％的粘结剂加入溶剂中，充分搅拌均匀；
d.将步骤a中25％±5％的粘结剂加入步骤c的混合物中，充分搅拌均匀；
e.将余量的粘结剂加入步骤d的混合物中，充分搅拌均匀；
f.将步骤e中制得的胶体在真空状态下脱泡，即成。
优选地，上述粘结剂胶体的制备方法，溶剂为N-甲基吡咯烷酮，粘结剂为聚偏二氟乙烯PVDF粉末；
优选地，所述步骤中的搅拌采用高速分散机，循环进行多个搅拌单元操作，具体操作步骤是：先进行低速搅拌，搅拌时间T1；再进行高速搅拌，搅拌时间T2；最后进行中速搅拌，搅拌时间T3。三步搅拌中，第一步低速搅拌是可以使PVDF粉末缓慢溶入NMP溶剂中，同时不会产生过多扬尘导致浪费。第二步高速搅拌可以加速PVDF在NMP中的溶解，防止粉末与NMP结合产生较大絮状物，同时因为第一步充分保证了粉体PVDF溶入NMP溶液中，此时PVDF虽没有与NMP形成均匀透明的液体，但是也不存在大量的固体粉末，所以不会产生扬尘。最后一步的中速搅拌是为了保证溶解的完全性，而且避免了搅拌造成的能耗过高。
将PVDF分成三份进行搅拌，每次三个阶段搅拌，是综合考虑搅拌效率与效果的选择。分成三次以上搅拌更加可以，但是会浪费大量的时间并且增加了成本。如果分成一次、两次搅拌，胶体最终会由于搅拌不充分，内部存在大量的气泡，导致制备锂电池正极浆料时会出现分散不匀，极片产生气泡的情况，如下文中比较例所示。每次分三个阶段搅拌，也是为了确保PVDF胶体的高质量，如其透明度、粘度、流动性等等。如果减少搅拌次数，会出现部分较长的絮状物，约3cm长，胶体粘度稳定性差，最终结果是质量差、时间更长。
优选的方案中，所述低速搅拌速度为2000-3000r/min，中速搅拌速度为3000-4000r/min，高速搅拌为4000r/min-4500r/min。
优选地，所述搅拌时间T1为10-30min，T2为10-30min,T3为0-10min。
优选地，所述粘结剂粉末为聚偏二氟乙烯(PVDF)固体粉末，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液。更优选地，述胶体质量比为粘结剂PVDF：NMP＝8:92。
所述胶体在20rpm转速下粘度为3000～6000mpa.s。所述胶体固含量为8％。
下面结合具体实施例说明本发明的制胶方法：
实施例1
按制胶工艺配比称取原材料：粘结剂、溶剂。a.将溶剂N-甲基吡咯烷酮加入搅拌锅内，开启搅拌设备，在低速下缓慢搅拌，搅拌速度为2000r/min,搅拌时间为5min；b.将所需粘结剂的50％±5％加入溶剂中，在低速下搅拌时间T1，T1为20min，转速为2000r/min；再在高速下搅拌时间T2，T2为20min，转速为4000r/min,最后在中速下搅拌时间T3，T3为10min，转速为3000r/min；c.将所需粘结剂的25％±5％加入溶剂中，在低速下搅拌时间T1，T1为20min，转速为2000r/min；再在高速下搅拌时间T2，T2为20min，转速为4300r/min,最后在中速下搅拌时间T3，T3为10min，转速为3000r/min；d.将余量的粘结剂加入搅拌混合物中，在低速下搅拌时间T1，T1为30min，转速为2000r/min；再在高速下搅拌时间T2，T2为30min，转速为4500r/min,最后在中速下搅拌时间T3，T3为10min，转速为3500r/min；e.将制得的胶体在真空状态下脱泡120min，即成。
不同的PVDF添加量、胶体固含量如表1所示
表1粘结剂胶体
从表中可以看出，随着溶质量增多，搅拌时间和转速都逐渐增大。由于胶体固含量较低时流动性好，在较短时间和较低速度下搅拌即可快速搅拌至均匀，而当固含量较高时，胶体内部阻力加大，且N-甲基吡咯烷酮溶解PVDF粉末的速度降低，需要提高搅拌强度同时延长搅拌时间方可将胶体搅拌至均匀。在制备胶体过程中，随着搅拌速度提高、搅拌时间延长，胶体内部及胶体与搅拌桨之间的摩擦加剧，胶体的温度逐渐升高。为了保证PVDF胶体的粘结性，设备采用循环水冷方式来降低其温度来保证产品质量。
不同固含量PVDF胶体粘度如表2所示
表2
实施例2
按制胶工艺配比称取原材料：粘结剂、溶剂。a.将溶剂N-甲基吡咯烷酮加入搅拌锅内，开启搅拌设备，在低速下缓慢搅拌，搅拌速度为2000r/min,搅拌时间为5min；b.将所需粘结剂的50％±5％加入溶剂中，在低速下搅拌时间T1，T1为10min，转速为2500r/min；再在高速下搅拌时间T2，T2为10min，转速为3200r/min,最后在中速下搅拌时间T3，T3为5min，转速为3000r/min；c.将所需粘结剂的25％±5％加入溶剂中，在低速下搅拌时间T1，T1为20min，转速为2500r/min；再在高速下搅拌时间T2，T2为20min，转速为4500r/min,最后在中速下搅拌时间T3，T3为5min，转速为3000r/min；d.将余量的粘结剂加入搅拌混合物中，在低速下搅拌时间T1，T1为30min，转速为3000r/min；再在高速下搅拌时间T2，T2为30min，转速为4500r/min,最后在中速下搅拌时间T3，T3为5min，转速为3500r/min；e.将制得的胶体在真空状态下脱泡120min，即成。
表3粘结剂胶体
表4
由表2、表4可以看出，随着胶体固含量提高，胶体在同样转速下的粘度逐渐升高，脱泡后胶体的粘度降低并维持在相对稳定的水平。随着PVDF粉末的加入，胶体中PVDF缓慢溶入到NMP溶剂中，胶体中大分子链越来越多导致其逐渐变稠，粘度升高。此时，在胶体内部有大量由于高速搅拌产生的气泡，气泡的存在会导致正极浆料的不稳定，最终造成极片不良，所以需要对其进行脱泡处理。胶体在低速搅拌下抽真空脱泡，脱泡效果良好，此时胶体的粘度降低并在相对稳定水平。
比较例：
按制胶工艺所需配比称取原材料：粘结剂、溶剂。a.将溶剂N-甲基吡咯烷酮加入搅拌锅内，开启搅拌设备，在低速下缓慢搅拌，搅拌速度为2000r/min,搅拌时间为10min；b.将所需粘结剂的50％±5％加入溶剂中，在低速下搅拌时间T1，T1为20min，转速为2500r/min；再在中速下搅拌时间T2，T2为30min，转速为3000r/min；c.将剩余粘结剂全部加入溶剂中，在低速下搅拌时间T1，T1为25min，转速为2500r/min；再在高速下搅拌时间T2，T2为30min，转速为4500r/min,最后在中速下搅拌时间T3，T3为10min，转速为3000r/min；d.将制得的胶体在真空状态下脱泡120min，即成。
利用上述搅拌工艺制备的胶体用于正极材料搅拌后出现较大的弊端，首先是由于搅拌不够充分导致NMP溶液内部有部分絮状物存在，导致浆料与金属集流体粘结不稳固，掉料情况严重；其次，是由于搅拌不充分，气体没有及时从物质内部空隙中排出，导致浆料涂覆于电集流体上时出现大量白斑，造成产品瑕疵。
表5.
通过此对比例说明，利用本发明的三步三阶段搅拌工艺打胶是非常必要的，如果搅拌时间或者阶段有较大的不同，则会造成胶体搅拌成品不良，甚至导致电池产品的安全性问题。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种固体粉末粘结剂的制胶方法，其特征在于：所述胶体的制备按如下步骤进行：
a.按制胶工艺所示配比称取原材料：粘结剂、溶剂；
b.将原材料中的溶剂加入搅拌锅中，充分搅拌；
c.将步骤a中的50％±5％的粘结剂加入溶剂中，充分搅拌均匀；
d.将步骤a中25％±5％的粘结剂加入步骤c的混合物中，充分搅拌均匀；
e.将余量的粘结剂加入步骤d的混合物中，充分搅拌均匀；
f.将步骤e中制得的胶体在真空状态下脱泡，即成。
2.根据权利要求1所述的固体粉末粘结剂的制胶方法，其特征在于：采用高速分散机，循环进行多个搅拌单元操作，具体操作步骤是：
a.先进行低速搅拌，搅拌时间T1；
b.再进行高速搅拌，搅拌时间T2；
c.最后进行中速搅拌，搅拌时间T3。
3.根据权利要求1所述的固体粉末粘结剂的制胶方法，其特征在于：所述粘结剂粉末为聚偏二氟乙烯(PVDF)固体粉末，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液。
4.根据权利要求3所述的固体粉末粘结剂的制胶方法，所述胶体质量比为粘结剂PVDF：NMP＝8:92。
5.根据权利要求4所述的固体粉末粘结剂的制胶方法，其特征在于：所述胶体在20rpm转速下粘度为3000～6000mpa.s。
6.根据权利要求3所述的固体粉末粘结剂的制胶方法，其特征在于：所述胶体固含量为8％。
7.如权利要求2所述固体粉末粘结剂的制胶方法，其特征在于：低速搅拌速度为2000-3000r/min,中速搅拌速度为3000-4000r/min，高速搅拌为4000r/min-4500r/min。
8.如权利要求2所述固体粉末粘结剂的制胶方法，其特征在于：搅拌时间T1为10-30min，T2为10-30min,T3为0-10min。
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