一种锂电池正极浆料及其加工工艺
技术领域
本发明属于锂离子电池制造技术领域,具体的,涉及一种锂电池正极浆料及其加工工艺。
背景技术
锂电池自问世以来快速占领了电池市场,其使用寿命长、电压高、能量密度高等优点也是其具有了更加广泛的使用范围,现有技术的诸多电子产品中均使用锂离子电池供应能源,锂离子电池主要包括正极片、负极片以及设置于正极片与负极片之间的隔离膜,正极片包括正极集流体与涂覆在正极集流体上的正极膜片,负极片包括负极集流体与涂覆在负极集流体上的负极膜片,正极膜片是由正极浆料干燥后形成,正极浆料主要包括活性物质、导电剂与粘结剂。
其中正极浆料的质量直接影响着电池的性能,影响正极浆料质量的主要指标为正极浆料的分散性,正极浆料分散的越均匀,正极浆料中的导电剂与粘结剂才能够获得最大效果的利用,正电极各处的阻抗才能够分布均匀,提升锂电池的性能,由于正电极浆料涂布在正极集流体上时厚度较大,而现有技术中的正极浆料粘度大、流变性差,不利于加工成本的控制,如果为了降低粘度而降低固含量又会导致正极浆料干燥困难,涂布不均匀,为了提供一种分散性能好,固含量高的正极浆料,本发明提供了以下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种均匀分散、固含量高且不易沉降的稳定的锂电池正极浆料及其加工工艺。
本发明需要解决的技术问题为:
1、正极浆料分散不均,在搅拌完成后进入涂布工艺阶段容易出现沉降而导致正极浆料的粘度大幅下降,从而影响正极浆料在正极集流体上的均匀涂布,直接导致锂电池的性能下降;
2、浆料的细度较大,从而容易出现大颗粒团聚的现象,大颗粒团聚会导致正极浆料易于发生沉降,从而导致正极浆料的粘度容易发生大幅度变化,影响正极浆料的均匀涂布与锂电池的性能;
3、正极浆料在搅拌时粘度较大,不利于正极浆料的加工成本控制以及加工机械的损耗,现有技术中经常通过在搅拌阶段降低正极浆料的固含量来控制正极浆料在搅拌阶段的粘度,但是固含量低又会影响到正极浆料在涂布后的干燥速率,并且还会提高溶剂产品的使用成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种锂离子电池正极浆料,该正极浆料的原料组成及各原料的质量百分比为:正极活性物质47%-52%、溶剂46%-50%、粘结剂0.7%-1.5%、导电剂0.6%-1.2%与分散剂1.5%-2%;
所述正极活性物质为钴酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、层状锰酸锂、磷酸锰锂、镍钴锰酸锂中的一种;
所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮与去离子水的混合物,其中N-甲基吡咯烷酮占溶剂体积的90%-95%,去离子水占溶剂体积的5%-10%,所述N-甲基吡咯烷酮的挥发性较小,热稳定性高,在生产中进行锂电池正极的干燥时,浆料的干燥速度会比较慢,但是由于N-甲基吡咯烷酮能够随水蒸气进行蒸发,因此在N-甲基吡咯烷酮中混入一定量的去离子水能够加速浆料涂布之后的干燥,从而提高所生产正极片的质量;
所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种;
所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮,由于聚乙烯吡咯烷酮同时具有一定的增稠增粘效果,因此在添加分散剂后,可以适应减少粘结剂的使用数量;
所述导电剂为乙炔黑与导电增强剂的混合物,所述导电增强剂为碳纳米管或石墨烯,其中碳纳米管分散后可以形成导电网络,对活性物质之间的电子传输起到桥联作用,能够增强正极的导电能力,所述石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,成片状,使导电剂呈现面接触,有着极佳的导电性能,提高锂电池的倍率性能,但是无论是碳纳米管还是石墨烯在悬浮液体系中都十分不稳定,容易发生絮凝而导致正极浆料分层以及正极浆料的粘度变化大,如果想要使导电增强剂起到最佳效果,一方面需要控制导电增强剂的用量,另一方面需要使导电增强剂在导电剂以及溶剂中均起到良好的分散效果。
所述导电剂的制备方法为:
将导电增强剂加入搅拌容器中,使用搅拌机对导电增强剂进行搅拌,调节搅拌机的转子转速为90-180r/min,防止由于转速高而导致导电增强剂出现扬尘,在搅拌过程中缓慢加入乙炔黑,使乙炔黑与导电增强剂初步混合得到初混物;
密封搅拌容器,从搅拌容器的底部向搅拌容器中通入高压气流,使搅拌容器内的初混物成为流化状态,同时调节搅拌机的转子转速至600-900r/min,连续搅拌30-45min,得到均匀分散的导电剂,通入高压气流一方面能够防止导电增强剂凝聚结块,促进乙炔黑与导电增强剂的均匀混合,另一方面能够降低搅拌机的转子在搅拌过程中所受的阻力,提高搅拌效率。
本发明还提供了一种锂电池正极浆料的加工工艺,该工艺包括如下步骤:
步骤一:按照体积比分别取N-甲基吡咯烷酮与去离子水均匀混合后形成溶剂,向溶剂中加入分散剂,调节行星搅拌机自转转速为300-420r/min,每搅拌2min后转子停转20-35s再逆向搅拌2min,连续搅拌25-30min后降低转速至60-90r/min,连续搅拌5-10min以除去溶剂中的气泡,将搅拌机中70%-90%的溶剂取出备用;
步骤二:按照重量比分别取乙炔黑与导电增强剂制备导电剂,将制备完成的导电剂加入步骤一中搅拌机中剩余的溶剂中,调节行星搅拌机的自转转速为1200-1500r/min,连续搅拌20-45min,使导电剂均匀分散于溶剂中,再向搅拌机中加入步骤一中取出备用的70%-90%的溶剂,调整搅拌机的自转转速为500-800r/min,连续搅拌30-60min,得到分散液,由于步骤一中溶剂中混有分散剂,有助于导电剂的均匀分散,同时通过先将导电剂与少量的溶剂混合搅拌能够在降低搅拌机负荷的情况下高速搅拌分散导电剂,再将已经在部分溶剂中分散的导电剂进行中低速稀释搅拌,能够在保证导电剂分散均匀的同时不提高搅拌机压力与能耗;
步骤三:将粘结剂分成A、B两份,其中A占粘结剂总重的25%-35%,B占粘结剂总重的65%-75%,再将步骤二中得到的分散液分为相同体积相同质量的两份,向其中一份分散液中加入A后加入行星搅拌机中调节搅拌机公转转速为25-30r/min、自转转速为720-900r/min,连续搅拌50-65min,得到胶液C,另一份分散液中加入B后加入行星搅拌机中调节搅拌机公转转速为25-30r/min、自转转速为720-900r/min,连续搅拌70-85min,得到胶液D;
步骤四:将正极活性物质加入洁净干燥的行星搅拌机中,将步骤三中得到的胶液C加入其中,调节搅拌机的公转转速为25-30r/min、自转转速为450-600r/min,连续搅拌5-10min,使正极活性物质完全浸湿,再调节搅拌机的自转转速至1200-1800r/min,连续搅拌60-85min得到初级浆料,由于胶液C的粘度较低,能够很大程度的降低初级浆料的搅拌难度,提高初级浆料的分散性;
步骤五:向步骤四中得到的初级浆料中加入胶液D,调节搅拌机的公转转速为25-30r/min、自转转速为60-120r/min,连续搅拌3-5分钟,使胶液D与初级浆料初步混合,防止突然高速搅拌导致产生大量气泡影响浆料的均匀混合,再调节搅拌机的自转转速为1500-1800r/min,连续搅拌180-210min;
步骤六:密封搅拌腔,并开启抽真空装置将搅拌腔内气压调整为为93-95KPa的负压状态,调整公转转速为25-30r/min,自转转速为180-240r/min,连续搅拌40-60min,以加速排出搅拌过程中产生的气泡。
作为本发明的进一步方案,在步骤五中胶液D为分段加入,具体加入方法为,将胶液D分为体积百分比E%与F%两部分,其中E>F且E+F=100,E%部分先一次性加入初级浆料中,调节搅拌机的公转转速为25-30r/min、自转转速为60-120r/min,连续搅拌3-5分钟后再调节搅拌机的自转转速为1500-1800r/min,连续搅拌90-120min后得到中间浆料,取中间浆料通过粘度测定仪检测中间浆料的粘度,根据中间浆料的粘度加入部分或全部的F%部分的胶液D,以公转转速25-30r/min、自转转速1500-1800r/min,继续连续搅拌120-180min后得到正极浆料。
本发明的有益效果:
1、通过在搅拌分散导电剂的过程中从搅拌机的底部通入高压气体使导电剂中的导电增强剂与乙炔黑混合均匀,再通过将分散剂加入溶剂中溶解,再向溶剂中加入导电剂来提高导电剂在溶剂中的分散效果,防止导电剂在浆料中絮凝沉淀而导致浆料的粘度在搅拌前后出现大幅度变化;
2、通过将混合有导电剂、分散剂与粘结剂的溶液分为粘度不同的两份,先将低粘度的一部分溶液与正极活性物质进行混合,由于该部分溶液的粘度低,且溶液内的各物质混合均匀,在高速搅拌下容易将正极活性物质混合均匀,避免出现干粉状的正极活性物质凝聚不分散,显著降低浆料的细度,提高浆料粘度与分散性的稳定性;
3、通过将混合有导电剂、分散剂与粘结剂的胶液分为粘度不同的两份,先将低粘度的一部分胶液与正极活性物质进行均匀混合,再逐渐向搅拌混合形成的初级浆料中分步加入粘度较高部分的胶液,能够减少胶液的总体使用量,提高正极浆料中的固含量,使浆料在涂布之后更加易于干燥,同时降低搅拌机前期搅拌的难度与能耗,提高搅拌效果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种锂离子电池正极浆料,该正极浆料的原料组成及各原料的质量百分比为:正极活性物质47%-52%、溶剂46%-50%、粘结剂0.7%-1.5%、导电剂0.6%-1.2%与分散剂1.5%-2%;
所述正极活性物质为钴酸锂;
所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮与去离子水的混合物,其中N-甲基吡咯烷酮占溶剂体积的95%,去离子水占溶剂体积的5%,所述N-甲基吡咯烷酮的挥发性较小,热稳定性高,在生产中进行锂电池正极的干燥时,浆料的干燥速度会比较慢,但是由于N-甲基吡咯烷酮能够随水蒸气进行蒸发,因此在N-甲基吡咯烷酮中混入一定量的去离子水能够加速浆料涂布之后的干燥,从而提高所生产正极片的质量;
所述粘结剂为聚偏氟乙烯;
所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮;
所述导电剂为乙炔黑与导电增强剂的混合物,所述导电增强剂为碳纳米管,碳纳米管分散后可以形成导电网络,对活性物质之间的电子传输起到桥联作用,能够增强正极的导电能力。
所述导电剂的制备方法为:
将导电增强剂加入搅拌容器中,使用搅拌机对碳纳米管进行搅拌,调节搅拌机的转子转速为90r/min,在搅拌过程中缓慢加入乙炔黑,使乙炔黑与碳纳米管初步混合得到初混物;
密封搅拌容器,从搅拌容器的底部向搅拌容器中通入高压气流,使搅拌容器内的初混物成为流化状态,同时调节搅拌机的转子转速至750r/min,连续搅拌35min,得到均匀分散的导电剂。
本发明还提供了一种锂电池正极浆料的加工工艺,该工艺包括如下步骤:
步骤一:按照体积比分别取N-甲基吡咯烷酮与去离子水均匀混合后形成溶剂,向溶剂中加入分散剂,调节行星搅拌机自转转速为360r/min,每搅拌2min后转子停转30s再逆向搅拌2min,连续搅拌27min后降低转速至60r/min,连续搅拌10min以除去溶剂中的气泡,将搅拌机中80%的溶剂取出备用;
步骤二:按照重量比分别取乙炔黑与导电增强剂制备导电剂,将制备完成的导电剂加入步骤一中搅拌机中剩余的溶剂中,调节行星搅拌机的自转转速为1300r/min,连续搅拌30min,使导电剂均匀分散于溶剂中,再向搅拌机中加入步骤一中取出备用的80%的溶剂,调整搅拌机的自转转速为600r/min,连续搅拌40min,得到分散液;
步骤三:将粘结剂分成A、B两份,其中A占粘结剂总重的30%,B占粘结剂总重的70%,再将步骤二中得到的分散液分为相同体积相同质量的两份,向其中一份分散液中加入A后加入行星搅拌机中调节搅拌机公转转速为25r/min、自转转速为720r/min,连续搅拌65min,得到胶液C,另一份分散液中加入B后加入行星搅拌机中调节搅拌机公转转速为25r/min、自转转速为900r/min,连续搅拌80min,得到胶液D;
步骤四:将正极活性物质加入洁净干燥的行星搅拌机中,将步骤三中得到的胶液C加入其中,调节搅拌机的公转转速为25r/min、自转转速为450r/min,连续搅拌10min,使正极活性物质完全浸湿,再调节搅拌机的自转转速至1400r/min,连续搅拌75min得到初级浆料;
步骤五:向步骤四中得到的初级浆料中加入胶液D,调节搅拌机的公转转速为25r/min、自转转速为120r/min,连续搅拌3分钟,使胶液D与初级浆料初步混合,防止突然高速搅拌导致产生大量气泡影响浆料的均匀混合,再调节搅拌机的自转转速为1600r/min,连续搅拌180min;
步骤六:密封搅拌腔,并开启抽真空装置将搅拌腔内气压调整为为95KPa的负压状态,调整公转转速为25r/min,自转转速为180r/min,连续搅拌60min,以加速排出搅拌过程中产生的气泡。
作为本发明的进一步方案,在步骤五中胶液D为分段加入,具体加入方法为,将胶液D分为体积百分比E%与F%两部分,其中E>F且E+F=100,E%部分先一次性加入初级浆料中,调节搅拌机的公转转速为25r/min、自转转速为60r/min,连续搅拌5分钟后再调节搅拌机的自转转速为1500r/min,连续搅拌120min后得到中间浆料,取中间浆料通过粘度测定仪检测中间浆料的粘度,根据中间浆料的粘度加入部分或全部的F%部分的胶液D,以公转转速25r/min、自转转速1800r/min,继续连续搅拌150min后得到正极浆料。
实施例2
一种锂离子电池正极浆料,该正极浆料的原料组成及各原料的质量百分比为:正极活性物质47%-52%、溶剂46%-50%、粘结剂0.7%-1.5%、导电剂0.6%-1.2%与分散剂1.5%-2%;
所述正极活性物质为镍钴锰酸锂;
所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮与去离子水的混合物,其中N-甲基吡咯烷酮占溶剂体积的90%,去离子水占溶剂体积的10%;
所述粘结剂为聚四氟乙烯;
所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮;
所述导电剂为乙炔黑与导电增强剂的混合物,所述导电增强剂为石墨烯。
所述导电剂的制备方法为:
将导电增强剂加入搅拌容器中,使用搅拌机对导电增强剂进行搅拌,调节搅拌机的转子转速为120r/min;
密封搅拌容器,从搅拌容器的底部向搅拌容器中通入高压气流,使搅拌容器内的初混物成为流化状态,同时调节搅拌机的转子转速至900r/min,连续搅拌35min,得到均匀分散的导电剂。
本发明还提供了一种锂电池正极浆料的加工工艺,该工艺包括如下步骤:
步骤一:按照体积比分别取N-甲基吡咯烷酮与去离子水均匀混合后形成溶剂,向溶剂中加入分散剂,调节行星搅拌机自转转速为420r/min,每搅拌2min后转子停转30s再逆向搅拌2min,连续搅拌27min后降低转速至90r/min,连续搅拌8min以除去溶剂中的气泡,将搅拌机中90%的溶剂取出备用;
步骤二:按照重量比分别取乙炔黑与导电增强剂制备导电剂,将制备完成的导电剂加入步骤一中搅拌机中剩余的溶剂中,调节行星搅拌机的自转转速为1500r/min,连续搅拌30min,使导电剂均匀分散于溶剂中,再向搅拌机中加入步骤一中取出备用的90%的溶剂,调整搅拌机的自转转速为800r/min,连续搅拌45min,得到分散液;
步骤三:将粘结剂分成A、B两份,其中A占粘结剂总重的35%,B占粘结剂总重的65%,再将步骤二中得到的分散液分为相同体积相同质量的两份,向其中一份分散液中加入A后加入行星搅拌机中调节搅拌机公转转速为30r/min、自转转速为840r/min,连续搅拌55min,得到胶液C,另一份分散液中加入B后加入行星搅拌机中调节搅拌机公转转速为30r/min、自转转速为900r/min,连续搅拌80min,得到胶液D;
步骤四:将正极活性物质加入洁净干燥的行星搅拌机中,将步骤三中得到的胶液C加入其中,调节搅拌机的公转转速为30r/min、自转转速为600r/min,连续搅拌7min,使正极活性物质完全浸湿,再调节搅拌机的自转转速至1800r/min,连续搅拌5min得到初级浆料,由于胶液C的粘度较低,能够很大程度的降低初级浆料的搅拌难度,提高初级浆料的分散性;
步骤五:向步骤四中得到的初级浆料中加入胶液D,调节搅拌机的公转转速为30r/min、自转转速为120r/min,连续搅拌4分钟,再调节搅拌机的自转转速为1800r/min,连续搅拌180min;
步骤六:密封搅拌腔,并开启抽真空装置将搅拌腔内气压调整为为95KPa的负压状态,调整公转转速为30r/min,自转转速为240r/min,连续搅拌50min,以加速排出搅拌过程中产生的气泡。
作为本发明的进一步方案,在步骤五中胶液D为分段加入,具体加入方法为,将胶液D分为体积百分比E%与F%两部分,其中E>F且E+F=100,E%部分先一次性加入初级浆料中,调节搅拌机的公转转速为30r/min、自转转速为120r/min,连续搅拌3分钟后再调节搅拌机的自转转速为1800r/min,连续搅拌90min后得到中间浆料,取中间浆料通过粘度测定仪检测中间浆料的粘度,根据中间浆料的粘度加入部分或全部的F%部分的胶液D,以公转转速30r/min、自转转速1800r/min,继续连续搅拌180min后得到正极浆料。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明,所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。