CN110335989A - 一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法和装置，属于锂离子电池极片加工制造领域，其中方法的实现包括：首先，将浆料涂布在锂离子电池极片上，所述浆料包括粘结剂和溶剂；然后，采用随时间递减的干燥速率蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂；最后，干燥完成，粘结剂在锂离子电池极片上分布均匀。本发明通过采用随时间递减的干燥速率蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂，优化涂布干燥工艺，提高粘接剂在极片上的分布均匀性，有助于提高锂离子电池性能。

Description

一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法和装置

技术领域

本发明属于锂离子电池极片加工制造领域，更具体地，涉及一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法和装置。

背景技术

锂离子电池作为目前广泛使用的一种绿色化学电源，具有电压高、寿命长、能量密度大、污染较小的优点，其由正负极极片、电解质、薄膜、外壳等组成，作为锂离子电池的核心部件，正负极极片直接影响电池性能。

正负极极片主要的组成成分包括活性物质(正极一般为锂盐，负极一般为石墨)、粘接剂(PVDF)、导电剂(炭黑)等，其中粘接剂主要将各活性物质颗粒、活性物质颗粒与集流体粘接在一起，直接影响极片的粘接强度和孔隙率分布，当极片的粘接强度较低时，容易造成活性物质脱落等缺陷，影响电池容量和安全性，而孔隙率的分布情况直接影响离子在活性物质间的传输速度，从而影响电池阻抗及其充放电速率，因此，粘接剂的分布对锂离子电池的电化学性能具有非常大的影响，通过控制极片中的粘接剂分布可有效提高锂离子电池性能。

极片的制造过程主要包括浆料搅拌，涂布，辊压和分切，粘接剂的分布主要由极片制造过程中的涂布干燥工艺决定，在极片干燥过程中，由于溶剂的蒸发作用和粘接剂浓度梯度导致的扩散作用，将诱导粘接剂在极片产生迁移，最终形成粘接剂在极片截面上的分布情况，在工业生产常见的涂布干燥过程中，为了缩短干燥时间降低能源消耗，经常采用不合理的干燥速率，容易导致粘接剂分布不均匀，典型的如粘接剂富集在极片表面，而集流体和浆料涂层的界面处却很少，这样不均匀的粘接剂浓度梯度分布造成极片粘接强度过低，从而造成涂层脱落等缺陷。

由此可见，现有的涂布干燥方法存在粘接剂在极片上的分布不均匀、导致锂离子电池性能降低的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法和装置，由此解决现有的涂布干燥方法存在粘接剂在极片上的分布不均匀、导致锂离子电池性能降低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法，包括：

首先，将浆料涂布在锂离子电池极片上，所述浆料包括粘结剂和溶剂；

然后，采用随时间递减的干燥速率蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂；

最后，干燥完成，粘结剂在锂离子电池极片上分布均匀。

进一步地，随时间递减的干燥速率为：

其中，0≤t≤t_end，γ(t)为t时刻的干燥速率，t_end为总干燥时长，γ₀为在总干燥时长下进行干燥时的恒定干燥速率。

进一步地，随时间递减的干燥速率为：

其中，0≤t≤t_end′，γ(t)为t时刻的干燥速率，t_end′为新的干燥时长，t_end为总干燥时长，γ₀为在总干燥时长下进行干燥时的恒定干燥速率。

进一步地，涂布干燥方法还包括：

在蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂时，使用粘结剂分布模型监控粘结剂在锂离子电池极片上分布情况。

进一步地，粘结剂分布模型为：

其中，z为锂离子电池极片横截面上的任一位置，t为干燥时间，c(z，t)为z处t时刻粘结剂的分布情况，c₀为t＝0时浆料中的粘接剂浓度，为t＝0时浆料中的固体颗粒体积分数，H₀为t＝0时的涂布厚度，H为蒸发表面的位置，φ_l(t)为t时刻浆料中的液体体积分数，无量纲数Pe＝γH₀/D，γ为干燥速率，D为粘接剂在溶剂中的扩散系数。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于锂离子电池极片的涂布干燥装置，包括：

涂布模块，用于将浆料涂布在锂离子电池极片上，所述浆料包括粘结剂和溶剂；

干燥模块，用于采用随时间递减的干燥速率蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂；干燥完成，粘结剂在锂离子电池极片上分布均匀。

进一步地，涂布干燥装置还包括

粘结剂分布情况监控模块，用于在蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂时，使用粘结剂分布模型监控粘结剂在锂离子电池极片上分布情况。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明通过采用随时间递减的干燥速率蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂，优化涂布干燥工艺，提高粘接剂在极片上的分布均匀性，有助于提高锂离子电池性能。

(2)本发明使用随时间递减的干燥速率，即先使用高干燥速率增大蒸发作用，在短时间内蒸发掉大量溶剂，并在极片横截面上产生较高的粘接剂浓度分布梯度，再使用低干燥速率降低蒸发作用，使得粘接剂在较高的浓度分布梯度下由于扩散作用重新分布至均匀，最终在保证总干燥时间不变甚至减小的情况下，提高粘接剂在极片横截面上的分布均匀性。

(3)本发明在蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂时，使用粘结剂分布模型监控粘结剂在锂离子电池极片上分布情况，这样有助于提高粘接剂在极片上的分布均匀性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法的流程图；

图2是本发明实施例1提供的随时间递减干燥速率与恒定干燥速率粘接剂分布对比图；

图3是本发明实施例1提供的缩短干燥时间的随时间递减干燥速率与恒定干燥速率粘接剂分布对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法，包括：

首先，将浆料涂布在锂离子电池极片上，所述浆料包括粘结剂和溶剂；

然后，采用随时间递减的干燥速率蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂；

最后，干燥完成，粘结剂在锂离子电池极片上分布均匀。

进一步地，随时间递减的干燥速率为：

其中，0≤t≤t_end，γ(t)为t时刻的干燥速率，t_end为总干燥时长，γ₀为在总干燥时长下进行干燥时的恒定干燥速率。

进一步地，随时间递减的干燥速率为：

其中，0≤t≤t_end′，γ(t)为t时刻的干燥速率，t_end′为新的干燥时长，t_end为总干燥时长，γ₀为在总干燥时长下进行干燥时的恒定干燥速率。

进一步地，涂布干燥方法还包括：

在蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂时，使用粘结剂分布模型监控粘结剂在锂离子电池极片上分布情况。

进一步地，粘结剂分布模型为：

其中，z为锂离子电池极片横截面上的任一位置，t为干燥时间，c(z，t)为z处t时刻粘结剂的分布情况，c₀为t＝0时浆料中的粘接剂浓度，为t＝0时浆料中的固体颗粒体积分数，H₀为t＝0时的涂布厚度，H为蒸发表面的位置，φ_l(t)为t时刻浆料中的液体体积分数，无量纲数Pe＝γH₀/D，γ为干燥速率，D为粘接剂在溶剂中的扩散系数。

其中，粘接剂物质的量M_b为粘接剂分子量，平均密度分别为固体颗粒、粘接剂、溶剂NMP的质量分数，ρ_s、ρ_b、ρ_NMP分别为固体颗粒、粘接剂、溶剂NMP的密度。

其中，q_s为单位面积单位时间内蒸发的溶剂的质量，单位为g/m².s，γ₀的单位为m/s。

实施例1

本发明实施例1的涂布浆料为负极石墨浆料，浆料组成成分为活性物质颗粒石墨、粘接剂PVDF、溶剂NMP，浆料性质如下：溶剂NMP的密度ρ_NMP＝1.03g/cm³，初始质量分数ω_NMP ⁰＝0.525，粘接剂PVDF密度ρ_PVDF＝1.76g/cm³，初始质量分数ω_b ⁰＝0.026，活性物质颗粒石墨密度ρ_s＝2.2lg/cm³，初始质量分数ω_s ⁰＝0.449，则固体颗粒的初始体积分数溶剂中粘接剂初始浓度 其中PVDF分子量M_b＝1000kg/mol)，初始涂布厚度H₀≈114μm，PVDF扩散系数D＝1.14*10¹⁰m²/s。

采用工业常见干燥速度，蒸发表面的质量通量q_s＝1.19g/m².s，采用恒定干燥速率(case1)：

为保证极片完全固化，t_end设为42s。

在和原有恒定干燥速率工艺相同的干燥时间下，使用随时间递减的干燥速率(case2)：

随时间递减干燥速率的干燥工艺(case2)与恒定干燥速率的干燥工艺(casel)，采用粘结剂分布模型计算极片横截面上不同时间不同位置的粘接剂分布情况，在t＝16s和t＝42s(end)时刻，粘接剂在极片横截面的分布情况如附图2所示，可以看出，case2在干燥初始阶段蒸发更快，粘接剂分布梯度更大，但随着干燥速率降低，在干燥结束时粘接剂分布明显更加均匀。

更进一步的，为了缩短干燥时间，使用随时间递减的干燥速率(case3)：

根据总干燥时间t′_end可减少至采用该干燥工艺(case3)与采用恒定干燥速率的干燥工艺(case1)，采用粘结剂分布模型计算极片横截面上不同时间不同位置的粘接剂分布情况，在t＝16s和干燥结束时刻t＝42s(case1)、t＝28s(case3)，粘接剂在极片横截面的分布情况如附图3所示，可以看出，case3在干燥初始阶段蒸发更快，粘接剂分布梯度更大，但随着干燥速率降低，在干燥结束时粘接剂分布明显更加均匀，且总干燥时间明显减少。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法，其特征在于，包括：

首先，将浆料涂布在锂离子电池极片上，所述浆料包括粘结剂和溶剂；

然后，采用随时间递减的干燥速率蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂；

最后，干燥完成，粘结剂在锂离子电池极片上分布均匀。

2.如权利要求1所述的一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法，其特征在于，所述随时间递减的干燥速率为：

其中，0≤t≤t_end，γ(t)为t时刻的干燥速率，t_end为总干燥时长，γ₀为在总干燥时长下进行干燥时的恒定干燥速率。

3.如权利要求1所述的一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法，其特征在于，所述随时间递减的干燥速率为：

其中，0≤t≤t_end′，γ(t)为t时刻的干燥速率，t_end′为新的干燥时长，t_end为总干燥时长，γ₀为在总干燥时长下进行干燥时的恒定干燥速率。

4.如权利要求1-3任一所述的一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法，其特征在于，所述涂布干燥方法还包括：

在蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂时，使用粘结剂分布模型监控粘结剂在锂离子电池极片上分布情况。

5.如权利要求4所述的一种用于锂离子电池极片的涂布干燥方法，其特征在于，所述粘结剂分布模型为：

其中，z为锂离子电池极片横截面上的任一位置，t为干燥时间，c(z，t)为z处t时刻粘结剂的分布情况，c₀为t＝0时浆料中的粘接剂浓度，为t＝0时浆料中的固体颗粒体积分数，H₀为t＝0时的涂布厚度，H为蒸发表面的位置，φ_l(t)为t时刻浆料中的液体体积分数，无量纲数Pe＝γH₀/D，γ为干燥速率，D为粘接剂在溶剂中的扩散系数。

6.一种用于锂离子电池极片的涂布干燥装置，其特征在于，包括：

涂布模块，用于将浆料涂布在锂离子电池极片上，所述浆料包括粘结剂和溶剂；

干燥模块，用于采用随时间递减的干燥速率蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂；干燥完成，粘结剂在锂离子电池极片上分布均匀。

7.如权利要求6所述的一种用于锂离子电池极片的涂布干燥装置，其特征在于，所述涂布干燥装置还包括

粘结剂分布情况监控模块，用于在蒸发掉锂离子电池极片上的溶剂时，使用粘结剂分布模型监控粘结剂在锂离子电池极片上分布情况。