鋰離子電池是一個複雜的體系, 包含了正極, 負極, 隔膜, 電解液, 集流體和粘結劑, 導電劑等, 涉及的反應包括正負極的電化學反應, 鋰離子傳導和電子傳導, 以及熱量的擴散等, 鋰離子電池的電性能, 安全性受到多種因素的影響, 因此鋰離子電池的設計和生產環節複雜性可想而知, 今天小編就帶各位讀者朋友了解一下從動力電池從 '材料選擇' 到最終產生 '電池組' 的整個設計和生產流程.
一般而言, 鋰離子電池的開發分為幾個周期, 首先是實驗室內的基礎研究, 這一部分主要是適用扣式半電池, 或者簡單的軟包電池, 這一步主要的目的是測試材料和配方的性能, 因為電池的結構沒有進行優化, 因此這裡得到的結果並不能直接應用在生產上. 在進行了實驗室級別的初步測試和評估後, 好的材料和配方就會轉移到下一個階段——中試階段, 在這一階段需要考慮電池的綜合性能, 例如電池能量密度 (正負極的塗布量) 和快充, 倍率等特性, 並發現在大規模生產過程中可能面臨的工藝問題, 及時做出調整. 通過上述的過程, 完善了電池配方和生產工藝後, 成熟的產品才能最終投入正式生產. 由於影響鋰離子電池性能的因素眾多, 因此設計和生產或接的每一個參數都會對電池最終的電性能和安全性產生重大的影響, 因此我們有必要深入了解材料, 設計和工藝參數對於產品最終性能的影響.
1.電池材料
一款電池的設計要首先從材料的選擇開始, 需要根據目標需求, 例如能量密度, 倍率特性, 迴圈壽命和安全等指標, 選擇合適的材料. 正極材料選擇方面, 我們可以選擇橄欖石結構的LiFePO4, 這種材料更加適合應用在對能量密度需求不高的大巴車上, 此外還有高容量的層狀材料, 例如NCM和NCA, 這些材料由於成本較高, 更加適合應用在純電動汽車上, 尖晶石結構的LiMn2O4則更加適合應用在混合動力汽車上. 負極材料方面, 目前主流的選擇是人造石墨, 天然石墨和中間相結構碳微球類的材料, 在目前動力電池比能力指標不斷提高的情況下, 我們也會在是石墨材料中添加少量的Si材料 (一般<5%) , 以便提高负极的比容量. 为了改善正负极的导电性, 通常还需要在其中添加少量的导电剂, 目前最常见的导电剂为炭黑类材料, 碳纤维类材料, 以及近几年兴起的碳纳米管和石墨烯类材料.
此外, 為了將活性物質顆粒粘附在集流體的表面還需要添加1-4%的粘結劑, 目前的粘結劑主要分為兩大類一類是油系粘結劑, 主要是PVDF類粘結劑, PVDF具有非常好的電化學穩定性, 是目前應用最為廣泛的鋰離子電池粘結劑之一; 另一大類是水系粘結劑, 主要為CMC, 以及SBR, PAA類的粘結劑.
為了將鋰離子電池內的電子傳導出來, 我們還需要應用到正負極的集流體, 主要Al箔和Cu箔, 目前主流的銅箔為8um, Al箔為15um, 但是隨著鋰離子電池比能量的不斷提高, 廠商已經開始採用厚度更薄的6um銅箔和12um的Al箔, 但是其強度較差, 在使用中容易發生斷帶和起褶等問題. 有時為了降低鋰離子電池內阻, 提高粘接性, 我們還會在銅箔或者鋁箔表面塗布一層碳材料 (3-5um) , 例如塗炭Al箔在LiFePO4材料體系中能夠起到比較好的效果.
隔膜也是鋰離子電池的重要做成部分, 它承擔著隔絕電子導通離子的作用, 目前常見的隔膜製備方法主要分為幹法拉伸工藝和濕法工藝, 幹法拉伸工藝在成本上具有一定的優勢, 但是幹法拉伸工藝製備的隔膜存在明顯的各向異性, 濕法隔膜在各個方向上的強度基本一致, 但是成本較高. 目前為了提高鋰離子電池的比能量, 隔膜的厚度持續變薄, 為了保證鋰離子電池的安全性, 塗層隔膜成為目前隔膜發展的主流趨勢, 常見的塗層主要可以分為兩大類, 一類是無機氧化物塗層, 例如Al2O3, MgO等, 有機物塗層能夠顯著的提升隔膜的熱穩定性; 另一類是有機聚合物類塗層隔膜, 例如日本廠商採用的比較多的芳綸塗層隔膜, 能夠有效的提升隔膜的抗氧化性.
電解液也是鋰離子電池的重要組成部分, 在鋰離子電池內部起到傳導Li+的作用, 目前主流的鋰離子電池電解液主要是碳酸酯類電解液 (一般至少包含兩種以上的碳酸脂類的溶劑, 例如EC, DMC, EMC等) , Li鹽一般採用LiPF6, 為了改善電解液在負極表面成膜的質量, 我們通常還會在電解液中添加部分的成膜添加劑, 例如常見的VC等, 在針對矽碳類負極開發的電解液一般還會加入相當數量的FEC, 以產生LiF含量 更高的SEI膜, 以提高負極SEI的穩定性. 此外, 為了提高鋰離子電池的可靠性和安全性, 我們也會在電解液內添加少量的防過充添加劑, 阻燃添加劑等成分.
2.電極生產
在完成了材料的選擇後, 我們就進入到了下一個環節——電極生產, 首先我們要從勻漿開始. 鋰離子電池的勻漿是鋰離子電池生產的關鍵環節, 勻漿環節主要是將活性物質, 粘結劑和導電劑等成分混合成為均勻的懸濁液, 通常我們會首先將粘結劑分散成為膠液, 有一些工藝會將導電劑與膠液分散成為導電膠, 然後與活性物質混合, 有的工藝會將導電劑和活性物質一起與膠液進行混合, 勻漿的關鍵在於如何將漿料中的各個成分分散均勻, 為了達到這一目標需要對勻漿工藝進行優化. 目前隨著納米材料的逐漸普及, 為了更好的分散納米級別的材料, 鋰離子電池廠家也開始採用高速分散設備, 利用高速剪切作用, 使得漿料分散的更加均勻, 此外有也不少材料廠家開發了大量的改善漿料分散行的助劑.
完成了漿料的分散後, 下一步就是鋰離子電池的塗布了, 目前常見的塗布工藝主要有滾塗和噴塗兩大類, 滾塗設備目前已經逐漸被淘汰, 但是滾塗設備好清理, 塗布寬度容易調節, 僅需要很少的漿料就能夠完成塗布, 因此在一些中式線和實驗室內還有較多的應用. 噴塗設備, 通過將漿料從噴頭處擠壓出來轉移到集流體上, 完成塗布, 噴塗設備能夠使用粘度和固含量更高的漿料, 電極表面狀態也更好, 因此得到了廣泛的應用. 在實際生產中塗布速度一般控制在25-50m/min之間, 要提高烘乾速度主要是通過增加烘箱的長度, 這樣雖然會增加一部分設備投資, 但能夠顯著的加快生產進度, 降低生產成本, 但是增加烘箱長度也是有一定極限的, 這主要是因為隨著烘箱長度的增加會導致集流體張力控制難度的增加, 特別是在採用強度較低的超薄集流體時, 這一問題也將變得更加突出, 因此我們無法無限的增加烘箱的長度. 此外高溫快速烘乾也會加劇PVDF粘結劑在電極內分布不均勻的現象, 導致活性物質的粘接力下降, 因此我們也很難通過不斷提高烘箱溫度來提升電極的塗布速度, 所以塗布速度的提升是有一定的限制的.
剛剛塗布, 烘乾後的電極一般孔隙率會在60-70%之間, 隨後我們會利用輥壓機對其進行碾壓, 使其孔隙率下降到40%左右, 這樣一方面能夠提升電池的比能量, 也能夠顯著的改善電極的導電性和粘結性. 輥壓機輥輪的直徑一般在600-1000mm, 較大的輥徑能夠增加有效碾壓區的長度, 能夠減緩碾壓過程中的壓力變化速度, 這對於厚電極來說尤為重要 (厚電極很容易在碾壓過程中因為壓力過載而引起失效) .
在完成了電極碾壓後, 我們需要根據電池的結構對電極將電極分切為一定的寬度, 然後電極會在真空烘箱中進行乾燥, 以便出去電極中參與的水分, 通常需要將電池中的水分含量控制在500ppm以下, 以便將水分對於鋰離子電池壽命和副反應的影響控制到最低.
由於篇幅所限, 今天我們主要為大家介紹了動力電池的 '材料選擇' 和 '電極塗布' 兩個工序, 在下一片文章中我們將繼續向大家介紹 '單體電池生產' 和 '電池組合' 工序, 敬請期待.
