一种分析锂电池极片涂布干燥过程的新方法

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时间：2017-05-02 15:30:47

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一种分析锂电池极片涂布干燥过程的新方法锂电池电极是一种颗粒组成的涂层，电极制备过程中，均匀的湿浆料涂敷在金属集流体上，然后通过干燥去除湿涂层中的溶剂。电极浆料往往需要加入聚合物粘结

锂电池电极是一种颗粒组成的涂层，电极制备过程中，均匀的湿浆料涂敷在金属集流体上，然后通过干燥去除湿涂层中的溶剂。电极浆料往往需要加入聚合物粘结剂或者分散剂，以及炭黑等导电剂。尽管固含量一般大于30%，但是干燥过程中，溶剂蒸发时，涂层总会经历一定的收缩，固体物质在湿涂层中彼此接近，最后形成多孔的干燥电极结构。

1、前言

毛细管力作用在三相界面上，半月形液相蒸发固化，并显著影响电极微结构。当涂层收缩完成，随着溶剂进一步蒸发，气-液界面逐步从孔隙中退出，最后形成干涂层。在涂层收缩和溶剂蒸发过程中，添加剂容易迁移，可能在多孔电极中重新分配，比如普遍认为存在的粘结剂迁移。当干燥速度太高时，涂层表面溶剂蒸发，可溶性的或分散性的粘结剂倾向于以高浓度存在于涂层表面。相反，较低的干燥速度可以使粘结剂分布平衡。粘结剂迁移是电极制造过程中不期望发生的，局部富集必然导致其他区域量减少，比如涂层和集流体界面粘结剂减少会导致涂层结合强度低。而且粘结剂分布不均匀也会导致电池电化学性能裂化，比如内阻增加，相应倍率特性变差。因此，干燥条件以及溶剂蒸发对电极制造过程是非常重要的。

另外，涂层干燥又是和能源消耗相关的，因此电极干燥也是决定性的成本因素。近年来，电池工业上不断要求提高干燥速度，减少烘箱长度，从而降低能源消耗成本。要想提高干燥速度，就需要提高温度或者加大风量，然而这又会导致电极性能的下降。幸好，电极干燥不是一个线性过程，可以分为两个阶段，在第二阶段可以提高干燥速率。基于此，多区域干燥模型能够显着减少所需的干燥时间。这就需要我们深入认识电极干燥过程，不断克服目前的局限。

德国卡尔斯鲁厄理工学院薄膜技术研究所的Stefan Jaiser等人引入了一种实验装置，在涂层干燥溶剂蒸发过程中能够测量涂层的收缩，涂层表面液体含量，以及表面孔洞消失的过程。在电极浆料中少量加入一种荧光增白剂，涂层中的液体在UV-A紫外线辐照下能够发出蓝光，因而可以用相机观察到液相。图像处理可以估算涂层表面的液体含量，跟踪电极孔隙中的液相消失过程。同时，湿涂层的厚度采用二维激光位移传感器测量。实验结果揭示了液相去除，电极孔隙中开始形成的时刻。

2、实验方法

2.1、材料和搅拌

(1)PVDF：NMP=5.55:94.45，先打胶

(2)石墨与炭黑干混，其中石墨分别采用两种：Graphite 1 (球形，d50 = 8.9 μm) 和 Graphite 2 (多面体，d50 = 20.4 μm)

(3)搅拌制备浆料，浆料最终固含量 47.5%，石墨：炭黑：PVDF= 91.7：2.8：5.5

(4)涂布之前，浆料中加入荧光增白剂DSBB重量0.1%

2.2、实验装置-涂布和干燥

湿涂层通过刮刀以6m/min的速度涂敷在10μm的铜箔上，涂层宽度60mm，最大涂层长度80cm，面密度72g/m2，干燥温度为76.5℃，NMP干燥速率为1.2g?m-2? s-1。实验装置如图1所示，对流槽喷嘴干燥器位于湿涂层上方用来干燥涂层，铜箔放置在控制温度的铝板上，铝板开孔真空吸附铜箔。UV灯发射紫外线照射在涂层上，用尼康相机照相，另外，电磁阀控制加压空气喷嘴能够喷扫涂层。

涂层移出干燥机的时间texit即电极干燥时间，电极片移出干燥机后随即连续照相3次，其中第二张照片拍照时刻打开加压空气喷嘴。照片每个像素尺寸为8.4μm x 8.4μm。

图1 实验装置示意图

①-对流槽喷嘴干燥机，②-温控板，③-SLR相机，④-UV灯，⑤-加压空气喷嘴

图2为图像处理流程，每个图像都是RGB灰度值叠加照片，首先将照片分割成红(red)、绿(grenn)、蓝(blue)三原色各自的颜色通道。本文中只分析红色通道，因为蓝色在长时间干燥后仍旧饱和状态，因而缺少最开始的信息，而绿色值强度低，接近零。采用MATLAB对图像进行处理，读取每一个像素的灰度值并计数，再做成灰度值高斯分布图。标准偏差σ和平均灰度值nmax作为图像处理的特征量，nmax表示涂层表面液体的含量。