锂离子电池浆料稳定性能研究_张沿江

笔者结合合肥国轩高科动力能源股份公司的正 极浆料的特性， 研究了在正极浆料中加入碳纳米管 后浆料的稳定性能， 分别比较了浆料在搅拌和静置 的条件下，各种性能的变化情况，以期为电池浆料分 散技术及锂离子电池的制备与改进提供参考。
2015 年 5 月
张沿江等：锂离子电池浆料稳定性能研究
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1 实验部分
但材料粒径越小，其比表面越大，宏观表现为浆 料的分散性越差，因此电池浆料需要确定合适的固 含量比例。 现有的磷酸铁锂材料导电性能较差，为 了改善其导电性能，研究人员在其中添加了一种导 电性能优异的碳纳米管（CNT）以降低电池内阻。 碳 纳米管一般其直径范围在几百纳米以内，它是由石 墨片层卷曲而成的管状结构。 碳纳米管加入电池浆 料中可以形成网状的导电网络，从而显著提高浆料 的导电性能。 通常所使用的电池级碳纳米管主要是
1.1 试剂与设备 试剂：磷酸铁锂（电池级，合肥国轩高科动力能
源 股 份 公 司 生 产 ），聚 偏 二 氟 乙 烯 （PVDF， 电 池 级 ， 苏 威 5130， 美 国 产 ）， 碳 纳 米 管 ［CNT 浆 料 ，m （CNT）∶ m（NMP）=5∶95，北京天奈科技有限公司］，Sp 和 ks-6 （工业纯，上海海逸科贸有限公司），合浆使用合浆机。
超低剪切速率区间黏度曲线可定性考察样品的 稳定性、是否易沉降、分层等性质。 图 4 为 2 种样品 的 超 低 剪 切 速 率 测 试 （ 测 试 条 件 ： 剪 切 速 率 ，0.001~ 1 s-1 指数增加。 取点个数，每 300 s 取 300 个）。 由图 4 可见， 在 0.000 1～0.001 s-1 处出现剪切增稠现象，为 样品装样过程中受到预剪切的回复过程。 不断搅拌 的浆料黏度在整个超低剪切区间黏度变化平缓，而 静置浆料的黏度变化较大， 表明该批浆料在不断机 械搅拌下，表现出更好的稳定性，同时也说明浆料在 搁置过程中有一定的沉降现象。因此对于生产来说， 混合好的正极浆料，如果不能及时涂布，则必须在不 断的搅拌条件下保存，否则容易发生沉降，破坏浆料 的性质。
参考文献： ［1］ 屈伟平.锂电池的发展概述［J］.城市车辆，2009（5）：51-54. ［2］ 孙 嘉 遥.锂 离 子 电 池 的 制 造 工 艺 探 讨 ［J］.企 业 技 术 开 发 ，2012，
31（5）：91-92. ［3］ 冯拉俊 ，刘 毅 辉 ，雷 阿 利.纳 米 颗 粒 团 聚 的 控 制 ［J］.微 纳 电 子 技
* 基金项目：国家 863 计划资助项目（2012AA110407）。
分散于溶剂 N-甲基吡咯烷酮（NMP）中形成一种黏 稠物，而由于碳纳米管是纳米级材料，其具有很高的 比表面积，导致了其在电池浆料中容易团聚。在浆料 的混合分散工艺中， 碳纳米管的加入很容易形成二 级团聚体。由于锂离子电池浆料是非牛顿流体，其浆 料以固体小颗粒状态分散在溶剂 NMP 中。这些固体 小颗粒自身之间同时具有吸附作用与排斥作用，当 吸附力大于排斥力时，则颗粒之间发生吸引，粉体颗 粒容易团聚，从而影响后序的涂布操作 。 ［3-4］ 因此针 对电池浆料分散技术展开研究， 将有助于锂离子电 池的长期发展。 T.J.Patey 等通过浆料的分散实验，对 比不同分散条件下得到电池的各项电化学性能，提 出了均匀分散的电池浆料可以提高电池的循环寿 命［5］。 唐赞谦［6］利用高速分散工艺研究了磷酸铁锂 正极浆料的不同分散情况，结果显示，浆料的分散越 均匀，其电池的加工性能和电性能的改善效果越好。
术 ，2003（7/8 ）：536-539 ，542. ［4］ 曾 程 ，张 裕 中 ，袁 炀 ，等.超 剪 切 技 术 对 锂 离 子 电 池 浆 料 快 速 分
散 的 研 究 ［J］.电 源 技 术 ，2010，34（1）：59-62 ，79. ［5］ Patey T J，Büchel R，Nakayama M，et al.Electrochemistry of LiMn2O4
黏度是影响锂离子电池浆料的重要因素之一， 它不但影响浆料的流动性能， 而且黏度的一致性和 高低同样会影响后序涂布的均匀性和涂布效率，因 此黏度在浆料制作过程中常作为重要的控制参数来 表征浆料的稳定性。 图 2 分别为搅拌和未搅拌条件 下浆料黏度随时间的变化情况。从图 2 可见，未经搅 拌 的 正 极 浆 料 其 黏 度 随 时 间 的 延 长 有 较 大 变 化 ，0~ 10.5 h 期间黏度从 9 600 mPa·s 升至 25 200 mPa·s，因 此不利于浆料涂布的均匀性及一致性。 而在不断 搅拌条件下，其浆料黏度的变化较小，基本保持在 10 000 mPa·s，说明浆料的稳定性较好。
图 3 浆料固含量随时间的变化关系
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无机盐工业
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从图 3 可以看出， 不断搅拌下的正极浆料固含 量变化较为稳定，呈现出剪切变稀的变化趋势，而在 静置条件下， 正极浆料的固含量呈现出先变小后逐 渐增大的趋势，不过变化范围不大。 实验表明，搅拌 对浆料的固含量有一定的影响，但影响范围不大，这 可能与浆料的自身稳定性有关。 2.4 超低剪切速率测试
关键词：锂离子电池；浆料；黏度；固含量 中图分类号：TQ131.11 文献标识码：A 文章编号：1006-4990（2015）05-0072-03
Research on slurry stability of lithium-ion battery
Zhang Yanjiang，Wu Xingbing，Zhang Jinlong，Zang Qiang
2 结果与讨论
2.1 加入 CNT 对浆料黏度影响 图 1 分别是添加 CNT 和无 CNT 的正极浆料在
静置条件下黏度随时间的变化关系。
从 9 600 mPa·s 左右升至 76 500 mPa·s。 这可能是由 于碳纳米管的比表面积较大， 分散后如果不继续搅 拌则容易团聚，导致浆料黏度不断增加，不利于涂布 的 进 行 。 添 加 CNT 的 浆 料 在 4 h 内 的 黏 度 变 化 较 小，超过 4 h 后，则浆料黏度出现成倍的增长。 2.2 浆料黏度随时间的变化
图 2 浆料黏度随时间的变化关系
2.3 浆料固含量随时间的变化 图 3 是分别在搅拌和静置条件下， 浆料固含量
随时间的变化情况。
图 1 CNT 对浆料黏度的影响
从图 1 可以看出，无 CNT 的浆料随着静置时间 的延长黏度变化不大，而加入 CNT 后的浆料黏度随 静置时间的延长发生了很大变化，0~10.5 h 时，黏度
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INORGANIC CHEMICALS INDUSTRY
2015 年 5 月
锂离子电池浆料稳定性能研究*
张沿江，武行兵，张金龙，臧 强 （合肥国轩高科动力能源股份公司，安徽合肥 230011）
摘 要：锂离子电池浆料稳定性对电池的性能有重要影响，主要讨论了在 2 种不同条件处理下正极浆料的性能 变化情况，分别对浆料的黏度、固含量及流变性能做了比较。 实验结果表明，在不断搅拌条件下的浆料，其黏度、固含 量随时间的变化较小，表现出较为稳定的性质。 而浆料的性质稳定，则有利于后序的极片涂布和电池电性能的发挥。
图 4 浆料黏度在超低剪切速率下的对应关系
2.5 三区间触变性测试 实验对 2 种样品做了三区间触变性测试（3ITT，
3 Interval Thixotropy Test），结果见图 5。 测试条件： 第一段：剪切速率= 0.1 s-1， 取点数目：100 个（0.5 s/个）； 第二段：剪切速率=500 s-1， 取点数目：20 个（0.5 s/个）； 第三段：剪切速率=0.1 s-1， 取点数目：300 个（1 s/个）。 由图 5 可见，2 种样品结构回复都很快，10 s 内
（Hefei Guoxuan High-Tech Power Energy Co.，Ltd.，Hefei 230011，China）
Abstract：The stability of slurry is very important for the performance of lithium-ion battery.The performance changes of cathode slurry under two different conditions were discussed.The viscosity，solid content，and rheological properties of slurry were compared.Experimental results showed that the viscosity and solid content had little change when the slurry under an unceasing stirring，and the slurry showed a stable property.Because of this，it was benefit to the coating of pole piece and also to the full-play of battery′s electrical performance. Key words：lithium-ion battery；slurry；viscosity；solid content
即回复到原始黏度， 这也说明二者的加工过程中可
能需要长时间流平，但能有效防止滴挂现象。 从图 5 还可以得出， 不断搅拌状态下的浆料在外力作用下 结构破坏和重建能力略优于静置的浆料， 其黏度可 以回复到初始状态，表现出更加稳定的性能。
图 5 不同剪切速率下浆料黏度随时间的变化关系
3 结论
在不断搅拌和静置条件下， 对锂离子电池正极 浆料分别做了黏度、固含量的测试。 结果表明，加入 CNT 的正极浆料，其浆料在静置条件下黏度随时间 的变化很快， 而在不断搅拌条件下， 浆料稳定性较 好； 又对 2 种不同处理条件下的浆料做了超低剪切 速率和三区间触变性能等相关流变性能测试，பைடு நூலகம்同样 可得出静置条件下浆料稳定性较差的结论。 据此为 电池生产企业提出建议，从合浆缸内取出的浆料，需 在一定的时间内完成涂布，否则由于正极浆料易发生 沉降，其稳定性容易受到破坏，从而影响浆料的性质。