涂布工藝及漿料性質(zhì)對剝離強度的影響

1、涂布工藝及漿料性質(zhì)對剝離強度的影響鋰離子電池的電極剝離強度對性能有著顯著的影響，因此探究剝離強度的影響因素十分必要，本文主要討論涂布工藝及漿料的影響。1、烘烤過程中電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化烘烤的初始階段，各成分在電極中均勻分布。在干燥過程中，由于溶劑蒸發(fā)， 電極膜收縮，在氣液界面處存在溶度梯度，在固結(jié)顆粒層的表面形成彎月面。 溶 劑通過毛細管力在石墨顆粒間進行向表面遷移，并且伴隨著顆粒層膨脹。SBR粘合劑和炭黑的顆粒尺寸至少比石墨小 100倍，石墨顆粒間距足夠讓 SBR及炭 黑自由流動，溶劑流動會帶著聚合物及小顆粒一起遷移， 使他們在電極的上層富 集，當溶劑完全蒸發(fā)后，電極膜收縮停止。烘干過程主要分為

2、以下三個階段：(1)空氣-膜界面處溶劑含量不斷下降，直至達到臨界濃度。(2)從這個臨界點開始，空氣-膜界面處溶劑濃度保持不變，(3)當溶劑進一步蒸發(fā)時，空氣-膜界面處溶劑溶度開始下降，直到膜形成。2、烘烤速率對剝離強度的影響由烘干過程分析知，在極片烘干過程中，SBR粘結(jié)劑及炭黑隨著溶劑蒸發(fā)而向表面遷移，那么烘烤速率對電極內(nèi)部成分分布影響如何？下圖為不同烘烤速率情況下，從集流體到氣液界面的粘結(jié)劑濃度分布情況， 從圖可知，在低烘烤速率(LDR)的情況下，不同位置的粘結(jié)劑分布相對均勻， 而在高烘烤速率(HDR)情況下，從集流體到氣液界面的粘結(jié)劑濃度不斷變大， 在集流體與敷料區(qū)處粘結(jié)劑分布很少， 這將

3、直接導致剝離強度下降，此外電極阻 抗也會相應增大。ill 47史1050 A ,-30尸 Aj=Z2J98rill 47史1050 A ,-30尸 Aj=Z2J98r如羽.92。尸沖且口 11r&l. HDRAdhflfthre fom a EmamFmc4PLFif-AsmgB. lanqMl; B|Cohl. IHBivwiaSH96% N %，CL工 1200-6U3JS ucs 66U3JS ucs 6二 PE8036004002030-80110130drying temperalure elect rode- gnipfriite anode upper nozzle - 1 7

4、80110130drying temperalure elect rode- gnipfriite anode upper nozzle - 1 7 e/g mass loadbig. 1D_5 rng/cma3、涂布工藝的改進在設計高能量密度電池時，電極厚度一般很大。根據(jù)烘烤過程的電極特性， Darjen Liu等人提出了一個新型的雙層涂布，分別設計兩種不同粘結(jié)劑含量的漿 料，上涂層的粘接劑含量低于下涂層，通過增加下涂層的粘接劑含量來彌補粘接 劑在干燥過程中向表面遷移帶來的影響。Ml F+Ht 啪口5鐘r 11aMl F+Ht 啪口5鐘r 11alprr dfjmrfiirkb*Ckjr f

5、l Pi Ifi151fmpcoatrig sj ME 帕下圖為不同涂布方案，其中80 C ,150 c分別表示烘烤溫度，3.0wt%,3.5wt%,4.0wt%,4.5wt%,5.0wt%分別表示不同粘結(jié)劑含量的漿料涂層。.a Cethode 4-30 $inglarrla vcrOUrhMe 二Twfl I用WO *一皿.a Cethode 4-30 $inglarrla vcrOUrhMe 二Twfl I用WO *一皿4、面密度對剝離強度的影響如果電極結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒的固定速度快于溶劑向電極表面的補償流動速度， 則粘 合劑的遷移現(xiàn)象將大大減少，濕涂層中溶劑量越小，溫度越高，溶劑的蒸發(fā)速度 越快

6、。從下圖可以看出：低面密度電極，電極阻抗基本上不受溫度的影響，這主要是因為溶劑總量低 并且電極結(jié)構(gòu)固化快，粘結(jié)劑不會有明顯的遷移。高面密度電極則表現(xiàn)完全不一樣的特性， 包速蒸發(fā)階段很長，給粘結(jié)劑遷移 提供了足夠的時間，隨著溫度升高，粘結(jié)劑和炭黑遷移現(xiàn)象加劇，導致剝離強度 變差。0,100,22 H0 8 64 22 / J 0,100,22 H0 8 64 22 / J 6S0.O.SB 。仁 BlssaJdrying temperature C由下圖可以看出，剝離強度受面密度及烘烤溫度的影響：在80c下，不同面密度的剝離強度差別不大。當達到110c時，遷移速度將會增大，面密度增大到5.4mg

7、/cm2,那么干燥時間會增大，這會給粘結(jié)劑提供足夠的遷移時間，當面密度進一步增大到 12mg/cm2時，剝離強度會降低52%。當溫度增大到130c時，遷移現(xiàn)象會進一步加劇。1,000,750,50025o,oc-IIII4 5 6 7& 9 10 11 IIII4 5 6 7& 9 10 11 12 135、漿料及配方對剝離強度的影響由下圖可知，固含量降低將會導致剝離強度降低，這主要是因為固含量降低 后，需要更長的時間或更高的溫度進行烘干， 這都將導致粘結(jié)劑的遷移現(xiàn)象加劇 導致剝離強度變差。粘結(jié)劑比例增大也可提高剝離強度。:AdhesionI SDStd. scenario S140T3020

8、7ENfL更多精彩，請關(guān)注微信公眾號：順鋰成章.;：占江鋰離子電池的電極剝離強度對性能有著顯著的影響，因此探究剝離強度的影響因素十分必要，本文主要討論涂布工藝及漿料的影響。烘干過程中電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化烘干的初始階段，各成分在電極中均勻分布。在干燥過程中，由于溶劑蒸發(fā)，電 極膜收縮，在氣液界面處存在溶度梯度，在固結(jié)顆粒層的表面形成彎月面。 溶劑 通過毛細管力在石墨顆粒間進行向表面遷移，并且伴隨著顆粒層膨脹。SBR粘合劑和炭黑的顆粒尺寸至少比石墨小 100倍，石墨顆粒間距足夠讓SBR及炭黑 自由流動，溶劑流動會帶著聚合物及小顆粒一起遷移， 使他們在電極的上層富集， 當溶劑完全蒸發(fā)后，電極膜收縮停止。

9、烘干過程主要分為以下三個階段：(1)空氣-膜界面處溶劑含量不斷下降，直至達到臨界濃度。(2)從這個臨界點開始，空氣-膜界面處溶劑濃度保持不變，(3)當溶劑進一步蒸發(fā)時，空氣-膜界面處溶劑溶度開始下降，直到膜形成。烘烤速率對剝離強度的影響由烘干過程分析知，在極片烘干過程中，SBR粘結(jié)劑及炭黑隨著溶劑蒸發(fā)而向 表面遷移，那么烘烤速率對電極內(nèi)部成分分布影響如何？下圖為不同烘烤速率情況下，從集流體到氣液界面的粘結(jié)劑濃度分布情況， 從圖可知，在低烘烤速率(LDR)的情況下，不同位置的粘結(jié)劑分布相對均勻，而在高烘烤速率(HDR)情況下，從集流體到氣液界面的粘結(jié)劑濃度不斷變大，在集流體與敷料區(qū)處粘結(jié)劑分布很

10、少， 這將直接導致剝離強度下降，此外電極阻抗也會相應增大。涂布工藝的改進在設計高能量密度電池時，電極厚度一般很大。根據(jù)烘烤過程的電極特性，Darjen Liu等人提出了一個新型的雙層涂布，分別設計兩種不同粘結(jié)劑含量的漿料，上 涂層的粘接劑含量低于下涂層，通過增加下涂層的粘接劑含量來彌補粘接劑在干 燥過程中向表面遷移帶來的影響。下圖為不同涂布方案，其中80C ,150C分別表示烘烤溫度，3.0wt%, 3.5wt%,4.0wt%, 4.5wt%, 5.0wt%分別表示不同粘結(jié)劑含量的漿料涂層涂布面密度對剝離強度的影響如果電極結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒的固定速度快于溶劑向電極表面的補償流動速度， 則粘合劑 的遷移

11、現(xiàn)象將大大減少，濕涂層中溶劑量越小，溫度越高，溶劑的蒸發(fā)速度越快。從下圖可以看出：低面密度電極，電極阻抗基本上不受溫度的影響， 這主要是因為溶劑總量低并且 電極結(jié)構(gòu)固化快，粘結(jié)劑不會有明顯的遷移。高面密度電極則表現(xiàn)完全不一樣的特性， 包速蒸發(fā)階段很長，給粘結(jié)劑遷移提供 了足夠的時間，隨著溫度升高，粘結(jié)劑和炭黑遷移現(xiàn)象加劇，導致剝離強度變差， 并且電極阻抗也會增大。在80c下，不同面密度的剝離強度差別不大。當達到110c時，遷移速度將會增大，面密度增大到 5.4mg/cm2,那么干燥時間會增大，這會給粘結(jié)劑提供足夠的遷移時間，當面密度進一步增大到12mg/cm2時，剝離強度會降低52% 0當溫度

12、增大到130c時，遷移現(xiàn)象會進一步加劇，導致剝離強度變差。漿料對剝離強度的影響固含量降低將會導致剝離強度降低，這主要是因為固含量降低后，需要更長的時 間或更高的溫度進行烘干，這都將導致粘結(jié)劑的遷移現(xiàn)象加劇 ，導致剝離強度變 差。粘結(jié)劑比例增大也可提高剝離強度。參考文獻：Jaiser S , Salach N S , Baunach M , et al. The Impact of Drying Conditions and Wet Film Properties on Adhesion and Film Solidification of Lithium Ion BatteryAnodesJ. Drying Technology, 2017:07373937.2016.1276584.Chu, Wen-Bing, Liu, et al. Improvement of Lithium -Ion Battery Performance by Two-Layered Slot-Die Coating OperationJ. Energy Technology GenerationConversion Storage Distribution,