涂布工藝及漿料性質(zhì)對(duì)剝離強(qiáng)度的影響

1、涂布工藝及漿料性質(zhì)對(duì)剝離強(qiáng)度的影響鋰離子電池的電極剝離強(qiáng)度對(duì)性能有著顯著的影響，因此探究剝離強(qiáng)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(guò)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(guò)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(guò)毛細(xì)管力在石墨顆粒間進(jìn)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(dòng)，溶劑流動(dòng)會(huì)帶著聚合物及小顆粒一起遷移， 使他們?cè)陔姌O的上層富 集，當(dāng)溶劑完全蒸發(fā)后，電極膜收縮停止。烘干過(guò)程主要分為

2、以下三個(gè)階段：(1)空氣-膜界面處溶劑含量不斷下降，直至達(dá)到臨界濃度。(2)從這個(gè)臨界點(diǎn)開(kāi)始，空氣-膜界面處溶劑濃度保持不變，(3)當(dāng)溶劑進(jìn)一步蒸發(fā)時(shí)，空氣-膜界面處溶劑溶度開(kāi)始下降，直到膜形成。2、烘烤速率對(duì)剝離強(qiáng)度的影響由烘干過(guò)程分析知，在極片烘干過(guò)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(duì)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(duì)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(dǎo)致剝離強(qiáng)度下降，此外電極阻 抗也會(huì)相應(yīng)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(jìn)在設(shè)計(jì)高能量密度電池時(shí)，電極厚度一般很大。根據(jù)烘烤過(guò)程的電極特性， Darjen Liu等人提出了一個(gè)新型的雙層涂布，分別設(shè)計(jì)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(guò)增加下涂層的粘接劑含量來(lái)彌補(bǔ)粘接 劑在干燥過(guò)程中向表面遷移帶來(lái)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(duì)剝離強(qiáng)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(bǔ)償流動(dòng)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?yàn)槿軇┛偭康?并且電極結(jié)構(gòu)固化快，粘結(jié)劑不會(huì)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(zhǎng)，給粘結(jié)劑遷移 提供了足夠的時(shí)間，隨著溫度升高，粘結(jié)劑和炭黑遷移現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致剝離強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度差別不大。當(dāng)達(dá)到110c時(shí)，遷移速度將會(huì)增大，面密度增大到5.4mg

7、/cm2,那么干燥時(shí)間會(huì)增大，這會(huì)給粘結(jié)劑提供足夠的遷移時(shí)間，當(dāng)面密度進(jìn)一步增大到 12mg/cm2時(shí)，剝離強(qiáng)度會(huì)降低52%。當(dāng)溫度增大到130c時(shí)，遷移現(xiàn)象會(huì)進(jìn)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(duì)剝離強(qiáng)度的影響由下圖可知，固含量降低將會(huì)導(dǎo)致剝離強(qiáng)度降低，這主要是因?yàn)楣毯拷档?后，需要更長(zhǎng)的時(shí)間或更高的溫度進(jìn)行烘干， 這都將導(dǎo)致粘結(jié)劑的遷移現(xiàn)象加劇 導(dǎo)致剝離強(qiáng)度變差。粘結(jié)劑比例增大也可提高剝離強(qiáng)度。:AdhesionI SDStd. scenario S140T3020

8、7ENfL更多精彩，請(qǐng)關(guān)注微信公眾號(hào)：順?shù)嚦烧?;：占江鋰離子電池的電極剝離強(qiáng)度對(duì)性能有著顯著的影響，因此探究剝離強(qiáng)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(guò)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(guò)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(guò)毛細(xì)管力在石墨顆粒間進(jìn)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(dòng)，溶劑流動(dòng)會(huì)帶著聚合物及小顆粒一起遷移， 使他們?cè)陔姌O的上層富集， 當(dāng)溶劑完全蒸發(fā)后，電極膜收縮停止。

9、烘干過(guò)程主要分為以下三個(gè)階段：(1)空氣-膜界面處溶劑含量不斷下降，直至達(dá)到臨界濃度。(2)從這個(gè)臨界點(diǎn)開(kāi)始，空氣-膜界面處溶劑濃度保持不變，(3)當(dāng)溶劑進(jìn)一步蒸發(fā)時(shí)，空氣-膜界面處溶劑溶度開(kāi)始下降，直到膜形成。烘烤速率對(duì)剝離強(qiáng)度的影響由烘干過(guò)程分析知，在極片烘干過(guò)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(duì)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(duì)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(dǎo)致剝離強(qiáng)度下降，此外電極阻抗也會(huì)相應(yīng)增大。涂布工藝的改進(jìn)在設(shè)計(jì)高能量密度電池時(shí)，電極厚度一般很大。根據(jù)烘烤過(guò)程的電極特性，Darjen Liu等人提出了一個(gè)新型的雙層涂布，分別設(shè)計(jì)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(guò)增加下涂層的粘接劑含量來(lái)彌補(bǔ)粘接劑在干 燥過(guò)程中向表面遷移帶來(lái)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(duì)剝離強(qiáng)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(bǔ)償流動(dòng)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?yàn)槿軇┛偭康筒⑶?電極結(jié)構(gòu)固化快，粘結(jié)劑不會(huì)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(zhǎng)，給粘結(jié)劑遷移提供 了足夠的時(shí)間，隨著溫度升高，粘結(jié)劑和炭黑遷移現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致剝離強(qiáng)度變差， 并且電極阻抗也會(huì)增大。在80c下，不同面密度的剝離強(qiáng)度差別不大。當(dāng)達(dá)到110c時(shí)，遷移速度將會(huì)增大，面密度增大到 5.4mg/cm2,那么干燥時(shí)間會(huì)增大，這會(huì)給粘結(jié)劑提供足夠的遷移時(shí)間，當(dāng)面密度進(jìn)一步增大到12mg/cm2時(shí)，剝離強(qiáng)度會(huì)降低52% 0當(dāng)溫度

12、增大到130c時(shí)，遷移現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致剝離強(qiáng)度變差。漿料對(duì)剝離強(qiáng)度的影響固含量降低將會(huì)導(dǎo)致剝離強(qiáng)度降低，這主要是因?yàn)楣毯拷档秃?，需要更長(zhǎng)的時(shí) 間或更高的溫度進(jìn)行烘干，這都將導(dǎo)致粘結(jié)劑的遷移現(xiàn)象加劇 ，導(dǎo)致剝離強(qiáng)度變 差。粘結(jié)劑比例增大也可提高剝離強(qiáng)度。參考文獻(xiàn)：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,