鋰離子電池的正負極材料都是典型的粉體物質(zhì)，由于電極粉體的粒度、比表面積、填充密度與電池的反應速度和能量密度有關(guān)，所以粒子的形狀、內部結構、表面物性等因素對電池的能量密度、輸出特性、循環(huán)特性等都有很大的影響。粉體特性與電池性能有直接的聯(lián)系，故電極材料的設計和加工成為一個(gè)重要的課題。
一、電極材料與粉體技術(shù)
01
控制材料的粒徑
電極材料的粒徑對鋰離子電池性能的影響，在某種意義上起著(zhù)決定性的作用。一般電極材料的粒度大小會(huì )直接影響電池漿料和極片的制備，大粒徑材料漿料黏度低、流動(dòng)性好，可以少用溶劑、固含量高；而粉體粒徑減小時(shí)，一定程度上可以提高壓實(shí)密度和容量。
電極材料顆粒大小通常采用激光粒度儀測試，將粒度分布曲線(xiàn)中累積分布為50%時(shí)最大顆粒的等效直徑D50視作平均粒徑。拿正極材料來(lái)說(shuō)，正極材料粒度及其分布是與前驅體的制備、燒結、破碎工藝密切相關(guān)的。
例如，鈷酸鋰一般以四氧化三鈷和碳酸鋰為原料制備，其燒結特性很好，可通過(guò)控制Li/Co、燒結溫度、升溫速度等關(guān)鍵因素使其長(cháng)大，因此對原料要求相對較低。通過(guò)燒結粘連長(cháng)大、破碎的粉體材料易出現大的異形顆粒，制漿涂布成型時(shí)易出現劃痕、斷帶，因此需要嚴格限制大粒徑的顆粒分布。而錳酸鋰大多采用了與堿錳電池相同的原料——電解二氧化錳（EMD），其生產(chǎn)工藝是通過(guò)電解工藝沉積出整塊的MnO2板，再通過(guò)剝離、破碎得到，通常原料本身存在大的異形顆粒，而動(dòng)力型錳酸鋰需求Dmax較小，因此采用球形錳源前驅體來(lái)控制粒度分布。鎳鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰等材料在產(chǎn)業(yè)化時(shí)，通常采用化學(xué)共沉淀來(lái)實(shí)現Ni、Co、Mn、Al等元素的原子級別混合，并通過(guò)控制結晶實(shí)現高密度，這些均是粉體粒徑過(guò)程控制的技術(shù)范疇。
02
控制材料的比表面積
通常，電極材料的比表面積大時(shí)，電池的倍率特性較好，但通常更易與電解液發(fā)生反應，使得循環(huán)和存儲變差，其比表面積與顆粒大小及分布、表面孔隙度、表面包覆物等密切相關(guān)。同樣是正極材料，在鈷酸鋰體系里，小顆粒的倍率型產(chǎn)品對應的比表面積最大；磷酸鐵鋰因導電性差，顆粒以納米團聚體形式設計、且表面包覆了無(wú)定形的碳，導致其比表面積在所有正極材料中最高；錳系材料與鈷系相比，本身存在難以燒結的特點(diǎn)，其比表面積也整體較大。
如何依據材料的性能特性，做出適配電池需求的比表面積控制，也是粉體技術(shù)研究在電極材料制備中的應用體現。
03
控制材料的顆粒形貌
通過(guò)顆粒形貌來(lái)提高材料性能的一大典型應用是將天然石墨球形化處理。目前，鋰離子電池負極材料的應用逐漸向低成本化的方向發(fā)展，因此各國對天然石墨的研究都很重視。天然石墨作為負極雖然有比容量大、放電電壓平穩的優(yōu)點(diǎn)，但也存在明顯的缺點(diǎn)：在充電過(guò)程中會(huì )發(fā)生溶劑分子隨鋰離子共嵌入石墨片層而引起石墨層“剝落”的現象，造成結構的破壞，導致電極循環(huán)性能迅速變差；同時(shí)普通天然石墨因層狀結構發(fā)達而呈片狀，填充時(shí)容易與極片平行方向排列，使鋰離子的擴散路程變長(cháng)，增加了鋰離子的擴散阻力，降低充放電性能。將天然石墨粒子球形化，石墨粒子的層面排列分布各個(gè)方向，會(huì )有較小的擇優(yōu)取向，分布更均勻，鋰離子的擴散路程較短，從而可提高放電效率。
同理，其他的材料類(lèi)型也可通過(guò)適當的球形化處理達到修飾和改性的目的，同時(shí)球形化處理能使粉體材料具有更好的填充性和分布均勻性，進(jìn)一步提高鋰離子電池的體積能量密度和循環(huán)性能。
04
通過(guò)包覆其他粉體材料進(jìn)行表面改性
鎳鈷錳三元材料是當前應用最廣泛的動(dòng)力電池正極材料，隨著(zhù)高能量密度的需求提升，其高鎳化后面臨的結構穩定性較差以及水分敏感等問(wèn)題對實(shí)際應用提出了挑戰，行業(yè)內常使用表面包覆來(lái)進(jìn)行材料的性能調控。
表面包覆可以有效穩定高鎳材料的結構，表面包覆技術(shù)通過(guò)減小電極材料與電解液的接觸面積，從而降低材料表面雜質(zhì)與電解液的副反應，提高三元正極材料表面的電子導電率，改善材料的循環(huán)穩定性。
常見(jiàn)的表面包覆材料包含金屬氧化物、磷酸鹽及其他穩定電極材料等，目前已經(jīng)采用的包覆物質(zhì)有：金屬氟化物（AlF3），氧化物（V2O5、Al2O3、ZrO2、TiO2、ZnO、Co3O4、SiO2），磷酸鹽（AlPO4、FePO4、Co3(PO4)2、Ni3(PO4)2），鋰鹽（Li3PO4、Li2MnO3、LiAlO2、Li2TiO3、Li2ZrO3），某些單質(zhì)（碳、石墨烯、碳納米管），雙層包覆（Al2O3和PEDOT、Li3PO4和PPy）等。
05
多種粉體材料的混合分散
鋰離子電池電極的制作中，需要加入活性材料、粘合劑、溶劑與添加劑等多種成分進(jìn)行攪拌形成漿料，因此，粒子的分散性、組成的均勻性變得非常重要。物料在實(shí)際攪拌過(guò)程中有著(zhù)非常復雜的變化，除了強烈的物理作用外，還伴隨著(zhù)一定的化學(xué)作用。即使在宏觀(guān)上達到勻質(zhì)，但是顯微鏡下仍有些物料顆粒團聚體。因此，物料的攪拌不僅是宏觀(guān)勻質(zhì)，更重要的是微觀(guān)相對勻質(zhì)，其混合越均勻，對提高電池的性能越有利。另外，兩種或兩種以上的電極材料的均勻混合也能提高電池的性能，或者達到一定的成本優(yōu)化。
隨著(zhù)技術(shù)的不斷更新升級，鋰電池勻漿系統、粉體輸送等生產(chǎn)裝備也在不斷做出創(chuàng )新改性，許多優(yōu)秀的設備供應商深入研究混合分散機理，以實(shí)現更高的生產(chǎn)線(xiàn)集成度、更高的效率、更低的能耗、以及更智能化的產(chǎn)線(xiàn)建設，這些都是改善工藝，實(shí)現更高質(zhì)量產(chǎn)品制造的基礎，也是粉體技術(shù)工業(yè)化的體現。
二、結語(yǔ)
粉體技術(shù)在鋰電池電極材料加工，乃至電池制造過(guò)程中的應用還有許多，粉體加工技術(shù)在鋰電池產(chǎn)品的制備、后處理和電極制作的過(guò)程中已成為關(guān)鍵技術(shù)，在提高鋰離子電池性能方面發(fā)揮著(zhù)重要的作用，值得從粉體技術(shù)的角度來(lái)進(jìn)行重點(diǎn)探討。粉體工業(yè)涵蓋了多種行業(yè)，其設備及工藝原理不乏交叉相通之處，從粉體的角度對電池材料進(jìn)行新的認識，有助于將材料的制備和應用技術(shù)要點(diǎn)融會(huì )貫通，從而找出新的創(chuàng )新點(diǎn)，進(jìn)一步推動(dòng)鋰電池行業(yè)的發(fā)展。
聯(lián)系客服
