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      粘結(jié)劑制備工藝優(yōu)化及實踐探索

      2017-03-05 23:32:36邢超中船重工海拓環(huán)??萍?/span>大連有限公司遼寧大連116013
      化工管理 2017年25期
      關鍵詞:有機溶劑粘結(jié)劑鋰離子

      邢超(中船重工海拓環(huán)保科技(大連)有限公司, 遼寧 大連 116013)

      粘結(jié)劑制備工藝優(yōu)化及實踐探索

      邢超(中船重工海拓環(huán)保科技(大連)有限公司, 遼寧 大連 116013)

      在鋰離子電池正負極中,粘結(jié)劑是非常重要的一部分。鋰離子電池是在鋁箔、銅箔的集流體上涂抹正、負極活性物質(zhì)并干燥而形成的,在該項工藝中,為了使集流體和活性物質(zhì)粘結(jié)在一起,必須要使用粘結(jié)劑。

      鋰離子電池;粘結(jié)劑;制備工藝;優(yōu)化

      粘結(jié)劑在鋰離子電池電極中的作用是粘結(jié)活性物質(zhì)、加強電極活性材料和導電劑、集流體之間的電子接觸,從而形成一個穩(wěn)定的極片結(jié)構(gòu)。此外,粘結(jié)劑在鋰離子電池正負極充、放電的過程中也起到了緩沖作用,有效避免了體積膨脹。收縮等現(xiàn)象的產(chǎn)生,所以采用適合的粘結(jié)劑是發(fā)揮鋰離子電池作用的關鍵因素。

      1 試驗方法

      (1)試驗材料及儀器 在該試驗中,原砂采用的是鑄造檢測時使用的標準砂,其他主要原料為廢棄的鋰離子電池。用到的實驗設備主要包括電動攪拌器、錘擊式制樣機以及強度測試儀等。

      (2)粘結(jié)劑砂樣硬化及制備 首先,取1500g的原砂,在其中加入50g的鋰離子電池粘結(jié)劑,之后再加入15g的氫氧化鈣,柔混合攪拌一分鐘后取出,留作備用。其次,取適量的混合料放在錘擊式制樣機上面沖擊5次,使其成為Φ50mm×50mm的抗壓試樣,之后向樣筒中以每小時1.0m3的速度吹入二氧化碳氣體,使其在一分鐘內(nèi)硬化,形成型砂試樣。

      (3)測定抗壓強度 在試驗中主要將鋰離子電池粘結(jié)劑砂試樣經(jīng)過二氧化碳硬化之后的抗壓強度作為關鍵的性能指標。初始強度為試樣制備完成馬上測量的抗壓強度,用 表示,而試樣在放置24小時之后所測定的抗壓強度為最終強度,用 表示。粘結(jié)劑以原砂重量的4%的進行混砂制樣,在混砂時,可以將氫氧化鈣作為輔助的添加劑,將用量控制在原砂質(zhì)量的0.9%左右。隨后可以利用二氧化碳氣體進行硬化,向Φ50mm×50mm的EPS砂試樣中以每小時1.0m3的速度吹氣一分半鐘,最終得到有效的粘結(jié)劑。

      2 鋰離子電池粘結(jié)劑分類

      鋰離子電池粘結(jié)劑主要可以劃分為兩種類型,分別是有機溶劑型粘結(jié)劑,將有機溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)當作分散劑,另一種是水性粘結(jié)劑,利用水當作分散劑。首先,對于有機溶劑型粘結(jié)劑,最常用的為聚偏氟乙烯(PVDF),它是一種應用效果非常好的粘結(jié)劑,只是電子、離子的導電性能比較差,而且采用PVDF作為粘結(jié)劑的極片要求務必密封,耗能較大。最重要的是,PVDF中含有一定量的氟,極容易與嵌鋰石墨發(fā)生反應,致使電池性能逐漸下降。除此之外,PVDF的離子、電子的絕緣性會加大電池的內(nèi)阻,從而對其性能發(fā)揮造成影響。與PVDF可以同時使用的分散劑為有機溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP),NMP的分散性能雖然較好,但是容易揮發(fā),具有較大的毒性,屬于易燃易爆品,一旦有機溶劑的毒性揮發(fā),會對環(huán)境造成嚴重污染,甚至會威脅到車間工作人員的人身健康,最重要的是,NMP的成本較高,需要比較大回收費用;其次,對于水性粘結(jié)劑來說,如果與有機溶劑型粘結(jié)劑相比,其具有成本低、非易燃、生產(chǎn)環(huán)境綠色以及揮發(fā)水汽等優(yōu)點,這也是鋰電池關鍵材料的研究方向。

      3 鋰離子粘結(jié)劑制備工藝分析

      在鋰離子粘結(jié)劑制備過程中,對其性能要求主要包括以下幾點:①在干燥、除水的過程中,加熱至120℃~170℃的情況下還仍然能夠保持熱穩(wěn)定性。②能夠被有機電解液潤濕。③加工性能良好。④不容易燃燒。⑤電力、離子導電性較高。⑥使用量少,價格低廉。對于之前的鎳鎘、鎳氫等電池,他們所使用的電解液是水溶液體系,而粘結(jié)劑可以直接使用PVA、CMC等一些水溶性較高的分子材料,此外還可以使用PTFE水分散乳液。鋰離子電池的電解液采用的是極性較大的碳酸酯類有機溶劑體系,所以溶解能力和溶脹能力都比較強,而且,粘結(jié)劑必須要具有較強的耐碳酸酯能力,同時滿足上述要求。尤其要滿足在電化學環(huán)境中保持穩(wěn)定性,在正極中發(fā)生過充電現(xiàn)象不會發(fā)生氧化等要求。

      鋰離子電池的特點為能夠與充放電過程共同進行,鋰在活性物質(zhì)中的嵌入、脫出,會使活性物質(zhì)發(fā)生膨脹、收縮現(xiàn)象,這時就要充分發(fā)揮粘結(jié)劑的緩沖作用。鋰離子電池電極在干燥過程中其加熱溫度最高能夠達到200℃,粘結(jié)劑也要承受這種高溫環(huán)境。因此可以看出,粘結(jié)劑性能的好壞直接影響著電池的性能,鋰離子電池電極在制備時采用的是涂布工藝,通常會采用刮刀、輥涂布的方式,在刀口間隙處對活性物質(zhì)層的厚度進行調(diào)節(jié)。鋰離子電池活性物質(zhì)層的厚度比較小,所以涂布刀口的間隙也比較小,在漿料中不能存在較大的團聚顆粒。在制作電極時,要采取、輥壓、分切以及卷繞等措施才能真正進入到電池中,要盡量避免活性物質(zhì)粉末脫落的現(xiàn)象。除此之外,鋰離子電池正負極材料的密度存在很大區(qū)別,粘結(jié)劑要按照活性物質(zhì)的密度、松裝密度等進行調(diào)整,確?;钚晕镔|(zhì)能夠在漿料中處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài),充分反映出粘結(jié)劑的安全性能。

      4 結(jié)語

      綜上所述,經(jīng)過試驗可以得出,鋰離子粘結(jié)劑的制備是一項非常關鍵的工程,通過分析粘結(jié)劑的制備工藝,可以明確鋰離子電池的性能要求以及特點,最終得到質(zhì)量過硬的粘結(jié)劑,使其充分發(fā)揮其根本作用。

      [1]劉偉華,金鈺,李英民.一種復合改性動物膠粘結(jié)劑制備工藝的研究[J].鑄造,2015,02:162-165.

      [2]劉偉華,袁旭,李英民,楊耀華.鑄造用自硬磷酸鹽粘結(jié)劑制備工藝的研究[A].中國機械工程學會.2013中國鑄造活動周論文集[C].中國機械工程學會,2013:1.

      邢超(1992- ),男,遼寧大連人,漢,工藝工程師,本科,研究方向:電化學領域粘結(jié)劑制備方法優(yōu)化及工業(yè)化設計。

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