锂离子电池浆料稳定性的优化

徐中元，王 进，徐 迅，唐琛明

(1.江苏海四达电源股份有限公司，江苏启东226200；2.江苏新动力电池及其材料工程技术研究中心，江苏启东226200)

锂离子电池浆料稳定性的优化

徐中元1，王 进2，徐 迅1，唐琛明2

(1.江苏海四达电源股份有限公司，江苏启东226200；2.江苏新动力电池及其材料工程技术研究中心，江苏启东226200)

采用浆料稳定性测试仪、粘度计等测试方法研究了搅拌工艺、固含量、浆料粘度与稳定剂等因素对锂离子电池浆料稳定性的影响。结果表明：取代度大、粘度高的CMC(羧甲基纤维素钠)，有利于提高电池浆料的稳定性。对于A1负极配方，采用高粘度搅拌工艺，选用B种CMC，固含量控制在46%，浆料粘度控制在4 000 mPa·s时，制备的浆料稳定性能最佳。

浆料稳定性；粘结剂；搅拌工艺；固含量；浆料粘度

合浆后的浆料需要具有较好的稳定性，这是电池生产过程中保证电池一致性的一个重要指标。随着合浆结束，搅拌停止，浆料会出现沉降、絮凝聚并等现象，产生大颗粒，这会对后续的涂布等工序造成较大的影响。因而检测和控制好浆料的稳定性十分重要[1]。

对于合浆工序而言，合浆的搅拌工艺、粘结剂、固含量和浆料粘度对浆料的稳定性有重大的意义。本文主要针对A1负极浆料进行研究，通过优化搅拌工艺、稳定剂、固含量和浆料粘度，从而提高浆料的稳定性，为生产和基础研究提供参考依据。

1 实验

1.1 原材料

所有测试浆料均是采用A1配方所制的负极浆料。

1.2 实验设备及表征方法

合浆设备使用实验用HY-DLH5L型5 L合浆机；涂布设备使用实验用小涂布机。

表征方法：浆料稳定性(使用Turbiscan分析仪)；浆料粘度(使用SNB-1的数字式粘度计)；扫描电镜采用JSM-6360LA型扫描电子显微镜对样品的形貌进行表征，加速电压为20 kV。

2 结果与讨论

2.1 搅拌工艺对浆料稳定性的影响

对于合浆工序而言，搅拌工艺和配方对浆料的稳定性起着决定性的作用。合理的搅拌工艺可以有效地提高浆料的稳定性，反之亦然。合浆过程主要是一个分散过程，主要有三个阶段，分别为润湿阶段、粒子集群的破裂阶段和稳定化阶段，其中润湿阶段主要由分子之间作用力和分子间的表面张力决定，粒子集群的破裂阶段主要由搅拌方式决定，稳定化阶段主要由具有稳定作用的CMC决定。机械推力、粒子间的碰撞和剪切力决定粒子集群的破裂程度，搅拌方式决定了粒子集群破裂程度，只有充分有效的剪切力才能获得较高程度的粒子集群破裂，而采用高粘度搅拌工艺就可以使分散体介质中的在较高的黏度搅拌，从而获得高剪切力。通过浆料稳定性测试，由图1比较相同搅拌时间内，A1负极配方两种不同的搅拌方式可以得出，测试12 h，常规搅拌的(不稳定性指数) 1.05要高于高粘度搅拌工艺值0.75，所以高粘度搅拌工艺所获得的浆料稳定性要优于常规搅拌工艺。

由图2两种搅拌方式下浆料涂布后的SEM图对比可见，采用高粘度搅拌工艺浆料中导电剂能较好地分散在主料的表面，均匀地包覆住主料石墨粉，而常规工艺，导电剂部分团聚造成了其不能完全包裹住主料，影响极片的导电性，造成电池的倍率性能降低。

图1 两种搅拌方式浆料稳定性比较

图2 两种搅拌方式下浆料涂布后的SEM图

2.2 固含量与浆料粘度对浆料稳定性的影响

固含量和浆料粘度是合浆过程中的一个重要指标，对后段涂布工序有较大影响。同种工艺与配方，浆料固含量越高，粘度越大，反之亦然。影响浆料粘度的因素：搅拌浆料的转速、时间控制、配料顺序、环境温湿度等。正极浆料在暴露在空气中易吸收空气中的水分，粘结剂出现凝聚，使得浆料粘度有所增大，另外，颗粒沉降及团聚也可能使粘度增加。粘度不同对电极的影响主要是敷料量的均一性。在一致性极差的情况下，在充电过程中负极会局部析锂，循环越来越差[2]。

浆料粘度本身不会影响电芯的性能，但对浆料稳定性有较大影响，且粘度会导致涂布种种问题，浆料粘度的调整，是需要根据材料的性能特性及涂布机的性能来设定调整。图3比较了A1配方所制得的几种不同粘度下浆料的稳定性，经比较从图3可见，对于A1配方所制得的几种浆料，当浆料粘度在500、1 500、3 000、4 000和6 000 mPa·s时，浆料的TSI值分别为1.55、1.05、0.65、0.36和0.21，随着粘度的增加，浆料稳定性随之增加，即在一定的粘度范围内，固含量越大，浆料稳定性越好，但浆料粘度过大，在后续涂布时容易产生划痕，一方面造成极片外观较差，另一方面在充电过程中易造成负极析锂，所以选择浆料粘度在4 000 mPa·s左右，固含量为46%左右，比较合适。

作为A1负极配方中重要组成成分，CMC是一种重要的纤维素醚，是天然纤维经过化学改性后所获得的一种水溶性好的聚阴离子纤维素化合物，在浆料中起着稳定剂、增稠剂、分散剂和粘结剂的作用。衡量CMC的主要指标是取代度和纯度。取代度是影响CMC水溶性的主要因素，而水溶性对粘度的影响也很大。结合表1和图4比较三种CMC性质可以得知，不同，则CMC的性质也不同；取代度越大，溶解性就越强，粘度也随之增强，比较由三种CMC所制备的浆料稳定性可知，值越大，浆料指数越小，即浆料稳定性越好。

表1 1%含量的CMC胶液性质比较

图4 不同取代度的CMC对浆料稳定性的影响

3 结论

通过上述实验，得出如下结论：对于合浆工序，搅拌方式决定了粒子集群破裂程度，充分有效的剪切力可以获得较高程度的粒子集群破裂程度，提高浆料的稳定性；同种浆料，固含量与粘度成反比，在一定范围内，粘度越高，浆料稳定性越高；取代度越大，CMC溶解性就越强，所合浆料的稳定性越好；实验结果表明，对于A1负极配方，选用B种CMC，以高粘度搅拌为制浆工艺，固含量和粘度设置在46%和4 000 mPa·s，所制得浆料稳定性最好。

[1]张伟清，魏岩巍，廖细英，等.一种评价浆料的稳定性的方法：中国，CN 1013824829[P].2009-03-11.

[2]AZEMA N.Sedimentation behaviour study by three optical methodsgranulometric and electrophoresis measurements,dispersion optical analyser[J].Powder Technology,2006(165):133-139.

Optimization of slurry stability for lithium ion battery

XU Zhong-yuan1,WANG Jin2,XU Xun1,TANG Chen-ming2

The effect of the mixing process,solid content,viscosity of slurry and stabilizer on the stability of lithium ion battery slurry was studied by the stability tester,paste viscosity meter and other test methods.The results show that the CMC(carboxyl methyl cellulose)with higher degree of substitution and viscosity is helpful to improve the stability of the battery slurry.To achieve the best performance of slurry stability for anode formula of A1,the optimized mixing process is high viscosity mixing process;the optimized CMC is B;the optimized solid content is 46%;the optimized slurry viscosity is 4 000 mPa·s.

slurry stability;binder;mixing process;solid content;slurry viscosity

TM 912.9

A

1002-087 X(2015)04-0743-02

2014-09-03

徐中元（1962—），男，江苏省人，工程师，主要研究方向为电池制造工艺。