锂离子电池的原理、配方和工艺流程

锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依托Li+在两个电极之间往复嵌入和脱嵌来作业。随着能源轿车等下游产业不断发展，锂离子电池的出产规模正在不断扩大。

本专题分为上、下两个部分，其间上篇要点重视锂离子电池的原理、配方和工艺流程。下篇讲解锂电池的制造及其功能，本文系本专题上篇。

一、作业原理

1、正极结构

LiCoO2+导电剂+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）

2、负极结构

石墨+导电剂+增稠剂(CMC)+粘结剂(SBR)+集流体（铜箔）

你应该知道的锂离子<atarget=_blankhref='http://www.dghoppt.cn/product-list-13.html'><b>电池</b></a>原理及工艺（上）

3、作业原理

3.1充电进程

一个电源给电池充电，此刻正极上的电子e从经过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔阂上弯弯曲曲的小洞，“游水”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。此刻：

正极上发生的反响为：

负极上发生的反响为：

3.2电池放电进程

放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个能够随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的本质都是在电池正负极加一个电阻让电子经过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是一起举动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔阂上弯弯曲曲的小洞，“游水”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

3.3充放电特性

电芯正极选用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其间LiCoO2本是一种层结构很安稳的晶型，但当从LiCoO2拿走x个Li离子后，其结构或许发生变化，可是否发生变化取决于x的大小。

经过研究发现当x>0.5时，Li1-xCoO2的结构表现为极其不安稳，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒完结。所以电芯在运用进程中应经过约束充电电压来操控Li1-xCoO2中的x值，一般充电电压不大于4.2V那么x小于0.5，这时Li1-xCoO2的晶型仍是安稳的。

负极C6其本身有自己的特色，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后有必要有一部分Li留在负极C6中心，以保证下次充放电Li的正常嵌入，不然电芯的压倒很短，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般经过约束放电下限电压来完结：安全充电上限电压≤4.2V，放电下限电压≥2.5V。

回忆效应的原理是结晶化，在锂电池中几乎不会发生这种反响。可是，锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降，其原因是杂乱而多样的。主要是正负极资料本身的变化，从分子层面来看，正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐步陷落、堵塞；从化学角度来看，是正负极资料活性钝化，呈现副反响生成安稳的其他化合物。物理上还会呈现正极资料逐步脱落等情况，总归终究下降了电池中能够自由在充放电进程中移动的锂离子数目。

过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极形成永久的损坏，从分子层面看，能够直观的理解，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构呈现陷落，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其间一些锂离子再也无法释放出来。

不适合的温度将引发锂离子电池内部其他化学反响生成咱们不期望看到的化合物，所以在不少的锂离子电池正负极之间设有保护性的温控隔阂或电解质添加剂。在电池升温到一定的情况下，复合膜膜孔闭合或电解质变性，电池内阻增大直到断路，电池不再升温，保证电池充电温度正常。

二、锂电池的配方与工艺流程

1.正负极配方

1.1正极配方：LiCoO2+导电剂+粘合剂+集流体（铝箔）

LiCoO2(10μm):96.0%

导电剂（CarbonECP）2.0%

粘合剂（PVDF761）2.0%

NMP（添加粘结性）:固体物质的重量比约为810:1496

a)正极粘度操控6000cps（温度25转子3）；

b)NMP重量须恰当调理，到达粘度要求为宜；

c)特别注意温度、湿度对黏度的影响

正极活性物质：

钴酸锂：正极活性物质，锂离子源，为电池进步锂源。非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为6-8μm，含水量≤0.2%，一般为碱性，pH值为10-11左右。

锰酸锂：非极性物质，不规则形状，粒径D50一般为5-7μm，含水量≤0.2%，一般为弱碱性，pH值为8左右。

导电剂：链状物，含水量<1%，粒径一般为1-5μm。一般运用导电性优异的超导碳黑，如科琴炭黑CarbonECP和ECP600JD，其作用：进步正极资料的导电性，补偿正极活性物质的电子导电性；进步正极片的电解液的吸液量，添加反响界面，削减极化。

PVDF粘合剂：非极性物质，链状物，分子量从300,000到3,000,000不等；吸水后分子量下降，粘性变差。用于将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。常用的品牌如Kynar761。

NMP：弱极性液体，用来溶解/溶胀PVDF，一起用来稀释浆料。

集流体（正极引线）：由铝箔或铝带制成。

1.2负极配方：石墨+导电剂+增稠剂（CMC）+粘结剂（SBR）+集流体（铜箔）

负极资料（石墨）：94.5%

导电剂（CarbonECP）：1.0%(科琴超导碳黑)

粘结剂（SBR）：2.25%(SBR=丁苯橡胶胶乳）

增稠剂（CMC）：2.25%(CMC=羧甲基纤维素钠）

水：固体物质的重量比为1600:1417.5

a)负极黏度操控5000-6000cps（温度25转子3）

b)水重量需求恰当调理，到达黏度要求为宜；

c)特别注意温度湿度对黏度的影响

2、正负混料

石墨：负极活性物质，构成负极反响的主要物质；主要分为天然石墨和人造石墨两大类。非极性物质，易被非极性物质污染，易在非极性物质中涣散；不易吸水，也不易在水中涣散。被污染的石墨，在水中涣散后，容易重新聚会。一般粒径D50为20μm左右。颗粒形状多样且多不规则，主要有球形、片状、纤维状等。

导电剂：其作用为：

a)进步负极片的导电性，补偿负极活性物质的电子导电性。

b)进步反响深度及运用率。

c)避免枝晶的发生。

d)运用导电资料的吸液才能，进步反响界面，削减极化。（可根据石墨粒度散布挑选加或不加）。

添加剂：下降不行逆反响，进步粘附力，进步浆料黏度，避免浆料沉积。

增稠剂/防沉积剂（CMC）：高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。

异丙醇：弱极性物质，参加后可减小粘合剂溶液的极性，进步石墨和粘合剂溶液的相容性；具有激烈的消泡作用；易催化粘合剂网状交链，进步粘结强度。

乙醇：弱极性物质，参加后可减小粘合剂溶液的极性，进步石墨和粘合剂溶液的相容性；具有激烈的消泡作用；易催化粘合剂线性交链，进步粘结强度（异丙醇和乙醇的作用从本质上讲是一样的，大批量出产时可考虑成本要素然后挑选添加哪种）。

水性粘合剂（SBR）：将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。小分子线性链状乳液，极易溶于水和极性溶剂。

去离子水（或蒸馏水）：稀释剂，斟酌添加，改变浆料的流动性。

负极引线：由铜箔或镍带制成。

2.1正极混料：

2.1.1质料的预处理

1)钴酸锂：脱水。一般用120°C常压烘烤2小时左右。

2)导电剂：脱水。一般用200°C常压烘烤2小时左右。

3)粘合剂：脱水。一般用120-140°C常压烘烤2小时左右，烘烤温度视分子量的大小决定。

4)NMP：脱水。运用枯燥分子筛脱水或选用特殊取料设施，直接运用。

2.1.2物料球磨：

1)4小时完毕，过筛别离出球磨；

2)将LiCoO2和CarbonECP倒入料桶，一起参加磨球（干料：磨球=1:1），在滚瓶及上进行球磨，转速操控在60rmp以上

2.1.3质料的掺和：

1)粘合剂的溶解（按标准浓度）及热处理。

2)钴酸锂和导电剂球磨：使粉料初步混合，钴酸锂和导电剂粘合在一起，进步聚会作用和的导电性。配成浆料后不会单独散布于粘合剂中，球磨时间一般为2小时左右；为避免混入杂质，一般运用玛瑙球作为球磨介子。

2.1.4干粉的涣散、浸湿：

原理：固体粉末放置在空气中，随着时间的推移，将会吸附部分空气在固体的外表上，液体粘合剂参加后，液体与气体开端争夺固体外表；假如固体与气体吸附力比与液体的吸附力强，液体不能浸湿固体；假如固体与液体吸附力比与气体的吸附力强，液体能够浸湿固体，将气体挤出。

当潮湿角≤90°，固体浸湿。当潮湿角>90°，固体不浸湿。

正极资料中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿，所以正极粉料涣散相对容易。

涣散办法对涣散的影响：

1)静置法（时间长，作用差，但不损伤资料的原有结构）；

2)拌和法：自转或自转加公转（时间短，作用佳，但有或许损伤个别资料的本身结构）。

拌和桨对涣散速度的影响：拌和桨大致包括蛇形、蝶形、球形、桨形、齿轮形等。一般蛇形、蝶形、桨型拌和桨用来对付涣散难度大的资料或配料的初始阶段；球形、齿轮形用于涣散难度较低的状态，作用佳。

拌和速度对涣散速度的影响。一般说来拌和速度越高，涣散速度越快，但对资料本身结构和对设备的损伤就越大。

浓度对涣散速度的影响。一般情况下浆料浓度越小，涣散速度越快，但太稀将导致资料的浪费和浆料沉积的加剧。

浓度对粘结强度的影响。浓度越大，柔制强度越大，粘接强度越大；浓度越低，粘接强度越小。

真空度对涣散速度的影响。高真空度有利于资料缝隙和外表的气体排出，下降液体吸附难度；资料在彻底失重或重力减小的情况下涣散均匀的难度将大大下降。

温度对涣散速度的影响。适宜的温度下，浆料流动性好、易涣散。太热浆料容易结皮，太冷浆料的流动性将大打折扣。

稀释：将浆料调整为适宜的浓度，便于涂布。

2.1.5操作步骤

a)将NMP倒入动力混合机（100L）至80°C，称取PVDF参加其间，开机；参数设置：转速25±2转/分，拌和115-125分钟；

b)接通冷却系统，将已经磨号的正极干料均匀分四次参加，每次距离28-32分钟，第三次加料视资料需求添加NMP，第四次加料后参加NMP；动力混合机参数设置：转速为20±2转/分

c)第四次加料30±2分钟后进行高速拌和，时间为480±10分钟；动力混合机参数设置：公转为30±2转/分，自转为25±2转/分；

d)真空混合：将动力混合机接上真空，坚持真空度为-0.09Mpa，拌和30±2分钟；动力混合机参数设置：公转为10±2分钟，自转为8±2转/分

e)取250-300毫升浆料，运用黏度计丈量黏度；测验条件：转子号5，转速12或30rpm，温度范围25°C；

f)将正极料从动力混合机中取出进行胶体磨、过筛，一起在不锈钢盆上贴上标识，与拉浆设备操作员交接后可流入拉浆作业工序。

2.1.6注意事项

a)完结，整理机器设备及作业环境；

b)操作机器时，需注意安全，避免砸伤头部。

2.2负极混料

2.2.1质料的预处理：

1)石墨：

A、混合，使质料均匀化，进步一致性。

B、300~400°C常压烘烤，除去外表油性物质，进步与水性粘合剂的相容才能，修圆石墨外表棱角（有些资料为坚持外表特性，不允许烘烤，不然效能下降）。

2)水性粘合剂：恰当稀释，进步涣散才能。

2.2.2掺和、浸湿和涣散：

1)石墨与粘合剂溶液极性不同，不易涣散。

2)可先用醇水溶液将石墨初步潮湿，再与粘合剂溶液混合。

3)应恰当下降拌和浓度，进步涣散性。

4)涣散进程为削减极性物与非极性物距离，进步势能或外表能，所以为吸热反响，拌和时整体温度有所下降。如条件允许应该恰当升高拌和温度，使吸热变得容易，一起进步流动性，下降涣散难度。

5)拌和进程如参加真空脱气进程，排除气体，促进固-液吸附，作用更佳。

6)涣散原理、涣散办法同正极配料中的相关内容

2.2.3稀释：

将浆料调整为适宜的浓度，便于涂布。

2.2.4物料球磨

1)将负极和KetjenblackECP倒入料桶一起参加球磨（干料：磨球=1:1.2）在滚瓶及上进行球磨，转速操控在60rmp以上；

2)4小时完毕，过筛别离出球磨；

2.2.5操作步骤

1)纯净水加热至至80°C倒入动力混合机（2L）

2)加CMC，拌和60±2分钟；动力混合机参数设置：公转为25±2分钟，自转为15±2转/分；

3)参加SBR和去离子水，拌和60±2分钟；

动力混合机参数设置：公转为30±2分钟，自转为20±2转/分；

4)负极干料分四次均匀次序参加，加料的一起参加纯净水，每次距离28-32分钟；动力混合机参数设置：公转为20±2转/分，自转为15±2转/分；

5)第四次加料30±2分钟后进行高速拌和，时间为480±10分钟；

动力混合机参数设置：公转为30±2转/分，自转为25±2转/分；

6)真空混合：将动力混合机接上真空，坚持真空度为-0.09到0.10Mpa，拌和30±2分钟；

动力混合机参数设置：公转为10±2分钟，自转为8±2转/分

7)取500毫升浆料，运用黏度计丈量黏度；

测验条件：转子号5，转速30rpm，温度范围25°C；

8)将负极料从动力混合机中取出进行磨料、过筛，一起在不锈钢盆上贴上标识，与拉浆设备操作员交接后可流入拉浆作业工序。

2.2.6注意事项

1)完结，整理机器设备及作业环境；

2)操作机器时，需注意安全，避免砸伤头部。

配料注意事项：

避免混入其它杂质；

避免浆料飞溅；

浆料的浓度（固含量）应从高往低逐步调整，以免添加费事；

在拌和的间歇进程中要注意刮边和刮底，保证涣散均匀；

浆料不宜长时间放置，以免沉积或均匀性下降；

需烘烤的物料有必要密封冷却之后方能够参加，以免组分资料性质变化；

拌和时间的长短以设备功能、资料参加量为主；

拌和桨的运用以浆料涣散难度进行替换，无法替换的可将转速由慢到快进行调整，以免损伤设备；

出料前对浆料进行过筛，除去大颗粒以防涂布时形成断带；

对配料人员要加强训练，保证其掌握专业知识，以免酿成大祸；

配料的关键在于涣散均匀，掌握该中心，其它方法可自行调整。

以上就是锂离子电池的原理、配方及其工艺流程，想完好学习锂离子电池，敬请关该专题下篇。