高倍率聚合物锂电池浆料配方估算方法详解

来源:高倍率锂电池   2019-07-18  阅读数:

  高倍率聚合物锂电池被广泛应用于航模、车模、汽车启动电源等高电流放电的电子产品中,它的安全生产过程十分重要,下面我们来说说高倍率聚合物锂电池浆料配方的估算;做好这一流程,可以为高倍率聚合物锂电池生产带来质量保证。

  高倍率聚合物锂电池浆料在生产过程中,各组分配方通常是以重量为单位计算,但电极涂层在干燥后一般是多元结构组成的,各个组分(活性物质、导电剂、孔隙率)之间的体积关系,对电池的性能有着重要作用。在电化学模型计算中,常常根据活性物质、导电剂等体积分数来计算电化学性能。电极浆料流体特性,加工工艺特性也更多与各组分的体积分数关系大。因此,高倍率聚合物锂电池浆料配方设计更合理的依据应该是体积。

  涂料行业有一个重要的参数,颜料的体积浓度(PVC),即在干膜中粉料所占的体积百分比。

  PVC=粉料的体积/(粉料的体积+聚合物粘结剂的体积)

  在高倍率聚合物锂电池浆料中,粉料包括活性物质和导电添加剂,因此,电池浆料中

  PVC=(活性物质的体积+导电剂的体积)/(活性物质和导电剂粉料的体积+聚合物粘结剂的体积) 

  在高倍率聚合物锂电池浆料配方的计算中,如果想要知道浆料体积浓度对电池性能的影响,必须首先要知道这个体系的临界粉料体积浓度,即CPVC。涂料行业中在测试粉体的吸油量时,当颜料刚刚被亚麻油粘结成糊状,而没有多余的亚麻油时,这时的颜料体积浓度就刚好处在CPVC值,所以颜料的吸油量和CPVC值就可以通过以下方法计算:

  CPVC=1/[1+( OA•ρ/0.935)]

  式中:OA --- 粉料的吸油量,%;ρ--- 粉料的密度,g/cm3;0.935---亚麻油的密度,g/cm3,如果采用其他有机物测试时,相应变更为该材料的密度。

  对于混合粉体,计算CPVC值的方法进一步延伸,方法如下:

  CPVC =1/{1+Σ[(OA•ρ•V/0.935]}

  式中:OA--- 某个粉体的吸油量,%; ρ--- 某个粉体的密度,g/cm3;V --- 某个粉体在整个粉体体积中所占有的体积分数,%。

  称取试样m1 g置于玻璃板或釉面板上用滴定管滴加精制亚麻油,在滴加的同时用调刀不断进行翻动研磨,起初试样呈分散状,后逐渐成团甚至全部被精制亚麻油所湿润,并形成一整团即为终点。记录滴加的精制亚麻油的质量m2 g,或者体积V ml。

  以每100g粉体所吸收的精制亚麻油的体积表示吸油值,按吸收亚麻油的质量比表示吸油量:

  吸油值=V/m1*100

  吸油量=m2/m1*100%

  例如:在某个配方中NCA材料96kg,sp导电剂2kg。假设NCA密度为4.86g/cm3,sp密度为2.05g/cm3,

则:

  活性物质体积为:96000/4.86 = 19753 cm3

  导电剂体积为:2000/2.05 = 976 cm3

  两种粉体总体积为:19753+976 = 20729 cm3

  活性物质粉体在所有粉料所占的体积分数:19753/20729 = 95.29%

  导电剂粉体在所有粉料所占的体积分数:976/20729 = 4.71%

  混合粉料的CPVC值计算,假定活性物质吸油量为16%,导电剂吸油值为290 ml/100g,转化为吸油量(吸油的质量比)为(290ml)*(0.935g/ml)/100g = 271%

CPVC =1/{1+Σ[(OA•ρ•V/0.935]} 

          =1/{1+[(16%×4.86×95.29%)+(271%×2.05×4.71%)]/0.935} 

          = 48.27% 

  浆料在CPVC值时所需用的乳液量X计算,根据 PVC=(活性物质的体积+导电剂的体积)/(活性物质和导电剂粉料的体积+聚合物粘结剂的体积),有

  (19753+976)/(19753+976+X)=48.27%

  即X=[(1-0.4827)×(19753+976)]/0.4827=22215 cm3

  假定聚合物粘结剂密度为1.77g/cm3,则粘结剂重量为22215/1.77=12551g=12.551kg

  此时,电极涂层由活性物质相,导电剂相和聚合物粘结剂相组成,没有任何孔隙。

  假定涂层孔隙率为30%,所需聚合物粘结剂量Y计算。此时,将孔隙也看成一个组分相,此时

  PVC=48.27%+30% = 78.27%

  根据,PVC=(活性物质的体积+导电剂的体积)/(活性物质和导电剂粉料的体积+聚合物粘结剂的体积),有

  (19753+976)/(19753+976+Y)=78.27%

  即Y=[(1-0.7827)×(19753+976)]/0.7827=5755 CM3 

聚合物粘结剂重量为

  5755/1.77 = 3251g=3.25kg。

最终,浆料配方为

  NCA:SP:PVDF=96:2:3.25=94.81:1.98:3.21

  高倍率聚合物锂电池浆料配方计算是依据各材料的密度和吸油量,这两个参数可以测量,但是也受很多因素影响,比如实际吸油量的大小与粉体的粒度分布、颗粒形状、分散与凝聚程度、比表面积及表面性质等有关,所以该方法只能估算。