磷酸铁锂具有锂离子的低扩散系数和较差的导电性。因此,目前的方法是通过缩短LI+和电子的迁移路径来提高其充电和放电速度(理论上,迁移时间与迁移路径的平方成反比),使其颗粒更小,甚至在纳米级。但这给电池加工带来了一系列困难。
遇到的第一个问题是材料分散
制浆是电池生产中最关键的工艺之一,其核心任务是将活性物质、导电剂、粘合剂和其他材料均匀混合,以便更好地利用材料性能。要想混得好,首先必须能够分散。随着颗粒的减少,相应的比表面积也增加,表面能也增加,颗粒之间的聚集趋势增强。克服表面能分散所需的能量就越大。机械搅拌是目前常用的搅拌方式,机械搅拌的能量分布不均匀。只有在一定的区域内,具有足够的剪切强度和高能量,才能分离聚集的颗粒。为了提高分散能力,一是在不改变最大剪切速度的情况下,优化混合设备的结构,增加有效分散面积的空间比例;一种是增加搅拌功率(增加搅拌速度),增加剪切速度,相应的有效分散空间也会增加。前者是设备的问题,还有多大的改进空间,不会在网上对涂层发表评论。后者的改进空间有限,因为达到一定的剪切速度极限会对材料造成损坏并导致颗粒损坏。一种更有效的方法是使用超声波分散技术。只是超声波设备的价格比较高。几天前,我接触到一家公司,它的价格堪比日本进口的机械搅拌器。超声波分散过程时间短,整体能耗降低,浆料分散效果好,有效延缓了材料颗粒的聚合,稳定性大大提高。此外,可以通过使用分散剂来改善分散效果。
涂层均匀性问题
涂层不均匀不仅影响电池的一致性,还涉及到设计和使用安全等问题。因此,在电池生产过程中,对涂层均匀性的控制非常严格。了解配方和涂层工艺后,材料颗粒越小,就越难实现均匀涂层。我还没有看到任何关于其机制的相关解释。在线涂层被认为是由电极浆料的非牛顿流体性质引起的。电极浆料应属于非牛顿流体中的触变流体。这种类型的流体的特点是,即使在固态下,它在静止时也是粘性的,但在搅拌后会变得更薄,更容易流动。在亚微观状态下,粘合剂具有线性或网络结构。当搅拌时,这些结构被破坏,从而产生良好的流动性。然而,当静止时,它们会重新形成,流动性会恶化。磷酸铁锂颗粒较小,在相同质量的情况下,颗粒数量增加。为了将它们连接在一起以形成有效的导电网络,所需的导电剂的量也相应地增加。随着颗粒尺寸的增加和所使用的导电剂的量的增加,所需的粘合剂的量也增加。当静止不动时,它更容易形成网状结构,并且比传统材料具有较差的流动性。
在从搅拌机中取出浆料并进行摊铺的过程中,许多制造商仍然使用翻斗进行转移。过程中,浆液不搅拌或搅拌强度低,浆液的流动性发生变化,逐渐变得粘稠,像果冻一样。流动性差导致涂层均匀性差,表现为极端表面的密度公差增加和表面形态差。
根本的改进是改进材料,例如增加导电性、增加颗粒尺寸和使颗粒球形化,这些在短期内可能效果有限。在现有材料的基础上,从电池加工的角度,可以从以下几个方面尝试改进方法:
1.使用“线性”导电剂
所谓“线性”和“颗粒状”的导电剂是作者的生动描述,学术界可能并非如此。主要使用线性导电剂,如VGCF(碳纤维)和CNTs(碳纳米管)、金属纳米线等。它们的直径从几纳米到几十纳米不等,长度从几十微米到甚至几厘米不等。目前,常用的“颗粒状”导电剂(如Super P、KS-6)的尺寸通常为几十纳米,电池材料的尺寸为几微米。