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粘结剂上浮的动力学分析
2019-09-08 22:08:16· 来源：锂电派
锂电池浆料是一个复杂的多相混合非牛顿型流体。负极浆料由活物质（石墨）、导电剂（炭黑、CNT、VGCF等）、粘结剂、增稠剂及溶剂去离子水等多相物质混合制成。正
锂电池浆料是一个复杂的多相混合非牛顿型流体。负极浆料由活物质（石墨）、导电剂（炭黑、CNT、VGCF等）、粘结剂、增稠剂及溶剂去离子水等多相物质混合制成。正极浆料由活物质、导电剂、粘结剂及溶剂组成。活物质、导电剂、溶剂对金属电极没有粘附性，故无法做成极片用于制备锂电池。粘结剂是浆料中重要的组分，粘结剂将各种颗粒粘接在一起，形成了具有粘附性的浆料，将其与金属箔紧密粘接在一起。粘结剂一般用量仅有1%左右，但是在锂电池中却占有5%的作用，可谓是“小块头有大智慧”。
从极片加工角度对粘结剂的性能要求主要有以下几点：
1.能够长时间维持浆料粘度保持不变。不会因为浆料放置导致其沉降，失效。
2.可溶解形成高浓度溶液，所需的汽化热较低。
3.碾压时容易成型且不会反弹。
4.具有柔性，在电极破裂时不会形成碎片。
粘结剂不仅关乎锂电池的制造工艺，而且对锂电池的电化学性能有着重要的影响，需要粘结剂具有这样的特点：
1.能够很好的保持活物质的状态。
2.与金属箔具有良好的粘结性，不会因为电解液和充放电使用而剥离金属箔。
3.在较宽的电压范围内有良好的电化学稳定性。
4.具有较高的熔点和较低的溶胀率。即使在高温下，粘结剂与活物质的组合结构也需要保持稳定。粘结剂通常会有溶胀现象，溶胀超出一定程度就会影响活性物质和集流体间的导电性，就会造成电池容量衰减，所以需要控制其溶胀率。
5.具有良好的离子传输性和电子导电性。
粘结剂的重要性不言而喻，但是在实际生产过程中常常出现不同的情况，导致粘结剂的功效没有完全发挥出来。例如，粘结剂分散不匀导致正负极极片粘结性低，电池循环寿命大大降低，电池内阻增大等；例如，在涂布过程中烘干参数设置不合理，导致粘结剂大面积上浮，粘结剂上浮后会集中在电极活物质的上层，这样就会造成辊压时粘辊。不仅影响产品合格率，也给电池安全性造成了一定隐患。粘结剂上浮的原因分析如下：
我们一般将涂布的干燥过程分为涂布准备阶段、恒速干燥阶段、降速干燥阶段和平衡段。大部分的干燥过程主要在恒速干燥阶段和降速干燥阶段完成。涂布准备阶段极片还是湿片的状态，表面活物质还是以液相存在。准备阶段常常被忽略，其实这个阶段是大部分涂布缺陷形成的关键位置。在金属箔材表面的物质还是液态时，极片刚进入烘箱受风速扰动的影响较大，表面液相物质容易引发涂布缺陷。如果干燥箱内存在粉尘可能会造成大面积暗斑形成。恒速干燥阶段完成了液相向固相的转变，中间还存在凝胶状态。恒速干燥阶段的所有热量全部贡献给溶剂蒸发，溶剂能够自由迁移到表面边界层并离开液体表面。恒速干燥阶段是粘结剂上浮的主要阶段，下面将详细说明。降速干燥阶段已经完成了大部分的干燥，在此阶段热量持续输入而干燥效率逐渐降低。平衡阶段是为极片出烘箱做准备，防止极片温度突然由高转低，造成极片表面出现裂纹。
恒速干燥阶段粘结剂迁移到极片表面主要受以下作用影响：
（1）表面张力的作用
在恒速干燥阶段，极片表面温度较高，表层溶剂蒸发干燥之后形成干燥固体。因此固体-气体界面上的表面张力要高于涂膜内部的表面张力。在表面张力的驱动下，溶剂会从涂膜内部上升到涂层表面，并将粘结剂带到涂层表面，随着干燥的完成而固化于表面。
（2）浓度梯度
涂层表面干燥速度较快，此时表层物质浓度高于内部浓度，在浓度梯度作用下，极片中的粘结剂会随着溶剂挥发逐渐向表面富集迁移，在活性物质、导电剂的表面析出，因此烘干过程会对电极的孔隙结构和粘结剂分布产生影响。
（3）毛细管作用
在涂层干燥过程中，原材料固体颗粒之间形成毛细管通道，在毛细管作用力的影响下，粘结剂跟随溶剂在毛细管通道中移动，被带到涂层表面干燥后沉积下来。涂层的干燥速率越快，表面溶剂的蒸发速率就越快，迁移到涂层表面的粘结剂没有足够的时间向内部扩散，极片的粘结性就受影响越大。所以，结合实际生产，在恒速干燥阶段要适当降低干燥速率，防止粘结剂迁移。
（4）固体颗粒的热力学运动
在干燥过程中，涂膜液相内部颗粒受热量的影响，不停地运动。粘结剂颗粒随着溶剂的蒸发作不规则运动，当粘结剂颗粒到达涂层表面时，接触的是气体界面，无法受到固体颗粒的碰撞力，从而堆积在涂层表面。此原因可以解释粘结剂上浮到涂层表面后为何无法扩散回涂层内部。
从粘结剂上浮的动力学分析可以看出，即使锂电池浆料分散的足够均匀，在干燥过程中还是会不可避免的出固体颗粒迁移重新分布的现象。为了降低粘结剂上浮的程度，需要通过优化涂布烘干参数来解决，例如调整温度梯度、适当降低烘干温度等。
从极片加工角度对粘结剂的性能要求主要有以下几点：
1.能够长时间维持浆料粘度保持不变。不会因为浆料放置导致其沉降，失效。
2.可溶解形成高浓度溶液，所需的汽化热较低。
3.碾压时容易成型且不会反弹。
4.具有柔性，在电极破裂时不会形成碎片。
粘结剂不仅关乎锂电池的制造工艺，而且对锂电池的电化学性能有着重要的影响，需要粘结剂具有这样的特点：
1.能够很好的保持活物质的状态。
2.与金属箔具有良好的粘结性，不会因为电解液和充放电使用而剥离金属箔。
3.在较宽的电压范围内有良好的电化学稳定性。
4.具有较高的熔点和较低的溶胀率。即使在高温下，粘结剂与活物质的组合结构也需要保持稳定。粘结剂通常会有溶胀现象，溶胀超出一定程度就会影响活性物质和集流体间的导电性，就会造成电池容量衰减，所以需要控制其溶胀率。
5.具有良好的离子传输性和电子导电性。
粘结剂的重要性不言而喻，但是在实际生产过程中常常出现不同的情况，导致粘结剂的功效没有完全发挥出来。例如，粘结剂分散不匀导致正负极极片粘结性低，电池循环寿命大大降低，电池内阻增大等；例如，在涂布过程中烘干参数设置不合理，导致粘结剂大面积上浮，粘结剂上浮后会集中在电极活物质的上层，这样就会造成辊压时粘辊。不仅影响产品合格率，也给电池安全性造成了一定隐患。粘结剂上浮的原因分析如下：
我们一般将涂布的干燥过程分为涂布准备阶段、恒速干燥阶段、降速干燥阶段和平衡段。大部分的干燥过程主要在恒速干燥阶段和降速干燥阶段完成。涂布准备阶段极片还是湿片的状态，表面活物质还是以液相存在。准备阶段常常被忽略，其实这个阶段是大部分涂布缺陷形成的关键位置。在金属箔材表面的物质还是液态时，极片刚进入烘箱受风速扰动的影响较大，表面液相物质容易引发涂布缺陷。如果干燥箱内存在粉尘可能会造成大面积暗斑形成。恒速干燥阶段完成了液相向固相的转变，中间还存在凝胶状态。恒速干燥阶段的所有热量全部贡献给溶剂蒸发，溶剂能够自由迁移到表面边界层并离开液体表面。恒速干燥阶段是粘结剂上浮的主要阶段，下面将详细说明。降速干燥阶段已经完成了大部分的干燥，在此阶段热量持续输入而干燥效率逐渐降低。平衡阶段是为极片出烘箱做准备，防止极片温度突然由高转低，造成极片表面出现裂纹。
恒速干燥阶段粘结剂迁移到极片表面主要受以下作用影响：
（1）表面张力的作用
在恒速干燥阶段，极片表面温度较高，表层溶剂蒸发干燥之后形成干燥固体。因此固体-气体界面上的表面张力要高于涂膜内部的表面张力。在表面张力的驱动下，溶剂会从涂膜内部上升到涂层表面，并将粘结剂带到涂层表面，随着干燥的完成而固化于表面。
（2）浓度梯度
涂层表面干燥速度较快，此时表层物质浓度高于内部浓度，在浓度梯度作用下，极片中的粘结剂会随着溶剂挥发逐渐向表面富集迁移，在活性物质、导电剂的表面析出，因此烘干过程会对电极的孔隙结构和粘结剂分布产生影响。
（3）毛细管作用
在涂层干燥过程中，原材料固体颗粒之间形成毛细管通道，在毛细管作用力的影响下，粘结剂跟随溶剂在毛细管通道中移动，被带到涂层表面干燥后沉积下来。涂层的干燥速率越快，表面溶剂的蒸发速率就越快，迁移到涂层表面的粘结剂没有足够的时间向内部扩散，极片的粘结性就受影响越大。所以，结合实际生产，在恒速干燥阶段要适当降低干燥速率，防止粘结剂迁移。
（4）固体颗粒的热力学运动
在干燥过程中，涂膜液相内部颗粒受热量的影响，不停地运动。粘结剂颗粒随着溶剂的蒸发作不规则运动，当粘结剂颗粒到达涂层表面时，接触的是气体界面，无法受到固体颗粒的碰撞力，从而堆积在涂层表面。此原因可以解释粘结剂上浮到涂层表面后为何无法扩散回涂层内部。
从粘结剂上浮的动力学分析可以看出，即使锂电池浆料分散的足够均匀，在干燥过程中还是会不可避免的出固体颗粒迁移重新分布的现象。为了降低粘结剂上浮的程度，需要通过优化涂布烘干参数来解决，例如调整温度梯度、适当降低烘干温度等。
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