锂离子动力电池制作之合浆

动力电池制作第一道工序，就是合浆。
合浆，既是把正负极活性物质，增稠剂，粘结剂，溶剂通过一定的比例，在合浆罐中经过充分的搅拌得到正负极浆料。搅拌一般分为六种(均相混合，液液分散，气液分散，固液悬浮（电池常用），固体溶解（电池常用），结晶)，悬浮又由底部悬浮-分离悬浮-均匀悬浮。固液体系影响因素：1液体物理性质；2固体物理性质；3工艺操作条件；4几何参数；5搅拌条件。搅拌工艺类型分为缓练（一般为几个小时，材料选择性低，适用范围宽，刚开始浆料粘度较烯）和硬练（时间较短，约2个小时，材料选择性高，适用范围窄，材料选择性高）
正极材料有老牌磷酸铁锂，钴酸锂，三元正极材料：NCM622（镍钴锰），这里我们主要介绍三元材料NCM622。三元材料中过渡金属离子组成成分变化，材料的性能会出现有所偏重。过量锰的存在能降低材料成本，对材料结构起支撑作用，提升安全性，但容量则偏低；过量的镍存在使得电化学活性成分增加，容量提升，但阳离子混排加剧，材料的结构稳定性和循环性下降而且热稳定性随之变差；Co3+的添加有利于降低 Li+--Ni2+阳离子混排，提高材料结构的稳定性，同时可以参与到电化学反应中，在稳定材料循环性的同时，也保证了较高的比容量输出，但是过多 Co3+含量，使得晶胞体积变小，材料的可逆嵌锂量降低。因此，三元复合材料中过渡金属元素含量的选取在很大程度上影响材料的电化学性能。
锂电池浆料是一个复杂的多相混合非牛顿型流体。负极浆料由活性物质(石墨)、导电剂(炭黑、CNT、VGC等)、粘结剂、增稠剂及溶剂去离子水等多相物质混合制成。 正极浆料由活性物质（三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂等）、导电剂、粘结剂及溶剂组成。活性物质、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。
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，需要粘结剂还具有以下的特点： 
1.能够很好的保持活物质的状态，不破坏结构。 
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。 
粘结剂可以分为水系粘结剂和油系粘结剂，常用的油系粘结剂有PVDF均聚物和共聚物，其主要以NMP(氮甲基吡咯烷酮)、DMF(氮二甲基酰胺)等作为其溶剂。在磷酸铁锂、NCM三元材料为正极材料的电池体系中，一般选用PVDF作为正极粘结剂。 
PVDF有粉状颗粒和胶状物质，粉状呈白色颗粒，胶状PVDF为淡黄色透明胶体，粘度约为5000~8000mPs。无论PVDF的粉末直接用于搅拌浆料还是先做成胶体再投入制浆工艺都已成熟，两者的区别是在固含量和投料比一致的情况下，工艺略有不同，浆料最终粘度也不相同。 
水系粘结剂主要有SBR(丁苯乳液)、CMC(羟甲基纤维素钠)、PTFE(聚四氟乙烯乳液)、PAA(聚丙烯酸酯)等。最初，负极搅拌使用的粘结剂也是PVDF等油系粘结剂，但是因为考虑到电池内极化严重，且水系更环保且能代替其粘结作用，故发展到现在负极选用水系粘结剂已经成为其主流方向。 
常见于负极石墨体系选用SBR和CMC作为负极粘结剂，SBR和CMC均具有粘结的作用，但是实际上SBR称为粘结剂而CMC称为增稠剂(稳定浆料)。选用SBR和CMC两者协同作为粘结剂的理由如下： 
1.SBR粘结性更强，但是其在长时间的搅拌下容易破乳，从而结构破坏，降低其粘结性，一般情况下SBR选择在搅拌后期加入。同时SBR分散效果并没有CMC好，过多的SBR会产生较大溶胀，所以也不能完全用SBR作为粘结剂。 
2.CMC对于负极石墨的分散能够起到很好的作用。CMC在水溶液中会分解出钠离子和阴离子，随着CMC量增加，其分解产物将附着在石墨颗粒表面，石墨颗粒之间由于静电作用力而相互排斥，达到很好分散效果。 但是CMC也有比较致命的缺点，CMC是呈脆性的，如果全部选用CMC作为粘结剂，极片在压片、分切过程中石墨负极出现坍塌会出现严重的掉粉情况。 
目前还没有一种完美的粘结剂，能够符合上述要求的所有特征。只能在此基础上，尽量挑选符合物理加工及电化学要求的粘结剂。随着锂电技术的发展，考虑到成本及环保问题，锂电池逐渐向水系粘结剂转移。
讲完了粘结剂，说说导电剂，我们总是希望锂离子在传送过程中跑得快，这样才能满足高倍率充放。导电剂就是以这一宗旨添加进去，增强物质的导电性，常用的导电剂有SP（超导炭黑），石墨烯，CNTs（碳纳米管）。而纯石墨烯电池，对离子的运输能力则是一个数量级的提升。
将正负极活性物质、粘结剂、溶剂等合成浆料后，测试浆料的粘度和固含量，合格后便运送到下一个工序--涂布。