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      知識科普:聚合物鋰離子電池漿料配方估算方法

      來源:聚合物鋰電池???發布時間:2019-09-25 16:57:34??閱讀數:

      聚合物鋰離子電池漿料在生產過程中,各組分配方通常是以重量為單位計算的,但電極涂層在干燥后一般是多元結構組成的,各個組分(活性物質、導電劑、孔隙率)之間的體積關系,對鋰電池的性能有重要的作用。在電化學模型計算中,常常根據活性物質、導電劑等體積分數來計算電化學性能。電極漿料流體特性,加工工藝特性也更多與各組分的體積分數關系大。因此,漿料配方設計根據體積更加合理。

      涂料行業有一個重要的參數,顏料的體積濃度(PVC),即在干膜中粉料所占的體積百分比。

      PVC=粉料的體積/(粉料的體積+聚合物粘結劑的體積)

      聚合物鋰離子電池漿料中,粉料包括活性物質和導電添加劑,因此,電池漿料中

      PVC=(活性物質的體積+導電劑的體積)/(活性物質和導電劑粉料的體積+聚合物粘結劑的體積) 

      在聚合物鋰離子電池漿料配方的計算中,如果想要知道漿料的體積濃度對電池性能的影響,必須首先要知道這個體系的臨界粉料體積濃度,即CPVC。涂料行業中在測試粉體的吸油量時,當顏料剛剛被亞麻油粘結成糊狀,而沒有多余的亞麻油時,這時的顏料體積濃度就剛好處在CPVC值,所以顏料的吸油量和CPVC值就可以通過以下方法計算:

      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---亞麻油的密度,g/cm3,如果采用其他有機物測試時,相應變更為該材料的密度。

       

      對于混合粉體,計算CPVC值的方法進一步延伸,方法如下:

      CPVC =1/{1+Σ[(OA•ρ•V/0.935]}

      式中:OA--- 某個粉體的吸油量,%; ρ--- 某個粉體的密度,g/cm3;V --- 某個粉體在整個粉體體積中所占有的體積分數,%。

      稱取試樣m1 g置于玻璃板或釉面板上用滴定管滴加精制亞麻油,在滴加的同時用調刀不斷進行翻動研磨,起初試樣呈分散狀,后逐漸成團甚至全部被精制亞麻油所濕潤,并形成一整團即為終點。記錄滴加的精制亞麻油的質量m2 g,或者體積V ml。

       

      以每100g粉體所吸收的精制亞麻油的體積表示吸油值,按吸收亞麻油的質量比表示吸油量:

      吸油值=V/m1*100

      吸油量=m2/m1*100%

      常見導電劑理化參數對比

      例如:在某個配方中NCA材料96kg,sp導電劑2kg。假設NCA密度為4.86g/cm3,sp密度為2.05g/cm3,

      則:

      活性物質體積為:96000/4.86 = 19753 cm3

      導電劑體積為:2000/2.05 = 976 cm3

      兩種粉體總體積為:19753+976 = 20729 cm3

      活性物質粉體在所有粉料所占的體積分數:19753/20729 = 95.29%

      導電劑粉體在所有粉料所占的體積分數:976/20729 = 4.71%

      混合粉料的CPVC值計算,假定活性物質吸油量為16%,導電劑吸油值為290 ml/100g,轉化為吸油量(吸油的質量比)為(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% 

      漿料在CPVC值時所需用的乳液量X計算,根據 PVC=(活性物質的體積+導電劑的體積)/(活性物質和導電劑粉料的體積+聚合物粘結劑的體積),有

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

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

      假定聚合物粘結劑密度為1.77g/cm3,則粘結劑重量為22215/1.77=12551g=12.551kg

      此時,電極涂層由活性物質相,導電劑相和聚合物粘結劑相組成,沒有任何孔隙。

      假定涂層孔隙率為30%,所需聚合物粘結劑量Y計算。此時,將孔隙也看成一個組分相,此時

      PVC=48.27%+30% = 78.27%

      根據,PVC=(活性物質的體積+導電劑的體積)/(活性物質和導電劑粉料的體積+聚合物粘結劑的體積),有

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

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

      聚合物粘結劑重量為

      5755/1.77 = 3251g=3.25kg。

      最終,漿料配方為

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

      漿料配方計算依據是各材料的密度和吸油量,這兩個參數可以測量,但是也受很多因素影響,比如實際吸油量的大小與粉體的粒度分布、顆粒形狀、分散與凝聚程度、比表面積及表面性質等有關,因此該方法只能估算。

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