⼯艺五分钟看懂锂离⼦电池的的原理、配⽅和⼯艺流程
⼲货⼁如何设计提⾼电池电芯的容量密度？
锂离⼦电池是⼀种⼆次电池（充电电池），它主要依靠Li + 在两个电极之间往返嵌⼊和脱嵌来⼯作。随着新能源汽车等下游产业不断发展，锂离⼦电池的⽣产规模正在不断扩⼤。本⽂以钴酸锂为例，全⾯讲解锂离⼦电池的的原理、配⽅和⼯艺流程，锂电池的性能与测试、⽣产注意事项和设计原则。
⼀，锂离⼦电池的原理、配⽅和⼯艺流程；
⼀、⼯作原理
1、正极构造
LiCoO 2 + 导电剂 + 粘合剂 (PVDF) + 集流体（铝箔）
2、负极构造
⽯墨 + 导电剂 + 增稠剂 (CMC) + 粘结剂 (SBR) + 集流体（铜箔）
3、⼯作原理
3.1 充电过程
⼀个电源给电池充电，此时正极上的电⼦e从通过外部电路跑到负极上，正锂离⼦Li + 从正极“跳进”电解液⾥，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的⼩洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电⼦结合在⼀起。
正极上发⽣的反应为：
负极上发⽣的反应为：
3.2 电池放电过程
放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加⼀个可以随电压变化⽽变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加⼀个电阻让电⼦通过。由此可知，只要负极上的电⼦不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电⼦和Li+都是同时⾏动的，⽅向相同但路不同，放电时，电⼦从负极经过电⼦导体跑到正极，锂离⼦Li+从负极“跳进”电解液⾥，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的⼩洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电⼦结合在⼀起。
3.3 充放电特性
电芯正极采⽤ LiCoO2 、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是⼀种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿⾛x个Li离⼦后，其结构可能发⽣变化，但是否发⽣变化取决于x的⼤⼩。
七年级期末考试试卷通过研究发现当 x >0.5时，Li1-xCoO2的结构表现为极其不稳定，会发⽣晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使⽤过程中应通过限制充电电压来控制Li1-xCoO2中的x值，⼀般充电电压不⼤于4.2V那么x⼩于0.5 ，这时Li1-xCoO2的晶型仍是稳定的。
负极C 6 其本⾝有⾃⼰的特点，当第⼀次化成后，正极LiCoO 2 中的Li被充到负极C 6 中，当放电时Li回到正极LiCoO 2中，但化成之后必须有⼀部分Li留在负极C 6 中⼼，以保证下次充放电Li的正常嵌⼊，否则电芯的压倒很短，为了保证有⼀部分Li留在负极C 6 中，⼀般通过限制放电下限电压来实现：安全充电上限电压≤4.2V，放电下限电压≥2.5V。
记忆效应的原理是结晶化，在锂电池中⼏乎不会产⽣这种反应。但是，锂离⼦电池在多次充放后容量仍然会下降，其原因是复杂⽽多样的。主要是正负极材料本⾝的变化，从分⼦层⾯来看，正负极上容纳锂离⼦的空⽳结构会逐渐塌陷、堵塞；从化学⾓度来看，是正负极材料活性钝化，出现副反应⽣成稳定的其他化合物。物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况，总之最终降低了电池中可以⾃由在充放电过程中移动的锂离⼦数⽬。
过度充电和过度放电，将对锂离⼦电池的正负极造成永久的损坏，从分⼦层⾯看，可以直观的理解，过度放电将导致负极碳过度释出锂离⼦⽽使得其⽚层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离⼦硬塞进负极碳结构⾥去，⽽使得其中⼀些锂离⼦再也⽆法释放出来。
不适合的温度将引发锂离⼦电池内部其他化学反应⽣成我们不希望看到的化合物，所以在不少的锂离⼦电池正负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质添加剂。在电池升温到⼀定的情况下，复合膜膜孔闭合或电解质变性，电池内阻增⼤直到断路，电池不再升温，确保电池充电温度正常。
⼆、锂电池的配⽅与⼯艺流程商务谈判案例
1. 正负极配⽅
1.1 正极配⽅：LiCoO 2 + 导电剂+粘合剂+集流体（铝箔）
LiCoO2(10µm): 96.0%
导电剂（Carbon ECP） 2.0%
粘合剂（PVDF 761） 2.0%
NMP（增加粘结性）：固体物质的重量⽐为8:15
a)正极粘度控制6000cps（温度25℃）；
b) NMP重量须适当调节，达到粘度要求为宜；
c)特别注意温度、湿度对黏度的影响
正极活性物质：
钴酸锂：正极活性物质，锂离⼦源，为电池提⾼锂源。⾮极性物质，不规则形状，粒径D50⼀般为6-8 µm，含⽔量
≤0.2%，通常为碱性，pH值为10-11左右。
锰酸锂：⾮极性物质，不规则形状，粒径D50⼀般为5-7 µm，含⽔量≤0.2%，通常为弱碱性，pH值为8左右。
导电剂：链状物，含⽔量< 1%，粒径⼀般为 1-5 µm。通常使⽤导电性优异的超导碳⿊，如科琴炭⿊Carbon ECP和ECP600JD，其作⽤：提⾼正极材料的导电性，补偿正极活性物质的电⼦导电性；提⾼正极⽚的电解液的吸液量，增加反应界⾯，减少极化。
PVDF粘合剂：⾮极性物质，链状物，分⼦量从300,000到3,000,000不等；吸⽔后分⼦量下降，粘性变差。⽤于将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝⽹粘合在⼀起。常⽤的品牌如Kynar761。
NMP：弱极性液体，⽤来溶解/溶胀PVDF，同时⽤来稀释浆料。
集流体（正极引线）：由铝箔或铝带制成。
1.2 负极配⽅：⽯墨+导电剂+增稠剂（CMC）+粘结剂（SBR）+ 集流体（铜箔）
负极材料（⽯墨）：94.5%
导电剂（Carbon ECP）：1.0%(科琴超导碳⿊)
粘结剂（SBR）：2.25%(SBR = 丁苯橡胶胶乳）
增稠剂（CMC）：2.25%(CMC = 羧甲基纤维素钠）
⽔：固体物质的重量⽐为1600:1417.5
b) ⽔重量需要适当调节，达到黏度要求为宜；
c) 特别注意温度湿度对黏度的影响
2、正负混料
⽯墨：负极活性物质，构成负极反应的主要物质；主要分为天然⽯墨和⼈造⽯墨两⼤类。⾮极性物质，易被⾮极性物质污染，易在⾮极性物质中分散；不易吸⽔，也不易在⽔中分散。被污染的⽯墨，在⽔中分散后，容易重新团聚。⼀般粒径 D50为20µm左右。颗粒形状多样且多不规则，主要有球形、⽚状、纤维状等。
导电剂：其作⽤为：
a) 提⾼负极⽚的导电性，补偿负极活性物质的电⼦导电性。老罗语录下载
qq积分b) 提⾼反应深度及利⽤率。
c) 防⽌枝晶的产⽣。
d) 利⽤导电材料的吸液能⼒，提⾼反应界⾯，减少极化。（可根据⽯墨粒度分布选择加或不加）。
d) 利⽤导电材料的吸液能⼒，提⾼反应界⾯，减少极化。（可根据⽯墨粒度分布选择加或不加）。
添加剂：降低不可逆反应，提⾼粘附⼒，提⾼浆料黏度，防⽌浆料沉淀。
增稠剂/防沉淀剂（CMC）：⾼分⼦化合物，易溶于⽔和极性溶剂。
异丙醇：弱极性物质，加⼊后可减⼩粘合剂溶液的极性，提⾼⽯墨和粘合剂溶液的相容性；具有强烈的消泡作⽤；易催化粘合剂⽹状交链，提⾼粘结强度。
⼄醇：弱极性物质，加⼊后可减⼩粘合剂溶液的极性，提⾼⽯墨和粘合剂溶液的相容性；具有强烈的消泡作⽤；易催化粘合剂线性交链，提⾼粘结强度（异丙醇和⼄醇的作⽤从本质上讲是⼀样的，⼤批量⽣产时可考虑成本因素然后选择添加哪种）。
⽔性粘合剂（SBR）：将⽯墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜⽹粘合在⼀起。⼩分⼦线性链状乳液，极易溶于⽔和极性溶剂。
去离⼦⽔（或蒸馏⽔）：稀释剂，酌量添加，改变浆料的流动性。
负极引线：由铜箔或镍带制成。
2.1正极混料：
2.1.1原料的预处理
1) 钴酸锂：脱⽔。⼀般⽤120 °C常压烘烤2⼩时左右。
2) 导电剂：脱⽔。⼀般⽤200 °C常压烘烤2⼩时左右。
3) 粘合剂：脱⽔。⼀般⽤120-140 °C常压烘烤2⼩时左右，烘烤温度视分⼦量的⼤⼩决定。
4) NMP：脱⽔。使⽤⼲燥分⼦筛脱⽔或采⽤特殊取料设施，直接使⽤。
2.1.2物料球磨：
1) 4⼩时结束，过筛分离出球磨；
2) 将LiCoO 2 和Carbon ECP倒⼊料桶，同时加⼊磨球（⼲料：磨球=1:1），在滚瓶及上进⾏球磨，转速控制在60rmp 以上
2.1.3 原料的掺和：
1) 粘合剂的溶解（按标准浓度）及热处理。
2) 钴酸锂和导电剂球磨：使粉料初步混合，钴酸锂和导电剂粘合在⼀起，提⾼团聚作⽤和的导电性。配成浆料后不会单独分布于粘合剂中，球磨时间⼀般为2h左右；为避免混⼊杂质，通常使⽤玛瑙球作为球磨介⼦。
money is not everything2.1.4 ⼲粉的分散、浸湿：
原理：固体粉末放置在空⽓中，随着时间的推移，将会吸附部分空⽓在固体的表⾯上，液体粘合剂加⼊后，液体与⽓体开始争夺固体表⾯；如果固体与⽓体吸附⼒⽐与液体的吸附⼒强，液体不能浸湿固体；如果固体与液体吸附⼒⽐与⽓体的吸附⼒强，液体可以浸湿固体，将⽓体挤出。
当润湿⾓≤90°，固体浸湿。当润湿⾓>90°，固体不浸湿。
正极材料中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿，所以正极粉料分散相对容易。
正极材料中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿，所以正极粉料分散相对容易。
分散⽅法对分散的影响：
1)静置法（时间长，效果差，但不损伤材料的原有结构）；
2)搅拌法：⾃转或⾃转加公转（时间短，效果佳，但有可能损伤个别材料的⾃⾝结构）。
搅拌桨对分散速度的影响：搅拌桨⼤致包括蛇形、蝶形、球形、桨形、齿轮形等。⼀般蛇形、蝶形、桨型搅拌桨⽤来对付分散难度⼤的材料或配料的初始阶段；球形、齿轮形⽤于分散难度较低的状态，效果佳。
搅拌速度对分散速度的影响。⼀般说来搅拌速度越⾼，分散速度越快，但对材料⾃⾝结构和对设备的损伤就越⼤。
浓度对分散速度的影响。通常情况下浆料浓度越⼩，分散速度越快，但太稀将导致材料的浪费和浆料沉淀的加重。
浓度对粘结强度的影响。浓度越⼤，柔制强度越⼤，粘接强度越⼤；浓度越低，粘接强度越⼩。
真空度对分散速度的影响。⾼真空度有利于材料缝隙和表⾯的⽓体排出，降低液体吸附难度；材料在完全失重或重⼒减⼩的情况下分散均匀的难度将⼤⼤降低。
温度对分散速度的影响。适宜的温度下，浆料流动性好、易分散。太热浆料容易结⽪，太冷浆料的流动性将⼤打折扣。
稀释：将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。
2.1.5操作步骤
a) 将NMP倒⼊动⼒混合机（100L）⾄80°C，称取PVDF加⼊其中，开机；参数设置：转速25±2r/min，搅拌115-125min；
b) 接通冷却系统，将已经磨号的正极⼲料平均分四次加⼊，每次间隔28-32min，第三次加料视材料需要添加NMP，第四次加料后加⼊NMP；动⼒混合机参数设置：转速为20±2r/min
c) 第四次加料30±2min后进⾏⾼速搅拌，时间为480±10min；动⼒混合机参数设置：公转为30±2r/min，⾃转为
25±2r/min；
d) 真空混合：将动⼒混合机接上真空，保持真空度为-0.09Mpa，搅拌30±2min；动⼒混合机参数设置：公转为
10±2min，⾃转为8±2r/min
e) 取250-300ml浆料，使⽤黏度计测量黏度；测试条件：转⼦号5，转速12或30rpm，温度范围25°C；
f) 将正极料从动⼒混合机中取出进⾏胶体磨、过筛，同时在不锈钢盆上贴上标识，与拉浆设备操作员交接后可流⼊拉浆作业⼯序。
2.1.6注意事项
a) 完成，清理机器设备及⼯作环境；
12315b) 操作机器时，需注意安全，避免砸伤头部。
2.2 负极混料
2.2.1原料的预处理：
1) ⽯墨：
A、混合，使原料均匀化，提⾼⼀致性。
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