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1、锂电池正负极浆料过滤工艺目录1 .引言12 .浆料的主要成分23 .浆料的过滤24 .对浆料过滤器的要求35 .防止浆料浪费46 .锂离子电池制浆工艺的主要步骤46.1.制浆准备56.2.活性物质的预混合56.3.高速搅拌分散56.4.真空脱气泡66.5.匀浆过程66.6.过滤67 .解决方案68 .结论7锂离子电池电芯由阳极、阴极、电解液、隔膜和其他部件组成。锂离子电池的工作原理可以简单描述为：锂离子在阳极和阴极之间移动，从而在充电和放电过程中携带并储存电子。在整个制造过程中，涂覆步骤中的电极浆料过滤非常关键。经过过滤处理后，需要将阴极/阳极电极浆料涂覆在金属电极(集流体)上。阴极浆料涂覆在
2、铝箔上，而阳极浆料涂覆在铜箔上。金属极片上的涂层平滑，否则将造成电池的电气短路，影响电池的功率性能。电极上的涂层缺陷会降低电池产量，并提高电池的缺陷率。为保证涂层上的大颗粒不会造成短路或降低电池寿命，必须使用筛网过滤器，只允许小于规定粒径的活性物质通过，而大颗粒则无法通过筛网过滤器。未过滤或过滤不充分会导致电极表面缺陷。通常情况下，在涂覆头之后安装电荷耦合装置(CCD)来检测电极的质量。过滤和涂覆不充分带来的缺陷包括：漏箔、凝胶团聚、亮划线、起泡、涂布凹坑等。本应用简要介绍了在电极浆料涂覆过程中可以采用的适当过滤方法，以减少大颗粒和可变形污染物。过滤方法得当可以确保对涂布喷头提供持续物料供应，
3、既可以提高产量，增加收入，也有助于提高设备的整体效率。2 .浆料的主要成分阴极浆液含有作为活性成分的三元材料Li(NiCoMn)O2或LiFeP04作为粘合剂的聚偏氟乙烯(PVDF)、作为溶剂的N甲基毗咯烷酮(NMP)、以及作为添加剂的一些其他化学品。阳极浆液由以下成分组成：作为活性成分的石墨、作为粘合剂的苯乙烯一丁二烯橡胶(SBR)、作为溶剂的去离子水(Dl水)、以及作为添加剂的一些其他化学物质，如竣甲基纤维素(CMC)用作增稠剂。3 .浆料的过滤采用单一微米精度过滤器、梯度孔径结构过滤器或多个孔径从上游到下游递减的过滤器来优化过滤。过滤系统的优化取决于活性电池颗粒的粒度和分布。向涂布喷头提
4、供高质量浆料需要监测系统及每个过滤器的压降，这确保了向模头提供足够的浆料；及时更换过滤器，以防止由于过滤器上的高压降而导致流量衰减。浆料涂覆工艺的设计各不相同，大多数系统使用两级或三级过滤。大多数客户设计使用金属网作为第一级过滤。金属网过滤器可以清洗和重复使用，以降低运行成本。第二和第三级过滤采用无纺布深层过滤器。囊式过滤器是第二和第三阶段操作的不错选择，可缩短清洁时间并快速更换，从而降低了连续涂覆过程中中断的次数。SMtljCdMPe图1典型阴/阳极浆料过滤工艺4 .对浆料过滤器的要求缺陷率百阴极和阳极浆料的粘度非常高，约为IOKCP（通常，阴极浆液比阳极浆液粘度更高）。因此，在该应用中，偏
5、向于使用刚性滤芯，以避免与粘胶流体流动相关的高压降导致滤芯变形和坍塌。非刚性结构压温的源芯刚性结构IH2：联性结构源材和非*性效材比较图2刚性结构滤材和非刚性结构滤材比较阴/阳极浆料中还含有凝胶状污染物。凝胶是由浆液中的粘合剂过早固化或干燥而产生的。去除凝胶状杂质的较好方法是使用刚性深层过滤器。当凝胶状污染物未去除或通过表面过滤器挤出，它们将沉积在阴极或阳极电极上，导致电池性能下降。深层过滤介质表面过滤介质图3深层滤材与表面滤材的比较在浆料过滤过程中，需要具有陡峭（分级）截留曲线的过滤器，以阻止超大颗粒，并让小粒径的有效成分通过。分级过滤有助于去除大颗粒浆料，同时保持固体含量。分级过滤器通常采
6、用孔隙密度均匀的滤材制成。渐变孔隙密度滤材均匀孔隙密度滤材图4分级滤材与澄清滤材比较此外，使用具有分级刚性结构滤材的深层过滤器进行浆料过滤，可以提供大量过滤层并防止由于施加压力而导致的孔径变化。5 .防止浆料浪费电极浆料成本较高，尤其是由于活性原料的高成本而导致的阴极浆液。因此，应尽可能避免浆料浪费。囊式过滤器设计应具备低溢出，甚至无溢出、浆料材料易回收、减少清洁和使用溶剂以及减少固废等优点。相比之下，如果在涂覆过程中使用芯式过滤器，则需使用溶剂或去离子水清洗使用过的过滤器滤筒，这将导致锂离子电池制造过程中的额外运营成本。6 .锂离子电池制浆工艺的主要步骤典型水性体系和油性体系的制浆工艺流程见
7、图。具体的加料顺序、加料批次以及工艺参数，因不同的浆料要求、设备、厂家而不同。另外，锂离子电池浆料本身是不稳定的，应在一定时间内使用，否则需要重新分散才可再次使用。图5水性体系的搅拌分散制浆工艺流程图6油性体系的搅拌分散制浆工艺流程6.1.制浆准备烘干。将正负极材料、导电剂和PVDF等原料烘干，可减少水分对制浆的影响。活性物质的烘干还有助于减少表面吸附物质，增大颗粒的表面能，以便增大对分散剂的吸附。固态分散剂和黏结剂溶液制备。对于固体分散剂和黏结剂，需要配制成溶液使用。如CMC溶于水，PVDF溶于NMP制成高浓度的溶液。为加快溶解，某些厂家采用球磨设备制备。导电剂浆料制备。导电剂通常不适合于直
8、接加入，在使用前需要制备成浆料。例如某些厂家采用球磨制备炭黑+CMC的导电剂浆料。6.2.活性物质的预混合将活性物质与润湿剂、分散剂和溶剂进行预先混合。例如对于水性体系，通常将CMC溶液、水与石墨粉混合，保证石墨粉充分吸附分散剂，并被溶剂润湿。对于油性体系通常先将正负极粉体与NMP混合润湿备用。这一过程通常用捏合或搅拌混合设备完成，以保证充分润湿。6.3.高速搅拌分散将预混合后的活性物质加入搅拌罐中，进行搅拌分散。高速搅拌分散是由分散机中的圆盘齿片搅拌桨来完成，它直径小、转速高(2000rmin),可提供高剪切力将聚团打散，使粉体分散在溶剂中。同时开动螺带式低速搅拌桨，用于将浆料混匀和防止粘壁
9、。在高速分散过程中，分批次加入溶剂、导电剂浆、黏结剂和分散剂溶液，以达到配方要求。6.4.真空脱气泡真空脱气泡是在真空状态下进行慢速搅拌，使气泡脱出。但是真空脱气时间不宜过长，以防过多损失溶剂。一般真空度为0.06atm(6.1kPa)时，时间不超过0.5h6.5.匀浆过程匀浆是指在不打开高速分散搅拌桨或搅拌桨速度不高的情况下，主要依靠螺带式搅拌桨对流体的低剪切、高循环达到使浆料稳定分散的过程。这个过程是一个长时间的搅拌过程，可达5IOh。这是因为高分子分散剂在粉体颗粒表面的吸附和紧密排列需要一定时间。这种低速长时间的搅拌，既可以防止颗粒的团聚，又可以使分散剂和黏结剂等进一步均匀紧密吸附于固体
10、颗粒表面，达到使颗粒均匀稳定分散的目的。6.6.过滤过滤的目的是除去浆料中未分散的大颗粒聚团。通常使用100300目的筛网完成。也可以用特制的过滤器来完成。在制浆过程中并非只有最后一次过滤，根据需要可以安排多次过滤，确保浆料具有良好的分散效果。当然，最重要的还是最后一次过滤，这是分离出大颗粒的最后一道屏障。7 .解决方案通过对浆料进行适当的过滤，将大颗粒和易变形的污染物去除，可大大减少电池缺陷。因此，能够生产出一致的高质量浆料，实现阴/阳极电池和涂覆工艺的稳定性。3MTMBetapurMAU系列滤芯具有刚性自支撑结构，适用于高粘度浆料过滤。3MBetapure系列滤芯在其使用寿命期间具有出色的
11、过滤能力。自始至终，过滤器性能保持稳定。3MBetapureAU系列过滤器的刚性结构不易变形，能够抵御颗粒卸载或过滤器旁通，同时提供高效的颗粒去除能力。相较于表面过滤器，在相同的压降下，3MBetapureAU深层滤材可以滤去更多可变形的凝胶状污染物。此外，3MBetapureAU滤芯孔隙均匀，可拦截超大颗粒，允许小粒径有效成分通过，具有良好的分级性能。此外，3M,CTGKlean密封型过滤系统GPJ系列是一种软囊式过滤器设计，用薄膜封装滤芯，在过滤器和金属外壳之间提供物理屏障。所有的压力负载都转移至金属外壳上，从而不需要沉重的塑料体。较大限度减少了物料使用，同时优化了物料浪费。这种柔软而薄的
12、塑料膜很容易切开，以回收过滤结束后留在囊式过滤器的任何残留浆料。这些设计优势有助于降低客户的过滤总成本，根据计算，一支203MCTG-Klean密封型过滤系统GPJ系列囊式过滤器可回收约0.5L的浆料。按100美元/升计算阴极浆液成本，每次更换过滤器能节省50美元。3MCTG-Klean密封型过滤系统GPJ系列囊式过滤器可兼容3MBetapureAU3MBetapureNT-T和3MTMMicro-KleanRT滤芯。这些过滤器各自具有独特的特点和优势，可用于优化阴极或阳极过滤系统。在大多数情况下，两级或三级过滤器组合可以提供优化的过滤流程，从而延长过滤器寿命、减少过滤器更换并降低总运行成本。
13、8 .结论1)浆料涂覆工艺在浆料混合后包含多个过滤点。3M公司提供过滤解决方案，以确保浆料在输送到涂布喷头时，高质量满足浆料规格。利用上述“解决方案”部分中提到的高性能滤芯和囊式过滤器，将减少电极表面出现划痕缺陷的可能性，能有效降低客户的总运营成本。2)3MBetaPUreAU滤芯具有刚性、深层滤材和均匀的孔隙结构，可以去除超大颗粒和凝胶状可变形污染物，并将小粒径活性颗粒保留在浆料中，是阴/阳极浆料过滤的合适选择。3)3MCTG-Klean密封型过滤系统GPJ系列囊式过滤器，内置合适的滤芯，不仅具有滤芯的所有优点，而且基于其“软胶囊式”设计，可以节省浆料。3MCTG-KIean密封型过滤系统GPJ系列囊式过滤器具有更加环保、无需清洗滤壳、操作人员不接触浆料等优点。
