《储能材料与器件智能制造技术》课件-4.1.1 电池浆料的生产

《储能材料与器件智能制造技术》电池浆料的生产在锂离子电池从原材料到成品的复杂制造旅程中，电池浆料的生产如同为电池注入“生命之源”的关键工序。作为连接正负极材料与电芯组装的核心环节，电池浆料的性能优劣直接决定了电池的能量密度、充放电效率以及循环寿命。从正极浆料中活性物质、导电剂、粘结剂的精准配比，到负极浆料确保锂离子稳定嵌入脱出的结构塑造，每一次搅拌、分散与调控，都在为电池的性能表现奠定基础。这项融合材料科学、化学工程与机械自动化的生产工艺，正以精益求精的姿态，成为推动锂离子电池技术迭代升级、满足新能源市场严苛需求的核心力量。电池浆料是锂离子电池制造过程中最为关键的原材料之一，其质量直接影响到极片的均匀性、附着力以及后续电池性能。电池浆料一般由正负极活性材料、导电剂、粘结剂以及溶剂等按照一定比例混合而成。正负极活性物质作为电极的核心材料，负责锂离子的嵌入/脱出反应，决定电池的容量和电压平台；粘结剂的作用是通过高分子链的黏附作用（如PVDF、CMC/SBR），固定活性物质和导电剂颗粒，维持电极结构完整性，并确保涂层与集流体（铝箔/铜箔）的粘附力；导电剂的作用是构建电子导电网络，连接活性物质颗粒与集流体，降低电极欧姆阻抗。常用的导电剂包含炭黑、碳纳米管、石墨烯等。溶剂主要是提供分散介质，溶解粘结剂并润湿颗粒表面。溶剂包含油性体系和水性体系，油性体系常用NMP，水性体系用去离子水），正极活性材料通常用油性体系分散，而负极活性材料水性和油性溶剂皆可使用，考虑到成本去离子水仍是目前商业锂离子电池负极制浆的主流溶剂。电池浆料制备常用的设备是双行星搅拌机，它是一种专用于高粘度、高密度物料（如电池浆料、密封胶、化妆品膏体等）的工业混合设备，通过行星式复合运动实现高效搅拌、分散与反应。电池浆料的生产过程主要包括几个步骤：首先根据电芯设计要求确定各组分的配比。如正极材料采用磷酸铁锂（LFP）作为活性材料，导电剂采用炭黑（SP），粘结剂采用PVDF，各组分质量配比为LFP:SP:PVDF=96.5%:1.5%:2%；负极采用人造石墨(Gr)作为活性材料，导电剂采用炭黑(SP)，粘结剂采用SBR，增稠剂采用CMC，各组分质量配比为Gr:SP:CMC:SBR=96.4%:1.0%:0.6%:2.0%。合理的组分比例不仅可以提高电极的导电性和机械强度，同时也能优化电池的循环稳定性和倍率性能。浆料制备的各组分中，活性物质提供离子脱嵌位点，导电剂构建电子通路，粘结剂维持结构稳定。理想状态下，导电剂应均匀包覆活性物质表面以减少接触电阻，而粘结剂需在颗粒间形成有效连接而不堵塞孔隙。配比失衡（如高活性物质+低导电剂）会破坏此协同性，导致局部过充、锂枝晶生长及循环衰减。因此，优化配比需综合考量组分性质与工艺适配性，以实现高能量密度、低内阻和长循环寿命的平衡。其次将各原料在规定的溶剂中进行预混合。预混合阶段的主要目的是使固体成分在少量溶剂中初步分散，降低后续混合时产生团聚的可能。通常采用搅拌或低速分散设备进行初步搅拌，以保证混合均匀。接下来，加入预定量的溶剂，通过高速搅拌和超声波处理对预混合物进行深度分散。高速搅拌有助于打散物料中的微小团聚体，而超声波则能利用声波震动进一步破坏颗粒之间的粘结，使浆料达到细腻均匀的状态。此阶段的关键在于控制搅拌时间和超声处理强度，既要充分分散又不能过度剪切而破坏活性物质的结构。最后将处理后的浆料通过滤网进行除渣和脱泡。滤网可以有效去除混合过程中可能引入的异物，而脱泡工序则是利用真空或静置方法，使浆料中产生的气泡排出，确保浆料均匀性和致密性。气泡的存在可能在后续涂布工艺中引起局部厚薄不均，影响极片质量分布。在整个浆料制备过程当中，如何评价浆料的质量水平非常关键。工业上，评价浆料的性能参数主要有浆料粘度，浆料固含量和浆料细度流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表现，粘度大则内摩擦力大。工业上对于小批量生产正、负极浆料粘度需在3000~6000cp之间；1）浆料粘度：粉状物质被研细分散在浆料中的程度，表征浆料的颗粒度大小。工业生产上磷酸铁锂浆料细度通常≤30um，石墨浆料≤40um；2）浆料细度：工业上，评价浆料的性能参数主要有浆料粘度，浆料固含量和浆料细度浆料在规定条件下烘干后剩余部分占总量的质量百分数，表征浆料内固体物质所占的重量比例。例如工业上磷酸铁锂正极浆料固含量为68%，三元正极浆料为74%，人造石墨负极浆料固含量为55%。在工业生产上，为了保证生产一致性，生产过程中需要严格控制生产工艺条件来确保以上三个关键参数在一定的公差范围内波动。浆料粘度、浆料细度和浆料固含量在大规模生产当中也被称为合浆工序过程的关键控制点（keycontrolpoint）。整个电池浆料的生产过程要求环境洁净、工艺参数精确控制，并且对设备的搅拌、分散、脱泡及涂布技术有较高要求。只有通过严格控制各环节，才能制得高质量的浆料，从而确保整个电池生产过程的稳定性和最终产品的性能一致性。3）固含量：电池浆料的生产，既是一门精准配比的科学，也是一项追求极致的艺术，每一个细微的参数调整、每一次精心的工艺优化，都在为锂离子电池性能的飞跃积蓄力量。从保障电极结构稳定，到构建高效电子传输网络，它以不可或缺的姿态，成为推动新能源汽车续航提升、储能电站稳定运行的关键基石。尽管面临新型材料适配、环保压力与成本控制等挑战，但随着材料创新、工艺优化与智能化技术的深度