知識科普:聚合物鋰離子電池漿料配方估算方法
聚合物鋰離子電池漿料在生產(chǎn)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(jié)構(gòu)組成的,各個組分(活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、孔隙率)之間的體積關(guān)系,對鋰電池的性能有重要的作用。在電化學(xué)模型計算中,常常根據(jù)活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑等體積分?jǐn)?shù)來計算電化學(xué)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?jǐn)?shù)關(guān)系大。因此,漿料配方設(shè)計根據(jù)體積更加合理。
涂料行業(yè)有一個重要的參數(shù),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(jié)劑的體積)
聚合物鋰離子電池漿料中,粉料包括活性物質(zhì)和導(dǎo)電添加劑,因此,電池漿料中
PVC=(活性物質(zhì)的體積+導(dǎo)電劑的體積)/(活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑粉料的體積+聚合物粘結(jié)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(yè)中在測試粉體的吸油量時,當(dāng)顏料剛剛被亞麻油粘結(jié)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(yīng)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?jǐn)?shù),%。
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(diào)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(zhì)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(zhì)量比表示吸油量:
吸油值=V/m1*100
吸油量=m2/m1*100%
例如:在某個配方中NCA材料96kg,sp導(dǎo)電劑2kg。假設(shè)NCA密度為4.86g/cm3,sp密度為2.05g/cm3,
則:
活性物質(zhì)體積為:96000/4.86 = 19753 cm3
導(dǎo)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(zhì)粉體在所有粉料所占的體積分?jǐn)?shù):19753/20729 = 95.29%
導(dǎo)電劑粉體在所有粉料所占的體積分?jǐn)?shù):976/20729 = 4.71%
混合粉料的CPVC值計算,假定活性物質(zhì)吸油量為16%,導(dǎo)電劑吸油值為290 ml/100g,轉(zhuǎn)化為吸油量(吸油的質(zhì)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(jù) PVC=(活性物質(zhì)的體積+導(dǎo)電劑的體積)/(活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑粉料的體積+聚合物粘結(jié)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(jié)劑密度為1.77g/cm3,則粘結(jié)劑重量為22215/1.77=12551g=12.551kg
此時,電極涂層由活性物質(zhì)相,導(dǎo)電劑相和聚合物粘結(jié)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(jié)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(jù),PVC=(活性物質(zhì)的體積+導(dǎo)電劑的體積)/(活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑粉料的體積+聚合物粘結(jié)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(jié)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(jù)是各材料的密度和吸油量,這兩個參數(shù)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(zhì)等有關(guān),因此該方法只能估算。
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