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烘干制度对电极结构的影响分析

锂离子电池生产的匀浆和涂布过程对锂离子电池性能有着重要的影响,因此人们对匀浆和涂布过程的关注也比较多。锂离子电池浆料主要由活性物质和导电剂颗粒、溶剂、粘结剂等组分构成,在烘干的过程中溶剂会挥发出去,而粘结剂则会在活性物质、导电剂的表面析出,因此烘干过程会对电极的孔隙结构和粘结剂分布产生影响。

我们之前就曾经介绍过得德国卡尔鲁斯工业大学的研究成果,发现烘干速度会对电极中PVDF粘结剂分布产生显著的影响,快速烘干时,电极表面会富集更多的PVDF粘结剂【1】。

其实涂布是一种应用十分广泛的技术,例如在胶卷的印刷、隔膜涂层等领域都会涉及到各种各样的浆料涂布工艺,涂布是一门非常大的学科,而锂离子电池只是涉及到了其中非常小的一个领域。今天就为大家介绍一下,涂布后的烘干过程对于涂层的影响(这并不是锂离子电池浆料涂布的介绍,但是我们可以借鉴其中的经验)。

单一组分溶液烘干

虽然单一组分溶液相比于复杂体系的浆料要简单的多,但是其烘干的过程仍然十分的复杂,首先涉及到溶剂分子在液相内部的迁移,以及气相的扩散等过程。在溶剂从液相蒸发为气相的过程中会导致溶剂分子向着液面处聚集,溶剂分子在溶液中的分布受到两种相互竞争的作用力的影响,它们分别是扩散作用和蒸发作用,两种作用力相互竞争,其中扩散作用的扩散时间函数Td=l/D,其中l为特征长度,D为扩散系数,蒸发的时间函数为Tev=l/Vev,Vev为蒸发速度,因此可以根据扩散时间函数和蒸发时间函数定义一个成膜Peclet参数,如下式所示。

如果成膜参数Pe1,那么扩散速度较快,那么由于蒸发形成的浓度梯度会很快在扩散的作用下消失,从而保证形成均匀的膜结构。但是如果Pe1,那么蒸发速度要快于扩散速度,因此会导致在干燥的过程中浓度梯度随时间而增加,导致膜结构均匀性下降。

从上面的介绍不难看出,较低的烘干速率有利于形成更均匀的膜,但是在实际生产中我们更偏向于快速烘干,以便提高生产效率。在高速烘干的过程中会造成浆料表面的浓度快速升高,从而造成表面粘度升高,形成类似凝胶的物质,我们一般称之为“表皮”,这是在涂布中需要尽力避免的,“表皮”不仅会造成最终膜表面变粗糙、影响烘干,还会造成膜表面出现凹坑、微孔等缺陷。

在快速烘干过程中膜表面出现“表皮”会造成溶液的不稳定,一种不稳定的现象就是“表皮”的出现所对其下面的溶液造成了封锁,影响了溶液薄膜的烘干。另外一个不稳定就是“表皮”出现微孔缺陷(研究显示“表皮”在干燥过程中产生的形变能量会以形成微孔的形式释放)。因此,在实际生产中不能一味的追求烘干速度,要根据溶液的特性,适当的选择合适的烘干速度。

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