電池行業應用專題 | 鋰電池材料中的LPC對電池涂布工藝的影響

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摘要：隨著新能源汽車和儲能市場對高性能鋰電池需求的不斷增長，鋰電池涂布工藝的優化成為提升電池性能和質量的關鍵環節。本文深入探討了大顆粒計數（Large Particle Counts，LPC）對鋰電池涂布工藝的影響，并提出了從原材料控制到涂布工藝優化、在線監測與反饋以及后處理工藝的全流程優化策略。研究結果表明，LPC控制不僅能夠顯著提升鋰電池的性能和一致性，還能有效降低生產成本，為鋰電池制造工藝的進一步優化提供了理論和實踐依據。未來，隨著檢測技術和自動化控制技術的不斷發展，LPC控制將在鋰電池生產中發揮更為重要的作用。

關鍵詞：電池材料；LPC；涂布；鋰電池

鋰電池是一種以鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的二次電池。其主要由正極、負極、隔膜和電解液四部分組成。正極材料通常采用鋰化合物，如磷酸鐵鋰（LFP）、三元材料（NCM LCO鈷酸鋰 LNO鎳酸鋰 LMO錳酸鋰）等；負極材料則以石墨、硅基材料或新型合金為主；隔膜用于隔離正負極，防止短路，同時允許鋰離子通過；電解液則為鋰離子的傳輸提供介質。

鋰電池可以根據其正極材料、封裝形式和用途進行分類。按正極材料分為磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等；按封裝形式分為圓柱形、方形和軟包電池；按用途分為消費類鋰電池、動力鋰電池和儲能鋰電池。不同的分類方式反映了鋰電池在不同應用場景中的多樣化需求。

鋰電池的制造主要包括電極制備、極片加工、電芯組裝和電池化成等關鍵步驟，其中涂布工藝是影響電池性能的核心環節。鋰電池的制備工藝主要包括以下幾個步驟：

1）正極制備

2）負極制備

3）涂布工藝

4）干燥與輥壓

5）電芯組裝

6）化成與測試

軟包電池主要的工藝流程如下圖所示

圖1. 軟包電池主要的工藝流程圖^[1]

在上述流程中，涂布工藝是確保極片質量和電池性能的關鍵環節，主要涉及將正負極材料均勻地涂布在集流體（如銅箔或鋁箔）上，形成電極片。這一工藝對鋰電池的性能（如能量密度、循環壽命、安全性等）有著至關重要的影響。[2]以下是鋰電池涂布工藝的詳細解析。

• 材料準備：

確保正負極材料、溶劑、粘結劑、導電劑等成分按配方準確稱量并混合均勻，形成漿料。漿料的均勻性和穩定性對涂布質量至關重要。

•  集流體處理：

銅箔或鋁箔作為集流體，需經過清洗、除油、干燥等預處理，以去除表面雜質，提高與漿料的粘附力。

鋰電池涂布工藝主要包括以下幾種方式：

• 刮刀式涂布

通過刮刀將漿料均勻刮涂在集流體上。刮刀與集流體之間的間隙可調整，以控制涂層的厚度。刮刀式涂布工藝簡單、成本低，但涂布精度相對較低。

• 狹縫式涂布

漿料通過精密加工的狹縫噴嘴均勻擠出，涂布在集流體上。狹縫式涂布精度高，適用于高精度要求的鋰電池生產。

• 轉移式涂布

先將漿料涂布在臨時載體上，然后通過熱壓或輥壓等方式將漿料轉移到集流體上。轉移式涂布適用于復雜形狀或大面積涂布。

涂布的工藝主要是按照如下步驟進行：

放卷——接片——拉片——張力控制——自動糾偏——涂布——干燥——自動糾偏——張力控制——自動糾偏——收卷

圖2. 鋰電池涂布工藝圖^[3]

在鋰電池制造中，“涂布"工藝看似只是把漿料均勻地涂到集流體上，但實際上，這一步決定了電池的一致性、安全性與性能基礎。隨著電池技術向高能量密度、長壽命、快充方向發展，對涂布工藝的要求也越來越高。而在這一過程中，有一個常被忽視、卻影響深遠的“隱形殺手"——大顆粒（LPC）。

LPC（Large Particle Content）是指材料中大于一定粒徑的大顆粒含量。在鋰電池材料中，LPC通常指粒徑大于10微米的顆粒。這些大顆粒可能在電池制備過程中對涂布、干燥和電池性能產生不利影響。

部分原材料在生產過程中可能因工藝控制不當而產生大顆粒。例如，正極材料在燒結過程中可能出現團聚現象，負極材料在粉碎過程中可能產生較大的顆粒。

在配料、攪拌、涂布等過程中，可能因設備磨損、雜質混入或操作不當而引入大顆粒。

漿料在攪拌、過篩或轉移過程中，如果工藝參數控制不當，可能導致顆粒重新團聚或大顆粒的產生。

LPC的存在會導致涂層局部厚度不均勻，甚至形成孔洞或突起，影響電池的電化學性能。在涂布過程中，顆粒分布不均勻還會導致涂層內部應力不均，降低電池的機械穩定性和循環壽命。[4]

涂層的均勻性直接影響電池的能量密度、內阻和倍率性能。不均勻的涂層可能導致局部過充或過放，加速電池老化，縮短循環壽命。再者，大顆粒可能影響鋰離子的擴散路徑，降低電池的倍率性能。此外，大顆粒還可能導致電池內部短路，增加電池的安全風險。

LPC的存在可能導致電池在批次間或單體間的一致性變差，影響電池組的整體性能和使用壽命。LPC控制不佳會導致涂布過程中的廢品率增加，降低生產效率。同時，頻繁的設備清洗和維護也會增加生產成本。

圖3. 鋰電池材料中 LPC 對電池產品的影響

圖4.涂布工藝中大顆粒的來源及危害

圖5. 鋰電池材料中LPC檢測的難點

圖6. SPOS原理

原材料或者漿料中的顆粒濃度通常非常高，這導致顆粒之間的相互干擾增加，影響測量的準確性。濃度高的樣品會導致多散射現象，這使得光學檢測方法（如動態光散射DLS）的數據解讀更加復雜。此外，高濃度還可能導致顆粒在測量過程中發生聚集，進一步影響檢測結果。對于SPOS單顆粒傳感技術而言，其宗旨是確保顆粒一顆顆進行計數，從而確保其分辨率和準確性。對于高濃度的樣品而言，其在經過SPOS傳感器時也要確保顆粒濃度在合適范圍，避免將多個顆粒當成一個顆粒進行計數。美國PSS粒度儀（現歸屬于Entegris公司）專為其AccuSizer顆粒計數器系列開發出兩套自動稀釋系統，分別是自動稀釋系統和二步稀釋系統。該系統可將超高濃度樣品稀釋至目標濃度，減少人工稀釋的誤差和時間成本。將樣品自動稀釋后，保證粒子“單個"通過傳感器，開始采集數據。系統根據稀釋因子自動還原樣品的原始顆粒濃度，解決了高濃度樣品的檢測難題。

圖7. AccuSizer系列稀釋原理及實物圖

LUMiSpoc是一款單顆粒計數儀(納米級)，類似于流式細胞儀，它以高分辨率和動態范圍測量懸濁液和乳濁液中納米和微米顆粒的粒度分布和顆粒濃度。

儀器基于的單粒子光散射技術SPLS ( Single Particle Light-Scattering)，該技術記錄單個納米和微米顆粒在通過具有特殊光束橫截面的激光束時小角度和側向的散射光。

SPLS Technology技術能夠深入了解復雜的納米和微米微粒系統，從而幫助您優化顆粒和分散體系產品。其技術特點如下：

• 高分辨率的單峰、多峰和多顆粒分散體系粒度的分布

• 優異的顆粒分級

• 計數效率高（高頻數字化、脈沖分析和分級）

• 寬泛的動態范圍（可測40nm~8µm的粒徑），無需切換范圍或改變組件

• 檢測時間短

• 易于操作、清潔

單粒子光散射技術（SPLS）記錄通過單個納米粒子和微米粒子散射到不同方向的光，同時通過非球形橫截面的聚焦激光束。

通過在光學流通池中進行流體動力聚焦，將單個粒子排列成一條直線。這樣，通過壓力差產生了中間的樣品流和周圍的鞘流。鞘流為樣品流創造了一種流體壁，并防止了機械阻塞。樣品流的橫截面可以動態調整（因數35），而無需改變機械部件。因此，可以容易地將流動條件調整為樣品濃度，從而避免濃度峰值的影響。

當單個粒子穿過激光束時，光會在所有方向上散射。通過兩個PMT同時記錄光的前向和側向散射，并在放大和數字化后進行實時分析。為每個粒子計算的散射光強度最多可分類為4.2x106通道，并以高分辨率條形圖顯示，在易于使用的觸摸屏上顯示計數分布。根據米氏理論，將分類強度轉換為粒度分布密度。測量，數據存儲和分析由軟件平臺SEPView®提供支持。

可以同時確定每個確定的尺寸分數的顆粒濃度是一個很大的優勢。SPLS技術使您可以深入了解復雜的納米和亞微米顆粒系統，從而幫助您設計定制的顆粒和分散體。其原理圖如下所示：

圖8. LUMiSpoc SPLS原理

生產過程中，LPC濃度可能因工藝波動而發生變化，因此需要高靈敏度的在線監測手段，以實現實時檢測和工藝優化。然而，傳統的離線檢測方法無法滿足實時監測的需求，且無法及時反饋工藝調整信息。

近年來，一些在線監測技術逐漸應用于鋰電池漿料的生產過程。例如，Accusizer FX系統不僅適用于實驗室分析，還可以配置為現場使用點（POU）系統，實現對漿料中大顆粒的實時監測。該系統通過多通道檢測和自動稀釋功能，能夠提供高靈敏度和高精度的LPC數據，從而幫助優化生產工藝。

此外，通過引入自動化稀釋和多通道檢測技術，Accusizer FX系統能夠在不同濃度和粒徑范圍內提供可靠的LPC數據，進一步提升了生產過程的可控性和產品質量。

圖9. AccuSizer Mini系統實現CMP slurry LPC在線監控

涂布是鋰電池制備中的關鍵環節，涂布的均勻性直接影響電池的性能和安全性。使用AccuSizer Mini在線監測技術可以在涂布前對漿料進行檢測，確保漿料中無大顆粒，從而提高涂布的均勻性。在涂布過程中，通過實時檢測涂布后的極片，可以發現是否存在因涂布工藝不當而產生的大顆粒。例如，涂布速度過快可能導致涂層厚度不均勻，出現大顆粒；通過結合LUMiSpoc技術的檢測結果，可以優化涂布工藝參數，提高涂布質量。

鋰電池材料中的LPC對電池涂布工藝和最終性能有著重要的影響。通過使用AccuSizer SPOS技術和LUMiSpoc技術，可以實現對LPC的高精度檢測，為電池材料的質量控制和工藝優化提供可靠的數據支持。在原材料檢測、漿料制備、涂布工藝和電池組裝等各個環節，LPC檢測技術的應用能夠有效減少大顆粒的產生，提高電池的性能一致性和安全性。隨著鋰電池行業的不斷發展，對LPC檢測技術的需求