一种分析锂电池极片涂布干燥过程的新方法

锂电池电极是一种颗粒组成的涂层，电极制备过程中，均匀的湿浆料涂敷在金属集流体上，然后通过干燥去除湿涂层中的溶剂。电极浆料往往需要加入聚合物粘结剂或者分散剂，以及炭黑等导电剂。尽管固含量一般大于30%，但是干燥过程中，溶剂蒸发时，涂层总会经历一定的收缩，固体物质在湿涂层中彼此接近，最后形成多孔的干燥电极结构。

1、前言

毛细管力作用在三相界面上，半月形液相蒸发固化，并显著影响电极微结构。当涂层收缩完成，随着溶剂进一步蒸发，气-液界面逐步从孔隙中退出，最后形成干涂层。在涂层收缩和溶剂蒸发过程中，添加剂容易迁移，可能在多孔电极中重新分配，比如普遍认为存在的粘结剂迁移。当干燥速度太高时，涂层表面溶剂蒸发，可溶性的或分散性的粘结剂倾向于以高浓度存在于涂层表面。相反，较低的干燥速度可以使粘结剂分布平衡。粘结剂迁移是电极制造过程中不期望发生的，局部富集必然导致其他区域量减少，比如涂层和集流体界面粘结剂减少会导致涂层结合强度低。而且粘结剂分布不均匀也会导致电池电化学性能裂化，比如内阻增加，相应倍率特性变差。因此，干燥条件以及溶剂蒸发对电极制造过程是非常重要的。

另外，涂层干燥又是和能源消耗相关的，因此电极干燥也是决定性的成本因素。近年来，电池工业上不断要求提高干燥速度，减少烘箱长度，从而降低能源消耗成本。要想提高干燥速度，就需要提高温度或者加大风量，然而这又会导致电极性能的下降。幸好，电极干燥不是一个线性过程，可以分为两个阶段，在第二阶段可以提高干燥速率。基于此，多区域干燥模型能够显着减少所需的干燥时间。这就需要我们深入认识电极干燥过程，不断克服目前的局限。

德国卡尔斯鲁厄理工学院薄膜技术研究所的StefanJaiser等人引入了一种实验装置，在涂层干燥溶剂蒸发过程中能够测量涂层的收缩，涂层表面液体含量，以及表面孔洞消失的过程。在电极浆料中少量加入一种荧光增白剂，涂层中的液体在UV-A紫外线辐照下能够发出蓝光，因而可以用相机观察到液相。图像处理可以估算涂层表面的液体含量，跟踪电极孔隙中的液相消失过程。同时，湿涂层的厚度采用二维激光位移传感器测量。实验结果揭示了液相去除，电极孔隙中开始形成的时刻。

2、实验方法

2.1、材料和搅拌

(1)PVDF：NMP=5.55:94.45，先打胶

(2)石墨与炭黑干混，其中石墨分别采用两种：Graphite1(球形，d50=8.9μm)和Graphite2(多面体，d50=20.4μm)

(3)搅拌制备浆料，浆料最终固含量47.5%，石墨：炭黑：PVDF=91.7：2.8：5.5

(4)涂布之前，浆料中加入荧光增白剂DSBB重量0.1%

2.2、实验装置-涂布和干燥

湿涂层通过刮刀以6m/min的速度涂敷在10μm的铜箔上，涂层宽度60mm，最大涂层长度80cm，面密度72g/m2，干燥温度为76.5℃，NMP干燥速率为1.2g∙m-2∙s-1。实验装置如图1所示，对流槽喷嘴干燥器位于湿涂层上方用来干燥涂层，铜箔放置在控制温度的铝板上，铝板开孔真空吸附铜箔。UV灯发射紫外线照射在涂层上，用尼康相机照相，另外，电磁阀控制加压空气喷嘴能够喷扫涂层。

涂层移出干燥机的时间texit即电极干燥时间，电极片移出干燥机后随即连续照相3次，其中第二张照片拍照时刻打开加压空气喷嘴。照片每个像素尺寸为8.4μmx8.4μm。

图1实验装置示意图

①-对流槽喷嘴干燥机，②-温控板，③-SLR相机，④-UV灯，⑤-加压空气喷嘴

图2为图像处理流程，每个图像都是RGB灰度值叠加照片，首先将照片分割成红(red)、绿(grenn)、蓝(blue)三原色各自的颜色通道。本文中只分析红色通道，因为蓝色在长时间干燥后仍旧饱和状态，因而缺少最开始的信息，而绿色值强度低，接近零。采用MATLAB对图像进行处理，读取每一个像素的灰度值并计数，再做成灰度值高斯分布图。标准偏差σ和平均灰度值nmax作为图像处理的特征量，nmax表示涂层表面液体的含量。

此外，每次干燥连续照相三张，其中第二张照相时加压空气喷扫涂层，其他照片与第二张对比，灰度差异值定义为式(1)：

Δn12间接表示液相从孔隙中蒸发消除的能力。

图2图像处理流程示意图

原始的RGB图像分割成红(red)、绿(grenn)、蓝(blue)三原色，将图像划分为10X10个部分，计算分析每个部分细节。对像素点三原色分量灰度值进行计数，然后做成高斯分布图，标准偏差σ和平均灰度值nmax作为图像处理的特征量

2.3、涂层收缩与厚度测量

涂层厚度采用高精度二维激光位移传感器测量测量，干燥过程中涂层的厚度不仅仅与干燥时间有关，还与初始湿厚，即涂层面密度相关。干燥过程中无量纲涂层湿厚θ(t)定义为式(2)：

其中，dwet(t)、ddry(t)、dwet、ddry分别表示涂层湿厚，涂层干厚，涂层初始湿厚平均值，涂层最终干厚平均值。

2.4、结合强度和孔隙率

结合强度采用90°玻璃试验机测量，孔隙率ε根据式(3)计算：

其中，Ms为干涂层面密度，ρs为涂层中固体平均密度，dfilm为涂层干厚。