Batteries&Supercaps:配方和浆料特性对锂离子电极制造的影响

锂电联盟会长 2024-01-29 11:17

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Impact of Formulation and Slurry Properties on Lithium‐ion Electrode Manufacturing 。文章对锂离子石墨负极系统中浆料性质及其在电极制造中的性能的影响进行了研究。采用设计实验来规划实验，并使用统计技术分析结果，以揭示支配电极制造过程的潜在关系。

摘要：

锂离子电池的特性和性能通常依赖于其组件电极中材料的精确组合。理解这种配方及各组分之间的相互关系对优化电池性能至关重要。由于可能的组合过多，为了进行综合的优化，成本和工作量都过高。为解决这一问题，采用了设计实验（DoE）和先进的统计机器学习方法，结合对电极浆料和涂层的全面实验表征。采用了与行业相关的石墨阳极系统，并借助DoE，定义了少于30个实验来映射不同重量分数的活性材料（80-96 wt%）、导电添加剂（碳黑，1-10 wt%）和双组分粘合剂系统（羧甲基纤维素（CMC），1-3 wt% 和丁苯橡胶（SBR），1-7 wt%）对性能的影响。利用可解释机器学习（XML）方法，量化了配方、浆料重量百分比（30-50 wt% 水中）和涂层速度（1-15 m/min）之间的关系。虽然已知浆料黏度取决于CMC浓度，但在高浓度时，碳黑和SBR也对其产生重大影响，这在研究中很常见。增加黏度的组分还通过改善分散性和阻碍粘合剂迁移来改善附着力。涂层在电流集电器上的导电性对电流集电器-涂层界面敏感，这使其成为一种非常有用的探针。观察到在黏度较高的配方（高重量百分比、CMC含量）中电池容量有所提高，归因于减少浆料在电流集电器上的迁移和下沉。由于其绝缘性质，SBR在任何浓度下都会产生负面影响，而在高浓度下添加碳黑会降低比重容量。这项研究的见解有助于电极的配方优化，为未来高性能电极制造提供改进的浆料设计规则。

概述：

总体而言，这项研究确定了几个关键的依赖关系和建议。浆料黏度是一个重要的考虑因素，对许多其他参数都有影响。羧甲基纤维素（CMC）对浆料黏度的贡献最大，这是符合预期的，然而，碳黑和丁苯橡胶（SBR）在水中被假定不会对浆料流变学产生影响，实际上在高浓度下却会增加黏度。高重量百分比超过了工业中使用的百分比，但在研究中常见。当转向较低的碳黑和SBR重量百分比时，浆料结构可能会有很大的不同，因此，这对将电池研究进行规模化至工业水平提出了一个重要观点和考虑。

粘附主要由SBR含量决定，但观察到了有趣的相互依赖性，即高浆料黏度可能改善SBR的分散性并阻碍粘合剂迁移，从而提高粘附力。在导电性数据中观察到的令人惊讶的结果表明，SBR改善了电流集电器上的导电性。这是由于测量技术，而在非导电底物上可能显示出相反的趋势。然而，这突显了电流集电器上的导电性是研究涂层-电流集电器界面的有用参数，并应该加入到电极表征的工具箱中。

在高浆料黏度配方中，电池容量得到提高，其中高重量百分比和CMC含量可能是原因。这可能是由于在浆料中更好的悬浮，减少在电流集电器表面的扩散，以及在干燥过程中阻碍组分迁移，这些都有助于更均匀的结构。非导电的SBR对容量产生负面影响，减少SBR含量被强调为性能改进的途径。碳黑尽管促进导电性，在其重叠浓度之外降低了容量，这表明浆料中碳黑的重叠结构对电化学性能有害。因此，在试图降低溶剂含量时，需要注意碳黑的使用量不要过多，这会增加溶液中碳黑的百分比。

由于黏度对电极性能有很大的影响，未来的工作应更全面地评估流变学。剪切和伸长之间的差异显示了对浆料结构的见解，但对流变学的更多细微差别的评估，如剪切速率依赖的流动曲线，或从振荡测试中提取的弹性和粘性模量，可能提供更多有关对容量、粘附和导电性等性能的影响的信息。

此外，从更大规模制造线的数据进行的模型测试对于可扩展性至关重要。最后，这里展示的用于石墨负极的方法可以应用于其他化学体系，如锂离子正极和钠离子电极。另一个方向是提高预测模型的准确性，包括对粘附和导电性等响应的模型测试。在数据分析方面，建议在后续研究中将解释性扩展到特征的量化重要性。

总结：

对水基石墨负极系统的浆料和涂层性质的配方依赖性进行了探索，利用系统的设计实验（DoE）和机器学习通过一套经济实惠的实验来提取关键的依赖关系，并将响应从个别变量中分离出来。演示了联合实验-统计方法的价值，利用实验设计和数据提取系统地研究电池制造中的关系。结果展示了既有预期的关系，也有更微妙的关系。强调了浆料流变学的重要性，剪切和伸长黏度与电极导电性、粘附力和最终电池容量相关。这表明了优化浆料流变学的重要性，这通常被忽视，以获得良好的最终电池性能。含有更低、行业典型水平的粘合剂和导电添加剂的配方，与含有更高、研究典型含量的配方表现出戏剧性的不同行为，其中在浆料中形成了额外的物质相互作用。这突显了研究和工业浆料之间非常不同的材料结构，并暗示必须谨慎确保研究是可扩展的。许多额外微妙的关系强调了制造参数对电极和电池的重要性。在优化工业生产系统和开发新技术时，必须牢记这些相互关系，因为忽视制造过程的适当调整可能会导致错失机会。

文献来源：

Impact of Formulation and Slurry Properties on Lithium‐ion Electrode Manufacturing - Reynolds - Batteries & Supercaps - Wiley Online Library

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