锂离子电池原材料主要有正极材料、负极材料、集流体、电解液和隔膜。正负极材料通常为微米级粉体材料,其中常见的锂离子电池正极粉体材料有层状钴酸锂、橄榄石结构磷酸铁锂、尖晶石结构的锰酸锂以及层状镍钴锰三元材料(以下简称NCM)。其中钴酸锂(LiCoO₂ , LCO)在基于3C类(计算机、通信和消费)电子电池中占据主导地位,其具有高能量密度、高电压平台、放电平稳、生产工艺简单等优势。目前,对轻量化、待机更长时间的智能便携式电子产品的需求,推动了LCO电池的发展,实现了能量密度的进一步提升,如图1为钴酸锂电池的发展路线图。
图1. LCO-石墨全电芯发展路线图¹
锂离子电池生产工艺环节中极片制作工艺是其中最重要的环节,而其中极片辊压是又是极片制作过程重要的工序段,极片辊压一般安排在涂布干燥工序之后,裁片工序之前,极片进入辊压机后,在力的作用下,极片中的活性颗粒发生流动、重排及嵌入,颗粒间的空隙发生改变,极片辊压过程是粉体的重排和致密化过程,本文主要以不同类型的四种LCO粉体材料为基础,测试粉体在不同压力下的电阻率、压实密度及压缩性能,并结合扫描电镜测试,分析LCO粉体材料粒度及其分布、形态、密度及压缩性能的变化。
1、测试方法
1.1 四种材料的SEM形貌测试;
1.2 采用PRCD3100(IEST-元能科技)对四种LCO材料进行电导率、压实密度及压缩性能测试,测试设备如图2所示。测试参数:施加压强范围10-200MPa,间隔20MPa,保压10s。
图2. (a)PRCD3100外观图;(b)PRCD3100结构图
2、测试结果
2.1 SEM测试结果
采用扫描电镜分别对四种LCO粉体材料未加压情况下进行测试,图3分别为LCO-1、LCO-2、LCO-3、LCO-4四种材料的SEM测试结果,从图上可以明显看出四种材料的颗粒分布及颗粒大小均有明显差异,其中LCO-1包含了约30μm-5μm范围内多种粒度的样品,LCO-2包含了约15μm-5μm范围的粉体,LCO-3样品包含了约45μm-10μm范围的粉体,LCO-4则主要是粒度约为5μm的小颗粒;粒度分布差异直接影响粉体在受压过程中的充填效应,且与材料间的压实密度、电子导电性能及压缩性能紧密相连。