極片干燥時粘結(jié)劑遷移怎么回事？
鋰電池的極片漿料涂布在集流體表面后需進(jìn)行干燥處理，蒸發(fā)和去除溶劑獲得多孔的干燥極片，在這個過程中極片干燥時粘結(jié)劑遷移很容易發(fā)生，這個是怎么回事呢？為了定量分析極片組分分布均勻性，一些直接或間接檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用，包括掃描電鏡分析（SEM）、光澤度檢測、X-ray光電子能譜分析、UV吸收光譜分析、FTIR紅外光譜分析、拉曼光譜分析等。美國涂料協(xié)會和油彩化學(xué)家協(xié)會的Hideki Hagiwara等采用拉曼光譜分析技術(shù)，研究了石墨負(fù)極涂布干燥過程中粘結(jié)劑的分布均勻性。在不同的干燥條件下（150℃熱對流，室溫干燥）、不同干燥時間的極片經(jīng)過冷凍干燥后進(jìn)行拉曼光譜掃描分析，從而揭示石墨負(fù)極干燥過程中粘結(jié)劑遷移分布變化。冷凍干燥（-15℃，液氮、真空<80kPa）可保留極片在不同時間段的組織結(jié)構(gòu)，從而實時監(jiān)測極片內(nèi)部成分。
1.極片制備
負(fù)極片活性物質(zhì)為石墨（SG-BH8，99%，平均尺寸8um），粘結(jié)劑為SBR乳液（水性乳液，48%水溶液，pH=6.8，D50=90nm），CMC增稠劑為BSH，極片組分配比為石墨:SBR:CMC=100:1:30。漿料的制備：首先將CMC加入水溶液中溶解制膠，隨后加入石墨顆粒均質(zhì)機(jī)攪拌15min，最后加入SBR乳液攪拌6h，漿料固含量為45%。負(fù)極水性漿料進(jìn)行涂布，集流體為10um銅箔，涂布濕膜厚度為150um，隨后進(jìn)行干燥。為了研究不同干燥條件對粘結(jié)劑分布的影響，分別進(jìn)行150℃熱對流（with heated airflow）干燥和室溫?zé)o對流干燥（room temperature without airflow），采用拉曼光譜分析極片截面不同厚度區(qū)域粘結(jié)劑成分濃度。
2.干燥條件的影響
極片在150℃條件下干燥失重、極片表面溫度和粘結(jié)劑濃度分布可知，干燥初期（<42s）極片溫度維持溫度，重量以恒定速度減少，此時極片橫截面不同區(qū)域（1/4、1/2、3/4、1）SBR成分保持不變，分布均勻；隨著干燥時間的持續(xù)（>42s）極片表面溫度迅速升高到烤箱溫度，同時極片失重逐漸變小。SBR粘結(jié)劑分布出現(xiàn)顯著變化，靠近銅箔區(qū)域SBR含量顯著低于極片表面處，并且隨著干燥時間的延長，集流體附近的SBR含量越來越少，表面處的SBR則不斷增加，表現(xiàn)出明顯的粘結(jié)劑遷移現(xiàn)象（binder migration）。極片的干燥至少可分為兩個階段：恒速干燥階段（constant-rate drying period）和減速干燥階段（falling-rate drying period）。在恒速干燥階段前期，粘接劑在極片中均勻分布，由于溶劑蒸發(fā)速度>非活性物質(zhì)擴(kuò)散速度，主要發(fā)生溶劑的揮發(fā)及顆粒物質(zhì)的重新排列。隨著溶劑大量蒸發(fā)，少量溶劑在毛細(xì)管力作用下拖拽粘結(jié)劑在極片表面富集，粘結(jié)劑向上遷移，底層SBR粘結(jié)劑越來越少，表層粘結(jié)劑越來越多，分布不均勻。
極片在室溫（20℃）條件下干燥和不同厚度層SBR粘結(jié)劑分布，由此可知室溫下極片干燥速度較慢，但粘結(jié)劑分布均勻，在不同厚度區(qū)域粘結(jié)劑濃度幾乎相同，表現(xiàn)出更好的分布均勻性。由此可見在極片干燥過程中，不同溫度（干燥速度）下極片成分均勻性發(fā)生顯著變化。高溫干燥，溶劑蒸發(fā)速度快，粘結(jié)劑分布不均勻，室溫下只有溶劑在表面蒸發(fā)，粘結(jié)劑遷移所需毛細(xì)管力較小，分布更為均勻。在實際生產(chǎn)中為了提高生產(chǎn)效率，極片干燥通常在較高溫度下進(jìn)行，同時采用多段式多節(jié)烤箱進(jìn)行烘烤，因此在極片涂布干燥時對烤箱溫度、氣流量、真空度、涂布速度的控制直接影響極片組分的均勻性，從而影響極片性能。
在涂布干燥過程中極片內(nèi)各組分的均勻分布對電極性能產(chǎn)生重大影響，粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑等非活性物質(zhì)的非均勻分布不僅使得極片剝離強度、柔韌性衰減，同時顯著增加極片內(nèi)阻，從而降低電極的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
結(jié)果表明干燥溫度對粘接的分布均勻性參數(shù)顯著影響。在實際的極片涂布中需要從溫度（均勻性）、速度、噴嘴氣流量、烤箱真空度等方面優(yōu)化干燥工藝，在提高效率的同時維持粘結(jié)劑的均勻分散。問題再次回到了溶劑的含量即漿料固含量的提升上，溶劑越少，干燥時間越短、相同面密度下濕膜厚度越薄，粘結(jié)劑遷移時間越短越不顯著，極片分布均勻性越好。
