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電池行業(yè)應用專題 | ALP_AN_193_CN_鋰電池材料中的LPC對電池涂布工藝的影響

奧法美嘉微納米應用工程中心 - 忻萍萍

介紹

本文隸屬于電池行業(yè)應用專題，全文共 6463 字，閱讀大約需要 17 分鐘

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(yōu)化成為提升電池性能和質量的關鍵環(huán)節(jié)。本文深入探討了大顆粒計數(shù)（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(yōu)化、在線監(jiān)測與反饋以及后處理工藝的全流程優(yōu)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(chǎn)成本，為鋰電池制造工藝的進一步優(yōu)化提供了理論和實踐依據(jù)。未來，隨著檢測技術和自動化控制技術的不斷發(fā)展，LPC控制將在鋰電池生產(chǎn)中發(fā)揮更為重要的作用。

關鍵詞：電池材料；LPC；涂布；鋰電池

一、鋰電池制造工藝流程概述

1.1 鋰電池的組成

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。

1.2 鋰電池的分類

鋰電池可以根據(jù)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。

1.3 鋰電池的制備工藝

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(huán)節(jié)。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(huán)節(jié)，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(huán)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。

1.4 鋰電池涂布工藝步驟

1.4.1 涂布前的準備

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(wěn)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(jīng)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。

1.4.2 涂布方式

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(chǎn)。

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。

1.4.3 涂布工序

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]

二、涂布工藝相關鋰電池材料中的LPC 檢測的重要性

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?jīng)Q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(fā)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）。

2.1 LPC的定義

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?？赡茉陔姵刂苽溥^程中對涂布、干燥和電池性能產(chǎn)生不利影響。

2.2 材料中LPC的來源

2.2.1 原材料本身

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

2.2.2 生產(chǎn)過程中的污染

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。

2.2.3 漿料處理不當

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

2.3 鋰電池材料中LPC對產(chǎn)品的影響

2.3.1 涂層均勻性

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(wěn)定性和循環(huán)壽命。[4]

2.3.2 電池性能

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(huán)壽命。再者，大顆?？赡苡绊戜囯x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。

2.3.3 生產(chǎn)效率與成本

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(chǎn)效率。同時，頻繁的設備清洗和維護也會增加生產(chǎn)成本。

圖3. 鋰電池材料中 LPC 對電池產(chǎn)品的影響

圖4.涂布工藝中大顆粒的來源及危害

三、LPC檢測的難點

3.1 低濃度大顆粒的精準檢測

鋰電池漿料中的大顆粒（LPC, Large Particle Counts）含量極低，但其存在可能導致極片缺陷、短路等質量問題，直接影響電池性能和安全性。然而，傳統(tǒng)粒度分析技術在檢測低濃度大顆粒時存在靈敏度不足、信號噪聲干擾嚴重等問題，難以準確捕捉微量LPC。如何在復雜背景下實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的LPC檢測，是當前檢測技術面臨的重要挑戰(zhàn)。

3.2 高粘度漿料的測量復雜性

鋰電池漿料具有高固含量、高粘度的特點，流變性能復雜，容易對測量設備的穩(wěn)定性和精度造成影響。一方面，高粘度漿料在檢測過程中易附著在管路和傳感器表面，導致設備堵塞、信號衰減，甚至影響長期穩(wěn)定運行；另一方面，漿料的非牛頓流體特性使其在不同剪切速率下的顆粒分布可能發(fā)生變化，進一步增加測量的不確定性。因此，需要針對高粘度體系優(yōu)化檢測方法，提升設備的抗堵塞性和測量精度。

3.3 LPC的動態(tài)監(jiān)測難度

鋰電池漿料的生產(chǎn)過程涉及多種混合、研磨、分散等工藝環(huán)節(jié)，LPC濃度可能隨工藝條件波動，難以通過傳統(tǒng)離線檢測手段實時捕捉。生產(chǎn)過程中，LPC的瞬時異常增加可能意味著原料雜質、分散不均或設備異常，因此，需要具備高靈敏度和快速響應能力的在線監(jiān)測技術，實現(xiàn)LPC的實時檢測和趨勢分析，從而及時調整工藝參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)過程，提升產(chǎn)品一致性和良品率。

圖5. 鋰電池材料中LPC檢測的難點

四、電池材料LPC檢測的解決方案

在前面提到LPC檢測的難點在于：1）低濃度大顆粒的精準檢測；2）高粘度漿料的測量復雜性；3）LPC的動態(tài)監(jiān)測難度。為了實現(xiàn)低濃度大顆粒的精準檢測，單粒子光學粒度儀（SPOS）成為一種理想的技術。

4.1 對低濃度大顆粒的精準檢測

SPOS技術單顆粒技術將光阻法與光散法結合起來，通過光消減獲得較大的動態(tài)粒徑范圍，能夠檢測從亞微米到數(shù)百微米的粒子；通過光散射增加對小粒子的靈敏度，實現(xiàn)了對不同粒徑范圍粒子的全面、精確檢測，原理如圖4所示?？梢詸z測0.5-400μm的粒子SPOS通過測量單個顆粒通過狹窄測量區(qū)域時的光散射信號，能夠提供顆粒的尺寸和濃度信息，具有極高的分辨率，可以檢測出從主分布中分離的少量大顆粒。

圖6. SPOS原理

4.2 適用高濃度樣品

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(xiàn)象，這使得光學檢測方法（如動態(tài)光散射DLS）的數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)，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(jīng)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(shù)。美國PSS粒度儀（現(xiàn)歸屬于Entegris公司）專為其AccuSizer顆粒計數(shù)器系列開發(fā)出兩套自動稀釋系統(tǒng)，分別是自動稀釋系統(tǒng)和二步稀釋系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)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

4.3 適用更低檢測下限——從40nm開始計數(shù)

LUMiSpoc是一款單顆粒計數(shù)儀(納米級)，類似于流式細胞儀，它以高分辨率和動態(tài)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(tǒng)，從而幫助您優(yōu)化顆粒和分散體系產(chǎn)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(yōu)異的顆粒分級

• 計數(shù)效率高（高頻數(shù)字化、脈沖分析和分級）

• 寬泛的動態(tài)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(chǎn)生了中間的樣品流和周圍的鞘流。鞘流為樣品流創(chuàng)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(tài)調整（因數(shù)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(shù)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(shù)分布。根據(jù)米氏理論，將分類強度轉換為粒度分布密度。測量，數(shù)據(jù)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(shù)的顆粒濃度是一個很大的優(yōu)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(tǒng)，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

4.4 LPC的動態(tài)監(jiān)測難度

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

近年來，一些先進的在線監(jiān)測技術逐漸應用于鋰電池漿料的生產(chǎn)過程。例如，Accusizer FX系統(tǒng)不僅適用于實驗室分析，還可以配置為現(xiàn)場使用點（POU）系統(tǒng)，實現(xiàn)對漿料中大顆粒的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)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(shù)據(jù)，從而幫助優(yōu)化生產(chǎn)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(tǒng)能夠在不同濃度和粒徑范圍內提供可靠的LPC數(shù)據(jù)，進一步提升了生產(chǎn)過程的可控性和產(chǎn)品質量。

圖9. AccuSizer Mini系統(tǒng)實現(xiàn)CMP slurry LPC在線監(jiān)控

五、電池材料 LPC 檢測的解決方案

針對鋰電池漿料中LPC檢測的挑戰(zhàn)，包括低濃度大顆粒的精準檢測、高粘度漿料的測量復雜性以及LPC濃度的動態(tài)監(jiān)測難度，現(xiàn)有的技術已經(jīng)取得了一定的進展。通過采用單粒子光學傳感技術（SPOS）以及單粒子光散射技術（SPLS）技術，結合在線監(jiān)測技術，可以有效提高LPC檢測的精度和效率，為鋰電池生產(chǎn)的質量控制提供有力支持。

AccuSizer及LUMiSpoc在各個環(huán)節(jié)的LPC檢測應用點

5.1 原材料檢測

在原材料采購和入庫環(huán)節(jié)，使用AccuSizer SPOS技術以及LUMiSpoc SPLS可以對正負極材料、導電劑、粘結劑等進行LPC檢測。通過檢測原材料中的大顆粒含量，可以提前篩選出質量不合格的材料，避免其進入后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。例如，對正極材料進行檢測時，可以發(fā)現(xiàn)是否存在燒結過程中產(chǎn)生的大顆粒團聚物；對負極材料進行檢測時，可以檢查石墨顆粒是否因粉碎工藝不當而產(chǎn)生大顆粒。

5.2 漿料制備過程

在漿料制備過程中，LPC檢測尤為重要。使用AccuSizer SPOS技術以及LUMiSpoc SPLS可以在攪拌、混合和過篩等工序后對漿料進行檢測。通過檢測漿料中的大顆粒含量，可以優(yōu)化攪拌工藝參數(shù)，確保漿料的均勻性和穩(wěn)定性。例如，在正極漿料制備過程中，通過檢測發(fā)現(xiàn)攪拌時間不足可能導致顆粒團聚，增加大顆粒含量；而攪拌速度過高則可能破壞顆粒的結構，影響電池性能。通過調整攪拌速度和時間，結合SPOS及SPLS技術的檢測結果，可以制備出粒徑分布均勻、無大顆粒的漿料。

5.3 涂布工藝

涂布是鋰電池制備中的關鍵環(huán)節(jié)，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(jiān)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(fā)現(xiàn)是否存在因涂布工藝不當而產(chǎn)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(xiàn)大顆粒；通過結合LUMiSpoc技術的檢測結果，可以優(yōu)化涂布工藝參數(shù)，提高涂布質量。

結論

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(xiàn)對LPC的高精度檢測，為電池材料的質量控制和工藝優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)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(huán)節(jié)，LPC檢測技術的應用能夠有效減少大顆粒的產(chǎn)生，提高電池的性能一致性和安全性。隨著鋰電池行業(yè)的不斷發(fā)展，對LPC檢測技術的需求