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電池行業(yè)應(yīng)用專題 | ALP_AN_193_CN_鋰電池材料中的LPC對(duì)電池涂布工藝的影響

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本文隸屬于電池行業(yè)應(yīng)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(chǔ)能市場(chǎng)對(duì)高性能鋰電池需求的不斷增長(zhǎng)，鋰電池涂布工藝的優(yōu)化成為提升電池性能和質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文深入探討了大顆粒計(jì)數(shù)（Large Particle Counts，LPC）對(duì)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(cè)與反饋以及后處理工藝的全流程優(yōu)化策略。研究結(jié)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(jìn)一步優(yōu)化提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。未來(lái)，隨著檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)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(guān)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(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的二次電池。其主要由正極、負(fù)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(fù)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(fù)極，防止短路，同時(shí)允許鋰離子通過(guò)；電解液則為鋰離子的傳輸提供介質(zhì)。

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(jìn)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(fèi)類鋰電池、動(dòng)力鋰電池和儲(chǔ)能鋰電池。不同的分類方式反映了鋰電池在不同應(yīng)用場(chǎng)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(guān)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(gè)步驟：

1）正極制備

2）負(fù)極制備

3）涂布工藝

4）干燥與輥壓

5）電芯組裝

6）化成與測(cè)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(zhì)量和電池性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要涉及將正負(fù)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(duì)鋰電池的性能（如能量密度、循環(huán)壽命、安全性等）有著至關(guān)重要的影響。[2]以下是鋰電池涂布工藝的詳細(xì)解析。

1.4 鋰電池涂布工藝步驟

1.4.1 涂布前的準(zhǔn)備

材料準(zhǔn)備：

確保正負(fù)極材料、溶劑、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑等成分按配方準(zhǔn)確稱量并混合均勻，形成漿料。漿料的均勻性和穩(wěn)定性對(duì)涂布質(zhì)量至關(guān)重要。

集流體處理：

銅箔或鋁箔作為集流體，需經(jīng)過(guò)清洗、除油、干燥等預(yù)處理，以去除表面雜質(zhì)，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(guò)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(diào)整，以控制涂層的厚度。刮刀式涂布工藝簡(jiǎn)單、成本低，但涂布精度相對(duì)較低。

狹縫式涂布

漿料通過(guò)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(zhuǎn)移式涂布

先將漿料涂布在臨時(shí)載體上，然后通過(guò)熱壓或輥壓等方式將漿料轉(zhuǎn)移到集流體上。轉(zhuǎn)移式涂布適用于復(fù)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(jìn)行：

放卷——接片——拉片——張力控制——自動(dòng)糾偏——涂布——干燥——自動(dòng)糾偏——張力控制——自動(dòng)糾偏——收卷

圖2. 鋰電池涂布工藝圖[3]

二、涂布工藝相關(guān)鋰電池材料中的LPC 檢測(cè)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(shí)際上，這一步?jīng)Q定了電池的一致性、安全性與性能基礎(chǔ)。隨著電池技術(shù)向高能量密度、長(zhǎng)壽命、快充方向發(fā)展，對(duì)涂布工藝的要求也越來(lái)越高。而在這一過(guò)程中，有一個(gè)常被忽視、卻影響深遠(yuǎn)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^(guò)程中對(duì)涂布、干燥和電池性能產(chǎn)生不利影響。

2.2 材料中LPC的來(lái)源

2.2.1 原材料本身

部分原材料在生產(chǎn)過(guò)程中可能因工藝控制不當(dāng)而產(chǎn)生大顆粒。例如，正極材料在燒結(jié)過(guò)程中可能出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，負(fù)極材料在粉碎過(guò)程中可能產(chǎn)生較大的顆粒。

2.2.2 生產(chǎn)過(guò)程中的污染

在配料、攪拌、涂布等過(guò)程中，可能因設(shè)備磨損、雜質(zhì)混入或操作不當(dāng)而引入大顆粒。

2.2.3 漿料處理不當(dāng)

漿料在攪拌、過(guò)篩或轉(zhuǎn)移過(guò)程中，如果工藝參數(shù)控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致顆粒重新團(tuán)聚或大顆粒的產(chǎn)生。

2.3 鋰電池材料中LPC對(duì)產(chǎn)品的影響

2.3.1 涂層均勻性

LPC的存在會(huì)導(dǎo)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(xué)性能。在涂布過(guò)程中，顆粒分布不均勻還會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部應(yīng)力不均，降低電池的機(jī)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(nèi)阻和倍率性能。不均勻的涂層可能導(dǎo)致局部過(guò)充或過(guò)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(kuò)散路徑，降低電池的倍率性能。此外，大顆粒還可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，增加電池的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 生產(chǎn)效率與成本

LPC的存在可能導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致涂布過(guò)程中的廢品率增加，降低生產(chǎn)效率。同時(shí)，頻繁的設(shè)備清洗和維護(hù)也會(huì)增加生產(chǎn)成本。

圖3. 鋰電池材料中 LPC 對(duì)電池產(chǎn)品的影響

圖4.涂布工藝中大顆粒的來(lái)源及危害

三、LPC檢測(cè)的難點(diǎn)

3.1 低濃度大顆粒的精準(zhǔn)檢測(cè)

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(dǎo)致極片缺陷、短路等質(zhì)量問(wèn)題，直接影響電池性能和安全性。然而，傳統(tǒng)粒度分析技術(shù)在檢測(cè)低濃度大顆粒時(shí)存在靈敏度不足、信號(hào)噪聲干擾嚴(yán)重等問(wèn)題，難以準(zhǔn)確捕捉微量LPC。如何在復(fù)雜背景下實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的LPC檢測(cè)，是當(dāng)前檢測(cè)技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)。

3.2 高粘度漿料的測(cè)量復(fù)雜性

鋰電池漿料具有高固含量、高粘度的特點(diǎn)，流變性能復(fù)雜，容易對(duì)測(cè)量設(shè)備的穩(wěn)定性和精度造成影響。一方面，高粘度漿料在檢測(cè)過(guò)程中易附著在管路和傳感器表面，導(dǎo)致設(shè)備堵塞、信號(hào)衰減，甚至影響長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)一步增加測(cè)量的不確定性。因此，需要針對(duì)高粘度體系優(yōu)化檢測(cè)方法，提升設(shè)備的抗堵塞性和測(cè)量精度。

3.3 LPC的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)難度

鋰電池漿料的生產(chǎn)過(guò)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(dòng)，難以通過(guò)傳統(tǒng)離線檢測(cè)手段實(shí)時(shí)捕捉。生產(chǎn)過(guò)程中，LPC的瞬時(shí)異常增加可能意味著原料雜質(zhì)、分散不均或設(shè)備異常，因此，需要具備高靈敏度和快速響應(yīng)能力的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)LPC的實(shí)時(shí)檢測(cè)和趨勢(shì)分析，從而及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提升產(chǎn)品一致性和良品率。

圖5. 鋰電池材料中LPC檢測(cè)的難點(diǎn)

四、電池材料LPC檢測(cè)的解決方案

在前面提到LPC檢測(cè)的難點(diǎn)在于：1）低濃度大顆粒的精準(zhǔn)檢測(cè)；2）高粘度漿料的測(cè)量復(fù)雜性；3）LPC的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)難度。為了實(shí)現(xiàn)低濃度大顆粒的精準(zhǔn)檢測(cè)，單粒子光學(xué)粒度儀（SPOS）成為一種理想的技術(shù)。

4.1 對(duì)低濃度大顆粒的精準(zhǔn)檢測(cè)

SPOS技術(shù)單顆粒技術(shù)將光阻法與光散法結(jié)合起來(lái)，通過(guò)光消減獲得較大的動(dòng)態(tài)粒徑范圍，能夠檢測(cè)從亞微米到數(shù)百微米的粒子；通過(guò)光散射增加對(duì)小粒子的靈敏度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同粒徑范圍粒子的全面、精確檢測(cè)，原理如圖4所示。可以檢測(cè)0.5-400μm的粒子SPOS通過(guò)測(cè)量單個(gè)顆粒通過(guò)狹窄測(cè)量區(qū)域時(shí)的光散射信號(hào)，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(cè)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(dǎo)致顆粒之間的相互干擾增加，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。濃度高的樣品會(huì)導(dǎo)致多散射現(xiàn)象，這使得光學(xué)檢測(cè)方法（如動(dòng)態(tài)光散射DLS）的數(shù)據(jù)解讀更加復(fù)雜。此外，高濃度還可能導(dǎo)致顆粒在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生聚集，進(jìn)一步影響檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于SPOS單顆粒傳感技術(shù)而言，其宗旨是確保顆粒一顆顆進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而確保其分辨率和準(zhǔn)確性。對(duì)于高濃度的樣品而言，其在經(jīng)過(guò)SPOS傳感器時(shí)也要確保顆粒濃度在合適范圍，避免將多個(gè)顆粒當(dāng)成一個(gè)顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)。美國(guó)PSS粒度儀（現(xiàn)歸屬于Entegris公司）專為其AccuSizer顆粒計(jì)數(shù)器系列開(kāi)發(fā)出兩套自動(dòng)稀釋系統(tǒng)，分別是自動(dòng)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(biāo)濃度，減少人工稀釋的誤差和時(shí)間成本。將樣品自動(dòng)稀釋后，保證粒子“單個(gè)”通過(guò)傳感器，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)稀釋因子自動(dòng)還原樣品的原始顆粒濃度，解決了高濃度樣品的檢測(cè)難題。

圖7. AccuSizer系列稀釋原理及實(shí)物圖

4.3 適用更低檢測(cè)下限——從40nm開(kāi)始計(jì)數(shù)

LUMiSpoc是一款單顆粒計(jì)數(shù)儀(納米級(jí))，類似于流式細(xì)胞儀，它以高分辨率和動(dòng)態(tài)范圍測(cè)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(shù)SPLS ( Single Particle Light-Scattering)，該技術(shù)記錄單個(gè)納米和微米顆粒在通過(guò)具有特殊光束橫截面的激光束時(shí)小角度和側(cè)向的散射光。

SPLS Technology技術(shù)能夠深入了解復(fù)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(shù)特點(diǎn)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(jí)

• 計(jì)數(shù)效率高（高頻數(shù)字化、脈沖分析和分級(jí)）

• 寬泛的動(dòng)態(tài)范圍（可測(cè)40nm~8μm的粒徑），無(wú)需切換范圍或改變組件

• 檢測(cè)時(shí)間短

• 易于操作、清潔

  
  

單粒子光散射技術(shù)（SPLS）記錄通過(guò)單個(gè)納米粒子和微米粒子散射到不同方向的光，同時(shí)通過(guò)非球形橫截面的聚焦激光束。

通過(guò)在光學(xué)流通池中進(jìn)行流體動(dòng)力聚焦，將單個(gè)粒子排列成一條直線。這樣，通過(guò)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(jī)械阻塞。樣品流的橫截面可以動(dòng)態(tài)調(diào)整（因數(shù)35），而無(wú)需改變機(jī)械部件。因此，可以容易地將流動(dòng)條件調(diào)整為樣品濃度，從而避免濃度峰值的影響。

當(dāng)單個(gè)粒子穿過(guò)激光束時(shí)，光會(huì)在所有方向上散射。通過(guò)兩個(gè)PMT同時(shí)記錄光的前向和側(cè)向散射，并在放大和數(shù)字化后進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。為每個(gè)粒子計(jì)算的散射光強(qiáng)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(jì)數(shù)分布。根據(jù)米氏理論，將分類強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為粒度分布密度。測(cè)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析由軟件平臺(tái)SEPView?提供支持。

可以同時(shí)確定每個(gè)確定的尺寸分?jǐn)?shù)的顆粒濃度是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。SPLS技術(shù)使您可以深入了解復(fù)雜的納米和亞微米顆粒系統(tǒng)，從而幫助您設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)難度

生產(chǎn)過(guò)程中，LPC濃度可能因工藝波動(dòng)而發(fā)生變化，因此需要高靈敏度的在線監(jiān)測(cè)手段，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和工藝優(yōu)化。然而，傳統(tǒng)的離線檢測(cè)方法無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，且無(wú)法及時(shí)反饋工藝調(diào)整信息。

近年來(lái)，一些先進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸應(yīng)用于鋰電池漿料的生產(chǎn)過(guò)程。例如，Accusizer FX系統(tǒng)不僅適用于實(shí)驗(yàn)室分析，還可以配置為現(xiàn)場(chǎng)使用點(diǎn)（POU）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漿料中大顆粒的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)通過(guò)多通道檢測(cè)和自動(dòng)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(guò)引入自動(dòng)化稀釋和多通道檢測(cè)技術(shù)，Accusizer FX系統(tǒng)能夠在不同濃度和粒徑范圍內(nèi)提供可靠的LPC數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升了生產(chǎn)過(guò)程的可控性和產(chǎn)品質(zhì)量。

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

五、電池材料 LPC 檢測(cè)的解決方案

針對(duì)鋰電池漿料中LPC檢測(cè)的挑戰(zhàn)，包括低濃度大顆粒的精準(zhǔn)檢測(cè)、高粘度漿料的測(cè)量復(fù)雜性以及LPC濃度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)難度，現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。通過(guò)采用單粒子光學(xué)傳感技術(shù)（SPOS）以及單粒子光散射技術(shù)（SPLS）技術(shù)，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以有效提高LPC檢測(cè)的精度和效率，為鋰電池生產(chǎn)的質(zhì)量控制提供有力支持。

AccuSizer及LUMiSpoc在各個(gè)環(huán)節(jié)的LPC檢測(cè)應(yīng)用點(diǎn)

5.1 原材料檢測(cè)

在原材料采購(gòu)和入庫(kù)環(huán)節(jié)，使用AccuSizer SPOS技術(shù)以及LUMiSpoc SPLS可以對(duì)正負(fù)極材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等進(jìn)行LPC檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)原材料中的大顆粒含量，可以提前篩選出質(zhì)量不合格的材料，避免其進(jìn)入后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。例如，對(duì)正極材料進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)是否存在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的大顆粒團(tuán)聚物；對(duì)負(fù)極材料進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以檢查石墨顆粒是否因粉碎工藝不當(dāng)而產(chǎn)生大顆粒。

5.2 漿料制備過(guò)程

在漿料制備過(guò)程中，LPC檢測(cè)尤為重要。使用AccuSizer SPOS技術(shù)以及LUMiSpoc SPLS可以在攪拌、混合和過(guò)篩等工序后對(duì)漿料進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)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(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)攪拌時(shí)間不足可能導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚，增加大顆粒含量；而攪拌速度過(guò)高則可能破壞顆粒的結(jié)構(gòu)，影響電池性能。通過(guò)調(diào)整攪拌速度和時(shí)間，結(jié)合SPOS及SPLS技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果，可以制備出粒徑分布均勻、無(wú)大顆粒的漿料。

5.3 涂布工藝

涂布是鋰電池制備中的關(guān)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(cè)技術(shù)可以在涂布前對(duì)漿料進(jìn)行檢測(cè)，確保漿料中無(wú)大顆粒，從而提高涂布的均勻性。在涂布過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)涂布后的極片，可以發(fā)現(xiàn)是否存在因涂布工藝不當(dāng)而產(chǎn)生的大顆粒。例如，涂布速度過(guò)快可能導(dǎo)致涂層厚度不均勻，出現(xiàn)大顆粒；通過(guò)結(jié)合LUMiSpoc技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果，可以優(yōu)化涂布工藝參數(shù)，提高涂布質(zhì)量。

結(jié)論

鋰電池材料中的LPC對(duì)電池涂布工藝和最終性能有著重要的影響。通過(guò)使用AccuSizer SPOS技術(shù)和LUMiSpoc技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LPC的高精度檢測(cè)，為電池材料的質(zhì)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(cè)、漿料制備、涂布工藝和電池組裝等各個(gè)環(huán)節(jié)，LPC檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)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(duì)LPC檢測(cè)技術(shù)的需求