為了促進電化學反應的進行,降低電極反應的阻力,絕大多數的鋰電池活性材料都使用粉體材料,包括鋰電池的正極材料、負極材料、粘接劑材料、導電劑材料。鋰電池的活性材料都要經過配料,與相應的溶劑相混合,攪拌分散(或溶解)均勻,制成漿料的工序,才能用于鋰電池的制造。
在合漿的過程中,粉體的活性材料中的小顆粒容易形成粉塵污染,弄臟工作環境。投料結束包裝袋中殘余少量粉體的活性材料,也容易弄臟工作環境。以磷酸鐵鋰正極材料和碳納米管導電劑為代表,粉塵污染的情況尤其嚴重。
以PVDF材質包裝袋來說明,規格350mmx460mm大小的袋子,厚度是40微米,重量是21.76g,容積是8升。這樣的袋子,在NMP里常溫攪拌下5分鐘就溶解了。用來裝磷酸鐵鋰材料的話,可以裝6公斤左右,這樣袋子相對磷酸鐵鋰的重量比就是21.76/6000=0.36%。而磷酸鐵鋰正極配方里常見的PVDF添加量相對正極是2.5%,也就是說PVDF袋子相對整個PVDF粘接劑的量才14.4%,對整個粘接效果沒什么太明顯改變和影響,也不會帶來雜質,因為PVDF包裝袋和粘接劑都是PVDF材質。就算配方里把PVDF粘接劑的量相對磷酸鐵鋰正極降到1.5%,PVDF袋子相對整個PVDF粘接劑的量才24%。這個可溶包裝袋,其實只是提供一層簡單的防粉體泄露的膜就可以。在生產實際里,主要包裝強度靠鋁塑膜包裝外袋來提供,里面有一層薄的可溶PVDF包裝袋就可以。
用來裝三元NCA和NCM材料的話,需要用規格350mmx460mm大小厚度80微米的PVDF袋子,重量是43.52g,容積是8升,可以裝17公斤左右的NCA和NCM正極材料。這樣的袋子,在NMP里常溫攪拌下5分鐘就溶解了。相對正極PVDF,袋子的重量比是43.52/17000=0.26%。而三元材料正極配方里常見的PVDF添加量相對正極是1.5%,也就是說PVDF袋子相對整個PVDF粘接劑的量才17.3%,對整個粘接效果沒什么太明顯影響,也不會帶來雜質,因為PVDF袋子就是PVDF材質的。就算配方里把PVDF粘接劑的量相對正極降到1.0%,PVDF袋子相對整個PVDF粘接劑的量才26%。
目前能帶來立竿見影改變的是,用可溶PVDF包裝袋工藝處理導電劑—導電炭黑、導電石墨、碳納米管和PVDF粘接劑本身。這幾種材料,PVDF袋子帶來的影響是完全可以忽略不計的。對于導電劑SP的投料,粉塵非常嚴重,迫切需要可溶包裝袋的技術來改善投料的操作環境。這個效果是立竿見影的,也沒有副作用。導電炭黑SP去年國內銷售了幾千噸。這樣的技術對負極材料也是適用的,包裝袋的材質采用水溶性的高分子材質就好。
這樣做的好處在于:
1、完全避免使用鋰電池粉體活性材料過程中的粉塵污染;
2、可以快速投料;
3、易于實現自動化;
4、不需要復雜的噸袋投料和氣流輸送工藝,節約投料設備投資和費用,也不需要后期維護投料設備;
5、無需二次稱重計量,可以精確重量投料;
6、避免敏感的電池材料(例如NCA)接觸空氣里的水和灰塵,避免投料過程的空氣污染、輸送機械帶來的污染、輸送設備磨損的污染;
7、保護工人健康,完全杜絕粉塵危害;
8、制作高質量的電池需要高度清潔的環境,絕對的無粉塵污染是先進電池企業必須的。
2016年中國國內鋰電池正極材料產量16.16萬噸,同比增長43%,產值超過200億元。2016全年國內負極材料產量12.25萬噸,同比增長68.27%,2016年負極材料產值為66.39億元,同比增長64%。以常見的25公斤一個包裝袋來計算,中國每年正極材料行業需要646萬個這樣的包裝袋;每年負極材料行業需要490萬個這樣的包裝袋;還有粘接劑和導電劑行業也需要這樣的可溶包裝袋無塵合漿工藝。通過可溶解的包裝袋實現清潔合漿過程的技術解決方案,向大型鋰電池廠提供這樣的解決方案,附加技術費收費,是可行的。
整個電池行業相關材料,都會在未來幾倍的增長,這樣的無塵合漿工藝解決方案需求范圍也會幾倍的增長。所有的鋰電池廠都適用這樣的技術,沒有排他性。已經進行了相應的知識產權保護布局,沒有惡性競爭。筆者希望這樣的無塵合漿工藝解決方案,能為中國鋰電池生產大型化、自動化、人性化上貢獻一點力量。