技術π丨從多角度探討影響極片剝離強度的因素

極片剝離強度影響電池的電化學性能，影響極片剝離強度的因素有：電芯設計、工藝控制、質量控制等多方面，詳情請看下文。

極片的剝離強度指的是，正負極鋰電池電極中活性材料與箔材之間的粘結性能的大小，通常可以用N或N/m來表示。測試方式是固定極片的寬度和長度，使用一定規格的膠帶，利用拉力測試機來測試極片的剝離強度。測試方法有橫向拉伸和縱向拉伸，兩種方法測試結果略有差異，在用來指導日常生產時最好使用同樣的設備。

圖1.拉力試驗機

鋰離子電池電極的剝離強度對電池性能的影響極大，剝離強度低時，在經過多次循環充放電後，活性物質會從箔材表面剝離、脫落，造成電池容量的衰減，循環壽命縮短。剝離強度低是造成鋰電池失效的主要模式之一。只有知道影響極片剝離強度的因素，才能有的放矢的克服這種異常，下面來從多角度進行分析：

電芯設計角度

從電芯設計角度考慮，主要是電池原材料中粘結劑的配比、選擇問題。從容量設計角度，選擇的粘結劑用量越少越好，越便宜越好，但是越少、越便宜，代表粘結劑質量穩定性、極片的剝離強度就會越低。需要在電池性能和材料選擇中間達到一個平衡。目前正極所用粘結劑主要是PVDF，負極所用粘結劑主要是SBR和CMC，舉例如下：

圖2.SBR用量對負極極片剝離強度的影響

從圖中可以看出，隨著SBR用量的增多，輥壓前後極片的剝離強度均逐漸升高。隨著負極漿料中SBR含量從1.25%增大到2.99%，輥壓前極片剝離強度從11.07 N/m上升至97.33N/m，平均提高了779.22%；輥壓後極片剝離強度從9.2N/m上升至41.77 N/m，平均提高了354. 02%。

但是需要注意的是，並不是SBR含量越高越好，SBR含量增高會使極片更易脆性斷裂，同時也影響了電池容量和倍率性能。此外，在負極極片中SBR與CMC的比例配合也同樣重要。

原材料角度

原材料的波動會造成生產中極片產品的一致性波動，極片剝離強度波動再次造成電池產品長期性能的不一致性。原材料的參數主要有粒徑、比表面積、殘鹼量、振實密度、克容量、pH值、水分等等。在這些屬性中，影響極片剝離強度的主要有粒徑分布、比表面、殘鹼量、水分等。在原材料管控中，如果不同批次的粒徑分布差異比較大，那麼就會影響比表面積，從而在同樣比例的粘結劑用量下，造成粘結劑分布的不一致性，影響到極片的剝離強度。對於使用PVDF的正負極體系而言，水分也是影響剝離強度的重要因素，要嚴格控制活性物質、導電劑、溶劑中的水分含量。

製漿工藝角度

假若電芯設計已固化、原材料來料穩定性好，在製漿環節涉及到的是粘結劑是否均勻分散。在有限的粘結劑用量下，如何將粘結劑均勻分散是調整工藝的問題。那麼，說個題外話，鋰電池漿料是分散越均勻，電池性能越好嗎？並不是，在一篇文獻中給出了這樣的結論：

圖3.不同分散程度示意圖

將鋰電池漿料過度分散後，漿料中導電劑的分布處於極其均勻的程度，如上圖c所示，這樣的話就破壞了導電劑的網絡結構，均勻包覆在活性顆粒表面，但是在電極整體之間未形成橫向縱向良好的導電結構，這樣也會影響鋰電池倍率性能，最好的狀態是上圖b中的狀態。回歸主題，如何讓鋰電池中粘結劑均勻分散，鋰電派之前的文章中已經講過不少，主要是通過分步加料、調整不同階段固含量、調整分散速度、時間、控制反應溫度等條件來實現，朋友們可以多翻翻以前的文章。

塗布工藝角度

將分散均勻的漿料塗敷在銅箔或鋁箔表面，製成一致性良好的電極。塗布過程影響極片剝離強度的因素有：箔材、塗布速度、烘箱溫度、風速等。箔材表面有異物、達因值不合格，會影響剝離強度。塗布速度對剝離強度的影響圖4所示：

圖4.不同塗布速度對極片剝離強度的影響

隨著塗布速度升高，極片剝離強度出現先上升後下降的趨勢，其實塗布速度對剝離強度的根本性影響因素是乾燥速度，也就是烘箱溫度梯度的設計。我們追求較快的塗布速度時，必須要極片烘乾，這樣就需要調整溫度，不合適的溫度梯度會導致粘結劑的上浮，這樣就會造成剝離強度降低。粘結劑的上浮動力學原理，鋰電派之前也分析過。

塗布過程中，不同的烘乾溫度和區間設置對粘結劑的遷移和粘結性能有重要的影響，塗布溫度與粘結劑的結晶性和粘結性有重要的關係，所以首先要確認最佳的烘乾溫度，其次要確定影響粘結劑遷移的溫度區間，最後經過溫度區間設計實驗來得到較優的烘乾溫度，舉例如下：

圖5.選擇最佳烘乾溫度

首先，確定某種鋰電池漿料下在不同溫度下烘烤相同時間（15min）的剝離強度。溫度設計為90、120、130、140、150、160、170℃，在120℃時剝離強度最低，說明在此溫度下，烘烤的溫度梯度太明顯，引起了粘結劑較嚴重的遷移，影響了極片剝離強度，其中粘結劑遷移負面影響＞粘結劑性能發揮。在140℃以後，剝離強度較高，此時粘結劑性能發揮＞粘結劑遷移的負面影響。

圖6.選擇最佳烘乾溫度區間

其次，確定不同烘乾區間的溫度設定。在4節烘箱實驗中，前兩節溫度一致，後兩節溫度一致，分別設定不同的溫度梯度，如上圖所示，可以得出在90-150℃的溫度區間設置下極片剝離強度最大，120-150℃剝離強度最小。可知，120℃下烘烤對粘結劑的遷移影響極大，在逐步升高溫度過程中，溶劑NMP快速通過毛細管效應蒸髮帶動粘結劑的遷移，遷移程度最大，剝離強度最低。90-150℃的溫度梯度時，90℃下讓溶劑緩慢蒸發，粘結劑無遷移或遷移較慢，後續通過150℃下烘箱，將粘結劑固定下來，並將粘結性發揮到最優，因此達到了剝離強度的最佳值。

這給我們研發、生產時的極片烘乾的溫度梯度設計提供了參考，我們可以將不同溫度再細化，確定更準確的溫度範圍，在溫度設計時使粘結劑性能發揮佔主導，降低粘結劑的遷移。但是，在實際生產中隨著對產量要求、質量要求，速度的調整也伴隨著溫度的調整，需要全盤考慮。

總結

總之，極片的機械性能對電池產品性能影響極大，在電極製造過程中要給予重視，並能夠在日常工作中得出經驗，分析異常，提高產品一致性。