鋰電池電芯漿料製作的傳統工藝和基本原理

鋰電池電芯漿料攪拌是混合分散工藝在鋰離子電池的整個生產工藝中對產品的品質影響度大於30％，是整個生產工藝中最重要的環節。

鋰離子電池的電極製造，正極漿料由粘合劑、導電劑、正極材料等組成；負極漿料則由粘合劑、石墨碳粉等組成。正、負極漿料的製備都包括了液體與液體、液體與固體物料之間的相互混合、溶解、分散等一系列工藝過程，而且在這個過程中都伴隨著溫度、粘度、環境等變化。在正、負極漿料中，顆粒狀活性物質的分散性和均勻性直接響到鋰離子在電池兩極間的運動，因此在鋰離子電池生產中各極片材料的漿料的混合分散至關重要，漿料分散質量的好壞，直接影響到後續鋰離子電池生產的質量及其產品的性能。

在傳統工藝上再進行超細分散，這是因為：通過傳統混合與攪拌設備，只能夠將溶液中的大粉團打散，並均勻分布；但是，粉體形態是以微細粉團形態存於溶液之中，僅滿足了宏觀分散的加工要求。經過宏觀攪拌與分散後的漿料，在超細分散均質設備的強烈機械切割力作用下，能夠將溶液中的微細粉團或固體顆粒團聚體進一步打散和均質，得到足夠細小的固體顆粒，並均勻分布於溶液中，達到微觀超細分散均質的作用，可顯著提高漿料綜合性能。

目前傳統漿料工藝是：

（一） 配料：

1．溶液配製：

a） PVDF（或CMC）與溶劑NMP（或去離子水）的混合比例和稱量；

b） 溶液的攪拌時間、攪拌頻率和次數（及溶液表面溫度）；

c） 溶液配製完成後，對溶液的檢驗：粘度（測試）溶解程度（目測）及擱置時間；

d） 負極：SBR＋CMC溶液，攪拌時間和頻率。

2．活性物質：

a） 稱量和混合時監控混合比例、數量是否正確；

b） 球磨：正負極的球磨時間；球磨桶內瑪瑙珠與混料的比例；瑪瑙球中大球與小球的比例；

c） 烘烤：烘烤溫度、時間的設置；烘烤完成後冷卻後測試溫度。

d） 活性物質與溶液的混合攪拌：攪拌方式、攪拌時間和頻率。

e） 過篩：過100目（或150目）分子篩。

f） 測試、檢驗：

對漿料、混料進行以下測試：固含量、粘度、混料細度、振實密度、漿料密度。

除了明確製作的傳統工藝外，還需要了解鋰電池漿料的基本原理。

膠體理論

導致膠體粒子團聚的主要作用，是來自粒子間的範德華力，若要增加膠體粒子穩定性，則由兩個途徑，一是增加膠體粒子間的靜電排斥力，二為使粉體間產生空間位阻，以這兩種方式阻絕粉體的團聚。

最簡單的膠體系統系由一分散相與一相分散媒介所構成，其中分散相尺度範圍於10－9～10－6m間。膠體內的物質存在於系統內需具有一定程度以上的分散能力。根據溶劑與分散相的不同而可產生多種不同的膠體型態，如：霧氣即為液滴分散於氣體中之氣膠、牙膏即固態高分子微粒分散在液體中的溶膠。

膠體的應用在生活中比比皆是，而膠體的物理特性需視分散相與分散介質的不同而有所差異。從微觀角度觀察膠體，膠體粒子並非處於恆定狀態，而是在介質內隨機運動，這便是我們所稱的布朗運動（Brownian motion）。絕對零度以上，膠體粒子均會因熱運動而發生布朗運動，這便是微觀膠體的動力學特性。膠體粒子因布朗運動而產生碰撞，是為團聚（aggregate）發生的契機，而膠體粒子在熱力學上處於不穩定狀態，因而粒子間的交互作用力為分散的關鍵因素之一。

雙電層理論

雙電層理論可用以解釋膠體中帶電離子的分布情形，以及粒子表面所產生的電位問題。19 世紀Helmholtz 提出平行電容器模型以描述雙電層結構，簡單的假設粒子帶負電，且表面如同電容器中的電極，溶液中帶正電的反離子因異電荷相吸而吸附在粒子表面。然而這個理論卻忽略了帶電離子會因熱運動產生擴散行為。

因此，在20世紀初Gouy與Chapman 提出擴散雙電層模型，在溶液中的反離子會因靜電作用吸附於帶電粒子表面，同時受熱運動影響而在粒子周圍擴散。因此，反離子在溶液中的分布濃度將隨粒子表面的距離增加而下降。1924 年，史特恩（Stern）將平行電容器與擴散雙電層兩種模型加以結合，以描述雙電層結構。Stern認為反離子會在粒子表面形成緊密的吸附層，亦稱Stern layer，隨著與粒子表面距離增加，粒子的電位會呈現線性下降，同時Stern layer外亦有擴散層的存在，並且粒子於擴散層中的電位會隨距離增加而指數下降。

下圖為Stern雙電層模型，zeta電位（ξ，Zeta potential）為雙電層模型中極重要的參數，實際測量時並無法直接測得粒子的表面電位，但可由聲波法或是電泳法計算出粒子的zeta電位。雙電層模型中Stern 層與擴散層間的剪切平面上存在zeta電位。

zeta電位與膠體的分散穩定性有密切的關係，當zeta電位愈大時，膠體粒子表面上的靜電荷愈多，當粒子於水溶液中的zeta電位達到±25～30mV 以上時，膠體有足夠的靜電排斥力克服粒子間的範德華力以維持膠體穩定性。

Stern 雙電層模型