不同拌粉工艺对Li_FeS_2电池性能的影响_余佑锋

110 余佑锋：不同拌粉工艺对Li-FeS2电池性能的影响 不同拌粉工艺对Li-FeS 2电池性能的影响

余佑锋

（福建南平南孚电池有限公司，福建 南平 353000） 摘 要：正极拌粉工艺的优劣对电池的性能有着重要影响，本文简要介绍了两种不同正极拌粉的工艺区别，并讨论了两种工艺对所拌出的正极粉SEM 形貌、正极粉粒径、正极浆料涂布、电池阻抗、电池高压段放电性能的影响。

关键词：Li-FeS2电池；拌粉工艺；放电性能 前言

近年来，随着电子技术的快速发展，尤其是电子游戏机、摄像机、数码照相机等电子产品的广泛应用，对电池的功率及容量等方面的要求越来越高，传统的碱性电池已经难以满足其要求。作为可替代碱性电池使用的一次锂-二硫化铁电池，由于其具有电压平台高、放电比容量高、寿命长、体积轻及无污染等优点，越来越受到人们的关注，目前已逐渐成为电池市场新的生力军。由于一次锂-二硫化铁电池相对普通碱性电池的性能优越性，越来越多的锂-二硫化铁电池开始投放市场，因此对一次锂-二硫化铁电池的广泛深入研究也势在必行。 1 实验

1.1 正极搅拌设备及工艺介绍

图1 V-blender 正极干拌设备示意图

采用传统的V-blender 拌粉工艺进行正极搅拌过程(工

艺A)简介如下：按一定配比准确称取二硫化铁、石墨、乙

A 处

C 处

化学工程与装备

2013年 第4期

110 Chemical Engineering & Equipment 2013年4月

余佑锋：不同拌粉工艺对Li-FeS2电池性能的影响 111

炔黑从入口A 处分别加入到V 型的搅拌缸中，设置搅拌参数：搅拌缸公转速度设定10转/分钟，加强桨B 的搅拌速度1100转/分钟， 搅拌时间30分钟，然后C 处卸料并检测参数。

图2 日本Hosokawa 正极拌粉流程图

采用日本Hosokawa 拌粉工艺进行正极搅拌过程(工艺B)简介如下：首先称取一定量的FeS2投入到ACM-10研磨机研磨（Pulverizing） 10分钟，然后再称取一定量的石墨与乙炔黑分别投入到预拌机中与研磨后的FeS2一起预先搅拌（pre-mixing）3分钟，预拌后的正极粉在NOB-450涂覆机中再进行搅拌涂覆，时间控制在40分钟，然后卸料并检测参数。 1.2 电池制作

在制作一次锂-二硫化铁电池的过程中，首先，将FeS 2

与导电石墨、乙炔黑搅拌成正极粉，然后按一定比例混合到溶解有粘结剂的胶溶液中进行搅拌以制成正极浆料，将该浆料均匀涂布在正极导电基材（集流体）铝箔上，然后对其进行真空干燥、辊压、分切处理而得到正极片；接着将正极极耳连接到正极片上以形成正极结构；选择特定尺寸的金属锂作为负极极片，然后，将负极极耳连接到负极片上以形成负

极结构；接下来，将正极结构、负极结构和隔膜卷绕在一起形成圆柱型电芯；最后，将电芯放入圆柱型电池壳体中，注入有机电解液，轧线，封口、清洗、预放电后得到FR6型一次锂-二硫化铁电池。

本次实验分别采用正极搅拌工艺A 与工艺B 搅拌出两种正极粉，按照上述的电池制作工序分别制作出两种FR6电池，并分别进行参数检测。 2 结果与讨论

2.1 对正极粉SAD 及表面颜色的影响

表1

检测项目 工艺A 工艺B 表面颜色 灰白色 暗黑色 SAD（g/cc） 0.61

0.75

从上表可以看出，两种工艺搅拌出来的正极粉表面颜色与SAD 有一定的区别，采用工艺B 拌出的正极粉颜色更深且SAD 更大。

2.2 对正极粉粒径分布的影响

图3 工艺A 拌出的正极粉粒径分布

图4 工艺B 拌出的正极粉粒径分布

表2

累积（%，D） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 工艺A 12.3818.11 23.2828.4733.7839.4245.8854.36 69.23 86.69粒径（um） 工艺B

4.818

7.858

11.27

14.94

18.78

22.90

27.61

33.67

43.85

55.15

2

112 余佑锋：不同拌粉工艺对Li-FeS2电池性能的影响

从以上图表可以看出，采用工艺B所拌出的正极粉D50

明显比工艺A小。

2.3 正极粉SEM形貌

图5 工艺A拌出的正极粉SEM图

图6 工艺B拌出的正极粉SEM图

从两种工艺拌出的正极粉SEM形貌图可以看出，采用工

艺B的正极粉FeS2 大颗粒表面覆盖的石墨与乙炔黑小颗粒

明显更多更致密。

2.4 对正极浆料涂布的影响

搅拌好的正极粉需要与溶解有粘结剂的胶溶液按一定

比例进行搅拌以制成正极浆料，然后在涂布机上将该浆料均

匀地涂布在正极导电基材（集流体）铝箔上，浆料里的颗粒

大小是该工序生产需要控制的一个重要指标，颗粒如果太

大，不仅影响到涂布机的正常涂布效率，而且涂出的正极片

表面会产生许多深浅不一的划痕，不仅影响外观，对极片重

量的均匀性也造成一定的影响。

图7 采用工艺A正极粉拌出的浆料Hegman图

图8 采用工艺B正极粉拌出的浆料Hegman图

表3

Viscosity

粘度

Solid

固含量

Hegman

浆料粒径

Coating visual

正极片外观 工艺A

12747 cps 66.50%

Average:50-55um

Max:80-90um

obvious streaks on the coating surface and

the coating surface is coarse极片表面很粗

糙而且有明显条纹

2

余佑锋：不同拌粉工艺对Li-FeS2电池性能的影响 113

工艺B

11917 cps

66.41%

Average:30-35um Max:50-60um

Tiny streaks on the wet coating surface

which disappear after drying and smooth coating surface

湿的极片表面有轻微条纹，干燥后条纹消失且比较光滑

从上表可以看出，采用工艺B 正极粉拌出的浆料颗粒明显比工艺A 的小，而且在涂布机上涂出的极片表面更光滑，没有明显的划痕，而工艺A 的极片表面更粗糙，划痕多而粗。

2.5 对电池阻抗的影响

图9 两种工艺制成的FR6电池阻抗分析图

从阻抗分析图可以看出，工艺B 正极粉制成的电池不管接触电阻还是化学电阻均比工艺A 的低，相对工艺A 的拌粉特点，工艺B 主要有两个不同寻常的特点：一是采用了ACM-10研磨机对FeS 2 大颗粒进行研磨（Pulverizing），然后再与石墨、乙炔黑进行预拌（Pre-mixing），使正极粉的平均粒径D50达到了18.78um，而工艺A 的平均粒径D50高达33.78um；二是经过预拌后的正极粉在NOB-450设备中进行搅拌涂敷40分钟（Coating），石墨、乙炔黑被充分地涂覆到FeS 2 小颗粒表面上。因此，经过工艺B 处理的正极粉不但粒径大大降低，而且石墨、乙炔黑导电剂均匀地包覆在了FeS 2 小颗粒表面上，这样大大增加了正极电极的导电网络，大大降低了电极放电过程中的电化学极化，所以从阻抗图中可以看出，工艺B 正极粉制成的电池不管接触电阻还是化学电阻均比工艺A 的低。 2.6 对电池高压段放电性能的影响

表4

放电模式 工艺A

工艺B

放电模式一（数码相机）：1500mw/650mw，2s/28s，5m/1h，

24h/d

ANSI Fresh to 1.05V（次）（新电放至1.05 V）

525

616

ANSI Fresh to 0.9V（次）（新电放至0.9 V） 671

701

60℃20D to 1.05V（次）（60℃考核20天放至1.05V）

522

605

60℃20D to 0.9V（次） （60℃考核20天放至0.9V）675

701

放电模式二：1000mA，24h/d Fresh to 1.0V（min） 140 168 Fresh to 0.9V（min）

156

177

工艺B 制成的电池放电高压段（616次）明显高于工艺A 的电池（525次）。 3 结论 （1）相对于传统的正极搅拌方式，工艺B 由于其特殊的两道工序，即研磨（Pulverizing）与涂覆（Coating）工序，使电池的放电性能得到大大提升；其原因分析如下：其一是通过对二硫化铁大颗粒的研磨，不但大大降低了正极粉的平均粒径，同时正极粉的视比重SAD 也得到提高，这无形中就增加了电池正极的装载量，而且正极粉拌出的浆料颗粒更小，在涂布机上涂出的极片表面更光滑，没有明显深浅不一的划痕，也提高了电池正极片的均匀性。其二是通过对石墨与乙炔黑导电剂在二硫化铁表面上的涂覆过程，使得FeS 2 小颗粒表面相对均匀地包覆上了一层导电剂，相对传统的搅拌方式很大程度地增加了正极电极的导电网络，电极放电过程的电子通道更加密集，大大降低了电极放电过程中的电化学极化，所以电池的放电性能特别高压段的性能得到明显提升。

（2）正极拌粉工艺的好坏对电池的电性能特别是大电流性能产生重要影响，本文论述的工艺B 相对传统的工艺特点，具有一定的工艺优势，不仅适用于一次锂-二硫化铁电池的生产，也可以作为其它类型电池生产的参考。

参考文献

[1] 屠海令, 等. 先进电池—电化学电源导论[M]. 2版.

北京: 冶金工业出版社, 2006: 138-140. [2] Particle Design. Process Technologies for

Tomorrow[M]. HOSOKAWA MICRON CORPORATION, 1-15.

The Effects of Different Cathode Powder-mixing Process on Li-FeS2 Battery Performance

YU You-feng

(Fujian Nanping Nanfu Battery Co.Ltd, Nanping Fujian 353000)

Abstract: Cathode powder-mixing process has a great influence on battery performance. This article brief on difference between two cathode powder-mixing process and analyze how the process affect the SEM micrographs, particle size distribution, slurry coating process, battery internal resistance and battery performance of high voltage discharge.

Keywords: Li-FeS2 battery; powder-mixing process; discharge performance

（上接第109页）_________________________________________________________________________________________

图2 V2504、P2501操作步骤简图

（3）氨压缩机开车初期，各段分离器液位上升快，中间氨罐液位居高不下，需频繁启动液氨泵降液位，原因是系统负荷低，氮气含量高，各段入口温度超指标，降温副线开度大，大量液氨返回各分离器，从而造成各分离器液位高涨。随负荷加大，入口温度大大降低，降温副线开度大幅减小，各分离器液位逐渐趋于正常。

（4）氨压缩机后置隔离气为0.4MPa氮气，当压力低压0.25MPa后，连锁停车。空分自开车以来，频繁跳车，跳车后，就断0.4MPa氮气，而2.5MPa氮气因有后备系统，可以正常供应。故为避免C2501因后置隔离气压力低跳车，将2.5MPa氮气配置0.4MPa氮气管上，中间加减压阀。

5 结语

汽轮机与离心式压缩机的组合有很多优点：低耗能、效率高、体积小、运行稳定，醇氨联产装置用氨制冷也是节省成本、节能降耗的好选择。

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