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能市場對高性能鋰電池需求的不斷增長，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數(shù)（Large Particle Counts，LPC）對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，隨著檢測技術(shù)和自動化控制技術(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

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，同時允許鋰離子通過；電解液則為鋰離子的傳輸提供介質(zhì)。

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、動力鋰電池和儲能鋰電池。不同的分類方式反映了鋰電池在不同應(yīng)用場景中的多樣化需求。

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。

• 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。

鋰電池涂布工藝主要包括以下幾種方式：

• 刮刀式涂布

通過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。刮刀式涂布工藝簡單、成本低，但涂布精度相對較低。

• 狹縫式涂布

漿料通過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載體上，然后通過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。

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——自動糾偏——涂布——干燥——自動糾偏——張力控制——自動糾偏——收卷

圖2. 鋰電池涂布工藝圖^[3]

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、長壽命、快充方向發(fā)展，對涂布工藝的要求也越來越高。而在這一過程中，有一個常被忽視、卻影響深遠(yuǎn)的“隱形殺手"——大顆粒（LPC）。

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^程中對涂布、干燥和電池性能產(chǎn)生不利影響。

部分原材料在生產(chǎn)過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)過程中可能出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，負(fù)極材料在粉碎過程中可能產(chǎn)生較大的顆粒。

在配料、攪拌、涂布等過程中，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。

漿料在攪拌、過篩或轉(zhuǎn)移過程中，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。

LPC的存在會導(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。在涂布過程中，顆粒分布不均勻還會導(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]

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)致局部過充或過放，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。

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控制不佳會導(dǎo)致涂布過程中的廢品率增加，降低生產(chǎn)效率。同時，頻繁的設(shè)備清洗和維護(hù)也會增加生產(chǎn)成本。

圖3. 鋰電池材料中 LPC 對電池產(chǎn)品的影響

圖4.涂布工藝中大顆粒的來源及危害

圖5. 鋰電池材料中LPC檢測的難點(diǎn)

圖6. SPOS原理

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，影響測量的準(zhǔn)確性。濃度高的樣品會導(dǎo)致多散射現(xiàn)象，這使得光學(xué)檢測方法（如動態(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)致顆粒在測量過程中發(fā)生聚集，進(jìn)一步影響檢測結(jié)果。對于SPOS單顆粒傳感技術(shù)而言，其宗旨是確保顆粒一顆顆進(jìn)行計數(shù)，從而確保其分辨率和準(zhǔn)確性。對于高濃度的樣品而言，其在經(jīng)過SPOS傳感器時也要確保顆粒濃度在合適范圍，避免將多個顆粒當(dāng)成一個顆粒進(jìn)行計數(shù)。美國PSS粒度儀（現(xiàn)歸屬于Entegris公司）專為其AccuSizer顆粒計數(shù)器系列開發(fā)出兩套自動稀釋系統(tǒng)，分別是自動稀釋系統(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間成本。將樣品自動稀釋后，保證粒子“單個"通過傳感器，開始采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)稀釋因子自動還原樣品的原始顆粒濃度，解決了高濃度樣品的檢測難題。

圖7. AccuSizer系列稀釋原理及實(shí)物圖

LUMiSpoc是一款單顆粒計數(shù)儀(納米級)，類似于流式細(xì)胞儀，它以高分辨率和動態(tài)范圍測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)記錄單個納米和微米顆粒在通過具有特殊光束橫截面的激光束時小角度和側(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

• 計數(shù)效率高（高頻數(shù)字化、脈沖分析和分級）

• 寬泛的動態(tài)范圍（可測40nm~8µm的粒徑），無需切換范圍或改變組件

• 檢測時間短

• 易于操作、清潔

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

通過在光學(xué)流通池中進(jìn)行流體動力聚焦，將單個粒子排列成一條直線。這樣，通過壓力差產(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態(tài)調(diào)整（因數(shù)35），而無需改變機(jī)械部件。因此，可以容易地將流動條件調(diào)整為樣品濃度，從而避免濃度峰值的影響。

當(dāng)單個粒子穿過激光束時，光會在所有方向上散射。通過兩個PMT同時記錄光的前向和側(cè)向散射，并在放大和數(shù)字化后進(jìn)行實(shí)時分析。為每個粒子計算的散射光強(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。測量，數(shù)據(jù)存儲和分析由軟件平臺SEPView®提供支持。

可以同時確定每個確定的尺寸分?jǐn)?shù)的顆粒濃度是一個很大的優(yōu)勢。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)計定制的顆粒和分散體。其原理圖如下所示：

圖8. LUMiSpoc SPLS原理

生產(chǎn)過程中，LPC濃度可能因工藝波動而發(fā)生變化，因此需要高靈敏度的在線監(jiān)測手段，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測和工藝優(yōu)化。然而，傳統(tǒng)的離線檢測方法無法滿足實(shí)時監(jiān)測的需求，且無法及時反饋工藝調(diào)整信息。

近年來，一些在線監(jiān)測技術(shù)逐漸應(yīng)用于鋰電池漿料的生產(chǎn)過程。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)場使用點(diǎn)（POU）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對漿料中大顆粒的實(shí)時監(jiān)測。該系統(tǒng)通過多通道檢測和自動稀釋功能，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，通過引入自動化稀釋和多通道檢測技術(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

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)測技術(shù)可以在涂布前對漿料進(jìn)行檢測，確保漿料中無大顆粒，從而提高涂布的均勻性。在涂布過程中，通過實(shí)時檢測涂布后的極片，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，涂布速度過快可能導(dǎo)致涂層厚度不均勻，出現(xiàn)大顆粒；通過結(jié)合LUMiSpoc技術(shù)的檢測結(jié)果，可以優(yōu)化涂布工藝參數(shù)，提高涂布質(zhì)量。

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