技术π丨从多角度探讨影响极片剥离强度的因素
导读
极片剥离强度影响电池的电化学性能，影响极片剥离强度的因素有：电芯设计、工艺控制、质量控制等多方面，详情请看下文。
极片的剥离强度指的是，正负极锂电池电极中活性材料与箔材之间的粘结性能的大小，通常可以用N或N/m来表示。测试方式是固定极片的宽度和长度，使用一定规格的胶带，利用拉力测试机来测试极片的剥离强度。测试方法有横向拉伸和纵向拉伸，两种方法测试结果略有差异，在用来指导日常生产时最好使用同样的设备。
图1.拉力试验机
锂离子电池电极的剥离强度对电池性能的影响极大，剥离强度低时，在经过多次循环充放电后，活性物质会从箔材表面剥离、脱落，造成电池容量的衰减，循环寿命缩短。剥离强度低是造成锂电池失效的主要模式之一。只有知道影响极片剥离强度的因素，才能有的放矢的克服这种异常，下面来从多角度进行分析：
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电芯设计角度
从电芯设计角度考虑，主要是电池原材料中粘结剂的配比、选择问题。从容量设计角度，选择的粘结剂用量越少越好，越便宜越好，但是越少、越便宜，代表粘结剂质量稳定性、极片的剥离强度就会越低。需要在电池性能和材料选择中间达到一个平衡。目前正极所用粘结剂主要是PVDF，负极所用粘结剂主要是SBR和CMC，举例如下：
图2.SBR用量对负极极片剥离强度的影响
从图中可以看出，随着SBR用量的增多，辊压前后极片的剥离强度均逐渐升高。随着负极浆料中SBR含量从1.25%增大到2.99%，辊压前极片剥离强度从11.07 N/m上升至97.33N/m，平均提高了779.22%；辊压后极片剥离强度从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，并不是SBR含量越高越好，SBR含量增高会使极片更易脆性断裂，同时也影响了电池容量和倍率性能。此外，在负极极片中SBR与CMC的比例配合也同样重要。
原材料角度
原材料的波动会造成生产中极片产品的一致性波动，极片剥离强度波动再次造成电池产品长期性能的不一致性。原材料的参数主要有粒径、比表面积、残碱量、振实密度、克容量、pH值、水分等等。在这些属性中，影响极片剥离强度的主要有粒径分布、比表面、残碱量、水分等。在原材料管控中，如果不同批次的粒径分布差异比较大，那么就会影响比表面积，从而在同样比例的粘结剂用量下，造成粘结剂分布的不一致性，影响到极片的剥离强度。对于使用PVDF的正负极体系而言，水分也是影响剥离强度的重要因素，要严格控制活性物质、导电剂、溶剂中的水分含量。
制浆工艺角度
假若电芯设计已固化、原材料来料稳定性好，在制浆环节涉及到的是粘结剂是否均匀分散。在有限的粘结剂用量下，如何将粘结剂均匀分散是调整工艺的问题。那么，说个题外话，锂电池浆料是分散越均匀，电池性能越好吗？并不是，在一篇文献中给出了这样的结论：
图3.不同分散程度示意图
将锂电池浆料过度分散后，浆料中导电剂的分布处于极其均匀的程度，如上图c所示，这样的话就破坏了导电剂的网络结构，均匀包覆在活性颗粒表面，但是在电极整体之间未形成横向纵向良好的导电结构，这样也会影响锂电池倍率性能，最好的状态是上图b中的状态。回归主题，如何让锂电池中粘结剂均匀分散，锂电派之前的文章中已经讲过不少，主要是通过分步加料、调整不同阶段固含量、调整分散速度、时间、控制反应温度等条件来实现，朋友们可以多翻翻以前的文章。
涂布工艺角度
将分散均匀的浆料涂敷在铜箔或铝箔表面，制成一致性良好的电极。涂布过程影响极片剥离强度的因素有：箔材、涂布速度、烘箱温度、风速等。箔材表面有异物、达因值不合格，会影响剥离强度。涂布速度对剥离强度的影响图4所示：
图4.不同涂布速度对极片剥离强度的影响
随着涂布速度升高，极片剥离强度出现先上升后下降的趋势，其实涂布速度对剥离强度的根本性影响因素是干燥速度，也就是烘箱温度梯度的设计。我们追求较快的涂布速度时，必须要极片烘干，这样就需要调整温度，不合适的温度梯度会导致粘结剂的上浮，这样就会造成剥离强度降低。粘结剂的上浮动力学原理，锂电派之前也分析过，具体文章参见：【技术π】粘结剂上浮的动力学分析
涂布过程中，不同的烘干温度和区间设置对粘结剂的迁移和粘结性能有重要的影响，涂布温度与粘结剂的结晶性和粘结性有重要的关系，所以首先要确认最佳的烘干温度，其次要确定影响粘结剂迁移的温度区间，最后经过温度区间设计实验来得到较优的烘干温度，举例如下：
图5.针对粘结剂选择最佳烘干温度
首先，确定某种锂电池浆料下在不同温度下烘烤相同时间（15min）的剥离强度。温度设计为90、120、130、140、150、160、170℃，在120℃时剥离强度最低，说明在此温度下，烘烤的温度梯度太明显，引起了粘结剂较严重的迁移，影响了极片剥离强度，其中粘结剂迁移负面影响＞粘结剂性能发挥。在140℃以后，剥离强度较高，此时粘结剂性能发挥＞粘结剂迁移的负面影响。
图6. 选择最佳温度区间
其次，确定不同烘干区间的温度设定。在4节烘箱实验中，前两节温度一致，后两节温度一致，分别设定不同的温度梯度，如上图所示，可以得出在90-150℃的温度区间设置下极片剥离强度最大，120-150℃剥离强度最小。可知，120℃下烘烤对粘结剂的迁移影响极大，在逐步升高温度过程中，溶剂NMP快速通过毛细管效应蒸发带动粘结剂的迁移，迁移程度最大，剥离强度最低。90-150℃的温度梯度时，90℃下让溶剂缓慢蒸发，粘结剂无迁移或迁移较慢，后续通过150℃下烘箱，将粘结剂固定下来，并将粘结性发挥到最优，因此达到了剥离强度的最佳值。
这给我们研发、生产时的极片烘干的温度梯度设计提供了参考，我们可以将不同温度再细化，确定更准确的温度范围，在温度设计时使粘结剂性能发挥占主导，降低粘结剂的迁移。但是，在实际生产中随着对产量要求、质量要求，速度的调整也伴随着温度的调整，需要全盘考虑。
简短总结
总之，极片的机械性能对电池产品性能影响极大，在电极制造过程中要给予重视，并能够在日常工作中得出经验，分析异常，提高产品一致性。