DQZHAN技術(shù)訊：鋰電池?zé)o塵合漿新工藝及其市場分析
摘要：筆者開發(fā)了一種用于鋰電池粉體活性材料——正極、負(fù)極、導(dǎo)電劑、粘接劑的完全無塵清潔合漿技術(shù)，并進(jìn)行了相應(yīng)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)布局。通過在鋰電池粉體活性材料合漿過程中，使用相應(yīng)的可溶解的包裝袋來包裝粉體的鋰電池活性材料(例如純PVDF材質(zhì)包裝袋)，把可溶解包裝袋和鋰電池粉體活性材料一起投入合漿過程所用的溶劑中，從而實(shí)現(xiàn)清潔合漿的工藝，完全避免合漿過程的粉塵污染。
為了促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，降低電極反應(yīng)的阻力，絕大多數(shù)的鋰電池活性材料都使用粉體材料，包括鋰電池的正極材料、負(fù)極材料、粘接劑材料、導(dǎo)電劑材料。鋰電池的活性材料都要經(jīng)過配料，與相應(yīng)的溶劑(例如NMP或者水)相混合，攪拌分散(或溶解)均勻，制成漿料的工序，才能用于鋰電池的制造。
在合漿的過程中，粉體的活性材料中的小顆粒容易形成粉塵污染，弄臟工作環(huán)境。投料結(jié)束包裝袋中殘余少量粉體的活性材料，也容易弄臟工作環(huán)境。以磷酸鐵鋰正極材料和碳納米管導(dǎo)電劑為代表，粉塵污染的情況尤其嚴(yán)重。
為此，筆者開發(fā)了一種用于鋰電池粉體活性材料的完全無塵清潔合漿技術(shù)，并進(jìn)行了相應(yīng)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)布局。通過在鋰電池粉體活性材料合漿過程中，使用相應(yīng)的可溶解的包裝袋來包裝粉體的鋰電池活性材料(包裝袋外袋還是傳統(tǒng)的鋁塑膜包裝袋，內(nèi)袋是可溶解的包裝袋)，把可溶解包裝袋和鋰電池粉體活性材料一起投入制漿過程所用的溶劑中，從而實(shí)現(xiàn)清潔制漿的過程，完全避免粉塵污染。
以PVDF材質(zhì)包裝袋來說明，規(guī)格350mmx460mm大小的袋子，厚度是40微米，重量是21.76g，容積是8升。這樣的袋子，在NMP里常溫?cái)嚢柘?分鐘就溶解了。用來裝磷酸鐵鋰材料的話，可以裝6公斤左右，這樣袋子相對磷酸鐵鋰的重量比就是21.76/6000=0.36%。而磷酸鐵鋰正極配方里常見的PVDF添加量相對正極是2.5%，也就是說PVDF袋子相對整個(gè)PVDF粘接劑的量才14.4%，對整個(gè)粘接效果沒什么太明顯改變和影響，也不會帶來雜質(zhì)，因?yàn)镻VDF包裝袋和粘接劑都是PVDF材質(zhì)。就算配方里把PVDF粘接劑的量相對磷酸鐵鋰正極降到1.5%，PVDF袋子相對整個(gè)PVDF粘接劑的量才24%。這個(gè)可溶包裝袋，其實(shí)只是提供一層簡單的防粉體泄露的膜就可以。在生產(chǎn)實(shí)際里，主要包裝強(qiáng)度靠鋁塑膜包裝外袋來提供，里面有一層薄的可溶PVDF包裝袋就可以。
用來裝三元NCA和NCM材料的話，需要用規(guī)格350mmx460mm大小厚度80微米的PVDF袋子，重量是43.52g，容積是8升，可以裝17公斤左右的NCA和NCM正極材料。這樣的袋子，在NMP里常溫?cái)嚢柘?分鐘就溶解了。相對正極PVDF，袋子的重量比是43.52/17000=0.26%。而三元材料正極配方里常見的PVDF添加量相對正極是1.5%，也就是說PVDF袋子相對整個(gè)PVDF粘接劑的量才17.3%，對整個(gè)粘接效果沒什么太明顯影響，也不會帶來雜質(zhì)，因?yàn)镻VDF袋子就是PVDF材質(zhì)的。就算配方里把PVDF粘接劑的量相對正極降到1.0%，PVDF袋子相對整個(gè)PVDF粘接劑的量才26%。
目前能帶來立竿見影改變的是，用可溶PVDF包裝袋工藝處理導(dǎo)電劑—導(dǎo)電炭黑(特密高公司的SP)、導(dǎo)電石墨(特密高公司的KS-6)、碳納米管和PVDF粘接劑本身。這幾種材料，PVDF袋子帶來的影響是完全可以忽略不計(jì)的。對于導(dǎo)電劑SP的投料，粉塵非常嚴(yán)重，迫切需要可溶包裝袋的技術(shù)來改善投料的操作環(huán)境。這個(gè)效果是立竿見影的，也沒有副作用。導(dǎo)電炭黑SP去年國內(nèi)銷售了幾千噸。這樣的技術(shù)對負(fù)極材料也是適用的，包裝袋的材質(zhì)采用水溶性的高分子材質(zhì)就好。
這樣做的好處在于：
1、完全避免使用鋰電池粉體活性材料過程中的粉塵污染;
2、可以快速投料;
3、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;
4、不需要復(fù)雜的噸袋投料和氣流輸送工藝，節(jié)約投料設(shè)備投資和費(fèi)用，也不需要后期維護(hù)投料設(shè)備;
5、無需二次稱重計(jì)量，可以**重量投料;
6、避免敏感的電池材料(例如NCA)接觸空氣里的水和灰塵，避免投料過程的空氣污染、輸送機(jī)械帶來的污染、輸送設(shè)備磨損的污染;
7、保護(hù)工人健康，完全杜絕粉塵危害;
8、制作高質(zhì)量的電池需要高度清潔的環(huán)境，**的無粉塵污染是先進(jìn)電池企業(yè)必須的。
2016年中國國內(nèi)鋰電池正極材料產(chǎn)量16.16萬噸，同比增長43%，產(chǎn)值超過200億元。2016全年國內(nèi)負(fù)極材料產(chǎn)量12.25萬噸，同比增長68.27%，2016年負(fù)極材料產(chǎn)值為66.39億元，同比增長64%。以常見的25公斤一個(gè)包裝袋來計(jì)算，中國每年正極材料行業(yè)需要646萬個(gè)這樣的包裝袋;每年負(fù)極材料行業(yè)需要490萬個(gè)這樣的包裝袋;還有粘接劑和導(dǎo)電劑行業(yè)也需要這樣的可溶包裝袋無塵合漿工藝。通過可溶解的包裝袋實(shí)現(xiàn)清潔合漿過程的技術(shù)解決方案，向大型鋰電池廠提供這樣的解決方案，附加技術(shù)費(fèi)收費(fèi)，是可行的。
整個(gè)電池行業(yè)相關(guān)材料，都會在未來幾倍的增長，這樣的無塵合漿工藝解決方案需求范圍也會幾倍的增長。所有的鋰電池廠都適用這樣的技術(shù)，沒有排他性。已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)布局，沒有惡性競爭。筆者希望這樣的無塵合漿工藝解決方案，能為中國鋰電池生產(chǎn)大型化、自動(dòng)化、人性化上貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。
