【成果简介】
锂离子电池的性能取决于制造过程中形成的电极的结构和性能，特别是在去除溶剂并形成电极结构的干燥过程中，温度是影响工艺的最主要参数之一。鉴于此，伦敦大学的Dan J.L. Brett教授等人比较了不同温度对NMC622基正极（PVDF基粘合剂）和石墨基负极（水基粘合剂）的影响。在60℃以外的温度下干燥，X射线计算机断层扫描显示出NMC622颗粒集中在正极涂层的表面的现象，而负极则在所有温度下都表现出相似的石墨分布。在60、80、100和120℃干燥的正极的放电容量显示出以下趋势：随着C倍率的增加，干燥温度越高，放电容量越高；而在室温下干燥的正极具有最佳的电化学倍率性能。聚焦离子束SEM和能量色散X射线光谱表明，富含F的粘合剂分布在很大程度上对正极的温度不敏感。相反，随着温度的升高，增强导电性的碳黑在正极中的NMC颗粒的上表面聚集。相反，干燥温度对负极的电化学性能没有显著影响。相关研究成果以“Applications of advanced metrology for understanding the effects of drying temperature in lithium-ion battery electrodes manufacturing process”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。
【核心内容】
图1显示了极片的三级干燥机制，其中阶段1是从浆料相形成半浆料，阶段2进一步去除溶剂，最后阶段3以压实的固体涂层结束。
图1. 极片的三级干燥机制。
图2显示了在室温、60、80、100和120℃下干燥的正极的重建2D正切片和3D体积渲染图。NMC622颗粒在图中清晰可见，其中NMC622颗粒呈圆形、浅灰色，孔隙和粘合剂占据颗粒之间的间隙。同时图中显示了每个正极样品的分段活性材料颗粒的200 μm尺寸的立方体积渲染，说明了正极涂层的内部结构。图2h是一个定制的3D打印支架，用于进行X射线微CT成像。NMC622粒子的X射线衰减系数远大于孔隙或碳粘合剂域(CBD)，因此可以根据其较高的灰度值清楚地识别粒子，从而便于分割和进一步的活性颗粒分布分析。
图2. (a-j)在不同温度下干燥的正极涂层在XZ方向的CT照片及对应的分段区域正极涂层的活性材料颗粒分布；(k)用于X射线微CT成像的定制3D打印支架。
图3说明了在不同温度下干燥的正极的平面不均匀性。粒度分布以不受干燥过程影响的NMC622颗粒为主。图中显示，对于除60℃以外的所有样品，具有更多的NMC622颗粒聚集在涂层表面。然而，对于在RT、60和80℃干燥的正极，在集流体附近有NMC622颗粒部分的团聚。相反，对于在100和120℃下干燥的正极，集流体附近的NMC622颗粒分布相对均匀。
图3. 面积分数图作为距集流体距离的函数，说明了在不同温度下干燥的正极的平面不均匀性,以及不同温度下干燥的电极活性颗粒的相应体积图。
图4中显示了在室温、60、80、100和120℃下干燥的负极的重建2D正切片和3D体积渲染图。石墨颗粒清晰可见，其不规则形状呈浅灰色，孔隙和粘合剂占据了石墨颗粒之间的间隙。结果表明，在室温、60、80、100和120℃下干燥的负极的石墨分布具有相似的形貌，活性材料分布随温度的变化没有显著差异。
图4. 在不同温度下干燥的负极涂层在XZ方向的CT切片图及对应的分段区域负极涂层的活性材料颗粒分布；(k)对于在不同干燥温度下干燥的负极，石墨的面积分数与距集流体距离的关系。
图5显示在RT、60、80、100和120℃下干燥的正负极的FIB-SEM显微照片及对应的C、F、Na元素的EDS分布图。结果表明，在不同温度下干燥的正极的氟分布没有显著差异，这意味着所有正极的粘合剂分布接近均匀。但在不同温度下干燥的正极的碳分布的EDS映射表明，随着温度的升高，碳（黄色方块）在NMC622颗粒顶部的积累更多。相应地，NMC622颗粒（蓝色方块）底部的碳倾向于减少。同时，无论干燥温度如何，钠都相对均匀地分布在负极上，表明温度对负极的均匀性影响较小。
图5. 在不同温度下干燥的正负极的FIB-SEM显微照片及对应的C、F、Na元素的EDS分布图。其中黄色方块突出显示NMC622颗粒顶部的碳积累，蓝色方块突出显示NMC622颗粒底部具有较少的碳。
不同温度下干燥的正极和负极在不同倍率下的放电比容量如图6和图7所示。比较在不同温度下干燥的电极的比容量，在室温下干燥的正极在所有倍率下具有最高的比容量。相反，干燥温度在决定负极的电化学性能方面并不起主导作用。
图6. 在不同温度下干燥的正极在不同C倍率下的放电比容量。
图7. 在不同温度下干燥的负极在不同C倍率下的放电比容量。
Yeshui Zhang, Joshua Bailey, Yige Sun, Adam M. Boyce, Will Dawson, Carl D. Reynolds, Zhenyu Zhang, Xuekun Lu, Patrick Grant, Emma Kendrick, Paul Shearing and Dan Brett, Applications of advanced metrology for understanding the effects of drying temperature in lithium-ion battery electrodes manufacturing process,Journal of Materials Chemistry A.2022, https://doi.org/10.1039/D2TA00861K
