リチウム電池のスラリーの混合、コーティング、その後の組み立ての生産最前線では、スラリーの沈降、ゲル化（ゼリー状の粘稠度）、コーティング ヘッドの詰まりがプロセス エンジニアを悩ませる 3 つの持続的な「病気」です。{0}}これらの問題は、電極の亀裂、フィルムの剥離、バッテリーの変形などの連鎖反応をさらに引き起こす可能性があります。このような不安定性は、電極の一貫性の低下につながるだけでなく、生産の歩留まりや生産能力を直接低下させます。
多くの場合、私たちは混合プロセスや固形分を調整し、フォーミュラの中で重要ではあるが重要な成分であるバインダーの重要な役割を見落とす傾向があります。この記事では、バインダーのミクロなメカニズムから始めて、複雑さを層ごとに解明し、前述の問題に対する「ワンストップ」のトラブルシューティングと解決策のガイドを提供します。-
I. スラリーの沈降にどう対処するか?
原因:
(1) 選択した CMC タイプが不適切です。 CMC の置換度 (DS) と分子量は、スラリーの安定性に影響を与える可能性があります。たとえば、DS が低い CMC は親水性が低いですが、グラファイトに対する濡れ性は良好です。ただし、スラリー懸濁能力は弱いです。
（２）ＣＭＣの使用量が不十分であり、スラリー成分を効果的に懸濁させることができない。
（３）混練プロセスに参加するＣＭＣが多すぎると、懸濁のために粒子間に利用できる遊離ＣＭＣが不十分となり、しばしばスラリーの安定性が低下する。
(4) 高い機械的せん断力またはスラリーの pH の変動により、SBR の解乳化が引き起こされ、スラリーの沈降が生じる可能性があります。
解決策:
(1) 高DS、高分子量のCMCへの切り替えまたは配合。たとえば、大量生産配合で WSC (低分子量、低 DS、良好なグラファイト湿潤性、弱い懸濁液) と CMC2200 の組み合わせを使用すると、スラリーの安定性を大幅に向上させることができます。
(2) CMC 投与量を増やすことは、スラリーの安定性を高める最も効果的な手段の 1 つですが、プロセス能力とバッテリーの低温性能を考慮してバランスを見つける必要があります。-。
（３）混練に関与するＣＭＣの量を減らし、遊離ＣＭＣの含有量を増やすことにより、スラリーの安定性をある程度改善することができる。
（４）スラリー系にＳＢＲを添加した後、解乳化を防ぐためにプラネタリーミキサーの撹拌速度を下げる。
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II.濾過中のフィルターの詰まり – どうすればよいですか?
原因:
(1) 活物質の濡れが悪く、分散が不十分です。
(2) SBR の解乳化により濾過不良が発生する。
解決策:
(1) 分散性を向上させるために混練プロセスを採用します。
（２）スラリー系にＳＢＲを添加した後、解乳化を防ぐため撹拌速度を下げる。
Ⅲ．スラリーのゲル化に対処するには?
原因:ゲル化は主に、物理ゲルと化学ゲルの 2 つのカテゴリに分類されます。
(1) 物理ゲル: カソード活物質、導電性カーボン ブラック (SP)、または溶媒 NMP が湿気を吸収したり、過度の環境湿度によって発生します。粒子は PVDF ポリマー鎖に囲まれています。水分含有量が制限を超えると、チェーンの動きが妨げられ、チェーン間の絡み合い、スラリーの流動性の低下、ゲル化が発生します。-
(2) ケミカルゲル: 高ニッケルまたは高アルカリ性活物質の加工または保管中に発生しやすい。-。-。塩基性残基によって生じる高 pH 環境では、PVDF ポリマー主鎖は容易に脱フッ化水素化 (HF の損失) を受け、二重結合を形成します。溶媒中に存在する水やアミンがこれらの二重結合を攻撃し、架橋を引き起こす可能性があります。-。これにより、生産能力が大幅に低下し、バッテリーの性能が低下します。一般に、活物質のアルカリ度が増加するとゲル化が悪化します。
解決策:
(1) 物理ゲル：原料中の水分や環境を厳密に管理し、スラリー保管時の適切な撹拌速度で管理します。
(2) ケミカルジェル: 以下の方法で軽減できます。
*分散前に活物質と導電性カーボンを乾燥させ、吸着水を除去します。より高純度のNMPを使用します。
* 混合プロセス中の環境湿度を厳密に管理します。
* アルカリ度を下げるために、表面遊離 Li を低減した NCM 材料を供給します。
* 抗ゲル PVDF を開発します。-開発戦略には、他のモノマー単位（ビニルエーテル、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレンなど）をグラフトして -CH2-CF2- 単位の H/F を置き換え、連続的な HF 損失を抑制し、架橋部位を減らすことが含まれます。
* 非-PVDF正極バインダーを開発します。上記の方法では PVDF の脱フッ化水素を完全に阻害できないため、高アルカリ性の陰極 (高-ニッケル、NCA) または機能性添加剤 (アルカリ性 Li2CO3) を使用する場合にはリスクが残ります。代替バインダーの開発は、この問題を徹底的に解決することを目的としています。
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IV.被覆電極の外観不良（亀裂）
原因:
(1) バインダー自体のガラス転移温度 (Tg) が高いため、そのフィルム形成温度がコーティング温度を超えます。-。成膜が困難になると電極のクラックが発生します。
(2) 水- ベースのバインダーでは、硬化時の水分損失時の激しい収縮により、水性 PAA システムなどで電極全体に亀裂が生じる可能性があります。
例: ポリアクリル酸ポリマーは硬く、柔軟性に乏しいです。電極の製造中に、広範囲のカールや亀裂が発生する可能性があり、コーティングや巻き取りの生産歩留まりが非常に低くなります。-
PAA 電極の加工中にカールや亀裂が発生
解決策:
(1) コーティングの外観が悪いのがバインダーの高い皮膜形成温度によるものである場合は、より低い皮膜形成温度のバインダーに切り替えてください-。
(2) 水性 PAA システムの場合、EC を可塑剤として添加すると、電極の亀裂の改善に大きく役立ちます。
電極の柔軟性の向上を実証するマンドレルテスト
V. 被覆電極の外観不良 (気泡)
原因:
(1) CMC 中の不溶性繊維は、コーティング中に粒状の泡を引き起こす可能性があります。
(2) SBR 中の乳化剤が多すぎる。乳化剤は界面活性剤のように働き、泡の表面張力を安定させ、泡の除去を防ぎます。
乳化剤安定化フォーム
解決策:
(1) 不溶性含量の低い CMC を使用する。たとえば、一部の EV 生産フォーミュラでは CMC2200 を MAC500 に置き換える。
(2) 使用する SBR の乳化剤の量を減らします。
VI.高温でバッテリーがガス発生しますか?
原因：ポリマー分子に極性官能基が多く含まれる場合、水分を吸収する傾向があります。この水分は高温保管中にリチウムイオンと反応し、水素ガスを発生する可能性があります。-
解決：セル内の水分含有量を制御したり、高温、高-充電状態（SOC）（SOC）形成プロセスを採用したりできます。
例：SD-3 バインダーを使用したセルは、85 度の保存中にガス発生により顕著な膨張を示しました。セル水分を 100ppm 以下に制御し、高 SOC 形成プロセスを使用することにより、高温保管の問題が大幅に改善されました。
VII.高温サイクルでは容量が急速に低下しますか?-
原因:
(1) 高温でバインダーが過剰に膨潤し、粒子間の連続的な導電ネットワークが破壊されます。
(2) 高温でのバインダーの安定性が低く、溶解または Li との化学反応を引き起こします。
(3) 高温-にさらされると、バインダーの強度が低下し、サイクル中の活物質の粉砕を効果的に抑制できなくなります。
解決策:
(1) より高い Tg を持つバインダーを選択またはブレンドし、電解質との親和性を適切に低下させて、高温膨潤による損傷を最小限に抑えます。-
(2) サイクル膨張が大きいシリコン アノード材料の場合は、PA/PI/PAI タイプなどの高弾性バインダーを使用して、サイクル中のシリコン粒子の亀裂や粉砕を効果的に抑制または軽減します。-
Ⅷ.バッテリーは変形しやすいですか？
原因：ポリマーバインダーが硬すぎると、電極内に重大な内部応力が発生します。充放電サイクル中にこの内部応力が解放されると、電極のねじれや変形が発生し、最終的にはバッテリーの変形につながる可能性があります。
解決：内部電極のストレスを軽減するために可塑剤を添加します。
例：BI-4 バインダーは CE において優れた運動性能を示しましたが、電池の重大な変形を引き起こしました。これを軽減するために、スラリー混合中に 2wt% EC 添加剤を導入しました。小分子可塑剤である EC は電極の乾燥中に完全に揮発するため、セルの電気的性能には大きな影響を与えず、変形の問題は大幅に改善されます。
結論
バインダーは電極配合の単なる「大洋の一滴」を構成しますが、スラリーのレオロジーと分散安定性の鍵を握っています。沈殿、ゲル化、閉塞などの課題、および電極の亀裂や高温ガス発生などの派生問題に直面すると、一次元のプロセス調整では、根本的な原因ではなく、症状に対処するだけのことがよくあります。-バインダーの分子構造、溶解特性、活性物質との相互作用を深く理解することによってのみ、「病気」を正確に特定し、適切な治療法を処方することができます。この記事で説明したアプローチが、スラリー システムの最適化、プロセス パラメーターの調整、電極製造の品質向上のための貴重な技術的参考資料となることを願っています。
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