【摘要】 深度解析N-甲基吡咯烷酮(NMP)在锂离子电池电极干燥后残留的危害。研究证实NMP残留增加电池阻抗、导致容量衰减、损害功率性能，尤其影响高比表面积LMFP/NMC电池。了解影响机制，获取优化干燥工艺关键建议。

电池，尤其是锂离子电池，已成为现代生活和工业的关键动力源，广泛应用于电动汽车和电网储能等领域。在电极制造过程中，​NMP（N-甲基吡咯烷酮）​ 因其优异的化学稳定性、热稳定性（沸点202°C，自燃点252°C）以及能有效溶解常用粘结剂PVDF的特性，成为不可或缺的阴极浆料溶剂。其低表面张力还能提升浆料在集流体上的润湿性和附着力。

然而，涂布后的电极干燥工艺至关重要，必须有效去除残留的NMP。实验室通常采用80-120℃烘烤12小时，工业涂布则依赖约100℃的长烘箱配合强气流。成品电池（软包/圆柱）还可能进行真空干燥。但干燥温度上限受限于隔膜材料熔点（如PE 130°C, PP 155°C），这使得干燥后，尤其在高比表面积电极材料​（如某些LMFP）中，​微量NMP残留难以避免。这部分残留NMP对电池性能的潜在影响不容忽视。

 

NMP残留的发现与证实：来自LMFP软包电池的证据

我们在一款知名厂商的LMFP/石墨软包电池的形成后电解质中，意外检测到了残留NMP。该电池在填充电解液前，已在120℃下烘烤。通过过充法提取形成后的电解质并进行核磁共振氢谱（¹H NMR）分析，结果（图1a）显示存在意料之外的峰（4.0-2.0 ppm）。

图1LMFP细胞形成后电解质的核磁共振氢谱

 

与人工添加2% NMP的电解质谱图（图1b）和纯电解质谱图（图1c）对比，确认图1a中的峰（1,2,3,4）正是NMP的特征峰。定量分析表明，形成后电解质中残留NMP浓度约为0.02%。鉴于电解质和电极材料本身不含氮源，形成过程中不可能生成NMP，因此残留NMP的唯一来源是阴极干燥不彻底。（图1a中的峰A、B后被证实是添加剂DTD与NMP的反应产物）。

 

NMP残留的严重性与不稳定性：干燥挑战与形成消耗

为了验证干燥不彻底的假设并量化残留量，我们研究了不同干燥条件下LMFP/石墨软包电池中NMP的浓度。结果表明：

1.​高比表面积是主因：即使经过150℃、14小时真空干燥（聚丙烯隔膜允许的最高温），从电池中提取的未形成电解质中仍含有高达401 ppm的NMP。这主要归因于LMFP材料的高比表面积（约26 m²/g），而标准干燥工艺设计可能更适用于低比表面积的NMC材料。

2.​NMP在电池内不稳定：电池在化成过程后，电解质中NMP浓度从1498 ppm显著降至201 ppm，表明NMP在电池内部化学环境中会被消耗或转化。这种不稳定性提示残留NMP可能会参与副反应，影响电池性能。

 

NMP对电池性能的具体影响：阻抗增加与容量衰减

为系统研究NMP残留的危害，我们选用不含残留NMP的NMC532/石墨软包电池，在基础电解液（1.5M LiPF₆ EC:DMC=3:7 + 2% VC）​ 中人为添加不同浓度NMP（含/不含1% DTD添加剂）进行测试：

1.电化学阻抗谱（EIS）​：使用对称电池测试发现：

  • NMP本身会显著增加阴极的电荷转移阻抗。
  • 当电解液中存在添加剂DTD时，NMP会与其反应（如图1a峰A、B所示），反应产物会导致阳极阻抗增加。

2.​充放电循环测试：

  • 无论是否含DTD，​相对高浓度的NMP都会导致严重的容量衰减。
  • 即使是微量残留，虽然短期内对容量影响可能不显著，但会持续增加电池阻抗，损害电池的功率性能和倍率性能。

 

结论与建议：彻底去除NMP残留是关键

本研究表明：

1.采用高比表面积阴极材料（如LMFP）时，现有干燥工艺（即使高达150℃真空干燥）可能不足以完全去除NMP，导致显著残留（可达数百ppm）​。

2.残留NMP在电池化成过程中会被部分消耗，但其存在本身及转化产物对电池有害。

3.NMP残留会独立增加阴极阻抗，并与常用添加剂DTD反应生成导致阳极阻抗增加的副产物。

4.NMP残留会引发容量衰减，即使是微量残留也会损害功率性能。

因此，​消除NMP残留是保证锂离子电池（尤其是使用高比表面积材料的电池）长寿命、高功率和安全性能的关键。建议：

  • ​优化干燥工艺：针对高比表面积材料开发更强化的干燥方案（如分段升温、更长的干燥时间、优化气流）。
  • ​严格工艺控制：在实验室和工业生产中建立更精确的干燥终点检测方法（如在线监测、更灵敏的残留检测）。
  • ​探索替代溶剂/工艺：积极研究和开发更易挥发、残留风险更低或无需有机溶剂的绿色电极制造工艺。

 

参考文献：1.Yue M, Azam S, Zhang N, et al. Residual NMP and Its Impacts on Performance of Lithium-Ion Cells[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2024, 171(5): 050515.

 

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