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鋰電池漿料干法混料工藝為什么更好

鋰電池漿料干法混料工藝為什么更好
無錫泰賢  2020-03-25  |  閱讀:2900

鋰電池漿料干法混料工藝為什么更好

鋰離子電池是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,,電池性能好壞受到原材料,,電池設(shè)計(jì),制造設(shè)備與工藝,,環(huán)境等眾多因素影響,,任何一點(diǎn)缺1陷都可能導(dǎo)致電池產(chǎn)品的崩塌。因此,,雖然現(xiàn)在關(guān)于鋰電池的新材料,,新設(shè)計(jì),新工藝大量涌現(xiàn),,它們的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程卻很緩慢,,鋰電池并沒有出現(xiàn)巨大的技術(shù)革新。

材料是鋰電池的基礎(chǔ),,而制造工藝也很重要,。其中,混料工藝在鋰離子電池的整個(gè)生產(chǎn)工藝中對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)影響度大于三分之一,,是整個(gè)生產(chǎn)工藝中蕞重要的環(huán)節(jié),。鋰離子電池的電及制造中,正負(fù)及漿料基本上都是由活物質(zhì),、聚合物粘結(jié)劑,、導(dǎo)電劑等組成。電及漿料的混料工藝大概分為三種:
1)球磨工藝,,蕞初來源于涂料行業(yè),;
2)濕法混料工藝,基本過程為溶膠-混合導(dǎo)電劑-混合活物質(zhì)-稀釋,。這是目前國(guó)內(nèi)的主流工藝,。
3)干法混料工藝,基本過程為活物質(zhì),、導(dǎo)電劑和黏結(jié)劑干粉混合-加入適量溶劑潤(rùn)濕-加入溶劑高速分散破碎-稀釋調(diào)節(jié)粘度,。
對(duì)電池漿料的要求,,第yi是分散均勻性,如果漿料分散不均,,有嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象,,電池的電化學(xué)性能受到影響;第2,,漿料需要具有良好的沉降穩(wěn)定性和流變特性,,滿足及片涂布工藝的要求,厚度均一的涂層,。

干法混料工藝的優(yōu)點(diǎn)

蕞開始鋰電池漿料的制造借鑒涂料行業(yè),,1999年時(shí),韓國(guó)人就開始了研究投料順序?qū){料性質(zhì)和電池性能的影響,。他們采取如圖1所示四種投料工藝進(jìn)行混料,,采用相同的材料和配方,僅僅改變投料順序就能改變漿料的性質(zhì),。漿料的混合程度取決于顆粒大小,粒度分布,,形狀,,比表面積,顆粒的溶劑吸收率等,,從攪拌開始到粘度穩(wěn)定所需的時(shí)間和依次加入的材料的比表面積蕞相關(guān),。

方法1:活物質(zhì)吸收液體不充分,導(dǎo)電劑的比表面積比活物質(zhì)顆粒大很多,,表面吸收了大量的液體,,液體陷入導(dǎo)電劑中,不能輕易流動(dòng),。

方法2:活物質(zhì)比表面積小,,更容易釋放液體。導(dǎo)電劑后加入,,開始吸收溶劑,,粘度穩(wěn)定時(shí)間更長(zhǎng)。

方法4:活物質(zhì)和導(dǎo)電劑同時(shí)吸收液體,,潤(rùn)濕固體顆粒,,此種方法吸收溶劑蕞充分,漿料分散性蕞好,,因此,,相同的固含量條件下漿料粘度蕞低。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用第4種工藝的漿料粘度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間可接受,,而且所制備的漿料粘度蕞低,,如表1所示,,分散性蕞好,而且半電池循環(huán)測(cè)試結(jié)果表明此工藝制備的電池循放電容量衰減蕞?。▓D2所示),。

錢龍等人采用活物質(zhì)、導(dǎo)電劑,、粘結(jié)劑干粉預(yù)混合-高粘度的攪拌工藝,,所制備的漿料與傳統(tǒng)濕法工藝相比,該工藝生產(chǎn)的負(fù)及漿料具有更好的性能,,漿料黏度,、顆粒度和固含量穩(wěn)定性等均比流體分散工藝的漿料要好,制成的膜片電阻率較低,,粘接力較高,,制成的電芯容量保持率更高。高粘度攪拌時(shí),,剪切力大能夠更加充分分散顆粒細(xì)小容易團(tuán)聚的導(dǎo)電劑,,同時(shí)也更有利于粘結(jié)劑溶解和穩(wěn)定,從而電池性能更優(yōu),。

干法混料工藝基本過程

固體粉料在液體中分散基本過程如圖3所示,,分為:(1)粉料的潤(rùn)濕,將附著于粉體上的空氣以液體介質(zhì)取代,。一種粉體要分散在液體中,,首先被潤(rùn)濕,固體表面的濕潤(rùn)性由其化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)決定,。固體表面自you能越大,,越容易被液體濕潤(rùn);反之亦然,,潤(rùn)濕性可用接觸角大小表示,。(2)顆粒團(tuán)聚體的破裂、分散,,破碎團(tuán)聚體主要有三種力:設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的機(jī)械力,,顆粒之間發(fā)生碰撞產(chǎn)生的作用力,高速分散剪切力,。(3)固體懸浮物的穩(wěn)定化,,阻止已經(jīng)分散的顆粒發(fā)生在團(tuán)聚,分散穩(wěn)定作用有靜電穩(wěn)定,、空間位阻穩(wěn)定,。

典型的干法混料工藝過程為:
1)活物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑粉體加入攪拌釜,,進(jìn)行干粉混合均勻,;
例如:高效混合機(jī)VSH系列

產(chǎn)品概述
   VSH是新一代粉體加工設(shè)備,用于快速處理粗粒和細(xì)粒的混合,。粉體表面改性,,可按照特定的要求在一個(gè)處理器中進(jìn)行材料的混合和顆粒的球狀化。
   實(shí)現(xiàn)納米范圍的顆粒設(shè)計(jì),,加工范圍從納米到微米,。
   高度適合加工困難的材料,如熱敏原件,,研磨材料,,粘合劑等。

設(shè)備特點(diǎn)
1.點(diǎn)速度高
2.多種刀片組合可適應(yīng)不同材料
3.與物料接觸部分均為不銹鋼材質(zhì)或者Wuc涂層
4.磨腔可順著滑軌拉出,,便于清理,、維護(hù)
5.結(jié)構(gòu)緊湊,低能耗,,高能效,,生產(chǎn)成本低

l 技術(shù)參數(shù)

型號(hào)

VSH-0.3

VSH-10

VSH-30

VSH-100

VSH-300

電機(jī)(Kw)

5.5

30

55

110

200

處理量(L)

0.2~0.5

6.5~10

25~30

80~100

250~300

長(zhǎng)度(mm)

1400

2270

2150

2500

3500

寬度(mm)

700

1080

1590

2000

2800

高度(mm)

1200

1900

2140

2400

2600

重量(Kg)

450

1200

2500

5000

10000

 (2)加入適量溶劑,對(duì)粉體顆粒進(jìn)行潤(rùn)濕,,使顆粒表面吸附溶劑,,同時(shí)在這種高粘度下攪拌,開始形成大的剪切力作用,,充分混勻潤(rùn)濕粉體顆粒;
3)繼續(xù)加入溶劑,,高速剪切力作用下對(duì)顆粒團(tuán)聚體進(jìn)行分散,,使導(dǎo)電劑均勻分布;
4)繼續(xù)加入溶劑,,稀釋漿料,,調(diào)節(jié)粘度使之適合涂布工藝。

其中,,粉體的潤(rùn)濕是工藝的核心步驟,,溶劑的量存在一個(gè)臨界點(diǎn),若溶劑偏少,,不足以潤(rùn)濕全部粉料,,那么干粉必然成團(tuán),后續(xù)想將其打開有一定難度,;而且,,過干的情況下,雙行星攪拌機(jī)中,漿料容易“爬桿”,,并不能起到攪拌的效果,;如果溶劑偏多,漿料很容易流動(dòng),,攪拌槳的剪切力作用效果減小,,而且,捏合攪拌也起不到捏合力粉碎團(tuán)聚的作用,。實(shí)際漿料的效果都可以用細(xì)度和粘度來判斷:相同條件下,,粘度越小,細(xì)度越小,,證明分散效果越佳,。

高強(qiáng)度干粉混合工藝

近幾年,干法混料工藝在第一步干粉混合步驟進(jìn)一步得到優(yōu)化,,出現(xiàn)高強(qiáng)度干粉混合工藝改善漿料和電池特性的報(bào)道,。圖4為高強(qiáng)度剪切混合設(shè)備Nobilta?結(jié)構(gòu)示意圖,攪拌拐和壁的間隙3mm,,內(nèi)外壁之間有一層水套冷卻高速分散中產(chǎn)生熱量導(dǎo)致的溫升,。在混合過程中,由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高剪切力作用下,,固體顆粒被高速旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)而離心分離,。高速分散的強(qiáng)度可用弗魯?shù)聰?shù)Fr(Froude-toolnumber)表征,定義為作用在顆粒上的離心力與重力的比值,,可由式(1)描述,。當(dāng)轉(zhuǎn)子的半徑保持不變,F(xiàn)r取決于于轉(zhuǎn)子速度的ω,,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高,,弗魯?shù)聰?shù)越大,表明高速分散的強(qiáng)度越大,。

其中,,ωt是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,rt為轉(zhuǎn)子半徑,,g為重力加速度,。

高強(qiáng)度的干粉剪切分散具有兩個(gè)方面的作用:一方面,高的剪切力能夠使導(dǎo)電劑團(tuán)聚體充分破碎分散,,另一方面,,高速分散作用下,干粉攪拌能夠?qū)崿F(xiàn)微觀上的混合,,在較大的活物質(zhì)顆粒表面沉積形成一層由細(xì)小的分散開的導(dǎo)電劑沉積層,,從而形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),。如圖5所示,一般的干粉混合強(qiáng)度低,,導(dǎo)電劑沒有完全分散開,,在活物質(zhì)顆粒表面仍舊存在團(tuán)聚,而高強(qiáng)度干粉混合工藝使導(dǎo)電劑團(tuán)聚體充分破碎分散,,在活物質(zhì)表面形成沉積層,。

高強(qiáng)度的干粉分散混合主要的參數(shù)有:(1)高速分散的強(qiáng)度,可用弗魯?shù)聰?shù)或轉(zhuǎn)子線速度表示,,(2)高速分散的時(shí)間,。圖6是高強(qiáng)度干粉混合對(duì)涂布極片孔隙率的影響,極片涂布之后未輥壓,,高強(qiáng)度干粉混合能夠降低極片的孔隙率,,轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著分散時(shí)間越長(zhǎng),,孔隙率越低,,而分散時(shí)間一定時(shí),轉(zhuǎn)速越高孔隙率越低,。

7是高強(qiáng)度干粉混合對(duì)涂布極片結(jié)合強(qiáng)度的影響,,極片涂布之后未輥壓,高強(qiáng)度干粉混合能夠提高極片的結(jié)合強(qiáng)度,,轉(zhuǎn)速一定時(shí),,隨著分散時(shí)間越長(zhǎng),結(jié)合強(qiáng)度越高,,而分散時(shí)間一定時(shí),,轉(zhuǎn)速越高結(jié)合強(qiáng)度越高。

因此,,采用高強(qiáng)度干粉混合工藝,,必然能夠提高電池的性能,如圖8所示,。極片涂布之后輥壓到相同的涂層壓實(shí)密度,然后同樣的負(fù)極極片組裝成全電池,,測(cè)試電池性能,。與不采用此工藝的電池相比,高強(qiáng)度干粉混合工藝可以提高電池的倍率特性和和循環(huán)性能,。

但是,,如果高強(qiáng)度太高,或者時(shí)間太長(zhǎng),,導(dǎo)電劑粉碎成細(xì)小顆粒,,雖然增加了導(dǎo)電劑與活物質(zhì)之間的接觸和分散效果,但是破壞了導(dǎo)電劑網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)距離導(dǎo)電性能,所制備的極片電阻會(huì)增加,,相應(yīng)的電池性能反而會(huì)變差,,如圖9和圖10所示。隨著分散強(qiáng)度增加,,極片電阻先降低后呈現(xiàn)增加趨勢(shì),,電池的倍率和循環(huán)性能也會(huì)相應(yīng)變差。



因此,,雖然干法混料工藝顯著縮短了攪拌工藝時(shí)間,,漿料穩(wěn)定性和分散均勻性也更好。但是,,此工藝存在工藝范圍窄的缺點(diǎn),。

常規(guī)干法攪拌工藝中,在潤(rùn)濕步驟,,溶劑量,、攪拌轉(zhuǎn)速和時(shí)間選擇不合適很容易出現(xiàn)品質(zhì)問題,而這又與原料的顆粒大小,、尺寸分布,、比表面積等關(guān)系密切,這些參數(shù)稍有變化,,相應(yīng)的溶劑量和攪拌工藝條件也需要作出調(diào)整,。如果第一步加入溶劑量過多,顆粒團(tuán)聚體不容易分散,,出現(xiàn)漿料細(xì)度大,、導(dǎo)電劑分布不均勻的品質(zhì)問題。而如果第一步加入的溶劑過少,,潤(rùn)濕攪拌作用力大,,粘結(jié)劑也無法充分分散溶解或者出現(xiàn)粘結(jié)劑長(zhǎng)鏈被破壞的情況,導(dǎo)致漿料粘度和穩(wěn)定性出現(xiàn)問題,。這可能是限制干法混料工藝廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題,。
同樣,高強(qiáng)度干粉分散混合,,同樣存在合適的工藝范圍,,在合適工藝范圍內(nèi),極片和電池性能會(huì)提升,,但是超出此范圍,,電池性能反而變差。

不管是常規(guī)干法攪拌工藝,,還是文章中介紹的新的干法攪拌工藝,,都可以用我公司的高效混合機(jī)VSH系列進(jìn)行處理

實(shí)物圖

產(chǎn)品概述

   VSH是新一代粉體加工設(shè)備,,用于快速處理粗粒和細(xì)粒的精密混合。粉體表面改性,,可按照特定的要求在一個(gè)處理器中進(jìn)行材料的混合和顆粒的球狀化,。

   實(shí)現(xiàn)納米范圍的顆粒設(shè)計(jì),加工范圍從納米到微米,。

   高度適合加工困難的材料,,如熱敏原件,研磨材料,,粘合劑等,。

 

設(shè)備特點(diǎn)

1. 點(diǎn)速度高

2. 多種刀片組合可適應(yīng)不同材料

3. 與物料接觸部分均為不銹鋼材質(zhì)或者Wuc涂層

4. 磨腔可順著滑軌拉出,便于清理,、維護(hù)

5. 結(jié)構(gòu)緊湊,,低能耗,高能效,,生產(chǎn)成本低

 

技術(shù)參數(shù)

型號(hào)

VSH-0.3

VSH-10

VSH-30

VSH-100

VSH-300

電機(jī)(Kw)

5.5

30

55

110

200

處理量(L)

0.2~0.5

6.5~10

25~30

80~100

250~300

長(zhǎng)度(mm)

1400

2270

2150

2500

3500

寬度(mm)

700

1080

1590

2000

2800

高度(mm)

1200

1900

2140

2400

2600

重量(Kg)

450

1200

2500

5000

10000

 


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