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锂电匀浆机的介绍

2021-08-27 16:15:33

锂电匀浆机的介绍


目前锂离子电池生产企业使用的主流匀浆设备为双行星搅拌机。锂电行业使用的双行星搅拌机,也叫做PD搅拌机,装有低速搅拌部件 Planet和高速分散部件Disper。低速搅拌部件为2个折曲框式搅拌桨,采用行星齿轮传动,搅拌桨在公转时也自转,使物料上下及四周运动,从而在较短的时间内达到理想的混合效果。高速分散部件一般为齿列式分散盘,与行星架一起公转,同时高速自转,使物料受到强烈的剪切与分散作用,其效果为普通混合机的几倍,分散部件分单分散轴和双分散轴.


a)单分散轴 b)双分散轴


双行星搅拌机浆料制备往往利用流体力学所产生的剪切力,由流动剪切速率、团簇截面面积、流体动力学粘度控制。浆料制备一般包含两个过程:团簇的破碎和悬浮团聚体的重组。


团簇破碎是一个复杂的过程,包含三种途径:磨蚀、断裂、打碎,如图5所示。团簇破碎具体依靠颗粒-颗粒相互作用,浆料溶剂-颗粒相互作用,以及最主要的剪切力,而剪切力又取决于溶剂的粘度和运动速度。磨蚀通常在能量较低时发生,小碎片依靠磨蚀作用渐渐从大团聚体剪切下来。当搅拌能量高时,团簇发生断裂分割成几个部分。打碎是断裂的一种特殊变化形式,这种情况下团簇同时分割成大量的小碎片。


团簇的重组和分散速度的平衡主导浆料中团簇的平衡尺寸,存在一个临界尺寸,在这尺寸之下团簇分散速度很小。现有文献报道,合适处理时间和搅拌能量下,通过流体力学剪切搅拌所制备的浆料,团聚体的尺寸不可能小于100纳米,因此只有当一次颗粒尺寸不小于100纳米时,这种搅拌才有可能完全分散粉体直至一次颗粒尺寸。纳米颗粒的完全分散不可能实现。因此,此种方法不太适用于纳米材料的分散。另外,表面活性剂能改变团聚体组合和分散的平衡,可能使浆料团簇尺寸更小。


 (a)团簇破碎过程示意图,包含三种途径:磨蚀、断裂、打碎;(b)混合物的粒度分布


球磨搅拌

球磨搅拌也常常用于锂离子电池浆料的制备,一般在实验室用的多一些。和基于流体力学的搅拌方式一样,球磨工艺的分散能力由团簇破碎和团聚体重组的速度平衡决定,这种平衡与粉体颗粒的性质有关,也会受到表面活性剂添加而改变。


在球磨工艺中,粉末颗粒经历大量的表面上和体积上变化,这种变化可能导致材料的机械化学转变(如碳纳米管可能破裂,它的长宽比和结构都发生变化)。而且颗粒之间,粉体与分散介质(溶剂和粘结剂)之间,甚至粉体和磨球之间都可能发生反应,磨球碰撞以及局部流体高剪切湍流也会造成粘结剂分子的断裂。


超声波搅拌

目前,基于瞬时的声空化效应,超声波被人们用于微观尺寸的搅拌。这种效应需要在相当高的超声强度下产生,伴随着微观气泡大量形成和生长。当气泡尺寸达到某一临界值,气泡生长速率快速增加,然后瞬间破裂,形成冲击波对团聚体进行分散,同时造成局部的高温高压(局部压力可达上千个大气压)。


超声搅拌发生的另外一个过程是液体的宏观流动。空化气泡浓度以发生器为中心沿轴线逐步降低,气泡向低浓度区域扩散带动液体流动,流动速度高达2m/s。这种流体流动足以提供充分的搅拌效果,无需增加额外的设备。


浆料的性能

锂离子电池浆料的性能主要有分散性和稳定性。分散性由浆料的固量,黏度和粒度分布来评价;稳定性由浆料固量的24小时变化和浆料黏度的24小时变化来评价。其中浆料的固量是指浆料中的固体物质与浆料的质量比。锂离子电池浆料的分散主要是研究固-液分散体系,即固体颗粒分散相在液体NMP或去离子水连续相中的分散。


 粉料在液体中混合分散基本过程


固体颗粒分散相在液NMP或去离子水连续相中的分散遵循两个原则:


1.湿法浸润原则(相近极性原则):颗粒必须被液体介质浸湿,从而良好的浸入到液体相。

2.表面夺取原则:总的表面夺取颗粒必须是占大量的颗粒,这样颗粒就可以充分的相互隔离,来阻止颗粒的直接接触和相互支持。固体颗粒在液相中的分散就是使固体颗粒在液相中均匀分离散开并形成稳定悬浮液的过程,它主要包括3个步骤:


1. 固体颗粒在液相中的浸润;

2. 固体颗粒团聚体在机械力作用下的分离和分散;

3. 使分散开的颗粒稳定,防止再次团聚。






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