（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）鋰離子電池漿料高效超細(xì)分散裝備技術(shù)研究.pdf

摘要 摘要 本文介紹了鋰離子電池國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，分析了發(fā)展鋰離子電池對(duì)我國(guó) 乃至全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)具有重大戰(zhàn)略意義。針對(duì)目前鋰離子電池漿料分散工藝中 采用傳統(tǒng)的行星式分散混合設(shè)備存在著分散混合時(shí)間長(zhǎng)、分散效果不理想、能耗高、發(fā) 熱量大，以及難以達(dá)到微觀上的混合分散效果等一系列問題，提出了利用超剪切技術(shù)來 處理上述問題的解決方法，使之在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的混合分散效果、降低能耗、 節(jié)約投資。 本文研究了鋰離子電池漿料的制備工藝與特性，分析了鋰離子電池漿料中基本的分 散機(jī)理，及對(duì)其在超剪切分散設(shè)備內(nèi)的超剪切分散機(jī)理進(jìn)行深入的分析。根據(jù)流體力學(xué) 方程、定理、定律，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出超剪切分散設(shè)備定轉(zhuǎn)子內(nèi)部的流場(chǎng)分布特性， 建立了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、定轉(zhuǎn)子間隙與剪切應(yīng)力之間的數(shù)學(xué)模型，定性地得出結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作 參數(shù)對(duì)分散效果的影響，為超剪切分散設(shè)備提高分散效果提供理論依據(jù)。 利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)商業(yè)軟件f l u e n t 對(duì)超剪切分散設(shè)備內(nèi)鋰離子電池漿料快速 分散過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)合r n gk - 湍流模型和m i x t u r e 混合模型，探討了工作 腔內(nèi)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、固相體積濃度場(chǎng)及剪切應(yīng)力場(chǎng)等情況，通過數(shù)值模擬展示了實(shí)驗(yàn) 手段所不能觀察到的設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜的流場(chǎng)變化情況。改變模擬參數(shù)中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，可以顯 著提高剪切應(yīng)力，此結(jié)論與數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型的結(jié)論相一致。 采用回歸正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用超剪切分散設(shè)備對(duì)鋰離子電池漿料進(jìn)行快速分散 實(shí)驗(yàn)，分析了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、分散時(shí)間等參數(shù)對(duì)鋰離子電池漿料分散效果的影響，建立了分 散漿料粒徑分布響應(yīng)面回歸數(shù)學(xué)模型。與傳統(tǒng)的行星式分散設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，通 過電鏡照片分析，證明了采用超剪切技術(shù)可以有效地粉碎漿料中的團(tuán)聚體大顆粒，降低 漿料平均粒徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用超剪切技術(shù)對(duì)鋰離子電池漿料進(jìn)行混合分散，其混 合分散效果好，大大縮短了分散時(shí)間，顯著提高生產(chǎn)效率降低能耗。該研究結(jié)果為鋰離 子電池漿料生產(chǎn)應(yīng)用超剪切技術(shù)進(jìn)行快速微細(xì)混合分散提供了技術(shù)支撐。 關(guān)鍵詞：鋰離子電池；電池漿料；超剪切；分散；數(shù)值模擬 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d so fl i t h i u m - i o nb a t t e r i e sa th o m ea n da b r o a dw e r e i n t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n to fl i t h i u m i o nb a t t e r i e sw a so fg r e a ts t r a t e g i cs i g n i f i c a n c e o n c h i n e s ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na sw e l la st h eg l o b a l c u r r e n t l y p l a n e t a r yd i s p e r s i n ge q u i p m e n to fl i t h i u mi o nb a t t e r y ss l u r r yh a d s o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c h 嬲l o we f f i c i e n c y , h i g hp o w e rc o n s u m p t i o na n dl a r g ea m o u n to fh e a t ，a n di tc o u l d n tp r o v i d e m i c r o d i s p e r s i n g t h e nt h eu l t r a - s h e a rt e c h n o l o g yw a su s e dt os o l v et h o s ep r o b l e m s ，a n d t o r e d u c et h et o t a lc o s t i nt h i sp a p e r , t h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i t h i u m - i o nb a t t e r y s s l u r r yw e r ea n a l y z e d t h eb a s a ld i s p e r s i o nm e c h a n i s mo ft h el i t h i u m i o nb a t t e r ys l u r r ya n d t h eu i t r a - s h e a rd i s p e r s i o nm e c h a n i s mw e r ea l s oa n a l y z e d f o l l o w i n g ，a c c o r d i n gt ob a s a l h y d r o m e c h a n i c a le q u a t i o na n dm a t h e m a t i ct h e o r e m ，t h ed i s t r i b u t i o no fl i q u i df l o w - f i e l da t t h er o t o ra n ds t a t o ri nt h es h e a rp u m pi nd e t a i lw a sg a i n e d ，a n dt h ev e l o c i t y , p r e s s u r e ，w a l l s h e a rs t r e s sd y n a m i cm o d e lw e r eb u i l t i tg e t sq u a l i t a t i v eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，t h ew o r k i n g p 猢e t e r so nt h ee f f e c to fd i s p e r s i o n i tp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i st oi m p r o v ed i s p e r s i o no f t h eu l t r a - s h e a r t h ef l o wp a t t e r n si nh i g h s h e a r i n gd i s p e r s e rh a v eb e e np e r f o r m e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nu s i n gc o m m e r c i a lc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sp a c k a g e t h ev e l o c i t yf i e l d ， p r e s s u r ef i e l d ，w a l ls h e a rs t r e s sf i e l da n d t h ev o l u m ef r a c t i o no fs e c o n dp h a s ew e r ed i s c u s s e d t h r o u g l lc h a n g i n gt h es p e e do ft h er o t o ri nt h es i m u l a t i o n ，i tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e s h e a rs t r e s s d i s p e r s i o ne x p e r i m e n to ft h e l i t h i u mi o nb a t t e r y ss l u r r yh a sb e e nc o n d u c t e du n d e r u l t r a - s h e a ra c c o r d i n gt ot h em e t h o do fr e g r e s s i v eo r t h o g o n a ld e s i g n i n g t h ee f f e c to fr o t o r s p e e da n dt i m ed i s p e r s i o np a r a m e t e r s o nt h el i t h i u m - i o nb a t t e r ys l u r r yd i s p e r s i o nw a s a n a l y z e d r e s p o n s em a t h e m a t i c m o d e lo ft h es l u r r y sd i s p e r s i o nh a sb e e nc o n s t r u c t e d c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n to ft r a d i t i o n a lp l a n e t a r yd i s p e r s i n ge q u i p m e n ta n du l t r a 。s h e a r d i s p e r s i n ge q u i p m e n t ，i tp r o v e dt h a tt h eu s eo fu l t r a - s h e a rt e c h n o l o g yc a nb ee f f e c t i v e l y c r u s h e da g g r e g a t es l u r r yi nl a r g ep a r t i c l e s ，r e d u c i n gt h ea v e r a g ep a r t i c l es i z eo fs l u r r yt h r o u g h a n a l y s i so fe l e c t r o nm i c r o s c o p ep h o t o s f r o m t h er e s u l t s ，u t i l i z a t i o no ft h eu l t r a 。s h e a r t e c h n o l o g yi nt h el i t h i u mi o nb a t t e r y ss l u r r yi sb e n e f i c i a lt on o to n l yi m p r o v ei t su n i f o r m i t y , b u ta l s os h o r t e nt h ed i s p e r s i o nt i m eg r e a t l y 舢lt 1 1 ec o n c l u s i o n si nt h i si n v e s t i g a t i o np r o v i d e t e c h n o l o g ys u p p o r tf o ra p p l y i n gh i g h s h e a rt e c h n o l o g yi nt h ee f f e c t i v ed i s p e r s i o no fl i t h i u m i o nb a t t e r y ss l u r r y k e y w o r d s ：l i t h i u mi o nb a t t e r y ；b a t t e r y ss l u r r y , h i g h s h e a r ；d i s p e r s i o n ；s i m u l a t i o n 符號(hào)說明 y g d 【 d c l 盯 f f | i l 勺 r l 、r 2 卜o j 2 古 u r 8m 厶 x 胎 g g r h p p m p 七 q p t ) ， 符號(hào)說明 沉降速度，m l s 重力加速度，m s 2 分散相顆粒直徑，m m 動(dòng)力粘度，p a s 剪切應(yīng)力，m p a 團(tuán)聚體直徑，m m 表面張力，n ，m 剪切作用的切向分力，m p a 剪切作用的法向分力，m p a 曹道寬，m l n 粘性切應(yīng)力，m p a 內(nèi)圓筒半徑、外圓筒的半徑，f i l m 角速度，r a d s 定轉(zhuǎn)子間隙，姍 徑向速度，m s 渦旋擴(kuò)散系數(shù) 普朗混合長(zhǎng)度，m m 卡門常數(shù) 雷諾數(shù)，無量綱數(shù) 葉輪排出速度，m s 切向圓周速度，m s 切線方向的流體速度，m s 剪切率，s q 軸向平均剪切速率，s - 1 徑向平均剪切速率，s 1 物料密度，k g m 3 混合物密度，k g m 第k 相密度，k g m 3 進(jìn)口流量，h 湍動(dòng)粘度，p a j 湍動(dòng)能耗散率，所3 壁面指數(shù)，無量綱 i i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取 得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文 中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含本人為獲得江南 大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志 對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 簽名： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解江南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定o 江南大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允 許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文， 并且本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 簽名： 導(dǎo)師簽名： 秀穆 私1 紇 汐 釤么侈紇 。，v 日 期： 第一章緒論 第一章緒論 1 1 鋰離子電池發(fā)展背景 能源、材料、信息被稱為近代工業(yè)的三大支柱，整個(gè)人類社會(huì)的進(jìn)步無不是以這三 種要素的發(fā)展為基礎(chǔ)。正因?yàn)槿绱?，在這三方面的任何突破往往都有極其深刻的歷史意 義，同時(shí)產(chǎn)生極大的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2 0 世紀(jì)5 0 年代以后，伴隨著石油，煤炭， 天然氣等不可再生能源的逐漸減少和日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，高效、環(huán)保、節(jié)能型新能源 新材料技術(shù)的研究和應(yīng)用越發(fā)顯得重要。 國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)規(guī)劃綱要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 已將高效能源材料技術(shù)列為重點(diǎn) 發(fā)展的前沿技術(shù)之一，高效二次電池材料及關(guān)鍵技術(shù)是其中的重要組成部分。目前使用 的二次電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。與其它二次電池相比， 鋰離子電池具有工作電壓高( 3 6 v , 是鎳鎘、氫鎳電池的3 倍) 、體積小( 比氫鎳電池小 3 0 ) 、質(zhì)量輕( 比氫鎳電池輕5 0 ) 、比能量高( 1 4 0 w h k g ，是鎳鎘電池的2 3 倍，氫 鎳電池的1 2 倍) 、工作溫度范圍寬( - 2 5 , - + 4 5 ) 、無記憶效應(yīng)、污染小、自放電小、 循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在面臨能源短缺、環(huán)境惡化的今天，鋰離子電池作為綠色高能可充 電池【l j ，成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。 表1 - 1 四種二次電池的基本性能f 2 】 鋰離子電池是我國(guó)能源領(lǐng)域重點(diǎn)支持的高新技術(shù)，科技部( 原國(guó)家科委) 從1 9 8 7 年國(guó)家“8 6 3 ”計(jì)劃啟動(dòng)開始，就組織了鎳氫電池和鋰離子電池關(guān)鍵材料和技術(shù)的研究 與開發(fā)，并組織了電池技術(shù)攻關(guān)，現(xiàn)已初步形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。我國(guó)鋰離子電池產(chǎn) 業(yè)化研制和開發(fā)始于1 9 9 7 年后期，走過了一條從引進(jìn)學(xué)習(xí)到自主研發(fā)的產(chǎn)業(yè)化道路。 在2 0 0 0 年以前，基本是邊引進(jìn)邊摸索的階段。2 0 0 1 年起為我國(guó)鋰離子電池的迅速發(fā)展 和擴(kuò)張時(shí)期，隨著深圳比亞迪、邦凱、力神、環(huán)宇、廣宇等鋰離子電池企業(yè)的迅速崛起， 中國(guó)的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)開始進(jìn)入快速成長(zhǎng)的階段，產(chǎn)量年均增長(zhǎng)超過1 4 0 。2 0 0 2 年中 國(guó)鋰離子電池產(chǎn)量進(jìn)一步提升到2 7 億只，全球市場(chǎng)份額達(dá)到2 0 以上。隨著比亞迪、 力神、比克、邦凱、環(huán)宇、光宇生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)充，中國(guó)的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)仍將保持年均 3 0 以上的增長(zhǎng)速度。 我國(guó)從“八五”計(jì)劃開始支持進(jìn)行動(dòng)力蓄電池的相關(guān)研究工作，在技術(shù)和人才方面 進(jìn)行了很大的積累，從鉛酸電池到氫鎳電池，再到鋰離子電池，在“九五期間將電動(dòng) 汽車列入重大產(chǎn)業(yè)化工程項(xiàng)目，在“十五 、“十一五期間又將其列為國(guó)家高技術(shù)( 8 6 3 ) 計(jì)劃重大專項(xiàng)。燃料電池、鎳氫動(dòng)力電池、鋰離子電池等相關(guān)材料研究開發(fā)均得到了大 江南大學(xué)碩士學(xué)位論文 力支持。我國(guó)動(dòng)力鋰離子電池的技術(shù)水平有了快速的提升，與世界先進(jìn)水平的差距不斷 縮小；我國(guó)的動(dòng)力鋰離子電池的研究工作形成了從原材料、動(dòng)力鋰離子電池及其應(yīng)用的 有機(jī)配套體系；當(dāng)前，國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰離子電池研制單位均投入較大的人力、物力和財(cái)力從 事動(dòng)力鋰離子電池的研發(fā)工作，加上風(fēng)險(xiǎn)資金的投入加快了動(dòng)力蓄電池的產(chǎn)業(yè)化步伐【3 】。 與國(guó)際上快速發(fā)展的鋰離子電池技術(shù)相比較，我國(guó)在技術(shù)工藝的更新速度和科研創(chuàng) 新能力方面還存在著較大差距。為了從基礎(chǔ)理論方面更好地指導(dǎo)鋰離子電池領(lǐng)域整體技 術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)國(guó)家能源結(jié)構(gòu)向綠色和可再生的方向調(diào)整，科技部“9 7 3 ”計(jì)劃已批準(zhǔn) “綠色二次電池新體系 立項(xiàng)，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，從基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究入手，以 電池材料的創(chuàng)新研究為重點(diǎn)，進(jìn)行綠色二次電池新體系及相關(guān)重大技術(shù)問題研究，與我 國(guó)中長(zhǎng)期新能源材料研究計(jì)劃銜接。 目前，中國(guó)已形成相對(duì)完整的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈，深圳比克、深圳比亞迪、t c l 金 能、深圳邦凱科技等廠商已在全球鋰離子電池市場(chǎng)中占據(jù)了相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。 2 0 0 3 2 0 0 4 年是中國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)的兩年，一方面，鈷酸鋰生產(chǎn)線、鎳酸鋰 生產(chǎn)線的建立以及鹽湖提鋰新工藝的發(fā)明，改變了我國(guó)鋰離子電池正極材料完全依賴進(jìn) 口的局面；另一方面，各大企業(yè)紛紛建立或擴(kuò)大鋰離子電池生產(chǎn)基地，我國(guó)鋰離子電池 產(chǎn)量平均以每年翻番的速度高速增長(zhǎng)。世界鋰離子電池形成了中日韓三國(guó)三分天下的格 局。但我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)品價(jià)格遠(yuǎn)低于日韓企業(yè)產(chǎn)品，影響了中國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的整 體競(jìng)爭(zhēng)能力。在質(zhì)量和性能方面進(jìn)一步突破將是中國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)未來競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。 我國(guó)鋰離子電池技術(shù)進(jìn)展快速，就單體電池而言，功率密度、能量密度和安全性方 面均有了較大的技術(shù)進(jìn)展，縮短了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，為我國(guó)鋰離子電池的進(jìn)一步 快速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，搭載鋰離子電池的混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車均通過 了國(guó)家相關(guān)部門的強(qiáng)制檢測(cè)。鑒于鋰離子電池需要多單體通過串并聯(lián)的方式使用【4 】，同 時(shí)輔以鋰離子電池管理系統(tǒng)進(jìn)行電壓、電流及溫度等的測(cè)量和控制，因此，鋰離子電池 在提高工藝技術(shù)水平的同時(shí)，需要提高每批次批量生產(chǎn)的均勻一致性和可靠性以及管理 系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，從而提高鋰離子電池系統(tǒng)的可靠性，有效地促進(jìn)動(dòng)力鋰離子電 池系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化水平。 1 2 鋰離子電池工作原理 鋰離子電池是指其中的l i + 嵌入和脫逸正負(fù)極材料的一種可充放電的高能電池。其 正極一般采用插鋰化合物，如l i c 0 0 2 、l i n i 0 2 、l i m n 2 0 , 等，負(fù)極采用鋰碳層間化合 物l i x c 6 ，電解質(zhì)為溶解了鋰鹽( 如l i p f 6 、l i a s f 6 、l i c l 0 4 等) 的有機(jī)溶劑。溶劑主要 有碳酸乙烯酯( e c ) 、碳酸丙烯酯( p c ) 、碳酸二甲酯( d m c ) 和氯碳酸酯( c i m c ) 等。 在充電過程中，l i + 在兩個(gè)電極之間往返脫嵌，被形象地稱為“搖椅電池 ( r o c k i n gc h a i r b a t t e r i e s ，縮寫為r c b ) ，如圖1 1 所示。 鋰離子電池的化學(xué)表達(dá)式為：( 一ei 三睨一嬲+ d m c l l i m , o , ( + ) 其電池反應(yīng)則為：l i g , o y + n c 曹l i h 絲g + q e 2 第一章緒論 o a _ 一o - 4 一一口 田l - 1 妊離子電池工作原理示意囤 鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池，充電時(shí)，l i + 從正極脫出，經(jīng)過電解質(zhì) 嵌入到負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供 給到碳負(fù)極，以確保電荷的平衡。放電時(shí)則相反，l - 十從負(fù)極脫出，經(jīng)過電解液嵌入到 正極材料中，正極處于富鋰狀態(tài)。在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和 層狀結(jié)構(gòu)氧化物的層問嵌入和脫出，一般只引起材料的層面間距變化，不破壞其晶體結(jié) 構(gòu)，在充放電過程中，負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變。因此，從充放電反應(yīng)的可逆性看， 鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。 以鈷酸鋰為正極的鋰離子電池為例，從圖i - 1 電池工作原理示意圖可見，充電時(shí)， 鋰離子從l i c 0 0 2 晶胞中脫出，其中的離子c o 氧化為c o “；放電時(shí)，鋰離子則嵌入 l i c 0 0 2 晶胞中其中的c 0 4 + 變成c 0 3 + 。由于鋰在元素中期表中是電極電勢(shì)最負(fù)的單質(zhì)， 所以電池的工作電壓可以高達(dá)3 6 v , 是n i - c d 和n i - m h 電池的三倍。如l i c 0 0 2 為正極 的鋰離子電池的理論容量高達(dá)2 7 4 批 v g ，實(shí)際容量為1 4 0m a 缸 鋰離子電池基本結(jié)構(gòu)為：正極片、負(fù)極片、正負(fù)極集流體、隔膜、外殼及密封圈和 蓋板等。鋰離子電池目前的形狀主要有圓柱形、方形和扣式鋰離子電池等。圓柱型和方 形鋰離子電池如圖1 - 2 所示吼 圖1 - 2 鋰離干電池的結(jié)構(gòu) 1 3 超剪切分散裝備擻術(shù) 1 3 1 超剪切分散技術(shù)的特點(diǎn)覆應(yīng)用 在化工領(lǐng)域，混合、分散、均質(zhì)、乳化加工是必不可少的操作工序單元。從概念上 和作用上講，混合、分散、均質(zhì)、乳化往往難以區(qū)分，本文統(tǒng)稱為分散，所以本文中所 江南人學(xué)磺士學(xué)位論文 指的分散指的是廣義上的懸浮液體系中的分散相顆粒分散化、均勻化的處理過程可以 同時(shí)起到降低分散顆粒的尺度和提高分散顆粒粉不均勻性的作用。 超剪切分散設(shè)各的核心部件是一對(duì)相互交錯(cuò)“配合”的定轉(zhuǎn)子，圖1 - 3 為定轉(zhuǎn)子外 形及工作原理圖。轉(zhuǎn)子和葉輪高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子中心形成很強(qiáng)的 負(fù)壓區(qū)。物料從定轉(zhuǎn)于中心被吸入，在離心力的作用下，由中心向四周擴(kuò)散。在擴(kuò)散的 過程中，物料首先受到葉片的攪拌，并在葉片端面與定子齒圈內(nèi)側(cè)窄小間隙內(nèi)受到初步 的剪切作用，然后進(jìn)入到轉(zhuǎn)齒與定齒的窄小間隙內(nèi)，在強(qiáng)烈地流體力學(xué)效應(yīng)和機(jī)械力作 用下，產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦、撞擊、剪切以及物料問的相互摩擦和碰撞作用而使分散相物料 破碎。髓著轉(zhuǎn)子的工作半徑由內(nèi)向外逐漸遞增，剪切和撞擊的頻率越來越高，物料在通 過定轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)過程中受到越來越強(qiáng)烈地摩擦、沖擊、剪切和碰撞等作用，被分散得越 來越均勻，從而達(dá)到混合分散的目的嘲。 潮：。 圖l - 3 典型的轉(zhuǎn)子和定子 囤1 4 轉(zhuǎn)干和定子的工作原理圖 超剪切分散設(shè)備的特點(diǎn)： ( 1 ) 以剪切原理為基礎(chǔ)對(duì)物料進(jìn)行混合和分散，效果顯著并且能耗較低； ( 2 ) 可根據(jù)生產(chǎn)需要增加轉(zhuǎn)定子層數(shù)，使物料在分散過程中可以得到多次作用， 從而強(qiáng)化分散的效果： ( 3 ) 設(shè)備體積小，占地少，生產(chǎn)操作靈活簡(jiǎn)單，無需專人操作，并且適宜做成大 直徑和高轉(zhuǎn)速，從而較易制成大流量大功率設(shè)備： ( 4 ) 具有自吸能力和自動(dòng)清洗能力，適合于物料品種頻繁更換的場(chǎng)合以及食品衛(wèi) 生要求嚴(yán)格的處理； 超剪切分散設(shè)備作為一種更高效的混合分散裝置，在化工、制藥、食品、化妝品、 涂料、石化、印染、生物工程等三十多個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了一定成效， 其獨(dú)特的超剪切原理為無數(shù)工藝流程的革新以及新品的開發(fā)應(yīng)用提供了簡(jiǎn)便而有效的 途徑，其典型的應(yīng)用領(lǐng)域如下”j ： 食品飲料行業(yè)：豆乳、牛乳食品添加劑，花生乳，濃縮乳，奶油，冰淇淋，混合 乳酪，各種果肉型天然飲料，花粉液等中西保健營(yíng)養(yǎng)液，各種調(diào)味品等。 化工行業(yè)：油漆涂料，各種乳化劑，燃油重油消毒劑，硅材料，碳黑，氧化鎂，殺 蟲劑，感光乳劑，膨潤(rùn)土，香精，橡膠漿，樹脂膠，增稠劑，二氧化鈦等。 化妝品行業(yè)：潤(rùn)膚露，洗滌劑，調(diào)理劑，香水等。 第一章緒論 制藥行業(yè)：液漿制劑，靜脈乳劑，抗生素，抗酸劑等。 1 3 2 超剪切分散技術(shù)的研究及現(xiàn)狀 隨著人們對(duì)分散作用的重要性認(rèn)識(shí)的不斷加深，相關(guān)分散技術(shù)也得到了迅猛的發(fā) 展。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上有各種形式的分散設(shè)備，比較典型的有行星攪拌分散機(jī)、高壓均 質(zhì)機(jī)、離心式分散機(jī)、噴射式分散機(jī)、高剪切分散機(jī)及超聲波混合分散機(jī)等。應(yīng)該說各 種形式的分散設(shè)備都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如高壓均質(zhì)機(jī)在食品行業(yè)中被廣泛地使用，但 卻有一定的局限性，一般只處理濃度、粘度較低的料液，而不適于含有固體顆?；蚶w維 狀的料液，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、能耗大、維修也不方便。近年來高剪切分散設(shè)備以其 獨(dú)特的高剪切分散機(jī)理和低成本，超細(xì)化，高質(zhì)量，高效率等優(yōu)點(diǎn)在眾多的工業(yè)領(lǐng)域中 得到了廣泛應(yīng)用，并且日益顯示出它的優(yōu)越性。目前在食品工業(yè)中它正在逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng) 的高壓均質(zhì)機(jī)。 國(guó)外研制并生產(chǎn)剪切分散設(shè)備較早。早在上世紀(jì)二十年代初就對(duì)剪切分散技術(shù)進(jìn)行 研究。在三十年代就生產(chǎn)并使用剪切分散設(shè)備且應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。自從1 9 4 8 年德國(guó) f l u k o 公司首次發(fā)明了應(yīng)用高剪切原理制成分散乳化設(shè)備，高剪切混合分散設(shè)備已經(jīng) 出現(xiàn)了多種系列產(chǎn)品，在世界分散機(jī)械行業(yè)處于領(lǐng)先地位。進(jìn)入2 0 世紀(jì)以來，國(guó)外特 別是歐洲一些國(guó)家的高剪切混合分散設(shè)備得到了迅速發(fā)展，并在許多領(lǐng)域發(fā)揮重大作 用。如用于乳品、添加劑、增稠劑、藥品、粘合劑、印染助劑、塑料、化妝品、涂料、 食品等的生產(chǎn)。目前國(guó)外所研制的高剪切混合分散設(shè)備基本上采用定轉(zhuǎn)子型結(jié)構(gòu)，混 合分散頭在電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)下，高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高切線速度在轉(zhuǎn)子與定子間的狹窄間隙 中形成極大的速度梯度，以及由于高頻機(jī)械效應(yīng)帶來的強(qiáng)勁動(dòng)能，使物料在定轉(zhuǎn)子的 間隙中受到強(qiáng)烈的液力剪切、液層磨擦、撞擊撕裂、離心擠壓和湍流等綜合作用，使不 相溶的固相、液相、氣相在相應(yīng)成熟工藝和適量添加劑的共同作用下，瞬間均勻精細(xì)地 混合分散，經(jīng)過高頻的循環(huán)往復(fù)，最終得到穩(wěn)定的高品質(zhì)產(chǎn)品。 德國(guó)和美國(guó)在剪切式分散設(shè)備的研究與開發(fā)方面都取得了比較顯著的進(jìn)展。如德國(guó) 的y s t r a l 公司生產(chǎn)的x 4 0 型分散機(jī)，美國(guó)i k a w e r k eg m h bc o k g 生產(chǎn)的多系 列化混合分散設(shè)備，德國(guó)i k a m a s c h i n e n b a n 公司研制的u l t r a 分散機(jī)，美國(guó)r o s s 公司研制的高剪切混合乳化機(jī)，德國(guó)f l u k o 公司研制的系列高剪切分散乳化機(jī)、管式 分散乳化機(jī)、管線式高剪切分散乳化機(jī)、高效強(qiáng)力分散乳化機(jī)、間歇式高剪切與間歇式 無軸承分散乳化機(jī)等都是世界領(lǐng)先的高科技產(chǎn)品【8 , 9 a 0 1 。 我國(guó)對(duì)超剪切混合分散技術(shù)的研究起步晚，發(fā)展比較緩慢。目前，許多行業(yè)仍普遍 采用傳統(tǒng)的混合分散設(shè)備。我國(guó)從上世紀(jì)5 0 年代開始研究混合分散的基礎(chǔ)理論及其設(shè) 備，但直到上世紀(jì)8 0 年代才開始逐漸地生產(chǎn)與制造混合分散設(shè)備，而且大多都是傳統(tǒng) 的混合分散設(shè)備，如葉輪攪拌分散機(jī)、高壓均質(zhì)機(jī)、行星式混合分散機(jī)等。隨著國(guó)外超 剪切混合分散設(shè)備的迅速發(fā)展，近年來，國(guó)內(nèi)越來越多的科研人員和使用廠家也開始重 視對(duì)剪切式混合分散設(shè)備的研制工作。目前，我國(guó)已經(jīng)建立了一些與國(guó)外廠商聯(lián)營(yíng)、合 資研制并生產(chǎn)超剪切混合分散設(shè)備的公司，如中美合資南通羅斯( r o s s ) 混合設(shè)備有限公 司、上海弗魯克( f l u k o ) 機(jī)電設(shè)備有限公司等?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)有許多生產(chǎn)企業(yè)開始了高剪切 江南大學(xué)碩士學(xué)位論文 混合分散設(shè)備的生產(chǎn)制造，如上海威宇機(jī)電制造有限公司、啟東市長(zhǎng)江機(jī)電有限公司、 上海環(huán)保設(shè)備總廠、上海市化工裝備研究所生產(chǎn)的集粉碎、混合、分散等功能為一體的 系列剪切式混合分散設(shè)備等。無錫輕大裝備有限公司進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)型剪切式混合分散設(shè)備 的研究與設(shè)計(jì)，并開發(fā)研制了一系列超剪切混合分散設(shè)備，為提高超剪切混合分散設(shè)備 的性能進(jìn)行了大量的理論與實(shí)踐方面的研究【i i , 1 2 , 1 3 】。 盡管上述企業(yè)大都引進(jìn)了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，生產(chǎn)制造并開發(fā)出此類混合分散設(shè)備， 但由于缺乏對(duì)混合分散理論的深入探討和理論分析、研究，使得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品與國(guó)際先進(jìn) 產(chǎn)品的差距仍很大。 1 4 課題研究目的與意義 世界各國(guó)都形成了高性能鋰離子電池及其關(guān)鍵材料的研究和開發(fā)熱潮。鋰離子電池 今后研究的重點(diǎn)主要是：開發(fā)高性能材料；創(chuàng)造電極與電池制備的新工藝；解決聚合物電 解質(zhì)和固體電解質(zhì)電池的理論與技術(shù)的難題；將小型化電池過渡到電動(dòng)車輛電池的開發(fā) 中去。鋰離子電池目前存在的主要問題是快充放電性能差、價(jià)格高和過充放電保護(hù)問題。 如何降低材料成本、改善電池的快充放電性能及生產(chǎn)工藝的最優(yōu)化是關(guān)鍵問題【l 引。 鋰離子電池正在向高性能( 即高比能、安全性、長(zhǎng)壽命) 、低成本的方向發(fā)展，其 主要研究熱點(diǎn)是開發(fā)研究適用于高性能鋰離子電池的新材料和新技術(shù)。 我國(guó)電池的產(chǎn)量和出口量目前已經(jīng)位居世界第一，其中，比克、比亞迪、天津力神、 邦凱、光宇等鋰離子電池企業(yè)也已經(jīng)發(fā)展成為全球電池行業(yè)矚目的骨干企業(yè)。然而，國(guó) 內(nèi)鋰離子電池企業(yè)雖然在產(chǎn)品價(jià)格上具有優(yōu)勢(shì)，由于沒有一定的工藝設(shè)備作保證，其產(chǎn) 品品質(zhì)一致性與國(guó)外水平差異較大。生產(chǎn)出來的產(chǎn)品大部分都比較簡(jiǎn)單，而且工藝水平 基本上停留在手工生產(chǎn)和半自動(dòng)設(shè)備的水平。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電池設(shè)備與鋰離子電池生產(chǎn)工 藝結(jié)合不夠緊密，嚴(yán)重制約了鋰離子電池制各工藝的進(jìn)步。 混合分散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3 0 ，是整 個(gè)生產(chǎn)工藝中最重要的環(huán)節(jié)。鋰離子電池的電極制造，正極漿料由粘合劑、導(dǎo)電劑、正 極材料等組成；負(fù)極漿料則由粘合劑、石墨碳粉等組成。正、負(fù)極漿料的制備都包括了 液體與液體、液體與固體物料之間的相互混合、溶解、分散等一系列工藝過程，而且在這 個(gè)過程中都伴隨著溫度、粘度、環(huán)境等變化。在正、負(fù)極漿料中，顆粒狀活性物質(zhì)的分 散性和均勻性直接響到鋰離子在電池兩極間的運(yùn)動(dòng)，因此在鋰離子電池生產(chǎn)中各極片材 料的漿料的混合分散至關(guān)重要，漿料分散質(zhì)量的好壞，直接影響到后續(xù)鋰離子電池生產(chǎn) 的質(zhì)量及其產(chǎn)品的性能【1 5 】。 目前傳統(tǒng)的鋰離子電池漿料的制備都是在雙行星分散設(shè)備中完成的。盡管目前在小 型電池生產(chǎn)技術(shù)上已日趨成熟，但目前鋰離子電池的生產(chǎn)過程中，電池的一致性控制仍 然是鋰離子電池制作的技術(shù)難點(diǎn)，尤其是對(duì)于大容量、大功率的動(dòng)力型鋰離子電池。另 外，隨著鋰離子電池材料的不斷進(jìn)步，原材料顆粒粒徑越來越小，這不僅提高了鋰離子 電池性能，也非常容易形成二級(jí)團(tuán)聚體，從而增加了混合分散工藝的難度。在鋰離子電 池生產(chǎn)過程中，對(duì)電池電極結(jié)構(gòu)的控制是關(guān)鍵，盡管很多鋰離子生產(chǎn)廠家對(duì)此未引起重 6 第一章緒論 視，采用不同結(jié)構(gòu)的電極片生產(chǎn)的電池的自放電率、循環(huán)性、容量、一致性等都不同。 如何控制其電極片內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，是鋰離子電池生產(chǎn)過程的關(guān)鍵技術(shù)。所以在制備電 極片過程中，必須控制好鋰離子電池漿料的混合分散質(zhì)量，提高電池漿料的均勻一致性 和分散穩(wěn)定性。 鋰離子電池漿料的混合分散過程可以分為宏觀混合過程和微觀分散過程，這兩個(gè)過 程始終都會(huì)伴隨著鋰離子電池漿料制備的整個(gè)過程。而根據(jù)傳統(tǒng)工藝中的葉輪剪切 循環(huán)特性【1 6 1 ，可以把葉輪的作用分為兩大類，第一類是對(duì)葉輪附近產(chǎn)生的剪切作用；第 二類則是通過葉輪泵出的流量產(chǎn)生循環(huán)作用。漿體的進(jìn)一步分散作用主要依靠葉輪的剪 切作用，而葉輪的流量決定了葉輪的分散的能力。而在離葉輪端部較遠(yuǎn)的區(qū)域，總會(huì)存 在一層漿料始終停滯不動(dòng)，這個(gè)區(qū)域也就是人們常說的“死區(qū)，分散設(shè)備的工作區(qū)域 越大，而且漿料黏度越高，“死區(qū) 的問題就越突出，就算采用不同的葉輪和結(jié)構(gòu)，死 區(qū)仍然難以避免，因此在鋰離子電池漿料的制備過程中，所制得的漿料產(chǎn)品就會(huì)出現(xiàn)混 合分散不均勻、粉體顆粒與粘合劑接觸不均勻、易分層和發(fā)生硬性沉淀等一系列問題【i 。 因此，本課題在立足鋰離子電池巨大的市場(chǎng)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景的基礎(chǔ)上，結(jié)合 自己的平臺(tái)，通過對(duì)鋰離子電池制備過程中的關(guān)鍵裝備技術(shù)鋰離子電池漿料混合分 散技術(shù)，進(jìn)行深入地研究，并且對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)、完善或替代，從而使鋰離子電池漿料的 整個(gè)混合分散過程快速高效，并盡量避免產(chǎn)生局部的溫度升高，漿料粒度分布要求均勻， 提高電池漿料的分散效果( 能夠有效減少團(tuán)聚現(xiàn)象) 。 在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，深入研究超剪切技術(shù)對(duì)鋰離子電池漿料進(jìn)行高效超細(xì)分散， 促進(jìn)鋰離子電池漿料快速超剪切分散專用設(shè)備的研制與開發(fā)，這對(duì)目前國(guó)內(nèi)在專用電池 生產(chǎn)設(shè)備方面的缺乏無疑將起到了極大的推動(dòng)作用，也將進(jìn)一步加快鋰離子電池的工業(yè) 化生產(chǎn)。 1 5 課題研究的總體方案 在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，電子信息設(shè)備日益向輕量化、小型化發(fā)展，航天技術(shù) 及軍事科技的高度進(jìn)步，以及人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)鋰離子電池的性能提出了更高的 要求。從綜合性能的角度考慮，鋰離子電池是目前最有發(fā)展前途和最具有應(yīng)用前景的高 能二次環(huán)保電池。但由于鋰離子電池的商業(yè)化至今時(shí)間不過2 0 年，正負(fù)極材料及電池 的生產(chǎn)工藝技術(shù)還沒有達(dá)到十分成熟的階段，因而鋰離子電池還具有很大提升空間和開 發(fā)潛力。鋰離子電池性能的進(jìn)一步提高，主要依賴于電池中各組成材料的改進(jìn)開發(fā)及電 池工藝的革新。就目前的研究情況來看，大部分的科研人員都集中對(duì)鋰離子電池正負(fù)極 材料進(jìn)行深入的研究，而在鋰離子電池關(guān)鍵裝備技術(shù)的研究上還存在較大的空白，如鋰 離子電池漿料的制備技術(shù)、涂布技術(shù)、包裝技術(shù)等。因此，本文主要圍繞著鋰離子電池 制備過程中的電池漿料混合分散工藝技術(shù)進(jìn)行研究，針對(duì)目前鋰離子電池漿料混合分散 過程中存在的顆粒易團(tuán)聚、分散不均勻、效果不理想以及效率低的問題，研究應(yīng)用超剪 切技術(shù)對(duì)鋰離子電池漿料進(jìn)行剪切分散解聚的關(guān)鍵技術(shù)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： ( 1 ) 初步分析鋰離子電池漿料的特性及其基本分散機(jī)理，針對(duì)鋰離子電池漿料深入 7 江南大學(xué)碩士學(xué)位論文 分析超剪切分散設(shè)備的剪切分散機(jī)理，為下一步對(duì)鋰離子電池漿料進(jìn)行高效超細(xì)分散技 術(shù)及實(shí)驗(yàn)的研究奠定一定的理論基礎(chǔ)； ( 2 ) 設(shè)計(jì)出適用于鋰離子電池漿料的超剪切分散設(shè)備，分析其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作 參數(shù)； ( 3 ) 利用f l u e n t 流體軟件對(duì)鋰離子電池漿料固液懸浮體系進(jìn)行仿真模擬，模擬鋰 離子電池漿料懸浮體系被剪切分散的過程，分析模擬結(jié)果，得出超剪切分散設(shè)備內(nèi)部的 流場(chǎng)特征以及速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等的分布情況，以支持實(shí)驗(yàn)研究： ( 4 ) 分別進(jìn)行回歸正交實(shí)驗(yàn)和對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，在回歸正交實(shí)驗(yàn)中改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件( 主 要有轉(zhuǎn)速和剪切時(shí)間) ，得出剪切分散處理對(duì)電池漿料液固懸浮體系的分散效果的影響； 在對(duì)比性實(shí)驗(yàn)中，通過電鏡分析驗(yàn)證其分散效果與效率。 8 第二章超剪切分散機(jī)理與效果的研究 第二章超剪切分散機(jī)理與效果的研究 2 1 鋰離子電池漿料 本文所研究的物料對(duì)象是鋰離子電池生產(chǎn)制造過程中的正負(fù)極漿料。本節(jié)內(nèi)容主要 介紹鋰離子電池漿料的制備及其特性。 鋰離子電池漿料是用專用的溶劑和粘合劑分別與粉末狀的正負(fù)極活性物質(zhì)按照一 定比例混合，經(jīng)過均勻攪拌混合分散后，制成漿體狀的正負(fù)極物質(zhì)。在整個(gè)漿料制備的 制漿過程中，電極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘合劑的配制是最為重要的環(huán)節(jié)。鋰離子電池漿 料的制備分為正極漿料和負(fù)極漿料的工藝過程【1 8 】。 2 1 1 鋰離子電池漿料制備 2 1 1 1 正極漿料的制備 正極漿料的制備過程實(shí)際上是將漿料中的各種組成按標(biāo)準(zhǔn)比例混合分散在一起，調(diào) 制成漿料，以利于均勻涂布，保證極片的均勻一致性。正極制漿主要包括五個(gè)步驟，即 原料的預(yù)處理、摻和、浸濕、分散和絮凝【1 9 1 。 ( 1 ) 原料的物理性能 a 鈷酸鋰：非極性物質(zhì)，不規(guī)則形狀，粒徑d 卯一般為6 8 口m ，含水量0 2 ， 通常為堿性，p h 值為1 0 - 11 。錳酸鋰：非極性物質(zhì)，不規(guī)則形狀，粒徑d s o 一般為5 7 微米含水量0 2 ，通常為堿性，p h 值為8 左右。 b 導(dǎo)電劑：非極性物質(zhì)，葡萄鏈狀物，含水量3 ，吸油值約為3 0 0 ，粒徑一 般為2 5 am ；主要有普通炭黑、超導(dǎo)炭黑、石墨乳等，在大批量應(yīng)用時(shí)一般選擇超導(dǎo) 炭黑和石墨乳復(fù)配，通常為中性。 c p v d f 粘合劑：非極性物質(zhì)，鏈狀物，其分子量為3 0 0 ，0 0 0 3 ，0 0 0 ，0 0 0 不等，吸水 后分子量下降，黏性變差。 d n m p ( n 甲基吡咯烷酮) ：弱極性液體，用于溶解溶脹p v d f ，同時(shí)作為溶劑稀釋 漿料。 ( 2 ) 原料的預(yù)處理 a 鉆酸鋰：脫水，一般用1 2 0 常壓烘烤2 小時(shí)左右。 b 導(dǎo)電劑：脫水，一般用2 0 0 常壓烘烤2 小時(shí)左右。 c 粘合劑：脫水，一般用1 2 0 1 4 0 c 常壓烘烤2 小時(shí)左右，烘烤溫度視分子量的大 小決定。 d n m p ：脫水，使用干燥分子篩脫水或采用特殊取料設(shè)施，直接使用。 ( 3 ) 原料的摻和： a 粘合劑的溶解( 按標(biāo)準(zhǔn)濃度) 及熱處理。 b 鈷酸鋰和導(dǎo)電劑球磨：使粉料初步混合，鈷酸鋰和導(dǎo)電劑粘合在一起，提高團(tuán)聚 作用和的導(dǎo)電性。配成漿料后不會(huì)單獨(dú)分布于粘合劑中，球磨時(shí)間一般為2 小時(shí)左右； 為避免混入雜質(zhì)，通常使用瑪瑙球作為球磨介子。 ( 4 ) 粉體的分散和浸濕 9 江南大學(xué)碩士學(xué)位論文 固體粉末放置在空氣中，隨著時(shí)間的推移，將會(huì)吸附部分空氣在固體的表面上，液 體粘合劑加入后，液體與氣體開始爭(zhēng)奪固體表面；如果固體與氣體吸附力比與液體的吸 附力強(qiáng)，液體不能浸濕固體；如果固體與液體吸附力比與氣體的吸附力強(qiáng)，液體可以浸 濕固體，將氣體擠出。當(dāng)潤(rùn)濕角9 0 度，固體浸濕。當(dāng)潤(rùn)濕角 9 0 度，固體不浸濕。 正極材料中的所有組員都能被粘合劑溶液浸濕，所以正極粉料分散相對(duì)容易。 分散方法對(duì)分散的影響：靜置法( 時(shí)間長(zhǎng)，效果差，但不損傷材料的原有結(jié)構(gòu)) ； 攪拌法；自轉(zhuǎn)或自轉(zhuǎn)加公轉(zhuǎn)( 時(shí)間短，效果佳，但有可能損傷個(gè)別材料的自身結(jié)構(gòu)) 。 影響混合分散過程的主要參數(shù)有： 1 、攪拌速度對(duì)分散速度的影響。一般說來攪拌速度越高，分散速度越快，但對(duì)材 料自身結(jié)構(gòu)和對(duì)設(shè)備的損傷就越大。 2 、濃度對(duì)分散速度和粘結(jié)強(qiáng)度的影響。通常情況下漿料濃度越小，分散速度越快， 但太稀將導(dǎo)致材料的浪費(fèi)和漿料沉淀的加重。濃度越大，柔制強(qiáng)度越大，粘接強(qiáng)度越大； 濃度越低，粘接強(qiáng)度越小。 3 、真空度對(duì)分散速度的影響。高真空度有利于材料縫隙和表面的氣體排出，降低 液體吸附難度；材料在完全失重或重力減小的情況下分散均勻的難度將大大降低。 4 、溫度對(duì)分散速度的影響。適宜的溫度下，漿料流動(dòng)性好、易分散。太熱漿料容 易結(jié)皮，太冷漿料的流動(dòng)性將大打折扣。 ( 5 ) 稀釋 加入溶劑將漿料調(diào)整為合適的濃度，便于涂布。 2 1 1 2 負(fù)極漿料的制備 負(fù)極漿料的制備大致與正極制漿的步驟相同。 ( 1 ) 原料的物理性能 a 石墨：非極性物質(zhì)，易被非極性物質(zhì)污染，易在非極性物質(zhì)中分散；不易吸水， 也不易在水中分散。被污染的石墨，在水中分散后，容易重新團(tuán)聚。一般粒徑如為2 0 am 左右。顆粒形狀多樣且多不規(guī)則，主要有球形、片狀、纖維狀等。 b 水性粘合劑( s b r ) ：小分子線性鏈狀乳液，極易溶于水和極性溶劑。 c 防沉淀劑( c m c ) ：高分子化合物，易溶于水和極性溶劑。 d 異丙醇：弱極性物質(zhì)，加入后可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶 液的相容性；具有強(qiáng)烈的消泡作用；易催化粘合劑網(wǎng)狀交鏈，提高粘結(jié)強(qiáng)度。乙醇：弱 極性物質(zhì)，加入后可減小粘合劑溶液的極性，提高石墨和粘合劑溶液的相容性；具有強(qiáng) 烈的消泡作用；易催化粘合劑線性交鏈，提高粘結(jié)強(qiáng)度。 e 去離子水( 或蒸餾水) ：稀釋劑，酌量添加，改變漿料的流動(dòng)性。 ( 2 ) 原料的預(yù)處理 a 石墨：經(jīng)過混合，使原料均勻化，提高一致性，然后在3 0 0 4 0 0 。c 常壓烘烤，除 去表面油性物質(zhì)，提高與水性粘合劑的相容能力，修圓石墨表面棱角( 有些材料為保持 表面特性，不允許烘烤，否則效能降低) 。 b 水性粘合劑：適當(dāng)稀釋，提高分散能力。 1 0 第二章超剪切分散機(jī)理與效果的研究 ( 3 ) 摻和、浸濕和分散： a 石墨與粘合劑溶液極性不同，不易分散。 b 可先用醇水溶液將石墨初步潤(rùn)濕，再與粘合劑溶液混合。 c 應(yīng)適當(dāng)降低攪拌濃度，提高分散性。 d 分散過程為減少極性物與非極性物距離，提高勢(shì)能或表面能，所以為吸熱反應(yīng)， 攪拌時(shí)總體溫度有所下降。如條件允許應(yīng)該適當(dāng)升高攪拌溫度，使吸熱變得容易，同時(shí) 提高流動(dòng)性，降低分散難度。 e 攪拌過程如加入真空脫氣過程，排除氣體，促進(jìn)固一液吸附，效果更佳。 f 分散原理、分散方法同正極制漿中的相關(guān)內(nèi)容，在2 1 1 1 中有詳細(xì)論述，在 此不予詳細(xì)解釋。 ( 4 ) 稀釋 加入溶劑將漿料調(diào)整為合適的濃度，便于涂布。 2 1 2 鋰離子電池漿料特性 鋰離子電池漿料是由多種不同比重、不同粒度的原料組成，又是固液相混合分散， 形成的漿料屬于非牛頓流體p o 。鋰離子電池漿料是一種像油狀的流動(dòng)的液體，所以具有 一般流體所具有的特征如粘性、流動(dòng)性等，同時(shí)因?yàn)殡姵貪{料是一種液固兩相流，所以 還具有一些自身特殊的性能。 2 1 2 1 鋰離子電池漿料流變性 流變性是指物質(zhì)在外力作用下的變形和流動(dòng)性質(zhì)。由于液體不能承受剪切力，因而 不能保持其外形的穩(wěn)定。在外力的作用下，液體就會(huì)發(fā)生流動(dòng)和變形等的性質(zhì)，稱為流 變性。 漿體的流變性十分復(fù)雜一種漿體在低濃度時(shí)可能表現(xiàn)為牛頓流體或假塑性流體； 濃度稍高產(chǎn)生絮團(tuán)后，可能表現(xiàn)為賓漢流體；更高的濃度下又可能會(huì)出現(xiàn)脹塑性流體。 對(duì)同一種漿料，在剪切率不太高時(shí)，不出現(xiàn)脹流現(xiàn)象，剪切率高時(shí)又可能轉(zhuǎn)化為脹塑性 流體。有些非牛頓流體在低剪切速率和高剪切速率下都可能呈現(xiàn)牛頓流體形象，這可能 是因?yàn)樵诘图羟兴俾氏?，分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)不出剪切速率對(duì)其中物料重 新排列使表觀粘度的變化，當(dāng)剪切速率增高到一定限度后，剪