鋰電漿料分散機(jī)理

7300字關(guān)于鋰電漿料特性和分散機(jī)理的最強(qiáng)總結(jié)2017-03-21zkjl521聽風(fēng)扯淡推薦：史上第一個(gè)最高效的新能源電池交流圈等你加入鋰電池漿料和傳統(tǒng)分散工藝，鋰電池漿料的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。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。，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)樵诘图羟兴俾氏拢肿拥臒o(wú)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，剪切定向達(dá)到了最佳程度，因而也使表觀粘度不隨剪切速率而變。如前所述，許多非牛頓體其流變特性受到體系中結(jié)構(gòu)變化的影響。影響鋰離子電池漿料流變性的一些主要參數(shù):分散相或固相的類型及表面電荷的大小對(duì)于不同種類的正負(fù)極活性物質(zhì)，如正極常用的鉆酸鋰、錳酸鋰，負(fù)極常用的石墨粉、中間相炭微球，由于其種類不同，因而具有不同的水化膨脹特性以及不同的表面電荷，這樣，不同種類的活性物質(zhì)其分散特性、膠溶特性以及形成具有一定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)體系的能力也各不相同，其宏觀表現(xiàn)是不同種類的活性物質(zhì)配制而成的漿料具有不同的流變特性。固相的濃度分散相或固相濃度的大小主要影響漿料的屈服應(yīng)力和塑性粘度或表觀粘度。在一般槽況下，固相濃度越大，其屈服應(yīng)力、塑性粘度或表觀粘度越大。固相顆位的大小、形狀以及粒徑的分布在固相濃度不變的條件下，顆粒的粒徑越小，由于其總的表面積增加，因而漿料的屈服應(yīng)力和粘度將隨之增加。分散介質(zhì)本身的粘度。不同的溶劑具有不同的粘度，使得漿料的粘度也將隨之變化。溫度和壓力。在不同的溫度和壓力下漿料具有不同的流變特性。漿料的值。，鋰離子電池漿料觸變性觸變性是指流體在剪切力作用下的一種結(jié)構(gòu)破壞與恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。描述鋰離子電池漿料的觸變性主要包括觸變的最后效果和觸變過程，觸變過程是指在一定的條件下鋰離子電池漿料中的膠鏈結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的破壞和恢復(fù)過程，它反映了觸變性的時(shí)間效應(yīng)。觸變的最后效果是指在一定實(shí)驗(yàn)條件下達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的最大觸變量。這里所說的達(dá)到穩(wěn)定是指漿料內(nèi)的結(jié)構(gòu)破壞與恢復(fù)的一種動(dòng)態(tài)平衡，而其宏觀表現(xiàn)則為鋰離子電池漿料剪切應(yīng)力的固定不變，亦即剪切應(yīng)力具有不隨時(shí)間而變化的穩(wěn)定數(shù)值。，分散效果對(duì)鋰離子電池漿料的影響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，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。，鋰離子電池漿料分散機(jī)理，漿料穩(wěn)定性理論大部分的漿料都是屬于懸浮液體系。不穩(wěn)定的懸浮液在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生絮凝，并由于重力作用而很快分層，分散的目的就是要在產(chǎn)品的有效期內(nèi)抗絮凝、防止分層，維持懸浮顆粒的均勻分布，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。，懸浮液的絮凝理論絮凝作用即是在靜態(tài)（由于布朗運(yùn)動(dòng)）或動(dòng)態(tài)（在剪切力作用下條件下，通過顆粒碰撞引起顆粒數(shù)目減少的過程。膠體系統(tǒng)中，如不考慮穩(wěn)定劑，顆粒間的相互作用主要有范德華（）引力；伴隨著帶電顆粒的庫(kù)侖（）力（斥力或引力）。這些力的起因截然不同，和在蘇聯(lián)，和在荷蘭分別獨(dú)立的提出理論，構(gòu)成了親液分散體系中絮凝作用經(jīng)典理論的基礎(chǔ)，闡述了膠體懸浮體系的穩(wěn)定性主要與膠體顆粒間上述兩個(gè)獨(dú)立的相互作用的相對(duì)距離有關(guān)。，懸浮液的分層理論分層是分散相在外力（重力或離心力）作用下，在連續(xù)相中上浮或下沉的結(jié)果。在忽略布朗運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的靜態(tài)條件下，可用定律來(lái)描述，即分散相球形顆粒由于重力的沉降速度由下式確定：式中Pp為分散相與連續(xù)相的密度差，為重力加速度，為分散相顆粒直徑，p為連續(xù)相的粘度。如果分散相顆粒的密度比連續(xù)相密度大，顆粒下沉，速度為正值，反之，顆粒上浮，速度為負(fù)值。沉降速度大，漿料就容易分層。如果要保持體系穩(wěn)定，就必須降低沉降速度，對(duì)于特定的漿料可以通過減小分散相固體顆粒直徑。因?yàn)橹挥挟?dāng)粒徑減至連續(xù)相液體分子大小時(shí)，顆粒才能穩(wěn)定、均勻地分散在液體中不發(fā)生分離。通過以上的分析我們可以看出，要提高懸浮液的穩(wěn)定性，分散相顆粒的粒徑應(yīng)盡量細(xì)小。但應(yīng)該指出，根據(jù)前人所做的大量研究發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒粒度的減小，雖然顆粒由重力引起的分離作用變?yōu)榇我囊蛩兀怯捎陬w粒之間的間距減小，顆粒之間的結(jié)合力（范德華力等）起到了重要決定性作用。另外，當(dāng)顆粒直徑小于某一細(xì)小尺寸時(shí)，此時(shí)，顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)效應(yīng)就不能忽略了，所以由于細(xì)小顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)，而使得顆粒之間產(chǎn)生激烈地碰撞。若不加穩(wěn)定劑，這些情況都會(huì)導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚，對(duì)體系的穩(wěn)定是不利的。所以漿料的分散中，顆粒粒徑并非越細(xì)越好，要視漿料的特性而定。分散就是要根據(jù)物料的特性與特點(diǎn)，減小分散相顆粒的粒度，使其分布于一個(gè)較窄的尺寸范圍，并達(dá)到吸力與斥力的相互平衡，從而保證漿料體系的穩(wěn)定。團(tuán)聚與分散的關(guān)系漿料的團(tuán)聚是指原生的微細(xì)顆粒在制備、分散及存放過程中，相互連接、由多個(gè)顆粒形成較大的顆粒團(tuán)簇的現(xiàn)象。顆粒在液相介質(zhì)中表現(xiàn)為分散和團(tuán)聚兩種基本的行為。顆粒在液體介質(zhì)中的團(tuán)聚是吸附與排斥共同作用的結(jié)果，其根源是顆粒間的相互作用力。在懸濁液體系中，粉體顆粒的團(tuán)聚是吸附和排斥共同作用的結(jié)果。如果吸附作用大于排斥作用，粉體顆粒團(tuán)聚；如果吸附作用小于排斥作用，粉體顆粒則分散。在液體介質(zhì)中，粉體顆粒受力情況較復(fù)雜，不僅有像范德華力、靜電力、表面張力、毛細(xì)管力等產(chǎn)生團(tuán)聚的吸引力，而且在粒子的表面，還會(huì)產(chǎn)生雙電層靜電作用、溶劑化膜作用、聚合物吸附層的空間保護(hù)作用等使納米顆粒趨向于分散的斥力作用。顆粒在介質(zhì)中的穩(wěn)定分散一般包括以下過程：潤(rùn)濕、機(jī)械分散及分散穩(wěn)定。潤(rùn)濕通常指顆粒與顆粒之間的界面被顆粒與溶劑、分散劑等界面所取代的過程。機(jī)械分散是利用剪切力將大量顆粒細(xì)化、使團(tuán)聚體解聚、被潤(rùn)濕、包裹吸附的過程。分散穩(wěn)定是指將原生粒子或較小的團(tuán)聚體在靜電斥力、空間位阻斥力作用下來(lái)屏蔽范德華引力使顆粒不再聚集的過程。團(tuán)聚體分散解聚的直接原因是受到剪切力和壓力的作用，剪切力在分散過程中起到了決定性的作用。，團(tuán)聚體變形與破裂在研究流動(dòng)性質(zhì)隨時(shí)間和應(yīng)力的變化時(shí)，一般要考察顆粒的結(jié)合與破裂。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是顆粒的結(jié)合所必須得碰撞，還是多顆粒團(tuán)的破壞，都與顆粒大小有緊密的函數(shù)關(guān)系，也就是說，顆粒大小是影響流變和穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素。在層流狀態(tài)下，流體中的物料團(tuán)聚體受層流剪切力作用。不考慮團(tuán)聚體的重力作用，物料團(tuán)聚體受剪切力的作用與表面張力的作用。剪切作用的切向分力的作用效果是使團(tuán)聚體發(fā)生旋轉(zhuǎn)的主要原因，而法向分力和表面張力則在團(tuán)聚體的內(nèi)部分別產(chǎn)生壓差，這兩種壓差綜合作用的結(jié)果就是使團(tuán)聚體的內(nèi)部產(chǎn)生變形，在其原有裂紋的區(qū)域上就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，并最終導(dǎo)致團(tuán)聚體的破碎與分散，分解成更小尺寸級(jí)別的顆粒。在湍流狀態(tài)下，流場(chǎng)的變化非常迅速，且存在著固體分散相與液體連續(xù)相之間的相互作用，例如由于固體相對(duì)液體相湍流具有的阻尼作用，使其脈動(dòng)強(qiáng)度降低，流場(chǎng)中流動(dòng)情況相當(dāng)復(fù)雜。所以為了簡(jiǎn)化起見，在假定湍流是均勻的，并且是各向同性的基礎(chǔ)上，認(rèn)為液滴的破裂由湍流的脈動(dòng)效應(yīng)所引起的。在這種情況下，液滴受到的粘性剪切應(yīng)力可忽略，若兩相粘度和密度相差比較小，則在液滴表面將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)將會(huì)使其形狀相對(duì)于平衡的球形而發(fā)生變化，當(dāng)變化的程度足夠大時(shí)，液滴就會(huì)不穩(wěn)定，破裂成兩個(gè)或更多的小液滴，條件是液滴振動(dòng)的動(dòng)能足以提供破裂后所增加的表面能。，漿料傳統(tǒng)混合分散工藝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，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。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(lái)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。，正極漿料的制備（以鉆酸鋰為例）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、分散和稀釋。原料的物理性能鉆酸鋰：非極性物質(zhì)，不規(guī)則形狀，粒徑一般為6?8pm,含水量＜0.2%，通常為堿性，值為。錳酸鋰：非極性物質(zhì)，不規(guī)則形狀，粒徑一般為微米含水量＜0.2%,通常為堿性，值為左右。導(dǎo)電劑：非極性物質(zhì)，葡萄鏈狀物，吸油值約為，粒徑一般為2?5pm；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。

粘合劑：非極性物質(zhì)，鏈狀物，其分子量為不等，吸水后分粘合劑：非極性物質(zhì)，鏈狀物，其分子量為不等，吸水后分子量下降，黏性變差。甲基吡咯烷酮：弱極性液體，用于溶解溶脹，同時(shí)作為溶劑稀釋漿料。原料的預(yù)處理鉆酸鋰：脫水，一般用°C常壓烘烤小時(shí)左右。導(dǎo)電劑：脫水，一般用C常壓烘烤小時(shí)左右。粘合劑：脫水，一般用C常壓烘烤小時(shí)左右，烘烤溫度視分子量的大小決定。: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。原料的摻和粘合劑的溶解（按標(biāo)準(zhǔn)濃度）及熱處理。鉆酸鋰和導(dǎo)電劑球磨：使粉料初步混合，鉆酸鋰和導(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。粉體的分散和浸濕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S90度，固體浸濕。當(dāng)潤(rùn)濕角〉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：、攪拌速度對(duì)分散速度的影響。一般說來(lái)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。、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。、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。、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。稀釋加入溶劑將漿料調(diào)整為合適的濃度，便于涂布。，負(fù)極漿料（以石墨為例）的制備負(fù)極漿料的制備大致與正極制漿的步驟相同。原料的物理性能石墨：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。一般粒徑為20pm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。水性粘合劑（）：小分子線性鏈狀乳液，極易溶于水和極性溶劑。防沉淀劑（）：高分子化合物，易溶于水和極性溶劑。異丙醇：弱極性物質(zhì)，加入后可減小粘合劑溶液的極性，提咼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，提咼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。去離子水（或蒸餾水）：稀釋劑，酌量添加，改變漿料的流動(dòng)性。原料的預(yù)處理石墨：經(jīng)過混合，使原料均勻化，提高一致性，然后在°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）。水性粘合劑：適當(dāng)稀釋，提高分散能力。摻和、浸濕和分散石墨與粘合劑溶液極性不同，不易分散?？上扔么妓芤簩⑹醪綕?rùn)濕，再與粘合劑溶液混合。應(yīng)適當(dāng)降低攪拌濃度，提高分散性。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。攪拌過程如加入真空脫氣過程，排除氣體，促進(jìn)固液吸附，效果更佳。稀釋加入溶劑將漿料調(diào)整為合適的濃度，便于涂布。，傳統(tǒng)分散工藝面臨的問題（）根據(jù)傳統(tǒng)工藝中的葉輪剪切循環(huán)特性，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。（）在操作過程中雙行星攪拌也會(huì)遇到諸多問題：批次分散工藝，混合分散時(shí)間長(zhǎng)，能量消耗大。電極粉末材料由行星攪拌器頂部加入，粉塵容易飛揚(yáng)、漂浮。更重要的是粉末與液相混合極易發(fā)生團(tuán)聚。物料易殘留于行星攪拌器的罐蓋、罐壁及攪拌槳上，清洗操作困難?？諝庖状媪粲诜稚⒒旌瞎蓿瑲馀莸漠a(chǎn)生影響分散效果。批次工藝致使量產(chǎn)受到限制，生產(chǎn)線占地面的大，維護(hù)成本高。二，高剪切設(shè)備在電池漿料分散過程中的應(yīng)用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。把雙行星分散設(shè)備作為宏觀混合單元溶入到鋰離子電池漿料快速分散系統(tǒng)之中，把超剪切分散裝置作為微觀分散控制單元，這將會(huì)大大提高了鋰離子電池漿料的分散效果和效率。，高剪切分散機(jī)理在高剪切分散設(shè)備中，作用于液體的能量一般相當(dāng)集中，這樣可以使液體收到高能量密度的作用。引入能量的類型和強(qiáng)度必須足以使分散相顆粒有效地均勻分散。分散均勻的本質(zhì)是使物料中分散相（固體顆粒、液滴等）受流體力學(xué)上的剪切作用和壓力作用破碎并分散。液體物料分散系中固分散相顆?；蛞旱纹扑榉稚⒌闹苯釉蚴鞘艿郊羟辛?/p>