Das Rühren der Aufschlämmung von Lithiumbatteriezellen ist das wichtigste Glied im gesamten Produktionsprozess, das das wichtigste Glied im gesamten Produktionsprozess von Lithium-Ionen-Batterien ist.
Zusammensetzung einer positiven Elektrodenaufschlämmung für Lithium-Ionen-Batterien
Die positive Elektrodenaufschlämmung einer Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einem Bindemittel, einem leitfähigen Mittel, einem positiven Elektrodenmaterial usw.; Die Aufschlämmung der negativen Elektrode besteht aus Bindemittel, Graphitkohlepulver usw. Die Herstellung positiver und negativer Aufschlämmungen umfasst eine Reihe technologischer Prozesse wie gegenseitiges Mischen, Auflösen und Dispergieren zwischen Flüssigkeit und Flüssigkeit, flüssigen und festen Materialien, und diese Prozesse sind begleitet von Temperatur-, Viskositäts- und Umgebungsänderungen. In den Aufschlämmungen für positive und negative Elektroden beeinflusst die Verteilung und Gleichmäßigkeit des körnigen Aktivmaterials direkt die Bewegung von Lithiumionen zwischen den beiden Polen der Batterie, so dass das Mischen und Verteilen der Aufschlämmung jedes Polschuhmaterials sehr wichtig ist Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. , Die Qualität der Aufschlämmungsdispersion wirkt sich direkt auf die Qualität der späteren Lithium-Ionen-Batterieproduktion und die Leistung ihrer Produkte aus.
Beim traditionellen Verfahren wird eine ultrafeine Dispergierung durchgeführt, weil: durch herkömmliche Misch- und Rührgeräte nur große Pulvercluster in der Lösung dispergiert und gleichmäßig verteilt werden können; die Pulverform liegt jedoch in Form feiner Pulvercluster vor. In der Lösung werden nur die Verarbeitungsanforderungen der makroskopischen Dispersion erfüllt. Die Aufschlämmung nach makroskopischem Rühren und Dispergieren kann die Agglomerate aus feinem Pulver oder festen Teilchen in der Lösung unter Einwirkung der starken mechanischen Schneidkraft der ultrafeinen Dispergier- und Homogenisierungsausrüstung weiter dispergieren und homogenisieren, um ausreichend feine Feststoffe zu erhalten. Die Partikel werden gleichmäßig in der Lösung verteilt, um den Effekt einer mikroskopischen ultrafeinen Dispersion und Homogenität zu erzielen, was die Gesamtleistung der Aufschlämmung erheblich verbessern kann.
Das derzeitige traditionelle Lithiumbatterie-Aufschlämmungsverfahren ist:
Inhaltsstoffe
- Lösungsvorbereitung:
a) das Mischungsverhältnis und das Wiegen von PVDF (oder CMC) und Lösungsmittel NMP (oder entionisiertem Wasser);
b) Die Rührzeit, Rührfrequenz und -zeiten der Lösung (und die Oberflächentemperatur der Lösung);
c) Nachdem die Herstellung der Lösung abgeschlossen ist, die Prüfung der Lösung: Viskosität (Test), Auflösungsgrad (Sichtprüfung) und Haltbarkeitsdauer;
d) Negative Elektrode: SBR+CMC-Lösung, Rührzeit und -frequenz.
Wirkstoffe:
a) Beim Wiegen und Mischen kontrollieren, ob Mischungsverhältnis und Menge stimmen;
b) Kugelmahlen: die Kugelmahlzeit der positiven und negativen Elektroden; das Verhältnis der Achatperlen zur Mischung im Kugelmühlenfass; das Verhältnis der großen Kugeln zu den kleinen Kugeln in den Achatkugeln;
c) Backen: Einstellung von Backtemperatur und -zeit; Prüftemperatur nach dem Abkühlen nach dem Backen.
d) Mischen und Rühren von Wirkstoff und Lösung: Rührmodus, Rührzeit und -frequenz.
e) Sieb: Durch ein 100-Mesh- (oder 150-Mesh-)Molekularsieb passieren.
f) Prüfung, Inspektion:
Die folgenden Tests werden an der Aufschlämmung und Mischung durchgeführt: Feststoffgehalt, Viskosität, Mischungsfeinheit, Klopfdichte und Aufschlämmungsdichte.
Neben der Verdeutlichung des traditionellen Handwerks ist es auch notwendig, die Grundprinzipien der Lithium-Batterie-Slurry zu verstehen.
Kolloidtheorie
Der Haupteffekt, der zur Agglomeration kolloidaler Teilchen führt, kommt von der Van-der-Waals-Kraft zwischen Teilchen. Um die Stabilität kolloidaler Partikel zu erhöhen, gibt es zwei Möglichkeiten: Einer besteht darin, die elektrostatische Abstoßung zwischen den kolloidalen Partikeln zu erhöhen, und der andere besteht darin, sterische Potentiale zwischen den Pulvern zu erzeugen. Auf diese beiden Arten wird die Agglomeration des Pulvers blockiert.
Das einfachste kolloidale System besteht aus einer dispergierten Phase und einem dispergierten Medium, und die Größe der dispergierten Phase reicht von 10-9 bis 10-6 m. Die Substanzen im Kolloid sind im System vorhanden und müssen eine gewisse Dispergierbarkeit aufweisen. Je nach Unterschied zwischen Lösungsmittel und dispergierter Phase können verschiedene Kolloidformen erzeugt werden, wie z. B.: Nebel ist Aerosol, in dem Tröpfchen in Gas dispergiert sind, Zahnpasta ist Sol, in dem feste Polymerpartikel in Flüssigkeit dispergiert sind.
Die Anwendung von Kolloiden ist im Leben reichlich vorhanden, und die physikalischen Eigenschaften von Kolloiden variieren je nach Dispersionsphase und Dispersionsmedium. Betrachtet man Kolloide aus mikroskopischer Sicht, befinden sich kolloidale Partikel nicht in einem konstanten Zustand, sondern bewegen sich zufällig im Medium, was wir Brownsche Bewegung nennen. Oberhalb des absoluten Nullpunkts erfahren kolloidale Partikel aufgrund der thermischen Bewegung eine Brownsche Bewegung, was die dynamischen Eigenschaften mikroskopischer Kolloide sind. Die Kollision kolloidaler Partikel aufgrund der Brownschen Bewegung ist eine Gelegenheit zur Aggregation, und kolloidale Partikel befinden sich in einem thermodynamisch instabilen Zustand, sodass die Wechselwirkungskraft zwischen Partikeln einer der Schlüsselfaktoren der Dispersion ist.
Theorie der elektrischen Doppelschicht
Die elektrische Doppelschichttheorie kann verwendet werden, um die Verteilung geladener Ionen in Kolloiden und die möglichen Probleme auf der Oberfläche von Partikeln zu erklären. Im 19. Jahrhundert schlug Helmholtz das Parallelkondensatormodell vor, um die elektrische Doppelschichtstruktur zu beschreiben. Es wird einfach angenommen, dass die Teilchen negativ geladen sind und die Oberfläche wie eine Elektrode in einem Kondensator ist. Diese Theorie ignoriert jedoch das Diffusionsverhalten geladener Ionen aufgrund thermischer Bewegung.
Daher schlugen Gouy und Chapman zu Beginn des 20. Jahrhunderts das Modell der diffusionselektrischen Doppelschicht vor, bei dem die Gegenionen in Lösung aufgrund elektrostatischer Wechselwirkung an der Oberfläche geladener Teilchen adsorbiert werden und gleichzeitig werden sie es tun diffundieren aufgrund thermischer Bewegung um die Partikel herum. Daher nimmt die Verteilungskonzentration von Gegenionen in der Lösung mit dem Abstand von der Teilchenoberfläche ab. 1924 kombinierte Stern die beiden Modelle des parallelen Kondensators und der diffundierten elektrischen Doppelschicht, um die Struktur der elektrischen Doppelschicht zu beschreiben. Stern glaubt, dass Gegenionen eine dichte Adsorptionsschicht auf der Oberfläche des Partikels bilden, die auch als Stern-Schicht bekannt ist. Mit zunehmendem Abstand von der Partikeloberfläche nimmt das Potential des Partikels linear ab. Gleichzeitig gibt es auch außerhalb der Stern-Schicht eine Diffusionsschicht, und die Partikel werden diffundieren. Das Potential in der Schicht nimmt exponentiell mit der Entfernung ab.
Die folgende Abbildung zeigt das elektrische Doppelschichtmodell von Stern. Das Zetapotential (ξ, Zetapotential) ist ein sehr wichtiger Parameter im elektrischen Doppelschichtmodell. Das Oberflächenpotential des Teilchens kann bei der tatsächlichen Messung nicht direkt gemessen werden, aber es kann durch das Schallwellenverfahren oder das Elektrophoreseverfahren berechnet werden. das Zeta-Potential des Teilchens aus. Das Zeta-Potential existiert auf der Scherebene zwischen der Stern-Schicht und der Diffusionsschicht im elektrischen Doppelschichtmodell.
Das Zeta-Potential ist eng mit der Dispersionsstabilität des Kolloids verbunden. Wenn das Zeta-Potential größer ist, ist die elektrostatische Ladung auf der Oberfläche des Kolloidpartikels größer. Wenn das Zeta-Potential des Partikels in der wässrigen Lösung ±25~30 mV erreicht, hat das Kolloid eine ausreichende elektrostatische Abstoßung, die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Partikeln überwindet, um die kolloidale Stabilität aufrechtzuerhalten.
DLVO-Theorie
Von 1940 bis 1948 etablierten Deryagin, Landau, Verwey und Overbeek die verwandte Theorie der Energieänderung, wenn sich kolloidale Teilchen einander nähern, und ihren Einfluss auf die kolloidale Stabilität, die als DLVO-Theorie bezeichnet wird. Seine Theorie beschreibt hauptsächlich die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen kolloidalen Teilchen und der Energieänderung.
Die folgende Abbildung ist ein schematisches Diagramm von DLVO, das darauf hinweist, dass es anziehende und abstoßende Kräfte zwischen kolloidalen Partikeln gibt. Die Größe dieser beiden Kräfte bestimmt die Stabilität der kolloidalen Lösung. Die Anziehung zwischen Partikeln ist der Haupteffekt, und die Partikel werden agglomerieren; während die Abstoßungskraft größer als die Anziehungskraft ist, kann die Teilchenkohäsion vermieden und die Stabilität des Kolloids aufrechterhalten werden.
Wenn der Abstand zwischen den Partikeln immer kürzer wird, ziehen sich die Partikel aus der DLVO-Kurve zuerst an, wenn sich die Partikel weiter nähern, wird die Abstoßungskraft zwischen den Partikeln erzeugt, und wenn die Partikel sich kreuzen Abstoßungsbarriere, die Aggregate schnell. Um die Dispersionsstabilität von Partikeln in Kolloiden zu verbessern, muss daher die Abstoßungskraft zwischen Partikeln verbessert werden, um eine Agglomeration zwischen Partikeln zu vermeiden.
Kolloidstabilisierungsmechanismus
Kolloidale Partikel neigen aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergie zur Agglomeration. Um dem kolloidalen System Dispersionsstabilität zu verleihen, muss die Abstoßungskraft zwischen Partikeln verbessert werden. Der Stabilisierungsmechanismus zwischen Kolloiden kann allgemein in drei Typen eingeteilt werden:
1) Elektrostatische Stabilisierung
2) Sterische Hinderung
3) Elektrosterische Stabilisierung, der Stabilisierungsmechanismus ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
(a) elektrostatische Abstoßung, (b) sterische Barriere, (c) elektrostatische sterische Barriere
Der elektrostatische Stabilisierungsmechanismus nutzt die Abstoßungskraft, die durch die Oberflächenladungen der Partikel verursacht wird. Wenn die Teilchen aufgrund der Anziehung nahe beieinander liegen, überlappen sich die elektrischen Doppelschichten der kolloidalen Teilchen, und die Abstoßungskraft wird aufgrund der gleichen Ladung auf der Oberfläche der Teilchen erzeugt.
Der elektrostatische Stabilisierungsmechanismus wird jedoch leicht durch die Elektrolytkonzentration im Lösungssystem beeinflusst. Wenn die Elektrolytkonzentration in der Lösung zu hoch ist, wird die elektrische Doppelschicht auf der Oberfläche der Partikel komprimiert, wodurch die Partikel agglomerieren. Der Stabilisierungsmechanismus sterischer Barrieren besteht darin, Makromoleküle zur Adsorption an der Oberfläche kolloidaler Partikel zu verwenden, was zwei verschiedene Effekte hervorruft, um die Abstoßungskraft zwischen Partikeln zu verstärken:
1) Osmotischer Effekt
Wenn die beiden kolloidalen Teilchen nahe beieinander liegen, wird das an der Oberfläche der Teilchen adsorbierte langkettige Polymer oder das restliche Polymer in der Lösung zwischen den Teilchen angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt bewirkt die kontinuierliche Zunahme der Polymerkonzentration zwischen den Partikeln eine Änderung des osmotischen Drucks, und das umgebende Medium tritt in die beiden kolloidalen Partikel ein. Zwischen den Partikeln ist der Abstand voneinander angeordnet, um den Effekt einer stabilen Dispersion zu erzielen.
2) Volumenbeschränkungseffekt
Um das Makromolekül auf der oberen Oberfläche des Partikels zu adsorbieren, gibt es eine gewisse Raumbarriere. Wenn der Abstand zwischen den Partikeln verkürzt wird, da das Makromolekül das Partikel nicht durchdringen kann, wird das Makromolekül komprimiert, was zu einer Erhöhung der elastischen freien Energie führt, wodurch das Partikel verschoben und der Dispersionseffekt erzielt wird. .
Verglichen mit elektrostatischen Stabilisierungsmechanismen haben polymere sterische Barrieren viele Vorteile. Der elektrostatische Stabilisierungsmechanismus wird leicht durch die Umgebung beeinflusst und verliert seine Wirkung und kann nicht auf Umgebungen mit hohem Elektrolytgehalt oder organische Systemlösungen angewendet werden.
Die makromolekularen sterischen Barrieren sind jedoch relativ unempfindlich gegenüber der Elektrolytkonzentration und haben die gleiche Effizienz in wässriger Lösung oder in organischen Lösungsmitteln, und die makromolekularen sterischen Barrieren beeinträchtigen die Wirkung aufgrund des kolloidalen Feststoffgehalts nicht. Wenn das Polymer auf der Oberfläche von kolloidalen Teilchen adsorbiert wird, ist es, selbst wenn eine Agglomeration auftritt, immer noch eine weiche Agglomeration, die das Agglomerationsphänomen leicht brechen kann. Auch wenn die kolloidalen Partikel getrocknet sind, können sie immer noch wieder im Lösungsmittel dispergiert werden.
Daher ist die Wirkung sterischer Barrieren auf die Dispersionsstabilität relativ höher als die der elektrostatischen Stabilisierung. Die elektrostatische sterische Stabilisierung hat sowohl einen elektrostatischen Stabilisierungsmechanismus als auch eine sterische Barriere. Das auf die Oberfläche des Teilchens gepfropfte Polymer wird geladen, so dass die beiden unterschiedlichen Stabilisierungsmechanismen hinzugefügt werden, so dass die kolloidalen Teilchen eine gute Dispersionsstabilität aufweisen.
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