يستخدم الباحثون خلايا الليثيوم أيون المعملية ذات العملة المعدنية لاختبار الأداء الكهروكيميائي السريع لمواد الكاثود والأنود المُصنّعة حديثًا، أو الإلكتروليتات/المضافات الجديدة. وقد ساهمت خصائصها المتمثلة في السرعة والتكلفة المنخفضة والتوحيد القياسي بشكل كبير في تطوير تكنولوجيا بطاريات الليثيوم أيون. ومع ذلك، خلال مرحلة تحضير عجينة خلايا العملة المعدنية، تُعدّ صعوبة تشتيت أسود الكربون الموصل (مثل Super P وأسود الأسيتيلين، إلخ) بسبب مساحته السطحية الكبيرة وطاقته السطحية العالية وميله للتكتل مشكلة شائعة وصعبة.
يؤدي هذا إلى تكوين خليط غير متساوٍ وشبكة توصيل ضعيفة. ويؤثر ذلك في النهاية على توصيلية القطب، ومتانته الميكانيكية، وأداء البطارية الكهروكيميائي. الأسباب الرئيسية لصعوبة تشتت أسود الكربون والحلول المناسبة له هي:
1 الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكربون الأسود
جسيمات أسود الكربون دقيقة للغاية، ولها مساحة سطح نوعية ضخمة، وطاقة سطحية عالية جدًا. توجد قوى فان دير فالس قوية بين الجسيمات، مما يجعلها عرضة للتكتل وتكوين كتل صلبة يصعب تفتيتها. سطح معظم أسود الكربون كاره للماء، مما يؤدي إلى ضعف توافقه مع المذيبات القطبية الشائعة الاستخدام (مثل NMP) وصعوبة تبليله بالمذيب، مما يؤدي إلى تكتل الجسيمات. عادةً ما تُشكل جسيمات أسود الكربون كتلًا متفرعة أو سلاسل تشبه حبات العنب (البنية الأولية)، والتي يمكن أن تتكتل مع بعضها البعض (البنية الثانوية). يتطلب تفتيت هذه البنية طاقة كافية.
لذلك، أثناء تحضير الملاط، يُنصح باختيار أنواع من أسود الكربون الموصلة ذات قابلية تشتت أفضل نسبيًا (مثل تلك المعالجة سطحيًا). عند الحاجة، يُجفف أسود الكربون بالتفريغ قبل الاستخدام (مثلًا، عند درجة حرارة 80-120 درجة مئوية لعدة ساعات) لإزالة الرطوبة والغازات الممتصة.
2 قضايا المذيبات
ارتفاع نسبة الرطوبة في المذيبات: يُعد هذا أحد الأسباب الأكثر شيوعًا. يتميز NMP بخاصية امتصاص الرطوبة العالية. يمكن للرطوبة أن:
يسبب تحلل NMP، مما يؤدي إلى إنتاج أمينات عضوية تعمل على تغيير درجة حموضة النظام ودرجة لزوجته.
تكوين "فيلم مائي" على السطح الكاره للماء للكربون الأسود، مما يعيق تبليله بالمذيب.
يسبب تفاعلات جانبية مع المادة الرابطة PVDF، مما يؤثر على قابليته للذوبان واستقرار التشتت.
تعزيز القوى الشعرية بين جزيئات الكربون الأسود، مما يؤدي إلى تفاقم التكتل.
بالإضافة إلى ذلك، قد تتداخل الشوائب الموجودة في المذيب مع عملية التشتت أو تمتص على سطح الكربون الأسود.
التحكم بشكل صارم في رطوبة المذيب: استخدم NMP عالي النقاء، وإذا لزم الأمر، قم بإجراء معالجة تجفيف صارمة قبل الاستخدام (على سبيل المثال، تجفيف الغربال الجزيئي، التقطير، التطهير بالغاز الخامل).
التحكم في الرطوبة المحيطة في غرفة تحضير الملاط (عادة ما تكون مطلوبة <30% RH، كلما كانت أقل كان ذلك أفضل) واستخدام حاويات مغلقة للعمليات.
3 إصدارات المجلد
إن مادة PVDF التي لا تذوب بشكل كامل في NMP، وتشكل مواد هلامية أو مواد هلامية دقيقة، يمكن أن تغلف جزيئات الكربون الأسود، مما يجعل تشتتها أكثر صعوبة ويؤدي إلى ما يسمى "عيون السمك" أو الحبيبات.
تركيز PVDF أو الوزن الجزيئي المرتفع بشكل مفرط: يؤدي إلى لزوجة عالية للغاية في الملاط، مما يقلل من كفاءة نقل قوة القص ويجعل من الصعب تشتيت تكتلات الكربون الأسود بشكل فعال.
يمكن أيضًا امتصاص السلاسل الجزيئية PVDF على سطح الكربون الأسود؛ إذا كان الامتصاص قويًا جدًا أو غير مناسب، فقد يؤثر أيضًا على التشتت.
استخدم PVDF بوزن جزيئي مناسب وقابلية ذوبان جيدة. تأكد من ذوبان PVDF تمامًا في NMP قبل إضافة مواد أخرى، لتشكيل محلول غرواني متجانس وشفاف. يمكن تطبيق التسخين المناسب (مثل 50-60 درجة مئوية) والتحريك الجيد أثناء الذوبان.
4 مشاكل في عملية تحضير الملاط
(1) تسلسل الإضافة غير الصحيح
يعد ترتيب الإضافة غير الصحيح عاملاً حاسماً يؤدي إلى فشل التشتت.
إضافة المادة الفعالة (مثل LFP وNCM) مُبكرًا جدًا: جسيمات المادة الفعالة كبيرة نسبيًا. إذا أُضيفت أولًا أو بالتزامن مع المادة الموصلة، فقد تُحجب هذه الجسيمات الأكبر المادة الموصلة، مانعةً إياها من التعرض الكامل لقوى القص، وقد تُغلف المادة الموصلة، مُشكلةً مراكز تكتل.
طريقة غير صحيحة لإضافة المادة الموصلة: إن إضافة المادة الموصلة دفعة واحدة يؤدي إلى تركيز موضعي عالي، ويشكل على الفور كتل صلبة يصعب تفتيتها.
الحلول:
يعد تحسين تسلسل الإضافة أمرًا بالغ الأهمية:
المذيب (NMP) + المادة الرابطة (PVDF): أولاً، يُخلط معظم NMP (حوالي 70-80% من الإجمالي) مع PVDF. يُحرَّك المزيج جيداً عند درجة حرارة مناسبة حتى يذوب تماماً، ليتشكل محلول غرواني شفاف ومتجانس من PVDF.
عامل التوصيل (أسود الكربون + كمية صغيرة من NMP المتبقية): يُخلط عامل التوصيل (أسود الكربون) مسبقًا مع كمية صغيرة محفوظة من NMP (حوالي 10-20%) لتكوين عجينة/مادة توصيل منخفضة المحتوى الصلب. ثم، مع التحريك بسرعة عالية (معدل قص عالٍ)، وببطء وعلى دفعات، يُضاف هذا الخليط إلى محلول PVDF الغرواني من الخطوة 1. هذه الخطوة أساسية لتشتيت أسود الكربون! استمر في التحريك بسرعة عالية لمدة كافية (مثلًا، 30-60 دقيقة) لضمان تشتت أسود الكربون بالكامل وتفتيت تكتلاته.
المادة الفعالة (LFP/NCM، إلخ): بعد التأكد من توزيع أسود الكربون جيدًا، خفّض سرعة التحريك (لمنع إعادة التكتل) وأضف المادة الفعالة للكاثود ببطء وعلى دفعات. بعد الإضافة، اضبط سرعة التحريك حسب الحاجة (سرعة متوسطة إلى عالية) لتحقيق التجانس، مع تجنب القص المفرط الذي قد يُتلف جزيئات المادة الفعالة.
ضبط اللزوجة (NMP المتبقية): أضف NMP المتبقية المحجوزة (حوالي 10%) حسب الحاجة لضبط اللزوجة المستهدفة.
إزالة الهواء والشيخوخة: استخدم التحريك بسرعة منخفضة لإزالة الهواء، أو التهوية بالتفريغ. اترك وقت شيخوخة مناسبًا لاستقرار حالة الملاط.
(2) سرعة التحريك وقوة القص غير الكافية:
يتطلب تشتيت أسود الكربون معدل قصّ عاليًا بما يكفي (سرعة دوران عالية) للتغلب على قوى تماسك التكتلات. تصميم شفرة المحرك غير الكفؤ أو سرعة الدوران المنخفضة جدًا لا يوفران قصًا فعالًا. كما أن عدم كفاية وقت التشتيت يحول دون تفكك التكتلات بشكل كافٍ.
تأكد من حدوث تشتت أسود الكربون في ظروف اللزوجة المنخفضة (فقط المذيب + المادة الرابطة + المذيب لكمية صغيرة من المادة الموصلة) وقوة القص العالية. تجنب تمامًا إضافة مسحوق أسود الكربون الجاف مباشرةً إلى خليط عالي اللزوجة أو إضافته بالتزامن مع كمية كبيرة من المادة الفعالة.
تحسين سرعة ووقت التحريك: يجب أن تكون سرعة الدوران أثناء مرحلة التشتيت عالية بما يكفي (تختلف القيمة باختلاف المعدات، ولكنها أعلى بكثير من سرعة مرحلة الخلط)، وتضمن وقت تشتيت كافٍ لتأثير قوة القص. يُعدّ نقص الوقت خطأً شائعًا.
(3) برنامج التحريك غير المعقول:
اتبع استراتيجية "التشتيت التدريجي": ميّز بوضوح بين مرحلة "الترطيب/الخلط" (سرعة منخفضة) ومرحلة "التشتيت" (سرعة عالية). يجب استخدام السرعة العالية/معدل القص العالي خلال مرحلة تشتيت أسود الكربون.
التحكم في درجة حرارة الملاط: قد تُولّد عملية التشتيت حرارة. قد تُسبّب درجة الحرارة المرتفعة جدًا تبخر المذيب أو تفاعلات جانبية. استخدم غطاء تبريد إذا لزم الأمر للتحكم في درجة الحرارة (مثلًا، أقل من 40 درجة مئوية). ملاحظة: قد يلزم التسخين عند إذابة PVDF.
التحكم في محتوى المواد الصلبة/اللزوجة النهائية: تُضعف اللزوجة الكلية العالية جدًا للملاط كفاءة نقل قوى القص بشكل كبير، مما يُصعّب عملية التشتت. مع ضمان أداء الطلاء، يُفضّل تقليل محتوى المواد الصلبة بشكل مناسب خلال مرحلة التشتت الأولية تشتت أسود الكربون. تُضبط اللزوجة النهائية باستخدام المذيب المُخصص.
5 مشاكل في المعدات
نوع الخلاط وتصميم الشفرات غير المناسبين: استخدام خلاطات غير مناسبة لمتطلبات اللزوجة العالية أو القص العالية (على سبيل المثال، محركات مجداف بسيطة)، أو شفرات لا يمكنها توليد تدفق قص وتدفق دوراني كافٍ، مما يؤدي إلى مناطق ميتة.
المناطق الميتة في الحاوية أو الشفرات: تتسبب في عدم مشاركة الملاط الموضعي في الخلط والتشتت الفعال.
اختر معدات تشتيت عالية القص: مثل الخلاطات الكوكبية، أو الخلاطات الكوكبية المزدوجة، أو المشتتات عالية السرعة، أو معدات تشتيت عالية القص المدمجة. تجنب استخدام معدات التحريك البسيطة ذات قوة القص غير الكافية.
تحسين تصميم الشفرة: حدد مجموعات الشفرات التي تولد تدفق قص قوي وتدفق دوراني جيد (على سبيل المثال، قرص التشتت ذو أسنان المنشار + مجداف المرساة).
تأكد من أن المعدات نظيفة وخالية من البقايا: قم بتنظيفها جيدًا قبل وبعد كل استخدام لمنع بقايا الملاط المجفف من أن تصبح مواقع نووية للتكتل.
6 عوامل بيئية
تُسرّع الرطوبة المحيطة العالية امتصاص رطوبة المذيبات (NMP)، مما يُفاقم مشكلة الرطوبة. لذا، يُرجى مراقبة الرطوبة المحيطة في غرفة تحضير الملاط بدقة.
تعزيز المراقبة ومراقبة الجودة لعملية تحضير الملاط:
المراقبة عبر الإنترنت: قم بمراقبة قوة التحريك/عزم الدوران، ودرجة الحرارة، ومستوى الفراغ (إن وجد) في الوقت الحقيقي.
اختبار الملاط:
اختبار قياس النعومة: طريقة سريعة وسهلة الاستخدام لتقييم أقصى حجم للجسيمات في الملاط وتقدير درجة التشتت. يجب أن يحقق الملاط المؤهل النعومة المطلوبة (مثلاً، ≤20 ميكرومتر).
اللزوجة والخواص الريولوجية: قِس اللزوجة وتغيرها مع معدل القص (المنحنى الريولوجي). عادةً ما يُظهر الملاط المُشتت جيدًا سلوكًا ريولوجيًا أكثر استقرارًا.
المقاومة/الموصلية: قِس مقاومة الملاط. يتميز الملاط جيد التوزيع بشبكة موصلة أكثر اكتمالاً، مما ينتج عنه مقاومة أقل وأكثر استقرارًا.
اختبار الاستقرار: مراقبة الملاط بحثًا عن الترسيب أو التكتل في ظل ظروف ثابتة أو التحريك بسرعة منخفضة.
مراقبة مورفولوجيا المجهر الإلكتروني (SEM/TEM): راقب حالة توزيع أسود الكربون على سطح المواد الفعالة باستخدام مسحوق الطين المجفف أو الأقطاب الكهربائية المطلية. تُعد هذه الطريقة الأكثر مباشرة لتقييم فعالية التشتت.
ملخص
يتطلب حل مشاكل تشتت أسود الكربون تفكيرًا منهجيًا ودقة في التشغيل. يُعد التحكم في رطوبة المذيب، وتحسين تسلسل الإضافة (ضمان تشتت أسود الكربون في ظل لزوجة منخفضة وقص عالٍ)، وضمان قوة قص وزمن تشتت كافٍ، من أهم العناصر الثلاثة. وفي الوقت نفسه، يُعد اختيار المعدات المناسبة، ومراقبة البيئة، والمراقبة الدقيقة لجودة المواد الخام والعملية أمرًا بالغ الأهمية. قبل اللجوء إلى عوامل التشتت، من الضروري استنفاد جميع إجراءات تحسين العملية. ومن خلال الإجراءات الشاملة الموضحة أعلاه، يمكن حل مشكلة ضعف تشتت أسود الكربون في ملاط الكاثود بفعالية، مما يُمكّن من تحضير أقطاب بطاريات ليثيوم أيون عالية الأداء.
يعتمد إنتاج أسود الكربون الموصل لبطاريات الليثيوم بشكل شبه حصري على عملية الطحن النفاث. ويرجع ذلك إلى أن الطحن النفاث يُشتت تجمعات أسود الكربون بفعالية إلى حجم موصل، وبطريقة منخفضة التلوث. كما يُحافظ على بنية سلسلته الأساسية والحيوية إلى أقصى حد ممكن. وهذا يضمن امتلاك المنتج النهائي لخصائص توصيل ممتازة. تتميز مواد بطاريات الليثيوم بتحمل منخفض جدًا للشوائب المعدنية (مثل الحديد والنحاس والزنك)، مما قد يؤثر سلبًا على عمر البطارية وسلامتها. الطحن النفاث يعمل على مبدأ تصادم الجسيمات. هذا التأثير اللطيف نسبيًا يُفتت التجمعات الأكبر بفعالية دون الإضرار ببنية سلسلتها الداخلية القيّمة.
مسحوق ملحمي
تقدم شركة إيبك باودر نظامًا متكاملًا لخدمة ما بعد البيع، يشمل كل شيء بدءًا من تركيب المعدات وتشغيلها، وصولًا إلى التدريب على التشغيل والصيانة والدعم. وبصفتها علامة تجارية مرموقة في هذا المجال، تلتزم إيبك باودر ماشينري بالتركيز على رضا العملاء، والجودة، والابتكار. نحن شريككم الموثوق لتحقيق النجاح على المدى الطويل. اختر إيبك باودر لحلول معالجة مساحيق فعّالة، موفرة للطاقة، وصديقة للبيئة!