Laboratoriumlithium-ion-knoopcelbatterijen worden door onderzoekers gebruikt voor snelle elektrochemische prestatietests van nieuw gesynthetiseerde kathodematerialen, anodematerialen of nieuwe elektrolyten/additieven. Hun kenmerken - snelheid, lage kosten en standaardisatie - hebben de vooruitgang in de lithium-ionbatterijtechnologie sterk bevorderd. Tijdens de bereiding van knoopcelslurry is de moeilijkheid om geleidend koolstofzwart (zoals Super P, acetyleenzwart, enz.) te dispergeren echter een veelvoorkomend en uitdagend probleem vanwege het grote specifieke oppervlak, de hoge oppervlakte-energie en de neiging tot agglomereren.
Dit leidt tot een ongelijkmatige slurry en een slecht geleidend netwerk. Het beïnvloedt uiteindelijk de geleidbaarheid, mechanische sterkte en elektrochemische prestaties van de elektrode. De belangrijkste oorzaken van een moeilijke verspreiding van roet en de bijbehorende oplossingen zijn de volgende:
1 Fysische en chemische eigenschappen van koolstofzwart
Roetdeeltjes zijn extreem fijn, hebben een enorm specifiek oppervlak en een zeer hoge oppervlakte-energie. Er bestaan sterke vanderwaalskrachten tussen de deeltjes, waardoor ze zeer gevoelig zijn voor agglomeratie tot harde aggregaten die moeilijk te verbreken zijn. Het oppervlak van de meeste roetdeeltjes is hydrofoob, wat resulteert in een slechte compatibiliteit met veelgebruikte polaire oplosmiddelen (zoals NMP) en een moeilijke bevochtiging door het oplosmiddel, wat leidt tot aggregatie van de deeltjes. Roetdeeltjes vormen doorgaans vertakte of druifachtige kettingaggregaten (primaire structuur), die verder aan elkaar kunnen agglomereren (secundaire structuur). Het verbreken van deze structuur vereist voldoende energie.
Selecteer daarom bij de bereiding van de slurry geleidende soorten roet met een relatief betere dispergeerbaarheid (bijvoorbeeld roet met oppervlaktebehandeling). Droog de roet indien nodig vóór gebruik vacuüm (bijvoorbeeld enkele uren bij 80-120 °C) om geadsorbeerd vocht en gassen te verwijderen.
2 Oplosmiddelproblemen
Overmatig vochtgehalte van oplosmiddelen: Dit is een van de meest voorkomende oorzaken. NMP is sterk hygroscopisch. Vocht kan:
Veroorzaakt hydrolyse van NMP, waarbij organische aminen ontstaan die de pH en viscositeit van het systeem veranderen.
Vormt een “waterfilm” op het hydrofobe oppervlak van de koolstofzwarte stof, waardoor de bevochtiging door het oplosmiddel wordt verhinderd.
Veroorzaakt nevenreacties met het bindmiddel PVDF, waardoor de oplosbaarheid en dispersiestabiliteit ervan worden beïnvloed.
Bevorderen de capillaire krachten tussen roetdeeltjes, waardoor agglomeratie wordt verergerd.
Bovendien kunnen onzuiverheden in het oplosmiddel het dispersieproces verstoren of aan het koolstofzwarte oppervlak adsorberen.
Controleer het vochtgehalte van het oplosmiddel strikt: gebruik NMP van hoge zuiverheid en voer indien nodig een strikte dehydratatiebehandeling uit vóór gebruik (bijv. dehydratatie met moleculaire zeef, destillatie, purgeren met inert gas).
Controleer de luchtvochtigheid in de ruimte waar de slib wordt bereid (doorgaans vereist <30% RV, lager is beter) en gebruik afgesloten containers voor de werkzaamheden.
3 Binder-problemen
PVDF dat niet volledig is opgelost in NMP en gels of microgels vormt, kan roetdeeltjes inkapselen, waardoor ze moeilijker te verspreiden zijn en er zogenaamde "fisheyes" of korrels ontstaan.
Een te hoge PVDF-concentratie of een te hoog moleculair gewicht: leidt tot een te hoge viscositeit van de slurry, waardoor de efficiëntie van de schuifkrachtoverdracht afneemt en het moeilijk wordt om agglomeraten van roet effectief te dispergeren.
PVDF-molecuulketens kunnen ook adsorberen aan het oppervlak van roet. Als de adsorptie te sterk of onjuist is, kan dit ook de dispersie beïnvloeden.
Gebruik PVDF met een geschikt moleculair gewicht en een goede oplosbaarheid. Zorg ervoor dat PVDF volledig is opgelost in NMP voordat u andere materialen toevoegt, zodat een uniforme, transparante colloïdeoplossing ontstaat. Tijdens het oplossen kunt u de oplossing verwarmen (bijv. 50-60 °C) en grondig roeren.
4 Problemen met het slibbereidingsproces
(1) Onjuiste optelvolgorde
Een onjuiste volgorde van toevoegen is een kritieke factor die kan leiden tot mislukte dispersie.
Te vroeg toevoegen van het actieve materiaal (bijv. LFP, NCM): De deeltjes van het actieve materiaal zijn relatief groot. Als ze eerst of gelijktijdig met het geleidende middel worden toegevoegd, kunnen deze grotere deeltjes het geleidende middel "afschermen", waardoor het niet volledig wordt blootgesteld aan schuifkrachten. Het geleidende middel kan dan ingekapseld raken door het actieve materiaal, waardoor agglomeratiecentra ontstaan.
Onjuiste methode om het geleidende middel toe te voegen: Als het geleidende middel in één keer wordt toegevoegd, ontstaat er plaatselijk een hoge concentratie, waardoor er onmiddellijk harde klonten ontstaan die moeilijk op te breken zijn.
Oplossingen:
Het optimaliseren van de optelvolgorde is uiterst cruciaal:
Oplosmiddel (NMP) + Bindmiddel (PVDF): Meng eerst het grootste deel van de NMP (ongeveer 70-80% van het totaal) met de PVDF. Roer grondig bij een geschikte temperatuur tot het volledig is opgelost en een uniforme, transparante PVDF-colloïdeoplossing vormt.
Geleidend middel (koolstofzwart + een kleine hoeveelheid resterend NMP): Meng het geleidende middel (koolstofzwart) vooraf met een kleine, achtergehouden hoeveelheid NMP (ongeveer 10-20%) om een slurry/pasta met een laag vastestofgehalte te vormen. Voeg vervolgens, onder hoge snelheid roeren (hoge schuifsnelheid), langzaam en in porties, deze slurry met geleidend middel toe aan de PVDF-colloïdeoplossing uit stap 1. Deze stap is essentieel voor het dispergeren van koolstofzwart! Blijf lang genoeg roeren op hoge snelheid (bijv. 30-60 minuten) om ervoor te zorgen dat de koolstofzwart volledig is gedispergeerd en de agglomeraten worden afgebroken.
Actief materiaal (LFP/NCM, enz.): Nadat u hebt gecontroleerd of het roet goed is gedispergeerd, verlaagt u de roersnelheid (om reagglomeratie te voorkomen) en voegt u het kathode-actieve materiaal langzaam en in porties toe. Pas na toevoeging de roersnelheid indien nodig aan (middelhoge snelheid) voor homogenisatie, waarbij u overmatige schuifkrachten vermijdt die de actieve materiaaldeeltjes kunnen beschadigen.
Viscositeitsaanpassing (resterende NMP): Voeg indien nodig de overgebleven NMP (ongeveer 10%) toe om de gewenste viscositeit te verkrijgen.
Ontluchting en veroudering: Gebruik roeren op lage snelheid voor ontluchting of vacuümontluchting. Laat de slurry voldoende rijpen zodat deze zich kan stabiliseren.
(2) Onvoldoende roersnelheid en schuifkracht:
Het dispergeren van roet vereist een voldoende hoge afschuifsnelheid (hoge rotatiesnelheid) om de cohesiekrachten van de agglomeraten te overwinnen. Een inefficiënt ontwerp van de roerbladen of een te lage rotatiesnelheid zorgen niet voor een effectieve afschuifkracht. Onvoldoende dispergeertijd verhindert een adequate afbraak van de agglomeraten.
Zorg ervoor dat de dispersie van het roet plaatsvindt onder omstandigheden van lage viscositeit (alleen oplosmiddel + bindmiddel + oplosmiddel voor een kleine hoeveelheid geleidend middel) en hoge schuifkracht. Vermijd absoluut het toevoegen van droog poederkoolstof direct aan een hoogviskeuze slurry of het gelijktijdig toevoegen ervan met een grote hoeveelheid actief materiaal.
Optimaliseer de roersnelheid en -tijd: De rotatiesnelheid tijdens de dispersiefase moet voldoende hoog zijn (de specifieke waarde is afhankelijk van de apparatuur, maar aanzienlijk hoger dan tijdens de mengfase) en voldoende dispersietijd garanderen zodat de schuifkracht kan werken. Onvoldoende tijd is een veelgemaakte fout.
(3) Onredelijk opruiend programma:
Hanteer een stapsgewijze dispersiestrategie: maak een duidelijk onderscheid tussen de bevochtigings-/mengfase (lage snelheid) en de dispersiefase (hoge snelheid). De hoge snelheid/hoge schuifsnelheid moet worden gebruikt tijdens de dispersiefase van het roet.
Controleer de slurrytemperatuur: Het dispersieproces kan warmte genereren. Een te hoge temperatuur kan verdamping van het oplosmiddel of nevenreacties veroorzaken. Gebruik indien nodig een koelmantel om de temperatuur te controleren (bijv. <40 °C). Opmerking: Verwarming kan nodig zijn bij het oplossen van PVDF.
Controleer het uiteindelijke vastestofgehalte/de uiteindelijke viscositeit: Een te hoge totale viscositeit van de slurry verzwakt de transmissie-efficiëntie van schuifkrachten aanzienlijk, waardoor dispersie moeilijk wordt. Hoewel de coatingprestaties behouden blijven, bevordert een adequate verlaging van het vastestofgehalte tijdens de initiële dispersiefase de dispersie van roet. De uiteindelijke viscositeit wordt aangepast met behulp van het gereserveerde oplosmiddel.
5 Problemen met de apparatuur
Verkeerd type menger en verkeerd ontwerp van de bladen: Gebruik van mengers die niet geschikt zijn voor hoge viscositeit of hoge schuifvereisten (bijvoorbeeld eenvoudige peddelroerders), of bladen die niet voldoende schuifstroom en circulatiestroom kunnen genereren, waardoor er dode zones ontstaan.
Dode zones in de container of op de bladen: zorgen ervoor dat plaatselijke slib niet bijdraagt aan een effectieve menging en verspreiding.
Selecteer apparatuur voor dispergeermiddelen met hoge schuifkracht: zoals planetaire mengers, dubbele planetaire mengers, hogesnelheidsdispergeerders of in-line dispergeermiddelen met hoge schuifkracht. Vermijd het gebruik van eenvoudige roerapparatuur met onvoldoende schuifkracht.
Optimaliseer het bladontwerp: Selecteer bladcombinaties die een sterke schuifstroom en een goede circulatiestroom genereren (bijv. zaagtandvormige verspreidingsschijf + ankerblad).
Zorg ervoor dat de apparatuur schoon is en vrij van resten: maak de apparatuur grondig schoon voor en na elk gebruik om te voorkomen dat opgedroogde slibresten nucleatieplekken worden waar zich agglomeraties kunnen vormen.
6 Omgevingsfactoren
Een hoge luchtvochtigheid versnelt de vochtopname van oplosmiddelen (NMP), waardoor het vochtprobleem verergert. Controleer de luchtvochtigheid in de slibbereidingsruimte strikt.
Versterking van de monitoring en kwaliteitscontrole van het slibbereidingsproces:
Online monitoring: Controleer het roervermogen/koppel, de temperatuur en het vacuümniveau (indien van toepassing) in realtime.
Slibtesten:
Fijnheidsmetertest: een snelle, intuïtieve methode om de maximale deeltjesgrootte in de slurry te bepalen en de mate van dispersie te beoordelen. Een gekwalificeerde slurry moet voldoen aan de beoogde fijnheid (bijv. ≤ 20 µm).
Viscositeit en reologische eigenschappen: Meet de viscositeit en de verandering ervan met de schuifsnelheid (reologische curve). Een goed verdeelde slurry vertoont doorgaans stabieler reologisch gedrag.
Weerstand/Geleidbaarheid: Meet de weerstand van de slurry. Een goed verdeelde slurry heeft een completer geleidend netwerk, wat resulteert in een lagere en stabielere weerstand.
Stabiliteitstest: Controleer de suspensie op sedimentatie of flocculatie onder statische omstandigheden of bij roeren op lage snelheid.
Microscopische morfologische observatie (SEM/TEM): Observeer de distributiestatus van roet op het oppervlak van actieve materialen met behulp van gedroogd slurrypoeder of gecoate elektroden. Dit is de meest directe methode om de effectiviteit van de dispersie te evalueren.
Samenvatting
Het oplossen van problemen met de dispersie van koolstofzwart vereist systematisch denken en nauwkeurige werkwijze. Het beheersen van het vochtgehalte van het oplosmiddel, het optimaliseren van de toevoegingsvolgorde (waardoor koolstofzwart wordt gedispergeerd met een lage viscositeit en hoge afschuiving) en het garanderen van voldoende afschuifkracht en dispersietijd zijn de drie meest cruciale elementen. Tegelijkertijd zijn de selectie van geschikte apparatuur, het beheersen van de omgeving en het strikt bewaken van de kwaliteit van de grondstoffen en het proces cruciaal. Voordat er wordt overgegaan op dispergeermiddelen, is het essentieel om alle procesoptimalisatiemaatregelen uit te voeren. Door de hierboven beschreven uitgebreide maatregelen kan het probleem van slechte dispersie van koolstofzwart in kathodeslurry effectief worden opgelost, waardoor de productie van hoogwaardige lithium-ionbatterij-elektroden mogelijk wordt.
De productie van geleidend carbon black voor lithiumbatterijen maakt vrijwel uitsluitend gebruik van een straalmalingsproces. Dit komt doordat straalmaling de carbon black-aggregaten effectief en met een lage vervuilingsgraad tot een geleidende massa vermaalt. Het kan ook hun inherente, cruciale ketenstructuur zoveel mogelijk behouden. Dit garandeert dat het eindproduct uitstekende geleidende eigenschappen bezit. Materialen voor lithiumbatterijen hebben een zeer lage tolerantie voor metaalverontreinigingen (zoals ijzer, koper en zink). Dit kan de levensduur en veiligheid van de batterij ernstig beïnvloeden. Jet-frezen Werkt volgens het principe van botsingen tussen deeltjes. Deze relatief zachte werking breekt grotere aggregaten effectief af zonder hun waardevolle interne ketenstructuur al te veel te beschadigen.
Episch poeder
Epic Powder biedt een compleet aftersales-servicesysteem. Dit omvat alles van de installatie en inbedrijfstelling van apparatuur tot bedieningstraining, onderhoud en ondersteuning. Als gerenommeerd merk in de branche streeft Epic Powder Machinery naar klantgerichtheid, kwaliteit en innovatie. Wij zijn uw betrouwbare partner voor succes op de lange termijn. Kies Epic Powder voor efficiënte, energiebesparende en milieuvriendelijke oplossingen voor poederverwerking!