Лабораторные литий-ионные круглые аккумуляторы используются исследователями для быстрого электрохимического тестирования характеристик вновь синтезированных катодных и анодных материалов, а также новых электролитов/добавок. Их скорость, низкая стоимость и стандартизация значительно способствовали развитию технологии литий-ионных аккумуляторов. Однако на этапе приготовления суспензии для плоских аккумуляторов сложность диспергирования проводящей сажи (например, Super P, ацетиленовой сажи и т. д.) из-за её большой удельной поверхности, высокой поверхностной энергии и склонности к агломерации является распространённой и сложной проблемой.
Это приводит к неравномерному распределению шлама и образованию некачественной проводящей сети. В конечном итоге это влияет на проводимость электрода, механическую прочность и электрохимические характеристики аккумулятора. Основные причины затрудненного диспергирования технического углерода и соответствующие решения перечислены ниже:
1. Физические и химические характеристики технического углерода
Частицы технического углерода чрезвычайно малы, обладают огромной удельной поверхностью и очень высокой поверхностной энергией. Между частицами действуют сильные силы Ван-дер-Ваальса, что делает их склонными к агломерации в твёрдые агрегаты, которые трудно разрушить. Поверхность большинства частиц технического углерода гидрофобна, что приводит к плохой совместимости с обычно используемыми полярными растворителями (например, NMP) и затрудненному смачиванию растворителем, что приводит к агрегации частиц. Частицы технического углерода обычно образуют разветвлённые или виноградоподобные цепочечные агрегаты (первичная структура), которые могут далее агломерироваться друг с другом (вторичная структура). Разрушение этой структуры требует значительных затрат энергии.
Поэтому при приготовлении суспензии следует выбирать токопроводящие марки технического углерода с относительно лучшей диспергируемостью (например, с поверхностной обработкой). При необходимости перед использованием технический углерод следует подвергнуть вакуумной сушке (например, при температуре 80–120 °C в течение нескольких часов) для удаления адсорбированной влаги и газов.
2. Проблемы с растворителями
Избыточное содержание влаги в растворителе: одна из наиболее распространённых причин. НМП очень гигроскопичен. Влага может:
Вызывает гидролиз НМП, в результате чего образуются органические амины, которые изменяют pH и вязкость системы.
Образуют на гидрофобной поверхности технического углерода «водную пленку», препятствующую ее смачиванию растворителем.
Вызывает побочные реакции со связующим ПВДФ, влияющие на его растворимость и стабильность дисперсии.
Стимулируют капиллярные силы между частицами технического углерода, усиливая агломерацию.
Кроме того, примеси в растворителе могут мешать процессу дисперсии или адсорбироваться на поверхности технического углерода.
Строго контролируйте влажность растворителя: используйте NMP высокой чистоты и, при необходимости, проводите строгую дегидратацию перед использованием (например, дегидратацию с помощью молекулярного сита, дистилляцию, продувку инертным газом).
Контролируйте влажность воздуха в помещении для приготовления шлама (обычно требуется относительная влажность <30%, лучше чем ниже) и используйте герметичные контейнеры для проведения работ.
3 выпуска переплета
ПВДФ, не полностью растворенный в НМП и образующий гели или микрогели, может инкапсулировать частицы технического углерода, что затрудняет их диспергирование и приводит к образованию так называемых «рыбьих глаз» или гранул.
Чрезмерно высокая концентрация или молекулярная масса ПВДФ: приводит к чрезмерно высокой вязкости суспензии, что снижает эффективность передачи усилия сдвига и затрудняет эффективное диспергирование агломератов технического углерода.
Молекулярные цепи ПВДФ также могут адсорбироваться на поверхности технического углерода; если адсорбция слишком сильная или неправильная, это также может повлиять на дисперсию.
Используйте ПВДФ с подходящей молекулярной массой и хорошей растворимостью. Перед добавлением других материалов убедитесь, что ПВДФ полностью растворился в НМП, образуя однородный прозрачный коллоидный раствор. В процессе растворения можно применять соответствующее нагревание (например, 50–60 °C) и тщательное перемешивание.
4. Проблемы процесса приготовления суспензии
(1) Неправильная последовательность сложения
Неправильный порядок добавления является критическим фактором, приводящим к нарушению дисперсии.
Слишком раннее добавление активного материала (например, LFP, NCM): частицы активного материала относительно крупные. При добавлении первым или одновременно с проводящим агентом эти более крупные частицы могут «экранировать» проводящий агент, предотвращая его полное воздействие сдвигающих усилий, и проводящий агент может инкапсулироваться активным материалом, образуя центры агломерации.
Неправильный способ добавления проводящего агента: Одновременная заливка всего проводящего агента приводит к локальной высокой концентрации, мгновенно образуя твердые комки, которые трудно разрушить.
Решения:
Оптимизация последовательности сложения чрезвычайно важна:
Растворитель (НМП) + Связующее (ПВДФ): Сначала смешайте большую часть НМП (примерно 70–80% от общего количества) с ПВДФ. Тщательно перемешайте при подходящей температуре до полного растворения с образованием однородного прозрачного коллоидного раствора ПВДФ.
Проводящий агент (технический углерод + небольшая часть оставшегося NMP): Предварительно смешайте проводящий агент (технический углерод) с небольшой, отложенной порцией NMP (около 10-20%) для образования суспензии/пасты проводящего агента с низким содержанием твердых частиц. Затем, при высокой скорости перемешивания (высокая скорость сдвига), медленно и порциями добавьте эту суспензию проводящего агента к коллоидному раствору ПВДФ из шага 1. Этот шаг имеет ключевое значение для диспергирования технического углерода! Поддерживайте высокую скорость перемешивания в течение достаточного времени (например, 30-60 минут), чтобы обеспечить полное диспергирование технического углерода и разрушение его агломератов.
Активный материал (LFP/NCM и т.д.): Убедившись, что технический углерод хорошо диспергирован, уменьшите скорость перемешивания (чтобы предотвратить повторную агломерацию) и медленно, порциями, добавляйте катодный активный материал. После добавления отрегулируйте скорость перемешивания (от средней до высокой) для достижения гомогенизации, избегая чрезмерного сдвига, который может повредить частицы активного материала.
Регулировка вязкости (оставшийся НМП): добавьте оставшийся зарезервированный НМП (около 10%) по мере необходимости для регулировки целевой вязкости.
Деаэрация и старение: используйте низкоскоростное перемешивание для деаэрации или вакуумную деаэрацию. Выдерживайте необходимое время для стабилизации состояния суспензии.
(2) Недостаточная скорость перемешивания и сила сдвига:
Диспергирование технического углерода требует достаточно высокой скорости сдвига (высокой скорости вращения) для преодоления сил сцепления агломератов. Неэффективная конструкция лопастей мешалки или слишком низкая скорость вращения не обеспечивают эффективного сдвига. Недостаточное время диспергирования препятствует полноценному разрушению агломератов.
Обеспечьте диспергирование технического углерода в условиях низкой вязкости (только растворитель + связующее + растворитель для небольшого количества проводящего агента) и высокой силы сдвига. Категорически избегайте добавления сухого порошкообразного технического углерода непосредственно в высоковязкую суспензию или одновременного добавления его с большим количеством активного вещества.
Оптимизируйте скорость и время перемешивания: скорость вращения на этапе диспергирования должна быть достаточно высокой (конкретное значение зависит от оборудования, но значительно выше, чем на этапе смешивания) и обеспечивать достаточное время диспергирования для воздействия сдвигающего усилия. Недостаточное время — распространённая ошибка.
(3) Программа необоснованного перемешивания:
Применяйте стратегию «поэтапного диспергирования»: четко разделяйте фазу «смачивания/смешивания» (низкая скорость) и фазу «диспергирования» (высокая скорость). В фазе диспергирования технического углерода необходимо использовать высокую скорость/высокую скорость сдвига.
Контролируйте температуру суспензии: процесс диспергирования может сопровождаться выделением тепла. Чрезмерно высокая температура может привести к испарению растворителя или побочным реакциям. При необходимости используйте охлаждающую рубашку для контроля температуры (например, <40°C). Примечание: при растворении ПВДФ может потребоваться нагрев.
Контроль конечного содержания твердой фазы/вязкости: Чрезмерно высокая общая вязкость суспензии значительно снижает эффективность передачи усилия сдвига, затрудняя диспергирование. Снижение содержания твердой фазы на начальном этапе диспергирования, обеспечивая эффективность покрытия, способствует лучшему диспергированию технического углерода. Конечная вязкость регулируется с помощью резервного растворителя.
5 проблем с оборудованием
Неправильный тип миксера и конструкция лопастей: использование миксеров, не подходящих для условий высокой вязкости или высокого сдвига (например, простые лопастные мешалки), или лопастей, которые не могут создать достаточный сдвиговой поток и циркуляционный поток, что приводит к образованию мертвых зон.
Мертвые зоны в контейнере или лопастях: приводят к тому, что локализованная суспензия не участвует в эффективном смешивании и диспергировании.
Выбирайте оборудование для диспергирования с высоким усилием сдвига: например, планетарные миксеры, двухпланетные миксеры, высокоскоростные диспергаторы или поточное оборудование для диспергирования с высоким усилием сдвига. Избегайте использования простого перемешивающего оборудования с недостаточным усилием сдвига.
Оптимизируйте конструкцию лопастей: выберите комбинации лопастей, которые создают сильный сдвиговой поток и хороший циркуляционный поток (например, пилообразный дисперсионный диск + якорная лопасть).
Убедитесь, что оборудование чистое и на нем нет остатков: тщательно очищайте его до и после каждого использования, чтобы предотвратить превращение остатков высохшей суспензии в центры агломерации.
6 факторов окружающей среды
Высокая влажность воздуха ускоряет впитывание влаги растворителем (NMP), усугубляя проблему влажности. Строго контролируйте влажность воздуха в помещении для приготовления суспензии.
Усиление мониторинга и контроля качества процесса приготовления шлама:
Онлайн-мониторинг: Контролируйте мощность/крутящий момент перемешивания, температуру и уровень вакуума (если применимо) в режиме реального времени.
Испытание суспензии:
Измерение тонкости помола: быстрый и интуитивно понятный метод оценки максимального размера частиц в пульпе и степени дисперсности. Качественная пульпа должна соответствовать заданной тонкости помола (например, ≤20 мкм).
Вязкость и реологические свойства: измеряйте вязкость и её изменение в зависимости от скорости сдвига (реологическая кривая). Хорошо диспергированная суспензия обычно демонстрирует более стабильные реологические свойства.
Удельное сопротивление/проводимость: Измерьте удельное сопротивление пульпы. Хорошо диспергированная пульпа имеет более развитую проводящую сеть, что обеспечивает более низкое и стабильное удельное сопротивление.
Испытание на стабильность: Наблюдайте за пульпой на предмет оседания или флокуляции в статических условиях или при перемешивании на низкой скорости.
Микроскопическое морфологическое исследование (СЭМ/ТЭМ): наблюдение за распределением технического углерода на поверхности активных материалов с использованием высушенного порошка-суспензии или покрытых электродов. Это наиболее прямой метод оценки эффективности дисперсии.
Краткое содержание
Решение проблем диспергирования технического углерода требует системного подхода и точного выполнения. Контроль влажности растворителя, оптимизация последовательности добавления (обеспечение диспергирования технического углерода при низкой вязкости и высоком сдвиге) и обеспечение достаточного усилия сдвига и времени диспергирования являются тремя наиболее важными элементами. Кроме того, решающее значение имеют выбор подходящего оборудования, контроль окружающей среды и строгий контроль качества сырья и процесса. Прежде чем прибегать к диспергирующим агентам, необходимо исчерпать все меры по оптимизации процесса. Комплексные меры, описанные выше, позволяют эффективно решить проблему неудовлетворительного диспергирования технического углерода в катодной суспензии, что позволяет изготавливать высокопроизводительные электроды для литий-ионных аккумуляторов.
Производство проводящего технического углерода для литиевых аккумуляторов практически полностью осуществляется методом струйной обработки. Это обусловлено тем, что струйная обработка эффективно диспергирует агрегаты технического углерода до проводящего размера с минимальным загрязнением окружающей среды. Кроме того, она позволяет максимально сохранить их важнейшую цепочечную структуру. Это гарантирует превосходные проводящие свойства конечного продукта. Материалы для литиевых аккумуляторов очень устойчивы к металлическим примесям (таким как Fe, Cu и Zn). Это может существенно повлиять на срок службы и безопасность аккумулятора. Струйное фрезерование Работает по принципу столкновений частиц. Это относительно щадящее воздействие эффективно разрушает крупные агрегаты, не повреждая при этом их ценную внутреннюю цепочечную структуру.
Эпический порошок
Epic Powder предлагает комплексную систему послепродажного обслуживания. Она охватывает все этапы: от установки и ввода оборудования в эксплуатацию до обучения персонала, технического обслуживания и поддержки. Epic Powder Machinery, известный в отрасли бренд, стремится к клиентоориентированности, качеству и инновациям. Мы — ваш надежный партнер, способный обеспечить долгосрочный успех. Выбирайте Epic Powder для эффективных, энергосберегающих и экологически безопасных решений по обработке порошков!