Pin lithium-ion dạng thỏi trong phòng thí nghiệm được các nhà nghiên cứu sử dụng để kiểm tra hiệu suất điện hóa nhanh chóng của vật liệu catốt, vật liệu anode mới tổng hợp, hoặc các chất điện phân/phụ gia mới. Các đặc tính về tốc độ, chi phí thấp và tính chuẩn hóa của chúng đã thúc đẩy đáng kể sự phát triển của công nghệ pin lithium-ion. Tuy nhiên, trong giai đoạn chuẩn bị bùn pin, việc phân tán muội than dẫn điện (như Super P, muội axetilen, v.v.) gặp khó khăn do diện tích bề mặt riêng lớn, năng lượng bề mặt cao và xu hướng kết tụ là một vấn đề phổ biến và đầy thách thức.
Điều này dẫn đến bùn không đồng đều, hình thành mạng lưới dẫn điện kém. Cuối cùng, nó ảnh hưởng đến độ dẫn điện của điện cực, độ bền cơ học và hiệu suất điện hóa của pin. Những nguyên nhân chính gây khó khăn cho việc phân tán muội than và các giải pháp tương ứng như sau:
1. Đặc tính vật lý và hóa học của Carbon Black
Các hạt muội than cực kỳ mịn, có diện tích bề mặt riêng lớn và năng lượng bề mặt rất cao. Lực Van der Waals mạnh tồn tại giữa các hạt, khiến chúng dễ kết tụ thành các khối cứng, khó phân tách. Bề mặt của hầu hết muội than là kỵ nước, dẫn đến khả năng tương thích kém với các dung môi phân cực thường được sử dụng (như NMP) và khó bị dung môi làm ướt, gây ra hiện tượng kết tụ các hạt. Các hạt muội than thường tạo thành các khối mạch nhánh hoặc giống như chùm nho (cấu trúc sơ cấp), sau đó có thể kết tụ lại với nhau (cấu trúc thứ cấp). Việc phá vỡ cấu trúc này đòi hỏi một lượng năng lượng đủ lớn.
Do đó, trong quá trình chuẩn bị bùn, hãy chọn loại than đen dẫn điện có khả năng phân tán tương đối tốt (ví dụ: loại có xử lý bề mặt). Nếu cần, hãy hút chân không than đen trước khi sử dụng (ví dụ: 80-120°C trong vài giờ) để loại bỏ độ ẩm và khí đã hấp phụ.
2 Vấn đề về dung môi
Độ ẩm dung môi quá cao: Đây là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất. NMP có tính hút ẩm cao. Độ ẩm có thể:
Gây ra sự thủy phân NMP, tạo ra các amin hữu cơ làm thay đổi độ pH và độ nhớt của hệ thống.
Tạo thành “lớp màng nước” trên bề mặt kỵ nước của than đen, ngăn cản quá trình làm ướt bằng dung môi.
Gây ra phản ứng phụ với chất kết dính PVDF, ảnh hưởng đến độ hòa tan và độ ổn định phân tán của chất này.
Thúc đẩy lực mao dẫn giữa các hạt cacbon đen, làm trầm trọng thêm tình trạng kết tụ.
Ngoài ra, tạp chất trong dung môi có thể cản trở quá trình phân tán hoặc hấp thụ lên bề mặt than đen.
Kiểm soát chặt chẽ độ ẩm của dung môi: Sử dụng NMP có độ tinh khiết cao và nếu cần, thực hiện xử lý khử nước nghiêm ngặt trước khi sử dụng (ví dụ, khử nước bằng sàng phân tử, chưng cất, thanh lọc bằng khí trơ).
Kiểm soát độ ẩm xung quanh phòng chuẩn bị bùn (thường yêu cầu <30% RH, thấp hơn là tốt hơn) và sử dụng các thùng chứa kín cho các hoạt động.
3 Vấn đề về chất kết dính
PVDF không hòa tan hoàn toàn trong NMP, tạo thành gel hoặc microgel, có thể bao bọc các hạt carbon đen, khiến chúng khó phân tán hơn và tạo thành cái gọi là "mắt cá" hoặc hạt.
Nồng độ PVDF hoặc trọng lượng phân tử quá cao: Dẫn đến độ nhớt của bùn quá cao, làm giảm hiệu quả truyền lực cắt và gây khó khăn cho việc phân tán hiệu quả các khối kết tụ cacbon đen.
Các chuỗi phân tử PVDF cũng có thể hấp thụ vào bề mặt cacbon đen; nếu sự hấp thụ quá mạnh hoặc không phù hợp, nó cũng có thể ảnh hưởng đến sự phân tán.
Sử dụng PVDF có trọng lượng phân tử phù hợp và độ hòa tan tốt. Đảm bảo PVDF được hòa tan hoàn toàn trong NMP trước khi thêm các vật liệu khác, tạo thành dung dịch keo đồng nhất, trong suốt. Có thể gia nhiệt thích hợp (ví dụ: 50-60°C) và khuấy kỹ trong quá trình hòa tan.
4 Vấn đề trong quá trình chuẩn bị bùn
(1) Trình tự cộng không đúng
Thứ tự cộng không chính xác là yếu tố quan trọng dẫn đến lỗi phân tán.
Thêm vật liệu hoạt tính (ví dụ: LFP, NCM) quá sớm: Các hạt vật liệu hoạt tính tương đối lớn. Nếu được thêm vào trước hoặc đồng thời với tác nhân dẫn điện, các hạt lớn hơn này có thể “che chắn” tác nhân dẫn điện, ngăn không cho nó tiếp xúc hoàn toàn với lực cắt, và tác nhân dẫn điện có thể bị bao bọc bởi vật liệu hoạt tính, tạo thành các tâm kết tụ.
Phương pháp thêm chất dẫn điện không đúng cách: Đổ toàn bộ chất dẫn điện vào cùng một lúc sẽ gây ra nồng độ cao cục bộ, tạo thành cục cứng ngay lập tức và khó phá vỡ.
Giải pháp:
Việc tối ưu hóa trình tự cộng là cực kỳ quan trọng:
Dung môi (NMP) + Chất kết dính (PVDF): Trước tiên, trộn phần lớn NMP (khoảng 70-80% tổng khối lượng) với PVDF. Khuấy kỹ ở nhiệt độ thích hợp cho đến khi tan hoàn toàn, tạo thành dung dịch keo PVDF đồng nhất, trong suốt.
Chất dẫn điện (Carbon Black + một phần nhỏ NMP còn lại): Trộn trước chất dẫn điện (carbon black) với một phần nhỏ NMP dự trữ (khoảng 10-20%) để tạo thành hỗn hợp sệt/bột nhão chất dẫn điện có hàm lượng chất rắn thấp. Sau đó, khuấy tốc độ cao (tốc độ cắt cao), từ từ và theo từng mẻ, cho hỗn hợp chất dẫn điện này vào dung dịch keo PVDF từ bước 1. Bước này rất quan trọng để phân tán carbon black! Duy trì khuấy tốc độ cao trong một khoảng thời gian đủ dài (ví dụ: 30-60 phút) để đảm bảo carbon black được phân tán hoàn toàn và các chất kết tụ của nó bị phá vỡ.
Vật liệu hoạt tính (LFP/NCM, v.v.): Sau khi xác nhận than đen đã phân tán đều, giảm tốc độ khuấy (để tránh kết tụ lại) và thêm vật liệu hoạt tính catốt từ từ và theo từng mẻ. Sau khi thêm, điều chỉnh tốc độ khuấy khi cần thiết (tốc độ trung bình-cao) để đồng nhất, tránh lực cắt quá mạnh có thể làm hỏng các hạt vật liệu hoạt tính.
Điều chỉnh độ nhớt (NMP còn lại): Thêm NMP còn lại dự trữ (khoảng 10%) nếu cần để điều chỉnh độ nhớt mục tiêu.
Khử khí và lão hóa: Sử dụng máy khuấy tốc độ thấp để khử khí hoặc khử khí chân không. Chờ đủ thời gian lão hóa để trạng thái bùn ổn định.
(2) Tốc độ khuấy và lực cắt không đủ:
Việc phân tán muội than đòi hỏi tốc độ cắt đủ cao (tốc độ quay cao) để thắng được lực kết dính của các khối kết tụ. Thiết kế cánh khuấy không hiệu quả hoặc tốc độ quay quá thấp sẽ không tạo ra lực cắt hiệu quả. Thời gian phân tán không đủ sẽ ngăn cản quá trình phân hủy đầy đủ của các khối kết tụ.
Đảm bảo sự phân tán muội than xảy ra trong điều kiện độ nhớt thấp (chỉ dung môi + chất kết dính + dung môi cho một lượng nhỏ chất dẫn điện) và lực cắt lớn. Tuyệt đối tránh thêm muội than dạng bột khô trực tiếp vào hỗn hợp bùn có độ nhớt cao hoặc thêm đồng thời với một lượng lớn vật liệu hoạt tính.
Tối ưu hóa tốc độ và thời gian khuấy: Tốc độ quay trong giai đoạn phân tán phải đủ cao (giá trị cụ thể tùy thuộc vào thiết bị, nhưng phải cao hơn đáng kể so với giai đoạn trộn) và đảm bảo thời gian phân tán đủ để lực cắt phát huy tác dụng. Thời gian không đủ là một sai lầm thường gặp.
(3) Chương trình khuấy không hợp lý:
Áp dụng chiến lược “phân tán từng bước”: Phân biệt rõ ràng giữa pha “làm ướt/trộn” (tốc độ thấp) và pha “phân tán” (tốc độ cao). Tốc độ cao/tốc độ cắt cao phải được sử dụng trong pha phân tán muội than.
Kiểm soát nhiệt độ bùn: Quá trình phân tán có thể sinh nhiệt. Nhiệt độ quá cao có thể gây bay hơi dung môi hoặc phản ứng phụ. Sử dụng vỏ làm mát nếu cần để kiểm soát nhiệt độ (ví dụ: <40°C). Lưu ý: Có thể cần gia nhiệt khi hòa tan PVDF.
Kiểm soát hàm lượng chất rắn/độ nhớt cuối cùng: Độ nhớt tổng thể của bùn quá cao làm suy yếu nghiêm trọng hiệu suất truyền lực cắt, gây khó khăn cho việc phân tán. Mặc dù đảm bảo hiệu suất phủ, việc giảm hàm lượng chất rắn một cách thích hợp trong giai đoạn phân tán ban đầu sẽ giúp phân tán muội than tốt hơn. Độ nhớt cuối cùng được điều chỉnh bằng dung môi dự trữ.
5 Vấn đề về thiết bị
Loại máy trộn và thiết kế lưỡi trộn không phù hợp: Sử dụng máy trộn không phù hợp với nhu cầu độ nhớt cao hoặc cắt lớn (ví dụ, máy khuấy cánh khuấy đơn giản) hoặc lưỡi trộn không thể tạo ra đủ dòng cắt và dòng tuần hoàn, dẫn đến vùng chết.
Vùng chết trong thùng chứa hoặc lưỡi dao: Khiến bùn cục bộ không tham gia vào quá trình trộn và phân tán hiệu quả.
Chọn thiết bị phân tán cắt cao: Chẳng hạn như máy trộn hành tinh, máy trộn hành tinh kép, máy phân tán tốc độ cao hoặc thiết bị phân tán cắt cao trực tiếp. Tránh sử dụng thiết bị khuấy đơn giản với lực cắt không đủ.
Tối ưu hóa thiết kế lưỡi dao: Chọn các kết hợp lưỡi dao tạo ra dòng cắt mạnh và dòng tuần hoàn tốt (ví dụ: đĩa phân tán răng cưa + mái chèo neo).
Đảm bảo thiết bị sạch sẽ và không còn cặn: Vệ sinh kỹ lưỡng trước và sau mỗi lần sử dụng để tránh cặn bùn khô trở thành nơi hình thành cặn kết tụ.
6 Yếu tố môi trường
Độ ẩm môi trường cao làm tăng tốc độ hấp thụ độ ẩm của dung môi (NMP), làm trầm trọng thêm vấn đề độ ẩm. Kiểm soát độ ẩm môi trường trong phòng pha chế bùn một cách chặt chẽ.
Tăng cường giám sát và kiểm soát chất lượng quá trình chuẩn bị bùn:
Giám sát trực tuyến: Theo dõi công suất/mô-men xoắn khuấy, nhiệt độ và mức chân không (nếu có) theo thời gian thực.
Kiểm tra bùn:
Kiểm tra độ mịn: Một phương pháp nhanh chóng, trực quan để đánh giá kích thước hạt tối đa trong hỗn hợp và đánh giá mức độ phân tán. Hỗn hợp đạt tiêu chuẩn phải đạt độ mịn mục tiêu (ví dụ: ≤20µm).
Độ nhớt và Tính chất Lưu biến: Đo độ nhớt và sự thay đổi của nó theo tốc độ cắt (đường cong lưu biến). Bùn phân tán tốt thường có tính lưu biến ổn định hơn.
Điện trở suất/Độ dẫn điện: Đo điện trở suất của bùn. Bùn được phân tán tốt có mạng lưới dẫn điện hoàn chỉnh hơn, dẫn đến điện trở suất thấp hơn và ổn định hơn.
Kiểm tra độ ổn định: Quan sát hiện tượng lắng hoặc kết bông của bùn trong điều kiện tĩnh hoặc khuấy tốc độ thấp.
Quan sát hình thái vi mô (SEM/TEM): Quan sát trạng thái phân bố của than đen trên bề mặt vật liệu hoạt tính bằng bột bùn khô hoặc điện cực phủ. Đây là phương pháp trực tiếp nhất để đánh giá hiệu quả phân tán.
Bản tóm tắt
Việc giải quyết các vấn đề về phân tán muội than đòi hỏi tư duy hệ thống và vận hành chính xác. Kiểm soát độ ẩm dung môi, tối ưu hóa trình tự bổ sung (đảm bảo muội than được phân tán ở độ nhớt thấp và lực cắt cao), và đảm bảo lực cắt và thời gian phân tán đủ là ba yếu tố quan trọng nhất. Đồng thời, việc lựa chọn thiết bị phù hợp, kiểm soát môi trường và giám sát chặt chẽ chất lượng nguyên liệu thô và quy trình cũng rất quan trọng. Trước khi sử dụng tác nhân phân tán, điều cần thiết là phải tối ưu hóa tất cả các biện pháp tối ưu hóa quy trình. Thông qua các biện pháp toàn diện được nêu ở trên, vấn đề phân tán muội than kém trong bùn catốt có thể được giải quyết hiệu quả, cho phép chế tạo điện cực pin lithium-ion hiệu suất cao.
Việc sản xuất muội than dẫn điện cho pin lithium hầu như chỉ sử dụng quy trình nghiền tia. Điều này là do nghiền tia phân tán hiệu quả các hạt muội than đến kích thước dẫn điện theo cách ít gây ô nhiễm. Nó cũng có thể bảo toàn tối đa cấu trúc chuỗi quan trọng vốn có của chúng. Điều này đảm bảo sản phẩm cuối cùng sở hữu các đặc tính dẫn điện tuyệt vời. Vật liệu pin lithium có khả năng chịu tạp chất kim loại rất thấp (như Fe, Cu và Zn). Điều này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ và độ an toàn của pin. phay phản lực Hoạt động dựa trên nguyên lý va chạm giữa các hạt. Tác động tương đối nhẹ nhàng này có hiệu quả phá vỡ các tập hợp lớn hơn mà không làm hỏng quá mức cấu trúc chuỗi bên trong quý giá của chúng.
Bột sử thi
Epic Powder cung cấp hệ thống dịch vụ hậu mãi toàn diện, bao gồm mọi khâu từ lắp đặt và vận hành thiết bị đến đào tạo vận hành, bảo trì và hỗ trợ. Là một thương hiệu uy tín trong ngành, Epic Powder Machinery cam kết lấy khách hàng làm trọng tâm, chất lượng và đổi mới. Chúng tôi là đối tác đáng tin cậy cho thành công lâu dài của bạn. Hãy chọn Epic Powder để có các giải pháp xử lý bột hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường!