Analýza vlastností a kľúčových ovplyvňujúcich faktorov pasty na lítiové batérie

Výroba lítium-iónových batérií je úzko prepojený proces procesných krokov. Všeobecne možno povedať, že výroba lítiových batérií zahŕňa výrobný proces pólového nástavca, proces montáže batérií a proces konečnej injekcie, predbežného nabitia, formovania a starnutia. V trojstupňovom procese je možné každý proces rozdeliť do niekoľkých kľúčových procesov a každý krok bude mať veľký vplyv na konečný výkon batérie.

V procese výroby pólového nástavca ho možno rozdeliť do piatich procesov: príprava kalu, nanášanie kaše, valcovanie pólového nástavca, rezanie pólového nástavca a sušenie pólového nástavca. V procese montáže batérie je možné ju podľa rôznych špecifikácií batérie zhruba rozdeliť na procesy navíjania, opláštenia, zvárania a ďalšie. V konečnej fáze vstrekovania kvapaliny sú zahrnuté rôzne procesy, ako je vstrekovanie kvapaliny, výfuk, tesnenie, predbežné plnenie, tvorba a starnutie. Proces výroby pólového nástavca je základným obsahom výroby celej lítiovej batérie, ktorý súvisí s kvalitou elektrochemického výkonu batérie a kvalita kalu je obzvlášť dôležitá.

1. Základná teória kalu

Suspenzia elektródy lítium-iónovej batérie je druh tekutiny. Všeobecne možno tekutiny rozdeliť na newtonovské a nenewtonovské tekutiny. Medzi nimi možno nenewtonovské tekutiny rozdeliť na napučiavajúce plastové tekutiny, časovo závislé nenewtonské tekutiny, pseudoplastické tekutiny a binghamské plastové tekutiny. Newtonovská tekutina je tekutina s nízkou viskozitou, ktorá sa po namáhaní mimoriadne ľahko deformuje a šmykové napätie je úmerné rýchlosti deformácie. Tekutina, ktorej šmykové napätie v ktoromkoľvek bode má lineárny funkčný vzťah s rýchlosťou šmykovej deformácie. Mnoho tekutín v prírode sú newtonovské tekutiny. Väčšina čistých kvapalín, ako je voda a alkohol, ľahké oleje, nízkomolekulárne roztoky zlúčenín a nízkootáčkové prúdiace plyny, sú všetko newtonovské kvapaliny.

Nenewtonovské kvapaliny označujú kvapaliny, ktoré nespĺňajú Newtonove experimentálne zákony viskozity, tj. Kvapaliny, ktorých šmykové napätie a rýchlosť šmykového namáhania nie sú lineárne. Nenewtonské tekutiny sú široko prítomné v živote, výrobe a prírode. Koncentrované roztoky a suspenzie vysokomolekulárnych polymérov sú zvyčajne nenewtonovské tekutiny. Väčšina biologických tekutín patrí k nenewtonovským tekutinám, ktoré sú v súčasnosti definované. Ľudské telesné tekutiny, ako je krv, lymfa, cystová tekutina a&"polotekutý GG"; ako cytoplazma sú všetky nenewtonovské tekutiny.

Suspenzia elektródy sa skladá z rôznych surovín s rôznou špecifickou hmotnosťou a rôznou veľkosťou častíc a je zmiešaná a dispergovaná vo fáze pevná látka-kvapalina. Výsledná kaša je nenewtonovská tekutina. Kaša lítiovej batérie sa dá rozdeliť do dvoch typov: kaša pozitívnej elektródy a kaša negatívnej elektródy. Vďaka rôznym suspenzným systémom (na olejovej a vodnej báze) sa ich vlastnosti budú veľmi líšiť. Posúdenie vlastností kalu však nie je nič iné ako nasledujúce parametre:

1. Viskozita suspenzie

Viskozita je mierou viskozity kvapaliny a vyjadrením sily prúdenia kvapaliny na jav vnútorného trenia. Pri prúdení kvapaliny sa vlastnosť vnútorného trenia medzi jej molekulami nazýva viskozita kvapaliny. Viskozita je vyjadrená viskozitou, ktorá sa používa na charakterizáciu odporového faktora súvisiaceho s vlastnosťami kvapaliny. Viskozita sa delí na dynamickú a podmienenú viskozitu.

Viskozita je definovaná ako pár rovnobežných dosiek s plochou A a vzdialenosťou dr. Dosky sú naplnené určitou tekutinou. Teraz sa na hornú dosku aplikuje prítlačná sila F, aby sa vyvolala zmena rýchlosti du. Pretože viskozita kvapaliny prenáša túto silovú vrstvu po vrstve, každá vrstva kvapaliny sa tiež príslušne pohybuje, čím sa vytvorí gradient rýchlosti du / dr, nazývaný šmyková rýchlosť, ktorý predstavuje r'. F / A sa nazýva šmykové napätie a predstavuje ho τ. Vzťah medzi šmykovou rýchlosťou a šmykovým napätím je nasledovný:

(F / A)=η (du / dr)

Newtonovská tekutina je v súlade s Newtonovým vzorcom&# 39. Viskozita súvisí iba s teplotou a nemá nič spoločné so šmykovou rýchlosťou. τ je úmerné D.

Nenewtonské kvapaliny nezodpovedajú newtonovskému vzorcu τ / D=f (D) a ηa predstavuje viskozitu pod určitou (τ / D), ktorá sa nazýva zdanlivá viskozita. Okrem teploty viskozita nenewtonovských kvapalín súvisí aj s šmykovou rýchlosťou, časom a zmenami v šmyku alebo v šmyku.

2. Vlastnosti kalu

Kaša je nenewtonovská tekutina, zmiešaná tekutina pevná látka-kvapalina. Na splnenie požiadaviek následného procesu nanášania musí mať kal nasledujúce nasledujúce vlastnosti:

① Dobrá likvidita. Tekutosť sa dá pozorovať miešaním suspenzie, aby mohla prirodzene odtiecť. Dobrá kontinuita, nepretržitá prerušovaná, vykazuje dobrú likviditu. Tekutosť súvisí s obsahom pevnej látky a viskozitou suspenzie,

②Úroveň. Vyrovnanie kaše ovplyvňuje rovinnosť a rovnomernosť povlaku.

③ Reológia. Reológia sa týka deformačných charakteristík kalu v prietoku a jeho kvalita ovplyvňuje kvalitu pólového nástavca.

3. Základ disperzie suspenzie

Pri výrobe elektród pre lítium-iónové batérie sa suspenzia pozitívnej elektródy skladá zo spojiva, vodivého činidla a materiálov pozitívnej elektródy; suspenzia negatívnej elektródy sa skladá z spojiva, práškového grafitového uhlíka atď. Príprava pozitívnej a negatívnej suspenzie zahrnuje rad technologických procesov, ako je vzájomné miešanie, rozpúšťanie a disperzia kvapalných a kvapalných, kvapalných a pevných materiálov a tento proces je sprevádzaný zmenami teploty, viskozity a životného prostredia. Proces miešania a disperzie suspenzie lítium-iónovej batérie možno rozdeliť na proces makro-miešania a proces mikro-disperzie. Tieto dva procesy budú vždy sprevádzané celým procesom prípravy suspenzie lítium-iónovej batérie. Príprava kalu všeobecne prechádza nasledujúcimi fázami:

① Zmiešajte suchý prášok. Častice sú vo vzájomnom kontakte vo forme bodiek, bodiek a bodiek,

② Stupeň hnetenia polosuchého bahna. V tomto štádiu, keď je suchý prášok rovnomerne premiešaný, je pridaná spojivová kvapalina alebo rozpúšťadlo a surovina je zvlhčená a kalná. Po silnom miešaní mixéra je materiál strihaný a trený mechanickou silou a medzi časticami bude vnútorné trenie. Pôsobením rôznych síl majú častice suroviny tendenciu byť vysoko dispergované. Tento stupeň má zásadný vplyv na veľkosť častíc a viskozitu hotovej suspenzie.

StageRiedenie a disperzia. Po ukončení hnetenia sa pomaly pridá rozpúšťadlo, aby sa upravila viskozita suspenzie a obsah pevnej látky. V tejto fáze dochádza k spoločnému rozptýleniu a opätovnému spojeniu, ktoré nakoniec dosiahne stabilitu. V tomto štádiu je disperzia materiálov ovplyvnená hlavne mechanickou silou, trecím odporom medzi práškom a kvapalinou, vysokorýchlostnou šmykovou silou disperzie a interakčnou silou medzi kašou a stenou zásobníka.

2. Analýza parametrov ovplyvňujúcich vlastnosti kalu

Kaša po zmiešaní musí mať dobrú stabilitu, čo je dôležitý ukazovateľ na zabezpečenie konzistencie batérie v procese výroby batérie. Keď sa miešanie suspenzie skončí a miešanie sa zastaví, suspenzia sa usadí, vyvločkuje a splynie, čo povedie k veľkým časticiam, čo bude mať väčší vplyv na následné nanášanie a ďalšie procesy. Hlavné parametre, ktoré charakterizujú stabilitu suspenzie, sú tekutosť, viskozita, obsah pevných látok, hustota atď.

1. Viskozita suspenzie

Suspenzia elektródy musí mať stabilnú a primeranú viskozitu, ktorá má zásadný vplyv na proces poťahovania elektródového kusu. Ak je viskozita príliš vysoká alebo príliš nízka, neprispieva k pokrytiu pólového nástavca. Suspenzia s vysokou viskozitou sa ľahko nevyzráža a dispergovateľnosť bude lepšia, ale príliš vysoká viskozita neprospieva nivelačnému účinku a povlaku; viskozita je príliš nízka Tiež to nie je dobré. Aj keď má kaša dobrú tekutosť pri nízkej viskozite, je ťažké ju vysušiť, čo znižuje účinnosť sušenia povlaku, a vyskytnú sa problémy ako praskanie povlaku, aglomerácia častíc kaše a zlá konzistencia povrchovej hustoty.

Problém, ktorý často vzniká v našom výrobnom procese, je ten, že sa mení viskozita a&"mení GG"; tu možno rozdeliť na okamžité zmeny a statické zmeny. Okamžitá zmena sa týka drastickej zmeny uprostred procesu testovania viskozity a statická zmena sa týka zmeny viskozity suspenzie po určitom čase. Zmena viskozity je vysoká alebo nízka, niekedy vysoká a niekedy nízka. Všeobecne povedané, faktory, ktoré ovplyvňujú viskozitu kalu, zahŕňajú hlavne rýchlosť miešania kalu, časovú kontrolu, postupnosť dávkovania, teplotu a vlhkosť prostredia atď. Existuje veľa faktorov, ako by sme to mali analyzovať a vyriešiť, keď sa stretneme s viskozitou zmeny? Viskozita suspenzie je v podstate ovplyvnená spojivom. Predpokladajme, že ak nie je žiadne lepidlo PVDF / CMC / SBR (ako je znázornené na obrázkoch 2 a 3) alebo lepidlo dobre nekombinuje aktívne materiály, vytvoria tuhé aktívne materiály a vodivé činidlo nenewtonskú tekutinu s rovnomerným poťahovanie? ? nebude! Preto pri analýze a riešení dôvodov zmeny viskozity suspenzie musíme vychádzať z povahy spojiva a stupňa disperzie suspenzie.

Obrázok 2. Štruktúra molekulárneho usporiadania PVDF

Obrázok 3. Molekulárna štruktúra CMC

(1) Zvýšená viskozita

Rôzne suspenzné systémy majú rôzne zmeny viskozity. Súčasným hlavným prúdovým systémom je olejový systém s pozitívnou elektródovou suspenziou PVDF / NMP a suspenziou so zápornou elektródou je vodný systém s obsahom grafitu / CMC / SBR.

① Viskozita suspenzie pozitívnej elektródy sa po určitom časovom odstupe zvyšuje. Jedným z dôvodov (krátkodobé skladovanie) je, že rýchlosť miešania suspenzie je príliš vysoká a spojivo nie je úplne rozpustené. Po určitom čase sa prášok PVDF úplne rozpustí a zvyšuje sa viskozita. Všeobecne povedané, PVDF potrebuje najmenej 3 hodiny na úplné rozpustenie, bez ohľadu na to, ako rýchlo nemôže rýchlosť miešania zmeniť tento ovplyvňujúci faktor, takzvaný&„; unáhlený nie je rýchly GG“. Druhým dôvodom (dlhodobé skladovanie) je to, že keď sa suspenzia nehybne zastaví, koloid sa zmení zo solného stavu na gélový. Ak sa homogenizuje pomalou rýchlosťou, je možné obnoviť jeho viskozitu. Tretím dôvodom je, že medzi koloidom, živou látkou a časticami vodivého činidla je vytvorená špeciálna štruktúra. Tento stav je nevratný a po zvýšení viskozity suspenzie ho nie je možné obnoviť.

②Viskozita suspenzie negatívnej elektródy sa zvyšuje. Zvýšenie viskozity suspenzie negatívnych elektród je spôsobené hlavne zničením molekulárnej štruktúry spojiva. Viskozita suspenzie sa zvyšuje po rozbití a oxidácii molekulárneho reťazca. Ak je materiál nadmerne dispergovaný, veľkosť častíc sa výrazne zníži, čo tiež zvýši viskozitu suspenzie.

(2) Znížená viskozita

① Viskozita suspenzie pozitívnej elektródy klesá. Jedným z dôvodov je, že sa zmenili vlastnosti adhezívneho koloidu. Existuje veľa dôvodov pre zmeny, ako napríklad silná strižná sila počas procesu prenosu kalu, kvalitatívne zmeny v dôsledku absorpcie vlhkosti spojivom, štrukturálne zmeny počas procesu miešania a degradácia samotnej. Druhým dôvodom je, že nerovnomerné miešanie a disperzia spôsobuje, že sa pevná látka v suspenzii usadzuje na veľkej ploche. Tretím dôvodom je, že lepidlo je počas miešania vystavené silným šmykovým a trecím silám zo zariadenia a živých materiálov a jeho vlastnosti sa menia za vysokých teplotných podmienok, čo vedie k zníženiu viskozity.

②Viskozita suspenzie negatívnej elektródy klesá. Jedným z dôvodov je, že CMC obsahuje nečistoty. Väčšina nečistôt v CMC sú zle rozpustné polymérne živice. Ak je CMC miešateľný s vápnikom, horčíkom atď., Jeho viskozita sa zníži. Druhým dôvodom je, že CMC je sodná soľ hydroxymetylcelulózy, ktorá je hlavne kombináciou C / O. Väzba je veľmi slabá a ľahko sa poškodí strihovou silou. Ak je rýchlosť miešania príliš vysoká alebo čas príliš dlhý, štruktúra CMC sa môže zničiť. CMC hrá úlohu pri zahusťovaní a stabilizácii suspenzie negatívnych elektród a súčasne hrá dôležitú úlohu pri disperzii surovín. Akonáhle je jeho štruktúra poškodená, nevyhnutne to spôsobí usadenie suspenzie a zníženie jej viskozity. Tretím dôvodom je zničenie SBR lepidla. V skutočnej produkcii sa CMC a SBR zvyčajne vyberajú tak, aby spolupracovali, a ich roly sú odlišné. SBR funguje hlavne ako spojivo, ale je náchylné na deemulgáciu za dlhodobého miešania, čo má za následok zlyhanie súdržnosti a zníženie viskozity suspenzie.

(3) Špeciálne okolnosti (tvar želé je vysoký a niekedy nízky)

Počas prípravy suspenzie pozitívnej elektródy sa niekedy táto suspenzia stáva&„želé GG“. Existujú dva hlavné dôvody tejto situácie: Po prvé, vlhkosť. Berte do úvahy, že absorpcia vlhkosti živého materiálu, slabá regulácia vlhkosti počas procesu miešania a vysoká vlhkosť suroviny po tom, čo surovina absorbuje vlhkosť alebo prostredie miešania spôsobí, že PVDF absorbuje vlhkosť a stane sa želé. Po druhé, hodnota pH suspenzie alebo materiálu. Čím vyššia je hodnota pH, tým prísnejšia je kontrola vlhkosti, najmä miešanie materiálov s vysokým obsahom niklu, ako sú NCA a NCM811.

Viskozita suspenzie kolíše vysoko a nízko. Jedným z dôvodov môže byť to, že suspenzia nie je úplne stabilizovaná počas procesu testovania a viskozita suspenzie je výrazne ovplyvnená teplotou. Najmä po rozptýlení pri vysokej rýchlosti má vnútorná teplota suspenzie určitý teplotný gradient a rôzne viskozity vzoriek nie sú rovnaké. Druhým dôvodom je, že disperzia suspenzie je slabá, aktívny materiál, spojivo a vodivé činidlo nie sú dobre dispergované, suspenzia nemá dobrú tekutosť a viskozita prírodnej suspenzie kolíše vysoko a nízko.

2. Veľkosť kaše

Po zmiešaní je potrebné zmerať veľkosť častíc. Metóda merania veľkosti častíc obvykle využíva škrabaciu metódu. Veľkosť častíc je dôležitým parametrom na charakterizáciu kvality suspenzie. Veľkosť častíc má dôležitý vplyv na proces poťahovania, proces valcovania a výkon batérie. Teoreticky platí, že čím je veľkosť častíc menšia, tým lepšie. Ak je veľkosť častíc príliš veľká, bude to mať vplyv na stabilitu suspenzie, čo bude mať za následok sedimentáciu a zlú konzistenciu suspenzie. V procese extrúzneho nanášania bude dochádzať k blokovaniu materiálu, jamkám po vysušení pólového nástavca, čo spôsobí jeho kvalitu. V nasledujúcom procese valcovania môže nerovnomerná sila na slabý povlak ľahko spôsobiť zlomenie pólového nástavca a miestne mikrotrhliny, ktoré spôsobia veľké poškodenie výkonu cyklu, rýchlosti a bezpečnosti batérie.

Hlavné materiály, ako sú pozitívne a negatívne aktívne materiály, lepidlá, vodivé činidlá atď., Majú rôznu veľkosť častíc a rôznu hustotu a počas procesu miešania sa vyskytujú rôzne kontaktné metódy, ako je miešanie, stláčanie, trenie a aglomerácia. V štádiách postupného miešania surovín, zmáčania rozpúšťadlami, rozbíjania veľkých kusov materiálov a postupnej stabilizácie dôjde k nerovnomernému miešaniu materiálov, zlému rozpúšťaniu lepidla, silnej aglomerácii jemných častíc a výskytu lepivých vlastností. Zmeny atď. Povedú k produkcii veľkých častíc.

Keď pochopíme príčinu častíc, musíme na riešenie týchto problémov predpísať správny liek. Pokiaľ ide o miešanie suchého prášku materiálov, osobne mám pocit, že rýchlosť miešača má malý vplyv na stupeň miešania suchého prášku, obe však potrebujú dostatok času na zabezpečenie miešania suchého prášku. Teraz si niektorí výrobcovia vyberajú práškové lepidlá a niektorí vyberajú lepidlá rozpustené v kvapaline. Rozdiel v procese určujú dve rôzne lepidlá. Používanie práškových lepidiel sa rozpúšťa dlhšie, inak sa v neskoršej fáze objaví opuch, odraz, zmena viskozity atď. Aglomerácia medzi jemnými časticami je nevyhnutná, musíme však zabezpečiť, aby medzi materiálmi bolo dostatočné trenie, aby sa podporilo vytláčanie a drvenie aglomerovaných častíc, čo vedie k miešaniu. To si vyžaduje, aby sme kontrolovali pevný obsah kalu v rôznych fázach. Príliš nízky obsah pevnej látky bude mať vplyv na trenie a disperziu medzi časticami.

3. Obsah pevnej látky v suspenzii

Obsah pevnej látky v suspenzii úzko súvisí so stabilitou suspenzie. Pri rovnakom postupe a vzorci platí, že čím vyšší je obsah pevnej látky v suspenzii, tým vyššia je viskozita a naopak. V určitom rozmedzí platí, že čím vyššia je viskozita, tým vyššia je stabilita suspenzie. Keď navrhujeme batérie, obvykle obrátime hrúbku jadra z kapacity batérie na dizajn pólového nástavca. Návrh pólového nástavca potom súvisí iba s parametrami, ako je plošná hustota, hustota aktívneho materiálu a hrúbka. Parametre pólového nástavca sa upravujú poťahovacím strojom a valcovým lisom a obsah tuhej látky v suspenzii nemá na ňu priamy vplyv. Je teda tuhý obsah kalu irelevantný?

(1) Obsah pevnej látky má určitý vplyv na zlepšenie účinnosti miešania a účinnosti nanášania. Čím vyšší je obsah pevnej látky, tým kratšia je doba miešania suspenzie, tým menej sa spotrebuje rozpúšťadlo, tým vyššia je účinnosť sušenia povlaku a úspora času.

(2) Obsah tuhej látky má na zariadenie určité požiadavky. Kaša s vysokým obsahom tuhej látky má vyššiu stratu na zariadení, pretože čím vyšší je obsah tuhej látky, tým závažnejšie je opotrebovanie zariadenia.

(3) Kaša s vysokým obsahom pevnej látky má vyššiu stabilitu. Niektoré výsledky skúšky stability suspenzie ukazujú (ako je znázornené na obrázku nižšie), že TSI (index nestability) 1,05 konvenčného miešania je vyšší ako hodnota TSI 0,75 pri vysokoviskóznom miešaní, takže stabilita suspenzie získaná vysokou -viskozitný proces miešania je lepší ako v prípade konvenčného procesu miešania. Suspenzia s vysokým obsahom tuhej látky však ovplyvní aj jej tekutosť, čo je pre zariadenia a technikov procesu nanášania vrstvy veľmi náročné.

(4) Kaša s vysokým obsahom tuhej látky môže znížiť hrúbku medzi jednotlivými vrstvami a znížiť vnútorný odpor batérie.

4. Hustota pasty

Hustota suspenzie je dôležitým parametrom pre konzistenciu reakčnej suspenzie a efekt disperzie suspenzie je možné overiť testovaním hustoty suspenzie v rôznych polohách. Nebudem sa tu rozpisovať a cez vyššie uvedené zhrnutie verím, že každý si môže pripraviť dobrú elektródovú kašu.