Analys av egenskaper och viktiga påverkande faktorer för litiumbatteripasta

Produktionen av litiumjonbatterier är en nära kopplad process av processsteg. Generellt innefattar produktionen av litiumbatterier tillverkningsprocesser för polstycken, batterimonteringsprocessen och den slutliga vätskeinsprutnings-, förladdnings-, bildnings- och åldringsprocessen. I trestegsprocessen kan varje process delas in i flera viktiga processer, och varje steg kommer att ha stor inverkan på batteriets slutliga prestanda.

I tillverkningsprocessen för polstycken kan den delas upp i fem processer: beredning av slam, slambeläggning, rullning av polstycke, skärning av polstycke och torkning av polstycke. I batterimonteringsprocessen kan det enligt de olika batterispecifikationerna grovt delas in i lindning, hölje, svetsning och andra processer. I det slutliga vätskeinsprutningssteget ingår olika processer såsom vätskeinsprutning, avgas, tätning, förfyllning, bildning och åldring. Polstycke-tillverkningsprocessen är kärninnehållet i hela tillverkningen av litiumbatterier, vilket är relaterat till kvaliteten på batteriets elektrokemiska prestanda, och uppslamningens kvalitet är särskilt viktig.

1. Grundläggande teori om uppslamning

Litiumjonbatteriets elektroduppslamning är en slags vätska. I allmänhet kan vätskor delas in i newtonska vätskor och icke-newtonska vätskor. Bland dem kan icke-newtonska vätskor delas in i svällande plastvätskor, tidsberoende icke-newtonska vätskor, pseudoplastiska vätskor och Bingham-plastvätskor. Newtonvätska är en vätska med låg viskositet som är extremt lätt att deformera efter att ha varit stressad, och skjuvspänningen är proportionell mot deformationshastigheten. En vätska vars skjuvspänning vid vilken punkt som helst har ett linjärt funktionsförhållande med skjuvdeformationshastigheten. Många vätskor i naturen är newtonska vätskor. De flesta rena vätskor som vatten och alkohol, lätta oljor, lösningar med låg molekylförening och flytande gaser med låg hastighet är alla newtonska vätskor.

Icke-newtonska vätskor avser vätskor som inte uppfyller Newtons experimentella lagar för viskositet, det vill säga vätskor vars skjuvspänning och skjuvbelastningshastighet inte är linjära. Icke-newtonska vätskor finns allmänt i liv, produktion och natur. Koncentrerade lösningar och suspensioner av högmolekylära polymerer är i allmänhet icke-newtonska vätskor. De flesta biologiska vätskor tillhör de för närvarande definierade icke-newtonska vätskorna. Människokroppsvätskor såsom blod, lymf, cystvätska och&", halvvätska GG"; som cytoplasma är alla icke-newtonska vätskor.

Elektroduppslamning består av en mängd olika råvaror med olika specifik vikt och olika partikelstorlekar och blandas och dispergeras i en fast-vätskefas. Den resulterande uppslamningen är en icke-newtonsk vätska. Litiumbatteriuppslamning kan delas in i två typer: positiv elektroduppslamning och negativ elektroduppslamning. På grund av de olika uppslamningssystemen (oljiga och vattenbaserade) kommer deras egenskaper att variera kraftigt. Att bedöma uppslamningens egenskaper är dock inget annat än följande parametrar:

1. Slamens viskositet

Viskositet är ett mått på vätskans viskositet och ett uttryck för vätskeströmningskraft på dess inre friktionsfenomen. När en vätska flyter kallas egenskapen för inre friktion mellan dess molekyler vätskans viskositet. Viskositeten uttrycks av viskositet, som används för att karakterisera motståndsfaktorn relaterad till vätskans egenskaper. Viskositet är uppdelad i dynamisk viskositet och villkorlig viskositet.

Viskositet definieras som ett par parallella plattor med ett område av A och ett avstånd av dr. Plattorna är fyllda med en viss vätska. Nu appliceras en dragkraft F på den övre plattan för att åstadkomma en hastighetsförändring du. Eftersom vätskans viskositet överför detta kraftlager för lager, rör sig varje lager av vätska också i enlighet därmed och bildar en hastighetsgradient du / dr, kallad skjuvhastighet, som representeras av r'. F / A kallas skjuvspänning och representeras av τ. Förhållandet mellan skjuvhastighet och skjuvspänning är som följer:

(F / A)=η (du / dr)

Newtons vätska överensstämmer med Newtons' s formel. Viskositeten är bara relaterad till temperaturen och har inget att göra med skjuvhastighet. τ är proportionell mot D.

Icke-newtonska vätskor överensstämmer inte med den newtonska formeln τ / D=f (D), och ηa representerar viskositeten under en viss (τ / D), som kallas uppenbar viskositet. Förutom temperaturen är viskositeten hos icke-newtonska vätskor också relaterad till skjuvhastighet, tid och förändringar i skjuvningstunnel eller skjuvförtjockning.

2. Uppslamningsegenskaper

Uppslamningen är en icke-newtonsk vätska, en fast-vätske-blandad vätska. För att uppfylla kraven i den efterföljande beläggningsprocessen måste uppslamningen ha följande tre egenskaper:

① Bra likviditet. Flytbarheten kan observeras genom att omröra uppslamningen för att låta den rinna ner naturligt. God kontinuitet, kontinuerlig intermittent, visar god likviditet. Fluiditeten är relaterad till den fasta halten och viskositeten i uppslamningen,

②Nivellering. Uppjämningen av uppslamningen påverkar beläggningens planhet och enhetlighet.

③ Reologi. Reologi avser uppslamningens deformationsegenskaper i flödet, och dess kvalitet påverkar polstyckets kvalitet.

3. Grunden för uppslamningsdispersion

Vid tillverkning av elektroder för litiumjonbatterier består den positiva elektroduppslamningen av bindemedel, ledande medel och positiva elektrodmaterial; den negativa elektroduppslamningen består av bindemedel, grafitkolpulver etc. Framställningen av positiv och negativ uppslamning innefattar en serie tekniska processer såsom ömsesidig blandning, upplösning och dispersion av flytande och flytande, flytande och fasta material, och denna process åtföljs av förändringar i temperatur, viskositet och miljö. Blandnings- och dispersionsprocessen för litiumjonbatteriuppslamning kan delas in i en makroblandningsprocess och en mikrodispersionsprocess. Dessa två processer kommer alltid att åtföljas av hela processen för beredning av litiumjonbatteriuppslamningen. Beredningen av uppslamning går generellt genom följande steg:

① Blanda torrt pulver. Partiklarna är i kontakt med varandra i form av punkter, punkter och punkter,

② Halvtorrt mudknådningsstadium. Efter det att det torra pulvret blandats jämnt tillsätts bindemedelsvätskan eller lösningsmedlet och råmaterialet fuktas och lerigt. Efter kraftig omrörning av mixern, klipps och friktioneras materialet med mekanisk kraft, och det kommer att finnas inre friktion mellan partiklarna. Under olika krafter tenderar råmaterialpartiklarna att vara mycket spridda. Detta steg har en avgörande inverkan på partikelstorleken och viskositeten hos den färdiga uppslamningen.

StageUtspädnings- och dispersionsstadium. Efter att knådningen är avslutad tillsätts lösningsmedlet långsamt för att justera uppslamningens viskositet och fasta innehåll. I detta skede existerar spridning och återförening och slutligen når stabilitet. I detta skede påverkas dispersionen av material främst av mekanisk kraft, friktionsmotstånd mellan pulver och vätska, höghastighetsdispersionsskjuvkraft och växelverkan mellan uppslamningen och behållarväggen.

2. Analys av parametrar som påverkar uppslamningens egenskaper

Uppslamningen efter blandning måste ha god stabilitet, vilket är en viktig indikator för att säkerställa batterikonsistens i batteriproduktionsprocessen. När blandningen av uppslamningen slutar och omrörningen slutar, kommer uppslamningen att sedimentera, flockuleras och sammanfalla, vilket resulterar i stora partiklar, vilket kommer att ha större inverkan på efterföljande beläggning och andra processer. De viktigaste parametrarna som karakteriserar uppslamningens stabilitet är flytbarhet, viskositet, fast innehåll, densitet och så vidare.

1. Slamens viskositet

Elektroduppslamningen måste ha en stabil och lämplig viskositet, vilket har en vital inverkan på beläggningsprocessen för elektrodstycken. Om viskositeten är för hög eller för låg, bidrar den inte till beläggningen av polstycket. Uppslamningen med hög viskositet är inte lätt att fälla ut och dispergerbarheten blir bättre, men den för höga viskositeten bidrar inte till utjämningseffekten och beläggningen; viskositeten är för låg Det är inte heller bra. Även om uppslamningen har god flytbarhet när viskositeten är låg, är den svår att torka, vilket minskar torkningseffektiviteten för beläggningen, och problem såsom beläggningssprickning, uppslamning av uppslamningspartiklar och dålig ytdensitetskonsistens kommer att uppstå.

Problemet som ofta uppstår i vår produktionsprocess är att viskositeten förändras och" ändra" här kan delas in i momentana förändringar och statiska förändringar. Omedelbar förändring avser en drastisk förändring i mitten av viskositetsprocessen, och statisk förändring avser en förändring i viskositeten hos uppslamningen efter en tidsperiod. Förändringen i viskositet är hög eller låg, eller ibland hög och ibland låg. Generellt sett innefattar de faktorer som påverkar uppslamningens viskositet främst hastigheten för omröring av uppslamningen, tidskontroll, satsvis sekvens, omgivningstemperatur och luftfuktighet etc. Det finns många faktorer, hur ska vi analysera och lösa det när vi stöter på viskositet ändringar? Uppslamningens viskositet påverkas väsentligen av bindemedlet. Antag att om det inte finns något lim PVDF / CMC / SBR (som visas i figurerna 2 och 3), eller om limet inte kombinerar de aktiva materialen bra, kommer de fasta aktiva materialen och det ledande medlet att bilda en icke-newtonsk vätska med enhetlig beläggning? ? ska inte! För att analysera och lösa orsakerna till förändringen av uppslamningsviskositeten måste vi därför utgå från bindemedlets natur och graden av uppslamningsdispersion.

Figur 2. PVDF-molekylarrangemangsstruktur

Figur 3. CMC-molekylstruktur

(1) Ökad viskositet

Olika uppslamningssystem har olika viskositetsförändringar. Det nuvarande vanliga uppslamningssystemet är det positiva oljesystemet PVDF / NMP med elektroduppslamning och det negativa elektroduppslamningen är det vattenhaltiga grafit / CMC / SBR-systemet.

① Viskositeten hos den positiva elektroduppslamningen ökar efter att ha lämnats under en tidsperiod. En av anledningarna (kortvarig lagring) är att uppslamningshastigheten är för snabb och bindemedlet inte är helt upplöst. Efter en tidsperiod är PVDF-pulvret helt upplöst och viskositeten ökar. Generellt sett behöver PVDF minst 3 timmar för att helt lösa sig, oavsett hur snabbt omrörningshastigheten inte kan ändra denna påverkande faktor, den så kallade" hastig är inte snabb" ;. Den andra orsaken (långvarig lagring) är att kolloiden ändras från sol-tillstånd till gel-tillstånd när uppslamningen står stilla. Om den homogeniseras med långsam hastighet kan viskositeten återställas. Den tredje anledningen är att en speciell struktur bildas mellan kolloiden, den levande substansen och de ledande agenspartiklarna. Detta tillstånd är irreversibelt och kan inte återställas efter att uppslamningsviskositeten ökar.

②Viskositeten hos den negativa elektroduppslamningen ökar. Ökningen av viskositeten hos den negativa elektroduppslamningen orsakas främst av förstörelsen av bindemedlets molekylära struktur. Uppslamningens viskositet ökar efter att molekylkedjan har brutits och oxiderats. Om materialet är överdispergerat kommer partikelstorleken att minskas kraftigt, vilket också ökar uppslamningens viskositet.

(2) Minskad viskositet

Vis Viskositeten hos den positiva elektroduppslamningen minskar. En av anledningarna är att egenskaperna hos limkolloiden har förändrats. Det finns många anledningar till förändringarna, såsom stark skjuvkraft under uppslamningsöverföringsprocessen, kvalitativ förändring på grund av fuktabsorptionen av bindemedlet, strukturella förändringar under omrörningsprocessen och nedbrytning av sig själv. Den andra anledningen är att den ojämna blandningen och dispersionen får det fasta materialet i uppslamningen att sedimentera i ett stort område. Den tredje anledningen är att limmet utsätts för starka skjuv- och friktionskrafter från utrustning och levande material under omrörningsprocessen, och dess egenskaper förändras under höga temperaturförhållanden, vilket resulterar i en minskning av viskositeten.

VisViskositeten hos den negativa elektroduppslamningen minskar. En av anledningarna är att CMC innehåller föroreningar. De flesta av föroreningarna i CMC är dåligt lösliga polymerhartser. När CMC är blandbart med kalcium, magnesium etc. kommer dess viskositet att reduceras. Den andra anledningen är att CMC är natriumhydroximetylcellulosa, som huvudsakligen är en kombination av C / O. Bindningen är mycket svag och skadas lätt av skjuvkraft. När omrörningshastigheten är för snabb eller tiden är för lång kan CMC-strukturen förstöras. CMC spelar en roll vid förtjockning och stabilisering av den negativa elektroduppslamningen, och samtidigt spelar den en viktig roll i dispersionen av råvaror. När dess struktur är skadad kommer den oundvikligen att få uppslamningen att sedimentera och minska dess viskositet. Den tredje anledningen är förstörelsen av SBR-lim. I den faktiska produktionen väljs vanligtvis CMC och SBR för att arbeta tillsammans, och de två rollerna är olika. SBR fungerar främst som ett bindemedel, men det är benäget för demulgering under långvarig omröring, vilket resulterar i sammanbrott och minskning av uppslamningsviskositeten.

(3) Särskilda omständigheter (geléform är hög och ibland låg)

Under beredningen av den positiva elektroduppslamningen blir ibland uppslamningen&", gelé GG". Det finns två huvudorsaker till denna situation: För det första fukt. Tänk på att fuktabsorptionen i det levande materialet, dålig fuktkontroll under blandningsprocessen och den höga fuktigheten i råmaterialet efter att råmaterialet absorberat fukt eller blandningsmiljön kommer att orsaka att PVDF absorberar fukt och blir gelé. För det andra pH-värdet för uppslamningen eller materialet. Ju högre pH-värde, desto strängare kontroll av fukt, speciellt omrörning av högnickelmaterial som NCA och NCM811.

Uppslamningens viskositet fluktuerar högt och lågt. En av anledningarna kan vara att uppslamningen inte är helt stabil under testprocessen och uppslamningsviskositeten påverkas kraftigt av temperaturen. Speciellt efter att ha spridits med hög hastighet har uppslamningens inre temperatur en viss temperaturgradient och de olika viskositeterna hos proverna är inte desamma. Det andra skälet är att dispersionen av uppslamningen är dålig, det aktiva materialet, bindemedlet och det ledande medlet inte är väl dispergerat, uppslamningen har inte god flytbarhet och viskositeten hos den naturliga uppslamningen fluktuerar högt och lågt.

2. Storleken på uppslamningen

Efter blandning måste partikelstorleken mätas. Metoden för mätning av partikelstorlek antar vanligtvis skrapmetoden. Partikelstorleken är en viktig parameter för att karakterisera uppslamningens kvalitet. Partikelstorleken har en viktig inverkan på beläggningsprocessen, rullningsprocessen och batteriets prestanda. Teoretiskt, ju mindre uppslamningspartikelstorleken är, desto bättre. När partikelstorleken är för stor påverkas uppslamningens stabilitet, vilket resulterar i sedimentering och dålig konsistens hos uppslamningen. Vid extruderingsbeläggningsprocessen kommer det att blockeras material, grop efter torkning av polstycket, vilket orsakar kvaliteten på polstycket. I den efterföljande valsningsprocessen kan den ojämna kraften på den dåliga beläggningen lätt få polstycken att brytas och lokala mikrosprickor, vilket orsakar stor skada på batteriets cykelprestanda, hastighetsprestanda och säkerhetsprestanda.

Huvudmaterialen såsom positiva och negativa aktiva material, lim, ledande medel etc. har olika partikelstorlekar och olika densiteter, och olika kontaktmetoder såsom blandning, klämning, friktion och agglomerering kommer att inträffa under omrörningsprocessen. I de steg där råvarorna blandas gradvis, fuktas med lösningsmedel, stora bitar av material bryts och gradvis stabiliseras, kommer det att finnas ojämn blandning av material, dålig upplösning av bindemedlet, svår agglomerering av fina partiklar och förekomst av vidhäftande egenskaper. Förändringar etc. leder till produktion av stora partiklar.

När vi förstår orsaken till partiklarna måste vi ordinera rätt medicin för att lösa dessa problem. När det gäller torrpulverblandning av material känner jag personligen att blandarens hastighet har liten inverkan på graden av torrpulverblandning, men de två behöver tillräckligt med tid för att säkerställa torrpulverblandningen. Nu väljer vissa tillverkare pulverformiga lim och andra väljer vätskeupplösta lim. De två olika lim bestämmer skillnaden i processen. Användningen av lim i pulverform tar längre tid att lösa sig, annars kommer svullnad, återhämtning, viskositetsförändring etc. att inträffa i det senare skedet. Agglomerering mellan fina partiklar är oundvikligt, men vi måste se till att det finns tillräckligt med friktion mellan materialen för att främja strängsprutning och krossning av de agglomererade partiklarna, vilket bidrar till blandning. Detta kräver att vi kontrollerar det fasta innehållet i uppslamningen i olika steg. För låg fast substansinnehåll påverkar friktionen och spridningen mellan partiklar.

3. Det fasta innehållet i uppslamningen

Den fasta halten i uppslamningen är nära relaterad till uppslamningens stabilitet. Med samma förfarande och formel, ju högre fast innehåll i uppslamningen, desto större viskositet, och vice versa. Inom ett visst område, ju högre viskositet, desto högre uppslamningsstabilitet. När vi designar batterier, vänder vi i allmänhet tjockleken på kärnan från batterikapaciteten till utformningen av polstycket. Då är polstycksdesignen bara relaterad till parametrar som areal densitet, aktiv materialdensitet och tjocklek. Polstyckets parametrar justeras av beläggningsmaskinen och valspressen, och uppslamningens fasta innehåll har inget direkt inflytande på den. Så, är det fasta innehållet i uppslamningen irrelevant?

(1) Det fasta innehållet har en viss effekt på att förbättra blandningseffektiviteten och beläggningseffektiviteten. Ju högre fast innehåll, desto kortare omröringstid för uppslamning, desto mindre konsumtion av lösningsmedel, desto högre torkningseffektivitet hos beläggningen och tidsbesparing.

(2) Det fasta innehållet har vissa krav på utrustningen. Uppslamning med högt fast innehåll har högre förlust av utrustning, eftersom ju högre fast innehåll, desto allvarligare bär utrustningen.

(3) Uppslamningen med hög fastämnehalt har högre stabilitet. Vissa testresultat för uppslamningsstabilitet visar (som visas i figuren nedan) att TSI (instabilitetsindex) 1.05 för konventionell omrörning är högre än TSI-värdet 0,75 i omröringsprocessen med hög viskositet, så stabiliteten hos uppslamningen erhållen av den höga -viskositetsblandningsprocessen är bättre än den för den konventionella blandningsprocessen. Uppslamningen med högt fast innehåll kommer emellertid också att påverka dess fluiditet, vilket är mycket utmanande för utrustningen och teknikerna för beläggningsprocessen.

(4) Uppslamningen med högt fast innehåll kan minska tjockleken mellan beläggningar och minska batteriets inre motstånd.

4. Klistra in densitet

Uppslamningens densitet är en viktig parameter för reaktionsuppslamningens konsistens och uppslamningens dispersionseffekt kan verifieras genom att testa uppslamningens densitet vid olika positioner. Jag kommer inte att gå in på detaljer här och genom ovanstående sammanfattning tror jag att alla kan förbereda en bra elektroduppslamning.