Litium-ion-batterimasseprosess (1) - massespredning og stabiliseringsmekanisme
I henhold til stoffets forskjellige tilstander kan stoffets fasetilstand vanligvis deles inn i faste, flytende og gassformige tilstander. I tillegg er det en annen spesiell tilstand av materie mellom fast og flytende tilstand. Nobelprisvinner Pierre-Gilles de Gennes Slike stoffer kalles "myke stoffer". Myke stoffer inkluderer hovedsakelig polymerer, flytende krystaller, overflateaktive stoffer, kolloider, emulsjoner, skum, suspensjoner og biologiske makromolekyler. Myke stoffer som kolloider og suspensjoner er også mye studert og anvendte dispersjonssystemer i dagliglivet. Dispersjonssystem refererer til ett eller flere stoffer spredt i et annet stoff. Stoffet kalles dispersjonsmediet. I henhold til partikkelstørrelsen til dispergert fase, kan den deles inn i molekylært dispersjonssystem (partikkelradius <1nm), kolloidalt dispersjonssystem (1nm<partikkelradius<100nm) og suspensjon (partikkelradius>100nm). Litiumbatterislurry består hovedsakelig av aktivt materiale, ledende middel, bindemiddel og løsemiddel. Dens dispergerte fase er sammensatt av partikler med forskjellige partikkelstørrelser, former og tettheter. Det tilsvarende dispersjonsmediet er delt inn i oljeaktig løsningsmiddel NMP (ofte brukt som positiv elektrodeslurry). fôrløsningsmiddel) og vandig løsningsmiddel avionisert vann (ofte brukt som anodeslurryløsningsmiddel). Derfor er litiumbatterislurry også en slags suspensjon som sediment, maling og keramisk slurry. Ved fremstilling av litiumbatteripolstykker er masseprosessen front-end-prosessen, og kvaliteten og prosessstabiliteten til den oppnådde massen vil ha en betydelig innvirkning på hele produksjonsprosessen. Derfor, spredningen og stabiliteten til massen under masseprosessen studeres og analyseres. Den kjemiske mekanismen er den teoretiske garantien for å oppnå en slurry med høy dispersjon, jevn sammensetning og stabil ytelse.
1. Pulveragglomerering
Pulvermaterialene som er involvert i litiumbatterimasseprosessen inkluderer hovedsakelig aktive partikler i mikronskala og ledende midler i nanoskala. Bindemidlet er vanligvis forhåndsrørt for å få et bindelim. I ulike stadier av pulvermaterialfremstilling, tørking og etterbehandling er det lett å danne agglomerater med flere forbindelsesgrensesnitt mellom partikler. I henhold til agglomerasjonsstørrelsen til partikler kan de deles inn i primærpartikler, agglomerater, agglomerater og flokker.
Fig.1 Ulike aggregeringstilstander for pulverpartikler
(a) Primærpartikler: partikler av en enkelt partikkel eller krystall, referert til som primærpartikler;
(b) Kondensat: primærpartiklene er forbundet med flater og kan ikke separeres uten ekstern energi;
(c) Agglomerat: refererer til klynger som dannes av punkt- og vinkelforbindelsen mellom primærpartikler eller adsorpsjon av små partikler på store partikler;
(d) Flokker: løsere strukturer dannet for å redusere overflateenergien på grunn av økningen i systemets overflateareal.
I tillegg kan pulveragglomerat deles inn i harde agglomerater og myke agglomerater i henhold til forskjellen i interaksjonskraften mellom partiklene i agglomeratene og forskjellene i agglomereringsmetodene. Hard agglomerering dannes av sterke kjemiske bindinger mellom partikler, og strukturen blir ikke lett ødelagt under bearbeiding og støping av pulver; myk agglomerasjon er forårsaket av svakere krefter som van der Waals-kraft, elektrostatisk tiltrekning og kapillærkraft. Kjemisk handling eller anvendelse av mekanisk handling for å eliminere.
Det er forskjellige teorier om agglomerasjonsmekanismen til pulverpartikler. Årsakene til den myke agglomereringen av pulver inkluderer:
Størrelseseffekt: Når partikkelstørrelsen avtar til nanometernivå, øker det spesifikke overflatearealet til partikkelen betydelig, overflateatomforholdet og aktive grupper øker raskt, og de aktive partiklene kolliderer og agglomererer;
Elektronisk overflateeffekt: utilstrekkelig koordinering på overflaten av nanopartikler, det er et stort antall krystalldefekter og umettede bindinger, og akkumulering av overflateladninger gjør overflaten til partiklene ekstremt ustabil og lett å agglomerere;
Overflateenergieffekt: nanopartikler med stort overflateareal og høy overflateenergi er i en ustabil energitilstand, og er utsatt for aggregering og har en tendens til å være i en stabil tilstand.
Nærhetseffekt: Avstanden mellom nanopartikler er liten, van der Waals-kraften mellom dem er mye større enn tyngdekraften, og partiklene er lette å agglomerere gjennom den intermolekylære attraksjonen.
Når det gjelder mekanismen for partikkelhard agglomerering, er det foreløpig ingen enhetlig teori for å forklare dette, hovedsakelig inkludert følgende teorier:
Kjemisk bindingsteori: Den kjemiske bindingsteorien hevder at de ikke-brodannende hydroksylgruppene som er tilstede på overflaten av gelen er kilden til hard agglomerering.
Kapillæradsorpsjonsteori: Kapillæradsorpsjonsteorien mener at den harde agglomerasjonen hovedsakelig er forårsaket av kapillærvirkningen som genereres av utelukkelse av vannmolekyler under separasjons- og tørkeprosessen av nanopulveret.
Hydrogenbindingsteori: Hydrogenbindingsteorien mener at hydrogenbinding er hovedårsaken til den harde agglomereringen av nanopartikler.
Krystallbroteori: Krystallbroteorien er basert på at nanopulveret har et visst oppløsningsfenomen i dispersjonsmediet. Noen atomer og overflatehydroksylgrupper løses opp og utfelles i mediet og danner en krystallbro, som gjør partiklene mer kompakte.
Overflateatomdiffusjonsteori: Overflateatomene til pulverpartikler oppnådd etter dekomponering ved høy temperatur har høy aktivitet, energien som genereres ved brudd på overflatebindingen er mye høyere enn energien til atomer inne i pulveret, og overflateatomer kan lett diffundere til overflaten av tilstøtende partikler. Bindinger med tilsvarende atomer, danner sterke kjemiske bindinger, noe som resulterer i harde agglomerasjoner.
2. Makro- og mikroprosess for pulping
Hovedformålet med litiumbatterimasseprosessen er å jevnt fordele de aktive materialene, ledende midler, bindemidler og andre stoffer for å oppnå en jevn og stabil slurry for polstykkebeleggprosessen. Den ideelle elektrodestrukturen er vist i figur 3. Partiklene til hver komponent er jevnt spredt uten agglomerering, og de aktive partiklene er i full kontakt med det ledende middel og bindemidlet for å danne et godt elektronisk og ionisk ledende nettverk. Den makroskopiske prosessen i masseprosessen er dispergering og jevn blanding av ulike komponenter, mens den mikroskopiske prosessen involverer interaksjonen mellom partikler og dannelsen av en stabiliserende nettverksstruktur under masseprosessen. Spredningen av partikler i litiumbatterimasse inkluderer følgende trinn:
Fukting av faste partikler i flytende fase;
Deagglomerering og spredning av faste partikkelagglomerater under påvirkning av mekanisk kraft;
Den depolymeriserte slurryen er stabilisert for å forhindre re-agglomerering.
2.1 Fukting av pulverpartikler
Fukting er prosessen med å sakte tilsette pulver i væskesystemet slik at luft eller andre urenheter adsorbert på overflaten av pulveret erstattes av væske. Fuktingen av elektrodematerialets overflate bestemmes hovedsakelig av graden av polaritetsforskjell mellom overflaten av væskefasen og overflaten til partiklene. Fuktbarheten til pulveret i væskefasen er en viktig forutsetning for jevn dispersjon av pulveret. Agglomerasjon og agglomerering vil påvirke den påfølgende dispersjonen og blandingen. Fuktingsegenskapene til pulverpartikler og løsemidler er vanligvis preget av fuktingsvinkelen, som er relatert til størrelsen på faststoff-væske grenseflatespenningen. I henhold til størrelsen på fuktevinkelen kan fuktbarheten til pulver og løsemiddel deles inn i fire grader: θ=0, sterk hydrofilisitet; 0<6<40°, svak hydrofilisitet; 40<θ<90°, svak hydrofobitet; θ>90°, sterk hydrofobicitet. I tillegg kan fuktevarmen også brukes til å karakterisere fuktbarheten. Jo større fuktevarme, jo bedre fuktbarhet av pulver og løsemiddel.
2.2 Aggregatdepolymerisering
Under litiumbatterimasseprosessen blir partikkelagglomeratene depolymerisert og spredt under påvirkning av skjærkraft, sentrifugalkraft, trykkspenning, treghetskraft, etc., og de opprinnelig større agglomeratene brytes og dispergeres for å danne mindre partikler. Deagglomereringsprosessen til agglomeratpartikler kan videre raffineres til tre stadier: erosjon, brudd og knusing. Erosjon oppstår vanligvis under lavenergi-rørestadiet, når fine partikkelfragmenter faller av overflaten av agglomeratene under skjærkraft; med økningen av røreintensitet og tid brytes de opprinnelig store agglomeratene ned i mindre klynger, dette stadiet for å brytes; røreintensiteten øker kontinuerlig, de store agglomeratene deaggregeres raskt til fine partikkelaggregater, og denne prosessen kalles pulverisering. I henhold til forskjellen i mekanisk røreintensitet, kan de tre prosessene utføres gradvis eller samtidig.
2.3 Slammestabilisering
Etter at slurryen er dispergert, er det nødvendig å forhindre at partikkelmaterialet agglomererer igjen, så det er svært viktig å opprettholde slurryens dispersjonsstabilitet under masseprosessen. Hvorvidt slurryen re-agglomereres etter dispergering er nært knyttet til interaksjonskraften mellom partikler. For tiden har forskjellige teoretiske modeller dukket opp om spredningsstabiliseringsmekanismen til slurryen, som vist i figur 8, hovedsakelig inkludert elektrostatisk interaksjonsstabiliseringsmekanisme og sterisk hindringsstabiliseringsmekanisme. , Elektrostatisk sterisk hindringsstabiliseringsmekanisme. Det teoretiske grunnlaget for ulike mekanismer er direkte relatert til interaksjonskraften mellom partikler. Samspillkraften mellom litiumbatterislurry-partikler er analysert og oppsummert nedenfor.
3. Interaksjon mellom partikler i slurryen
Det er ulike interaksjonskrefter mellom hver komponentpartikkel i litiumbatterislurryen, inkludert van der Waals-kraft, elektrostatisk frastøtningskraft, sterisk motstand, ledighetskraft, hydratiseringskraft, etc. Størrelsen på interaksjonskraften mellom partiklene avgjør om de agglomererer.
