Lithium-ion batteri masseprosess (2) - massespredning og stabiliseringsmekanisme

3.1 Van der Waals-krefter

I følge London-teorien, når bølgeelektronene er fordelt rundt et atom eller molekyl, genereres en midlertidig dipol. Denne midlertidige dipolen får de tilstøtende atomene eller molekylene til å generere dipoler, og forårsaker van der Waals-tiltrekning mellom to nøytrale atomer eller molekyler. Den resulterende dipolen tiltrekker alltid to atomer til hverandre. Van der Waals-attraksjonen er summen av sprednings-, induksjons- og orienteringskrefter, og dens størrelse er omvendt proporsjonal med sjette potens av avstanden mellom partiklene. Den attraktive potensielle energien mellom to tilnærmet sfæriske partikler i umiddelbar nærhet i vakuum er:


3.2 Elektrostatisk kraft

Hvis det kun er van der Waals-tiltrekning mellom partiklene, må partiklene agglomereres og utfelles, og den elektrostatiske frastøtingen kan unngås ved å lade overflaten til partiklene for å unngå agglomerering og utfelling mellom partiklene. I selve slurryen vil partikkeloverflaten bli ladet på grunn av selvdissosiasjon, gittersubstitusjon eller gitterdelesjon, adsorpsjon osv. På grunn av eksistensen av overflateladninger på partiklene adsorberer de ladede partiklene tett noen anti-signalioner gjennom Coulomb og andre gravitasjonskrefter, som danner et kompakt lag. I området utenfor det kompakte laget viser de positive og negative ionene i løsningen en viss posisjonsfordeling under de to motsatte effektene av elektrostatisk frastøtning og termisk bevegelse, og dette området kalles diffusjonslaget. Grensesnittet mellom det tette laget og det diffuse laget kalles Stern-laget, som utgjør det elektriske dobbeltlaget. Potensialforskjellen mellom overflaten av partiklene i slurryen i forhold til løsemiddellegemet kalles overflatepotensialet ϕo, potensialforskjellen mellom Stern-laget og diffusjonslaget er Stern-potensialet ϕs, zeta-potensialet er det potensiodynamiske potensialet eller Zeta potensial, og tykkelsen på akterlaget Vanligvis betegnet med δ.

Når partiklene beveger seg i løsningsmidlet, får zetapotensialet ζ til samme fortegn at partiklene frastøter hverandre, noe som kan forhindre at det oppstår agglomerering og holde partiklene i en dispergert tilstand. Den elektrostatiske frastøtningen mellom partiklene er relatert til deres avstand. Når diffusjonslagene til tilstøtende partikler ikke overlapper hverandre, er det ingen frastøting. Når partiklene er nær hverandre og overlapper med overflatediffusjonslagene, dannes det en sterk elektrostatisk frastøtning.

For to sfæriske partikler med samme størrelse og samme overflatepotensial, er den elektrostatiske frastøtningspotensialenergien generert mellom de to partiklene (som vist i figur 11, den elektrostatiske frastøtningspotensialenergien endres med partikkelavstanden) UR:

Det kan sees at når Zeta-potensialet til partiklene i slurryen er størst, viser det elektriske dobbeltlaget av partiklene maksimal frastøting, slik at partiklene blir spredt; når Zeta-potensialet til partiklene er lik null (det vil si det isoelektriske punktet IEP), er tiltrekningen mellom partiklene større enn det dobbelte laget av partiklene. Den frastøtende kraften mellom de elektriske lagene får partiklene til å agglomerere og sette seg.

3.3 Den steriske hindringskraften En viss mengde uladet polymerforbindelse tilsettes slurryen for å få den til å adsorbere rundt partiklene for å danne et tykkere sterisk hindringslag, slik at det genereres en sterisk frastøtningskraft mellom partiklene. Adsorpsjonen av polymerforbindelser på partikkeloverflaten kan deles inn i tre typer: horisontal type, ringtype og haletype.

I tillegg oppstår to situasjoner når de partikkelmateriale som adsorberer makromolekylære polymerer er nær hverandre:
(1) Adsorpsjonslaget komprimeres uten gjensidig penetrering;
(2) Interpenetrering og overlapping av adsorpsjonslag forekommer.

Størrelsen på den steriske hindringspotensialet mellom de to partiklene er:

3.4 Solvasjonskraft Når partikkeloverflaten adsorberer organiske stoffer eller kationer som inneholder hydrofile grupper, vil partikkeloverflaten danne en solvatiseringseffekt. På dette tidspunktet, hvis partiklene er nær hverandre, vil det være en sterk frastøtning mellom dem. kalt løsningsenergien. Solvatiseringsenergien for sfæriske partikler med radius R1 og R2, henholdsvis, kan uttrykkes som:

3.5 Mekanisk skjærkraft Under tilberedningen av litiumbatterislurry, gjennom sterk mekanisk omrøring, kolliderer og klemmer partikkelmaterialet i slurryen seg inn i hverandre, og samtidig bryter væskestrømskjærene og sprer de agglomererte store partiklene. Den direkte årsaken til spredning og desintegrering av tilslag er effekten av skjærspenning og trykk, og skjærspenning spiller en svært viktig rolle i spredningsprosessen.

4. Stabiliseringsmekanisme for litiumbatteri

Forholdet mellom van der Waals-energien, elektrostatisk frastøtningsenergi, solvatiseringsenergi og sterisk hindringsenergi mellom partikler i slurryen er hovedfaktoren som bestemmer spredningsstabiliteten til litiumbatterielektrodeslurryen. Det teoretiske kriteriet for slurrydispersjon og agglomerering kan uttrykkes med følgende formel:

Når den gjensidige tiltrekningsenergien mellom partikler i slurryen er mindre enn den frastøtende energien, er det en stabil dispersjonstilstand; ellers vil slurryen agglomerere. Litiumbatterislurry tilhører suspensjonsspredningssystemet, og dispersjonsstabiliseringsmekanismen til slurry kan forklares ved å referere til stabiliseringsmekanismen til kolloid. I kolloidale dispersjonssystemer inkluderer mye brukte stabiliseringsmekanismer DLVO-teori (elektrostatisk stabiliseringsteori eller elektrisk dobbeltlagsstabiliseringsmekanisme), sterisk stabiliseringsmekanisme og elektrostatisk sterisk stabiliseringsmekanisme.

4.1 DLVO teori

DLVO-teori er en teori utviklet av Deriaguin, Landon, Verwey og Overbeek på 1940-tallet for å studere stabiliteten til ladde kolloidale partikler. Forholdet mellom den ladede ladningen og stabiliteten til det kolloidale systemet kalles også den elektriske dobbeltlags frastøtingsteorien. DLVO-teorien hevder at hvorvidt en sol eksisterer stabilt eller agglomererer under visse forhold, avhenger av konkurransen mellom den gjensidige tiltrekningskraften og elektrostatisk frastøtning mellom partikler. Hvis frastøtningskraften er større enn tiltrekningskraften, er solen stabil; Interaksjonspotensialenergikurven mellom to ladede partikler, når partiklene er langt fra hverandre er det ingen interaksjon mellom partiklene og VT er null; når partiklene begynner å nærme seg hverandre, øker van der Waals gravitasjonspotensial VvaW raskt, mens det elektriske dobbeltlags frastøtende potensialet Vdl øker Relativt sakte, på dette tidspunktet er den totale potensielle energien til z negativ; når partiklene fortsetter å nærme seg, stiger den frastøtende potensielle energikurven til det elektriske dobbeltlaget kraftig, og den totale potensielle energien stiger til en positiv verdi. Når de to partiklene er nær en viss avstand, når den totale potensielle energien maksimumsverdien, som kalles "potensialbarriere". Høyden på den potensielle barrieren anses å være aktiveringsenergien som må overvinnes for at partiklene skal feste seg. Når partikkelenergien er høy nok til å overvinne den frastøtende barrieren, fører det til at nanopartikler kolliderer sammen og agglomererer. Selv om DLVO-teorien ignorerer den steriske hindringskraften som dannes ved adsorpsjon av høymolekylære polymerer, forklarer denne teorien stabiliseringsoppførselen til fortynnede suspensjoner. I tillegg, i henhold til denne teorien, ved å justere pH-verdien til slurryen og tilsette elektrolytter, kan overflatens doble elektriske ladning økes. Lagtykkelsen og zeta-potensialet kan øke barrieren mellom partiklene, og derved forbedre slurryens dispersjonsstabilitet. Vanlig brukte dispergeringsmidler for elektrostatisk stabilisering er generelt elektrolytter med liten molekylvekt og høy ionisk ladning, slik som natriumpyrofosfat, natriumheksametafosfat og sitrat. ved å justere pH-verdien til slurryen og tilsette elektrolytter, kan overflatens doble elektriske ladning økes. Lagtykkelsen og zeta-potensialet kan øke barrieren mellom partiklene, og derved forbedre slurryens dispersjonsstabilitet. Vanlig brukte dispergeringsmidler for elektrostatisk stabilisering er generelt elektrolytter med liten molekylvekt og høy ionisk ladning, slik som natriumpyrofosfat, natriumheksametafosfat og sitrat. ved å justere pH-verdien til slurryen og tilsette elektrolytter, kan overflatens doble elektriske ladning økes. Lagtykkelsen og zeta-potensialet kan øke barrieren mellom partiklene, og derved forbedre slurryens dispersjonsstabilitet. Vanlig brukte dispergeringsmidler for elektrostatisk stabilisering er generelt elektrolytter med liten molekylvekt og høy ionisk ladning, slik som natriumpyrofosfat, natriumheksametafosfat og sitrat.

4.2 Sterisk hindring stabiliseringsmekanisme

Når man bruker DLVO-teorien for å forklare stabiliseringsmekanismen mellom partikler, ignoreres den steriske hindringen produsert av polymermaterialet, og den totale potensielle energikurven som tilsvarer den steriske frastøtingen vurderes. Det kan sees at eksistensen av sterisk hindring betydelig endrer den totale potensielle energikurven mellom partikler, og det steriske hindringspotensialet øker energibarrieren som må overvinnes for partikkelaggregering, noe som er gunstig for slurryens langsiktige stabilitet. Dispergeringsmidler som er rent sterisk hindret er ikke-ioniske polymerer med høy molekylvekt, som gummi arabicum, gelatin, ferskengummi, karboksymetylcellulose, polyvinylalkohol, polyetylenglykol, sildolje, etc.

4.3 Elektrostatisk sterisk hindringsstabiliseringsmekanisme

En viss mengde polymerpolyelektrolytt tilsettes slurryen for å få overflaten til partiklene til å adsorbere polyelektrolytten. På dette tidspunktet kan polyelektrolytten ikke bare frastøte de omkringliggende partiklene gjennom sin egen ladning, men også forhindre at de omkringliggende partiklene nærmer seg gjennom sin steriske hindringseffekt. Den kombinerte effekten av de to kan oppnå effekten av komposittstabil dispersjon (som vist i figur 18). De vanlig brukte dispergeringsmidlene for elektrostatisk sterisk hindring er ammoniumpolyakrylat, natriumpolyakrylat, natriumalginat, ammoniumalginat, natriumlignosulfonat, natriumpetroleumssulfonat, ammoniumpolyakrylat, hydrolysert ammoniumakrylat, fosfatester, etoksylat, etc.

5. Sammendrag

Litiumbatterislurry er en flerfaset komposittsuspensjon, og det er ulike interaksjoner mellom partikkelmaterialet i slurryen, inkludert van der Waals-attraksjon, elektrostatisk frastøting og sterisk hindring. Hvorvidt partiklene i slurryen er jevnt dispergert eller agglomerert er nært knyttet til den totale potensielle energien mellom partiklene. For å oppnå jevn dispersjon av hver komponent i slurryen, er det nødvendig å øke størrelsen på den potensielle barrieren mellom partiklene og redusere den Brownske bevegelsen til partiklene for å krysse den potensielle barrieren og agglomerere. Med tanke på retningen for å forbedre frastøtingen av slurrypartikler, inkluderer strategier for å forbedre spredningsuniformiteten til litiumbatterislurry:

Forbedre den mekaniske dispersjonsstyrken, når den mekaniske skjærkraften økes, blir partikkelagglomeratene fullstendig depolymerisert og dispergert;
Juster og kontroller pH-verdien til slurryen eller tilsett uorganisk elektrolytt for å øke Zeta-potensialet til partikkeloverflaten og forbedre den elektrostatiske frastøtingen;
Tilsett dispergeringsmiddel eller overflateaktivt middel for å forbedre styrken til sterisk hindring ved overflateadsorpsjon av polymerforbindelser.