تجزیه و تحلیل خصوصیات و عوامل اصلی تأثیرگذار در خمیر باتری لیتیوم

تولید باتری های لیتیوم یون یک فرایند نزدیک از مراحل کار است. به طور کلی ، تولید باتری های لیتیوم شامل فرایند تولید قطعه قطب ، فرآیند مونتاژ باتری و تزریق مایع نهایی ، پیش شارژ ، تشکیل و فرایند پیری است. در فرایند سه مرحله ای ، هر فرآیند را می توان به چندین فرآیند اصلی تقسیم کرد و هر مرحله تأثیر زیادی در عملکرد نهایی باتری خواهد داشت.

در فرآیند تولید قطعه قطب ، می توان آن را به پنج فرآیند تقسیم کرد: تهیه دوغاب ، پوشش دوغاب ، نورد قطعه قطب ، برش قطب قطب و خشک شدن قطب قطب. در فرآیند مونتاژ باتری ، با توجه به مشخصات مختلف باتری ، می توان آن را تقریباً به سیم پیچ ، پوشش ، جوشکاری و سایر فرآیندها تقسیم کرد. در مرحله تزریق مایع نهایی ، فرآیندهای مختلفی مانند تزریق مایع ، اگزوز ، آب بندی ، پیش پر کردن ، تشکیل و پیر شدن شامل می شوند. فرایند ساخت قطعه قطب محتوای اصلی کل تولید باتری لیتیوم است که مربوط به کیفیت عملکرد الکتروشیمیایی باتری است و کیفیت دوغاب از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

1. تئوری اساسی دوغاب

دوغاب الکترود باتری لیتیوم یون نوعی مایع است. به طور کلی ، مایعات را می توان به مایعات نیوتنی و مایعات غیر نیوتنی تقسیم کرد. در این میان ، مایعات غیر نیوتنی را می توان به مایعات پلاستیکی تورم ، مایعات غیر نیوتنی وابسته به زمان ، مایعات کاذب پلاستیک و مایعات پلاستیکی بینگهام تقسیم کرد. سیال نیوتنی سیالی با ویسکوزیته پایین است که تغییر شکل آن پس از استرس بسیار آسان است و تنش برشی متناسب با میزان تغییر شکل است. سیالی که تنش برشی آن در هر نقطه با عملکرد تغییر شکل برشی رابطه خطی دارد. بسیاری از مایعات در طبیعت مایعات نیوتنی هستند. بیشتر مایعات خالص مانند آب و الکل ، روغنهای سبک ، محلولهای ترکیبی کم مولکولی و گازهای روان با سرعت کم همه مایعات نیوتنی هستند.

مایعات غیر نیوتنی به مایعاتی گفته می شود که قوانین تجربی ویسکوزیته نیوتن را برآورده نمی کند ، یعنی مایعاتی که تنش برشی و میزان کرنش برشی آنها خطی نیست. مایعات غیر نیوتنی به طور گسترده ای در زندگی ، تولید و طبیعت وجود دارد. محلولهای غلیظ و سوسپانسیون پلیمرهای مولکولی بالا معمولاً مایعات غیر نیوتنی هستند. بیشتر مایعات بیولوژیکی متعلق به مایعات غیر نیوتنی هستند که در حال حاضر تعریف شده اند. مایعات بدن انسان مانند خون ، لنف ، مایع کیست و&"نیمه مایع GG" ؛ مانند سیتوپلاسم همه مایعات غیر نیوتنی هستند.

دوغاب الکترود از انواع مواد اولیه با وزن مخصوص متفاوت و اندازه ذرات مختلف تشکیل شده و در یک مرحله جامد مایع مخلوط شده و پراکنده می شود. دوغاب حاصل یک مایع غیر نیوتنی است. دوغاب باتری لیتیوم را می توان به دو نوع دوغاب الکترود مثبت و دوغاب الکترود منفی تقسیم کرد. به دلیل سیستم های مختلف دوغاب (روغن و پایه آب) ، خصوصیات آنها بسیار متفاوت خواهد بود. با این حال ، قضاوت در مورد خصوصیات دوغاب چیزی بیش از پارامترهای زیر نیست:

1. ویسکوزیته دوغاب

ویسکوزیته اندازه گیری ویسکوزیته سیال و بیانگر نیروی جریان سیال بر پدیده اصطکاک داخلی آن است. وقتی مایعی جریان می یابد ، خاصیت اصطکاک داخلی بین مولکول های آن ویسکوزیته مایع نامیده می شود. ویسکوزیته توسط ویسکوزیته بیان می شود ، که برای توصیف عامل مقاومت مربوط به خصوصیات مایع استفاده می شود. ویسکوزیته به گرانروی پویا و گرانروی شرطی تقسیم می شود.

ویسکوزیته به عنوان یک جفت صفحه موازی با مساحت A و فاصله dr تعریف می شود. صفحات با مایع خاصی پر می شوند. اکنون یک نیروی رانش F به صفحه بالایی وارد می شود تا یک تغییر سرعت دو ایجاد کند. از آنجا که ویسکوزیته مایع این نیرو را لایه به لایه منتقل می کند ، هر لایه مایع نیز متناسب با آن حرکت می کند و یک شیب سرعت du / dr ایجاد می کند که به آن نرخ برشی گفته می شود که با r&# 39 نشان داده می شود. F / A تنش برشی نامیده می شود و با τ نشان داده می شود. رابطه بین میزان برش و تنش برشی به شرح زیر است:

(F / A)=η (du / dr)

مایع نیوتنی مطابق با فرمول Newton&# 39 است. گرانروی فقط مربوط به دما است و هیچ ارتباطی با سرعت برشی ندارد. τ متناسب با D است.

مایعات غیر نیوتنی با فرمول نیوتنی τ / D=f (D) مطابقت ندارند و ηa نشان دهنده ویسکوزیته تحت یک خاص (τ / D) است که به آن ویسکوزیته آشکار گفته می شود. علاوه بر دما ، گرانروی مایعات غیر نیوتنی نیز به میزان برش ، زمان و تغییرات در نازک شدن برش یا ضخیم شدن برش مربوط است.

2. خواص دوغاب

دوغاب مایع غیر نیوتنی ، سیال مخلوط جامد مایع است. به منظور تأمین نیازهای فرآیند پوشش بعدی ، دوغاب باید دارای سه ویژگی زیر باشد:

① نقدینگی خوب. سیالیت را می توان با هم زدن دوغاب مشاهده کرد تا به طور طبیعی پایین بیاید. تداوم خوب ، متناوب مداوم ، نقدینگی خوبی را نشان می دهد. سیالیت به محتوای جامد و گرانروی دوغاب مربوط است ،

②همسطح. تراز شدن دوغاب بر صافی و یکنواختی پوشش تأثیر می گذارد.

he رئولوژی. رئولوژی به خصوصیات تغییر شکل دوغاب در جریان اشاره دارد و کیفیت آن بر کیفیت قطعه قطب تأثیر می گذارد.

3. اساس پراکندگی دوغاب

در ساخت الکترودهای باتری های لیتیوم یون ، دوغاب الکترود مثبت از چسب ، ماده رسانا و مواد الکترود مثبت تشکیل شده است. دوغاب الکترود منفی از چسب ، پودر کربن گرافیت و غیره تشکیل شده است. تهیه دوغاب مثبت و منفی شامل یک سری فرایندهای فن آوری مانند مخلوط کردن متقابل ، انحلال و پراکندگی مواد مایع و مایع ، مایع و جامد و این فرآیند است با تغییر دما ، گرانروی و محیط همراه است. فرآیند اختلاط و پراکندگی دوغاب باتری لیتیوم یون را می توان به یک فرآیند مخلوط کردن کلان و یک فرآیند میکرو پراکندگی تقسیم کرد. این دو فرآیند همیشه با تمام مراحل تهیه دوغاب باتری لیتیوم یون همراه خواهد بود. تهیه دوغاب به طور کلی مراحل زیر را طی می کند:

. پودر خشک را مخلوط کنید. ذرات به صورت نقطه ، نقطه و نقطه با یکدیگر در تماس هستند ،

stage مرحله خمیر ورز دادن نیمه خشک. در این مرحله ، پس از مخلوط شدن یکنواخت پودر خشک ، مایع چسب یا حلال اضافه می شود و ماده اولیه خیس و گل می شود. پس از هم زدن شدید میکسر ، مواد توسط نیروی مکانیکی بریده و اصطکاک می شوند و اصطکاک داخلی بین ذرات وجود خواهد داشت. تحت نیروهای مختلف ، ذرات ماده اولیه تمایل زیادی به پراکنده شدن دارند. این مرحله تأثیر مهمی در اندازه ذرات و ویسکوزیته دوغاب پایان یافته دارد.

stageمرحله رقت و پراکندگی. پس از اتمام ورز دادن ، حلال به آرامی اضافه می شود تا گرانروی دوغاب و محتوای جامد تنظیم شود. در این مرحله ، پراکندگی و اتحاد همزمان وجود دارد و در نهایت به ثبات می رسد. در این مرحله ، پراکندگی مواد عمدتا تحت تأثیر نیروی مکانیکی ، مقاومت اصطکاکی بین پودر و مایع ، نیروی برشی پراکندگی با سرعت بالا و نیروی برهم کنشی بین دوغاب و دیواره ظرف قرار دارد.

2. تجزیه و تحلیل پارامترهای موثر بر خصوصیات دوغاب

دوغاب پس از مخلوط کردن باید از ثبات خوبی برخوردار باشد ، که شاخص مهمی برای اطمینان از سازگاری باتری در فرآیند تولید باتری است. با پایان اختلاط دوغاب و متوقف شدن هم زدن ، دوغاب ته نشین ، لخته و منجمد می شود و در نتیجه ذرات بزرگی ایجاد می شود که تأثیر بیشتری در پوشش بعدی و سایر فرآیندها خواهد داشت. پارامترهای اصلی که پایداری دوغاب را مشخص می کنند ، سیالیت ، گرانروی ، محتوای جامد ، چگالی و غیره هستند.

1. ویسکوزیته دوغاب

دوغاب الکترود نیاز به ویسکوزیته پایدار و مناسبی دارد که تأثیر مهمی بر روند پوشش قطعه الکترود دارد. اگر ویسکوزیته خیلی زیاد یا خیلی کم باشد ، برای پوشش قطعه قطب مناسب نیست. دوغاب با ویسکوزیته بالا آسان نیست و پراکندگی بهتر خواهد بود ، اما گرانروی بیش از حد بالا برای اثر تسطیح و پوشش مناسب نیست. ویسکوزیته خیلی کم است همچنین خوب نیست. اگرچه دوغاب در هنگام کم شدن ویسکوزیته از سیالیت خوبی برخوردار است ، اما خشک شدن آن دشوار است و این باعث کاهش بازده خشک شدن پوشش می شود و مشکلاتی از جمله ترک خوردگی پوشش ، تجمع ذرات دوغاب و سازگاری ضخامت سطح ضعیف ایجاد می شود.

مشکلی که اغلب در فرآیند تولید ما ایجاد می شود این است که ویسکوزیته تغییر می کند و&"تغییر GG" را تغییر می دهد. در اینجا می توان به تغییرات آنی و تغییرات استاتیک تقسیم کرد. تغییر آنی به یک تغییر شدید در میانه فرآیند آزمایش ویسکوزیته و تغییر استاتیک به تغییر ویسکوزیته دوغاب پس از مدتی اشاره دارد. تغییر ویسکوزیته زیاد یا کم یا گاهی زیاد و گاهی کم است. به طور کلی ، عواملی که ویسکوزیته دوغاب را تحت تأثیر قرار می دهند عمدتاً شامل سرعت هم زدن دوغاب ، کنترل زمان ، توالی دسته ای ، دما و رطوبت محیط و غیره هستند. عوامل زیادی وجود دارد ، در هنگام مواجهه با ویسکوزیته چگونه باید آن را تجزیه و تحلیل کنیم تغییر می کند؟ ویسکوزیته دوغاب در اصل تحت تأثیر چسب است. فرض کنید ، اگر PVDF / CMC / SBR چسب وجود نداشته باشد (همانطور که در شکل های 2 و 3 نشان داده شده است) ، یا چسب مواد فعال را به خوبی ترکیب نکند ، آیا مواد فعال جامد و ماده رسانا مایع غیر نیوتنی با یکنواخت تشکیل می دهند پوشش؟ ؟ نخواهد! بنابراین ، برای تجزیه و تحلیل و حل دلایل تغییر ویسکوزیته دوغاب ، باید از ماهیت اتصال دهنده و درجه پراکندگی دوغاب شروع کنیم.

شکل 2. ساختار آرایش مولکولی PVDF

شکل 3. ساختار مولکولی CMC

(1) افزایش ویسکوزیته

سیستم های مختلف دوغاب دارای تغییر ویسکوزیته متفاوت هستند. سیستم دوغاب جریان اصلی ، سیستم روغنی PVDF / NMP دوغاب الکترود مثبت و دوغاب الکترود منفی ، سیستم آبی گرافیت / CMC / SBR است.

① ویسکوزیته دوغاب الکترود مثبت پس از اینکه برای مدتی رها شد ، افزایش می یابد. یکی از دلایل (ذخیره سازی کوتاه مدت) این است که سرعت هم زدن دوغاب بسیار زیاد است و چسب به طور کامل حل نشده است. پس از یک دوره زمانی ، پودر PVDF کاملا حل شده و ویسکوزیته افزایش می یابد. به طور کلی ، PVDF به حداقل 3 ساعت زمان نیاز دارد تا کاملاً حل شود ، هرچقدر هم که سرعت هم زدن نتواند این عامل تأثیرگذار را تغییر دهد ، اصطلاحاً&"عجولانه سریع&نیست". دلیل دوم (ذخیره سازی طولانی مدت) این است که وقتی دوغاب در حالت ایستاده است ، کلوئید از حالت سل به حالت ژل تبدیل می شود. اگر با سرعت کم همگن شود ، می توان ویسکوزیته آن را بازیابی کرد. دلیل سوم این است که ساختار خاصی بین کلوئید ، ماده زنده و ذرات عامل رسانا ایجاد می شود. این حالت برگشت ناپذیر است و پس از افزایش ویسکوزیته دوغاب قابل بازیابی نیست.

vis ویسکوزیته دوغاب الکترود منفی افزایش می یابد. افزایش ویسکوزیته دوغاب الکترود منفی عمدتا در اثر تخریب ساختار مولکولی چسب ایجاد می شود. ویسکوزیته دوغاب پس از شکسته شدن و اکسید شدن زنجیره مولکولی افزایش می یابد. اگر مواد بیش از حد پراکنده شوند ، اندازه ذرات بسیار کاهش می یابد ، که همچنین باعث افزایش ویسکوزیته دوغاب می شود.

(2) ویسکوزیته کاهش یافته است

① ویسکوزیته دوغاب الکترود مثبت کاهش می یابد. یکی از دلایل این است که خصوصیات کلوئید چسب تغییر کرده است. دلایل زیادی برای تغییرات وجود دارد ، مانند نیروی برشی قوی در طی فرآیند انتقال دوغاب ، تغییر کیفی ناشی از جذب رطوبت توسط چسب ، تغییرات ساختاری در طی فرآیند هم زدن و تخریب خود. دلیل دوم این است که اختلاط و پراکندگی ناهموار باعث می شود ماده جامد دوغاب در یک منطقه بزرگ ته نشین شود. دلیل سوم این است که چسب در طی فرآیند هم زدن در معرض نیروهای برشی و اصطکاک شدید تجهیزات و مواد زنده قرار می گیرد و در شرایط دمای بالا خصوصیات آن تغییر می کند و در نتیجه ویسکوزیته کاهش می یابد.

vis گرانروی دوغاب الکترود منفی کاهش می یابد. یکی از دلایل این است که CMC حاوی ناخالصی است. بیشتر ناخالصی های موجود در CMC رزین های پلیمری محلول ضعیف هستند. وقتی CMC با کلسیم ، منیزیم و غیره مخلوط شود ، ویسکوزیته آن کاهش می یابد. دلیل دوم این است که CMC سدیم هیدروکسی متیل سلولز است که عمدتا ترکیبی از C / O است. پیوند بسیار ضعیف است و به راحتی توسط نیروی برشی آسیب می بیند. هنگامی که سرعت هم زدن خیلی زیاد است یا زمان آن زیاد است ، ساختار CMC ممکن است از بین برود. CMC در ضخیم شدن و تثبیت دوغاب الکترود منفی نقش دارد و در عین حال نقش مهمی در پراکندگی مواد اولیه دارد. هنگامی که ساختار آن آسیب دید ، به طور حتم باعث نشست دوغاب و کاهش ویسکوزیته آن می شود. دلیل سوم از بین رفتن چسب SBR است. در تولید واقعی ، CMC و SBR معمولاً برای همکاری انتخاب می شوند و نقش این دو متفاوت است. SBR عمدتا به عنوان یک چسب عمل می کند ، اما در معرض همزدن طولانی مدت مستعد کاهندگی است ، در نتیجه انسجام از بین می رود و ویسکوزیته دوغاب کاهش می یابد.

(3) شرایط خاص (شکل ژله زیاد و گاهی کم است)

در طی تهیه دوغاب الکترود مثبت ، گاهی اوقات دوغاب به&تبدیل می شود ؛ jelly" ؛. دو دلیل اصلی برای این وضعیت وجود دارد: اول ، رطوبت. در نظر بگیرید که جذب رطوبت ماده زنده ، کنترل ضعیف رطوبت در طی فرآیند اختلاط و رطوبت زیاد ماده اولیه پس از جذب ماده اولیه از رطوبت یا محیط اختلاط ، باعث جذب رطوبت و ژله شدن PVDF می شود. دوم ، مقدار pH دوغاب یا مواد. هرچه مقدار pH بیشتر باشد ، کنترل رطوبت ، به ویژه هم زدن مواد نیکل بالا مانند NCA و NCM811 سخت تر می شود.

ویسکوزیته دوغاب زیاد و کم نوسان می کند. یکی از دلایل ممکن است این باشد که دوغاب در طی مراحل آزمایش کاملاً تثبیت نشده و ویسکوزیته دوغاب بسیار تحت تأثیر دما قرار دارد. به خصوص پس از پراکنده شدن با سرعت زیاد ، دمای داخلی دوغاب دارای یک شیب دمایی مشخص است و ویسکوزیته های مختلف نمونه ها یکسان نیستند. دلیل دوم این است که پراکندگی دوغاب ضعیف است ، ماده فعال ، چسب و ماده رسانا به خوبی پراکنده نشده اند ، دوغاب از سیالیت خوبی برخوردار نیست و ویسکوزیته دوغاب طبیعی زیاد و پایین در نوسان است.

2. اندازه دوغاب

پس از اختلاط ، اندازه ذرات باید اندازه گیری شود. روش اندازه گیری اندازه ذرات معمولاً از روش تراشکاری استفاده می کند. اندازه ذرات پارامتر مهمی برای توصیف کیفیت دوغاب است. اندازه ذرات تأثیر مهمی در روند پوشش ، روند نورد و عملکرد باتری دارد. از نظر تئوری هرچه اندازه ذرات دوغاب کوچکتر باشد ، بهتر است. هنگامی که اندازه ذرات بیش از حد بزرگ باشد ، ثبات دوغاب تحت تأثیر قرار می گیرد ، در نتیجه رسوب و قوام ضعیف دوغاب ایجاد می شود. در فرآیند پوشش اکستروژن ، مسدود شدن مواد ، ایجاد حفره پس از خشک شدن قطعه قطب ، ایجاد می کند که باعث کیفیت قطعه قطب می شود. در فرآیند نورد بعدی ، نیروی ناهموار روی پوشش ضعیف می تواند به راحتی باعث شکستن قطعه قطب و ریز ترک های محلی شود که این امر به عملکرد چرخه ، عملکرد سرعت و عملکرد ایمنی باتری آسیب زیادی می رساند.

مواد اصلی مانند مواد فعال مثبت و منفی ، چسب ها ، عوامل رسانا و غیره دارای اندازه ذرات مختلف و چگالی مختلف هستند و روش های مختلف تماس مانند اختلاط ، فشار دادن ، اصطکاک و جمع شدن در طی فرآیند هم زدن ایجاد می شود. در مراحل به تدریج مخلوط شدن مواد خام ، خیس شدن توسط حلال ها ، تکه های بزرگ مواد شکسته شده و به تدریج تثبیت می شوند ، اختلاط ناهموار مواد ، انحلال ضعیف چسب ، تجمع شدید ذرات ریز و بروز خواص چسبندگی وجود خواهد داشت. تغییرات و غیره منجر به تولید ذرات بزرگ می شود.

وقتی علت ذرات را فهمیدیم ، باید داروی مناسبی را برای حل این مشکلات تجویز کنیم. در مورد اختلاط پودر خشک مواد ، من شخصاً احساس می کنم که سرعت میکسر تأثیر کمی در میزان اختلاط پودر خشک دارد ، اما این دو به زمان کافی برای اطمینان از اختلاط پودر خشک نیاز دارند. اکنون برخی از تولید کنندگان چسب های پودری و برخی دیگر چسب های محلول در مایع را انتخاب می کنند. دو چسب مختلف تفاوت روند کار را تعیین می کنند. استفاده از چسب های پودر شده برای حل شدن بیشتر طول می کشد ، در غیر این صورت تورم ، برگشت ، تغییر ویسکوزیته و ... در مرحله بعد رخ می دهد. تجمع بین ذرات ریز اجتناب ناپذیر است ، اما باید اطمینان حاصل کنیم که اصطکاک کافی بین مواد وجود دارد تا بتواند باعث اکستروژن و خرد شدن ذرات جمع شده شود ، که منجر به اختلاط می شود. این امر مستلزم کنترل محتوای جامد دوغاب در مراحل مختلف است. محتوای جامد بسیار کم بر اصطکاک و پراکندگی ذرات تأثیر می گذارد.

3. محتوای جامد دوغاب

محتوای جامد دوغاب با ثبات دوغاب ارتباط نزدیک دارد. با همان فرآیند و فرمول ، هر چه مقدار محتوای جامد دوغاب بیشتر باشد ، گرانروی بیشتری دارد و بالعکس. در یک محدوده خاص ، هر چه ویسکوزیته بیشتر باشد ، ثبات دوغاب نیز بیشتر است. هنگامی که باتری ها را طراحی می کنیم ، به طور کلی ضخامت هسته را از ظرفیت باتری تا طرح قطعه قطب معکوس می کنیم. سپس طرح قطب قطب فقط مربوط به پارامترهایی مانند چگالی سطح ، تراکم ماده فعال و ضخامت است. پارامترهای قطعه قطب توسط دستگاه روکش و پرس غلتک تنظیم می شوند و محتوای جامد دوغاب تأثیر مستقیمی بر روی آن ندارد. بنابراین ، آیا محتوای جامد دوغاب بی ربط است؟

(1) محتوای جامد تأثیر مشخصی در بهبود کارایی مخلوط کردن و کارایی پوشش دارد. هرچه محتوای جامد بیشتر باشد ، مدت زمان هم زدن دوغاب کوتاهتر است ، حلال کمتری مصرف می شود ، بازده خشک شدن پوشش و صرفه جویی در زمان بالاتر است.

(2) محتوای جامد نیاز خاصی به تجهیزات دارد. دوغاب با محتوای جامد بالا از دست دادن تجهیزات بالاتری برخوردار است ، زیرا هرچه محتوای جامد بالاتر باشد ، شدت تجهیزات بیشتر می شود.

(3) دوغاب با محتوای جامد بالا از پایداری بالاتری برخوردار است. برخی از نتایج آزمون پایداری دوغاب نشان می دهد (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است) TSI (شاخص بی ثباتی) 1.05 هم زدن معمولی بالاتر از مقدار TSI 0.75 در فرآیند همزنی با ویسکوزیته بالا است ، بنابراین پایداری دوغاب حاصل از فرآیند اختلاط ویسکوزیته بهتر از فرآیند اختلاط معمولی است. با این حال ، دوغاب با محتوای جامد بالا نیز بر سیالیت آن تأثیر می گذارد ، که برای تجهیزات و تکنسین های فرآیند پوشش بسیار چالش برانگیز است.

(4) دوغاب با محتوای جامد بالا می تواند ضخامت بین پوشش ها را کاهش دهد و مقاومت داخلی باتری را کاهش دهد.

4. چگالی چسباندن

تراکم دوغاب یک پارامتر مهم برای قوام دوغاب واکنش است و با پیمایش دوغاب با آزمایش تراکم دوغاب در موقعیت های مختلف ، می توان تأیید کرد. در اینجا به جزئیات نمی پردازم و از طریق خلاصه فوق ، معتقدم همه می توانند دوغاب الکترود خوبی تهیه کنند.