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        鋰離子電池漿料分散機(jī)理

        上海儒特機(jī)電設(shè)備有限公司  2023-09-18  點擊668次

        1漿料穩(wěn)定性理論
        大部分的漿料都是屬于懸浮液體系。不穩(wěn)定的懸浮液在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生絮凝,并由于重力作用而很快分層,分散的目的就是要在產(chǎn)品的有效期內(nèi)抗絮凝、防止分層,維持懸浮顆粒的均勻分布,提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

        2懸浮液的絮凝理論
        絮凝作用即是在靜態(tài)(由于布朗運(yùn)動)或動態(tài)(在剪切力作用下條件下,通過顆粒碰撞引起顆粒數(shù)目減少的過程。膠體系統(tǒng)中,如不考慮穩(wěn)定劑,顆粒間的相互作用主要有范德華(VanderWaals)引力;伴隨著帶電顆粒的庫侖(Coulombic)力(斥力或引力)。這些力的起因截然不同,Derjaguin和Landau在蘇聯(lián),Verwey和Overbeek在荷蘭分別獨立的提出DLVO理論,構(gòu)成了親液分散體系中絮凝作用經(jīng)典理論的基礎(chǔ),闡述了膠體懸浮體系的穩(wěn)定性主要與膠體顆粒間上述兩個獨立的相互作用的相對距離有關(guān)。

        1.2.1.2,懸浮液的分層理論
        分層是分散相在外力(重力或離心力)作用下,在連續(xù)相中上浮或下沉的結(jié)果。在忽略布朗運(yùn)動效應(yīng)的靜態(tài)條件下,可用Stokes定律來描述,即分散相球形顆粒由于重力的沉降速度u0由下式確定:

        公式式中ρs-ρ為分散相與連續(xù)相的密度差,g為重力加速度,d為分散相顆粒直徑,μ為連續(xù)相的粘度。如果分散相顆粒的密度比連續(xù)相密度大,顆粒下沉,速度uo為正值,反之,顆粒上浮,速度為負(fù)值。沉降速度大,漿料就容易分層。如果要保持體系穩(wěn)定,就必須降低沉降速度,對于特定的漿料可以通過減小分散相固體顆粒直徑d。因為只有當(dāng)粒徑減至連續(xù)相液體分子大小時,顆粒才能穩(wěn)定、均勻地分散在液體中不發(fā)生分離。

        通過以上的分析我們可以看出,要提高懸浮液的穩(wěn)定性,分散相顆粒的粒徑應(yīng)盡量細(xì)小。但應(yīng)該指出,根據(jù)前人所做的大量研究發(fā)現(xiàn),隨著顆粒粒度的減小,雖然顆粒由重力引起的分離作用變?yōu)榇我囊蛩兀怯捎陬w粒之間的間距減小,顆粒之間的結(jié)合力(范德華力等)起到了重要決定性作用。另外,當(dāng)顆粒直徑小于某一細(xì)小尺寸時,此時,顆粒的布朗運(yùn)動效應(yīng)就不能忽略了,所以由于細(xì)小顆粒的布朗運(yùn)動,而使得顆粒之間產(chǎn)生激烈地碰撞。若不加穩(wěn)定劑,這些情況都會導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚,對體系的穩(wěn)定是不利的。所以漿料的分散中,顆粒粒徑并非越細(xì)越好,要視漿料的特性而定。分散就是要根據(jù)物料的特性與特點,減小分散相顆粒的粒度,使其分布于一個較窄的尺寸范圍,并達(dá)到吸力與斥力的相互平衡,從而保證漿料體系的穩(wěn)定。

        1.2.2,團(tuán)聚與分散的關(guān)系
        漿料的團(tuán)聚是指原生的微細(xì)顆粒在制備、分散及存放過程中,相互連接、由多個顆粒形成較大的顆粒團(tuán)簇的現(xiàn)象。

        顆粒在液相介質(zhì)中表現(xiàn)為分散和團(tuán)聚兩種基本的行為。顆粒在液體介質(zhì)中的團(tuán)聚是吸附與排斥共同作用的結(jié)果,其根源是顆粒間的相互作用力。在懸濁液體系中,粉體顆粒的團(tuán)聚是吸附和排斥共同作用的結(jié)果。如果吸附作用大于排斥作用,粉體顆粒團(tuán)聚;如果吸附作用小于排斥作用,粉體顆粒則分散。在液體介質(zhì)中,粉體顆粒受力情況較復(fù)雜,不僅有像范德華力、靜電力、表面張力、毛細(xì)管力等產(chǎn)生團(tuán)聚的吸引力,而且在粒子的表面,還會產(chǎn)生雙電層靜電作用、溶劑化膜作用、聚合物吸附層的空間保護(hù)作用等使納米顆粒趨向于分散的斥力作用。

        顆粒在介質(zhì)中的穩(wěn)定分散一般包括以下過程:潤濕、機(jī)械分散及分散穩(wěn)定。潤濕通常指顆粒與顆粒之間的界面被顆粒與溶劑、分散劑等界面所取代的過程。機(jī)械分散是利用剪切力將大量顆粒細(xì)化、使團(tuán)聚體解聚、被潤濕、包裹吸附的過程。分散穩(wěn)定是指將原生粒子或較小的團(tuán)聚體在靜電斥力、空間位阻斥力作用下來屏蔽范德華引力,使顆粒不再聚集的過程。團(tuán)聚體分散解聚的直接原因是受到剪切力和壓力的作用,剪切力在分散過程中起到了決定性的作用。

        1.2.3,團(tuán)聚體變形與破裂
        在研究流動性質(zhì)隨時間和應(yīng)力的變化時,一般要考察顆粒的結(jié)合與破裂。研究發(fā)現(xiàn),無論是顆粒的結(jié)合所必須得碰撞,還是多顆粒團(tuán)的破壞,都與顆粒大小有緊密的函數(shù)關(guān)系,也就是說,顆粒大小是影響流變和穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵因素。

        在層流狀態(tài)下,流體中的物料團(tuán)聚體受層流剪切力作用。不考慮團(tuán)聚體的重力作用,物料團(tuán)聚體受剪切力t的作用與表面張力的作用。剪切作用的切向分力的作用效果是使團(tuán)聚體發(fā)生旋轉(zhuǎn)的主要原因,而法向分力和表面張力則在團(tuán)聚體的內(nèi)部分別產(chǎn)生壓差,這兩種壓差綜合作用的結(jié)果就是使團(tuán)聚體的內(nèi)部產(chǎn)生變形,在其原有裂紋的區(qū)域上就會產(chǎn)生應(yīng)力集中,并最終導(dǎo)致團(tuán)聚體的破碎與分散,分解成更小尺寸級別的顆粒。

        電池漿料

        在湍流狀態(tài)下,流場的變化非常迅速,且存在著固體分散相與液體連續(xù)相之間的相互作用,例如由于固體相對液體相湍流具有的阻尼作用,使其脈動強(qiáng)度降低,流場中流動情況相當(dāng)復(fù)雜。所以為了簡化起見,在假定湍流是均勻的,并且是各向同性的基礎(chǔ)上,認(rèn)為液滴的破裂由湍流的脈動效應(yīng)所引起的。在這種情況下,液滴受到的粘性剪切應(yīng)力可忽略,若兩相粘度和密度相差比較小,則在液滴表面將會產(chǎn)生振動,振動將會使其形狀相對于平衡的球形而發(fā)生變化,當(dāng)變化的程度足夠大時,液滴就會不穩(wěn)定,破裂成兩個或更多的小液滴,條件是液滴振動的動能足以提供破裂后所增加的表面能。

        1.3,漿料傳統(tǒng)混合分散工藝

        目前傳統(tǒng)的鋰離子電池漿料的制備都是在雙行星分散設(shè)備中完成的。盡管目前在小型電池生產(chǎn)技術(shù)上已日趨成熟,但目前鋰離子電池的生產(chǎn)過程中,電池的一致性控制仍然是鋰離子電池制作的技術(shù)難點,尤其是對于大容量、大功率的動力型鋰離子電池。另外,隨著鋰離子電池材料的不斷進(jìn)步,原材料顆粒粒徑越來越小,這不僅提高了鋰離子電池性能,也非常容易形成二級團(tuán)聚體,從而增加了混合分散工藝的難度。

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