Jak ocenić zawiesinę elektrod w akumulatorze-litowo-jonowym?

W produkcji akumulatorów litowo-jonowych pierwszym procesem jest przygotowanie zawiesiny. Przydatność zawiesiny po wymieszaniu bezpośrednio wpływa na późniejsze powlekanie i ostateczną wydajność akumulatora oraz jest kluczowym wskaźnikiem kosztu akumulatora. Dlatego przygotowanie zawiesiny odgrywa kluczową rolę w produkcji akumulatorów litowo-jonowych. Badania pokazują, że idealny mikroskopijny rozkład cząstek w elektrodzie akumulatora litowo-jonowego charakteryzuje się równomiernym rozproszeniem materiałów aktywnych bez aglomeracji oraz cienkowarstwowym rozproszeniem cząstek środka przewodzącego tworzącego sieć przewodzącą. Baterie litowe-jonowe wykonane z elektrod o równomiernym rozkładzie cząstek charakteryzują się doskonałą wydajnością elektrochemiczną i długą żywotnością. Dlatego też płynność, stabilność i jednorodność zawiesin w akumulatorach litowo-jonowych-jest zazwyczaj testowana i charakteryzowana w celu oceny ich przydatności do kolejnych procesów powlekania oraz ich wpływu na wydajność aktywnych materiałów akumulatora.

W produkcji akumulatorów litowo-jonowych pierwszym procesem jest przygotowanie zawiesiny. Przydatność zawiesiny po wymieszaniu bezpośrednio wpływa na późniejsze powlekanie i ostateczną wydajność akumulatora oraz jest kluczowym wskaźnikiem kosztu akumulatora. Dlatego przygotowanie zawiesiny odgrywa kluczową rolę w produkcji akumulatorów litowo-jonowych. Badania wykazały, że idealny rozkład mikrocząstek w elektrodach akumulatorów litowo-jonowych- charakteryzuje się równomiernym rozproszeniem materiałów aktywnych bez aglomeracji oraz cienkowarstwowym rozproszeniem cząstek czynnika przewodzącego tworzącego sieć przewodzącą. Baterie litowe-jonowe wykonane z elektrod o równomiernym rozkładzie cząstek charakteryzują się doskonałą wydajnością elektrochemiczną i długą żywotnością. Dlatego też płynność, stabilność i jednorodność zawiesin w akumulatorach litowo-jonowych-jest zazwyczaj testowana i charakteryzowana w celu oceny ich przydatności do kolejnych procesów powlekania oraz ich skuteczności w zwiększaniu wydajności aktywnych materiałów akumulatora.

Zawiesiny elektrod to ciecze nie-newtonowskie. Istnieją dwa typy zawiesin elektrod dodatnich i zawiesiny elektrod ujemnych, które dzielą się na systemy na bazie oleju-i wody-. Mieszana zawiesina musi charakteryzować się dobrą płynnością, stabilnością i jednorodnością. Na rysunku przedstawiono stany zaczynów o różnej płynności. Zbyt niska lub wysoka lepkość, sedymentacja, aglomeracja i nierównomierna dyspersja mogą znacząco wpłynąć na późniejsze procesy powlekania, powodując defekty w makroskopowym wyglądzie elektrody i niespójności w jej mikrostrukturze. W przeciwieństwie do wymagań dotyczących szlamu w tradycyjnym przemyśle papierniczym i powlekającym, jednorodność i stabilność szlamu z akumulatorów litowych ostatecznie wpływa na parametry elektryczne akumulatora, prowadząc do szeregu problemów, takich jak obniżenie napięcia, skrócony czas cyklu życia i słaba konsystencja akumulatora. Dlatego kluczowa jest właściwa charakterystyka i badanie zawiesiny przed powlekaniem w celu określenia jej przydatności do przetwarzania.

Kiedy ciecz przepływa, pomiędzy cząsteczkami występuje tarcie wewnętrzne; właściwość ta nazywana jest lepkością, mierzoną numerycznie.

Lepkość=Naprężenie ścinające / szybkość ścinania

Funkcjonalna zależność między szybkością ścinania a naprężeniem ścinającym nazywana jest krzywą reologiczną i jest powszechnie stosowana do opisu zmian lepkości zawiesiny (płynu) w zależności od charakterystyki ścinania. Do rozróżnienia typów cieczy można zastosować krzywe reologiczne. W przypadku płynów newtonowskich związek między naprężeniem ścinającym a szybkością ścinania na krzywej reologicznej jest linią prostą przechodzącą przez początek.

W produkcjicyfrowy wiskozymetr rotacyjnyi reometry są powszechnie stosowane do pomiaru lepkości i krzywych reologicznych. Wiskozymetry są proste w obsłudze, natomiast reometry mogą mierzyć szerszy zakres i bardziej kompleksowe krzywe lepkości-szybkości ścinania/naprężenia, a także dostarczać dokładniejsze wyniki. Zawiesiny akumulatorowe, jako ciecze nie{3}newtonowskie, wykazują różne właściwości reologiczne, w tym rozrzedzanie pod wpływem ścinania, lepkosprężystość i tiksotropię.

Większość zawiesin elektrod litowo-jonowych wykazuje właściwości rozrzedzania pod wpływem ścinania. Jak pokazano na rysunku, lepkość przy ścinaniu maleje wraz ze wzrostem szybkości ścinania. Ta cecha jest bardziej wyraźna w zawiesinach o dużej zawartości części stałych. Przy wyższych szybkościach ścinania duże siły ścinające zakłócają strukturę sieci utworzoną pomiędzy materiałami, powodując przegrupowanie cząstek w bardziej uporządkowaną strukturę równoległą do pola ścinania, co skutkuje spadkiem lepkości i osiągnięciem plateau Newtona przy wyższych szybkościach ścinania.

Ta nie{0}}newtonowska charakterystyka jest korzystna w procesie powlekania podczas przygotowywania elektrody. Przed użyciemmaszyna do powlekania elektrodszlam transportowany jest ze zbiornika transferowego do komory powlekania za pomocą pompy śrubowej. Podczas tego procesu zawiesina poddawana jest działaniu małej siły ścinającej i pozostaje w stanie wysokiej lepkości, aby utrzymać swoją stabilność. Gdy zawiesina jest natychmiast wyrzucana z krawędzi głowicy powlekającej, jest poddawana działaniu dużej szybkości ścinania, w którym to momencie lepkość zawiesiny spada, zapewniając płynny przepływ. Po przeniesieniu zawiesiny do kolektora prądu prędkość ścinania maleje i utrzymuje się ona w stanie wysokiej lepkości. Może to zapobiec lub zmniejszyć sedymentację cząstek, gdy zawiesina jest nieruchoma lub podczas procesu suszenia, zapewniając stałą grubość powłoki.

Lepkosprężystość jest również ważnym standardem odniesienia przy ocenie właściwości zawiesiny. Wykazuje zależność pomiędzy lepkością (ciecz) i elastycznością (ciało stałe) zaczynu; mówiąc najprościej, charakteryzuje się tym, czy zawiesina bardziej przypomina ciecz, czy ciało stałe. Jeśli zawiesina baterii litowej jest tylko lepka i brakuje jej elastyczności, podczas powlekania wystąpią silne nitkowania, co spowoduje słabą wydajność powłoki. Dlatego też zawiesina baterii litowej oprócz lepkości musi posiadać pewien stopień elastyczności, umożliwiający szybkie odbicie zerwanych włókien podczas powlekania i zapewniający równomierne powlekanie. Jeśli zawiesina ma bardzo wysoką elastyczność lub nie ma żadnej lepkości, oznacza to silną aglomerację lub strukturę przypominającą ciało-, co uniemożliwia powlekanie.

Lepkosprężystość zazwyczaj mierzy się za pomocą reometru. Do pomiaru lepkosprężystości szlamu stosuje się siły ścinające wibracyjne o małej-amplitturze, takie jak skanowanie amplitudy i skanowanie częstotliwości.

Szybkość ścinania zwiększa się w sposób ciągły od zera do wartości stałej i podczas tego procesu rejestrowane jest odpowiednie naprężenie ścinające. Następnie szybkość ścinania stopniowo zmniejsza się do zera i rejestruje się odpowiednią wartość naprężenia ścinającego. Można wykreślić zamkniętą krzywą szybkości ścinania w funkcji naprężenia ścinającego; krzywa ta nazywana jest tiksotropowym pierścieniem normalnym. Im większa powierzchnia normalnego pierścienia, tym większe działanie tiksotropowe i odwrotnie.

Lepkość jest kluczowym czynnikiem przy ocenie stabilności zawiesin w akumulatorach litowo-jonowych. Zarówno zbyt wysoka, jak i niska lepkość są szkodliwe dla powłoki. Zawiesiny o wysokiej-lepkości są mniej podatne na osiadanie i mają lepszą zdolność do dyspergowania, ale zbyt wysoka lepkość powoduje słabe wypoziomowanie, co utrudnia powlekanie i zmniejsza prędkość powlekania. Odpowiednie zmniejszenie lepkości pozwala poprawić skuteczność powłoki. Niższa lepkość zapewnia dobrą płynność zaczynu i pomaga usunąć pęcherzyki powietrza, natomiast zbyt niska lepkość prowadzi do trudności w suszeniu, zmniejsza prędkość powlekania, pogarsza nierównomierne powlekanie i może powodować pękanie powłoki i aglomerację zaczynu.

Podczas produkcji, szczególnie po dłuższym postoju zaczynu, lepkość często się zmienia, głównie na trzy sposoby: lepkość zwiększona, lepkość zmniejszona oraz przypadki szczególne.

(1) Zwiększona lepkość:Po dłuższym postoju koloid zmienia się ze stanu zolu w stan żelu, co powoduje wzrost lepkości zawiesiny. Powolne mieszanie zawiesiny przywróci lepkość.

(2) Redukcja lepkości:Lepkość zmniejsza się, gdy spoiwo wchłania wilgoć i ulega zmianom jakościowym, zmianom strukturalnym podczas mieszania lub degradacji. Długotrwałe mieszanie, zbyt duża prędkość mieszania i nierównomierne rozproszenie zawiesiny podczas homogenizacji mogą prowadzić do zmniejszenia lepkości. Dodanie stabilizatorów, środków dyspergujących lub środków powierzchniowo czynnych do zawiesiny może poprawić stabilność zawiesiny dzięki zasadom odpychania ładunku i zawadzie przestrzennej. Dodatkowo wszystkie składniki muszą zostać dokładnie wysuszone przed homogenizacją.

(3) Przypadki szczególne:Materiały aktywne mogą wchłaniać wilgoć podczas przechowywania lub być mieszane w-środowisku o wysokiej wilgotności, co powoduje, że PVDF wchłania wilgoć i tworzy zawiesinę przypominającą galaretkę. Gdy zawiesina ma szczególnie wyraźną konsystencję-galaretowatą, nie nadaje się do użytku. W takim przypadku problematyczną zawiesinę można wysuszyć, spoiwo i NCM odparować i oddzielić, następnie przesiać, zmielić i proporcjonalnie zmieszać z normalną zawiesiną. Można go wtedy używać bez wpływu na wydajność baterii. Dlatego najskuteczniejszą metodą zapobiegania jest dokładne osuszenie materiału przed homogenizacją, pomiar zawartości wilgoci i ścisła kontrola wilgotności w trakcie homogenizacji.

Procent substancji stałych, takich jak materiały aktywne, środki przewodzące i spoiwa, w całkowitej masie zawiesiny nazywany jest zawartością substancji stałych w zawiesinie. Ogólnie zawartość substancji stałych mieści się w zakresie od 40% do 70%. Główną metodą badania zawartości substancji stałych jest metoda suszenia. Odważyć zawiesinę o masie M, umieścić ją w określonej temperaturze w celu wysuszenia rozpuszczalnika, a następnie ponownie zważyć ją o masie m. Zawartość substancji stałych oblicza się następnie jako m=M/M. Do szybkiego i stosunkowo dokładnego pomiaru zawartości substancji stałych w zawiesinie można zastosować miernik wilgotności. Wilgotnościomierz wykorzystuje zasadę termicznej utraty masy; równomiernie ogrzewa próbkę lampą halogenową w celu odparowania rozpuszczalnika i oblicza zawartość substancji stałych na podstawie zmiany masy przed i po ogrzewaniu.

W tym samym procesie homogenizacji i składzie, im wyższa zawartość substancji stałych w zawiesinie, tym wyższa jest jej lepkość. Podobnie, im niższa zawartość substancji stałych, tym niższa lepkość. W określonym zakresie zawartości substancji stałych, wyższa wartość wskazuje na wyższą stabilność zawiesiny. Zwiększenie zawartości substancji stałych może zmniejszyć zużycie rozpuszczalnika, skrócić czas mieszania zawiesiny oraz poprawić wydajność powlekania i suszenia. Jednakże wraz ze wzrostem zawartości substancji stałych wzrasta lepkość i spada płynność, co zwiększa trudność powlekania i powoduje poważniejsze zużycie sprzętu.

Skontaktuj się teraz