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電動(dòng)攪拌器在鋰電池正極材料漿料混合過(guò)程中的工藝優(yōu)化

更新時(shí)間:2025-09-24      點(diǎn)擊次數(shù):351
摘要
鋰電池正極材料漿料的混合均勻性、分散穩(wěn)定性直接決定極片涂覆質(zhì)量與電池電化學(xué)性能。本文以電動(dòng)攪拌器為核心設(shè)備,針對(duì)三元材料(NCM)與磷酸鐵鋰(LFP)兩種主流正極體系,系統(tǒng)研究攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、槳葉結(jié)構(gòu)及固液混合順序?qū){料黏度、顆粒分散度、極片面密度均勻性的影響,通過(guò)單因素變量法與正交實(shí)驗(yàn)確定工藝參數(shù)。結(jié)果表明:適配特定正極材料的攪拌工藝可使?jié){料分散度提升 25% 以上,極片面密度波動(dòng)控制在 ±3% 以內(nèi),為鋰電池正極漿料規(guī)?;a(chǎn)提供技術(shù)支撐。
1 引言
正極材料作為鋰電池能量密度的核心載體,其漿料混合過(guò)程需實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)(如 NCM811、LFP)、導(dǎo)電劑(炭黑、碳納米管)、粘結(jié)劑(PVDF、PAA)在溶劑(NMP、去離子水)中的均勻分散。傳統(tǒng)電動(dòng)攪拌工藝易因參數(shù)匹配不當(dāng)導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚、粘結(jié)劑包裹不均,進(jìn)而引發(fā)極片開(kāi)裂、容量衰減等問(wèn)題。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),約 15% 的鋰電池性能失效源于漿料混合工藝缺陷。因此,基于電動(dòng)攪拌器的工藝優(yōu)化,對(duì)提升鋰電池一致性與循環(huán)壽命具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
2 實(shí)驗(yàn)方案
2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備
  • 正極材料:NCM811(粒徑 D50=8μm)、LFP(粒徑 D50=12μm);

  • 輔助材料:炭黑(Super P)、碳納米管(CNT,直徑 10-15nm)、PVDF(分子量 120 萬(wàn))、NMP(分析純);

  • 核心設(shè)備:數(shù)顯式電動(dòng)攪拌器(轉(zhuǎn)速范圍 0-3000r/min,可更換槳葉類型:推進(jìn)式、錨式、渦輪式)、激光粒度儀( Mastersizer 3000)、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(NDJ-5S)、極片面密度測(cè)試儀(XY-100)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用 “單因素變量法 + 正交實(shí)驗(yàn)" 組合方案,以漿料分散度(顆粒團(tuán)聚率≤5%)、黏度穩(wěn)定性(24h 黏度變化率≤10%)、極片面密度均勻性為評(píng)價(jià)指標(biāo),重點(diǎn)研究以下變量:
  1. 攪拌轉(zhuǎn)速:500-2500r/min(梯度 500r/min);

  1. 攪拌時(shí)間:30-180min(梯度 30min);

  1. 槳葉類型:推進(jìn)式(軸向流)、錨式(徑向流)、渦輪式(復(fù)合流);

  1. 混合順序:先固后液(活性物質(zhì) + 導(dǎo)電劑預(yù)混合后加溶劑)、先液后固(溶劑 + 粘結(jié)劑溶解后加固體顆粒)。

3 工藝優(yōu)化結(jié)果與分析
3.1 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)混合效果的影響
不同正極材料因密度、粒徑差異,對(duì)攪拌轉(zhuǎn)速的需求存在顯著差異:
  • NCM811 體系:當(dāng)轉(zhuǎn)速低于 1000r/min 時(shí),漿料中炭黑團(tuán)聚率超過(guò) 15%,黏度波動(dòng)達(dá) 25%;轉(zhuǎn)速提升至 1500-2000r/min 時(shí),顆粒分散度(團(tuán)聚率 3.2%),但轉(zhuǎn)速超過(guò) 2000r/min 后,攪拌產(chǎn)生的剪切力過(guò)強(qiáng),導(dǎo)致 PVDF 分子鏈斷裂,24h 黏度下降 18%,影響后續(xù)涂覆;

  • LFP 體系:因 LFP 密度更高(2.6g/cm3 vs NCM2.0g/cm3),需更高轉(zhuǎn)速突破顆粒沉降阻力,轉(zhuǎn)速范圍為 1800-2200r/min,此時(shí)漿料分散度達(dá) 94.5%,面密度波動(dòng)控制在 ±2.8%。

3.2 攪拌時(shí)間與槳葉類型的協(xié)同優(yōu)化
  • 攪拌時(shí)間:NCM 體系在 120min 時(shí)達(dá)到最佳混合狀態(tài),繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間,漿料黏度無(wú)明顯提升但能耗增加 30%;LFP 體系因顆粒分散難度大,攪拌時(shí)間為 150min,此時(shí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建最完整,極片電阻率降至 8.5mΩ?cm;

  • 槳葉類型:渦輪式槳葉憑借軸向 + 徑向復(fù)合流場(chǎng),對(duì)兩種體系均表現(xiàn)出適配性 —— 相較于推進(jìn)式槳葉,NCM 漿料分散度提升 18%,LFP 體系黏度穩(wěn)定性提升 22%;錨式槳葉因攪拌死角大,僅適用于低固含量(≤40%)漿料混合。

3.3 混合順序的優(yōu)化驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)表明 “先液后固" 混合順序更優(yōu):先將 PVDF 在 NMP 中攪拌 60min 至溶解(轉(zhuǎn)速 800r/min),再加入 NCM/LFP 與導(dǎo)電劑混合,可避免固體顆粒包裹未溶解的粘結(jié)劑形成 “硬團(tuán)聚"。對(duì)比 “先固后液" 順序,NCM 漿料團(tuán)聚率降低 21%,LFP 體系極片面密度均勻性提升 15%。
4 工業(yè)應(yīng)用建議
  1. 參數(shù)適配:NCM 體系推薦攪拌參數(shù)為 “渦輪式槳葉 + 1800r/min 轉(zhuǎn)速 + 120min 時(shí)間 + 先液后固";LFP 體系推薦 “渦輪式槳葉 + 2000r/min 轉(zhuǎn)速 + 150min 時(shí)間 + 先液后固";

  1. 設(shè)備改進(jìn):工業(yè)級(jí)攪拌器可增設(shè)槳葉高度調(diào)節(jié)裝置(建議槳葉距罐底距離為罐徑 1/3),減少底部沉淀;同時(shí)加裝溫度控制系統(tǒng),避免攪拌剪切熱導(dǎo)致溶劑揮發(fā)(控制混合溫度 25-30℃);

  1. 質(zhì)量監(jiān)控:每批次漿料需檢測(cè)黏度(NCM 體系控制 3000-5000mPa?s,LFP 體系 4000-6000mPa?s)與顆粒分散度,確保滿足極片涂覆要求。

5 結(jié)論
通過(guò)優(yōu)化電動(dòng)攪拌器的轉(zhuǎn)速、時(shí)間、槳葉類型及混合順序,可有效解決鋰電池正極材料漿料混合過(guò)程中的分散不均問(wèn)題。針對(duì) NCM 與 LFP 體系的差異化工藝參數(shù),能顯著提升漿料穩(wěn)定性與極片質(zhì)量,為鋰電池工業(yè)化生產(chǎn)提供可落地的技術(shù)方案。后續(xù)研究可結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬,進(jìn)一步優(yōu)化攪拌流場(chǎng)分布,降低能耗并提升混合效率。


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