Wie bewertet man die Elektrodenaufschlämmung von Lithium--Ionenbatterien?

Bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien ist die Aufbereitung der Aufschlämmung der erste Prozess. Die Eignung der Aufschlämmung nach dem Mischen wirkt sich direkt auf die anschließende Beschichtung und die endgültige Batterieleistung aus und ist ein entscheidender Indikator für die Batteriekosten. Daher spielt die Schlammvorbereitung eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Untersuchungen zeigen, dass die ideale mikroskopische Partikelverteilung einer Lithium-Ionen-Batterieelektrode durch eine gleichmäßige Verteilung der aktiven Materialien ohne Agglomeration und eine dünne Schichtverteilung der leitfähigen Wirkstoffpartikel gekennzeichnet ist, die ein leitfähiges Netzwerk bilden. Lithium--Ionenbatterien, die aus Elektroden mit gleichmäßiger Partikelverteilung hergestellt werden, weisen eine hervorragende elektrochemische Leistung und eine lange Lebensdauer auf. Daher werden die Fließfähigkeit, Stabilität und Gleichmäßigkeit von Lithium-Ionen-Batterieschlämmen typischerweise getestet und charakterisiert, um ihre Eignung für nachfolgende Beschichtungsprozesse und ihren Beitrag zur Leistung der aktiven Materialien der Batterie zu bewerten.

Bei der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien ist die Aufbereitung der Aufschlämmung der erste Prozess. Die Eignung der Aufschlämmung nach dem Mischen wirkt sich direkt auf die anschließende Beschichtung und die endgültige Batterieleistung aus und ist ein entscheidender Indikator für die Batteriekosten. Daher spielt die Schlammvorbereitung eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien. Studien haben gezeigt, dass die ideale Mikropartikelverteilung von Lithium-Ionen-Batterieelektroden durch eine gleichmäßige Verteilung der aktiven Materialien ohne Agglomeration und eine dünne Schichtverteilung der leitfähigen Wirkstoffpartikel gekennzeichnet ist, die ein leitfähiges Netzwerk bilden. Lithium--Ionenbatterien, die aus Elektroden mit gleichmäßiger Partikelverteilung hergestellt werden, weisen eine hervorragende elektrochemische Leistung und eine lange Lebensdauer auf. Daher werden die Fließfähigkeit, Stabilität und Gleichmäßigkeit von Lithium-Ionen-Batterieschlämmen in der Regel getestet und charakterisiert, um ihre Eignung für nachfolgende Beschichtungsprozesse und ihre Wirksamkeit bei der Verbesserung der Leistung der aktiven Materialien der Batterie zu bewerten.

Elektrodenschlämme sind nicht{0}Newtonsche Flüssigkeiten und es gibt zwei Arten: positive Elektrodenschlämme und negative Elektrodenschlämme, die in ölbasierte und wasserbasierte Systeme unterteilt werden. Die gerührte Aufschlämmung muss eine gute Fließfähigkeit, Stabilität und Gleichmäßigkeit aufweisen. Die Zustände von Schlämmen mit unterschiedlicher Fließfähigkeit sind in der Abbildung dargestellt. Eine zu niedrige oder hohe Viskosität, Sedimentation, Agglomeration und ungleichmäßige Verteilung können nachfolgende Beschichtungsprozesse erheblich beeinträchtigen und zu Fehlern im makroskopischen Erscheinungsbild der Elektrode und Inkonsistenzen in ihrer Mikrostruktur führen. Im Gegensatz zu den Anforderungen an Aufschlämmungen in der herkömmlichen Papierherstellungs- und Beschichtungsindustrie wirken sich die Gleichmäßigkeit und Stabilität der Aufschlämmung von Lithiumbatterien letztendlich auf die elektrische Leistung der Batterie aus, was zu einer Reihe von Problemen führt, wie z. B. Spannungsabfall, verkürzter Zyklenlebensdauer und schlechter Batteriekonsistenz. Daher ist eine ordnungsgemäße Charakterisierung und Prüfung der Aufschlämmung vor der Beschichtung von entscheidender Bedeutung, um ihre Eignung für die Verarbeitung festzustellen.

Wenn eine Flüssigkeit fließt, entsteht innere Reibung zwischen den Molekülen; Diese Eigenschaft wird als Viskosität bezeichnet und numerisch gemessen.

Viskosität=Scherspannung / Scherrate

Die funktionale Beziehung zwischen Schergeschwindigkeit und Scherspannung wird als rheologische Kurve bezeichnet und üblicherweise zur Beschreibung der Variation der Viskosität der Aufschlämmung (Flüssigkeit) in Abhängigkeit von den Schereigenschaften verwendet. Rheologische Kurven können zur Unterscheidung von Flüssigkeitstypen verwendet werden. Bei Newtonschen Flüssigkeiten ist die Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit auf der rheologischen Kurve eine gerade Linie, die durch den Ursprung verläuft.

In der Produktion,Digitales Rotationsviskosimeterund Rheometer werden üblicherweise zur Messung von Viskosität und rheologischen Kurven verwendet. Viskosimeter sind einfach zu bedienen, während Rheometer einen größeren Bereich und umfassendere Viskositäts--Schergeschwindigkeits-/Spannungskurven messen und genauere Ergebnisse liefern können. Batterieschlämme weisen als nicht-Newtonsche Flüssigkeiten verschiedene rheologische Eigenschaften auf, darunter Strukturviskosität, Viskoelastizität und Thixotropie.

Die meisten Lithium-Ionen-Elektrodenschlämme weisen Scherverdünnungseigenschaften auf. Wie in der Abbildung dargestellt, nimmt die Scherviskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab. Dieses Merkmal ist bei Schlämmen mit hohem Feststoffgehalt stärker ausgeprägt. Bei höheren Schergeschwindigkeiten zerstören starke Scherkräfte die zwischen den Materialien gebildete Netzwerkstruktur, was dazu führt, dass sich die Partikel parallel zum Scherfeld in eine geordnetere Struktur umordnen, was zu einer Abnahme der Viskosität führt und bei höheren Schergeschwindigkeiten ein Newtonsches Plateau erreicht.

Diese nicht-Newtonsche Eigenschaft ist im Beschichtungsprozess der Elektrodenvorbereitung von Vorteil. Vor der Verwendung desElektrodenbeschichtungsmaschineDie Aufschlämmung wird mit einer Schneckenpumpe vom Transfertank zur Beschichtungskammer transportiert. Während dieses Prozesses wird die Aufschlämmung einer geringen Scherkraft ausgesetzt und bleibt in einem Zustand hoher Viskosität, um ihre Stabilität aufrechtzuerhalten. Wenn die Aufschlämmung augenblicklich von der Lippe des Beschichtungskopfes ausgestoßen wird, wird sie einer hohen Scherrate ausgesetzt, wodurch die Viskosität der Aufschlämmung abnimmt und ein gleichmäßiger Fluss gewährleistet wird. Nachdem die Aufschlämmung zum Stromkollektor übertragen wurde, nimmt die Schergeschwindigkeit ab und sie verbleibt in einem Zustand hoher Viskosität. Dies kann die Sedimentation von Partikeln verhindern oder reduzieren, wenn die Aufschlämmung stationär ist oder während des Trocknungsprozesses, wodurch eine gleichmäßige Beschichtungsdicke gewährleistet wird.

Viskoelastizität ist auch ein wichtiger Referenzstandard zur Bewertung der Schlammeigenschaften. Es zeigt die Beziehung zwischen der Viskosität (flüssig) und der Elastizität (fest) der Aufschlämmung; Einfach ausgedrückt charakterisiert es, ob die Gülle eher flüssig oder fest ist. Wenn die Lithiumbatterieaufschlämmung nur viskos und nicht elastisch ist, kommt es beim Beschichten zu starker Fadenbildung, was zu einer schlechten Beschichtungsleistung führt. Daher muss die Lithiumbatterieaufschlämmung neben der Viskosität auch ein gewisses Maß an Elastizität aufweisen, damit sich die gebrochenen Filamente beim Beschichten schnell zurückbilden und eine gleichmäßige Beschichtung gewährleistet ist. Wenn die Aufschlämmung eine sehr hohe Elastizität oder überhaupt keine Viskosität aufweist, weist dies auf eine starke Agglomeration oder eine feststoffartige Struktur hin, die eine Beschichtung unmöglich macht.

Die Viskoelastizität wird im Allgemeinen mit einem Rheometer gemessen. Zur Messung der Viskoelastizität der Aufschlämmung werden Schwingungsscherkräfte mit kleiner -Amplitude angewendet, z. B. Amplitudenscannen und Frequenzscannen.

Die Schergeschwindigkeit wird kontinuierlich von Null auf einen konstanten Wert erhöht und dabei die entsprechende Scherspannung aufgezeichnet. Anschließend wird die Schergeschwindigkeit schrittweise auf Null verringert und der entsprechende Scherspannungswert aufgezeichnet. Es kann eine geschlossene Kurve der Schergeschwindigkeit gegenüber der Scherspannung aufgezeichnet werden; diese Kurve wird als thixotroper Normalring bezeichnet. Je größer die Fläche des Normalrings ist, desto größer ist die thixotrope Leistung und umgekehrt.

Die Viskosität ist ein entscheidender Faktor bei der Bewertung der Stabilität von Lithium-Ionen-Batterieschlämmen. Sowohl zu hohe als auch zu niedrige Viskositäten sind schädlich für die Beschichtung. Hochviskose Aufschlämmungen neigen weniger zum Absetzen und weisen eine bessere Dispergierbarkeit auf. Eine übermäßig hohe Viskosität führt jedoch zu einer schlechten Nivellierung, was das Auftragen erschwert und die Beschichtungsgeschwindigkeit verringert. Eine entsprechende Verringerung der Viskosität trägt zur Verbesserung der Beschichtungseffizienz bei. Eine niedrigere Viskosität sorgt für eine gute Fließfähigkeit der Aufschlämmung und hilft, Luftblasen zu entfernen. Eine zu niedrige Viskosität führt jedoch zu Trocknungsschwierigkeiten, verringert die Beschichtungsgeschwindigkeit, verschlimmert die ungleichmäßige Beschichtung und kann zu Rissen in der Beschichtung und zur Agglomeration der Aufschlämmung führen.

Während der Produktion, insbesondere nachdem die Aufschlämmung eine Zeit lang gestanden hat, ändert sich die Viskosität häufig, hauptsächlich auf drei Arten: erhöhte Viskosität, verringerte Viskosität und Sonderfälle.

(1) Erhöhte Viskosität:Nach längerem Stehen geht das Kolloid vom Solzustand in den Gelzustand über, wodurch die Viskosität der Aufschlämmung zunimmt. Durch langsames Rühren der Aufschlämmung wird die Viskosität wiederhergestellt.

(2) Viskositätsreduzierung:Die Viskosität nimmt ab, wenn das Bindemittel Feuchtigkeit aufnimmt und qualitative Veränderungen, strukturelle Veränderungen während des Rührens oder einen Abbau erfährt. Längeres Rühren, eine zu hohe Rührgeschwindigkeit und eine ungleichmäßige Verteilung der Aufschlämmung während der Homogenisierung können zu einer Verringerung der Viskosität führen. Die Zugabe von Stabilisatoren, Dispergiermitteln oder Tensiden zur Aufschlämmung kann die Stabilität der Aufschlämmung durch die Prinzipien der Ladungsabstoßung und der sterischen Hinderung verbessern. Darüber hinaus müssen alle Komponenten vor der Homogenisierung gründlich getrocknet werden.

(3) Sonderfälle:Aktive Materialien können während der Lagerung Feuchtigkeit absorbieren oder in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit gerührt werden, wodurch PVDF Feuchtigkeit aufnimmt und eine „geleeartige“ Aufschlämmung entsteht. Wenn die Aufschlämmung eine besonders ausgeprägte geleeartige Konsistenz aufweist, ist sie unbrauchbar. In diesem Fall kann die problematische Aufschlämmung getrocknet, das Bindemittel und das NCM verdampft und abgetrennt, dann gesiebt, gemahlen und proportional in die normale Aufschlämmung eingemischt werden. Anschließend kann es ohne Beeinträchtigung der Akkuleistung genutzt werden. Daher besteht die wirksamste Präventionsmethode darin, das Material vor der Homogenisierung gründlich zu trocknen, den Feuchtigkeitsgehalt zu messen und die Feuchtigkeit während der Homogenisierung streng zu kontrollieren.

Der prozentuale Anteil an Feststoffen wie Aktivmaterialien, Leitmitteln und Bindemitteln an der Gesamtmasse der Aufschlämmung wird als Feststoffgehalt der Aufschlämmung bezeichnet. Im Allgemeinen liegt der Feststoffgehalt im Bereich von 40 % bis 70 %. Die Hauptmethode zur Prüfung des Feststoffgehalts ist die Trocknungsmethode. Wiegen Sie eine Aufschlämmung mit einer Masse von M, stellen Sie sie auf eine bestimmte Temperatur, um das Lösungsmittel zu trocknen, und wiegen Sie sie dann erneut mit einer Masse von m. Der Feststoffgehalt wird dann als m=M/M berechnet. Mit einem Feuchtigkeitsmesser kann der Feststoffgehalt der Gülle schnell und relativ genau gemessen werden. Das Feuchtigkeitsmessgerät nutzt das Prinzip der thermischen Gewichtsabnahme; Es erhitzt die Probe gleichmäßig mit einer Halogenlampe, um das Lösungsmittel zu verdampfen, und berechnet den Feststoffgehalt anhand der Massenänderung vor und nach dem Erhitzen.

Bei gleichem Homogenisierungsprozess und gleicher Formulierung ist die Viskosität der Aufschlämmung umso höher, je höher der Feststoffgehalt ist. Ebenso ist die Viskosität umso geringer, je niedriger der Feststoffgehalt ist. Innerhalb eines definierten Bereichs für den Feststoffgehalt weist ein höherer Wert auf eine höhere Stabilität der Aufschlämmung hin. Eine Erhöhung des Feststoffgehalts kann den Lösungsmittelverbrauch reduzieren, die Mischzeit der Aufschlämmung verkürzen und die Beschichtungs- und Trocknungseffizienz verbessern. Mit zunehmendem Feststoffgehalt nimmt jedoch die Viskosität zu, die Fließfähigkeit nimmt ab, was die Beschichtungsschwierigkeiten erhöht und zu einem stärkeren Verschleiß der Ausrüstung führt.

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