Процес пульпування літій-іонної батареї (1) - механізм диспергування та стабілізації пульпи
Відповідно до різних станів речовини фазові стани речовини зазвичай можна розділити на твердий, рідкий і газоподібний стани. Крім того, між твердим і рідким станами існує ще один особливий стан речовини. Лауреат Нобелівської премії П'єр-Жиль де Жен Такі речовини називають «м'якими речовинами». До м’яких речовин в основному відносяться полімери, рідкі кристали, поверхнево-активні речовини, колоїди, емульсії, піни, суспензії та біологічні макромолекули. М’які речовини, такі як колоїди та суспензії, також широко вивчаються та застосовуються в повсякденному житті. Дисперсійна система відноситься до однієї або кількох речовин, диспергованих в іншій речовині. Речовина називається дисперсійним середовищем. Відповідно до розміру частинок дисперсної фази її можна розділити на молекулярну дисперсійну систему (радіус частинок <1 нм), колоїдна дисперсійна система (1 нм<радіус частинок<100нм) і суспензія (радіус частинок>100нм). Суспензія літієвої батареї в основному складається з активного матеріалу, провідного агента, сполучного та розчинника. Його дисперсна фаза складається з частинок різного розміру, форми та щільності. Відповідне дисперсійне середовище поділяється на масляний розчинник NMP (часто використовується як суспензія позитивного електрода). живильний розчинник) і водний розчинник, деіонізована вода (часто використовується як розчинник для анодної суспензії). Тому суспензія літієвої батареї також є різновидом суспензії, як осад, фарба та керамічна суспензія. У підготовці полюсних наконечників літієвої батареї процес виробництва целюлози є початковим процесом, і якість і стабільність процесу отриманої целюлози матимуть значний вплив на весь виробничий процес. тому досліджено та проаналізовано дисперсію та стабільність пульпи під час варіння целюлози. Хімічний механізм є теоретичною гарантією отримання суспензії з високою дисперсністю, однорідним складом і стабільною продуктивністю.
1. Агломерація порошку
Порошкові матеріали, задіяні в процесі варіння целюлози літієвої батареї, в основному включають мікронні активні частинки та нанорозмірні провідні речовини. Сполучна речовина зазвичай попередньо перемішується для отримання сполучного клею. На різних етапах підготовки порошкового матеріалу, сушіння та подальшої обробки легко утворювати агломерати з декількома сполучними поверхнями між частинками. За розміром агломерації частинок їх можна розділити на первинні частинки, агломерати, агломерати та флокули.
Рис.1 Різні агрегатні стани частинок порошку
(a) Первинні частинки: частинки окремої частинки або кристала, які називаються первинними частинками;
(b) Конденсат: первинні частинки з’єднані гранями і не можуть бути розділені без зовнішньої енергії;
(c) Агломерат: відноситься до кластерів, утворених точковим і кутовим з’єднанням між первинними частинками або адсорбцією малих частинок на великих частинках;
(d) Флокули: більш пухкі структури, утворені з метою зменшення поверхневої енергії через збільшення площі поверхні системи.
Крім того, порошкові агломерати можна розділити на тверді та м’які агломерати відповідно до різниці в силі взаємодії між частинками в агломератах і відмінностей у методах агломерації. Тверда агломерація утворюється міцними хімічними зв'язками між частинками, і її структуру нелегко зруйнувати під час обробки та формування порошку; м’яка агломерація спричинена слабшими силами, такими як сила Ван-дер-Ваальса, електростатичне притягання та капілярна сила. Хімічна дія або застосування механічної дії для усунення.
Існують різні теорії щодо механізму агломерації частинок порошку. Причини м'якої агломерації порошку включають:
Ефект розміру: коли розмір частинок зменшується до нанометрового рівня, питома поверхня частинки значно збільшується, поверхневе атомне співвідношення та активні групи швидко збільшуються, активні частинки стикаються та агломерують;
Поверхневий електронний ефект: недостатня координація на поверхні наночастинок, є велика кількість кристалічних дефектів і ненасичених зв’язків, а накопичення поверхневих зарядів робить поверхню частинок надзвичайно нестабільною та легкою для агломерації;
Ефект поверхневої енергії: наночастинки з великою площею поверхні та високою поверхневою енергією знаходяться в нестабільному стані енергії, схильні до агрегації та мають тенденцію перебувати в стабільному стані.
Ефект близькості: відстань між наночастинками невелика, сила Ван-дер-Ваальса між ними набагато більша за силу тяжіння, і частинки легко агломерувати через міжмолекулярне притягання.
Що стосується механізму твердої агломерації частинок, на даний момент не існує єдиної теорії, яка б це пояснила, в основному включаючи такі теорії:
Теорія хімічного зв’язку: Теорія хімічного зв’язку стверджує, що немостикові гідроксильні групи, присутні на поверхні гелю, є джерелом твердої агломерації.
Теорія капілярної адсорбції: Теорія капілярної адсорбції вважає, що тверда агломерація в основному спричинена капілярною дією, що виникає внаслідок виключення молекул води під час процесу розділення та сушіння нанопорошку.
Теорія водневих зв’язків. Теорія водневих зв’язків вважає, що водневі зв’язки є основною причиною жорсткої агломерації наночастинок.
Теорія кристалічного містка: теорія кристалічного містка базується на тому факті, що нанопорошок має певне явище розчинення в дисперсійному середовищі. Деякі атоми та поверхневі гідроксильні групи розчиняються та випадають в осад у середовищі, утворюючи кристалічний місток, що робить частинки більш компактними.
Теорія поверхневої атомної дифузії: Поверхневі атоми частинок порошку, отримані після високотемпературного розкладання, мають високу активність, енергія, що утворюється при розриві поверхневих зв’язків, набагато вища, ніж енергія атомів усередині порошку, і поверхневі атоми можуть легко дифундувати до поверхні сусідніх частинки. Зв’язується з відповідними атомами, утворюючи міцні хімічні зв’язки, що призводить до твердих агломерацій.
2. Макро- та мікропроцес варіння целюлози
Основна мета процесу виготовлення пульпи літієвої батареї полягає в рівномірному диспергуванні активних матеріалів, провідних агентів, зв’язуючих та інших речовин для отримання однорідної та стабільної суспензії для процесу нанесення покриття на полюс. Ідеальна структура електрода показана на малюнку 3. Частинки кожного компонента рівномірно дисперговані без агломерації, а активні частинки знаходяться в повному контакті з провідним агентом і сполучною речовиною, утворюючи хорошу електронну та іонну провідну мережу. Макроскопічний процес целюлозного процесу — це дисперсія та рівномірне змішування різних компонентів, тоді як мікроскопічний процес включає взаємодію між частинками та утворення стабілізуючої мережевої структури під час целюлозного процесу. Дисперсія частинок у целюлозі літієвої батареї включає наступні етапи:
Змочування твердих частинок у рідкій фазі;
Деагломерація та диспергування агломератів твердих частинок під дією механічної сили;
Деполімеризовану суспензію стабілізують для запобігання повторній агломерації.
2.1 Змочування частинок порошку
Змочування - це процес повільного додавання порошку в рідку систему таким чином, щоб повітря або інші домішки, адсорбовані на поверхні порошку, замінювалися рідиною. Змочування поверхні матеріалу електрода в основному визначається ступенем різниці полярності між поверхнею рідкої фази та поверхнею частинок. Змочуваність порошку в рідкій фазі є важливою передумовою для рівномірного диспергування порошку. Агломерація та агломерація впливатимуть на подальшу дисперсію та змішування. Властивості змочування частинок порошку та розчинників зазвичай характеризуються кутом змочування, який пов’язаний з розміром межфазного натягу тверда речовина-рідина. Відповідно до величини кута змочування змочуваність порошку та розчинника можна розділити на чотири ступені: θ=0, сильна гідрофільність; 0<θ<40°, слабка гідрофільність; 40<θ<90°, слабка гідрофобність; θ>90°, сильна гідрофобність. Крім того, тепло змочування також можна використовувати для характеристики змочуваності. Чим більше теплота змочування, тим краще змочуваність порошку та розчинника.
2.2 Деполімеризація агрегатів
Під час виробництва целюлозної маси літієвої батареї агломерати частинок деполімеризуються та диспергуються під дією сили зсуву, відцентрової сили, напруги стиску, сили інерції тощо, а спочатку більші агломерати розбиваються та диспергуються з утворенням менших частинок. Процес деагломерації частинок агломерату можна далі розділити на три стадії: ерозію, розрив і роздроблення. Ерозія зазвичай відбувається на стадії низькоенергетичного перемішування, коли дрібні фрагменти частинок відпадають від поверхні агломератів під дією сили зсуву; зі збільшенням інтенсивності перемішування та часу, спочатку великі агломерати розпадаються на менші кластери, ця стадія для того, щоб розбити; інтенсивність перемішування постійно зростає, великі агломерати швидко дезагрегуються на дрібні агрегати частинок, і цей процес називається пульверизацією. Відповідно до різниці інтенсивності механічного перемішування, три процеси можуть проводитися поступово або одночасно.
2.3 Стабілізація шламу
Після диспергування суспензії необхідно запобігти повторній агломерації твердих частинок, тому дуже важливо підтримувати стабільність дисперсії суспензії під час процесу целюлозної обробки. Те, чи буде суспензія повторно агломерована після диспергування, тісно пов’язане із силою взаємодії між частинками. На даний момент з’явилися різні теоретичні моделі щодо механізму стабілізації дисперсії суспензії, як показано на малюнку 8, головним чином включаючи механізм стабілізації електростатичної взаємодії та механізм стабілізації стеричних перешкод. , Механізм стабілізації електростатичних стеричних перешкод. Теоретичні основи різних механізмів безпосередньо пов'язані із силою взаємодії між частинками. Сила взаємодії між частинками суспензії літієвої батареї проаналізована та підсумована нижче.
3. Взаємодія між частинками в суспензії
Існують різні сили взаємодії між кожною частинкою компонента суспензії літієвої батареї, включаючи силу Ван-дер-Ваальса, силу електростатичного відштовхування, стеричний опір, силу вакансії, силу гідратації тощо. Розмір сили взаємодії між частинками визначає, чи вони агломерують.
