了解漿料制備過程中的物料混合階段的狀態(tài)

編者按

漿料制備過程中，需要注意的主要有兩方面：一方面是將最初的物料分散均勻；另一方面是阻止原材料之間相互作用而引起的二次團聚。

鋰電池極片厚度一般為40-200μm左右，其中極片厚度根據(jù)電池種類（高能量、高功率等）的不同而變化。如果想要鋰電池具有好的電化學(xué)性能，極片必須要前中后厚度一致，且表面平滑，沒有缺陷。在排除涂布工藝的條件下，漿料制備是決定其質(zhì)量好壞的關(guān)鍵程序。好的鋰電池漿料粘度穩(wěn)定不易發(fā)生變化，顆粒粒徑小，涂布干燥后無明顯顆粒感，無氣泡等異物。那么，漿料制備過程中，需要注意的主要有兩方面：一方面是將最初的物料分散均勻；另一方面是阻止原材料之間相互作用而引起的二次團聚。所以，攪拌過程的目的就是要把原始狀態(tài)的物料分散、混合均勻，同時也要防止顆粒間再次團聚。

鋰電池極片分為正極極片、負極極片，兩種極片所用活物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、溶劑等隨電池體系不同而不同。將這樣一個復(fù)雜的多相體系混合成均一性良好的懸浮漿料需要較多的實操經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)。物料的粒徑越小，形狀越怪就越難以分散，特別是導(dǎo)電劑炭黑，經(jīng)常在攪拌過程中二次團聚成大塊，不僅沒有起到良好的導(dǎo)電作用，還會影響電池的比能量。炭黑不僅可以用于鋰電池還可用于塑料、高分子等行業(yè)，所以關(guān)于炭黑的分散研究很多。根據(jù)目前的研究報告，團聚物的分散可以有以下幾種方式：

左邊第一種分散情況(erosion)發(fā)生在較弱機械力作用下，此時物料隨著機械力發(fā)生流動，形成大小不一的顆粒團聚體。在此過程中，小碎片的物料逐漸從大團聚物上剝離下來，形成了二次顆粒。當(dāng)外在機械力超過一定的臨界值時，顆粒的破碎（rupture）就會突然發(fā)生，如上圖中間所示。如果機械能量高達一定程度，和時間的延長，顆粒間會發(fā)生繼續(xù)破碎，不過這種現(xiàn)象出現(xiàn)概率較低。

在鋰電池漿料制備過程中，材料間的接觸形式可能有上圖中所示三種狀態(tài)。首先炭黑的結(jié)構(gòu)不容易被改變，且其分布比較均勻，以structure1存在。隨著機械攪拌的進行，導(dǎo)電劑的解聚和分散會同時發(fā)生，最后導(dǎo)電劑完全包覆在活物質(zhì)表面。

從原材料顆粒間單獨存在到變成混合均勻的物質(zhì)是一個很重要的過程。整個過程可以分為固體粉末態(tài)（I）、混合潤濕態(tài)（II）以及最后形成的懸浮態(tài)(III)。其過程控制如下圖所示。

在此過程中每一階段的特征、優(yōu)勢及劣勢如下表所示：

在干混階段，設(shè)備的輸入能量大小、機械力大小以及活物質(zhì)的顆粒大小都影響著導(dǎo)電劑的分散。此外，物料的團聚受空氣濕度影響很大。

潤濕狀態(tài)是由固體粉末中第一次加入溶劑開始的，潤濕程度取決于粉料對液體的飽和程度以及粘附和應(yīng)力狀態(tài)。在此過程中，不斷發(fā)生著分散和團聚，同時改變著混合料的混合狀態(tài)。當(dāng)凝膠點或完全飽和狀態(tài)達到之后，不再有大的力量輸入同時顆粒間的相互作用力也降低了，隨后就可以稀釋將其降到想要達到的固含量。在稀釋懸浮液階段，涉及到了漿料的流體力學(xué)和剪切力，流體流動條件下，攪拌機對顆粒施加的剪切力促使物料處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

不同的加工控制過程對物質(zhì)原材料施加的力不同，會造成顆粒的分散均勻程度，尤其是對于炭黑導(dǎo)電劑來說，變化的應(yīng)力強度對極片的電子傳導(dǎo)率、電池容量、電流密度均勻很大影響，故了解漿料制備過程中的物料混合階段的狀態(tài)是非常必要的。