Quy trình nghiền pin Lithium-ion (1) - cơ chế phân tán và ổn định bột giấy

(a) Các hạt sơ cấp: các hạt của một hạt đơn hoặc tinh thể, được gọi là các hạt sơ cấp;

(b) Ngưng tụ: các hạt sơ cấp liên kết với nhau bằng các mặt, và không thể tách rời nếu không có năng lượng bên ngoài;

(c) Kết tụ: là cụm được hình thành do liên kết điểm và góc giữa các hạt sơ cấp hoặc sự hấp phụ của các hạt nhỏ trên các hạt lớn;

(d) Flocs: cấu trúc lỏng lẻo hơn được hình thành để giảm năng lượng bề mặt do tăng diện tích bề mặt của hệ thống.

Ngoài ra, kết tụ dạng bột có thể được chia thành kết tụ cứng và kết tụ mềm tùy theo sự khác biệt về lực tương tác giữa các hạt trong khối kết tụ và sự khác nhau về phương pháp kết tụ. Sự kết tụ cứng được hình thành bởi các liên kết hóa học mạnh mẽ giữa các hạt và cấu trúc của nó không dễ bị phá hủy trong quá trình chế biến và đúc bột; kết tụ mềm là do các lực yếu hơn như lực van der Waals, lực hút tĩnh điện và lực mao dẫn. Tác động hóa học hoặc áp dụng tác động cơ học để loại bỏ.

Có nhiều lý thuyết khác nhau về cơ chế kết tụ của các hạt bột. Các lý do cho sự kết tụ mềm của bột bao gồm:

Hiệu ứng kích thước: Khi kích thước hạt giảm đến mức nanomet, diện tích bề mặt riêng của hạt tăng lên đáng kể, tỷ lệ nguyên tử bề mặt và các nhóm hoạt động tăng nhanh, các hạt hoạt động va chạm và kết tụ;

Hiệu ứng điện tử bề mặt: sự phối hợp không đầy đủ trên bề mặt của các hạt nano, có một số lượng lớn các khuyết tật tinh thể và các liên kết không bão hòa, và sự tích tụ các điện tích bề mặt làm cho bề mặt của các hạt cực kỳ không ổn định và dễ kết tụ;

Hiệu ứng năng lượng bề mặt: các hạt nano có diện tích bề mặt lớn và năng lượng bề mặt cao ở trạng thái năng lượng không ổn định, dễ bị tập hợp và có xu hướng ở trạng thái ổn định.

Hiệu ứng gần: Khoảng cách giữa các hạt nano nhỏ, lực van der Waals giữa chúng lớn hơn nhiều so với lực hấp dẫn, và các hạt dễ kết tụ nhờ lực hút giữa các phân tử.

Về cơ chế kết tụ hạt cứng, hiện nay vẫn chưa có lý thuyết thống nhất để giải thích điều này, chủ yếu bao gồm các lý thuyết sau:

Thuyết liên kết hóa học: Thuyết liên kết hóa học cho rằng các nhóm hydroxyl không bắc cầu hiện diện trên bề mặt gel là nguồn gốc của sự kết tụ cứng.

Lý thuyết hấp phụ mao quản: Lý thuyết hấp phụ mao quản cho rằng sự kết tụ cứng chủ yếu là do hoạt động của mao quản tạo ra do sự loại trừ các phân tử nước trong quá trình phân tách và làm khô của bột nano.

Thuyết liên kết hydro: Thuyết liên kết hydro tin rằng liên kết hydro là nguyên nhân chính dẫn đến sự kết tụ cứng của các hạt nano.

Thuyết cầu tinh thể: Thuyết cầu tinh thể dựa trên thực tế là bột nano có một hiện tượng hòa tan nhất định trong môi trường phân tán. Một số nguyên tử và nhóm hydroxyl bề mặt hòa tan và kết tủa trong môi trường để tạo thành cầu tinh thể, làm cho các hạt nhỏ gọn hơn.

Lý thuyết khuếch tán nguyên tử bề mặt: Các nguyên tử bề mặt của hạt bột thu được sau khi phân hủy ở nhiệt độ cao có hoạt tính cao, năng lượng tạo ra do phá vỡ liên kết bề mặt cao hơn nhiều so với năng lượng của các nguyên tử bên trong bột, và các nguyên tử bề mặt có thể dễ dàng khuếch tán sang bề mặt của các vật rất nhỏ. Liên kết với các nguyên tử tương ứng, tạo thành liên kết hóa học bền vững, dẫn đến kết tụ cứng.

2. Quy trình vĩ mô và vi mô của quá trình nghiền bột

Mục đích chính của quá trình nghiền pin lithium là phân tán đồng đều các vật liệu hoạt tính, chất dẫn điện, chất kết dính và các chất khác để có được một loại bùn đồng nhất và ổn định cho quá trình phủ mảnh cực. Cấu trúc điện cực lý tưởng được thể hiện trong Hình 3. Các hạt của mỗi thành phần được phân tán đồng đều mà không kết tụ, và các hạt hoạt động tiếp xúc hoàn toàn với chất dẫn điện và chất kết dính để tạo thành một mạng dẫn điện tử và ion tốt. Quá trình vĩ mô của quá trình nghiền bột là sự phân tán và trộn đều các thành phần khác nhau, trong khi quá trình vi mô liên quan đến sự tương tác giữa các hạt và sự hình thành cấu trúc mạng ổn định trong quá trình nghiền bột. Sự phân tán của các hạt trong quá trình nghiền pin lithium bao gồm các bước sau:

Sự thấm ướt của các hạt rắn trong pha lỏng;

Sự kết tụ và phân tán của các hạt rắn kết tụ dưới tác dụng của lực cơ học;

Bùn đã khử phân ly được ổn định để ngăn chặn sự kết tụ lại.

2.1 Làm ướt các hạt bột

Làm ướt là quá trình thêm từ từ bột vào hệ chất lỏng để không khí hoặc các tạp chất khác hấp phụ trên bề mặt của bột được thay thế bằng chất lỏng. Sự thấm ướt của bề mặt vật liệu điện cực chủ yếu được xác định bởi mức độ chênh lệch phân cực giữa bề mặt của pha lỏng và bề mặt của các hạt. Khả năng thấm ướt của bột trong pha lỏng là điều kiện tiên quyết quan trọng cho sự phân tán đồng đều của bột. Sự kết tụ và kết tụ sẽ ảnh hưởng đến sự phân tán và trộn lẫn sau đó. Tính chất thấm ướt của các hạt bột và dung môi thường được đặc trưng bởi góc thấm ướt, có liên quan đến kích thước của lực căng bề mặt chất lỏng-rắn. Theo kích thước của góc thấm ướt, khả năng thấm ướt của bột và dung môi có thể được chia thành bốn cấp: θ = 0, tính ưa nước mạnh; 0 <θ <40 °, tính ưa nước yếu; 40 <θ <90 °, kỵ nước yếu; θ> 90 °, kỵ nước mạnh. Ngoài ra, nhiệt thấm ướt cũng có thể được sử dụng để đặc trưng cho khả năng thấm ướt. Nhiệt thấm ướt càng lớn thì khả năng thấm ướt của bột và dung môi càng tốt.

2.2 Quá trình khử phân tử tổng hợp

Trong quá trình nghiền pin lithium, các hạt kết tụ bị khử phân ly và phân tán dưới tác dụng của lực cắt, lực ly tâm, ứng suất nén, lực quán tính, v.v., và các kết tụ lớn hơn ban đầu bị phá vỡ và phân tán để tạo thành các hạt nhỏ hơn. Quá trình khử kết tụ của các hạt kết tụ có thể được hoàn thiện thêm thành ba giai đoạn: xói mòn, vỡ và vỡ. Xói mòn thường xảy ra trong giai đoạn khuấy năng lượng thấp, khi các mảnh hạt mịn rơi ra khỏi bề mặt của khối kết tụ dưới lực cắt; với sự gia tăng của cường độ và thời gian khuấy, các khối kết tụ lớn ban đầu phân hủy thành các cụm nhỏ hơn, giai đoạn này để phá vỡ; cường độ khuấy tăng liên tục, các khối kết tụ lớn nhanh chóng bị ngưng kết thành các tập hợp hạt mịn, và quá trình này được gọi là quá trình nghiền thành bột. Theo sự khác nhau của cường độ khuấy cơ học, ba quá trình có thể được thực hiện dần dần hoặc đồng thời.

2.3 Ổn định bùn

Sau khi bùn được phân tán, cần ngăn chặn các hạt vật chất kết tụ trở lại, do đó, việc duy trì sự ổn định phân tán của bùn trong quá trình nghiền là rất quan trọng. Việc bùn có kết tụ lại sau khi phân tán hay không liên quan chặt chẽ đến lực tương tác giữa các hạt. Hiện nay, các mô hình lý thuyết khác nhau đã xuất hiện về cơ chế ổn định phân tán của bùn, như trong Hình 8, chủ yếu bao gồm cơ chế ổn định tương tác tĩnh điện và cơ chế ổn định cản trở của thép. , Cơ chế ổn định cản trở tĩnh điện. Cơ sở lý thuyết của các cơ chế khác nhau liên quan trực tiếp đến lực tương tác giữa các hạt. Lực tương tác giữa các hạt bùn trong pin lithium được phân tích và tóm tắt dưới đây.

3. Tương tác giữa các hạt trong bùn

Có nhiều lực tương tác khác nhau giữa mỗi hạt thành phần trong bùn pin lithium, bao gồm lực van der Waals, lực đẩy tĩnh điện, lực cản của thép, lực trống, lực hydrat hóa, v.v. Kích thước của lực tương tác giữa các hạt quyết định liệu chúng có kết tụ hay không.