Quá trình nghiền pin lithium-ion (2) - cơ chế phân tán và ổn định bột giấy

3.1 Lực Van der Waals

Theo lý thuyết London, khi các electron sóng được phân bố xung quanh một nguyên tử hoặc phân tử, một lưỡng cực tạm thời được tạo ra. Lưỡng cực tạm thời này làm cho các nguyên tử hoặc phân tử lân cận tạo ra lưỡng cực và gây ra lực hút van der Waals giữa hai nguyên tử hoặc phân tử trung hòa. Lưỡng cực tạo thành luôn hút hai nguyên tử vào nhau. Lực hút van der Waals là tổng của các lực phân tán, cảm ứng và định hướng, và độ lớn của nó tỷ lệ nghịch với lũy thừa thứ sáu của khoảng cách giữa các hạt. Thế năng hấp dẫn giữa hai hạt hình cầu đặt gần nhau trong chân không là:


3.2 Lực tĩnh điện

Nếu chỉ có lực hút van der Waals giữa các hạt, các hạt phải được kết tụ và kết tủa, và có thể tránh được lực đẩy tĩnh điện bằng cách tích điện trên bề mặt của các hạt để tránh sự kết tụ và kết tủa giữa các hạt. Trong bùn thực tế, bề mặt hạt sẽ tích điện do quá trình tự phân ly, thay thế mạng tinh thể hoặc xóa mạng tinh thể, hấp phụ, ... Do sự tồn tại của các điện tích bề mặt trên các hạt, các hạt mang điện hấp phụ chặt chẽ một số ion phản tín hiệu thông qua Coulomb. và các lực hấp dẫn khác, tạo thành một lớp nén. Trong phạm vi bên ngoài lớp nén, các ion âm và dương trong dung dịch thể hiện sự phân bố vị trí nhất định dưới hai tác dụng ngược nhau của lực đẩy tĩnh điện và chuyển động nhiệt, và phạm vi này được gọi là lớp khuếch tán. Mặt phân cách giữa lớp dày đặc và lớp khuếch tán được gọi là lớp Stern, lớp này tạo thành lớp điện kép. Hiệu điện thế giữa bề mặt của các hạt trong bùn so với thể dung môi được gọi là thế bề mặt ϕo, hiệu điện thế giữa lớp Stern và lớp khuếch tán là thế Stern ϕs, thế zeta là thế điện động hay Zeta thế, và độ dày của lớp Stern Thường được ký hiệu là δ.

Khi hạt vật chất di chuyển trong dung môi, thế zeta ζ cùng dấu làm cho các hạt đẩy nhau, điều này có thể ngăn ngừa sự kết tụ và giữ cho các hạt ở trạng thái phân tán. Lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt có liên quan đến khoảng cách của chúng. Khi các lớp khuếch tán của các hạt liền kề không chồng lên nhau thì không có lực đẩy. Khi các hạt ở gần nhau và phủ lên các lớp khuếch tán bề mặt, một lực đẩy tĩnh điện mạnh được hình thành.

Đối với hai hạt hình cầu có cùng kích thước và cùng thế năng bề mặt thì thế năng đẩy tĩnh điện sinh ra giữa hai hạt (như hình 11, thế năng đẩy tĩnh điện thay đổi theo khoảng cách giữa các hạt) UR là:

Có thể thấy rằng khi thế Zeta của các hạt trong bùn lớn nhất thì lớp điện kép của các hạt thể hiện lực đẩy cực đại, do đó các hạt bị phân tán; khi thế Zeta của các hạt bằng 0 (tức là điểm đẳng điện IEP) thì lực hút giữa các hạt lớn hơn lớp kép của các hạt. Lực đẩy giữa các lớp điện làm cho các hạt kết tụ và lắng xuống.

3.3 Lực cản steric Một lượng hợp chất polyme chưa tích điện nhất định được thêm vào bùn để làm cho nó hấp thụ xung quanh các hạt để tạo thành một lớp cản thép dày hơn, do đó lực đẩy steric được tạo ra giữa các hạt. Sự hấp phụ của các hợp chất polyme trên bề mặt hạt có thể được chia thành ba loại: loại nằm ngang, loại vòng và loại đuôi.

Ngoài ra, có hai tình huống xảy ra khi các vật chất hạt hấp phụ polyme cao phân tử ở gần nhau:
(1) Lớp hấp phụ bị nén mà không có sự xâm nhập lẫn nhau;
(2) Xảy ra sự xen vào và chồng lên nhau của các lớp hấp phụ.

Kích thước của thế năng cản trở steric giữa hai hạt là:

3.4 Lực solvat hóa Khi bề mặt hạt hấp phụ các chất hữu cơ hoặc các cation có chứa nhóm ưa nước, bề mặt hạt sẽ hình thành hiệu ứng solvat hóa. Lúc này nếu các hạt ở gần nhau thì giữa chúng sẽ xảy ra lực đẩy mạnh. được gọi là năng lượng solvat hóa. Năng lượng solvat hóa của các hạt hình cầu có bán kính lần lượt là R1 và R2 có thể được biểu thị bằng:

3.5 Lực cắt cơ học Trong quá trình chuẩn bị bùn pin lithium, thông qua khuấy cơ học mạnh, các hạt vật chất trong bùn va chạm và ép với nhau, đồng thời, lực cắt của dòng chất lỏng sẽ phá vỡ và phân tán các hạt lớn đã kết tụ. Nguyên nhân trực tiếp dẫn đến sự phân tán và tan rã của cốt liệu là do tác dụng của ứng suất cắt và áp suất, ứng suất cắt đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình phân tán.

4. Cơ chế ổn định bùn pin Lithium

Mối quan hệ giữa năng lượng van der Waals, năng lượng đẩy tĩnh điện, năng lượng solvat hóa và năng lượng cản trở steric giữa các hạt trong bùn là yếu tố chính xác định độ ổn định phân tán của bùn điện cực pin lithium. Tiêu chí lý thuyết cho sự phân tán và kết tụ của bùn có thể được biểu thị bằng công thức sau:

Khi năng lượng hút lẫn nhau giữa các hạt trong bùn nhỏ hơn năng lượng đẩy, nó là một trạng thái phân tán ổn định; nếu không, bùn sẽ kết tụ. Bùn pin lithium thuộc hệ phân tán huyền phù, và cơ chế ổn định phân tán của bùn có thể được giải thích bằng cách đề cập đến cơ chế ổn định của chất keo. Trong hệ thống phân tán keo, các cơ chế ổn định được sử dụng rộng rãi bao gồm lý thuyết DLVO (lý thuyết ổn định tĩnh điện hoặc cơ chế ổn định lớp điện hai lớp), cơ chế ổn định steric và cơ chế ổn định tĩnh điện.

4.1 Lý thuyết DLVO

Lý thuyết DLVO là một lý thuyết được phát triển bởi Deriaguin, Landon, Verwey và Overbeek vào những năm 1940 để nghiên cứu sự ổn định của các hạt keo tích điện. Mối quan hệ giữa điện tích tích và độ bền của hệ keo còn được gọi là thuyết lực đẩy hai lớp điện. Lý thuyết DLVO cho rằng liệu sol tồn tại ổn định hay kết tụ trong những điều kiện nhất định phụ thuộc vào sự cạnh tranh giữa lực hút lẫn nhau và lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt. Nếu lực đẩy lớn hơn lực hút thì sol bền; Đường cong thế năng tương tác giữa hai hạt mang điện, khi các hạt ở xa nhau, không có tương tác giữa các hạt và VT bằng không; khi các hạt bắt đầu tiến lại gần nhau, thế năng hấp dẫn van der Waals VvaW tăng lên nhanh chóng, còn điện thế đẩy hai lớp Vdl tăng Tương đối chậm, lúc này tổng thế năng của z là âm; khi các hạt tiếp tục đến gần, đường cong thế năng đẩy của lớp điện kép tăng mạnh, và tổng thế năng tăng lên một giá trị dương. Khi hai hạt ở gần nhau một khoảng nào đó thì tổng thế năng đạt giá trị cực đại, gọi là "thế năng". Chiều cao của hàng rào thế năng được coi là năng lượng hoạt hóa cần phải vượt qua để các hạt bám dính. Khi năng lượng hạt đủ cao để vượt qua rào cản lực đẩy, nó làm cho các hạt nano va chạm với nhau và kết tụ. Mặc dù lý thuyết DLVO bỏ qua lực cản của steric được hình thành do sự hấp phụ của các polyme phân tử cao, lý thuyết này giải thích thành công hoạt động ổn định của huyền phù loãng. Ngoài ra, theo lý thuyết này, bằng cách điều chỉnh giá trị pH của bùn và thêm chất điện ly, điện tích kép trên bề mặt có thể được tăng lên. Độ dày lớp và thế zeta có thể làm tăng rào cản giữa các hạt, do đó cải thiện độ ổn định phân tán của bùn. Các chất phân tán thường được sử dụng để ổn định tĩnh điện nói chung là các chất điện phân có trọng lượng phân tử nhỏ và điện tích ion cao, chẳng hạn như natri pyrophosphat, natri hexametaphosphat và xitrat. bằng cách điều chỉnh giá trị pH của bùn và thêm chất điện phân, điện tích kép trên bề mặt có thể được tăng lên. Độ dày lớp và thế zeta có thể làm tăng rào cản giữa các hạt, do đó cải thiện độ ổn định phân tán của bùn. Các chất phân tán thường được sử dụng để ổn định tĩnh điện nói chung là các chất điện phân có trọng lượng phân tử nhỏ và điện tích ion cao, chẳng hạn như natri pyrophosphat, natri hexametaphosphat và xitrat. bằng cách điều chỉnh giá trị pH của bùn và thêm chất điện phân, điện tích kép trên bề mặt có thể được tăng lên. Độ dày lớp và thế zeta có thể làm tăng rào cản giữa các hạt, do đó cải thiện độ ổn định phân tán của bùn. Các chất phân tán thường được sử dụng để ổn định tĩnh điện nói chung là các chất điện phân có trọng lượng phân tử nhỏ và điện tích ion cao, chẳng hạn như natri pyrophosphat, natri hexametaphosphat và xitrat.

4.2 Cơ chế ổn định lực cản của Steric

Khi sử dụng lý thuyết DLVO để giải thích cơ chế ổn định giữa các hạt, lực cản của steric tạo ra bởi vật liệu polyme được bỏ qua và đường cong tổng thế năng tương ứng với lực đẩy steric được xem xét. Có thể thấy rằng sự tồn tại của cản trở steric làm thay đổi đáng kể đường cong tổng thế năng giữa các hạt, và thế cản steric làm tăng rào cản năng lượng cần phải vượt qua đối với sự tập hợp hạt, có lợi cho sự ổn định lâu dài của bùn. Các chất phân tán hoàn toàn bị cản trở về mặt thép là các polyme không ion có trọng lượng phân tử cao, chẳng hạn như gôm arabic, gelatin, gôm đào, cacboxymetyl xenluloza, rượu polyvinyl, polyetylen glycol, dầu cá trích, v.v.

4.3 Cơ chế ổn định cản trở tĩnh điện

Một lượng polyelectrolyte nhất định được thêm vào bùn để làm cho bề mặt của các hạt hấp phụ polyelectrolyte. Tại thời điểm này, polyelectrolyte không chỉ có thể đẩy các hạt xung quanh thông qua điện tích của chính nó, mà còn ngăn các hạt xung quanh tiếp cận thông qua hiệu ứng cản trở của nó. Hiệu ứng kết hợp của cả hai có thể đạt được hiệu quả của sự phân tán ổn định hỗn hợp (như thể hiện trong Hình 18). Các chất phân tán cản trở thép tĩnh điện thường được sử dụng là ammonium polyacrylate, sodium polyacrylate, sodium alginate, ammonium alginate, sodium lignosulfonate, sodium Petroleum sulfonate, amoni polyacrylate, amoni acrylate thủy phân, phosphate este, ethoxylate, v.v.

5. Tóm tắt

Bùn pin Lithium là một hệ thống treo hỗn hợp nhiều pha và có nhiều tương tác khác nhau giữa các hạt vật chất trong bùn, bao gồm lực hút van der Waals, lực đẩy tĩnh điện và cản trở của thép. Việc các hạt trong bùn phân tán đồng đều hay kết tụ lại liên quan chặt chẽ đến tổng thế năng giữa các hạt. Để đạt được sự phân tán đồng đều của từng thành phần của bùn, cần phải tăng kích thước của hàng rào thế năng giữa các hạt và giảm chuyển động Brown của các hạt để vượt qua hàng rào thế năng và kết tụ. Xem xét hướng cải thiện lực đẩy của các hạt bùn, các chiến lược để cải thiện tính đồng nhất phân tán của bùn pin lithium bao gồm:

Cải thiện độ bền phân tán cơ học, khi lực cắt cơ học tăng lên, các hạt kết tụ được khử phân tán và phân tán hoàn toàn;
Điều chỉnh và kiểm soát giá trị pH của bùn hoặc thêm chất điện phân vô cơ để tăng thế Zeta của bề mặt hạt và cải thiện lực đẩy tĩnh điện;
Thêm chất phân tán hoặc chất hoạt động bề mặt để cải thiện độ bền của cản trở steric bằng cách hấp phụ bề mặt các hợp chất polyme.