Processo de polpação com bateria de íons de lítio (1) - mecanismo de dispersão e estabilização da polpa
De acordo com os diferentes estados da matéria, os estados de fase da matéria geralmente podem ser divididos em estados sólido, líquido e gasoso. Além disso, há outro estado especial da matéria entre os estados sólido e líquido. O vencedor do Prêmio Nobel Pierre-Gilles de Gennes Essas substâncias são chamadas de 'substâncias moles'. Substâncias moles incluem principalmente polímeros, cristais líquidos, surfactantes, colóides, emulsões, espumas, suspensões e macromoléculas biológicas. Substâncias moles como colóides e suspensões também são sistemas de dispersão amplamente estudados e aplicados na vida cotidiana. Sistema de dispersão refere-se a uma ou várias substâncias dispersas em outra substância. A substância é chamada de meio de dispersão. De acordo com o tamanho de partícula da fase dispersa, pode ser dividido em sistema de dispersão molecular (raio da partícula <1 nm), sistema de dispersão coloidal (1nm<raio da partícula<100nm) e suspensão (raio da partícula>100nm). A pasta da bateria de lítio é composta principalmente de material ativo, agente condutor, aglutinante e solvente. Sua fase dispersa é composta por partículas com diferentes tamanhos, formas e densidades de partículas. O meio de dispersão correspondente é dividido em solvente oleoso NMP (frequentemente usado como pasta de eletrodo positivo). solvente de alimentação) e água desionizada de solvente aquoso (frequentemente usado como solvente de pasta de ânodo). Portanto, a pasta da bateria de lítio também é um tipo de suspensão como sedimento, tinta e pasta cerâmica. Na preparação dos pólos da bateria de lítio, o processo de polpação é o processo de ponta, e a qualidade e a estabilidade do processo da polpa obtida terão um impacto significativo em todo o processo de produção. Portanto, a dispersão e a estabilidade da polpa durante o processo de polpação são estudadas e analisadas. O mecanismo químico é a garantia teórica para a obtenção de uma pasta com alta dispersão, composição uniforme e desempenho estável.
1. Aglomeração de pó
Os materiais em pó envolvidos no processo de polpação da bateria de lítio incluem principalmente partículas ativas em microescala e agentes condutores em nanoescala. O aglutinante geralmente é pré-agitado para obter uma cola de aglutinante. Em diferentes etapas de preparação, secagem e pós-processamento do material em pó, é fácil formar aglomerados com várias interfaces de conexão entre as partículas. De acordo com o tamanho de aglomeração das partículas, elas podem ser divididas em partículas primárias, aglomerados, aglomerados e flocos.
Fig.1 Diferentes estados de agregação de partículas de pó
(a) Partículas primárias: partículas de uma única partícula ou cristal, denominadas partículas primárias;
(b) Condensado: as partículas primárias são conectadas por faces e não podem ser separadas sem energia externa;
(c) Aglomerado: refere-se aos aglomerados formados pela ligação pontual e angular entre partículas primárias ou pela adsorção de partículas pequenas em partículas grandes;
(d) Flocos: estruturas mais soltas formadas para reduzir a energia superficial devido ao aumento da área superficial do sistema.
Além disso, os aglomerados de pó podem ser divididos em aglomerados duros e aglomerados macios de acordo com a diferença na força de interação entre as partículas nos aglomerados e as diferenças nos métodos de aglomeração. A aglomeração dura é formada por fortes ligações químicas entre as partículas, e sua estrutura não é facilmente destruída durante o processamento e moldagem do pó; A aglomeração suave é causada por forças mais fracas, como força de van der Waals, atração eletrostática e força capilar. Ação química ou a aplicação de ação mecânica para eliminar.
Existem diferentes teorias sobre o mecanismo de aglomeração de partículas de pó. As razões para a aglomeração suave de pó incluem:
Efeito de tamanho: À medida que o tamanho da partícula diminui para o nível nanométrico, a área de superfície específica da partícula aumenta significativamente, a proporção atômica da superfície e os grupos ativos aumentam rapidamente, e as partículas ativas colidem e se aglomeram;
Efeito eletrônico de superfície: coordenação insuficiente na superfície das nanopartículas, há um grande número de defeitos cristalinos e ligações insaturadas, e o acúmulo de cargas superficiais torna a superfície das partículas extremamente instável e fácil de aglomerar;
Efeito da energia de superfície: nanopartículas com grande área de superfície e alta energia de superfície estão em um estado instável de energia, e são propensas à agregação e tendem a estar em um estado estável.
Efeito de proximidade: A distância entre as nanopartículas é pequena, a força de van der Waals entre elas é muito maior que a gravidade, e as partículas são fáceis de aglomerar através da atração intermolecular.
Em relação ao mecanismo de aglomeração de partículas duras, atualmente não existe uma teoria unificada para explicar isso, incluindo principalmente as seguintes teorias:
Teoria da ligação química: A teoria da ligação química sustenta que os grupos hidroxila sem ponte presentes na superfície do gel são a fonte de aglomeração dura.
Teoria da adsorção capilar: A teoria da adsorção capilar acredita que a aglomeração dura é causada principalmente pela ação capilar gerada pela exclusão de moléculas de água durante o processo de separação e secagem do nanopó.
Teoria da ligação de hidrogênio: A teoria da ligação de hidrogênio acredita que a ligação de hidrogênio é a principal razão para a aglomeração dura de nanopartículas.
Teoria da ponte de cristal: A teoria da ponte de cristal é baseada no fato de que o nano pó tem um certo fenômeno de dissolução no meio de dispersão. Alguns átomos e grupos hidroxila de superfície se dissolvem e precipitam no meio para formar uma ponte cristalina, o que torna as partículas mais compactas.
Teoria da difusão atômica da superfície: Os átomos da superfície das partículas de pó obtidas após a decomposição em alta temperatura têm alta atividade, a energia gerada pela quebra da ligação da superfície é muito maior do que a energia dos átomos dentro do pó, e os átomos da superfície podem se difundir facilmente para a superfície adjacente. partículas. Liga-se aos átomos correspondentes, formando fortes ligações químicas, resultando em aglomerações duras.
2. Macro e microprocesso de polpação
O principal objetivo do processo de polpação de bateria de lítio é dispersar uniformemente os materiais ativos, agentes condutores, aglutinantes e outras substâncias para obter uma pasta uniforme e estável para o processo de revestimento da peça polar. A estrutura ideal do eletrodo é mostrada na Figura 3. As partículas de cada componente são dispersas uniformemente sem aglomeração, e as partículas ativas estão em contato total com o agente condutor e o ligante para formar uma boa rede condutora eletrônica e iônica. O processo macroscópico do processo de polpação é a dispersão e mistura uniforme de diferentes componentes, enquanto o processo microscópico envolve a interação entre as partículas e a formação de uma estrutura de rede estabilizadora durante o processo de polpação. A dispersão de partículas na polpação de bateria de lítio inclui as seguintes etapas:
Umedecimento de partículas sólidas em fase líquida;
Desaglomeração e dispersão de aglomerados de partículas sólidas sob ação de força mecânica;
A pasta despolimerizada é estabilizada para evitar a reaglomeração.
2.1 Umedecimento de partículas de pó
A molhagem é o processo de adição lenta de pó ao sistema líquido para que o ar ou outras impurezas adsorvidas na superfície do pó sejam substituídas por líquido. A molhabilidade da superfície do material do eletrodo é determinada principalmente pelo grau de diferença de polaridade entre a superfície da fase líquida e a superfície das partículas. A molhabilidade do pó na fase líquida é um pré-requisito importante para a dispersão uniforme do pó. A aglomeração e a aglomeração afetarão a dispersão e a mistura subsequentes. As propriedades de umectação de partículas de pó e solventes são geralmente caracterizadas pelo ângulo de umedecimento, que está relacionado ao tamanho da tensão interfacial sólido-líquido. De acordo com o tamanho do ângulo de molhabilidade, a molhabilidade do pó e do solvente pode ser dividida em quatro graus: θ=0, forte hidrofilicidade; 0<θ<40°, hidrofilicidade fraca; 40<θ<90°, hidrofobicidade fraca; θ>90°, hidrofobicidade forte. Além disso, o calor de molhabilidade também pode ser usado para caracterizar a molhabilidade. Quanto maior o calor de molhagem, melhor a molhabilidade do pó e do solvente.
2.2 Despolimerização de agregados
Durante o processo de polpação da bateria de lítio, os aglomerados de partículas são despolimerizados e dispersos sob a ação da força de cisalhamento, força centrífuga, tensão compressiva, força inercial, etc., e os aglomerados inicialmente maiores são quebrados e dispersos para formar partículas menores. O processo de desaglomeração de partículas de aglomerado pode ser refinado em três etapas: erosão, ruptura e estilhaçamento. A erosão geralmente ocorre durante o estágio de agitação de baixa energia, quando fragmentos de partículas finas caem da superfície dos aglomerados sob força de cisalhamento; com o aumento da intensidade e do tempo de agitação, os aglomerados inicialmente grandes se desfazem em aglomerados menores, nesta fase de forma a se romper; a intensidade de agitação aumenta continuamente, os grandes aglomerados são rapidamente desagregados em agregados de partículas finas, e esse processo é chamado de pulverização. De acordo com a diferença de intensidade de agitação mecânica, os três processos podem ser realizados de forma gradual ou simultânea.
2.3 Estabilização da pasta
Após a dispersão da pasta, é necessário evitar que o material particulado se aglomere novamente, por isso é muito importante manter a estabilidade da dispersão da pasta durante o processo de polpação. Se a pasta é reaglomerada após a dispersão está intimamente relacionado à força de interação entre as partículas. Atualmente, diferentes modelos teóricos surgiram sobre o mecanismo de estabilização de dispersão da pasta, como mostrado na Figura 8, incluindo principalmente mecanismo de estabilização de interação eletrostática e mecanismo de estabilização de impedimento estérico. , Mecanismo de estabilização de impedimento estérico eletrostático. A base teórica dos diferentes mecanismos está diretamente relacionada à força de interação entre as partículas. A força de interação entre as partículas da pasta da bateria de lítio é analisada e resumida abaixo.
3. Interação entre partículas na pasta
Existem várias forças de interação entre cada partícula componente na pasta da bateria de lítio, incluindo força de van der Waals, força de repulsão eletrostática, resistência estérica, força de vacância, força de hidratação, etc. O tamanho da força de interação entre as partículas determina se elas se aglomeram.
