Sammenligning af trin-for-trin blandingsproces og engangs blandingsproces

Med hensyn til fremstillingsmetoden til lithiumbatteriopslæmning har forskere prøvet forskellige masseprocesser. Forsøg har vist, at masseprocessen ved trinvis tilførsel er langt bedre end engangsmasseprocessen. Dette papir foretager en detaljeret sammenligning mellem opdelingsprocessen i delt trin og engangsforarbejdningsprocessen. De to masseprocesser er vist i figur 1. (a) er engangspulpeprocessen; (b) er den trinvise masseproces.

Figur 1. To forskellige blandingsprocesser

Engangsblandingsprocessen er at blande bindemidlet og NMP og omrøre i en halv time og derefter tilsætte det aktive materiale og det ledende carbon black i opløsningsmidlet på én gang til blanding. Karakteristikken ved blanding i flere trin er, at mængden af ​​opløsningsmiddel tilsættes i portioner. Engangs blandingsproces og blandetrins blandingsproces har ikke kun stor indflydelse på opslæmningens egenskaber, såsom viskositet, dynamisk viskoelastisk modul og stabile strømningskarakteristikker, men påvirker også impedansen, cyklusydelsen og hastighedens ydeevne batteri.

1. Forholdet mellem gylleviskositet, forskydningshastighed og fluiditet

Figur 2 viser forholdskurven mellem viskositet og forskydningshastighed. Det kan ses, at uanset om et-trin eller trin-for-trin-metoden er anvendt, falder opslæmningens viskositet, når forskydningshastigheden stiger (udtynding af forskydning). Gyllens viskositet under lav forskydning er et mål for sedimentationsadfærden for faste partikler, og viskositeten under høj forskydning er et mål for gyllens bearbejdelighed. Under lav forskydning er den højere viskositet af de to opslæmninger bedre, fordi de faste partikler ikke sedimenterede væsentligt. Under høj forskydning er opslæmningens lave viskositet også et godt træk, fordi det betyder, at opslæmningen blandes ensartet.

Selvom de to forberedelsesprocesser har udtynding af forskydning, er flertrinsblandingsmetoden selvfølgelig stadig bedre end et-trins syntesemetoden. Viskoelasticiteten af ​​de to typer gylleændringer med vinkelfrekvens er vist i figur 3.

Figur 3. Forholdet mellem vinkelhastighed og lagringsmodul og tabsmodul

Fra figuren kan vi se, at viskoelasticiteten af ​​opslæmningen fremstillet ved en-trinsmetoden ikke er relateret til vinkelfrekvensen, mens den viskoelastiske modul af opslæmningen fremstillet ved flertrinsmetoden er relateret til vinkelfrekvensen. For det andet er G&# 39 i figuren lagringsmodulet og G&# 39 er tabsmodulet. Det kan ses, at lagringsmodulet i et-trinsmetoden altid er højere end tabsmodulet, mens flertrinsopslæmningen er lige det modsatte. Det kan ses, at opslæmningen fremstillet ved en-trins-metoden hovedsageligt er i geltilstand, og partiklerne agglomererer sammen til dannelse af en volumenfyldt netværksstruktur. Partikelklyngerne ødelægges eller brydes ikke op og blandes altid med lav forskydningshastighed, og blandingseffekten opnås ikke. Opslæmningen fremstillet ved flertrinsmetoden er i det væsentlige en sol med lav viskositet, partikelenhederne er ensartet dispergeret, og netværksstrukturen ødelægges fuldstændigt og dispergeres. Den trinvise opslæmning er i en god dispersionstilstand og udviser en god flowhysterese, som kan repræsenteres af hysteresestrømningskurven (fluiditet) vist i grafen. Figur 4 viser forholdet mellem forskydningshastigheden og forskydningskraften, når forskydningshastigheden først stiger og derefter falder. Det kan ses, at flertrinsopslæmningen har en hysteresesløjfe.

Figur 4. Forskydningshastighed og forskydningskraft

Sammenlignet med et-trins blandingsprocessen brydes den irreversible netværksstruktur af partikelklyngerne oftere i flertrins blandingsprocessen. Dette skyldes, at opløsningsmidlet NMP tilsættes flere gange, og opløsningsmidlet er mindre i den oprindelige tilstand, og det er mere sandsynligt, at partiklerne brydes under høj forskydningshastighed. Da blandingen i et trin er at hælde opløsningsmidlet ind ad gangen, reduceres den samlede viskositet hurtigt, og friktionen mellem partiklerne er meget lille, så en god dispersionstilstand ikke kan opnås.

2. Indflydelsen af ​​to forskellige blandingsprocesser på polstykket

Opslæmningerne fremstillet af de to processer forberedes til elektroder, og begyndelsen på forskellen kan ses fra tværsnitsbillederne af de to polstykker, som vist i figur 5.

Figur 5. SEM og EDS analyse af polstykke

(a) Et-trins tværsnit (e) Flertrins tværsnit, det kan ses, at efter flertrinsopslæmningen forbereder polstykket, er partikelkontakten tættere og den blandede tilstand er bedre.

Figur (b) og (f) er kortlægningsdiagrammerne for EDS Co-elementet for polstykkerne i de to typer af masseprocesser. Co-elementet er afledt af lithiumcobaltoxid, som kan verificere den bedre blandings- og dispersionseffekt af flertrinsmetoden.

Figurerne (c) og (g) er kortlægningen af ​​C-elementet i polstykket i henholdsvis de to slags størrelsesprocesser. C-elementet kommer hovedsageligt fra PVDF og ledende carbon black;

Figur (d) og (h) er kortlægningen af ​​fluorelement i polstykket af de to slags størrelsesprocesser. F-elementet kommer fra PVDF

Resultaterne af flere sæt fotos beviser også, at det ledende middel og det aktive materiale i en-trinsopslæmningen har mange agglomerater og ikke er ensartet dispergeret.

For det tredje, effekten af ​​blandingsprocessen på batteriets ydeevne

1. Cyklusydelse

Cyklusydelsen for batteriet, der er fremstillet af de to opslæmninger, er vist i figur 6. Efter 70 cyklusser er kapaciteten i blandetrin i et trin og opdelt trin henholdsvis 60% og 70% af den oprindelige kapacitet. Kapaciteten falder hurtigere. Årsagen kan skyldes udskiftningen af ​​batteriets' s interne modstand i et-trins-metoden.

Figur 6. Sammenligning af batteriets cyklusydelse

2. Batteriets interne modstand ændres med DOD

Eksperimentet bruger HPPC til at teste batteriets interne modstand, og resultatet er vist i figur 7. Følgende konklusioner kan drages: a. Den interne modstand af batteriet under afladning er større end den interne modstand af opladningen. Dette skyldes, at hastigheden for indsættelse af lithiumioner i det faste gitter er langsommere end ekstraktionshastigheden for lithiumioner. b. Den interne modstand af batteriet ved hjælp af flertrinsmetoden og gylleprocessen er lavere end for et-trinsmetoden i hvert trin og under hver DOD-tilstand. c. Batteriets interne modstand og udladningsdybden (D0D) hænger tæt sammen. Når afladningsdybden øges, bliver pladsen til lithiumioner, der skal indlejres, mindre og mindre, hvilket får batteriets impedans til at stige tilsvarende.

Figur 7. Forholdet mellem opladning og afladning af de to batterier og den interne modstand

3. Indflydelsen af ​​to blandingsprocesser på batteriets hastighed

For at sammenligne den interne modstand af de to polede batterier aflades de tilsvarende batterier med forskellige hastigheder. Afladningskurven er vist i figur 8.

Figur 8. Sammenligning af batteriets hastighed og polarisering

Blandt dem er a et et-trins batteri, og b er et tretrinsbatteri. Begge batterier oplades med konstant strøm ved 0,2 ° C. Figur a viser, at når afladningsstrømmen øges, fortsætter batteripolarisationen med at stige. I modsætning til flertrins batteriafladningskurve er polarisationen relativt lille sammenlignet med figur a, selvom batteripolarisationen også øges til en vis grad. Årsagen til dette fænomen skal spores tilbage til gylleens forberedelsesproces. Som nævnt før kan blandetrin i flere trin sikre en ensartet dispersion af det ledende middel og det aktive stof og danner et stabilt og ensartet ledende netværk. Som et resultat reduceres kontaktmodstanden mellem det aktive materiale og det ledende middel kraftigt for at sikre batteriets fremragende cyklusydelse.

Konklusion:

Selvom det endelige faste indhold af de to forskellige blandingsprocesser er det samme, er opslæmningens reologiske egenskaber stadig forskellige. Produktet fra en-trins blandingsprocessen er gelignende, og pulverenhederne er forbundet inden i den volumenfyldte netværksstruktur, så der vil være faste lignende egenskaber og ledsaget af højere viskositet. Produktet fremstillet ved flertrins blandingsprocessen er en sol med lav viskositet, og partiklenhederne er dispergeret med hinanden. Dette skyldes, at blandingen i det indledende trin har et lavere opløsningsmiddelindhold, at partiklerne er i tæt kontakt, og kollisionssandsynligheden er meget højere end en-trins opslæmningsmetoden. Derfor hjælper det lavere væskeindhold med at bryde og dispergere partikelagglomeraterne. Den ensartede spredning af det aktive materiale i det ledende middel viser, at batteriet har lavere polarisering og bedre cyklusydelse og hastighedsydelse.