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電動攪拌器在鋰電池正極材料漿料混合過程中的工藝優化

更新時間:2025-09-24      點擊次數:138
摘要
鋰電池正極材料漿料的混合均勻性、分散穩定性直接決定極片涂覆質量與電池電化學性能。本文以電動攪拌器為核心設備,針對三元材料(NCM)與磷酸鐵鋰(LFP)兩種主流正極體系,系統研究攪拌轉速、攪拌時間、槳葉結構及固液混合順序對漿料黏度、顆粒分散度、極片面密度均勻性的影響,通過單因素變量法與正交實驗確定工藝參數。結果表明:適配特定正極材料的攪拌工藝可使漿料分散度提升 25% 以上,極片面密度波動控制在 ±3% 以內,為鋰電池正極漿料規模化生產提供技術支撐。
1 引言
正極材料作為鋰電池能量密度的核心載體,其漿料混合過程需實現活性物質(如 NCM811、LFP)、導電劑(炭黑、碳納米管)、粘結劑(PVDF、PAA)在溶劑(NMP、去離子水)中的均勻分散。傳統電動攪拌工藝易因參數匹配不當導致顆粒團聚、粘結劑包裹不均,進而引發極片開裂、容量衰減等問題。據行業數據統計,約 15% 的鋰電池性能失效源于漿料混合工藝缺陷。因此,基于電動攪拌器的工藝優化,對提升鋰電池一致性與循環壽命具有重要現實意義。
2 實驗方案
2.1 實驗材料與設備
  • 正極材料:NCM811(粒徑 D50=8μm)、LFP(粒徑 D50=12μm);

  • 輔助材料:炭黑(Super P)、碳納米管(CNT,直徑 10-15nm)、PVDF(分子量 120 萬)、NMP(分析純);

  • 核心設備:數顯式電動攪拌器(轉速范圍 0-3000r/min,可更換槳葉類型:推進式、錨式、渦輪式)、激光粒度儀( Mastersizer 3000)、旋轉粘度計(NDJ-5S)、極片面密度測試儀(XY-100)。

2.2 實驗設計
采用 “單因素變量法 + 正交實驗" 組合方案,以漿料分散度(顆粒團聚率≤5%)、黏度穩定性(24h 黏度變化率≤10%)、極片面密度均勻性為評價指標,重點研究以下變量:
  1. 攪拌轉速:500-2500r/min(梯度 500r/min);

  1. 攪拌時間:30-180min(梯度 30min);

  1. 槳葉類型:推進式(軸向流)、錨式(徑向流)、渦輪式(復合流);

  1. 混合順序:先固后液(活性物質 + 導電劑預混合后加溶劑)、先液后固(溶劑 + 粘結劑溶解后加固體顆粒)。

3 工藝優化結果與分析
3.1 攪拌轉速對混合效果的影響
不同正極材料因密度、粒徑差異,對攪拌轉速的需求存在顯著差異:
  • NCM811 體系:當轉速低于 1000r/min 時,漿料中炭黑團聚率超過 15%,黏度波動達 25%;轉速提升至 1500-2000r/min 時,顆粒分散度(團聚率 3.2%),但轉速超過 2000r/min 后,攪拌產生的剪切力過強,導致 PVDF 分子鏈斷裂,24h 黏度下降 18%,影響后續涂覆;

  • LFP 體系:因 LFP 密度更高(2.6g/cm3 vs NCM2.0g/cm3),需更高轉速突破顆粒沉降阻力,轉速范圍為 1800-2200r/min,此時漿料分散度達 94.5%,面密度波動控制在 ±2.8%。

3.2 攪拌時間與槳葉類型的協同優化
  • 攪拌時間:NCM 體系在 120min 時達到最佳混合狀態,繼續延長時間,漿料黏度無明顯提升但能耗增加 30%;LFP 體系因顆粒分散難度大,攪拌時間為 150min,此時導電網絡構建最完整,極片電阻率降至 8.5mΩ?cm;

  • 槳葉類型:渦輪式槳葉憑借軸向 + 徑向復合流場,對兩種體系均表現出適配性 —— 相較于推進式槳葉,NCM 漿料分散度提升 18%,LFP 體系黏度穩定性提升 22%;錨式槳葉因攪拌死角大,僅適用于低固含量(≤40%)漿料混合。

3.3 混合順序的優化驗證
實驗表明 “先液后固" 混合順序更優:先將 PVDF 在 NMP 中攪拌 60min 至溶解(轉速 800r/min),再加入 NCM/LFP 與導電劑混合,可避免固體顆粒包裹未溶解的粘結劑形成 “硬團聚"。對比 “先固后液" 順序,NCM 漿料團聚率降低 21%,LFP 體系極片面密度均勻性提升 15%。
4 工業應用建議
  1. 參數適配:NCM 體系推薦攪拌參數為 “渦輪式槳葉 + 1800r/min 轉速 + 120min 時間 + 先液后固";LFP 體系推薦 “渦輪式槳葉 + 2000r/min 轉速 + 150min 時間 + 先液后固";

  1. 設備改進:工業級攪拌器可增設槳葉高度調節裝置(建議槳葉距罐底距離為罐徑 1/3),減少底部沉淀;同時加裝溫度控制系統,避免攪拌剪切熱導致溶劑揮發(控制混合溫度 25-30℃);

  1. 質量監控:每批次漿料需檢測黏度(NCM 體系控制 3000-5000mPa?s,LFP 體系 4000-6000mPa?s)與顆粒分散度,確保滿足極片涂覆要求。

5 結論
通過優化電動攪拌器的轉速、時間、槳葉類型及混合順序,可有效解決鋰電池正極材料漿料混合過程中的分散不均問題。針對 NCM 與 LFP 體系的差異化工藝參數,能顯著提升漿料穩定性與極片質量,為鋰電池工業化生產提供可落地的技術方案。后續研究可結合計算流體動力學(CFD)模擬,進一步優化攪拌流場分布,降低能耗并提升混合效率。


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