干货丨锂离子电池双螺杆连续合浆工艺原理

北京中科白瘕风刘云涛 https://wapjbk.39.net/yiyuanfengcai/ys_bjzkbdfyy/790/

双螺杆连续合浆相对于传统合浆技术,具有生产效率高,生产环境封闭等优点。但双螺杆在锂离子电池中应用尚属新兴技术,对双螺杆原理及过程的了解有助于新型工艺开发。

双螺杆挤出机结构及设计原理

双螺杆挤出机主要由以下几个部分组成:

切割机(锂离子电池浆料生产时不需要安装)

挤出头

电缆槽

加工部分

开放式箱体与物料入口连接

驱动单元

其中,加工部分是锂离子电池匀浆的主要作用区间,主要作用是将锂离子电池正负极中的活性物质、导电剂、粘结剂等和溶剂均匀的分散在一起,形成稳定的浆料,加工部分主要由以下几部分组成:

封闭式箱体

箱体用塞堵

脱气接头

开放式箱体

带有支撑轴联轴节的螺杆轴;

o型圈

密封塞,用于传感器或液体加入

箱体温控接口,出口

箱体温控接口,入口

端板

加工部分是一个模块系统,根据工艺过程选取箱体,箱体可以是封闭式(中间箱体)或开放式(物料加入或气体排放),箱体与箱体之间为法兰式结构,可通过螺栓连接,箱体之间和最后一个箱体与端板之间装有O型密封圈,并且通过温控接口,可实现单个箱体或所有箱体的温度控制。

加工部分中对浆料起到分散作用的是高速旋转的双螺杆轴,即支撑轴,及螺杆轴上配备的螺杆元件。螺杆轴由以下几部分组成:(1)螺杆头(2)螺杆元件(3)间隔套(4)支撑轴联轴节

螺杆元件的选择取决于加工条件,在添加液体的条件下,螺杆元件可以通过分散、混合、揉捏和压缩将初始物料加工成具有一定黏度的浆料。

其中:

传送元件,右旋一圈,用于物料的正向传送,传送距离一个螺距

传送元件,右旋半圈,用于物料的正向传送,传送距离半个螺距

传送元件,左旋半圈,用于物料的大力逆向挤压,使其前面的区域填满物料,增加分散效果

右旋多边形块,正向分散元件

左旋多边形块,反向分散元件,分散的同时,可对物料产生逆向挤压

多边形垫片

间隔垫圈,多用于正向传送与反向传送之间,对正反向螺纹交界起到保护作用

双螺杆连续制浆机的螺杆配置及加料位置优化

双螺杆连续制浆机共有11节箱体组成,每1节箱体长度为mm,总长度为mm。结合锂离子电池浆料的分散原理,

第1节采用开放式箱体,用于活性物质和导电剂粉料的加入;

第4节为开放式箱体,配脱气结头,用于前期物料中的气体排出;

第10节为开放式箱体,配双螺杆推进装置,并接有负压管路,

用于成品浆料的脱泡;其余各节均为封闭式箱体,每个封闭式箱体均配有密封塞,可用于导电浆料、粘接剂溶液或溶剂的加入。

制浆时,各种物料按照设计配比,以一定的流量加入到双螺杆制浆机中,并且跟据加工工艺设计各物料投入位置,第1节活性物质和导电剂粉料加入区,第2节为导电浆料和粘接剂溶液加入区,第7节为粘接剂溶液加入区,第9节为溶剂加入区。通过各物料的加入位置,将双螺杆连续制浆机分为3个区域:

第2节——第7节,本区域主要进行颗粒的浸润、捏合;

第7节——第9节,本区域主要进行颗粒的分离和分散;

(3)第9节——第11节,本区域主要进行稀释,并使分散开的颗料稳定,

防止二次团聚。这也是与锂离子电池浆料的分散原理相符合的。

根据设计的加料位置和制浆过程的各功能区域,配置螺杆元件。

第1节为粉料加入区域,装配大螺距,深螺纹的正向传送元件,用于粉料的向前传送;

第2节为粘接剂溶液和导电浆料加入区域,

第7节为粘接剂溶液加入区域,

第9节为溶剂加入区域,在相应的加入位置装配标准螺距的正向传送元件,用于加入物料的向前传送并与其它物料进行混合;

第4节为排气区域,在第4节装配大螺距正向传送元件,用于物料快速通过此区域,在排气的同时避免物料从排气孔溢出;

第10节为真空脱泡区,在第10节启始位置装配标准螺距,反向半圈传送元件,后面装配大螺距正向传送元件,用于挤压第10节前的物料,减缓物料进入第10节的速度,物料进入第10节后由于大螺杆正向传送元件的作用可以快速通过第10节真空脱泡区,再配合第10节装配的双螺杆反推装置,使浆料再通过第10节时可以在负压下完成脱泡,并且浆料不会被负压吸走;其余位置装备大量多边形分散元件,用于浆料的捏合和分散,分散元件多用组合形式,如:正-正-反,正-反-正-反,或几个组合再组合在一起,并在各组合之前装配标准螺距正向传送元件,以保证浆料在分散的同时可以向前继续传送。

螺杆转速及固含量对浆料的影响

由图可以看出,捏合区固含量,螺杆转速以及两者的交互作用对浆料的黏度都有显著影响,其中捏合区固含量对浆料黏度的影响最大。

与传统合浆工艺性能对比:

1浆料稳定性:

与传统制浆机产出的LFP材料浆料对比黏度24小时变化,二者无明显差别

2浆料粒径:

与传统制浆机产出的LFP材料浆料对比粒度分布相当。

3电性能

双螺杆连续制浆机产出的LFP材料浆料的电池内阻与传统制浆机产出LFP材料浆料的电池内阻基本无差异,并且还略低于传统制浆机产出LFP材料浆料的电池内阻。

由循环数据可以看出,将双螺杆连续制浆机产出的LFP材料浆料制成电池和传统制浆机产出LFP材料浆料制成的电池进行次循环测试,循环曲线基本相同,并且双螺杆连续制浆机产出的LFP材料浆料电池的次循环容量为95.44%,要略优于传统制浆机产出LFP材料浆料电池的次循环容量95.02%。

参考文献:杨庆岩.基于DOE的锂离子电池浆料连续制浆关键技术研究[D].

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