锂离子电池匀浆工艺

锂离子电池匀浆工艺的目的是将活性物质、导电剂、粘结剂等原材料均匀混合，形成稳定、均匀的浆料，用于后续的涂布等工序。匀浆过程中，通过机械搅拌和分散作用，使各种颗粒在溶剂中充分分散，形成悬浮液体系。为了维持浆料的稳定性，需要克服颗粒间的范德华引力，通过静电斥力、空间位阻斥力等作用来防止颗粒絮凝和分层。

一、工艺原理

二、匀浆设备

双行星搅拌机是锂离子电池匀浆工艺中常用的设备，它具有低速搅拌部件和高速分散部件。低速搅拌部件使物料上下及四周运动，实现初步混合；高速分散部件则使物料受到强烈的剪切和分散作用，达到更均匀的混合效果。此外，双行星搅拌机还可以实现抽真空、加热及冷却等功能，适用于从粉体到高黏度、高密度物料的混合工艺。

三、匀浆工艺流程

常规湿法工艺

常规湿法工艺是80%企业所采用的工艺，具体步骤如下：

胶液制备：将粘结剂（如羧甲基纤维素钠）高速分散溶解在去离子水中，形成胶液。例如，将CMC以1.5%的浓度溶解在去离子水中，溶解时间大约为3-4小时。
导电剂分散：在已经制备的胶液中加入导电剂，开启搅拌，先慢速后高速，使导电剂均匀分散。这一步通常需要30-60分钟。
主材混合：将活性物质（如钴酸锂、石墨等）分批加入到混合物中，先慢速搅拌，再持续高速搅拌，使活性物质充分分散。例如，负极材料分两次加入，先慢速搅拌15分钟，刮边后，持续搅拌2-3小时。
粘度调节：加入适量的溶剂（如去离子水）稀释浆料，将粘度调节到合适的范围（如2000-5000cP）。
稳定剂加入：加入其他稳定剂（如丁苯橡胶），并进行真空脱泡操作，进一步提高浆料的稳定性。
真空脱泡：在搅拌过程中进行真空脱泡，去除浆料中的气泡，确保浆料的均匀性和稳定性。

干法匀浆工艺

干法匀浆工艺的优势在于节省时间、提升固含量和减少溶剂损耗。其典型流程包括：

干粉混匀：将活性物质、导电剂和粘结剂等干粉原材料进行均匀混合，形成混合料。
润湿：将混合料与少量溶剂或胶液混合，使颗粒表面充分润湿，防止团聚。
分散：通过高速分散作用，使润湿后的颗粒在溶剂中进一步分散，形成均匀的浆料。
稳定：加入稳定剂并进行适当的搅拌和处理，确保浆料在储存和使用过程中的稳定性。

四、匀浆工艺实例

以锂离子电池负极匀浆工艺为例，具体步骤如下：

胶液制备：将10kg羧甲基纤维素钠加入到657kg去离子水中，在搅拌机中搅拌混合，得到胶液，并将其按60%：40%的比例分为第一胶液和第二胶液。
干粉混匀：将6.5kg导电碳黑、6.5kg碳纳米管和620.6kg石墨加入到干混机中，进行均匀混合，得到混合料。
首次真空分散搅拌：将第一胶液和混合料加入到双行星搅拌器中，启用冷却水循环系统，控制公转速度为12-19rpm，分散速度为195-610rpm，分散搅拌时间为56-70分钟，真空度为-88Kpa至-92Kpa，得到第一浆料。
二次真空分散搅拌：将第二胶液加入到第一浆料中，并加入5kg去离子水，关闭冷却水循环系统，控制公转速度为12-32rpm，分散速度为2500-3500rpm，分散搅拌时间为180-220分钟，真空度为-88Kpa至-92Kpa，得到第二浆料。
三次真空分散搅拌：向第二浆料中加入24.5kg丁苯橡胶，控制公转速度为20-30rpm，分散速度为2400-2600rpm，分散搅拌时间为28-32分钟，真空度为-88Kpa至-92Kpa，最终得到锂离子电池负极浆液。

五、质量控制要点

在匀浆工艺过程中，需要严格控制以下几个方面以确保浆料的质量：

粘度控制：通过调整溶剂的加入量和搅拌时间，将浆料的粘度控制在工艺要求的范围内，以满足后续涂布等工序的需求。
颗粒大小分布：确保活性物质、导电剂等颗粒在浆料中具有合适的大小分布，以提高电池的电化学性能。
均匀性检测：采用适当的检测方法，如显微镜观察、激光粒度分析等，对浆料的均匀性进行检测，确保各种成分均匀分散。

在锂离子电池负极匀浆过程中，一般需要用到的材料有负极粉料（石墨，硬碳、硅等）、导电剂（SP）、增稠剂和分散剂（CMC）、粘结剂（SBR）。因为SBR的特殊性，我们在匀浆的过程中需要注意它的加入顺序。

六、搅拌设备的转速由来

不同的搅拌设备有不同的转速，这个不同的转速决定了搅拌器上的线速度，线速度决定了浆料与搅拌器接触位置的剪切力，而剪切力对浆料分散其重要作用。因此，线速度的控制对于确保浆料的均匀性和稳定性至关重要。以下是匀浆工艺中线速度控制的要点：

1. 润湿阶段

在润湿阶段，通常要求转速较慢，以避免产生过多的剪切力，防止颗粒团聚。例如，在干法匀浆工艺中，干粉混匀阶段的转速一般在15-20rpm之间。在这个阶段，低速搅拌有助于颗粒的初步混合和润湿，为后续的分散阶段打下基础。

2. 分散阶段

分散阶段需要较高的线速度以产生足够的剪切力，使颗粒充分分散。一般来说，分散盘的线速度应达到17m/s以上，具体值取决于设备性能和工艺要求。例如，一些双行星搅拌机的分散盘线速度可以达到23m/s以上。在分散阶段，高速搅拌能够有效打破颗粒团聚体，使浆料达到微观上的均匀。

3. 稳定阶段

在稳定阶段，线速度应适当降低，以避免过度剪切导致浆料性能下降。例如，在加入稳定剂如丁苯橡胶后，搅拌速度可控制在低速35-40rpm，高速1200-1800rpm之间。这样可以确保稳定剂均匀分布，同时避免破坏浆料的结构。

4. 设备特性

不同的匀浆设备对线速度的控制能力不同。双行星搅拌机因其独特的设计，能够实现高线速度的分散和低线速度的混合，满足不同阶段的工艺需求。例如，一些双行星搅拌机的公转速度可以控制在12-32rpm之间，自转线速度可达到25m/s。

5. 工艺优化

为了达到最佳的匀浆效果，线速度的控制需要结合具体的工艺参数进行优化。例如，在负极匀浆工艺中，首次真空分散搅拌的线速度可以控制在14-16m/s，时间为30-40分钟。而在二次真空分散搅拌中，线速度可以提高到25m/s，以确保浆料的充分分散。

通过合理控制匀浆工艺中不同阶段的线速度，可以有效提高浆料的质量，确保锂离子电池的性能。