電極スラリー調製時の材料粒子状態変化の詳細説明

リチウム電池のポールピースの厚さは通常40〜200μm程度で、ポールピースの厚さは電池の種類（高エネルギー、高出力など）によって異なります。リチウム電池に良好な電気化学性能を持たせたい場合は、ポールピースの前面、中央、背面の厚さが同じで、表面に欠陥がなく滑らかでなければなりません。コーティングプロセスが除外されている条件下では、スラリーの調製は、その品質を決定するための重要な手順です。優れたリチウム電池スラリーの粘度は安定していて変化しにくく、粒子サイズが小さく、コーティングおよび乾燥後の粒状性がはっきりとなく、気泡などの異物もありません。次に、スラリーの準備プロセスでは、注意が必要な2つの主要な側面があります。1つは初期材料を均一に分散させることです。もう1つは、原料間の相互作用によって引き起こされる2次的な凝集を防ぐことです。したがって、混合プロセスの目的は、元の材料を均一に分散および混合すると同時に、粒子の再結合を防ぐことです。

リチウム電池のポールピースは、正極のポールピースと負極のポールピースに分かれています。 2つのポールピースに使用される活物質、導電剤、バインダー、および溶媒は、バッテリーシステムによって異なります。このような複雑な多相システムを均一な懸濁液スラリーに混合するには、より実践的な経験と理論的根拠が必要です。材料の粒子サイズが小さいほど、形状が奇妙になります。特に、導電性カーボンブラックは、攪拌プロセス中に凝集して大きな断片になることが多く、良好な導電性を発揮しないだけでなく、分散が難しくなります。役割だけでなく、バ​​ッテリーの比エネルギーにも影響します。カーボンブラックは、リチウム電池だけでなく、プラスチック、ポリマー、その他の産業でも使用できるため、カーボンブラックの分散に関する多くの研究があります。現在の研究報告によると、凝集体を分散させる方法はいくつかあります。

左側の最初の分散（侵食）は、比較的弱い機械力の作用下で発生します。このとき、材料は機械的な力で流れ、さまざまなサイズの粒子の凝集体を形成します。このプロセスの間に、材料の小さな断片が大きな凝集体から徐々に剥がされ、二次粒子が形成されます。上図中央に示すように、外力が一定の臨界値を超えると、突発的に粒子の破裂が起こります。機械的エネルギーが一定のレベルに達して時間が延長されると、粒子は分解し続けますが、この現象の可能性は低くなります。

リチウムバッテリースラリーの準備中、材料間の接触フォームは、上の図に示す3つの状態を持つ場合があります。まず、カーボンブラックの構造は簡単に変更できず、その分布は構造1として存在する比較的均一です。機械的な攪拌が進むと、導電剤の解重合と分散が同時に起こり、最終的に導電剤が生体表面に完全にコーティングされます。

原料粒子の存在から均一に混合された物質になることは非常に重要なプロセスです。プロセス全体は、固体粉末状態（I）、混合湿潤状態（II）、および最終的に形成された懸濁状態（III）に分けることができます。プロセス制御を下の図に示します。

このプロセスの各段階の特徴、長所、短所を次の表に示します。

乾式混合段階では、機器の投入エネルギー、機械力、生体の粒子径などがすべて導電剤の分散に影響します。さらに、材料の凝集は空気の湿度に大きく影響されます。

溶媒が初めて固体粉末に追加されたときに、湿潤状態が始まります。濡れの程度は、液体への粉末の飽和の程度、および付着と応力の状態に依存します。このプロセスでは、混合物の混合状態を変化させながら、分散と凝集が絶えず行われています。ゲル化点または完全飽和状態に達すると、大きな力の入力がなくなり、粒子間の相互作用力も低下し、希釈して目的の固形分に減らすことができます。懸濁液を希釈する段階では、流体力学とスラリーの剪断力が関係します。流体の流れの条件下では、ミキサーによって粒子に加えられる剪断力により、材料が安定状態になります。

異なるプロセスと制御プロセスは、材料と原材料に異なる力を及ぼし、それが粒子の均一性を引き起こします。特にカーボンブラック導電剤の場合、変化する応力強度は、電子伝導性、バッテリー容量、およびポールピースの電流密度に非常に良い影響を与えます。影響が大きいため、スラリー調合工程の材料混合段階の状態を把握する必要があります。