¿Cómo evaluar la suspensión de electrodos de baterías de iones de litio-?

En la producción de baterías de iones de litio-, la preparación de la suspensión es el primer proceso. La idoneidad de la lechada después de la mezcla afecta directamente al recubrimiento posterior y al rendimiento final de la batería, y es un indicador crucial del costo de la batería. Por lo tanto, la preparación de la suspensión juega un papel central en la fabricación de baterías de iones de litio-. Las investigaciones muestran que la distribución ideal de partículas microscópicas de un electrodo de batería de iones de litio-se caracteriza por una dispersión uniforme de materiales activos sin aglomeración y una dispersión en capas delgadas-de partículas de agentes conductores que forman una red conductora. Las baterías de iones de litio-fabricadas a partir de electrodos con distribución uniforme de partículas exhiben un excelente rendimiento electroquímico y una larga vida útil. Por lo tanto, la fluidez, estabilidad y uniformidad de las suspensiones de baterías de iones de litio- normalmente se prueban y caracterizan para evaluar su idoneidad para procesos de recubrimiento posteriores y su contribución al rendimiento de los materiales activos de la batería.

En la producción de baterías de iones de litio-, la preparación de la suspensión es el primer proceso. La idoneidad de la lechada después de la mezcla afecta directamente al recubrimiento posterior y al rendimiento final de la batería, y es un indicador crucial del costo de la batería. Por lo tanto, la preparación de la suspensión juega un papel central en la fabricación de baterías de iones de litio-. Los estudios han demostrado que la distribución ideal de micropartículas de los electrodos de las baterías de iones de litio-se caracteriza por una dispersión uniforme de materiales activos sin aglomeración y una dispersión en capas finas-de partículas de agentes conductores que forman una red conductora. Las baterías de iones de litio-fabricadas a partir de electrodos con distribución uniforme de partículas exhiben un excelente rendimiento electroquímico y una larga vida útil. Por lo tanto, la fluidez, estabilidad y uniformidad de las suspensiones de baterías de iones de litio- normalmente se prueban y caracterizan para evaluar su idoneidad para procesos de recubrimiento posteriores y su eficacia para mejorar el rendimiento de los materiales activos de la batería.

Las lechadas de electrodos son fluidos no-newtonianos y hay dos tipos: lechadas de electrodos positivos y lechadas de electrodos negativos, que se clasifican en sistemas a base de aceite-y de agua-. La suspensión agitada debe poseer buena fluidez, estabilidad y uniformidad. En la figura se muestran los estados de las pulpas con diferente fluidez. Una viscosidad excesivamente baja o alta, sedimentación, aglomeración y dispersión desigual pueden afectar significativamente los procesos de recubrimiento posteriores, provocando defectos en la apariencia macroscópica del electrodo e inconsistencias en su microestructura. A diferencia de los requisitos de lechada en las industrias tradicionales de fabricación de papel y revestimiento, la uniformidad y estabilidad de la lechada de baterías de litio afectan en última instancia el rendimiento eléctrico de la batería, lo que genera una serie de problemas como degradación del voltaje, vida útil reducida y mala consistencia de la batería. Por lo tanto, es crucial caracterizar y probar adecuadamente la suspensión antes del recubrimiento para determinar su idoneidad para el procesamiento.

Cuando un líquido fluye, se produce una fricción interna entre las moléculas; esta propiedad se llama viscosidad, medida numéricamente.

Viscosidad=Esfuerzo cortante/tasa de corte

La relación funcional entre la velocidad de corte y el esfuerzo de corte se denomina curva reológica y se usa comúnmente para describir la variación de la viscosidad de la lechada (fluido) con las características de corte. Las curvas reológicas se pueden utilizar para distinguir tipos de fluidos. Para los fluidos newtonianos, la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte en la curva reológica es una línea recta que pasa por el origen.

En producción,viscosímetro rotacional digitaly los reómetros se utilizan comúnmente para medir la viscosidad y las curvas reológicas. Los viscosímetros son fáciles de operar, mientras que los reómetros pueden medir un rango más amplio y curvas de viscosidad-tasa de corte/tensión más completas, y proporcionar resultados más precisos. Las lechadas de batería, como fluidos no-newtonianos, exhiben diversas propiedades reológicas, incluida la adelgazamiento por cizallamiento, la viscoelasticidad y la tixotropía.

La mayoría de las suspensiones de electrodos de iones de litio-presentan características de adelgazamiento por cizallamiento. Como se muestra en la figura, la viscosidad de corte disminuye al aumentar la velocidad de corte. Esta característica es más pronunciada en lodos con alto contenido de sólidos. A velocidades de corte más altas, las fuerzas de corte fuertes alteran la estructura de red formada entre los materiales, lo que hace que las partículas se reorganicen en una estructura más ordenada paralela al campo de corte, lo que resulta en una disminución de la viscosidad y alcanza una meseta newtoniana a velocidades de corte más altas.

Esta característica no-newtoniana es ventajosa en el proceso de recubrimiento de preparación de electrodos. Antes de usar elmáquina de recubrimiento de electrodos, la lechada se transporta desde el tanque de transferencia a la cámara de recubrimiento mediante una bomba de tornillo. Durante este proceso, la suspensión se somete a una fuerza de corte baja y permanece en un estado de alta viscosidad para mantener su estabilidad. Cuando la lechada se expulsa instantáneamente desde el labio del cabezal de recubrimiento, se somete a una alta velocidad de cizallamiento, momento en el cual la viscosidad de la lechada disminuye, asegurando un flujo suave. Después de que la suspensión se transfiere al colector actual, la velocidad de corte disminuye y permanece en un estado de alta viscosidad. Esto puede prevenir o reducir la sedimentación de partículas cuando la lechada está estacionaria o durante el proceso de secado, asegurando un espesor de recubrimiento constante.

La viscoelasticidad también es un estándar de referencia importante para evaluar las propiedades de la pulpa. Demuestra la relación entre la viscosidad (líquido) y la elasticidad (sólido) de la suspensión; En pocas palabras, caracteriza si la suspensión se parece más a un líquido o a un sólido. Si la lechada de la batería de litio es solo viscosa y carece de elasticidad, se producirán fuertes formación de hilos durante el recubrimiento, lo que dará como resultado un rendimiento deficiente del recubrimiento. Por lo tanto, la suspensión de la batería de litio debe poseer un cierto grado de elasticidad además de viscosidad, lo que permite que los filamentos rotos reboten rápidamente durante el recubrimiento y garantiza un recubrimiento uniforme. Si la lechada tiene una elasticidad muy alta o ninguna viscosidad, indica una aglomeración severa o una estructura similar a un sólido-, lo que hace imposible el recubrimiento.

La viscoelasticidad generalmente se mide usando un reómetro. Se aplican fuerzas de corte vibratorias de pequeña-amplitud, como escaneo de amplitud y escaneo de frecuencia, para medir la viscoelasticidad de la suspensión.

La velocidad de corte aumenta continuamente desde cero hasta un valor constante y durante este proceso se registra la tensión de corte correspondiente. Luego, la velocidad de corte se reduce gradualmente hasta cero y se registra el valor de tensión de corte correspondiente. Se puede trazar una curva cerrada de velocidad de corte versus tensión de corte; esta curva se llama anillo normal tixotrópico. Cuanto mayor sea el área del anillo normal, mayor será el rendimiento tixotrópico y viceversa.

La viscosidad es un factor crucial a la hora de evaluar la estabilidad de las suspensiones de baterías de iones de litio-. Tanto las viscosidades excesivamente altas como bajas son perjudiciales para el recubrimiento. Las lechadas de alta-viscosidad son menos propensas a sedimentarse y tienen mejor dispersabilidad, pero una viscosidad excesivamente alta da como resultado una nivelación deficiente, lo que dificulta el recubrimiento y reduce la velocidad del mismo. Reducir adecuadamente la viscosidad ayuda a mejorar la eficiencia del recubrimiento. Una viscosidad más baja proporciona una buena fluidez de la lechada y ayuda a eliminar las burbujas de aire, pero una viscosidad excesivamente baja provoca dificultades de secado, reduce la velocidad del recubrimiento, exacerba el recubrimiento desigual y puede causar agrietamiento del recubrimiento y aglomeración de la lechada.

Durante la producción, especialmente después de que la suspensión ha estado reposando durante un período de tiempo, la viscosidad a menudo cambia, principalmente de tres maneras: aumento de la viscosidad, disminución de la viscosidad y casos especiales.

(1) Mayor viscosidad:Después de un reposo prolongado, el coloide cambia de un estado de sol a un estado de gel, lo que provoca que aumente la viscosidad de la suspensión. Agitar lentamente la suspensión restaurará la viscosidad.

(2) Reducción de viscosidad:La viscosidad disminuye cuando el aglutinante absorbe humedad y sufre cambios cualitativos, alteraciones estructurales durante la agitación o degradación. La agitación prolongada, la velocidad de agitación excesivamente rápida y la dispersión desigual de la suspensión durante la homogeneización pueden conducir a una reducción de la viscosidad. Agregar estabilizadores, dispersantes o tensioactivos a la lechada puede mejorar la estabilidad de la lechada a través de los principios de repulsión de carga e impedimento estérico. Además, todos los componentes deben secarse completamente antes de la homogeneización.

(3) Casos especiales:Los materiales activos pueden absorber humedad durante el almacenamiento o agitarse en entornos con mucha-humedad, lo que hace que el PVDF absorba la humedad y produzca una suspensión "gelatina-". Cuando la suspensión presenta una consistencia gelatinosa-particularmente pronunciada, no se puede utilizar. En este caso, la suspensión problemática se puede secar, el aglutinante y el NCM se pueden vaporizar y separar, luego tamizar, moler y mezclar proporcionalmente con la suspensión normal. Luego se puede utilizar sin afectar el rendimiento de la batería. Por lo tanto, el método de prevención más eficaz es secar completamente el material antes de la homogeneización, medir el contenido de humedad y controlar estrictamente la humedad durante la homogeneización.

El porcentaje de sustancias sólidas como materiales activos, agentes conductores y aglutinantes en la masa total de la suspensión se denomina contenido sólido de la suspensión. Generalmente, el contenido de sólidos está en el intervalo del 40% al 70%. El método principal para probar el contenido sólido es el método de secado. Pesar una suspensión con una masa de M, colocarla a una temperatura determinada para secar el disolvente y luego pesarla nuevamente con una masa de m. El contenido sólido se calcula entonces como m=M/M. Se puede utilizar un medidor de humedad para medir de forma rápida y relativamente precisa el contenido sólido de la suspensión. El medidor de humedad utiliza el principio de pérdida de peso térmica; calienta uniformemente la muestra con una lámpara halógena para evaporar el disolvente y calcula el contenido de sólidos mediante el cambio de masa antes y después del calentamiento.

Bajo el mismo proceso de homogeneización y formulación, cuanto mayor sea el contenido de sólidos de la suspensión, mayor será su viscosidad. De manera similar, cuanto menor sea el contenido de sólidos, menor será la viscosidad. Dentro de un rango definido para el contenido de sólidos, un valor más alto indica una mayor estabilidad de la suspensión. Aumentar el contenido de sólidos puede reducir el uso de solventes, acortar el tiempo de mezcla de la lechada y mejorar la eficiencia del recubrimiento y el secado. Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de sólidos, aumenta la viscosidad, disminuye la fluidez, aumentando la dificultad del recubrimiento y provocando un desgaste más severo en los equipos.

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