Litiumparistojen valmistuksen kustannusten alentamisen ja tehokkuuden parantamisen yhteydessä korkean{0}}kiinteän-pitoisuuden, matalan-viskositeettisen hiilinanoputkien johtavasta tahnasta on tullut monien akkuyhtiöiden valintasuunta. Korkea kiintoainepitoisuus tarkoittaa tehokkaampien hiilinanoputkien suurempaa osuutta astiaa kohden, mikä vähentää liuottimien kulkeutumista ja kuivausenergian kulutusta. Matala viskositeetti varmistaa tahnan hyvän juoksevuuden, mikä helpottaa putkilinjan kuljetusta ja lietteen syöttöä ilman, että koko elektrodilietteeseen kohdistuu viskositeettipainetta. Monet ostajat kuitenkin ilmoittavat, että kaupallisesti saatavilla korkean -kiinteän- CNT-johtavan tahnan viskositeetti on jatkuvasti korkea, mikä tekee purkamisesta vaikeaa, tai saavuttaa alhaisen viskositeetin, mutta heikentyneen johtavuuden ja varastoinnin stabiilisuuden kustannuksella. Korkea kiintoainepitoisuus ja alhainen viskositeetti ovat luonnostaan kilpailevia indikaattoreita. Niiden taustalla olevien teknisten vaikeuksien ymmärtäminen auttaa välttämään valinnan sudenkuopat.
1. Hiilinanoputkien sisäiset materiaaliominaisuudet ovat suurin korkean kiintoaineen ja alhaisen viskositeetin taustalla oleva este
Hiilinanoputkien ultra-suuri ominaispinta-ala ja vahvat van der Waalsin voimat saavat molekyylien väliset vuorovaikutukset lisääntymään eksponentiaalisesti kiintoainepitoisuuden kasvaessa, mikä luonnollisesti lisää lietteen viskositeettia. Tämä on materiaalille luontainen ydinkonflikti, eikä sitä voida yksinkertaisesti kiertää.
Moniseinäisten hiilinanoputkien ominaispinta-ala on tyypillisesti 180-260 m²/g. Nanoputket tukeutuvat van der Waalsin voimiin sotkeutuakseen toisiinsa. Jokaista 1-2 prosenttiyksikön kiintoainepitoisuuden lisäystä kohti nanoputkien välinen etäisyys lyhenee, fyysisen takertumisen todennäköisyys kasvaa merkittävästi ja lietteen kokonaisreologinen kestävyys kasvaa nopeasti. Tavallisissa prosessiolosuhteissa, kun tehollinen CNT-pitoisuus ylittää 6 %, viskositeetti ylittää helposti 15 000 mPa·s, juoksevuus heikkenee ja geelimäinen tila voi jopa ilmaantua.
Jos tavoittelee sokeasti alhaista viskositeettia lisäämällä yksinkertaisesti suuria määriä dispergointiainetta, syntyy uusia ongelmia: ylimääräinen dispergointiainejäämä elektrodilevyn sisällä voi heikentää kennojen kiertoa ja ensimmäisen -syklin tehokkuutta. Jos nanoputkia lyhennetään viskositeetin vähentämiseksi, sivusuhde pienenee, kyky rakentaa johtava verkko suoraan vaimenee ja sisäinen vastus kasvaa samalla lisäysmäärällä.
| Erilaisten CNT-tahnaolosuhteiden vertailu (NMP-järjestelmä, 25 astetta) | Tehokas CNT-sisältö | Viskositeetti mPa·s (25 astetta) | Tärkeimmät kipukohdat | Toimialan viitelähde |
|---|---|---|---|---|
| Perinteinen kaupallinen pasta | 4-5% | 2000-6000 | Tasapainoiset indikaattorit, hyvä yleinen vakaus | GB/T 33818-2017 CNT Conductive Paste kansallinen standardi |
| Tavallinen korkea-kiinteä-sisältöliima (ilman matalan-viskositeettioptimointia) | 6-8% | 8000-18000 | Korkea viskositeetti, vaikea kuljetus ja suodatus, altis varastoinnin geeliytymiselle | Litiumpariston johtavien lisäaineiden teollisuuden mittaustiedot |
| Optimoitu korkea{0}}kiinteä, matala-viskositeettinen tahna | 6-8% | 3000-6000 | Korkea prosessikynnys, vaikea tasapainottaa johtavuutta, varastointia ja hajoamista | Julkiset testiraportit johtavilta materiaalivalmistajilta |
Shandong Tanfeng suorittaa kohdistetun CNT:n halkaisijan ja pituuden seulonnan raaka-ainevaiheessa välttäen ultra-korkean-kuvasuhteen-putkien sokeaa valintaa korkean-kiinteiden, alhaisen{4}}viskositeettien tuotteille. Tämä lievittää jyrkkää viskositeetin nousua lähteellä säilyttäen samalla riittävän johtavuuden, välttäen sähkökemiallisen suorituskyvyn uhrauksen yksinkertaisesti lyhentämällä putkia.
2. Dispergointiaineformulaation suunnitteluvaikeudet: viskositeetin vähentäminen vahingoittamatta akun sähkökemiallista suorituskykyä
On erittäin vaikeaa kehittää erityisiä dispergointiainekoostumuksia, jotka soveltuvat korkean-kiinteän, alhaisen-viskositeettitason olosuhteisiin. Liian vähäisen dispergointiaineen lisääminen aiheuttaa agglomeroitumista ja geeliytymistä; liiallinen lisääminen saastuttaa solun. Tavallisten yleiskäyttöisten-dispergointiaineiden on vaikea täyttää molemmat vaatimukset.
Dispergointiaineet adsorboituvat CNT:n pintaan käyttämällä steerisiä esteitä estämään nanoputkia sotkeutumasta toisiinsa, mikä vähentää viskositeettia. Korkean-kiinteän-pitoisuuden olosuhteissa CNT:iden kokonaisominaispinta-ala on kuitenkin suuri, mikä vaatii suhteellisesti suuremman dispergointiaineen kokonaismäärän.
Riittämätön dispergointiaineen lisäys:Nanoputkien epätäydellinen pintapeitto johtaa nopeaan toissijaiseen agglomeraatioon korkeassa{0}}kiinteässä ympäristössä, mikä aiheuttaa geeliytymistä ja paakkuuntumista.
Liiallinen dispergointiaineen lisäys:Ylimääräinen dispergointiaine jää vapaaksi liuottimessa, mikä aiheuttaa sivureaktioita litiumakun latauksen ja purkamisen aikana, mikä vähentää ensimmäisen-syklin kulmanin tehokkuutta, pahentaa kaasun muodostusta ja vaikuttaa syklin käyttöikään.
Monet markkinoilla olevat halvat-kustannukset ja korkeat-kiinteät-pitoiset tahnat käyttävät suuria annoksia tavallisia dispergointiaineita viskositeetin vähentämiseksi. Vaikka juoksevuus saattaa näyttää hyvältä lyhyellä aikavälillä, syklin heikkeneminen tulee ilmeiseksi akun valmistuksen jälkeen - perimmäinen syy on epätasapainoinen dispergointiainesuhde. Samalla dispergointiaineen on oltava yhteensopiva NMP- ja vesipohjaisten järjestelmien kanssa, eikä se saa olla ristiriidassa myöhempien PVDF- ja CMC-SBR-sideaineiden kanssa.
Shandong Tanfeng käyttää patentoitua sekoitettua dispergointiainejärjestelmää, joka säätelee tarkasti dispergointiaineen pinnoitussuhdetta. Samalla kun se varmistaa nanoputkien riittävän pintapeiton, se ohjaa vapaan dispergointiaineen osuutta tasapainottaen tahnan juoksevuutta ja akun sähkökemiallista suorituskykyä. Jokaiselle erälle suoritetaan jäännöshiilen ja epäpuhtauksien valvonta, jotta vältetään liiallisen dispergointiaineen aiheuttamat soluriskit.
3. Fyysisen hajoamisprosessin vaikeudet: Täysin -niputtaminen ilman liiallista leikkausta, joka vahingoittaa CNT-rakennetta
Korkean-kiinteän-sisällön olosuhteissa hiilinanoputkien-erittelyn vaikeus kasvaa jyrkästi. Riittämätön dispersio aiheuttaa agglomeroitumista; liiallinen leikkaus leikkaa nanoputket, mikä vähentää niiden muotosuhdetta ja uhraa suoraan johtavuuden. Tämä asettaa erittäin korkeat vaatimukset tuotantolaitteille ja prosessiparametrien ohjaukselle.
Tavalliset helmijyrsintälaitteet pystyvät käsittelemään matalan-kiinteän-pitoisuuden omaavia tahnoja, mutta 6-8 %-kiinteä-pitoisuudeltaan korkean materiaalin kanssa lietteen korkea viskositeetti ja tahmea luonne aiheuttavat epätasaisen leikkauskentän jakautumisen, mikä johtaa helposti paikalliseen alidispersioon{{6}.
Riittämätön hiontavoima:CNT-nippuja ei avata, ja liete sisältää suuren määrän mikro-agglomeraatteja, minkä seurauksena D90-hiukkaskoko ylittää standardit, mikä myöhemmin johtaa suodattimen tukkeutumiseen ja mustiin pisteisiin elektrodilevyssä.
Liiallinen jauhatus/homogenointivoima:CNT:t leikataan mekaanisesti, mikä aiheuttaa merkittävän pudotuksen kuvasuhteessa ja nostaa johtavan perkolaatiokynnystä. Saman johtavan vaikutuksen saavuttamiseksi CNT:n lisäystä on lisättävä, mikä estää korkean kiintoainepitoisuuden kustannusedun.
Korkean kiinteän aineen ja alhaisen viskositeetin saavuttaminen edellyttää yleensä monivaiheista korkeapainehomogenointia yhdistettynä kontrolloituihin jauhatusprosesseihin, jotka säätelevät tarkasti sykliaikoja ja paineparametreja. Tämä on pääoma- ja teknologia-intensiivinen prosessi, jota tavalliset pienet tehtaat kamppailevat vakaasti massatuotannossa-.
Shandong Tanfeng on konfiguroinut monivaiheisia korkeapainehomogenisoinnin tuotantolinjoja, joissa on erikseen kalibroidut prosessiparametrit korkean-kiinteän-viskositeettitason tahnoille. Partikkelikoon D50/D90 online-seuranta varmistaa perusteellisen-niputuksen ja samalla CNT-kuvasuhteen suojaamisen, mikä välttää alan yleisen ongelman, joka koskee "putkien tuhoamista hajaantumiseen pyrkiessä".
4. Varastointi- ja käyttöstabiilisuusvaikeudet: Tehdastestien läpäiseminen, mutta viskositeetin palautuminen ja geeliytyminen varastoinnin jälkeen
Kolloidinen järjestelmä, jossa on korkea-kiinteä-pitoisuus, matala-viskositeetti CNT-johtavaa tahnaa, on herkempi. Varastoinnin aikana se on altis viskositeetin palautumiselle, pehmeälle sedimentaatiolle ja geeliytymiselle, ja varastointi- ja kuljetusolosuhteita koskevat vaatimukset ovat paljon tiukemmat kuin tavalliselle tahnalle.
Vaikka kaikki indikaattorit läpäisivät tarkastuksen tehtaalla, varastossa varastoinnin aikana korkean{0}}kiinteän järjestelmän CNT-hiukkaset ovat lähempänä toisiaan, ja van der Waalsin voimat voivat vaikuttaa helpommin. Joidenkin tuotteiden viskositeetti on erittäin alhainen heti valmistuksen jälkeen, mutta 30-60 päivän varastoinnin jälkeen viskositeetti kasvaa jatkuvasti, jopa muuttuu geelimäiseksi ja menettää juoksevuutensa. Tärkeimmät riskikohdat:
Lämpötilan vaihtelut vaikuttavat dispergointiaineen adsorption tasapainoon; korkean{0}}lämpötilojen ympäristöt nopeuttavat viskositeetin palautumista.
Pitkän{0}}etäisyyden kuljetusvärähtely häiritsee kolloidista rakennetta ja aiheuttaa sedimentaatiota saapuessaan.
Kun geeliytymistä tapahtuu, vaikka uudelleen{0}}sekoitettiin, sekundaarista agglomeraatiota ei voida täysin palauttaa.
Tehdastapaustutkimus:Eräs energian varastointiyritys osti erän 7 % kiinteää-pitoisuutta, matalan-viskositeettia johtavaa CNT-pastaa. Saapuessaan viskositeetiksi mitattiin 4200 mPa·s, mikä näytti hyvältä. 2 kuukauden varastosäilytyksen jälkeen viskositeetti nousi 13 000 mPa·s:iin ja säiliöissä ilmeni geeliytymistä, mikä teki koko erän tuotantokelvottomaksi.
| Riskikohta | Ilmiö | Tuotantovaikutus |
|---|---|---|
| Viskositeetti Rebound | Viskositeetti kasvaa jatkuvasti seisomisen jälkeen | Putkikuljetuksen vaikeus; koko lietejärjestelmän viskositeetti ylittää standardit sekoituksen jälkeen |
| Toissijainen geeliytyminen | Tahnasta tulee geelimäinen-, se menettää juoksevuuden | Ei voida ruokkia; koko kontti romutettu |
| Nopeutettu sedimentaatio | Paksu sedimentti pohjassa; uudelleen-hajoamisvaikeus kasvaa | Lisääntynyt sisäisen resistanssin vaihtelu elektrodilevyissä syöttämisen jälkeen |
Shandong Tanfeng suorittaa nopeutettuja ikääntymis- ja sedimentaatiotestejä korkean -kiinteän, matalan-viskositeettiluokan luokilla simuloiden pitkäaikaista-varastointia ja korkeita-lämpötiloja seuloakseen formulaatioita, joilla on parempi kolloidinen stabiilisuus. Tuotteen tekniset tiedot sisältävät suosituksia säilytyslämpötilasta ja säilyvyydestä sekä asiakkaiden uudelleen{5}}käyttöohjeita, mikä vähentää varastointivirheiden riskiä paikan päällä.
5. Loppupään prosessin mukauttamisvaikeudet: Korkean-kiinteän, matalan{2}}viskositeettisen tahnan valinta ei voi perustua vain kahteen indikaattoriin
Kun valitset korkean-kiinteän-pitoisuuden, matalan-viskositeettisen CNT-johtavan tahnan, ei voida tarkastella vain kiintoainepitoisuutta ja viskositeettia. Myös suodatettavuus, epäpuhtausmäärät ja yhteensopivuus anodi/katodilietteen kanssa on otettava huomioon; muuten massatuotannon aikana ilmaantuu erilaisia ongelmia.
Monet T&K-henkilöstö keskittyy vain tuotteen etiketissä oleviin kiintoainepitoisuuksiin ja viskositeettilukuihin, jättäen huomioimatta muut sitä tukevat indikaattorit ja kohtaavat massatuotannon aikana sudenkuoppia:
Vaikka tahnalla on alhainen viskositeetti, se sisältää monia mikro{0}}agglomeraatteja, jotka aiheuttavat usein suodattimien tukkeutumista akkutehtaalla ja toistuvia tuotantolinjojen sammutuksia näytön vaihtamisen vuoksi.
Riittämätön magneettisten metalliepäpuhtauksien hallinta: korkea{0}}kiintoainejärjestelmä tuo lisää epäpuhtauksia, mikä lisää kennon itsepurkautumisriskiä.
Huono yhteensopivuus vesi{0}}pii-anodijärjestelmien kanssa: sekoitussäiliöön lisättäessä tapahtuu sakeutumista ja flokkuloitumista.
Korkea kiintoaine ja alhainen viskositeetti ovat kattavia indikaattoreita. Arvioinnissa on otettava huomioon suodatettavuus, epäpuhtaudet, sähkökemiallinen yhteensopivuus ja säilytyskestävyys. Priorisoi pieni-- ja pilottitodentaminen ennen suuria-volyymeja.
6. Koko artikkelin yhteenveto
Korkean{0}}kiinteän-pitoisuuden ja matalan-viskositeettisen CNT-johtavan tahnan neljä teknistä ydinongelmaa ovat: materiaalin luontaiset voimakkaat vuorovaikutukset aiheuttavat luonnollisen viskositeetin kasvun; dispergointiaineformulaatio, jonka on tasapainotettava viskositeetin pienenemistä ja sähkökemiallisia sivuvaikutuksia; dispersioprosessi, joka tarvitsee tasapainottaa -niputuksen ja CNT-kuvasuhteen suojauksen; ja kolloidinen järjestelmä on herkkä, altis viskositeetin palautumiselle ja geeliytymiselle varastoinnin aikana. Pelkästään korkean kiintoainepitoisuuden ja alhaisen viskositeetin saavuttaminen ei ole läheskään riittävää; Varastointikestävyys, epäpuhtaudet ja sähkökemiallinen yhteensopivuus ovat kaikki välttämättömiä.
Korkean-kiinteän, matalan viskositeetin-CNT-johtavan tahnan edut ovat erittäin selvät,-se voi auttaa litiumakkutehtaita alentamaan logistiikka-, liuotin- ja kuivauskustannuksia. Tekninen kynnys on kuitenkin korkea, ja se on moniulotteinen, toisiaan rajoittava tekninen järjestelmä, jota ei voida saavuttaa yksinkertaisesti säätämällä suhdetta. Jotkut markkinoilla olevat tuotteet uhraavat johtavuuden ja syklin vakauden houkuttelevien kiintoainepitoisuuden ja viskositeettiparametrien vuoksi. Asiakkaiden on tehtävä moniulotteisia kattavia arviointeja valinnan aikana eikä vain tarkasteltava etikettiparametreja.
Ammattimaisena CNT-johtavien tahnojen valmistajana Shandong Tanfeng on investoinut korkean-kiinteiden, alhaisen-viskositeettien omaavien tahnatuotteiden kehittämiseen, ja niillä on täydet ominaisuudet raaka-aineiden seulonta-, sekoitusdispersio- ja stabiiliuden todentamiseen. Se voi tarjota NMP-
FAQ
K: Onko korkean-kiinteän-pitoisuuden, matalan-viskositeettisen CNT-johtavan tahnan johtavuus aina vahvempi?
V: Ei välttämättä. Jos matala viskositeetti saavutetaan leikkaamalla nanoputkia tai käyttämällä liikaa dispergointiainetta, sivusuhde pienenee ja johtavuus itse asiassa huononee. Tärkeintä on keskittyä tehokkaaseen CNT-kuvasuhteeseen ja dispersion tilaan.
K: Vaatiiko korkea-kiinteä, matala-viskositeetti omaava tahna kylmäsäilytystä?
V: On suositeltavaa hallita säilytysympäristöä 10-30 asteessa ja välttää altistumista korkealle-lämpötilalle. Tavalliseen tahnaan verrattuna korkea-kiinteä, matala-viskositeetti on herkempiä lämpötilan vaihteluille. Yritä lyhentää varastointiaikaa ja ottaa käyttöön FIFO (first-in, first-out) varastonhallinta.
K: Voivatko vesi{0}}pohjaiset järjestelmät saavuttaa korkean-kiinteän-pitoisuuden, alhaisen-viskositeettisen CNT-johtavan tahnan?
V: Vesi{0}}pohjaisilla järjestelmillä on voimakkaammat kolloidiset rajoitukset. Kaupallisissa olosuhteissa on erittäin vaikeaa saavuttaa samaa korkeaa kiintoainepitoisuutta kuin NMP{2}}öljy-pohjaisilla järjestelmillä. Kiintoainepitoisuuden väkisin korottaminen aiheuttaa viskositeetin ja varastointistabiilisuuden nopean heikkenemisen. Alan valtavirta vesi{6}}pohjaisissa järjestelmissä on edelleen 2–5 %.