锂电搅拌工艺葵花宝典（一）！

锂离子电池浆料搅拌常用的溶剂就是NMP和去离子水，而需要被润湿的固体则是正负极活性物质、导电剂颗粒。当溶剂不能很好的自发润湿固体时，例如去离子水和石墨，则可以看到浸入水中的石墨颗粒倾向于团聚（如图），以保持固-固界面，并且颗粒之间还会保有薄层吸附气体，形成固-气界面。如果搅拌设备不能施加足够的机械力，则团聚颗粒不能被分散开。即使用强机械力分散开，颗粒在运动静置之前还是会再次团聚，即分散状态不能稳定保持。反之，当溶剂能很好的自发润湿固体时，例如NMP和石墨，NMP迅速排除石墨表面的气体，形成固-液界面，将颗粒与颗粒之间隔离开来，自然而然就形成了分散状态，不需要太强的机械力就能搅拌成均匀分散的状态。

辅助搅拌方式及其基本原理    

 Binder溶解    

在锂离子电池工业中，粘接剂通常是固体粉末状，可以通过预溶解的方式将其加入浆料中，常见的是PVDF在NMP中的溶解和CMC在水中的溶解。

PVDF溶解时，首先是PVDF粉末被NMP包裹，然后PVDF颗粒在NMP中发生溶胀，随着时间的增加溶胀现象越来越明显，最终溶解于NMP中。在实际溶解时，将PVDF粉末加入到NMP中，由于加料的影响PVDF粉末通常会抱团形成团聚体，其最外围与NMP相接触，而内部则仍保持干粉状态，这种情况会导致PVDF溶解缓慢，至完全溶解时甚至需要超过12hrs。

要使PVDF快速地溶解，可以采取下列方法：

a)减小PVDF颗粒的粒径，增大PVDF与NMP的接触面积；

b)PVDF粉末加料优化，使得粉末进入NMP时不发生聚团；

c)提高PVDF溶解时的温度，加速溶胀过程。

CMC溶解的情形与PVDF不同，CMC分子链中的亲水基团与水接触，使CMC分子链溶解到水中，这个过程可以非常迅速。在实际溶解时，同样存在和PVDF类似的粉末聚团而导致的溶解速度缓慢。

如需提高CMC的溶解速度，可以采取下列方法，

a)增加CMC的颗粒粒径，减小CMC在空气中的吸湿，避免团聚；

b)PVDF粉末加料优化，使得粉末进入NMP时不发生聚团；

c)高速剪切打散CMC的粉末团聚，促进CMC分子与水的接触。

导电剂浆料搅拌    

导电剂的颗粒小，比表面积非常大，较易发生团聚现象，是浆料分散的难点。导电剂浆料的分散也是浆料制备中的重要辅助手段。

导电炭黑与NMP浸润良好，当导电炭黑分散在NMP或PVDF溶液中时，只需采用较高地剪切力将颗粒打算即可。而导电炭黑与水浸润困难，必须加入分散剂帮助分散，通常采用CMC溶液来分散导电炭黑。

干混    

干混是将活性物质、导电剂、粘接剂等多种固体粉料在较短的时间内在宏观上混合均

匀，是生产中常用的一种辅助搅拌方式。

干混一般可分为3个阶段，如下图所示：

阶段一是指搅拌的开始阶段，此时所搅拌的物料在宏观上是不均匀的，搅拌过程中通过

搅拌桨机械力与颗粒间的摩擦作用，使干混的物料在宏观上达到均匀分散。

阶段二为减速混合阶段，此时在搅拌桨与分散盘的剪切作用下，物料体系在介观层面上达到混合均匀的效果。

阶段三为扩散控制阶段，此时分散与团聚力达到一个动态平衡。物料微粒扩散迁移从而达到微观上的均匀状态。

生产中，通过提高剪切力可以加快阶段二的混合时间，在短时间内达到介观均匀状态。若给以充分的时间，可以进一步达到微观均匀随机分布的状态。

实际生产中，作为一种辅助搅拌方式，为节省时间效率，常常仅需要达到阶段一或阶段二的状态，达到宏/介观混合均匀的状态。

应当注意到干混效果与材料性质和搅拌参数密切相关。一般而言，颗粒尺寸越小，颗粒之间的内聚力越大，越难以分散均匀。颗粒的粗糙程度越小，颗粒之间的摩擦力减小，干混效果变差。而提高分散盘的转速，延长搅拌时间等则可以更有效的达到干混的目的。

为减少搅拌工序过程中引入的气泡，在加入粉料后可以抽真空，并维持真空状态，再干混搅拌。这样可以避免颗粒表面的气体被液体不完全取代而产生气穴，进而影响生产优率。需要注意的是，应当合理安排加料次序，以尽可能的避免颗粒堵塞管道等情况发生。

在锂离子电池浆料的捏合搅拌通常可分为五个阶段。首先，将活性物质、binder、导电剂、添加剂的粉料进行干混；然后边搅拌边逐步加入适量的溶剂或binder溶液，对粉末进行浸润；当溶剂或binder溶液加至合适的量之后，开始预捏合，这一步骤是为了加强粉末的浸润；接着开始物料捏合，捏合的过程中物料不断被挤压、拉伸、折叠、剪切；经过一段时间的捏合，物料最终呈均匀的面团状。

完成捏合成团后，只需要缓慢加入溶剂或binder溶液并进行快速搅拌，稀释至合适的粘度，即得到最终浆料。

高速分散    

高速分散是通过旋转轮的高速旋转，产生巨大的剪切力和冲击力，使浆料剧烈运动，在微孔、缝隙和罐壁处高速剪切和颗粒高速冲击，从而均匀分散浆料。

高速分散主要分为两个阶段：阶段二，预混结束的浆料通过浆料驱动泵进入高速分散系统，经过短时间强剪切分散(≤1min)，即制备出浆料，转入储料罐。  

高速分散搅拌时间短，生产效率高，浆料分散均匀，一致性好(对纳米颗粒也有很好的分散作用)。同时，可节约人力，减少占地面积，降低能耗等，适合浆料大量生产。但高速分散对设备可靠性要求高，需配备完善的冷却和气压系统，并及时维护。

研磨分散    

研磨设备最初在工业中广泛使用应用于机械加工中，依靠研磨介质与工件之间的摩擦和撞击除去工件表面的毛刺，氧化皮和油污等，一般分为滚筒研磨机，振动研磨机和涡流研磨机，其中滚筒研磨最为简单，加工普适性强，最符合经济。

研磨分散通常指的是将粉末物料与液体物料进行固-液相分散的一种分散手段，通常也可以用于不同种粉末物料之间的干混，这种混合方式广泛使用与食品，药品，化妆品行业。  

锂离子电池制造业中，使用研磨分散手段搅拌得到均匀浆料的手法也屡见不鲜，一般使用的设备为立式和卧式研磨分散机。设备内安装转轴，转轴上径向安装若干研磨盘、环或销棒。研磨套内填装有研磨介质，介质一般选用耐磨陶瓷，如ZrO₂, Al₂O₃等，这种稳定的耐磨陶瓷避免了粉料的二次污染，不会引起电池性能的变异。研磨套外壁安装冷却水，用于吸收研磨分散中产生的热量，保证浆料的搅拌稳定。

研磨分散的过程可以理解为一个机械剪切，摩擦的过程。当物料用泵将物料输入至研磨套内，转轴转动带动物料和研磨介质一起高速转动，物料与研磨介质被研磨盘高速搅动，沿盘被抛向研磨套后返回，浆料在盘间往复循环，从而使固体物料被逐渐均匀分散于液体物料中。如上过程中，分散盘带动研磨介质运动而产生的摩擦和剪切力使得物料得以研磨和分散，目前研磨分散可生产得到浆料颗粒最小尺寸可达50nm。设备采用机械密封，防止生产中溶剂挥发损失，减轻了环境污染。另外，得益于全密封研磨环境，空气难以进入分散腔体，避免了生产过程中可能形成的结皮现象。

研磨分散卸料与常规搅拌卸料方法有所不同，研磨分散卸料随浆料粘度高低而异。一般采用是悬浮液体通过缝隙状或孔状的筛网，筛网孔径为研磨介质的50%或30%。  

研磨分散具有分散效率高，工序简单，可连续生产的优点，但是缺点也是存在的，研磨分散能耗高，噪音大，研磨参数不当将破坏材料，研磨介质耐磨要求较高，否则易引入杂质。

其中研磨生产参数主要集中在研磨时间，研磨介质直径和研磨转速。三者存在相关性，具体相关性如下公式表征：KD/N^1/2

其中：T: 研磨时间；K：物料因数(与物料预处理，研磨介质和研磨设备相关)；D：研磨介质直径；N：研磨盘线速度  

 超声分散    

超声波是指频率在20000Hz以上的纵波，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，在医学、生物、军事、工业、农业上有很多的应用。

超声波在介质的传播过程中，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用只够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

超声波分散具有以下特点，

a)具备很强的颗粒分散作用，适合纳米颗粒的快速分散；

b)由于超声波频率高，适合低粘度、低固含量浆料的分散, 而在高粘度浆料中，能量在传输过程损耗非常快，易造成局部能量释放；

c)使用简单。

由于上述特点，超声波分散技术更多的应用于实验室中。对于超声波分散的量产化，也有两种不同的设计，一种是采用浆料不断流经超声发生器，并循环进行；一种是将浆料喷射到弹簧片上，通过弹簧片的振动产生超声进行分散。

 Binder溶解罐    

溶解罐是将粉末状粘接剂原料溶解成粘接剂溶液的设备。Binder预溶解时一般选择常见的框式或锚式搅拌。  

锚框式桨与罐壁和罐底形状基本一致，其间仅有很小的间隙，低速旋转时沿壁面能得到较大的剪切力，可清除罐壁和罐底的粘性附着物。锚式搅拌结构简单，属于慢速型搅拌器，适合粘度在50Pa.s以下的搅拌，当流体粘度在50~100Pa.s时，可以在锚式搅拌桨的中间增加一横桨叶，即为框式搅拌，以增强流体的混合效果。  

在Binder溶解时，还需要进行温度控制。夹层冷热水温控方法简单、成本低廉，是比较理想的温控方式，可以通过对温度的监控反馈来控制冷、热水的阀门，实现设定温度范围的自动控制。