Pirmoje ličio baterijų gamyboje naudojant anglies nanovamzdelių (CNT) laidžias pastas dažnai kyla įvairių „nuolatinių ir sunkiai{0}}išgydomų problemų“: tiksliai laikantis formulės, pasta virsta gelio pavidalo ir negali būti naudojama; po dengimo elektrodo lakštas išlieja miltelius vos prisilietus; sijojimo metu filtro ekranas dažnai užsikemša... Šie proceso gedimai turi įtakos ne tik gamybos efektyvumui, bet ir tiesiogiai veikia akumuliatoriaus našumą bei našumą.
Remiantis pirminės{0}}inžinerijos praktika, šiame straipsnyje pateikiamas išsamus trikčių šalinimo vadovas, skirtas trims didelio -dažnio gedimams-atsimušti klampumą, išsiliejus elektrodo lakštams miltelius ir filtravimo sunkumus-nuo priežasčių analizės iki sprendimų.
1. 1 gedimas: pastos klampumo atšokimas, atsiranda gelis-Patinka
1.1 Nesėkmės reiškinys
Ruošiant CNT laidžią pastą arba ją maišant su aktyviosiomis medžiagomis, pastos klampumas staiga ir neįprastai padidėja ir atrodo „kaip želė{0}}“ arba „varškė-“, prarandamas sklandumas. Šis reiškinys gali atsirasti staiga maišymo proceso metu arba pastai kurį laiką palaikius.
1.2-Išsami priežasčių analizė
1 priežastis: netinkamas dispergento pasirinkimas
CNT turi itin didelį specifinį paviršiaus plotą (180–210 m²/g) ir stiprias van der Waals jėgas, todėl jos labai linkusios į aglomeraciją. Dispergento vaidmuo yra adsorbuotis ant CNT paviršiaus ir užkirsti kelią pakartotinai-aglomeracijai dėl sterinių kliūčių arba elektrostatinės atstūmimo.
Problema:Įvairių dispergentų suderinamumas su skirtingų tipų CNT labai skiriasi. Polivinilideno fluoridas (PVDF) dažniausiai naudojamas kaip rišiklis naftos pagrindu veikiančiose sistemose, tačiau jo išsklaidantis poveikis CNT yra ribotas. Jei naudojamas tik PVDF kaip dispergentas, CNT sunku visiškai išsklaidyti NMP, o antrinė aglomeracija gali lengvai įvykti esant statinei arba žemos temperatūros sąlygoms, todėl gali atsirasti klampumo atšokimas.
2 priežastis: pH disbalansas (vandens{1}}sistemoms)
Vandens suspensijose{0}} pH turi lemiamos įtakos dispersijos efektui. Dažniausiai naudojama disperguojanti natrio karboksimetilceliuliozė (CMC) pasižymi tik optimaliu dispersiniu poveikiu tam tikrame pH diapazone. Kai pH nukrypsta nuo optimalaus diapazono, pasikeičia CMC molekulinės grandinės konformacija, susilpnėja sterinis kliūtis, CNT re-aglomeruojasi, o klampumas didėja.
3 priežastis: temperatūros svyravimai
CNT pasta yra jautri temperatūrai. Esant žemai -temperatūrai, nors tirpiklio garavimas sulėtėja, CNT šiluminis judėjimas susilpnėja, todėl dėl van der Waals jėgų jie gali vėl-agreguotis. Klampumo atšokimo reiškinys ypač pastebimas gaminant žiemą arba kai pastai ilgą laiką buvo leidžiama stovėti nemaišant.
4 priežastis: per didelis drėgmės kiekis (naftos{1}}sistemoms)
NMP yra stipriai polinis tirpiklis ir labai higroskopiškas. Kai pastos drėgmės kiekis viršija standartą, vanduo pateks į adsorbcinį dispergento sluoksnį ant CNT paviršiaus ir gali reaguoti su rišikliais, tokiais kaip PVDF, todėl pasta sužels.
1.3 Sprendimai
1 sprendimas: optimizuokite dispergentų pasirinkimą ir santykį
Naftos{0}}sistemoms (NMP) rekomenduojama naudoti specializuotus dispergentus, o ne pasikliauti vien PVDF. Pramonės praktika įrodė, kad polietilenglikolio ir poliakrilato dispergentai turi geresnį dispersijos poveikį CNT. Dispergento dozė paprastai yra 5–20 % CNT masės.
Vandens{0}}sistemoms pagrindiniai parametrai yra pakeitimo laipsnis (DS) ir CMC molekulinė masė. Naudojant CMC su DS 0,7–1,2, 配合 atitinkamu kiekiu SBR, galima žymiai pagerinti srutų stabilumą.
2 sprendimas: tiksliai sureguliuokite pH
Vandens suspensijų pH{0}}turi būti nuo 7,5 iki 9,0. Tai galima pasiekti šiais būdais:
Įpilant nedidelį kiekį amoniako vandens arba ličio hidroksido, kad pH būtų šarminis.
pH buferinės sistemos naudojimas stabilumui palaikyti.
Reguliariai kalibruokite pH matuoklį, kad būtų užtikrintas matavimo tikslumas.
3 sprendimas: temperatūros kontrolė ir maišymo valdymas
Kontroliuokite pastos laikymo temperatūrą 20–25 laipsnių temperatūroje.
Statiniais laikotarpiais palaikykite lėtą maišymą (linijinis greitis 2–4 m/s), kad išvengtumėte nusėdimo ir aglomeracijos.
Žiemos transportavimo ir sandėliavimo metu imkitės izoliacijos priemonių.
4 sprendimas: griežtai kontroliuokite drėgmę
Žaliavos drėgmės tyrimas:Įeinanti NMP drėgmė turėtų būti<500 ppm.
Aplinkos drėgmės kontrolė:Santykinė oro drėgmė maišymo ceche turi būti<30%.
Kepimas drėgmei pašalinti:Prieš naudojimą CNT kepkite vakuume 80–100 laipsnių temperatūroje 4–8 valandas.
5 sprendimas: tiksliai{1}}sureguliuokite formulę
Jei problema kartojasi, apsvarstykite:
Tinkamai didinant dispergento dozę.
CNT kietųjų medžiagų kiekio mažinimas.
Įvedamas nedidelis laidžios suodžių kiekis kaip „tarpiklis“, siekiant sumažinti tiesioginį kontaktą tarp CNT.
2. 2 gedimas: po džiovinimo iš elektrodo lakšto labai išsiliejo milteliai
2.1 Nesėkmės reiškinys
Po to, kai padengtas elektrodo lapas išdžiovinamas orkaitėje, milteliai nukrenta vos prisilietus. Pjaustymo metu kraštuose smarkiai išsilieja milteliai. Po kalandravimo elektrodo lakšto paviršiuje matomas „medžiagos nukritimo“ reiškinys. Tai ne tik paveikia gamybos efektyvumą, bet ir gali sukelti vidinius mikro-trumpuosius jungimus arba akumuliatoriaus talpos sumažėjimą.
2.2-Išsami priežasčių analizė
Pagrindinis mechanizmas: Segtuvą „pagrobia“ CNT
CNT savitasis paviršiaus plotas siekia 180–210 m²/g, o tai 3–4 kartus didesnis nei laidžios suodžių (apie 60 m²/g). Toks didžiulis specifinis paviršiaus plotas reiškia, kad CNT paviršiuje yra daug „adsorbcijos vietų“.
Kai CNT sumaišomi su rišikliais (pvz., PVDF, SBR, CMC), kai kurios rišiklio molekulės yra tvirtai adsorbuojamos ant CNT paviršiaus, todėl sumažėja veiksmingo rišiklio, faktiškai prieinamo aktyviosios medžiagos dalelėms, kiekis. Šis reiškinys vadinamas „rišiklio adsorbcijos praradimu“.
Specifinės apraiškos:
Naftos{0}}sistema (PVDF-NMP):PVDF yra adsorbuojamas CNT, o aktyviosioms dalelėms trūksta pakankamai rišiklio joms sujungti.
Vandens-sistema (CMC-SBR):CMC adsorbuoja CNT, todėl pasikeičia srutų reologinės savybės; SBR yra adsorbuojamas, todėl sumažėja elastingo sukibimo efektas.
Kitos galimos priežastys:
Nepakankamas bendras rišiklio kiekis.
Netinkama maišymo seka, dėl kurios per anksti ir per daug adsorbuojasi rišiklis.
Per didelė kepimo temperatūra arba oro greitis, dėl kurio rišamosios medžiagos paviršiuje migruoja.
2.3 Sprendimai
1 sprendimas: optimizuokite rišiklio santykį
Atsižvelgiant į specifinį paviršiaus plotą ir CNT apkrovą, atitinkamai padidinkite rišiklio kiekį. Empirinė formulė:
Rišiklio reguliavimo kiekis=Bazinis rišiklio kiekis × (1 + CNT specifinis paviršiaus plotas / įprastinio laidžiojo agento specifinis paviršiaus plotas × CNT apkrovos koeficientas)
Praktiškai sistemoje su 1% CNT apkrova rekomenduojama padidinti PVDF kiekį nuo įprastinių 2%–3% iki 3%–4%; vandens -sistemoms CMC kiekis gali būti padidintas 0,2–0,5 %.
2 sprendimas: sureguliuokite maitinimo seką
Tai efektyviausias ir mažiausią{0}}kainą kainuojantis sprendimas. Rekomenduojamas laipsniškas papildymo būdas:
Alyva{0}}pagrįstos sistemos (PVDF-NMP) rekomenduojama seka:
1 veiksmas:Supilkite visą PVDF į NMP ir visiškai ištirpinkite (2–3 val.).
2 veiksmas:Įpilkite laidžios suodžių (jei naudojama) ir tolygiai išmaišykite.
3 veiksmas:Įpilkite CNT pastos ir maišykite mažu greičiu (šiuo metu CNT kontaktuoja su PVDF tirpalu, o ne grynu NMP).
4 veiksmas:Galiausiai įpilkite aktyviosios medžiagos ir paskirstykite dideliu greičiu.
Vandens{0}}sistemos (CMC-SBR) rekomenduojama seka:
1 veiksmas:Sumaišykite CMC su vandeniu, kad paruoštumėte premikso tirpalą (maišykite linijiniu greičiu 4–8 m/s 3–5 valandas).
2 veiksmas:Įpilkite laidžios suodžių ir CNT, išsklaidykite dideliu greičiu (tiesinis greitis 6–14 m/s 0,5–2 valandas).
3 veiksmas:Įpilkite aktyviosios medžiagos ir toliau sklaidykite (tiesinis greitis 6–14 m/s 3–4 valandas).
4 veiksmas:Galiausiai įpilkite SBR, sumažinkite tiesinį greitį iki 2–6 m/s ir tolygiai išmaišykite.
Pagrindinis punktas:SBR turi būti pridėta paskutiniame etape, kad būtų išvengta per didelės CNT adsorbcijos, dėl kurios prarastų elastingumą.
3 sprendimas: naudokite „dengtus“ CNT
Kai kurie tiekėjai siūlo paviršių-modifikuotus arba iš anksto-dengtus CNT gaminius, kai paviršius iš anksto{2}}padengtas dispergento arba polimero sluoksniu, kuris gali žymiai sumažinti rišiklių adsorbciją. Nors kaina yra šiek tiek didesnė, ji gali iš esmės išspręsti problemą.
4 sprendimas: optimizuokite kepimo procesą
Sumažinkite temperatūrą priekinėje krosnelės zonoje ir taikykite „temperatūrinio gradiento didinimo“ strategiją, kad išvengtumėte pernelyg didelio tirpiklio išgaravimo ant paviršiaus, dėl kurio gali migruoti rišiklis.
Kontroliuokite oro greitį, kad karštas oras nepatektų tiesiai į elektrodo lakšto paviršių.
Tinkamai pailginkite kepimo laiką žemos{0}}temperatūros zonoje, kad užtikrintumėte vienodą tirpiklio išgaravimą.
5 sprendimas: rišiklio sumaišymas
Naftos -sistemoms apsvarstykite galimybę PVDF sujungti su PMMA (polimetilmetakrilatu), naudodami PMMA afinitetą CNT, kad būtų dalijamasi adsorbcijos slėgiu.
Jei naudojate vandens{0}}sistemas, įdėkite nedidelį kiekį poliakrilo rūgšties tirštiklio, kad padidintumėte suspensijos stabilumą.
3. 3 gedimas: NMP-pagrįstos srutos filtravimo sunkumas
3.1 Nesėkmės reiškinys
Paruošus suspensiją, sijojant (paprastai 150–200 akių) arba perkeliant į dengimo mašiną, filtravimo slėgis smarkiai pakyla, filtro tinklelis dažnai užsikemša, o filtro elementą reikia nuolat keisti arba ekraną nuolat valyti. Sunkiais atvejais sijoti iš viso negalima, o visa srutų partija išimama į metalo laužą.
3.2-Išsami priežasčių analizė
Pagrindinė priežastis: CNT nepakankamai atidarytos
Sintezės proceso metu CNT egzistuoja aglomeratų pavidalu, o šių aglomeratų dydis gali siekti dešimtis ar net šimtus mikrometrų. Jei dispersijos procesas yra netinkamas, šių didelių -dydžių aglomeratų nepavyks efektyviai suskaidyti ir jie bus sulaikomi sijojant, užkimšdami filtro ekraną.
Konkretūs įtakos veiksniai:
1 veiksnys: netinkami granulių frezavimo proceso parametrai
Cirkonio karoliukų dydis:CNT yra pluoštinės medžiagos. Tradiciniai 0,8–1,0 mm cirkonio karoliukai, naudojami dalelėms smulkinti, gali nesugebėti veiksmingai atidaryti CNT ryšulių. Per dideli karoliukai sukuria nepakankamą smūgio jėgą, kad išsklaidytų CNT, o karoliukai, kurie yra per maži (<0.2 mm), although effective for dispersion, have high energy consumption and are prone to wear.
Linijinis greitis:Linijinis greitis lemia šlyties jėgą. CNT rekomenduojamas 8–12 m/s linijinis greitis. Per mažas greitis užtikrina nepakankamą šlyties jėgą; per didelis greitis gali sulaužyti CNT ir prarasti jų formato santykio pranašumą.
Šlifavimo laikas:Per trumpas laikas lemia nepakankamą sklaidą; per ilgas laikas sukelia pernelyg didelį šlytį, sutrumpina CNT ilgį ir mažina elektros laidumą.
2 veiksnys: išankstinio-sklaidymo žingsnio trūkumas
Tiesiogiai įdėjus CNT miltelių į didelį kiekį tirpiklio ir išsklaidžius dideliu greičiu, gali lengvai susidaryti „žuvies- akies“ aglomeratai, kur aglomerato išorę sudrėkina tirpiklis, o vidus lieka sausi milteliai, kuriuos sunku sulaužyti vėliau malant granules.
3 veiksnys: per didelis kietųjų srutų kiekis
Esant dideliam kietųjų medžiagų kiekiui, suspensijos klampumas yra didelis, CNT judėjimas apribotas, dispersijos efektyvumas mažėja, o aglomeratus sunku atskirti.
4 veiksnys: dispersinių medžiagų suderinamumo problemos
Kaip minėta anksčiau, netinkamai parinkus dispergentą, dispersijos metu CNT gali „re{0}}aglomeruotis“, todėl gali kilti filtravimo sunkumų.
3.3 Sprendimai
1 sprendimas: optimizuokite rutulinio frezavimo proceso parametrus
Rekomenduojamas kelių{0}}pakopų frezavimo procesas:
| Scena | Cirkonio karoliukų dydis | Linijinis greitis | Šlifavimo laikas | Tikslas |
|---|---|---|---|---|
| Pirminis šlifavimas | 0,6–0,8 mm | 8–10 m/s | 1-2 valandas | Iš pradžių sulaužykite didelius aglomeratus |
| Antrinis šlifavimas | 0,3–0,5 mm | 10–12 m/s | 2-4 valandas | Smulki dispersija, pasiekti norimą smulkumą |
| Tretinis šlifavimas (neprivaloma) | 0,1–0,2 mm | 8–10 m/s | 1-2 valandas | Itin-smulki dispersija, skirta aukščiausios klasės-programoms |
Stebėjimo indikatorius:Mėginį imkite kas 30 minučių, kad patikrintumėte smulkumą (naudodami malimo smulkumo matuoklį). Kai smulkumas yra mažesnis arba lygus 20 μm ir per tris iš eilės bandymus reikšmingai nepasikeitė, dispersija gali būti laikoma baigta.
2 sprendimas: sustiprinkite išankstinį-dispersijos žingsnį
Drėgna išankstinė{0}}dispersija (rekomenduojama):Iš anksto sumaišykite CNT miltelius su dalimi tirpiklio ir dispergento ir 30–60 minučių maišykite su didelės spartos dispergatoriumi (linijinis greitis 15–20 m/s), kad susidarytų vienoda „pre-dispersinė suspensija“, tada tęskite granulių malimą.
Sausa išankstinė{0}}dispersija:Greitu{0}}maišytuvu išdžiovinkite-sumaišykite CNT miltelius su dalimi dispergento, tada įpilkite tirpiklio. Šis metodas gali sumažinti dulkių kiekį, tačiau reikalauja didesnių įrangos reikalavimų.
3 sprendimas: optimizuokite srutų sudėtį
Atitinkamai sumažinkite kietųjų medžiagų kiekį šlifavimo etape (rekomenduojama 15–20 %), kad pagerintumėte dispersijos efektyvumą.
Pasibaigus dispersijai, pridedant tirpiklio, sureguliuokite norimą kietosios medžiagos kiekį.
Įsitikinkite, kad dispergento dozė yra pakankama. Rekomenduojamas dispergento:CNT santykis nuo 0,1:1 iki 0,3:1.
4 sprendimas: pritaikykite sudėtinę sklaidos strategiją
Įveskite laidžią suodžius kaip „šlifavimo priemonę“. Laidžios suodžių dalelės yra vidutinio kietumo ir gali veikti kaip „terpė“ granulių frezavimo procese, padedančios sulaužyti CNT aglomeratus. Rekomenduojamas CNT ir laidžios suodžių santykis nuo 1:1 iki 1:3.
5 sprendimas: optimizuokite filtravimo sistemą
Naudokite kelių{0}}pakopų filtravimą: išankstinį-filtravimą (80–100 akių) + smulkų filtravimą (150–200 akių).
Norėdami pašalinti galimas metalines priemaišas, naudokite magnetinį filtrą.
Įrenkite slėgio jutiklį, kad galėtumėte stebėti filtravimo slėgį realiuoju laiku ir nedelsiant išvalyti arba pakeisti filtro elementą.
4. Greitų trikčių šalinimo nuorodų lentelė
Siekiant padėti pirmiesiems{0}}inžinieriams greitai rasti problemas, buvo sudaryta greita trikčių šalinimo lentelė:
| Gedimo tipas | Prioritetinės apžiūros prekės | Reguliavimo kryptis | Tikrinimo metodas |
|---|---|---|---|
| Klampumo atšokimas | 1. Dispersanto tipas 2. pH (vandens -pagrindo) 3. Drėgmės kiekis ({1}}aliejaus pagrindu) 4. Laikymo temperatūra |
1. Pakeiskite arba padidinkite dispergentą 2. Nustatykite pH iki 7,5–9,0 3. Padidinkite žaliavos džiovinimą 4. Išlaikykite lėtą maišymą |
Nuolatinis klampos stebėjimas Sandėliavimo stabilumo bandymas |
| Elektrodų lakštų miltelių išliejimas | 1. Rišiklio kiekis 2. Maitinimo seka 3. Kepimo temperatūros profilis |
1. Padidinkite rišiklio kiekį 10–15 % 2. Taikykite laipsniško pridėjimo metodą 3. Žemesnė priekinės zonos temperatūra |
Kryžminės-juostos testas Elektrodo lakšto varžos bandymas Ciklo veikimo testas |
| Filtravimo sunkumas | 1. Karoliukų malūnėlis cirkonio karoliukų dydis 2. Šlifavimo laikas 3. Išankstinis-dispersijos procesas |
1. Pereikite prie 0,3–0,5 mm cirkonio karoliukų 2. Prailginkite šlifavimo laiką 3. Pridėkite išankstinį-dispersijos žingsnį |
Malimo smulkumo matuoklis Lazerinis dalelių dydžio analizatorius Filtravimo slėgio stebėjimas |
5. Rekomendacijos prevencinio proceso valdymo sistemai
Prieš šalinant triktis, o ne laukti, kol atsiras problemų, geriau sukurti prevencinę kontrolės sistemą.
5.1 Atvežamos žaliavos patikrinimas
Patikrinkite kiekvienos CNT pastos partijos kietųjų medžiagų kiekį, klampumą ir smulkumą.
Patikrinkite kiekvienos CNT miltelių partijos konkretų paviršiaus plotą, drėgmę ir pelenų kiekį.
Sukurkite žaliavų duomenų bazę, kad galėtumėte stebėti partijų svyravimus.
5.2 Proceso valdymo taškai
| Proceso žingsnis | Valdymo taškas | Patikrinimo dažnumas | Valdymo diapazonas |
|---|---|---|---|
| Išankstinė-dispersija | Įklijavimo išvaizda | Kiekviena partija | Nėra sausų miltelių aglomeratų |
| Karoliukų frezavimas | Plonumas | Kas 30 minučių | Mažesnis arba lygus 20 μm |
| Maišymas | Klampumas | Kiekviena partija | Tikslinė vertė ±15 % |
| Filtravimas | Filtravimo slėgis | Nuolatinis stebėjimas | Žemiau nustatyta viršutinė riba |
| Dengimas | Elektrodų lakštų sukibimas | Per ritinį | Didesnė nei nustatyta vertė arba lygi jai |
5.3 Sukurkite procesų duomenų bazę
Įrašykite pagrindinius proceso parametrus ir kiekvienos partijos bandymo rezultatus, įskaitant:
Žaliavų partijų numeriai ir bandymų duomenys.
Karoliukų frezavimo laikas, srovė, temperatūra.
Pastos klampumas, smulkumas, kietųjų medžiagų kiekis.
Dangos efektas, elektrodo lakšto varža.
Akumuliatoriaus elektrocheminis veikimas.
Atlikdami duomenų analizę nustatykite optimalų proceso langą ir pasiekite „parametrais{0}}pagrįstą“ kokybės kontrolę.
6. Išvada
Proceso gedimai naudojant CNT laidžią pasta iš esmės yra nanomedžiagų ir makroskopinių procesų neatitikimas. Supratus CNT -didelio specifinio paviršiaus ploto ir didelio formato santykio- charakteristikas, atsižvelgiant į jų sklaidos elgseną, ir pakoregavus proceso parametrus bei formulės dizainą, bus galima išspręsti daugumą problemų.
Pagrindinių punktų santrauka:
Klampumo atotrūkis:Pasirinkite tinkamą dispergentą, kontroliuokite pH ir drėgmę.
Elektrodų lakštų miltelių išsiskyrimas:Naudokite pakankamai rišiklio, atkreipkite dėmesį į pridėjimo seką.
Filtravimo sunkumas:Naudokite mažus karoliukus, malkite lėtai, pirmenybę teikite išankstinei{0}}dispersijai.
Tikimasi, kad šis trikčių šalinimo vadovas padės greitai išspręsti gamybos priekinės linijos problemas ir leis šiai „stebuklai medžiagai“, anglies nanovamzdiams, iš tikrųjų suvokti savo veiksmingumo pranašumus.