悬浮稀释高剪切泵在锂电浆料分散中的应用

悬浮稀释高剪切泵在锂电浆料分散中的应用

锂电池专题
一，锂电池的基础知识和相关概念
二，锂电池浆料和传统分散工艺
三，悬浮稀释高剪切泵在锂电浆料分散中的应用
四，我司悬浮稀释高剪切泵在锂电行业的推广
前言
锂离子电池具有工作电压和比能量密度高、循环性好、无记忆效应等优点被广泛用于便携装置储能电池中，并在新能源汽车动力电池方面潜力巨大。作为财政部等关于新能源车补贴政策试点期的最后一年，预计2013 年，锂电材料用量规模有望在2010 年基础上翻倍。锂电池行业成为最大的收益者，从各证券公司的锂电池行业报告中可以看出，资本对于该行业的看好度呈增强趋势  
        我司悬浮稀释高剪切泵业已在锂电行业有相关的应用案例，综合行业信息以及我司设备特点和使用情况，建议本年度可将锂电池电极浆料分散乳化作为推广我司设备（搅拌机，粉液混合机，高剪切均质机）的突破方向之一。
一，锂电池的基础知识和相关概念
1.1 锂电池原理
锂离子电池商业化应用起始于20 世纪90 年代，日本索尼公司使用焦炭作为负极材料，从而克服金属锂电池可能导致起火甚至爆炸的缺陷。其工作原理是在充放电过程中，锂离子通过导电电解液在正极 - 负极 - 正极之间像运动员一样来回跑动，故俗称“摇椅式”电池，简称锂电池或 L I B 。同其它二次电池（铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池）相比，锂电池具有无记忆效应、比容量高以及可快速充放电等优点而被广泛用于储能电池，且特别在新能源汽车动力电池领域极具竞争力。
1.2 锂电池组成
锂电池主要由正极、负极、电解液、隔膜四种关键材料和辅助材料如容器、正/负极集流体、绝缘片、极耳、安全阀等构成。就成本构成而言：正极材料比重最大，占比40~46%，其次是隔膜、负极和电解液。

正极材料（商业化用）主要包括钴酸锂(LCO)、镍酸锂(LNO)、镍钴锰酸锂(NMC，简称三元)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)等。正极材料性能的主要评价指标包括工作电压、比容量、首次效率、压实密度以及循环性等。各类正极材料价格总体趋势是逐步下降的，但钴酸锂在2007 底至2008 年期间价格变化呈现急速上涨而又快速回落现象，原因是钴金属期货价格同期上涨后又急速下降 。
负极材料种类包括人造石墨(Artificial)、天然石墨(NG core)、中间相炭微球(Meso-phase)、无定形炭(Low-crystallinity carbon)、合金(Metal Type)和钛酸锂(LTO)等，其中无定形炭包括软炭(Soft carbon)和硬炭(Hard carbon)两种。负极材料主要性能指标有比容量、首次效率、循环性、灰分、压实密度等。其中，天然石墨特点是成本低和比容量高，循环性能略差；而人造石墨和中间相炭微球则具有优良的循环性和稳定性，由于需进行高温石墨化处理，对应材料成本增加。
电解液是锂电池的血液，其组成包括锂盐(电解质)、溶剂和添加剂。目前电解液体系已发展至第三代。
隔膜是一种多孔性塑料薄膜，种类包括织造膜，非织造膜( 无纺布) ，微孔膜，复合膜，隔膜纸，碾压膜等几类，但目前商业化应用的主要是聚烯烃微孔膜，包括单层PP(聚丙烯)、单层PE(聚乙烯)以及三层PP/PE/PP 复合膜。隔膜核心功能是保证离子在正负极迁移的同时阻止电极接触，主要参数包括厚度、孔径、刺穿强度、闭孔温度等。隔膜制备技术包括干法和湿法两大类，前者可分为单向拉伸和双向拉伸两种，它们各有优缺点。常规储能电池用隔膜厚度一般小于25 μm，动力电池用隔膜则厚至 40 μ m，隔膜越厚电池强度越高，在组装时不易被刺破。为进一步提高储能电池容量，希望制备厚度小于 15 μ m 的锂电池隔膜，该类隔膜有望通过在平面上高速地涂敷金属氧化物凝胶然后分成独立的隔膜。
1.3 锂电池分类
锂电池可根据应用领域、形状、正极材料、电解液、外壳包装材质等进行分类。结合日本IIT(Institute of Information Technology，工业信息研究院，简称IIT) 统计惯例和业界习俗，归纳如下分类方法：
一是根据应用领域分为储能电池和动力电池。
二是结合形状和外包装材料分为方形锂电池(Prismatic LIB-Pr LIB)、圆柱锂电池(Cylindrical LIB-Cy LIB)和软包锂电池(Pouch LIB)。
三是根据正极材料分为锰酸锂（日韩），磷酸铁锂（美.国内）等电池。
四是根据电解液分为液态锂电池和聚合物锂电池。
1.4 锂电行业的现状和发展趋势
1.4.1 锂电产业：
高增长中孕育“火山爆发”。2010 年全球锂电池总容量同比增长34.26%，锂电池各关键材料用量同比增长50%左右。鉴于新能源汽车的巨大市场，2013 年锂电池所需总容量为58138MWh，与2010 相比增长178%，届时对应的锂电材料有望翻倍。随着锂电技术的不断成熟，和政策对铅酸电池的打压态势，锂电有望在三至五年内替代铅酸电池。
1> 动力电池：毫无疑问是未来的方向，但是近3年内应该不会成为盈利的项目，仅有政府背景的企业才能盈利，其他企业一般都为试验；相应获利的正极材料为锰酸锂、NMC、磷酸铁锂（中国国情）；推荐隔膜材料为星源的32--40um隔膜；
2> 储能电池：太阳能和风能的利用会为锂电池提供又一应用领域，不过这些大型的电站也仅为政府支持的企业获利；相应获利的正极材料为磷酸铁锂；推荐隔膜为20um左右隔膜；
3> 平板电脑（掌上IPAD类电脑）电池：IPAD的火爆以及国内山寨技术的兴起，势必会为平板电脑电池带来巨大的商机，近期这种电池势必会火起来，大家拭目以待；给钴酸锂或者三元带来又一次商机；
4> 高容电池：智能机的兴起，电池越来越不经用，推出能量密度超高的电池应该是进军智能机的一张王牌，改善安全仍然是紧迫任务，要不手机就真成炸弹了；
5> 电动自行车：国内价格战已经逼退了很多企业，近期会来一次洗牌，侧重点会向两个方向发展：锰酸锂正极的低端产品和三元为主的高端产品；
6>  代步车以及越野电动摩托车：趋于环保的要求，这些车会兴起，不过主要市场在国外，这种电池需要5C（5倍率）左右放电，一般采用三元或者钴酸锂为正极材料。
1.4.2 正极材料：
三元和锰酸锂前景看好。正极材料中钴酸锂仍占据主要份额，三元、锰酸锂和磷酸铁锂已被用于新能源汽车动力电池中，且三元增速靓丽。从供应商市场占有率看：优美科(Umicore)和日亚化学(Nichia Corp.)的冠亚军地位仍难以撼动，分别占比32%和24%，国内领头羊则归属当升科技。
作为动力锂电池正极材料，安全性尤为重要，其次是高功率充放电、高能量密度以及环境友好和价格便宜。其中，评价安全性的两个重要指标是充电时形成枝晶的难易程度和氧化- 还原反应温度。下对储能和动力电池用各类正极材料现状及发展趋势进行归纳：
钴酸锂(LCO)。钴酸锂正极材料自锂电池研发成功以来一直被应用，目前在手机和笔记本电脑方面占据90% 的市场。其特点是压实密度高，单位体积能量密度为808mAh，且 Li/Co 十分重要，一般都小于 1。由于手机电池的迅速发展，需要适应3C~4C 的高倍率放电要求，希望正极材料粒径由过去的大颗粒向小型化发展，理想是控制在5~10 μ m 以保证电极密度。主要研究影响材料粒径和特性的因素，包括原料、沉淀方式、pH 值、反应温度等。同时通过研究掺杂以提高充电电压而提高能量密度。
镍酸锂(LNO)。其特点为能量密度高，但安全性欠佳，须掺杂后方能使用。该材料Ni含量须严格控制，因Ni+容易占据Li+的位置。研究重点在LNO中掺杂Mn、Al和Co 等，可以提高材料安全性，如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，材料与氧的热反应温度由200℃增加到310℃，可用于动力电池中。制备方法中的溅射干燥法已在业界推广，该方案来于户田工业(Toda Kogyo)。
锰系正极材料。该材料特点是锰资源丰富，环境友好且价格便宜。目前已报道的锰系材料包括尖晶石型LiMn2O4、尖晶石型Li2Mn2O4、斜方晶形LiMnO2、层状LiMnO2、O2型Li0.7MnO2、Li0.33MnO2等。其中，有潜力的Mn 系正极材料是LiMn2O4、斜方晶形LiMnO
2和层状Mn 基材料如LiNixMnyCo1-x-yO2三元材料，（NMC)和LiMnxNi1-xO2。尖晶石锰酸锂LiMn2O4材料在进入过充状态时，Li+继续脱嵌，结构转变为层状LiMnO2，从而避免金属析出而引起内部短路，同时其氧化还原温度高达 250℃，故具有优异的安全性，被认为是新能源汽车动力电池的最佳选择，其研究热点在于优化制备工艺和掺杂，如掺杂 Mg 和 Al 以克服高温容量衰减问题。
三元材料为基于六方晶系中的a-NaFeO2层状结构，其特点是引入Co 能减少阳离子混合占位情况，有效稳定材料的层状结构；引入 Ni 可提高材料的容量；引入Mn 可降低材料成本和提高材料的安全性。研究热点在于调节 Mn、Ni、Co 三者的比例，在新能源汽车用动力电池中前景看好，目前已有 5 3 2 、4 4 2 等配比。同时，业界也致力于发展一种具有层状结构固溶体材料— Li2MnO3与 LiMO2(M=Co、Ni、Mn等各种金属)，其特点是层状数可能超于275 层的理论上限，结构上具有一个锂层和各种过渡金属层(Co、Ni、Mn 等)，初始充电会造成钴、镍、锰等元素迁移至锂层从而形成稳定结构，比容量超过250mAh/g，对锂电位提高至5V。
磷酸盐体系(LMPO4)正极材料。该类材料包括橄榄石型和磷酸钒盐两类。橄榄石型结构的磷酸铁锂(LFP，LiFePO4)内的P 和O 紧密结合，在高温下也不会释放出气体，其氧化还原温度达 400℃，故具有高安全性特点。但 LFP 在实用化的同时其低电压弱点和材料一致性方面不稳定使其在业界出现了不同声音，目前国内锂电供应商比较偏向于使用LFP。但对LFP 材料而言，还有包覆碳和碳热还原两大核心专利技术问题无法回避。采用Mn 置换Fe 后的磷酸锰锂 (LMP，LiMnPO4)的对锂电位比LFP 高出0.7V 达4.1V，锂电池中高的电压意味着高的能量密度，业界正加速利用LMP 材料的进展。单斜结构的磷酸钒盐(Li3V2(PO4)3)的理论容量为332mAh/g，对锂电位为4.8V，具有高的锂扩散系数和优良的安全性，且原料价格便宜，在动力锂电池中颇受关注。目前研究热点在于优化制备工艺，同时通过包覆、掺杂等工艺来改善材料的电导率，从而提高材料的充放电循环性。另外，鉴于目前商业化正极材料比能量密度均未超过200mAh/g，研究热点还包括不受金属资源限制、比容量在400~600mAh/g 的有机化合物正极材料，如红氨酸 等 。
1.4.3 负极材料：
高容量电池的基石。炭材料是负极市场主流，而天然石墨因成本优势逐步侵蚀其它负极材料。人造石墨和中间相炭微球在动力电池领域更具竞争力，合金负极材料是高储能锂电池的首选。对具体负极材料供应商来看：天然石墨方面是日本炭素和中国宝安旗下的深圳贝特瑞；人造石墨类日立化成的 MAGD 系列产品占据主导地位，其次是上海杉杉的FSN 和3H 系列；中间相炭微球依次为JFE Chemical 和上海杉杉。
1.4.4 电解液。
电解液核心组分六氟磷酸锂国内市场占有率有望进一步提高，新型锂盐Li2B12F12具有优良的高温稳定性而受到重视。目前电解液领域的研究重点是添加剂选型与配比。
位居前列供应商的仍是日本宇部(UbeIndustries)和韩国Chiel，江苏国泰仍为国内电解液龙头。
1.4.5 隔膜。
在动力电池隔膜方面，特别关注成本和安全性，美国Polypore 和日本东燃倾向于使用干法工艺制备的PP 膜。为进一步提高隔膜的耐热性，隔膜研究重点包括高耐热性无纺布隔膜和陶瓷隔膜，如直接使用高耐热性纤维素和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）的无纺布隔膜，其倍率特性和充放电循环性能均优于PP隔膜。陶瓷隔膜是指在多孔PP 隔膜两面形成厚度2~3μm 的金属氧化物陶瓷层如氧化铝(Al2O3)，目的是防止大电流通过时发生内部短路。
全球隔膜制造商分为三个梯队：第一是日本旭化成、美国Polypore 和日本东燃，市场占比70%；第二梯队为日本宇部(Ube Industries)、美国Entek 和Sk，占比约25%；第三梯队主要来于中国隔膜“三巨头”，包括星源材质(Shenzhen Senior Technology Material)、金辉高科(Foshan Jinhui H-Tech)和新乡格瑞恩(Xinxiang Green New Energy)，产品目前主要集中在中低端领域，市场占比仅 4 % 。
二，锂电池浆料和传统分散工艺
2.1锂电池浆料的特性
锂离子电池浆料是由多种不同比重、不同粒度的原料组成，又是固-液相混合分散，形成的浆料属于非牛顿流体。锂离子电池浆料是一种像油状的流动的液体，所以具有一般流体所具有的特征如粘性、流动性等，同时因为电池浆料是一种液固两相流，所以还具有一些自身特殊的性能。
2.1.1 锂离子电池浆料流变性
流变性是指物质在外力作用下的变形和流动性质。由于液体不能承受剪切力，因而不能保持其外形的稳定。在外力的作用下，液体就会发生流动和变形等的性质，称为流变性。
浆体的流变性十分复杂．一种浆体在低浓度时可能表现为牛顿流体或假塑性流体；浓度稍高产生絮团后，可能表现为宾汉流体；更高的浓度下又可能会出现胀塑性流体。对同—种浆料，在剪切率不太高时，不出现胀流现象，剪切率高时又可能转化为胀塑性流体。有些非牛顿流体在低剪切速率和高剪切速率下都可能呈现牛顿流体形象，这可能是因为在低剪切速率下，分子的无规则热运动占优势，体现不出剪切速率对其中物料重新排列使表观粘度的变化，当剪切速率增高到一定限度后，剪切定向达到了最佳程度，因而也使表观粘度不随剪切速率而变。如前所述，许多非牛顿体其流变特性受到体系中结构变化的影响。
影响锂离子电池浆料流变性的一些主要参数：
(1) 分散相或固相的类型及表面电荷的大小。对于不同种类的正负极活性物质，如正极常用的钴酸锂、锰酸锂，负极常用的石墨粉、中间相炭微球，由于其种类不同，因而具有不同的水化膨胀特性以及不同的表面电荷，这样，不同种类的活性物质其分散特性、胶溶特性以及形成具有一定强度的结构体系的能力也各不相同，其宏观表现是不同种类的活性物质配制而成的浆料具有不同的流变特性。
(2) 固相的浓度。分散相或固相浓度的大小主要影响浆料的屈服应力和塑性粘度或表观粘度。在一般槽况下，固相浓度越大，其屈服应力、塑性粘度或表观粘度越大。
(3) 固相颗位的大小、形状以及粒径的分布。在固相浓度不变的条件下，颗粒的粒径越小，由于其总的表面积增加，因而浆料的屈服应力和粘度将随之增加。
(4) 分散介质本身的粘度。不同的溶剂具有不同的粘度，使得浆料的粘度也将随之变化。
(5) 温度和压力。在不同的温度和压力下浆料具有不同的流变特性。
(6) 浆料的 PH 值。
2.1.2 锂离子电池浆料触变性
触变性是指流体在剪切力作用下的一种结构破坏与恢复原有结构的效应。
描述锂离子电池浆料的触变性主要包括触变的最后效果和触变过程，触变过程是指在一定的条件下锂离子电池浆料中的胶链结构随时间的破坏和恢复过程，它反映了触变性的时间效应。触变的最后效果是指在一定实验条件下达到稳定时的最大触变量。这里所说的达到稳定是指浆料内的结构破坏与恢复的一种动态平衡，而其宏观表现则为锂离子电池浆料剪切应力的固定不变，亦即剪切应力具有不随时间而变化的稳定数值。
2.1.3 分散效果对锂离子电池浆料的影响
混合分散工艺在锂离子电池的整个生产工艺中对产品的品质影响度大于 30%，是整个生产工艺中最重要的环节。锂离子电池的电极制造，正极浆料由粘合剂、导电剂、正极材料等组成；负极浆料则由粘合剂、石墨碳粉等组成。正、负极浆料的制备都包括了液体与液体、液体与固体物料之间的相互混合、溶解、分散等一系列工艺过程,而且在这个过程中都伴随着温度、粘度、环境等变化。在正、负极浆料中，颗粒状活性物质的分散性和均匀性直接响到锂离子在电池两极间的运动，因此在锂离子电池生产中各极片材料的浆料的混合分散至关重要，浆料分散质量的好坏，直接影响到后续锂离子电池生产的质量及其产品的性能。
2.2 锂离子电池浆料分散机理
2.2.1 浆料稳定性理论
大部分的浆料都是属于悬浮液体系。不稳定的悬浮液在静止状态下发生絮凝，并由于重力作用而很快分层，分散的目的就是要在产品的有效期内抗絮凝、防止分层，维持悬浮颗粒的均匀分布，提高产品的稳定性。
2.2.1.1 悬浮液的絮凝理论
絮凝作用即是在静态（由于布朗运动）或动态（在剪切力作用下条件下，通过颗粒碰撞引起颗粒数目减少的过程。胶体系统中，如不考虑稳定剂，颗粒间的相互作用主要有范德华（Vander Waals）引力；伴随着带电颗粒的库仑（Coulombic）力（斥力或引力）。这些力的起因截然不同，Derjaguin 和 Landau 在苏联，Verwey 和 Overbeek 在荷兰分别独立的提出 DLVO 理论，构成了亲液分散体系中絮凝作用经典理论的基础，阐述了胶体悬浮体系的稳定性主要与胶体颗粒间上述两个独立的相互作用的相对距离有关。
2.2.1.2 悬浮液的分层理论
分层是分散相在外力（重力或离心力）作用下，在连续相中上浮或下沉的结果。在忽略布朗运动效应的静态条件下，可用Stokes 定律来描述，即分散相球形颗粒由于重力的沉降速度 V 由下式确定：

式中
ρs -ρ为分散相与连续相的密度差，g 为重力加速度，d 为分散相颗粒直径，μ为连续相的粘度。如果分散相颗粒的密度比连续相密度大，颗粒下沉，速度 V 为正值，反之，颗粒上浮，速度为负值。沉降速度大，浆料就容易分层。如果要保持体系稳定，就必须降低沉降速度，对于特定的浆料可以通过减小分散相固体颗粒直径 d。因为只有当粒径减至连续相液体分子大小时，颗粒才能稳定、均匀地分散在液体中不发生分离。
通过以上的分析我们可以看出，要提高悬浮液的稳定性，分散相颗粒的粒径应尽量细小。但应该指出，根据前人所做的大量研究发现，随着颗粒粒度的减小，虽然颗粒由重力引起的分离作用变为次要的因素，但是由于颗粒之间的间距减小，颗粒之间的结合力（范德华力等）起到了重要决定性作用。另外，当颗粒直径小于某一细小尺寸时，此时，颗粒的布朗运动效应就不能忽略了，所以由于细小颗粒的布朗运动，而使得颗粒之间产生激烈地碰撞。若不加稳定剂，这些情况都会导致颗粒团聚，对体系的稳定是不利的。所以浆料的分散中，颗粒粒径并非越细越好，要视浆料的特性而定。分散就是要根据物料的特性与特点，减小分散相颗粒的粒度，使其分布于一个较窄的尺寸范围，并达到吸力与斥力的相互平衡，从而保证浆料体系的稳定。
2.2.2 团聚与分散的关系
浆料的团聚是指原生的微细颗粒在制备、分散及存放过程中，相互连接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象。
颗粒在液相介质中表现为分散和团聚两种基本的行为。颗粒在液体介质中的团聚是吸附与排斥共同作用的结果，其根源是颗粒间的相互作用力。在悬浊液体系中，粉体颗粒的团聚是吸附和排斥共同作用的结果。如果吸附作用大于排斥作用，粉体颗粒团聚；如果吸附作用小于排斥作用，粉体颗粒则分散。在液体介质中，粉体颗粒受力情况较复杂，不仅有像范德华力、静电力、表面张力、毛细管力等产生团聚的吸引力，而且在粒子的表面，还会产生双电层静电作用、溶剂化膜作用、聚合物吸附层的空间保护作用等使纳米颗粒趋向于分散的斥力作用。
颗粒在介质中的稳定分散一般包括以下过程：润湿、机械分散及分散稳定。润湿通常指颗粒与颗粒之间的界面被颗粒与溶剂、分散剂等界面所取代的过程。机械分散是利用剪切力将大量颗粒细化、使团聚体解聚、被润湿、包裹吸附的过程。分散稳定是指将原生粒子或较小的团聚体在静电斥力、空间位阻斥力作用下来屏蔽范德华引力,使颗粒不再聚集的过程。团聚体分散解聚的直接原因是受到剪切力和压力的作用，剪切力在分散过程中起到了决定性的作用。
2.2.3 团聚体变形与破裂
在研究流动性质随时间和应力的变化时，一般要考察颗粒的结合与破裂。研究发现，无论是颗粒的结合所必须得碰撞，还是多颗粒团的破坏，都与颗粒大小有紧密的函数关系，也就是说，颗粒大小是影响流变和稳定性的一个关键因素.
在层流状态下，流体中的物料团聚体受层流剪切力作用。不考虑团聚体的重力作用，物料团聚体受剪切力t的作用与表面张力σ的作用。剪切作用的切向分tt的作用效果是使团聚体发生旋转的主要原因，而法向分力tn和表面张力则在团聚体的内部分别产生压差，这两种压差综合作用的结果就是使团聚体的内部产生变形，在其原有裂纹的区域上就会产生应力集中，并最终导致团聚体的破碎与分散，分解成更小尺寸级别的颗粒。

在湍流状态下，流场的变化非常迅速，且存在着固体分散相与液体连续相之间的相互作用，例如由于固体相对液体相湍流具有的阻尼作用，使其脉动强度降低，流场中流动情况相当复杂。所以为了简化起见，在假定湍流是均匀的，并且是各向同性的基础上，认为液滴的破裂由湍流的脉动效应所引起的。在这种情况下，液滴受到的粘性剪切应力可忽略，若两相粘度和密度相差比较小，则在液滴表面将会产生振动，振动将会使其形状相对于平衡的球形而发生变化，当变化的程度足够大时，液滴就会不稳定，破裂成两个或更多的小液滴，条件是液滴振动的动能足以提供破裂后所增加的表面能.
2.3浆料传统混合分散工艺
混合分散工艺在锂离子电池的整个生产工艺中对产品的品质影响度大于 30%，是整个生产工艺中最重要的环节。锂离子电池的电极制造，正极浆料由粘合剂、导电剂、正极材料等组成；负极浆料则由粘合剂、石墨碳粉等组成。正、负极浆料的制备都包括了液体与液体、液体与固体物料之间的相互混合、溶解、分散等一系列工艺过程,而且在这个过程中都伴随着温度、粘度、环境等变化。在正、负极浆料中，颗粒状活性物质的分散性和均匀性直接响到锂离子在电池两极间的运动，因此在锂离子电池生产中各极片材料的浆料的混合分散至关重要，浆料分散质量的好坏，直接影响到后续锂离子电池生产的质量及其产品的性能。
目前传统的锂离子电池浆料的制备都是在双行星分散设备中完成的。尽管目前在小型电池生产技术上已日趋成熟，但目前锂离子电池的生产过程中，电池的一致性控制仍然是锂离子电池制作的技术难点，尤其是对于大容量、大功率的动力型锂离子电池。另外，随着锂离子电池材料的不断进步，原材料颗粒粒径越来越小，这不仅提高了锂离子电池性能，也非常容易形成二级团聚体，从而增加了混合分散工艺的难度。
2.3.1. 正极浆料的制备（以钴酸锂为例）
正极浆料的制备过程实际上是将浆料中的各种组成按标准比例混合分散在一起，调制成浆料，以利于均匀涂布，保证极片的均匀一致性。正极制浆主要包括五个步骤，即原料的预处理、掺和、浸湿、分散和絮凝。
(1) 原料的物理性能
a. 钴酸锂：非极性物质，不规则形状，粒径 D50一般为 6~8μm，含水量≤0.2%，通常为碱性，pH 值为 10~11。锰酸锂：非极性物质，不规则形状，粒径 D50
一般为 5~7微米含水量≤0.2%，通常为碱性，PH 值为 8 左右。
b. 导电剂：非极性物质，葡萄链状物，含水量 3%~6%，吸油值约为 300，粒径一般为 2~5μm；主要有普通炭黑、超导炭黑、石墨乳等，在大批量应用时一般选择超导炭黑和石墨乳复配，通常为中性。
c. PVDF 粘合剂：非极性物质，链状物，其分子量为 300,000~3,000,000 不等，吸水后分子量下降，黏性变差。
d. NMP (N-甲基吡咯烷酮)：弱极性液体，用于溶解/溶胀 PVDF，同时作为溶剂稀释浆料。
(2) 原料的预处理
a. 钴酸锂：脱水，一般用 120℃常压烘烤 2 小时左右。
b. 导电剂：脱水，一般用 200℃常压烘烤 2 小时左右。
c. 粘合剂：脱水，一般用 120~140℃常压烘烤 2 小时左右，烘烤温度视分子量的大小决定。
d. NMP：脱水，使用干燥分子筛脱水或采用特殊取料设施，直接使用。
(3) 原料的掺和：
a. 粘合剂的溶解（按标准浓度）及热处理。
b. 钴酸锂和导电剂球磨：使粉料初步混合，钴酸锂和导电剂粘合在一起，提高团聚作用和的导电性。配成浆料后不会单独分布于粘合剂中，球磨时间一般为 2 小时左右；为避免混入杂质，通常使用玛瑙球作为球磨介子。
(4) 粉体的分散和浸湿
固体粉末放置在空气中，随着时间的推移，将会吸附部分空气在固体的表面上，液体粘合剂加入后，液体与气体开始争夺固体表面；如果固体与气体吸附力比与液体的吸附力强，液体不能浸湿固体；如果固体与液体吸附力比与气体的吸附力强，液体可以浸湿固体，将气体挤出。当润湿角≤90 度，固体浸湿。当润湿角＞90 度，固体不浸湿。正极材料中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿，所以正极粉料分散相对容易。分散方法对分散的影响：静置法（时间长，效果差，但不损伤材料的原有结构）；搅拌法：自转或自转加公转（时间短，效果佳，但有可能损伤个别材料的自身结构）。
影响混合分散过程的主要参数有：
1、搅拌速度对分散速度的影响。一般说来搅拌速度越高，分散速度越快，但对材料自身结构和对设备的损伤就越大。
2、浓度对分散速度和粘结强度的影响。通常情况下浆料浓度越小，分散速度越快，但太稀将导致材料的浪费和浆料沉淀的加重。浓度越大，柔制强度越大，粘接强度越大；浓度越低，粘接强度越小。
3、真空度对分散速度的影响。高真空度有利于材料缝隙和表面的气体排出，降低液体吸附难度；材料在完全失重或重力减小的情况下分散均匀的难度将大大降低。
4、温度对分散速度的影响。适宜的温度下，浆料流动性好、易分散。太热浆料容易结皮，太冷浆料的流动性将大打折扣。
(5) 稀释
加入溶剂将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。
2.3.2 负极浆料（以石墨为例）的制备
负极浆料的制备大致与正极制浆的步骤相同。
(1) 原料的物理性能
a. 石墨：非极性物质，易被非极性物质污染，易在非极性物质中分散；不易吸水，也不易在水中分散。被污染的石墨，在水中分散后，容易重新团聚。一般粒径 D50为 20μm左右。颗粒形状多样且多不规则，主要有球形、片状、纤维状等。
b. 水性粘合剂（SBR）：小分子线性链状乳液，极易溶于水和极性溶剂。
c. 防沉淀剂（CMC）：高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。
d. 异丙醇：弱极性物质，加入后可减小粘合剂溶液的极性，提高石墨和粘合剂溶液的相容性；具有强烈的消泡作用；易催化粘合剂网状交链，提高粘结强度。乙醇：弱极性物质，加入后可减小粘合剂溶液的极性，提高石墨和粘合剂溶液的相容性；具有强烈的消泡作用；易催化粘合剂线性交链，提高粘结强度。
e. 去离子水（或蒸馏水）：稀释剂，酌量添加，改变浆料的流动性。
(2) 原料的预处理
a. 石墨：经过混合，使原料均匀化，提高一致性，然后在 300~400℃常压烘烤，除去表面油性物质，提高与水性粘合剂的相容能力，修圆石墨表面棱角（有些材料为保持表面特性，不允许烘烤，否则效能降低）。
b. 水性粘合剂：适当稀释，提高分散能力。
(3) 掺和、浸湿和分散：
a. 石墨与粘合剂溶液极性不同，不易分散。
b. 可先用醇水溶液将石墨初步润湿，再与粘合剂溶液混合。
c. 应适当降低搅拌浓度，提高分散性。
d. 分散过程为减少极性物与非极性物距离，提高势能或表面能，所以为吸热反应，搅拌时总体温度有所下降。如条件允许应该适当升高搅拌温度，使吸热变得容易，同时提高流动性，降低分散难度。
e. 搅拌过程如加入真空脱气过程，排除气体，促进固-液吸附，效果更佳。
(4) 稀释
加入溶剂将浆料调整为合适的浓度，便于涂布。
2.3.3传统分散工艺面临的问题
  （1）根据传统工艺中的叶轮剪切/循环特性，可以把叶轮的作用分为两大类，第一类是对叶轮附近产生的剪切作用；第二类则是通过叶轮泵出的流量产生循环作用。浆体的进一步分散作用主要依靠叶轮的剪切作用，而叶轮的流量决定了叶轮的分散的能力。而在离叶轮端部较远的区域，总会存在一层浆料始终停滞不动，这个区域也就是人们常说的“死区”，分散设备的工作区域越大，而且浆料黏度越高，“死区”的问题就越突出，就算采用不同的叶轮和结构，死区仍然难以避免，因此在锂离子电池浆料的制备过程中，所制得的浆料产品就会出现混合分散不均匀、粉体颗粒与粘合剂接触不均匀、易分层和发生硬性沉淀等一系列问题。
（2）在操作过程中双行星搅拌也会遇到诸多问题：
1.批次分散工艺，混合分散时间长，能量消耗大。
2 电极粉末材料由行星搅拌器顶部加入，粉尘容易飞扬、漂浮。更重要的是粉末与液相混合极易发生团聚
3. 物料易残留于行星搅拌器的罐盖、罐壁及搅拌桨上，清洗操作困难。
4. 空气易存留于分散混合罐，气泡的产生影响分散效果。
5. 批次工艺致使量产受到限制，生产线占地面的大，维护成本高。

  
三，悬浮稀释高剪切泵在电池浆料分散过程中的应用
    锂离子电池浆料的混合分散过程可以分为宏观混合过程和微观分散过程，这两个过程始终都会伴随着锂离子电池浆料制备的整个过程。把双行星分散设备作为宏观混合单元溶入到锂离子电池浆料快速分散系统之中，把超剪切分散装置作为微观分散控制单元，这将会大大提高了锂离子电池浆料的分散效果和效率。
3.1高剪切分散机理
在高剪切分散设备中，作用于液体的能量一般相当集中，这样可以使液体收到高能量密度的作用。引入能量的类型和强度必须足以使分散相颗粒有效地均匀分散。分散均匀的本质是使物料中分散相（固体颗粒、液滴等）受流体力学上的剪切作用和压力作用破碎并分散。
液体物料分散系中固体分散相颗粒或液滴破碎分散的直接原因是受到剪切力和压力的共同作用。引起剪切力和压力作用的具体流体力学效应主要有三种，它们分别是层流效应、湍流效应和空穴效应。层流效应的作用是引起固体分散相颗粒或液滴的剪切和拉长，湍流效应的作用是在压力波动作用下引起固体分散相颗粒或液滴的随意变形，而空穴效应的作用则是使形成的小气泡瞬间破灭产生冲击波，而引起剧烈搅动。综上所述，超剪切分散设备内物料的分散机理比较复杂，主要是以剪切作用起主导作用，而以其他作用为辅。浆体物料在高频压力波的作用下产生反复的压缩效应，同时又受到超剪切分散设备内窄小间隙内的剪切力和回旋剪切力的强烈作用，如此综合反复的作用，被处理的浆料产生强烈的分散和粉碎作用，最终达到快速超细分散的目的。
3.2悬浮稀释高剪切泵用于锂电浆料的分散
悬浮稀释高剪切泵可用于电芯正极或负极，油性或水性浆料的分散乳化（油性浆料的粘结剂为PVDF溶剂为NMP，水性浆料的粘结剂为SBR+CMC溶剂为水，有时水性负极浆料也会添加少量NMP是为了增加SBR,CMC,水,石墨之间的相容性,对改善粘辊是非常有效的,许多电池发生辊压粘辊时都是采用加NMP的方法,一般占固体的5%,或浆料总重量的2%左右）
高剪切分散可有以下两种方式：
一为上图所示，在双行星搅拌预混后添加悬浮稀释高剪切泵把浆料中颗粒团聚进行破碎，细化和对粒径分布范围进行收缩，提高浆料的分散性和均一性。部分厂家储能电池浆料的生产也会用到胶体磨，相对于动力电池，储能电池对浆料的要求相对较低。
二是用粉液混合机代替双行星进行浆料的初步混合，如下图。混合机的喂料可以通过在机器入口处安装的漏斗来进行一定顺序的加入。粉体喂料时可以完全手动，也可以选择半自动或全自动操作，同时也可以选择输送机、气动装货设备或是其他的传输设备。储料罐中的刮边搅拌机一方面是对固含量不断提高的浆料进行均匀，另一方面可以加速浆料的流动，以提高分散效率，节省循环的时间。
IKN粉液混合机，高剪切分散机与间歇式的行星搅拌器混合装置相比，在电极粉末材料（固相）与溶剂（液相）的混合、电池浆料的均匀分散上具有相对的优势，表现在：
1. 电极粉末材料（固相）与溶剂（液相）能实现在线湿化，极少发生团聚现象，粉液混合效率极高。
2. 连续式分散工艺，混合分散效率高，时间短，能量消耗小。
3. 全密闭式分散腔，避免空气引入影响分散效果，设备能实现在线清洗，清洗操作方便高效。
4. 全密闭式分散系统能耐压工作，连续式工艺能实现量产，设备占地面积小，维护成本低。
5. 精细分散能量输入可控，所得浆料粒径分布窄，产品质量更稳定。
高剪切分散对浆料外在特性的影响见下图
3.3国内锂电浆料分散设备厂商
双行星厂家：百度可以搜出一大堆
高剪切厂家：把锂电浆料作为使用方向的公司（推广力度较大）：无锡轻大装备，无锡赫普公司
四，依肯悬浮稀释高剪切泵在锂电行业的推广
由于大部分锂电厂商都已配有双行星搅拌，因此推广我司设备可以针对现实的情况参考上文3.2中第一种方案！
4.1 依肯悬浮稀释高剪切泵具有的独特技术优势
高剪切分散乳化设备的技术优势主要体现在以下 4个方面——
1，同直径转子转速相较其它厂家2900转左右高出约三倍：
      立式分体式结构，运行时间长，不易造成轴的偏心，容易更换，而且只要更换相应的皮带，一般的人员可以操作。立式分体结构，通过皮带传动，并实现加速，加速比为3：1，以ERS2000-4为例正常50HZ频率下转速为7890RPM,外加变频可达13789RPM。。ERS2000/4转子的直径为55mm。
由此可得线速度
V1= 3.14X0.055X7890/60 =23 M/S
V2=3.14X0.055X13789/60=40 M/S
2，转子结构更精密并有独特设计,使之剪切作用力更大，剪切效果更好。
   IKN定转子的间距可做到0.2-0.3mm，齿缝间距1mm.
  剪切速率的定义是两表面之间液体层的相对速率。
– 剪切速率F (s-1) = v 速率 (m/s)/g 定-转子间距 (m)
   由上可知，剪切速率取决于以下因素：
– 转子的线速度
– 转子-定子间距
   结合1，2中的数据可得:
   F1=（23/0.25）X1000=92000 S-1
  F2=（40/0.25）X1000=160000 S-1 
   普通转速为3000RPM的机型大约在 14293-21544 S-1
3，德国进口双端面机械密封拥有独特结构和特殊材质保证高速运转和长使用寿命
满足以下条件使得机械密封的使用寿命更长:
- 可允许的压力比率
- 充份的冷却和湿度
- 材料的合适搭配.
ikn密封件为双端面集装式密封，耐压性好，超高转速下拥有优异的密封表现。配有压力平衡罐，充入适当压力可保证机封上下端面受力平衡，同时运转时可通过自身偏心结构的带来的泵环效应和热虹吸效应实现冷却水的自动循环。该循环系统为独立系统，与外界无接触，平衡罐内冷却液可选纯化水或合适的溶剂，有效避免普通自来水冷却压力不稳和含有少量颗粒杂质对机封带来的损坏。
4，中试型乳化分散机与大型工业管线式量产机型配置基本相同。
各种工作头的种类及相应线速度相同，中试过程中的工艺参数在工业化后之后不用重新调整，从而将机器型号升级到工业化的过程中的风险降到最低。
4.2 DLT企业悬浮稀释高剪切泵在锂电行业的应用案例
4.3 依肯悬浮稀释高剪切泵在锂电行业的推广方案
4.3.1 推广目的
锂电行业方兴未艾，现有厂家的工艺水平无法满足市场对锂电池的性能要求，同时在政策引导作用下，锂电引领了一股新投资风潮。而我司已有部分成功案例，此时大力推广我司悬浮稀释高剪切泵，有助于改善老厂家的工艺水平，并使新进企业工艺上处于较高的起跑水平，有助于推动整个行业的向前发展。同时有助于我司在锂电行业的成长期占据一定的市场份额和建立起先发优势，树立起专业的锂电分散设备品牌形象。