CN102836669A

CN102836669A - 搅拌桨

Info

Publication number: CN102836669A
Application number: CN2012103396660A
Authority: CN
Inventors: 张宁欣
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd; Dongguan Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd; Dongguan Amperex Technology Ltd
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2012-12-26

Abstract

本发明公开了一种搅拌桨，其包括搅拌臂，所述搅拌臂表面分布有微结构阵列。相对于现有技术，本发明搅拌桨通过分布于搅拌臂表面的微结构阵列在浆料中形成微观尺度的流场，缩小了现有搅拌流场的低效率剪切区和无效作用区，使得待分散的固-液/液-液混合物能够迅速达到宏观分布均匀与微观分散一致的状态，达到提高搅拌效率、改善浆料一致性，同时减小浆料制备过程由于规模不同而产生的差异、缩短新工艺开发流程。

Description

搅拌桨

技术领域

本发明涉及一种搅拌桨，尤其是一种适用于锂离子电池浆料制备的高效搅拌桨。

背景技术

锂离子电池作为一种高能量密度的化学电源，在现代移动通信设备等消费领域发挥着不可替代的作用。通常，锂离子电池的生产过程包括制浆、涂布、冷压、分条、卷绕、封装、注液、化成等工序，其中，制浆作为锂离子电池生产的第一道工序，其目的是将活性物质粉末、导电剂粉末、分散剂/粘结剂粉末或溶液等分散于溶剂中，形成均匀、稳定的悬浊液，而悬浊液中各组分分散的均匀程度对于后续涂布工艺、烘干过程、冷压分条等工序具有直接的影响。

目前主流的搅拌分散设备为采用自转+公转运动方式的搅拌桨，搅拌桨在整个搅拌罐空间内驱动流体，从而对固-液混合物进行长时间的机械搅拌。请参阅图1，目前常用的双行星搅拌桨11的搅拌臂12为扭曲型结构，对于粘度较高的浆料需要增加转速较大的自转分散盘的运动，对浆料产生高速剪切来达到均匀分散的效果。请参阅图2，扭曲型搅拌桨11运动时在流体中产生的流场主要分为平行于搅拌桨11的对称轴23的流场21和垂直于搅拌桨11的对称轴23的流场22。对于不同粘度的浆料而言，相同的搅拌作用所产生的流场21、22的分布不同；在同一搅拌罐中，搅拌桨11所产生的剪切作用随着浆料与搅拌桨11距离的增加而减小。因此，在搅拌过程中，某一搅拌罐内会同时分布有层流、湍流和涡流等流体运动状态，不同流体状态的影响区域都与搅拌桨11的尺寸和搅拌罐的尺度有关，一般在厘米甚至更高量级。但是，对于典型的锂离子电池浆料而言，由于活性物质颗粒大多在数十微米量级，未来可能会向着小颗粒方向发展，达到亚微米甚至纳米量级，由厘米尺度的流体运动对亚微米尺度的颗粒产生作用、进行分散，最终形成微米、纳米尺度的悬浊液，效率比较低，需要通过增加搅拌时间、搅拌强度、升高温度等来实现。目前，锂离子电池电极浆料的平均混合制浆时间约为8～10小时。

另外，由于搅拌分散过程是利用流体的剪切作用来分开团聚的颗粒，所以团聚分散的效果与流体剪切作用的强度密切相关，流体的剪切作用强度则由搅拌桨尺度和流体的特性如黏度等因素决定，而且上述相互作用关系在不同的搅拌桨尺度下表现不同，不是简单的等比例线性关系，这导致了研发实验与中试、量产规模的粉料分散和浆料制备之间存在着搅拌效果的尺寸效应现象，以致于研发规模的良好分散效果难以在中试、量产规模下顺利、快速地实现。

有鉴于此，确有必要提供一种能够提高制浆效率、弱化尺寸效应的搅拌桨。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种能够提高制浆效率、弱化尺寸效应的搅拌桨，以缩短新工艺流程的量产时间，并提高浆料品质的一致性。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种搅拌桨，其包括搅拌臂，所述搅拌臂表面分布有微结构阵列。

作为本发明搅拌桨的一种改进，所述微结构为凹坑或凸起，或是凹坑与凸起的组合结构。

作为本发明搅拌桨的一种改进，所述微结构为对称结构或非对称结构，为对称结构时，其对称轴垂直于搅拌臂的基准面。

作为本发明搅拌桨的一种改进，为了起到更好的微观混合效果，所述微结构的特征尺寸为2～200微米，相邻微结构之间的间距在2~4000微米之间。

作为本发明搅拌桨的一种改进，为了便于加工，所述凹坑或凸起的形状优选为棱柱体、棱台、圆柱体、圆台等相对规则的形状，或是前述两种或多种形状的组合。

作为本发明搅拌桨的一种改进，为防止浆料颗粒在所述凹坑或凸起的死角部位沉积，凹坑或者凸起的界面交接处均采用圆角结构，以便于清洁。

作为本发明搅拌桨的一种改进，所述微结构采用机械加工、激光加工或电化学加工方式形成。

作为本发明搅拌桨的一种改进，所述微结构采用激光刻蚀或化学腐蚀方式形成。

作为本发明搅拌桨的一种改进，所述搅拌臂为扭曲型结构，其数目为2～6个，且为对称或旋转对称方式分布。采用多个搅拌臂，能够减少浆料颗粒与搅拌臂的距离，从而改善宏观分散性能；将搅拌臂设计成对称或旋转对称，可以使整个搅拌桨的重心落在中轴线上，从而提高搅拌桨旋转时的机械稳定性。

相对于现有技术，本发明搅拌桨通过分布于搅拌臂表面的微结构阵列在浆料中形成微观尺度的流场，缩小了现有搅拌流场的低效率剪切区和无效作用区，使得待分散的固-液/液-液混合物能够迅速达到宏观分布均匀与微观分散一致的状态，达到提高搅拌效率、改善浆料一致性，同时减小浆料制备过程由于规模不同而产生的差异、缩短新工艺开发流程。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明搅拌桨及其有益技术效果进行详细说明。

图1为现有搅拌桨的结构示意图。

图2为现有搅拌桨工作时在流体中产生的流场分布示意图。

图3为本发明搅拌桨第一实施方式的搅拌臂结构示意图。

图4为本发明搅拌桨第二实施方式的搅拌臂结构示意图。

图5为本发明搅拌桨第三实施方式的搅拌臂结构示意图。

图6为本发明搅拌桨第二实施方式的搅拌臂的微凹坑阵列结构示意图。

图7为本发明搅拌桨第一实施方式的搅拌臂的微结构在流体中产生的局部流场分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

本发明搅拌桨的主体结构采用双行星、三行星或多行星扭曲型结构设计，搅拌臂的数目为2~6个，以对称或旋转对称的方式分布。为了使搅拌桨工作时能产生对亚微米尺度的颗粒起作用的流场，本发明在每一搅拌臂的整个或绝大部分表面上设置凹坑或凸起或是二者结合的微结构阵列，这些微结构可以是棱柱体、棱台、圆柱体、圆台或是几者的组合，特征尺寸在2~200微米之间，相邻微结构之间的间距在2~4000微米之间。微结构可以为对称结构或非对称结构，为对称结构时，其对称轴垂直于搅拌臂的基准面。

请参阅图3，本发明搅拌桨第一实施方式的主体结构采用对称的双行星结构，其搅拌臂31表面采用机械加工方式形成微凸起结构阵列。这些微凸起32为自搅拌臂31的基准面A1凸出的梯形结构，微凸起32的高为50微米，顶部的长、宽也为50微米，微凸起32的侧壁与底面的夹角为75°，微凹坑32之间的间距L1（即相邻微凸起32的对称轴33之间的距离）为500微米。

请参阅图4和图6，本发明搅拌桨第二实施方式的主体结构为对称的三行星结构，其搅拌臂41表面采用电化学加工方式形成微凹坑结构阵列。这些微凹坑42为自搅拌臂41的基准面A2凹入的倒梯形结构，微凹坑42底部的长、宽为20微米，坑深也为20微米，微凹坑42的侧壁与底面夹角为60°，微凹坑42之间的间距L2（即相邻微凹坑42的对称轴43之间的距离）为200微米。

请参阅图5，本发明搅拌桨第三实施方式的主体结构采用对称的四行星结构，其搅拌臂51表面采用激光加工方式形成微凹坑-凸起组合结构阵列。这些微凹坑-凸起组合结构52的凹坑部分为自搅拌臂的基准面A3凹入的倒圆台结构、凸起部分为自搅拌臂51的基准面A3凸出的圆台结构，微凹坑和微凸起的圆台顶部直径和高都为200微米，侧壁与底面的夹角都为45°，微凹坑-凸起组合结构52之间的间距L3（即相邻微凹坑-凸起组合结构52的对称轴53之间的距离）为1000微米。

请参阅图7，本发明搅拌桨第一实施方式工作时，其搅拌臂31的微凸起32将在流体中产生局部流场，包括平行于搅拌臂31的基准面A1的平行流场73和垂直于搅拌臂31的基准面A1的垂直流场74。

在使用本发明搅拌桨对浆料进行搅拌分散时，搅拌臂带动搅拌罐中的固-液/液-液混合物产生宏观的机械搅拌与混合作用，形成宏观上的流场；另一方面，伴随着搅拌臂的宏观转动，会在搅拌臂表面的微结构处产生微观尺度的流场，从而对与其接触的浆料施加碰撞、剪切等作用。由于该微观剪切过程是直接作用于浆料的，与目前使用的搅拌桨通过宏观搅拌产生流场传递到微观尺度的剪切作用方式相比，其作用距离短、剪切强度大，而且不易形成宏观搅拌下极易形成的流场死区和流场短路情况，因此能够使浆料在短时间内可以达到宏观和微观尺度上的分散均匀性，不仅缩短了搅拌时间、提高了搅拌效率，还提高了浆料品质的一致性。

需要说明的是，虽然上述实施方式中的微结构都为对称结构，但在其他实施方式中，微结构也可以是非对称结构。当微结构为非对称结构时，相邻微结构之间的间距是指相邻微结构对应点之间的间距。另外，为防止浆料颗粒在微结构阵列的凹坑或凸起的死角部位沉积，凹坑或者凸起的界面交接处均采用圆角结构，以便于清洁。

为了验证本发明搅拌桨的有益效果，进行以下实验：

将本发明搅拌桨第二实施方式应用于5L的搅拌罐中制备锂离子电池阴极浆料，所选活性物质为钴酸锂、分散剂为PVDF、导电添加剂为乙炔黑、溶剂为NMP，浆料固含量设计为70%。经试验，制备浆料所需的时间由原搅拌桨结构（指结构与本发明相同但无微结构的搅拌桨）的8小时减少至5小时，且静置浆料发生沉降的时间由原搅拌桨结构的5天增加至10天。可见，本发明能够增加搅拌分散效率、提高浆料品质的一致性和稳定性。

将本发明搅拌桨第二实施方式分别应用于5L和500L搅拌罐中制备锂离子电池阳极浆料，所选活性物质为天然石墨、分散剂为CMC、粘接剂为SBR、导电添加剂为乙炔黑、溶剂为去离子水，浆料固含量设计为50%。制备浆料时，除原料用量不同外，两种搅拌罐使用相同的原料、相同的混合及分散工艺参数，结果所制备的浆料黏度分别为4000mPa·S和4020mPa·S，固含量分别为49.6%和49.7%，浆料的颗粒度D₅₀分别为16.2μm和16.0μm，与来料粉末的颗粒度D₅₀值16.4μm相比几乎没有变化。可见，采用本发明搅拌桨时，在不同的搅拌规模下，采用相同的制浆工艺所获得的浆料性能几乎相同，而且不会对颗粒造成破坏作用，本发明的搅拌桨确实能够起到弱化搅拌分散尺寸效应的作用。

综上所述，本发明的搅拌桨通过微结构阵列建立了宏观尺度均匀混合与微观尺度分散之间的有效关联，因此可以在搅拌过程中实现宏观混合与微观分散同时进行，有助于提高浆料宏观与微观尺度上各种组分分布和性能的一致性，既缩短浆料搅拌时间、提高浆料分散效率而节省能源，又弱化搅拌分散的尺寸效应而缩短新工艺流程的量产时间，所以能够广泛应用于需要对粉料与液体进行混合、分散以形成稳定、均匀混合物的行业，如食品、医药、建筑、工业陶瓷、涂料、电池等行业中浆料的制备。

根据上述原理，本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种搅拌桨，包括搅拌臂，其特征在于：所述搅拌臂表面分布有微结构阵列。

2.根据权利要求1所述的搅拌桨，其特征在于：所述微结构为凹坑或凸起，或是凹坑与凸起的组合结构。

3.根据权利要求2所述的搅拌桨，其特征在于：所述微结构为对称结构或非对称结构，为对称结构时，其对称轴垂直于搅拌臂的基准面。

4.根据权利要求1、2或3所述的搅拌桨，其特征在于：所述微结构的特征尺寸为2～200微米。

5.根据权利要求1、2或3所述的搅拌桨，其特征在于：所述相邻微结构之间的间距在2~4000微米之间。

6.根据权利要求2所述的搅拌桨，其特征在于：所述凹坑或凸起的形状优选为棱柱体、棱台、圆柱体、圆台，或是前述两种或多种形状的组合。

7.根据权利要求2所述的搅拌桨，其特征在于：所述凹坑或者凸起的界面交接处均采用圆角结构。

8.根据权利要求1所述的搅拌桨，其特征在于：所述微结构采用机械加工、激光加工或电化学加工方式形成。

9.根据权利要求1所述的搅拌桨，其特征在于：所述微结构采用激光刻蚀或化学腐蚀方式形成。

10.根据权利要求1所述的搅拌桨，其特征在于：所述搅拌臂为扭曲型结构，其数目为2～6个，且为对称或旋转对称方式分布。