CN111224059A - 一种含碳纳米管的电极浆料的分散方法、电极浆料分散装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含碳纳米管的电极浆料的分散方法、电极浆料分散装置，属于金属离子电池技术领域。本发明的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，包括如下步骤：将含碳纳米管的电极浆料加压喷射形成雾状浆流并撞击到挡料平面上，收集撞击后的电极浆料，降温，即得。本发明的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，将电极浆料加压喷射形成雾状浆流，雾状浆流运动过程中内部颗粒之间发生相互碰撞，并且向前运动撞击至挡料平面上，经过颗粒之间多次高速撞击，尤其是与挡料平面的撞击及浆料流动的过程，大大增加了浆料内部各组分间在微观均匀分散程度。

Description

一种含碳纳米管的电极浆料的分散方法、电极浆料分散装置

技术领域

本发明涉及一种含碳纳米管的电极浆料的分散方法、电极浆料分散装置，属于金属离子电池技术领域。

背景技术

近年来碳纳米管(CNTs)作为导电剂在锂电池领域应用越来越广泛，CNTs导电、导热较好，能促进容量发挥，相对于传统导电剂使用量较少，有利于提高电池能量密度。但CNTs长径比较大，放大观察呈毛线状，与其它材料混合制浆时分散困难。即使把CNTs球磨预分散，在传统搅拌分散的条件下，CNTs与主材(如镍钴锰酸锂)微观分散效果仍不理想，因此CNTs的应用优势不能充分体现出来。

现有技术中，授权公告号为CN203598754U的中国实用新型专利公开了一种锂电池极片生产的浆料匀化装置，包括浆料匀化机，浆料匀化机包括匀化室、加压机构、匀化机构及高压喷枪。在使用时，浆料经过高压喷枪喷出进入匀化室，匀化室内设置有匀化机构，匀化机构为设置在匀化室内壁上的阻拦部，阻拦部位圆筒结构件，波浪结构件，棒状结构件。阻拦部能够使浆料相互碰撞、湍流，进而使得浆料分散的更加均匀。该现有技术中的阻拦部的目的在于对喷射出的浆料进行阻拦打散，使分散更加均匀，无法针对含有碳纳米管的浆料进行撞击处理，破坏碳纳米管的表面活性，提高碳纳米管的分散均匀性。

发明内容

本发明的目的是提供一种含碳纳米管的电极浆料的分散方法，能够提高含碳纳米管的电极浆料的分散均匀性。

本发明还提供了一种电极浆料分散装置，用于分散含碳纳米管的电极浆料时，能够提高电极浆料的分散均匀性。

为了实现以上目的，本发明的含碳纳米管的电极浆料的分散方法所采用的技术方案是：

一种含碳纳米管的电极浆料的分散方法，包括如下步骤：将含碳纳米管的电极浆料加压喷射形成雾状浆流并撞击到挡料平面上，收集撞击后的电极浆料，降温，即得。

本发明的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，将电极浆料加压喷射形成雾状浆流，雾状浆流运动过程中内部颗粒之间发生相互碰撞，并且向前运动撞击至挡料平面上，经过颗粒之间多次高速撞击，尤其是与挡料平面的撞击过程，大大增加了浆料内部各组分间在微观均匀分散程度，从而能够降低制成的极片的电阻。

为了提高分散的均匀性，优选的，所述加压喷射是将电极浆料在100-700bar的压强下进行喷射。

优选的，所述电极浆料为锂离子电池正极浆料；所述锂离子电池正极浆料包括溶剂、正极活性物质、第一导电剂、第二导电剂和粘结剂；正极活性物质为镍钴锰酸锂；第一导电剂为碳纳米管；第二导电剂为Supper P、乙炔黑中的至少一种；粘结剂为PVDF。本发明的分散方法特别适用于上述锂离子电池正极浆料的分散，能够大大提高上述锂离子电池正极浆料的分散均匀程度。

本发明的浆料分散装置所采用的技术方案为：

一种电极浆料分散装置，包括浆料雾化仓以及用来将电极浆料喷射入雾化仓内的雾化喷头，所述雾化仓内与雾化喷头相对的一端设置有挡料结构，所述挡料结构包括用来对雾化喷头喷射出的雾化浆料进行挡止撞击的挡料平面。

本发明的电极浆料分散装置，通过在浆料雾化仓内设置挡料结构，通过浆料颗粒与挡料结构的挡料平面的高速撞击能够使电极浆料内部各组分分散更加均匀。

为了使雾化浆流在挡料平面的撞击更有效，优选的，所述雾化喷头内设置有用来将电极浆料喷出的浆料喷射通道，所述浆料喷射通道水平设置，所述挡料平面竖直设置。

优选的，所述浆料喷射通道由设置于所述雾化喷头内的长孔形成；所述长孔沿直线延伸布置且轴向截面为圆形。将浆料喷射通道设置为圆柱形长孔是为了使浆料在此直线加速，使线速度达到100m/s以上。

优选的，所述挡料结构为挡料板；所述挡料板为陶瓷片。因陶瓷片为惰性物质，作为挡料板即使微量陶瓷成分进入浆料也不参与电极反应，不会影响电池性能。

附图说明

图1为本发明的实施例1～5中的分散方法的工艺的流程图；

图2为本发明的实施例6中的电极浆料分散装置的示意图；

图3为采用本发明的实施例1中的分散方法分散后的浆料制得的极片微观电镜图；

图4为采用本发明的实施例2中的分散方法分散后的浆料制得的极片微观电镜图；

图5为采用本发明的实施例3中的分散方法分散后的浆料制得的极片微观电镜图；

图6为采用本发明的实施例4中的分散方法分散后的浆料制得的极片微观电镜图；

图7为采用本发明的实施例5中的分散方法分散后的浆料制得的极片微观电镜图；

图8为采用对比例中的锂离子电池正极浆料的制备方法制得的浆料的极片的微观电镜图；

其中，21-搅拌机，22-柱塞泵，23-高压腔，24-浆料喷管，25-浆料雾化仓，26-挡料板，27-冷却管。

具体实施方式

含碳纳米管(CNTs)在分散的过程中，由于CNTs容易团聚，常规分散方法采用搅拌机进行分散时的最大分散线速度一般在20～30m/s，不足以把CNTs团聚后的颗粒完全分散开。为此，本发明提供了一种含碳纳米管的电极浆料的分散方法，包括如下步骤：将含碳纳米管的电极浆料加压喷射形成雾状浆流并撞击到挡料平面上，收集撞击后的浆料，降温，即得。本发明的分散方法通过将浆料在挡料平面进行高速撞，能够使团聚的CNTs充分分散。

优选的，所述加压喷射是将电极浆料在100-700bar的压强下进行喷射。在上述压强下进行喷射能够使喷射线速度可达100m/s以上，从而使CNTs团更加充分分散开。进一步优选的，所述加压喷射是将电极浆料在400～700bar的压强下进行喷射。

优选的，加压喷射喷出的电极浆料的线速度至少为113m/s。进一步优选的，加压喷射喷射出的电极浆料的线速度为113～285m/s。

优选的，所述加压喷射是将电极浆料与气体混合后在100-700bar的压强下进行喷射。

优选的，所述气体为惰性气体。

优选的，所述电极浆料中碳纳米管的质量分数为0.2～2％。进一步优选的，所述电极浆料中碳纳米管的质量分数为0.5～1.2％。

优选的，所述电极浆料为锂离子电池电极浆料，所述锂离子电池电极浆料包括导电剂，所述导电剂包括碳纳米管。

优选的，所述导电剂由第一导电剂和第二导电剂组成，所述第一导电剂为碳纳米管，所述第二导电剂为Supper P、乙炔黑的至少一种，所述第一导电剂与第二导电剂的质量比为(0.2～2):(0.5～3)。进一步优选的，第一导电剂和第二导电剂的质量比为(0.5～1.2):(1.2～1.5)。

优选的，所述电极浆料的固含量为65～75％。进一步优选的，所述电极浆料的固含量为65～72％。

优选的，所述锂离子电池电极浆料包括溶剂，所述溶剂为NMP。

本发明的电极浆料的分散方法既适用于锂离子电池正极浆料，也适用于锂离子电池负极浆料。优选的，所述电极浆料为锂离子电池正极浆料；所述锂离子电池正极浆料包括溶剂、正极活性物质、第一导电剂、第二导电剂和粘结剂；正极活性物质为镍钴锰酸锂；第一导电剂为碳纳米管；第二导电剂为Supper P、乙炔黑中的至少一种；粘结剂为PVDF。

进一步优选的，正极活性物质、第一导电剂、第二导电剂和粘结剂的质量比为(90～98.3):(0.2～2)：(0.5～3):(1～5)。更进一步优选的，正极活性物质、第一导电剂、第二导电剂和粘结剂的质量比为(92.3～96.5):(0.5～1.2):(1.2～1.5):(2.8～5)。

优选的，所述喷射方向与挡料平面垂直。

本发明提供的电极浆料分散装置，包括浆料雾化仓以及用来将电极浆料喷射入雾化仓内的雾化喷头，所述雾化仓内与雾化喷头相对的一端设置有挡料结构，所述挡料结构包括用来对雾化喷头喷射出的雾化浆料进行挡止撞击的挡料平面。

优选的，所述雾化喷头内设置有用来将电极浆料喷出的浆料喷射通道，所述浆料喷射通道水平设置，所述挡料平面竖直设置。

优选的，所述浆料喷射通道由设置于所述雾化喷头内的长孔形成；所述长孔沿直线延伸布置且轴向截面为圆形。所述长孔的长径比(长径比即长度与轴向截面直径之比)为(10～100):1。进一步优选的，所述长孔的长径比为(40～80):1。进一步优选的，所述长孔的轴向截面直径为0.1～1.5mm。更进一步优选的，所述长孔的轴向截面直径为0.2～0.8mm。

优选的，所述浆料雾化仓上固定设置有浆料喷管，所述浆料喷管的一端伸入所述浆料雾化仓中并形成所述雾化喷头。

优选的，所述浆料喷管远离浆料雾化仓的一端连接有存储高压电极浆料的高压腔。

优选的，所述电极浆料分散装置还包括用于对撞击在所述挡料结构上的浆料进行收集的集料装置。

优选的，所述电极浆料分散装置还包括用于对浆料雾化仓导出的浆料进行冷却的冷却装置。

优选的，所述浆料雾化仓包括用于将浆料雾化仓内浆料导出的出料管。所述冷却装置包括套设于所述出料管外的冷却管。

优选的，所述挡料结构为挡料板。所述挡料板为陶瓷片。所述陶瓷片由粘土、氧化铝、高岭土的一种或多种的混合物烧结制成。

以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明，其中实施例1～5为含碳纳米管的电极浆料的分散方法的实施例，实施例6为浆料分散装置的实施例。

实施例1

本实施例的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，如图1所示，包括以下步骤：

将镍钴锰酸锂、碳纳米管、Supper P、PVDF以质量比为95:0.8:1.2:3的比例掺混，加入NMP使固含量为72％，以35rpm转速在搅拌机中搅拌60min；然后将搅拌得到的浆料用隔膜泵送入分散机，在分散机内经柱塞泵加压到500bar再送入高压腔形成高压浆料；然后将高压浆料载500bar的压强下经沿水平方向直线延伸且轴向截面为圆形的长孔(轴向截面直径为0.5mm、长度为20mm)沿水平方向喷射(喷射线速度为262m/s)到雾化仓内，微粒在雾化仓内相互碰撞并最终撞击到竖直设置的陶瓷片上，以液体形式流下，收集流下浆料，然后将收集到的浆料进行冷却至室温。

实施例2

本实施例的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，如图1所示，包括以下步骤：

将镍钴锰酸锂、碳纳米管、Supper P、PVDF以质量比为96.5:0.5:1.2:2.8的比例掺混，加入NMP使固含量为70％，以30rpm转速在搅拌机中搅拌40min；然后将搅拌得到的浆料送入柱塞泵，经柱塞泵加压到400bar再送入高压腔形成高压浆料；然后将高压浆料在400bar的压强下经沿水平方向直线延伸且轴向截面为圆形的长孔(轴向截面直径0.2mm、长度为10mm)沿水平方向喷射到雾化仓内(喷射线速度为236m/s)，微粒在雾化仓内相互碰撞并最终撞击到竖直设置的陶瓷片上，以液体形式流下，收集流下浆料，然后将收集到的浆料进行冷却至室温。

实施例3

本实施例的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，如图1所示，包括以下步骤：

将镍钴锰酸锂、碳纳米管、乙炔黑、PVDF以质量比为92.3:1.2:1.5:5的比例掺混，加入NMP使固含量为65％，以35rpm转速在搅拌机中搅拌120min；然后将搅拌得到的浆料送入柱塞泵，经柱塞泵加压到700bar再送入高压腔形成高压浆料；然后将高压浆料在700bar的压强下经沿水平方向直线延伸且轴向截面为圆形的长孔(轴向截面直径为0.8mm、长度为64mm)沿水平方向喷射到雾化仓内(喷射线速度为285m/s)，微粒在雾化仓内相互碰撞并最终撞击到陶瓷片上，以液体形式流下，收集流下浆料，然后将收集到的浆料进行冷却至室温。

实施例4

本实施例的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，如图1所示，包括以下步骤：

将镍钴锰酸锂、碳纳米管、乙炔黑、PVDF以质量比为90:2:3:5的比例掺混，加入NMP使固含量为65％，以35rpm转速在搅拌机中搅拌120min；然后将搅拌得到的浆料送入柱塞泵，经柱塞泵加压到100bar再送入高压腔形成高压浆料；然后将高压浆料在100bar的压强下经沿水平方向直线延伸且轴向截面为圆形的长孔(轴向截面直径为0.1mm、长度为10mm)沿水平方向喷射到雾化仓内(喷射线速度为113m/s)，微粒在雾化仓内相互碰撞并最终撞击到陶瓷片上，以液体形式流下，收集流下浆料，然后将收集到的浆料进行冷却至室温。

实施例5

本实施例的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，如图1所示，包括以下步骤：

将镍钴锰酸锂、碳纳米管、乙炔黑、PVDF以质量比为96.5:0.5:0.2:1的比例掺混，加入NMP使固含量为65％，以35rpm转速在搅拌机中搅拌120min；然后将搅拌得到的浆料送入柱塞泵，经柱塞泵加压到250bar再送入高压腔形成高压浆料；然后将高压浆料在150bar的压强下经沿水平方向直线延伸且轴向截面为圆形的长孔(轴向截面直径为1.5mm、长度为15mm)沿水平方向喷射到雾化仓内(喷射线速度为179m/s)，微粒在雾化仓内相互碰撞并最终撞击到陶瓷片上，以液体形式流下，收集流下浆料，然后将收集到的浆料进行冷却至室温。

实施例6

本实施例的电极浆料分散装置，如图2所示，包括搅拌机21、柱塞泵22、高压腔23、浆冷却管27、中空圆柱体状的浆料雾化仓25、浆料喷管24、设置于浆料雾化仓25内的挡料板26。搅拌机21和高压腔23之间设置有连接管路，柱塞泵22设置在连接管路上用于将搅拌机搅拌后的浆料输送至高压腔23内；浆料雾化仓25的包括竖直设置的第一端面和第二端面；浆料喷管24一端连通高压腔23，另一端延伸至浆料雾化仓25内在靠近浆料雾化仓25的第一端面处形成雾化喷头；浆料喷管水平设置有喷射通道(图中未显示)，该喷射通道由雾化喷头内的长孔形成，该长孔沿直线延伸布置且轴向截面为直径0.5mm的圆形，长孔的长径比为40:1，在电极浆料分散装置的其他实施例中长孔的轴向截面直径为0.2mm、长径比为50:1或轴向截面直径为0.8mm、长径比为80:1或轴向截面直径为0.1mm、长径比为10:1或轴向截面直径为1.5mm、长径比为100:1；挡料板26靠近浆料雾化仓25的第二端面竖直设置，包括垂直于浆料喷射方向的挡料平面，挡料板26为陶瓷片，挡料板26可在浆料喷射方向上前后移动，在电极浆料的其他实施例中，挡料板26还可以为表面光滑的不锈钢板；浆料雾化仓25底部能够对挡料板26上流下的浆料进行收集，且在浆料雾化仓25底部设置有出料管，冷却管27套设于出料管外对导出浆料雾化仓25内的浆料进行冷却。

本实施例的电极浆料分散装置在使用过程中，将正极活性物质、包括碳纳米管在内的导电剂、粘结剂和溶剂装入搅拌机内进行搅拌预混达到宏观均匀的效果，然后通过柱塞泵将搅拌后的物料输送至高压腔内进行加压，然后经浆料喷管将浆料从雾化喷头喷射至浆料雾化仓内，由于浆料雾化仓内为常压，喷射至浆料雾化仓内的浆料呈雾状，雾状微粒相互碰撞，向前飞行过程中再撞击到与雾化喷头相对的挡料板的挡料平面上，这样雾化颗粒经多次高速碰撞达到微观均匀分散的效果。而撞击至挡料平面上的雾化颗粒最终形成流体，流至浆料雾化仓底部从出料管流出。浆料在上述雾化仓内因撞击摩擦而温度升高，流经套设有冷却管的出料管冷却降温后，可直接用于涂布。

实施例1～5中的含碳纳米管的电极浆料的分散方法可采用上述实施例中极浆料分散装置实施。

对比例

对比例的锂离子电池正极浆料的制备方法，包括以下按步骤：按照镍钴锰酸锂、碳纳米管、Supper P、PVDF以质量比为95:0.8:1.2:3的比例取各原料，然后将PVDF溶入NMP制得胶液，再将镍钴锰酸锂、碳纳米管和Supper P加入，然后以公转35rpm、自转1500rpm高速搅拌180min，制得固含量为72％浆料。

实验例

分别将采用实施例1～5的分散方法得到的浆料以及采用对比例的方法制得的浆料涂布在铝箔上，干燥制成极片。

分别对所得的极片进行扫描电镜测试，结果分别见图3～8。由图3～8可知，实施例的分散方法能使碳纳米管分散更充分、均匀，镍钴锰酸锂颗粒被完全包覆、没有裸露。对比例的制备方法制得的浆料未能把碳纳米管充分分散。

分别测定所得的极片的电阻率，结果列于表1，由此可知，采用本发明的分散方法的浆料能够大大降低极片的电阻。

表1电阻率测试结果

Claims (7)

1.一种含碳纳米管的电极浆料的分散方法，其特征在于：包括如下步骤：将含碳纳米管的电极浆料加压喷射形成雾状浆流并撞击到挡料平面上，收集撞击后的电极浆料，降温，即得。

2.根据权利要求1所述的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，其特征在于：所述加压喷射是将电极浆料在100-700bar的压强下进行喷射。

3.根据权利要求1或2所述的含碳纳米管的电极浆料的分散方法，其特征在于：所述电极浆料为锂离子电池正极浆料；所述锂离子电池正极浆料包括溶剂、正极活性物质、第一导电剂、第二导电剂和粘结剂；正极活性物质为镍钴锰酸锂；第一导电剂为碳纳米管；第二导电剂为Supper P、乙炔黑中的至少一种；粘结剂为PVDF。

4.一种电极浆料分散装置，其特征在于：包括浆料雾化仓以及用来将电极浆料喷射入雾化仓内的雾化喷头，所述雾化仓内与雾化喷头相对的一端设置有挡料结构，所述挡料结构包括用来对雾化喷头喷射出的雾化浆料进行挡止撞击的挡料平面。

5.根据权利要求4所述的电极浆料分散装置，其特征在于：所述雾化喷头内设置有用来将电极浆料喷出的浆料喷射通道，所述浆料喷射通道水平设置，所述挡料平面竖直设置。

6.根据权利要求5所述的电极浆料分散装置，其特征在于：所述浆料喷射通道由设置于所述雾化喷头内的长孔形成；所述长孔沿直线延伸布置且轴向截面为圆形。

7.根据权利要求4所述的电极浆料分散装置，其特征在于：所述挡料结构为挡料板；所述挡料板为陶瓷片。

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