CN111530319B - 一种分散盘、分散装置及采用所述分散装置分散电池浆料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分散盘、分散装置及采用所述分散装置分散电池浆料的方法。分散盘面的至少一侧上设置有阻流器。所述分散装置包括分散轴和设置于所述分散轴上的分散盘，所述分散盘包括所述的分散盘。所述分散装置还可以包括与分散盘共分散轴的分散器，所述分散器包括主体及设置在主体上的文丘里管流道，所述文丘里管流道包括依次连通的收缩流道、圆管形流道和扩张流道。阻流器能在浆料处于层流状态时在分散盘面上产生湍流效果，增强该阶段的分散作用，消除分散盘面上的分散死区，同时该阻流器为圆弧形能减少磨损。分散器在低粘度区流体作用力不足以打开浆料中团聚体的情况下，提供了另外一种作用力帮助浆料团聚颗粒的分散。

Description

一种分散盘、分散装置及采用所述分散装置分散电池浆料的 方法
技术领域
本发明涉及浆料分散技术领域，涉及一种分散盘、分散装置及采用所述分散装置分散电池浆料的方法，尤其涉及一种分散盘、分散装置及采用所述分散装置分散锂离子电池浆料的方法。
背景技术
双行星搅拌机是目前锂离子电池行业使用最为广泛的制浆设备，其主要结构包含两对公转桨，一根或两根自转桨，自转桨上安装一个或两个分散盘。分散盘主体为圆盘结构，四周向上和向下分别安装有梯形锯齿，该结构为双行星分散盘的经典结构但是也存在一定的缺陷，特别是在工业生产上搅拌缸的体积能达到1000L，分散盘直径随之放大，虽然在分散盘的四周存在梯形锯齿能加强搅拌效果，但是盘面上仍然有很大的空间没有搅拌效果甚至存在死角。
实用新型CN 208943875U公开了一种高速搅拌分散盘，该装置特点为：在经典搅拌分散盘的两侧向下对称的安装一个对安装轴，安装轴上装有风车形可转动的分散片，分散片上安装有凸点和挡板。该分散盘装置虽然结构新颖但是在锂离子电池浆料的实际制浆过程中却不实用。锂离子电池浆料为浓厚型粉料填充的高分子溶液高粘度浆体，搅拌的过程中分散盘受到的阻力十分大，特别是在高粘度或干混搅拌区间会导致该新型分散盘的安装轴和分散片严重变形。
实用新型CN 206996408U公开了一种搅拌机分散盘，该装置的特点是在一个自转轴上安装上下两个锥形分散盘，并在锥形分散盘上对称的铣出六条弧形叶片，各叶片之间呈外宽内窄的弧形开槽。该分散盘装置在低粘度区间搅拌时能形成较为强烈的旋涡增加湍动能达到强化分散的目的，但是在高粘度区间大部分浆料卡在凹槽内，反而造成搅拌死区。并且该装置分散叶的棱角过于突出不具备流线型，在三元正极制浆中磨损会很大。
发明专利CN 107694374A公开了一种分散装置及搅拌机，该装置的分散盘特点是在圆形分散盘四周装有安装板，每个分散板上各安装有分散针。该装置的特点是剪切速率较小对主材破坏较少，同时该装置的缺点也是剪切速率太小分散能力差。
上述技术均是在双行星搅拌的基础上进行改善的。虽然目前业内已经出现了一些新的高效制浆工艺但是仍需要对设备和工厂进行大改，投资成本较高。
高功率电池往往通过薄的极片设计和高含量导电剂配方来实现大电流放电。锂离子电池的制浆工序主要是实现主材和导电剂的均匀混合，若是导电剂混合不均匀电芯内阻增大，影响电池的放电功率。由于高功率电池配方中导电剂的含量较多这就给制浆工序带来困难。锂离子电池制浆是一个逐步稀释浆料粘度逐渐变小的过程，浆料流动从泥状捏合态到层流态发展为最后的湍流状态，各个阶段对浆料产生的剪切应力不同分散效果不同，而且分散盘的不同位置在不同浆料状态时的分散效果也不同。经上述分析现有技术都存在各种各样的缺点，难以完全满足高功率电池的生产制浆需求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种分散盘、浆料分散装置、及采用上述浆料分散装置分散浆料的方法。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种分散盘，所述分散盘包括分散盘面，分散盘面的至少一侧上设置有阻流器。
本发明的分散盘，阻流器的设置尤其对于高粘度且能流动状态的浆料能起到很好的分散作用，其技术原理为：当浆料处于高粘度但能流动状态时，流体作用力开始起到分散作用，但是粘度较高浆料大部分处于层流状态。针对现有技术的分散盘，其表面类似于平板流动剪切作用力较小甚至出现死区。本发明通过在分散盘一侧表面或两侧表面安装阻流器，当高粘度液体流经阻流器时发生边界层分离，在阻流器末端产生湍流，额外增加一个湍流剪切力，加强了分散效果。同时分散盘该区域也被利用起来了，消除了分散死角。
作为本发明所述分散盘的优选技术方案，所述阻流器的端面朝向分散盘面的中心设置，所述阻流器与分散盘面以平面相接且外露面为圆弧形曲面。阻流器能在浆料处于层流状态时在分散盘面上产生湍流效果，增强该阶段的分散作用，消除分散盘面上的分散死区，同时该阻流器为圆弧形曲面能减少磨损。
优选地，所述阻流器为半圆柱形。
本发明的分散盘，可以一侧设置有阻流器，也可以两侧均设置有阻流器。
本发明中，所述分散盘面每一侧安装阻流器的数量可以根据分散盘大小进行调节。优选所述分散盘面每一侧上设置阻流器的个数独立地为2～6个，例如2个、4个、5个或6个等。
本发明中，所述阻流器的长度为与阻流器的截面垂直方向的长度。
本发明中，所述阻流器的长度可以根据分散盘大小进行调节。优选所述阻流器的长度为分散盘半径的0.3～0.5倍，例如0.3倍、0.35倍、0.4倍或0.5倍等。
优选地，所述阻流器的截面最高点距离分散盘面的距离为阻流器长度的0.1～0.5倍，例如0.1倍、0.15倍、0.2倍或0.3倍等。
优选地，所述分散盘面两侧均设置有阻流器，且两侧的阻流器相对于分散盘面对称。
优选地，所述阻流器在分散盘上呈中心对称的形式分布。
优选地，所述分散盘面的边缘设置有分散齿。用于在分散盘转动时搅动待分散物，加强分散效果。本发明对分散齿的形状不做具体限定，本领域常用的分散齿均可用于本发明。例如可以在分散盘面的边缘向上和向下分别安装有梯形锯齿。
第二方面，本发明提供一种分散装置，所述分散装置包括分散轴和设置于所述分散轴上的分散盘，所述分散盘包括第一方面所述的分散盘。
本发明的分散装置中，分散轴转动带动设置于其上的分散盘转动，二者的连接方式不作限定，例如可以在分散盘的中心设置通孔，分散轴穿过通孔并固定。
本发明的分散装置中，对分散盘的数量不作限定，本领域技术人员可根据需要进行选择。优选采用至少两个分散盘。
作为本发明所述分散装置的优选技术方案，所述分散装置还包括与分散盘共分散轴的分散器，所述分散器包括主体及设置在主体上的文丘里管流道，所述文丘里管流道包括依次连通的收缩流道、圆管形流道和扩张流道。
本发明中，文丘里管流道的径向优选与分散轴垂直，所述径向为分散过程中物料流动的主方向。
本发明中，分散器随着分散轴的转动而转动，待分散物从文丘里管流道的一端流入另一端，流入端为上游收缩流道、然后进入中游圆管形流道、流出端为下游扩张流道。
本发明中，对分散器的个数不作限定，本领域技术人员可以根据需要进行选择，优选分散盘和分散器在分散轴上交替设置。
此优选技术方案，分散器的设置尤其对于含有团聚小颗粒甚至还含有微小气泡的浆料能起到很好的分散作用，其技术原理为：随着分散轴的转动所述分散器也转动，浆料通过流道，由于流道不同区域的尺寸不一样，浆料处于收缩流道时为低速高压状态，当浆料处于窄尺寸圆管形流道区域时浆料处于高速低压状态，此时浆料内部存在的微小气泡开始膨胀变大，再流经扩张流道区域时又转化为低速高压状态，在圆管形流道区域膨胀变大的微小气泡在高压下瞬间被压缩破裂释放出能量达到破碎小颗粒的作用。
优选地，所述收缩流道为锥形收缩流道，锥角为10～80°，例如10°、20°、30°、45°、50°、60°、70°或80°等，优选为20～30°。
优选地，所述收缩流道的长度为3～20mm，例如3mm、5mm、8mm、10mm、13mm、15mm、16mm、18mm或20mm等。所述长度为轴向长度。
优选地，所述圆管形流道的直径为2～10mm，例如2mm、3mm、5mm、7mm或10mm等。
优选地，所述圆管形流道的长度为1～20mm，例如1mm、4mm、6mm、10mm、13mm、16mm或20mm等。
优选地，所述扩张流道为喇叭形扩张流道，锥角为10～80°，例如10°、20°、30°、40°、45°、60°、70°或80°等，优选为20～30°。
优选地，所述扩张流道的长度为5～20mm，例如5mm、7mm、10mm、12mm、15mm、18mm或20mm等。所述长度为轴向长度。
优选地，所述分散器中文丘里管流道的个数为至少2个，例如2个、3个、4个、6个、8个、10个、12个、14个、16个或20个等，优选为2～10个。
优选地，所述分散器中的文丘里管流道相对于分散轴呈轴对称设置。
本发明的分散装置中，分散器的形状不作限定，本领域技术人员可根据需要进行选择，例如为长方形板。
优选地，所述分散器的形状为长方形板，长方形的长度与分散盘的直径相同。
优选地，所述长方形的宽度为5～30mm，例如5mm、10mm、15mm、20mm、23mm、26mm或30mm等；长方形板的厚度为20～100mm，例如20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、80mm、90mm或100mm等。
第三方面，本发明提供一种采用第二方面所述的分散装置分散电池浆料的方法，所述方法包括以下步骤：
将所述分散装置深入到电池浆料中，控制分散轴的速度，进行搅拌；
所述电池浆料包括电极活性物质、粘结剂、导电剂和溶剂。
本发明的方法，对于电池浆料能起到很好的分散作用，其技术原理为：电池制浆是一个逐步稀释浆料粘度逐渐变小的过程，浆料流动从泥状捏合态到层流态发展为最后的湍流状态，各个阶段对浆料产生的剪切应力不同，分散效果不同，而且分散盘的不同位置在不同浆料状态时的分散效果也不同。对于现有技术的双行星分散技术和本发明的搅拌装置作如下分析：1、当浆料处于泥状捏合状态时主要依靠物料间的摩擦力起到分散作用，在该阶段现有双行星分散技术能起到较好的效果。2、当浆料处于高粘度但能流动状态时，流体作用力开始起到分散作用，但是在该阶段粘度较高浆料大部分处于层流状态，特别是分散盘表面类似于平板流动剪切作用力较小甚至出现死区。对此，本发明通过在分散盘上表面和/或下表面安装阻流器。当高粘度液体流经阻流器时发生边界层分离，在阻流器末端产生湍流，额外增加一个湍流剪切力，加强了分散效果。同时分散盘该区域的被利用起来了，消除了分散死角。3、分散盘中阻流器的引入，对于当浆料处于层流状态时分散增益效果最大，随着流动的发展湍流区变小，增益效果变小，直到搅拌缸内呈现剧烈湍流该处的分散效果消失。此时浆料还是存在一些团聚的小颗粒，而且该小颗粒在流体作用力下难以破裂分散。且此时浆料内部含有微小气泡。4、针对第3点提及的存在团聚小颗粒以及浆料内部含有微小气泡的问题，本发明通过在分散轴上安装一个分散器，该分散器包括主体及主体上的文丘里管式流道。随着分散轴的高速转动该分散器也高速转动，浆料以相对较高的速度通过流道。由于流道不同区域的尺寸不一样，浆料处于上游大尺寸流动区时为低速高压状态，当浆料处于中游窄尺寸流动区时浆料处于高速低压状态，此时浆料内部存在的微小气泡开始膨胀变大，再流经下游宽尺寸区域时又转化为低速高压状态，在中游膨胀变大的微小气泡在高压下瞬间被压缩破裂释放出能量达到破碎小颗粒的作用。综上，本发明的分散装置能够在电池浆料制浆的不同阶段达到最强的分散效果。
优选地，以所述电池浆料中电极活性物质的质量为100％计，所述导电剂的质量百分含量为0.5％～5％，例如0.5％、1％、1.5％、2％、3％、4％或5％等，优选为2％～5％。
优选地，所述分散轴的速度为1000rpm～3000rpm，例如1000rpm、1200rpm、1500rpm、1750rpm、2000rpm、2400rpm或2800rpm等。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
目前业内比较流行的制浆工艺还是逐步稀释的过程，浆料的粘度逐渐减小，搅拌缸内的流场随着粘度发生变化，不同时段的浆料粘度不同，分散效率也不同。本发明至少具有以下几个优点：
1、阻流器能在浆料处于层流状态时在分散盘面上产生湍流效果，增强该阶段的分散作用，消除分散盘面上的分散死区，同时该阻流器为圆弧形能减少磨损。
2、分散器在低粘度区流体作用力不足以打开浆料中团聚体的情况下，提供了另外一种作用力帮助浆料团聚颗粒的分散。
3、上述分散装置有助于解决由于高功率电池配方中导电剂含量高而带来的分散困难的问题，使导电剂在极片中分散均匀，减小电池内阻，提高倍率性能。
附图说明
图1分散装置，1-分散轴，2-上分散盘，3-分散器，4-下分散盘；
图2分散器三视图，a-主视图b-左视图c-俯视图；
图3分散器流道示意图；
图4上分散盘俯视图，5-分散齿，6-分散盘面，7-分散轴孔，8-阻流器；
图5上分散盘左视图；
图6阻流器的三维图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种分散装置(其结构示意图参见图1)，包括分散轴1和设置于所述分散轴1上的上分散盘2、下分散盘4、和位于所述上分散盘2和下分散盘4之间的分散器3，所述上分散盘2和下分散盘4的结构相同。
所述上分散盘(其结构示意图参见图4和图5)包括分散盘面6，所述分散盘面6的中心设有分散轴孔7，所述分散轴1穿过分散轴孔7，所述上分散盘面6的边缘向上和向下安装有分散齿5，所述分散盘面6的上下表面各设有四个阻流器8，上下表面的阻流器8相对于分散盘面6对称，所述阻流器8为半圆柱(其结构示意图参见图6)，扣设在分散盘面6的上表面和下表面，阻流器8的端面朝向分散轴1设置，所述阻流器8沿分散盘面6的周向均匀分布。
所述半圆柱的长度为分散盘面6直径的0.3倍。
所述分散器(其结构示意图参见图2和图3)为长方形板，长方形的长度与分散盘面6的直径相同，长方形的宽度为10mm，厚度为50mm，长方形板内部设有四个文丘里管流道，文丘里管流道相对于分散轴1两两对称，所述文丘里管流道沿宽度方向贯通，包括依次连通的锥形收缩流道、圆管形流道和喇叭形扩张流道，锥形收缩流道的锥角为30°，锥形收缩流道的长度为5mm，圆管形流道的直径为2mm，圆管形流道的长度为10mm，喇叭形扩张流道的锥角为60°，喇叭形扩张流道的长度为10mm。
实施例2
本实施例提供一种分散装置(其结构示意图参见图1)，包括分散轴1和设置于所述分散轴1上的上分散盘2、下分散盘4、和位于所述上分散盘2和下分散盘4之间的分散器3，所述上分散盘2和下分散盘4的结构相同。
所述上分散盘包括分散盘面6，所述分散盘面6的中心设有分散轴孔7，所述分散轴1穿过分散轴孔7，所述上分散盘面6的边缘向上和向下安装有分散齿5，所述分散盘面6的上下表面各设有四个阻流器8，上下表面的阻流器8相对于分散盘面6对称，所述阻流器8为半圆柱，扣设在分散盘面6的上表面和下表面，阻流器8的端面朝向分散轴1设置，所述阻流器8沿分散盘面6的周向均匀分布。
所述半圆柱的长度为分散盘面6直径的0.4倍。
所述分散器为长方形板，长方形的长度与分散盘面6的直径相同，长方形的宽度为30mm，厚度为70mm，长方形板内部设有四个文丘里管流道，文丘里管流道相对于分散轴1两两对称，所述文丘里管流道沿宽度方向贯通，包括依次连通的锥形收缩流道、圆管形流道和喇叭形扩张流道，锥形收缩流道的锥角为45°，锥形收缩流道的长度为10mm，圆管形流道的直径为5mm，圆管形流道的长度为15mm，喇叭形扩张流道的锥角为35°，喇叭形扩张流道的长度为8mm。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，长方形板内部设有两个文丘里管流道，文丘里管流道相对于分散轴1对称。
实施例4
本实施例提供一种采用实施例1所述的分散装置分散电池浆料的方法，所述方法包括：
先将粘结剂PVDF和溶剂NMP预先在A搅拌罐溶解制备胶液，再将导电剂和主材(也即电极活性物质)加入B搅拌罐中以500rpm的速度干混20min，然后加入50％胶液和部分溶剂使固含量维持在82％并以1500rpm的速度搅拌80min，再加入另外50％胶液以2500rpm速度搅拌120min，最后再加入适量溶剂调节粘度在3000～6000cp之间。
对比例1
除了分散盘上不设置阻流器外，其他内容与实施例1相同。
采用本对比例的分散装置分散实施例4的电池浆料，当浆料处于高粘度但能流动状态时，流体作用力开始起到分散作用，但是粘度较高浆料大部分处于层流状态。其剪切作用力较小甚至出现死区。
对比例2
除了不设置分散器外，其他内容与实施例1相同。
采用本对比例的分散装置分散实施例4的电极浆料，分散盘中阻流器的引入，对于当浆料处于层流状态时分散增益效果最大，随着流动的发展湍流区变小，增益效果变小，直到搅拌缸内呈现剧烈湍流该处的分散效果消失。此时浆料还是存在一些团聚的小颗粒，而且该小颗粒在流体作用力下难以破裂分散。且此时浆料内部含有微小气泡。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (25)

1.一种分散装置，其特征在于，所述分散装置包括分散轴和设置于所述分散轴上的分散盘，所述分散盘包括分散盘面，分散盘面的至少一侧上设置有阻流器，所述阻流器的端面朝向分散盘面的中心设置，所述阻流器与分散盘面以平面相接且外露面为圆弧形曲面；
所述分散装置还包括与分散盘共分散轴的分散器，所述分散盘和分散器在分散轴上交替设置，所述分散器包括主体及设置在主体上的文丘里管流道，所述文丘里管流道包括依次连通的收缩流道、圆管形流道和扩张流道，所述分散器中的文丘里管流道相对于分散轴呈轴对称设置。
2.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述阻流器的形状为半圆柱形。
3.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述分散盘面每一侧上设置阻流器的个数独立地为2～6个。
4.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述阻流器的长度为分散盘半径的0.3～0.5倍。
5.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述阻流器的截面最高点距离分散盘面的距离为阻流器长度的0.1～0.5倍。
6.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述分散盘面两侧均设置有阻流器，且两侧的阻流器相对于分散盘面对称。
7.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述阻流器在分散盘上呈中心对称的形式分布。
8.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述分散盘面的边缘设置有分散齿。
9.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述收缩流道为锥形收缩流道，锥角为10～80°。
10.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述收缩流道为锥形收缩流道，锥角为20～30°。
11.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述收缩流道的长度为3～20mm。
12.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述圆管形流道的直径为2～10mm。
13.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述圆管形流道的长度为1～20mm。
14.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述扩张流道为喇叭形扩张流道，锥角为10～80°。
15.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述扩张流道为喇叭形扩张流道，锥角为20～30°。
16.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述扩张流道的长度为5～20mm。
17.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述分散器中文丘里管流道的个数为至少2个。
18.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述分散器中文丘里管流道的个数为2～10个。
19.根据权利要求1所述的分散装置，其特征在于，所述分散器的形状为长方形板，长方形的长度与分散盘的直径相同。
20.根据权利要求19所述的分散装置，其特征在于，所述长方形的宽度为5～30mm。
21.根据权利要求19所述的分散装置，其特征在于，所述长方形的宽度为20～100mm。
22.一种采用权利要求1-21任一项所述的分散装置分散电池浆料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将所述分散装置深入到电池浆料中，控制分散轴的速度，进行搅拌；
所述电池浆料包括电极活性物质、粘结剂、导电剂和溶剂。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，以所述电池浆料中电极活性物质的质量为100％计，所述导电剂的质量百分含量为0.5％～5％。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，以所述电池浆料中电极活性物质的质量为100％计，所述导电剂的质量百分含量为2％～5％。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述分散轴的速度为1000rpm～3000rpm。
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