CN117480006A - 高剪切混合装置 - Google Patents

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金贞吉
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Abstract

本发明提供一种高剪切混合装置，包括：第一螺杆捏合机和第二螺杆捏合机；用于旋转第一螺杆捏合机的第一旋转驱动装置和用于旋转第二螺杆捏合机的第二旋转驱动装置；回转驱动装置，所述第一旋转驱动装置和所述第二旋转驱动装置能旋转地安装在所述回转驱动装置中；驱动装置主体，所述回转驱动装置安装在所述驱动装置主体中；以及混合罐，其中，第一螺杆捏合机和第二螺杆捏合机中的每一者均包括：轴，所述轴的一端与所述旋转驱动装置连接；以及三个或更多个叶片，每个叶片均具有固定到所述轴的一个端部以及沿所述轴的纵向方向以螺旋形状弯曲的主体。每个螺杆捏合机在与其它螺杆捏合机相反的方向上旋转，同时其叶片与其它螺杆捏合机的叶片彼此交叠。

Description

高剪切混合装置
技术领域
本申请要求2022年1月28日提交的韩国专利申请10-2022-0013049的优先权，并且该韩国专利申请公开的所有内容作为本说明书的一部分包含于此。
本发明涉及一种高剪切混合装置，特别涉及一种用于制备二次电池干电极的高剪切混合装置。
背景技术
搅拌装置用于精细混合各种设施制造浆料和化学原料，例如油墨、颜料、油漆、化妆品、药品和油漆、各种涂料、磨料、陶瓷或金属粉末或各种电子材料(PZT、电介质、MLCC、铁氧体、显示材料)。作为搅拌装置，特别是作为用于搅拌高粘度物质的设备，广泛使用利用叶片和转子在容器中搅拌高粘度物质的行星混合器。
如上所述的行星混合器还用于制备二次电池的电极。即，随着二次电池的使用的扩展或开发，不断地需要电极的低电阻、高容量、机械性能和生产率方面的改进，因此对混合物高剪切混合以制备电极的需求也在增大。
具体地，近来，正在积极开发在没有液体介质(例如溶剂或分散介质)的情况下混合活性材料、粘结剂和导电材料，然后使粉末混合物经过轧辊来制备干电极膜的技术，并且高剪切混合已经应用于电极的这种制备。
即，在以上方法中，使用称为“可纤维化粘结剂”或“成纤粘结剂”的粘结剂。如果将高剪切混合应用于含有粘结剂的混合物，则会将粘结剂微纤维化以粘附活性材料和导电材料。
然而，在该高剪切混合过程中，可纤维化的聚合物变成类似口香糖的状态，并且对高剪切混合装置施加高负载，因此高剪切混合装置经常受损坏。同时，如果降低剪切力以防止如上所述的设备损坏，则不能很好地进行可纤维化聚合物的纤维化。因此，由于这些问题，很难将高剪切混合装置构造用于制备二次电池的干电极的批量生产设备。
[现有技术文献]
[专利文献]
(专利文献1)韩国公开专利公报10-2011-0117902
发明内容
技术问题
本发明是为了解决现有技术中的以上问题而设计的，本发明的目的是提供一种高剪切混合装置，该高剪切混合装置能够在利用高剪切力混合材料时有效地混合材料而不会过载。
特别地，本发明的目的是提供一种高剪切混合装置，该高剪切混合装置能够在高剪切混合用于制备干电极的混合物期间有效地将聚合物微纤维化而不过载，该干电极包括作为粘结剂的可纤维化聚合物。
技术方案
为实现上述目的，本发明提供一种高剪切混合装置，包括：
第一螺杆捏合机和第二螺杆捏合机；
用于旋转所述第一螺杆捏合机的第一旋转驱动机构和用于旋转所述第二螺杆捏合机的第二旋转驱动机构；
回转驱动机构，所述第一旋转驱动机构和所述第二旋转驱动机构能旋转地安装在所述回转驱动机构中；
驱动机构主体，所述回转驱动机构安装在所述驱动机构主体中；以及
混合罐，
其中，所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的每一者均包括：轴，所述轴的一端与所述旋转驱动机构连接；以及三个或更多个叶片，所述叶片的一端固定到所述轴，并且所述叶片具有沿所述轴的纵向方向螺旋弯曲的主体，
其中，每个螺杆捏合机在与其它螺杆捏合机相反的方向上旋转，并且所述叶片彼此交叠。
在本发明的一个实施方式中，所述高剪切混合装置具有的特征在于，所述螺杆捏合机借助所述旋转驱动机构旋转并借助所述回转驱动机构回转。
在本发明的一个实施方式中，设置在所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的所有所述叶片可以都是开放式叶片，在所述开放式叶片中，在除旋转方向表面的外周以外的中央中形成通孔。
在本发明的一个实施方式中，设置在所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的所有所述叶片可以都是封闭式叶片，在所述封闭式叶片中，旋转方向表面是封闭的而无通孔。
在本发明的一个实施方式中，设置在所述第一螺杆捏合机中的所有所述叶片可以都是在除旋转方向表面的外周以外的中央中形成通孔的开放式叶片，并且
设置在所述第二螺杆捏合机中的所有所述叶片可以都是旋转方向表面是封闭的而没有通孔的封闭式叶片。
在本发明的一个实施方式中，所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的每一者均具有三个叶片。
在本发明的一个实施方式中，设置在所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中每一者中的所述三个叶片中的任一个叶片均可以是在除旋转方向表面的外周以外的中央中形成通孔的开放式叶片，并且另外两个叶片可以都是旋转方向表面是封闭的而没有通孔的封闭式叶片。
在本发明的一个实施方式中，形成在每个叶片中的所述通孔均可以形成为延伸到所述轴的外周表面。
在本发明的一个实施方式中，包括所述开放式叶片的所述螺杆捏合机的形状可以是：移除了所述通孔之间的所述轴，使得形成在所述叶片中的每个所述通孔都连通。
在本发明的一个实施方式中，设置在所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的所述叶片的旋转方向远端可以在与其它螺杆捏合机维持1mm至10mm的分离距离的同时旋转。
在本发明的一个实施方式中，所述高剪切混合装置用于高剪切混合用于制备含有作为粘结剂的可纤维化聚合物的干电极的混合物，因此可以用于对所述可纤维化聚合物进行微纤维化。
有益效果
本发明的高剪切混合装置提供了借助高剪切力混合材料时能够有效地混合材料而不过载的效果。此外，由于这种效果使对设备的损坏最小化，因此具有可以配置大容量装置的特征。
特别地，本发明的高剪切混合装置提供了在高剪切混合用于制备含有作为粘结剂的可纤维化聚合物的干电极的混合物期间有效地微纤维化聚合物而不过载的效果。
附图说明
图1是示出本发明的高剪切混合装置的一个实施方式的立体图。
图2是示出设置在本发明的高剪切混合装置中的螺杆捏合机的一个实施方式的立体图。
图3是示出设置在本发明的高剪切混合装置中的螺杆捏合机的另一实施方式的立体图。
图4是示出设置在本发明的高剪切混合装置中的螺杆捏合机的另一实施方式的立体图。
图5是示出设置在本发明的高剪切混合装置中的螺杆捏合机的另一实施方式的立体图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例，使得本领域普通技术人员能够容易地实施本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不限于本文中描述的实施例。在整个说明书中，相同的附图标记被赋予类似的部件。
图1是示出本发明的高剪切混合装置100的一个实施方式的立体图，并且图2至图5是示出设置在本发明的高剪切混合装置100中的螺杆捏合机的另一个实施方式的立体图。
如图1中所示，本发明的高剪切混合装置100包括：
第一螺杆捏合机10和第二螺杆捏合机10’；用于使第一螺杆捏合机旋转的第一旋转驱动机构21和用于使第二螺杆捏合机旋转的第二旋转驱动机构21’；回转驱动机构23，第一旋转驱动机构21和第二旋转驱动机构21’可旋转地安装在回转驱动机构23中；驱动机构主体20，回转驱动机构23安装在驱动机构主体20中；以及混合罐30，
其中第一螺杆捏合机10和第二螺杆捏合机10’中的每一者均包括：轴13和13’，轴13和13’的一端连接到旋转驱动机构21和21’；以及三个或更多个叶片15和15’，叶片15和15’的一端固定到轴并且具有沿轴的纵向方向螺旋弯曲的主体，并且
其中，螺杆捏合机10和10’中的每一者均关于其它螺杆捏合机在相反方向上旋转，并且叶片15和15’彼此交叠。当螺杆捏合机旋转并彼此接合时，它们的特征在于在与混合物排出方向相反的方向上回转。
本发明的高剪切混合装置100可以特别优选地用于制备二次电池的干电极。即，当制备用于二次电池的干电极时，高剪切混合装置通过如下过程来生产自支撑式电极：高剪切混合包括活性材料、导电材料和作为粘结剂的可纤维化粘结剂(诸如PTFE)的混合物以纤维化粘结剂并轧制所制备的混合物。在该高剪切混合过程期间，可纤维化的聚合物变成类似口香糖的状态，并且对高剪切混合装置施加高的负载，这通常会损坏设备。另一方面，如果降低剪切力以防止损坏上述设备，则不能很好地进行可纤维化聚合物的纤维化。因此，由于这些问题，很难将高剪切混合装置构造用于制备二次电池的干电极的大容量批量生产设备。
然而，如果使用本发明的高剪切混合装置，在极大地改善了混合物的分散性并且有效地实现了可纤维化聚合物的微纤维化的同时，对于装置没有重负载。因此，本发明的高剪切混合装置可以优选地用于制备二次电池的干电极的高剪切混合，并且可以构造大容量的批量生产设备。
如果使用本发明的高剪切混合装置，在向包括活性材料、导电材料和作为粘结剂的可纤维化粘结剂(如PTFE)的混合物连续施加10至500N·m的高剪切力的同时，可以在不损坏设备的情况下制备具有高质量的自支撑式电极的混合物。此外，在轧制这种混合物的情况下，制备出具有优异拉伸强度的自支撑式电极，并且当由这种电极构造电池时，电池的寿命得到大大改善。
在本发明的一个实施方式中，叶片15和15’的主体的一端在纵向方向上以螺旋形状联接到轴，因此，主体表面在旋转方向上可以具有沿轴的纵向方向螺旋弯曲的形状。
在本发明中，叶片15和15’的主体可以具有这样的形状，其中具有一端被切除的圆形板、一端被切除的椭圆形板的形状或具有多边形板的形状的主体沿轴13和13’的纵向方向螺旋弯曲。在这种情况下，主体还可以具有示例的形状局部变型以有利于高剪切混合的形状。若主体为多边形形状，则可以为诸如三角形、四边形、五边形、六边形之类的多边形形状，并且没有特别限制。然而，可以更优选地使用矩形形状。
在本发明的一个实施方式中，高剪切混合装置100具有以下特征：螺杆捏合机10和10’借助旋转驱动机构21旋转并借助回转驱动机构23回转。此外，当螺杆捏合机旋转并彼此接合时，它们的特征在于在与混合物排出方向相反的方向上旋转。如上所述，如果螺杆捏合机同时旋转和回转，则混合物更均匀地混合，并且可以更有效地进行高剪切混合，这是优选的。
在本发明的一个实施方式中，设置在第一螺杆捏合机10和第二螺杆捏合机10’中的所有叶片15和15’都可以是开放式叶片，其中，在除旋转方向表面的外周之外的中央中形成通孔18、18’、19和19’，如图2和5中所示。在这种情况下，可以通过延伸通孔18和18’来移除外周部分中与轴相邻的外周部分。
图2中所示的第一螺杆捏合机10和第二螺杆捏合机10’的叶片15和15’中形成的通孔18和18’代表在每个叶片中自支撑地形成通孔的形状。即，通孔18和18’代表在除叶片的旋转方向表面的外周之外的中央中形成通孔的形状，特别地，图2中所示的形状代表通孔延伸到轴的外周表面的形状。
在本发明的一个实施方式中，通孔18和18’的面积可以形成为叶片主体的旋转方向表面的总面积的40％至80％，更优选为50％至70％。如果通孔形成在以上范围内，则因为在不向装置施加高负载的情况下就可以有效地混合混合物，所以这是优选的。特别地，在以上范围内，也可以有效地实现可纤维化聚合物的微纤维化。
图5中所示的第一螺杆捏合机10和第二螺杆捏合机10’具有这样的形状，其中通孔之间的轴被移除，使得形成在它们的叶片15和15’中的通孔19和19’全部连通。
在本发明的一个实施方式中，设置在第一螺杆捏合机10和第二螺杆捏合机10’中的所有叶片都可以为封闭式叶片，其中旋转方向表面是封闭的而没有通孔，如图3中所示。
在本发明的一个实施方式中，设置在第一螺杆捏合机10中的所有叶片都可以是在除旋转方向表面的外周以外的中央中形成通孔18、18’、19和19’的开放式叶片，如图2和图5中所示，并且
设置在第二螺杆捏合机10’中的所有叶片都可以是旋转方向表面是封闭的而没有通孔的封闭式叶片，如图3中所示。
在本发明的一个实施方式中，第一螺杆捏合机10和第二螺杆捏合机10’可以分别设置有三个叶片。
在本发明的一个实施方式中，设置在第一螺杆捏合机10和第二螺杆捏合机10’中每一者中的三个叶片中的任一个叶片均可以是在除旋转方向表面的外周以外的中央中形成通孔18和18’的开放式叶片，并且另外两个叶片可以都是旋转方向表面是封闭的而没有通孔的封闭式叶片，如图4中所示。如果包括这种形状的第一螺杆捏合机(10)和第二螺杆捏合机(10’)，则混合物的分散性得到极大地改善，并且有效地实现了可纤维化聚合物(例如PTFE)的纤维化。此外，在可纤维化聚合物(例如PTFE)的纤维化过程期间，不对装置施加大负载。因此，本发明的高剪切混合装置可以优选地用于制备二次电池的干电极的高剪切混合，并且可以构造大容量的批量生产设备。
特别地，如果通过高剪切混合包括活性材料、导电材料和作为粘结剂的可纤维化粘结剂(例如PTFE)的混合物并轧制这种混合物来制备干燥的自支撑式电极，则自支撑式电极的拉伸强度得到极大地改善，并且该干燥的自支撑式电极提供了极大地改善二次电池的寿命的效果。
在本发明的一个实施方式中，叶片的通孔18和18’可以形成为延伸到轴的外周表面，如图4中所示。
在本发明的一个实施方式中，包括开放式叶片的螺杆捏合机10和10’可以具有这样的形状，其中通孔之间的轴被移除，使得形成在叶片中的通孔19和19’全部连通。
在本发明的一个实施方式中，可以优选地，设置在第一螺杆捏合机和第二螺杆捏合机中的叶片的旋转方向远端在维持与其它螺杆捏合机的分离距离为1mm至10mm(优选1mm至5mm，更优选1mm至3mm)的同时旋转。当具有以上分离距离时，有效地实现了诸如PTFE之类的可纤维化聚合物的纤维化，并且高剪切混合装置不经受可能损坏装置的大负载，因此可以有效地制备高质量的自支撑式电极。
在本发明的一个实施方式中，更优选地，第一螺杆捏合机和第二螺杆捏合机的转速为10rpm至500rpm，优选为10rpm至300rpm，更优选为10rpm至150rpm。如果以上述速度进行高剪切混合，则有效地实现诸如PTFE之类的可纤维化聚合物的纤维化，并且高剪切混合装置不经受可能损坏装置的大负载，因此可以有效地制备高质量的自支撑式电极。另外，回转速度可以为5rpm至100rpm，优选10rpm至50rpm，更优选10rpm至30rpm。
本发明的模式
下文，以实施例的方式对本发明进行详细描述，以具体解释本发明。然而，根据本发明的实施例可以以各种其它形式变型，并且本发明的范围不应被解释为限于下面详细描述的实施例。提供本发明的实施例是为了使本领域普通技术人员更完整地解释本发明。
实施例1：由高剪切混合装置制备自支撑式电极
将重量百分比为95.5或97的NCM粉末(作为正极活性材料颗粒)，重量百分比为1.5的Li250(Denka公司；作为导电材料)和重量百分比为1.5或3的PTEE(作为粘结剂)混合以制备用于自支撑式电极的混合物，其中，NCM粉末的平均粒径为10μm(产品名称：GL80，LG化学公司)。
如下表1中所示构造本发明的高剪切混合装置，并且通过在30rpm的旋转和15rpm的回转下在90℃下对混合物施加100N·m的剪切力来进行高剪切混合2分钟。
接下来，用双辊研磨机(MR-3，Inoue公司)在100℃下研磨以上制备的面团形式的二次混合物，以制备厚度为200μm的自支撑膜。
此后，将自支撑膜放置在厚度为20μm的底漆涂层的铝箔(由东元系统公司制造)集流体的一侧上，并借助保持在120℃下层的压辊粘合以制备正极。
[表1]：
(注意)交叠：设置在第一螺杆捏合机和第二螺杆捏合机上的叶片的旋转方向远端与另一个螺杆捏合机维持3mm的分离距离。
实验例1：自支撑式电极拉伸强度的测量
使用LLOYD公司的UTM设备，在50mm/min的条件下，借助180度剥离测量方法测量实施例1至5和比较例1至7中制备的自支撑式电极的拉伸强度。在测量时，评估直到膜不断裂的时间点施加的力的最大值作为自支撑膜的强度，并且测量结果示出在下表2中。
[表2]：
实验例2：电池寿命特性的评估
(1)锂二次电池的制造
使用实施例1至5和比较例1至7中制备的正极，使用锂金属作为反电极，并且使用含有EC：DMC：DEC(体积比为1：2：1)的溶剂中含有1M LiPF6的电解质溶液来制造纽扣式半电池。
(2)锂二次电池容量保持率的评估
在3V至4.3V的电压范围和0.33C率的电流条件下，在25℃下对上述制备的纽扣式半电池充放电100次后，计算第100次放电容量与第1次放电容量相比的保持率，测量结果示出在下表3中
[表3]：
尽管已经参考上述优选实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种变型和变更。因此，只要这些变型和变更落入本发明的思想内，所附权利要求就涵盖这些变型和变更。
[附图标记说明]
10：第一螺杆捏合机
10’：第二螺杆捏合机
13、13’：轴
15、15’：叶片
20：驱动机构主体
21：第一旋转驱动机构
21’：第二旋转驱动机构
23：回转驱动机构
30：混合罐

Claims (11)

1.一种高剪切混合装置，所述高剪切混合装置包括：
第一螺杆捏合机和第二螺杆捏合机；
用于旋转所述第一螺杆捏合机的第一旋转驱动机构和用于旋转所述第二螺杆捏合机的第二旋转驱动机构；
回转驱动机构，所述第一旋转驱动机构和所述第二旋转驱动机构能旋转地安装在所述回转驱动机构中；
驱动机构主体，所述回转驱动机构安装在所述驱动机构主体中；以及
混合罐，
其中，所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的每一者均包括：轴，所述轴的一端与所述旋转驱动机构连接；以及三个或更多个叶片，所述叶片的一端固定到所述轴，并且所述叶片具有沿所述轴的纵向方向螺旋弯曲的主体，并且
其中，每个螺杆捏合机在与其它螺杆捏合机相反的方向上旋转，并且所述叶片彼此交叠。
2.根据权利要求1所述的高剪切混合装置，其中，在所述高剪切混合装置中，所述螺杆捏合机借助所述旋转驱动机构旋转并借助所述回转驱动机构回转。
3.根据权利要求2所述的高剪切混合装置，其中，设置在所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的所有叶片都是开放式叶片，在所述开放式叶片中，在除旋转方向表面的外周以外的中央中形成通孔。
4.根据权利要求2所述的高剪切混合装置，其中，设置在所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的所有叶片都是封闭式叶片，在所述封闭式叶片中，旋转方向表面是封闭的而没有通孔。
5.根据权利要求2所述的高剪切混合装置，其中，设置在所述第一螺杆捏合机中的所有叶片都是开放式叶片，在所述开放式叶片中，在除旋转方向表面的外周以外的中央中形成通孔，并且设置在所述第二螺杆捏合机中的所有叶片都是封闭式叶片，在所述封闭式叶片中，旋转方向表面是封闭的而没有通孔。
6.根据权利要求2所述的高剪切混合装置，其中，所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的每一者分别具有三个叶片。
7.根据权利要求6所述的高剪切混合装置，其中，设置在所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的每一者中的所述三个叶片中的任一个叶片均是在除旋转方向表面的外周以外的中央中形成通孔的开放式叶片，并且另外两个叶片都是旋转方向表面是封闭的而没有通孔的封闭式叶片。
8.根据权利要求3、5和7中的任一项所述的高剪切混合装置，其中，形成在所述叶片中的每个所述通孔均形成为延伸到所述轴的外周表面。
9.根据权利要求3或5所述的高剪切混合装置，其中，在包括所述开放式叶片的螺杆捏合机中，移除了所述通孔之间的所述轴，使得形成在相应叶片中的所述通孔都彼此连通。
10.根据权利要求1所述的高剪切混合装置，其中，设置在所述第一螺杆捏合机和所述第二螺杆捏合机中的所述叶片的旋转方向远端在与其它螺杆捏合机维持1mm至10mm的分离距离的同时旋转。
11.根据权利要求1所述的高剪切混合装置，其中，所述高剪切混合装置用于通过高剪切混合用于制备含有作为粘结剂的可纤维化聚合物的干电极的混合物来对所述可纤维化聚合物进行微纤维化。
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