В контекста на намаляването на разходите и подобряването на ефективността при производството на литиеви батерии, проводящата паста от въглеродни нанотръби с високо-съдържание-с нисък{2}}вискозитет се превърна в посока на избор за много компании за батерии. Високото съдържание на твърдо вещество означава по-голям дял ефективни въглеродни нанотръби на контейнер, намалявайки транспорта на разтворителя и консумацията на енергия за сушене. Ниският вискозитет осигурява добра течливост на пастата, улеснявайки тръбопроводния транспорт и подаването на суспензия, без да се налага вискозитетно налягане върху цялата електродна суспензия. Въпреки това много купувачи съобщават, че наличната в търговската мрежа CNT проводяща паста с високо-твърдо-съдържание или има постоянно висок вискозитет, което затруднява разреждането, или постига нисък вискозитет, но с цената на влошена проводимост и стабилност при съхранение. Високото съдържание на твърдо вещество и ниският вискозитет са по своята същност конкурентни показатели. Разбирането на техническите трудности зад тях помага да се избегнат капаните при избора.
1. Вътрешните свойства на материала на въглеродните нанотръби са най-голямата основна пречка за високия твърд и нисък вискозитет
Свръх-високата специфична повърхност и силните ван дер ваалсови сили на въглеродните нанотръби карат междумолекулните взаимодействия да се усилват експоненциално с увеличаване на съдържанието на твърдо вещество, което естествено води до увеличаване на вискозитета на суспензията. Това е основният конфликт, присъщ на материала и не може просто да бъде заобиколен.
Специфичната повърхност на много{0}}стенните въглеродни нанотръби обикновено достига 180-260 m²/g. Нанотръбите разчитат на силите на Ван дер Ваалс, за да се заплитат една в друга. За всеки 1-2 процентни пункта увеличение на съдържанието на твърдо вещество, разстоянието между нанотръбите се скъсява, вероятността от физическо заплитане нараства значително и общата реологична устойчивост на суспензията нараства бързо. При обикновени условия на процеса, когато ефективното съдържание на CNT надвишава 6%, вискозитетът лесно надхвърля 15 000 mPa·s, течливостта се влошава и дори може да се появи гелообразно състояние.
Ако някой сляпо преследва нисък вискозитет чрез просто добавяне на големи количества дисперсант, възникват нови проблеми: излишъкът от диспергиращо средство вътре в електродния лист може да влоши клетъчния цикъл и ефективността на първия-цикъл. Ако нанотръбите се съкратят, за да се намали вискозитета, аспектното съотношение намалява, способността за изграждане на проводяща мрежа директно отслабва и вътрешното съпротивление се увеличава при същата добавена сума.
| Сравнение на различни условия на CNT паста (NMP система, 25 градуса) | Ефективно CNT съдържание | Вискозитет mPa·s (25 градуса) | Основни болкови точки | Индустриален референтен източник |
|---|---|---|---|---|
| Конвенционална търговска паста | 4-5% | 2000-6000 | Балансирани показатели, добра обща стабилност | GB/T 33818-2017 CNT Национален стандарт за проводима паста |
| Обикновена паста с високо-твърдо-съдържание (без оптимизиране на нисък-вискозитет) | 6-8% | 8000-18000 | Висок вискозитет, трудно транспортиране и филтриране, склонност към желиране при съхранение | Измерени от индустрията данни за проводяща добавка за литиева батерия |
| Оптимизирана паста с високо-твърдо вещество и нисък{1}}вискозитет | 6-8% | 3000-6000 | Висок праг на процеса, трудна за балансиране проводимост, съхранение и дисперсия | Публични доклади от тестове от водещи производители на материали |
Shandong Tanfeng извършва целенасочен скрининг на диаметъра и дължината на CNT на етапа на суровината, като избягва сляпата селекция на тръби с ултра-висок-аспект-съотношение за продукти с висок-твърдо вещество, нисък-вискозитет. Това облекчава рязкото увеличение на вискозитета при източника, като същевременно запазва достатъчна проводимост, избягвайки жертването на електрохимичните характеристики чрез просто скъсяване на тръбите.
2. Трудности при дизайна на диспергиращата формула: Намаляване на вискозитета без увреждане на електрохимичните характеристики на батерията
Разработването на специализирани диспергиращи състави, подходящи за условия с високо-твърдо вещество, нисък-вискозитет, е много трудно. Добавянето на твърде малко диспергатор причинява агломерация и желиране; добавянето на твърде много замърсява клетката. Обикновените-дисперсанти с общо предназначение се борят да отговорят и на двете изисквания.
Дисперсантите се адсорбират върху повърхността на CNT, като използват пространствено препятствие, за да предотвратят заплитането на нанотръбите една с друга, като по този начин намаляват вискозитета. Въпреки това, при условия на високо-твърдо-съдържание, общата специфична повърхност на CNT е голяма, което изисква пропорционално по-високо общо количество диспергатор.
Недостатъчно добавяне на диспергатор:Непълното повърхностно покритие на нанотръбите води до бърза вторична агломерация в среда с високо-твърдо вещество, причинявайки желиране и образуване на бучки.
Прекомерно добавяне на диспергатори:Излишният дисперсант остава свободен в разтворителя, причинявайки странични реакции по време на зареждането и разреждането на литиевата батерия, намалявайки кулоновата ефективност на първия-цикъл, влошавайки генерирането на газ и засягайки живота на цикъла.
Много ниски{0}}цени с високо-твърдо-съдържание на пазара разчитат на големи дози обикновени дисперсанти за намаляване на вискозитета. Въпреки че течливостта може да изглежда добре в краткосрочен план, разпадането на цикъла става очевидно след направата на батерията - основната причина е небалансирано съотношение на диспергиращи средства. В същото време диспергаторът трябва да е съвместим с NMP и водни-системи и не трябва да влиза в конфликт с последващи PVDF и CMC-SBR свързващи вещества.
Shandong Tanfeng използва собствена смесена диспергираща система, като прецизно контролира коефициента на покритие на дисперсанта. Докато осигурява достатъчно повърхностно покритие на нанотръбите, той контролира съотношението на свободния дисперсант, като балансира течливостта на пастата и електрохимичните характеристики на батерията. Всяка партида се подлага на контрол на остатъчен въглерод и примеси, за да се избегнат клетъчни рискове, причинени от прекомерен дисперсант.
3. Трудности на процеса на физическа дисперсия: Пълно раз-обединяване без прекомерно срязване, което уврежда CNT структурата
При условия на високо-твърдо-съдържание, трудността при отделянето на-въглеродни нанотръби нараства рязко. Недостатъчната дисперсия причинява агломерация; прекомерното срязване нарязва нанотръбите, намалявайки съотношението им и директно жертвайки проводимостта. Това поставя изключително високи изисквания към производственото оборудване и контрола на параметрите на процеса.
Обикновеното оборудване за смилане на перли може да се справи с пасти с ниско-съдържание-на твърдо вещество, но когато се сблъска с материали с 6-8% високо-съдържание на твърдо-съдържание, високият вискозитет и лепкавият характер на суспензията причиняват неравномерно разпределение на полето на срязване, което лесно води до локализирано свръх-смилане и локализирана недостатъчна дисперсия.
Недостатъчна сила на смилане:Сноповете CNT не се отварят и суспензията съдържа голямо количество микро-агломерати, което води до превишаване на размера на частиците D90 стандартите, което по-късно води до запушване на филтъра и черни петна по електродния лист.
Прекомерна сила на смилане/хомогенизиране:CNT се изрязват механично, което води до значителен спад в съотношението на страните и повишаване на прага на проводимо просмукване. За да се постигне същия проводящ ефект, количеството на добавяне на CNT трябва да се увеличи, като се противодейства на предимството в цената на високото съдържание на твърдо вещество.
Постигането на високо съдържание на твърдо вещество и нисък вискозитет обикновено изисква много{0}}етапна хомогенизация под високо-налягане, комбинирана с контролирани процеси на смилане, прецизно контролиране на времената на цикъла и параметрите на налягането. Това е капиталоемък- и технологично-процес, който обикновените малки фабрики се борят да стабилно масово-произвеждат.
Shandong Tanfeng е конфигурирал много{0}}етапни производствени линии за хомогенизиране под високо{1}}налягане с отделно калибрирани параметри на процеса за пасти с високо-твърдо вещество и нисък-вискозитет. Онлайн наблюдението на размера на частиците D50/D90 гарантира цялостно де-групиране, като същевременно защитава съотношението на CNT, избягвайки често срещания проблем в индустрията за „унищожаване на тръбите в търсене на дисперсия“.
4. Трудности със стабилността при съхранение и използване: преминаване на фабричните тестове, но усещане за възстановяване на вискозитета и желиране след съхранение
Колоидната система от CNT проводима паста с високо-твърдо-съдържание и нисък{2}}вискозитет е по-чувствителна. По време на съхранение е склонен към възстановяване на вискозитета, мека седиментация и желиране, с много по-строги изисквания за условия на съхранение и транспорт в сравнение с обикновената паста.
Дори ако всички индикатори преминат инспекция във фабриката, по време на съхранение в склада CNT частиците в системата с високо-твърдо вещество са по-близо една до друга и силите на Ван дер Ваалс могат по-лесно да влязат в сила. Някои продукти имат много нисък вискозитет веднага след производството, но след 30-60 дни на съхранение, вискозитетът непрекъснато се увеличава, дори преминавайки в гелообразно състояние и губейки течливост. Основни рискови точки:
Температурните колебания влияят върху адсорбционното равновесие на диспергатора; високо{0}}температурните среди ускоряват възстановяването на вискозитета.
Вибрациите при транспорт-на дълги разстояния нарушават колоидната структура, причинявайки утаяване при пристигането.
След като настъпи желиране, дори при повторно -разбъркване, някои вторични агломерации не могат да бъдат напълно възстановени.
Фабричен казус:Компания за съхранение на енергия закупи партида от 7% твърдо-съдържание, CNT проводяща паста с нисък-вискозитет. При пристигането вискозитетът е измерен 4200 mPa·s, което изглежда добре. След 2 месеца складово съхранение вискозитетът се повишава до 13 000 mPa·s и в контейнерите се появява желиране, което прави цялата партида неизползваема за производство.
| Рискова точка | Феномен | Производствено въздействие |
|---|---|---|
| Възстановяване на вискозитета | Вискозитетът непрекъснато се увеличава след престояване | Трудност при тръбопроводния транспорт; вискозитетът на цялата суспензионна система надвишава стандартите след смесване |
| Вторично желиране | Пастата става гелообразна-, губи течливост | Не може да се храни; целият контейнер е бракуван |
| Ускорена седиментация | Гъста утайка на дъното; ре-трудността на дисперсията се увеличава | Повишена променливост на вътрешното съпротивление в електродните листове след подаване |
Shandong Tanfeng провежда ускорени тестове за стареене и седиментация на високо-твърдо вещество, нисък-вискозитет, като симулира дългосрочно-съхранение и среда с висока-температура, за да провери съставите с по-добра колоидна стабилност. Спецификацията на продукта включва препоръки за температурата на съхранение и срока на годност, заедно с указания за повторно-разбъркване за клиентите, намалявайки риска от-неуспешно съхранение на място.
5. Трудности при адаптирането на процеса надолу по веригата: Изборът на паста с висок-твърдо вещество, нисък{2}}вискозитет не може да се основава само на два показателя
Когато избирате CNT проводима паста с високо-твърдо-съдържание и нисък{2}}вискозитет, не можете да гледате само съдържанието на твърдо вещество и вискозитета. Възможността за филтриране, нивата на примеси и съвместимостта със системата за суспензия от анода/катода също трябва да се вземе предвид; в противен случай ще възникнат различни проблеми по време на масовото производство.
Много служители в областта на научноизследователската и развойна дейност се съсредоточават само върху стойностите на съдържанието на твърдо вещество и вискозитета на етикета на продукта, пренебрегвайки други подкрепящи индикатори и срещат клопки по време на масовото производство:
Въпреки че пастата има нисък вискозитет, тя съдържа много микро-агломерати, причиняващи често запушване на филтрите във фабриката за батерии и многократно спиране на производствената линия за смяна на екрана.
Неадекватен контрол на магнитните метални примеси: системата с високо-твърдо вещество въвежда повече примеси, увеличавайки риска от само-разреждане на клетката.
Лоша съвместимост със силициеви анодни системи на-водна основа: при добавяне към смесителния резервоар се получава сгъстяване и флокулация.
Високо съдържание на твърдо вещество и нисък вискозитет са изчерпателни показатели. Възможността за филтриране, примесите, електрохимичната съвместимост и стабилността при съхранение трябва да бъдат включени в оценката. Дайте приоритет на малък{2}}мащаб и пилотна проверка пред-голям{3}}обществени поръчки.
6. Пълно резюме на статията
Четирите основни технически трудности на CNT проводимата паста с високо-твърдо-съдържание и нисък{2}}вискозитет са: присъщите силни взаимодействия на материала, причиняващи естествено повишаване на вискозитета; диспергиращата формула, която трябва да балансира намаляването на вискозитета и електрохимичните странични ефекти; процесът на дисперсия, който трябва да балансира разделянето и защитата на аспектното съотношение на CNT; и колоидната система е чувствителна, склонна към отскок на вискозитета и желиране по време на съхранение. Постигането само на високо съдържание на твърдо вещество и нисък вискозитет далеч не е достатъчно; стабилността при съхранение, примесите и електрохимичната съвместимост са незаменими.
Предимствата на CNT проводящата паста с висок-твърдо вещество и нисък{1}}вискозитет са много ясни-той може да помогне на фабриките за литиеви батерии да намалят разходите за логистика, разтворители и сушене. Въпреки това техническият праг е висок и това е много-измерна, взаимно ограничаваща техническа система, която не може да бъде постигната чрез просто регулиране на съотношението. Някои продукти на пазара жертват проводимостта и стабилността на цикъла за атрактивно съдържание на твърдо вещество и параметри на вискозитет. Клиентите трябва да извършват много-изчерпателни оценки по време на избора, а не само да гледат параметрите на етикета.
Като професионален производител на CNT проводима паста, Shandong Tanfeng инвестира в разработването на високо-твърди, ниско-вискозитетни пастообразни продукти, с пълни възможности за скрининг на суровини, смесена дисперсия и проверка на стабилността. Той може да предостави проби от пасти с висок-твърдо вещество и нисък{6}}вискозитет на базата на NMP{3}}масло-базирани, да поддържа малки-мащабни оценки на клиенти и едновременно с това да предоставя препоръки за процеса на съхранение и захранване, като помага на компаниите за батерии да оценят пригодността на продукта за масово производство.
ЧЗВ
В: Проводимата CNT паста с високо-твърдо-съдържание и нисък{2}}вискозитет винаги ли има по-силна проводимост?
О: Не е задължително. Ако се постигне нисък вискозитет чрез рязане на нанотръби или използване на прекомерно количество диспергатор, аспектното съотношение намалява и проводящата способност всъщност се влошава. Ключът е да се съсредоточите върху ефективното съотношение на страните на CNT и състоянието на дисперсия.
В: Пастата с високо-твърдо вещество и нисък{1}}вискозитет изисква ли съхранение в хладилник?
О: Препоръчително е да контролирате средата за съхранение на 10-30 градуса и да избягвате излагане на висока-температура. В сравнение с обикновената паста, класовете с високо-твърдо вещество и нисък-вискозитет са по-чувствителни към температурни колебания. Опитайте се да съкратите периода на съхранение и да приложите FIFO (първо-влязло, първо излязло) управление на инвентара.
В: Могат ли водните-системи да постигнат високо-твърдо-съдържание, нисък-вискозитет на CNT проводима паста?
О: Водните -системи имат по-силни колоидни ограничения. При търговски условия е много трудно да се постигне същото високо съдържание на твърдо вещество като системите, базирани на NMP-масло-. Принудителното повишаване на съдържанието на твърдо вещество ще доведе до бързо влошаване на вискозитета и стабилността при съхранение. Основният поток в индустрията за-базирани на вода системи остава в диапазона 2-5%.