กระบวนการสร้างเยื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (1) - การกระจายตัวของเยื่อกระดาษและกลไกการทำให้เสถียร

(ก) อนุภาคปฐมภูมิ: อนุภาคของอนุภาคหรือผลึกเดี่ยว เรียกว่าอนุภาคปฐมภูมิ

(b) คอนเดนเสท: อนุภาคปฐมภูมิเชื่อมต่อกันด้วยใบหน้าและไม่สามารถแยกออกจากกันได้หากไม่มีพลังงานภายนอก

(c) Agglomerate หมายถึงกระจุกที่เกิดจากการเชื่อมต่อแบบจุดและมุมระหว่างอนุภาคปฐมภูมิหรือการดูดซับอนุภาคขนาดเล็กบนอนุภาคขนาดใหญ่

(d) Flocs: โครงสร้างที่หลวมขึ้นเพื่อลดพลังงานพื้นผิวเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ผิวของระบบ

นอกจากนี้ ผงจับตัวเป็นก้อนสามารถแบ่งออกเป็นกลุ่มก้อนแข็งและจับตัวเป็นก้อนอ่อนตามความแตกต่างของแรงปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคในกลุ่มเกาะและความแตกต่างในวิธีการจับตัวเป็นก้อน การรวมตัวแบบแข็งเกิดขึ้นจากพันธะเคมีที่แข็งแกร่งระหว่างอนุภาค และโครงสร้างของมันไม่ถูกทำลายง่าย ๆ ระหว่างกระบวนการแปรรูปและการขึ้นรูปผง การรวมตัวแบบอ่อนเกิดจากแรงที่อ่อนกว่า เช่น แรงแวนเดอร์วาลส์ แรงดึงดูดจากไฟฟ้าสถิต และแรงของเส้นเลือดฝอย การกระทำทางเคมีหรือการใช้การกระทำทางกลเพื่อกำจัด

มีทฤษฎีที่แตกต่างกันเกี่ยวกับกลไกการรวมตัวของอนุภาคผง สาเหตุของการรวมตัวของแป้งที่อ่อนนุ่ม ได้แก่ :

ผลกระทบของขนาด: เมื่อขนาดอนุภาคลดลงถึงระดับนาโนเมตร พื้นที่ผิวจำเพาะของอนุภาคจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก อัตราส่วนของอะตอมของพื้นผิวและกลุ่มแอคทีฟจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และอนุภาคแอคทีฟจะชนกันและจับตัวเป็นก้อน

ผลกระทบทางอิเล็กทรอนิกส์ของพื้นผิว: การประสานงานไม่เพียงพอบนพื้นผิวของอนุภาคนาโน มีข้อบกพร่องของคริสตัลจำนวนมากและพันธะที่ไม่อิ่มตัว และการสะสมของประจุที่พื้นผิวทำให้พื้นผิวของอนุภาคไม่เสถียรอย่างยิ่งและง่ายต่อการจับตัวเป็นก้อน

ผลกระทบของพลังงานพื้นผิว: อนุภาคนาโนที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และพลังงานพื้นผิวสูงอยู่ในสถานะพลังงานที่ไม่เสถียร และมีแนวโน้มที่จะรวมกลุ่มและมีแนวโน้มที่จะอยู่ในสถานะคงที่

ผลกระทบของความใกล้เคียง: ระยะห่างระหว่างอนุภาคนาโนมีขนาดเล็ก แรงแวนเดอร์วาลส์ระหว่างพวกมันนั้นมากกว่าแรงโน้มถ่วงอย่างมาก และอนุภาคจะเกาะติดกันได้ง่ายผ่านแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล

เกี่ยวกับกลไกของการรวมตัวแบบแข็งของอนุภาค ในปัจจุบันยังไม่มีทฤษฎีที่เป็นหนึ่งเดียวที่จะอธิบายสิ่งนี้ ซึ่งรวมถึงทฤษฎีต่อไปนี้เป็นหลัก:

ทฤษฎีพันธะเคมี: ทฤษฎีพันธะเคมีถือได้ว่ากลุ่มไฮดรอกซิลที่ไม่เชื่อมประสานที่ปรากฏบนผิวเจลเป็นแหล่งกำเนิดของการเกาะตัวเป็นก้อนแข็ง

ทฤษฎีการดูดซับของเส้นเลือดฝอย: ทฤษฎีการดูดซับของเส้นเลือดฝอยเชื่อว่าการรวมตัวแบบแข็งนั้นส่วนใหญ่เกิดจากการกระทำของเส้นเลือดฝอยที่เกิดจากการแยกโมเลกุลของน้ำในระหว่างกระบวนการแยกและทำให้แห้งของผงนาโน

ทฤษฎีพันธะไฮโดรเจน: ทฤษฎีพันธะไฮโดรเจนเชื่อว่าพันธะไฮโดรเจนเป็นสาเหตุหลักของการรวมตัวของอนุภาคนาโนอย่างแข็ง

ทฤษฎีสะพานคริสตัล: ทฤษฎีสะพานคริสตัลอยู่บนพื้นฐานของข้อเท็จจริงที่ว่าผงนาโนมีปรากฏการณ์การละลายบางอย่างในตัวกลางการกระจาย อะตอมและกลุ่มไฮดรอกซิลบนพื้นผิวบางส่วนละลายและตกตะกอนในตัวกลางเพื่อสร้างสะพานคริสตัล ซึ่งทำให้อนุภาคมีขนาดเล็กลง

ทฤษฎีการแพร่กระจายของอะตอมของพื้นผิว: อะตอมบนพื้นผิวของอนุภาคผงที่ได้รับหลังจากการสลายตัวที่อุณหภูมิสูงมีกิจกรรมสูง พลังงานที่เกิดจากการทำลายพันธะบนพื้นผิวจะสูงกว่าพลังงานของอะตอมภายในผงมาก และอะตอมของพื้นผิวสามารถแพร่กระจายไปยังพื้นผิวของที่อยู่ติดกันได้อย่างง่ายดาย อนุภาค พันธะกับอะตอมที่สอดคล้องกัน ทำให้เกิดพันธะเคมีที่แรง ทำให้เกิดการรวมตัวที่แข็ง

2. กระบวนการมาโครและไมโครของเยื่อกระดาษ

วัตถุประสงค์หลักของกระบวนการทำเยื่อลิเธียมแบตเตอรีคือเพื่อกระจายวัสดุที่ใช้งาน สารนำไฟฟ้า สารยึดเกาะ และสารอื่นๆ อย่างสม่ำเสมอ เพื่อให้ได้สารละลายที่สม่ำเสมอและเสถียรสำหรับกระบวนการเคลือบชิ้นขั้ว โครงสร้างอิเล็กโทรดในอุดมคติแสดงไว้ในรูปที่ 3 อนุภาคของแต่ละส่วนประกอบจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอโดยไม่มีการรวมตัว และอนุภาคแอคทีฟจะสัมผัสกับสารนำไฟฟ้าและสารยึดเกาะอย่างเต็มที่เพื่อสร้างเครือข่ายที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและอิออนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ดี กระบวนการขนาดใหญ่ของกระบวนการทำเยื่อกระดาษคือการกระจายตัวและการผสมส่วนประกอบต่างๆ อย่างสม่ำเสมอ ในขณะที่กระบวนการด้วยกล้องจุลทรรศน์เกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันระหว่างอนุภาคและการก่อตัวของโครงสร้างเครือข่ายที่มีเสถียรภาพในระหว่างกระบวนการผลิตเยื่อกระดาษ การกระจายตัวของอนุภาคในการผลิตเยื่อแบตเตอรี่ลิเธียมประกอบด้วยขั้นตอนต่อไปนี้:

การทำให้อนุภาคของแข็งเปียกในสถานะของเหลว

Deagglomeration และการกระจายตัวของอนุภาคของแข็งเกาะตัวเป็นก้อนภายใต้การกระทำของแรงทางกล

สารละลายโพลีเมอร์ถูกทำให้เสถียรเพื่อป้องกันการรวมตัวอีกครั้ง

2.1 การทำให้อนุภาคผงเปียก

การทำให้เปียกเป็นกระบวนการของการเพิ่มผงลงในระบบของเหลวอย่างช้าๆ เพื่อให้อากาศหรือสิ่งสกปรกอื่นๆ ที่ดูดซับบนพื้นผิวของผงถูกแทนที่ด้วยของเหลว การทำให้เปียกของพื้นผิววัสดุอิเล็กโทรดส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยระดับความแตกต่างของขั้วระหว่างพื้นผิวของเฟสของเหลวและพื้นผิวของอนุภาค ความสามารถในการทำให้เปียกของผงในเฟสของเหลวเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นที่สำคัญสำหรับการกระจายตัวของผงอย่างสม่ำเสมอ การรวมตัวและการรวมตัวกันจะส่งผลต่อการกระจายตัวและการผสมที่ตามมา คุณสมบัติการทำให้เปียกของอนุภาคผงและตัวทำละลายมักจะมีลักษณะเฉพาะด้วยมุมเปียก ซึ่งสัมพันธ์กับขนาดของแรงตึงระหว่างผิวหน้าของของแข็งและของเหลว ตามขนาดของมุมเปียก ความสามารถในการทำให้เปียกของผงและตัวทำละลายสามารถแบ่งออกเป็นสี่เกรด: θ=0, ความชอบน้ำที่แข็งแกร่ง 0<θ<40°, ความชอบน้ำที่อ่อนแอ; 40<θ<90°, ไม่ชอบน้ำที่อ่อนแอ; θ>90° ไม่ชอบน้ำอย่างรุนแรง นอกจากนี้ ความร้อนเปียกยังสามารถใช้เพื่อกำหนดลักษณะการเปียกได้ ยิ่งความร้อนเปียกมากเท่าใด ความสามารถในการทำให้เปียกของผงและตัวทำละลายก็ยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

2.2 ดีพอลิเมอไรเซชันรวม

ในระหว่างกระบวนการสร้างเยื่อกระดาษของแบตเตอรี่ลิเธียม อนุภาคที่เกาะติดกันเป็นก้อนจะถูกดีพอลิเมอร์และกระจายตัวภายใต้การกระทำของแรงเฉือน แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง ความเค้นอัด แรงเฉื่อย ฯลฯ และการรวมตัวที่ใหญ่กว่าในขั้นต้นจะแตกและกระจายตัวเพื่อสร้างอนุภาคขนาดเล็ก กระบวนการ deagglomeration ของอนุภาคที่จับตัวเป็นก้อนสามารถกลั่นเพิ่มเติมได้เป็นสามขั้นตอน: การกัดเซาะ การแตกร้าว และการแตกเป็นเสี่ยง การสึกกร่อนมักเกิดขึ้นระหว่างขั้นตอนการกวนด้วยพลังงานต่ำ เมื่อเศษอนุภาคละเอียดหลุดออกจากพื้นผิวของเกาะที่เกาะเป็นก้อนภายใต้แรงเฉือน ด้วยความเข้มข้นและเวลาที่เพิ่มขึ้น การรวมกลุ่มขนาดใหญ่ในขั้นต้นจะแตกออกเป็นกระจุกเล็กๆ ระยะนี้เพื่อที่จะแตกออก ความเข้มข้นของการกวนจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การรวมกลุ่มขนาดใหญ่จะถูกแยกออกเป็นมวลรวมของอนุภาคละเอียดอย่างรวดเร็ว และกระบวนการนี้เรียกว่าการทำให้เป็นผง ตามความแตกต่างของความเข้มข้นในการกวนเชิงกล กระบวนการทั้งสามสามารถดำเนินการทีละน้อยหรือพร้อมกันได้

2.3 การรักษาเสถียรภาพของสารละลาย

หลังจากที่สารละลายกระจายตัวแล้ว จำเป็นต้องป้องกันไม่ให้อนุภาครวมตัวกันอีกครั้ง ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องรักษาเสถียรภาพในการกระจายตัวของสารละลายในระหว่างกระบวนการผลิตเยื่อกระดาษ ไม่ว่าสารละลายจะรวมตัวกันอีกครั้งหลังจากการกระจายตัวนั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคหรือไม่ ในปัจจุบัน แบบจำลองทางทฤษฎีที่แตกต่างกันได้เกิดขึ้นเกี่ยวกับกลไกการคงตัวของการกระจายตัวของสารละลาย ดังแสดงในรูปที่ 8 ส่วนใหญ่รวมถึงกลไกการคงตัวของปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิตและกลไกการคงตัวของสิ่งกีดขวางทางสเตียรอยด์ , กลไกการรักษาเสถียรภาพอุปสรรค steric อุปสรรค. พื้นฐานทางทฤษฎีของกลไกต่างๆ เกี่ยวข้องโดยตรงกับแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาค แรงปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคของสารละลายแบตเตอรี่ลิเธียมถูกวิเคราะห์และสรุปไว้ด้านล่าง

3. ปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคในสารละลาย

มีแรงปฏิสัมพันธ์ที่หลากหลายระหว่างอนุภาคแต่ละส่วนประกอบในสารละลายแบตเตอรี่ลิเธียม รวมถึงแรงแวนเดอร์วาลส์ แรงผลักไฟฟ้าสถิต ความต้านทานสเตียรอยด์ แรงว่าง แรงไฮเดรชั่น ฯลฯ ขนาดของแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคเป็นตัวกำหนดว่าพวกมันรวมตัวกันหรือไม่