Каковы технические трудности с проводящей пастой из углеродных нанотрубок с высоким-содержанием-твердых веществ и низкой-вязкостью?

В контексте снижения затрат и повышения эффективности производства литиевых батарей многие компании, производящие аккумуляторы, стали выбирать проводящую пасту из углеродных нанотрубок с высоким-содержанием твердых-твердых веществ и низкой-вязкостью. Высокое содержание твердых веществ означает более высокую долю эффективных углеродных нанотрубок на контейнер, что снижает транспорт растворителя и потребление энергии при сушке. Низкая вязкость обеспечивает хорошую текучесть пасты, облегчая транспортировку по трубопроводу и подачу суспензии без создания вязкостного давления на всю электродную суспензию. Однако многие покупатели сообщают, что коммерчески доступная проводящая паста УНТ с высоким содержанием -твердых-содержащих веществ либо имеет постоянно высокую вязкость, что затрудняет разгрузку, либо достигает низкой вязкости, но за счет ухудшения проводимости и стабильности при хранении. Высокое содержание твердых веществ и низкая вязкость по своей сути являются конкурирующими показателями. Понимание стоящих за ними технических трудностей помогает избежать ошибок при выборе.

1. Внутренние свойства материала углеродных нанотрубок являются самым большим препятствием для получения высокого содержания твердого вещества и низкой вязкости.

Сверх-высокая удельная поверхность и сильные силы Ван-дер-Ваальса углеродных нанотрубок приводят к экспоненциальному усилению межмолекулярных взаимодействий по мере увеличения содержания твердого вещества, что естественным образом приводит к увеличению вязкости суспензии. Это основной конфликт, присущий материалу, и его нельзя просто обойти.

Удельная поверхность много-углеродных нанотрубок обычно достигает 180-260 м²/г. Нанотрубки сцепляются друг с другом за счет сил Ван-дер-Ваальса. На каждые 1-2 процентных пункта увеличения содержания твердого вещества расстояние между нанотрубками сокращается, вероятность физического перепутывания значительно возрастает, а общее реологическое сопротивление суспензии быстро возрастает. В обычных условиях процесса, когда эффективное содержание УНТ превышает 6%, вязкость легко превышает 15 000 мПа·с, текучесть ухудшается и может даже появиться гелеобразное состояние.

Если слепо стремиться к снижению вязкости, просто добавляя большое количество диспергатора, возникают новые проблемы: избыток остатков диспергатора внутри электродного листа может ухудшить цикличность ячейки и эффективность первого-цикла. Если нанотрубки укорачиваются для уменьшения вязкости, соотношение сторон уменьшается, способность создавать проводящую сеть напрямую снижается, а внутреннее сопротивление увеличивается при том же количестве добавления.

Компания Shandong Tanfeng осуществляет целенаправленный контроль диаметра и длины УНТ на этапе сырья, избегая слепого выбора труб со сверх-высоким-соотношением сторон-для продуктов с высоким-твёрдым телом и низкой-вязкостью. Это смягчает резкое увеличение вязкости в источнике, сохраняя при этом достаточную проводимость, позволяя избежать ущерба электрохимическим характеристикам за счет простого укорачивания трубок.

2. Трудности разработки рецептуры диспергаторов: снижение вязкости без ухудшения электрохимических характеристик батареи.

Разработка специализированных рецептур диспергаторов, подходящих для условий с высоким-твёрдым телом и низкой-вязкостью, очень сложна. Добавление слишком малого количества диспергатора вызывает агломерацию и гелеобразование; добавление слишком большого количества загрязняет клетку. Обычные диспергаторы общего-назначения с трудом удовлетворяют обоим требованиям.

Диспергаторы адсорбируются на поверхности УНТ, используя стерические препятствия, чтобы предотвратить запутывание нанотрубок друг с другом, тем самым снижая вязкость. Однако в условиях высокого-содержания твердых-твердых веществ общая удельная поверхность УНТ велика, что требует пропорционально большего общего количества диспергатора.

Недостаточное добавление диспергатора:Неполное покрытие поверхности нанотрубок приводит к быстрой вторичной агломерации в среде с высоким содержанием-твердой фазы, вызывая гелеобразование и комкование.

Чрезмерное добавление диспергатора:Избыток диспергатора остается свободным в растворителе, вызывая побочные реакции во время зарядки и разрядки литиевой батареи, снижая кулоновскую эффективность первого-цикла, усугубляя образование газов и влияя на срок службы цикла.

Многие доступные на рынке дешевые-пасты с высоким содержанием-твердых-содержащих веществ используют большие дозы обычных диспергаторов для снижения вязкости. Хотя в краткосрочной перспективе текучесть может выглядеть хорошей, распад цикла становится очевидным после того, как батарея изготовлена ​​-, основной причиной является несбалансированное соотношение диспергаторов. В то же время диспергатор должен быть совместим с системами на основе NMP и воды-и не должен конфликтовать с последующими связующими веществами из ПВДФ и КМЦ-SBR.

Shandong Tanfeng использует запатентованную систему смешанных диспергаторов, точно контролирующую соотношение покрытия диспергатора. Обеспечивая достаточное покрытие поверхности нанотрубок, он контролирует долю свободного диспергатора, балансируя текучесть пасты и электрохимические характеристики батареи. Каждая партия подвергается контролю остаточного углерода и примесей, чтобы избежать риска образования ячеек, вызванного чрезмерным содержанием диспергатора.

3. Трудности процесса физического диспергирования: полное разделение-без чрезмерного сдвига, повреждающего структуру УНТ.

В условиях высокого-содержания-твердых веществ сложность разделения-углеродных нанотрубок резко возрастает. Недостаточная дисперсия вызывает агломерацию; чрезмерный сдвиг разрезает нанотрубки, уменьшая их соотношение сторон и напрямую жертвуя проводимостью. Это предъявляет чрезвычайно высокие требования к производственному оборудованию и контролю технологических параметров.

Обычное бисерное фрезерное оборудование позволяет обрабатывать пасты с низким содержанием-твердых-паст, но при работе с материалами с содержанием твердых веществ с содержанием 6-8%-твердых-материалов высокая вязкость и липкость суспензии вызывают неравномерное распределение поля сдвига, что легко приводит к локализованному чрезмерному-измельчению и локализованному недостаточному диспергированию.

Недостаточная сила шлифования:Пучки УНТ не вскрываются, а суспензия содержит большое количество микро-агломератов, из-за чего размер частиц D90 превышает стандарты, что в дальнейшем приводит к засорению фильтров и появлению черных пятен на электродном листе.

Чрезмерная сила измельчения/гомогенизации:УНТ разрезаются механически, что приводит к значительному снижению соотношения сторон и повышению порога проводящей перколяции. Для достижения такого же проводящего эффекта количество добавляемых УНТ необходимо увеличить, что нейтрализует экономическое преимущество, связанное с высоким содержанием твердых веществ.

Для достижения высокого содержания сухого остатка и низкой вязкости обычно требуется многоэтапная-гомогенизация под высоким-давлением в сочетании с контролируемыми процессами измельчения, с точным контролем времени цикла и параметров давления. Это капиталоемкий- и технологически-емкий процесс, который обычные небольшие фабрики с трудом могут обеспечить стабильно массовым-производством.

Компания Shandong Tanfeng сконфигурировала много-производственные линии гомогенизации при высоком-давлении с отдельно калибруемыми технологическими параметрами для паст с высоким-твёрдым телом и низкой-вязкостью. Онлайн-мониторинг размера частиц D50/D90 обеспечивает тщательное разделение, сохраняя при этом соотношение сторон УНТ и избегая распространенной в отрасли проблемы «разрушения трубок в процессе диспергирования».

4. Проблемы со стабильностью при хранении и использовании: прохождение заводских испытаний, но наблюдается восстановление вязкости и гелеобразование после хранения.

Коллоидная система с высоким-содержанием твердых-твердых веществ и низкой-проводящей пастой УНТ более чувствительна. При хранении она склонна к восстановлению вязкости, мягкой седиментации и гелеобразованию, при этом требования к условиям хранения и транспортировки гораздо более строгие, чем к обычной пасте.

Даже если все индикаторы проходят проверку на заводе, во время хранения на складе частицы УНТ в системе с высоким-твёрдым содержанием располагаются ближе друг к другу, и силы Ван-дер-Ваальса могут быстрее подействовать. Некоторые продукты имеют очень низкую вязкость сразу после производства, но после 30-60 дней хранения вязкость постоянно увеличивается, вплоть до перехода в гелеобразное состояние и потери сыпучести. Основные точки риска:

Колебания температуры влияют на адсорбционное равновесие диспергатора; среда с высокими-температурами ускоряет восстановление вязкости.

Вибрация, переносимая на-дальние расстояния, нарушает коллоидную структуру, вызывая седиментацию по прибытии.

Как только происходит гелеобразование, даже при повторном-перемешивании некоторая вторичная агломерация не может быть полностью восстановлена.

Пример из практики завода:Компания по хранению энергии приобрела партию проводящей пасты из УНТ с содержанием твердых-твердых веществ низкой-низкой вязкости. По прибытии вязкость составила 4200 мПа·с, что выглядело хорошо. Через 2 месяца складского хранения вязкость выросла до 13 000 мПа·с, в таре появилось гелеобразование, что сделало всю партию непригодной для производства.

Компания Shandong Tanfeng проводит испытания на ускоренное старение и седиментацию марок с высоким-твёрдым телом и низкой-вязкостью, моделируя условия длительного-хранения и высоких-температур для проверки составов с лучшей коллоидной стабильностью. В спецификации продукта указаны рекомендации по температуре и сроку хранения, а также рекомендации по-перемешиванию для клиентов, что снижает риск сбоя в хранении на- месте.

5. Трудности адаптации последующего процесса: выбор пасты с высокой-твердой и низкой-вязкостью не может основываться только на двух показателях.

При выборе проводящей пасты УНТ с высоким-содержанием твердых-низких-твердых веществ нельзя учитывать только содержание твердых веществ и вязкость. Также необходимо учитывать фильтруемость, уровни примесей и совместимость с суспензионной системой анод/катод; в противном случае во время массового производства возникнут различные проблемы.

Многие сотрудники, занимающиеся исследованиями и разработками, сосредотачиваются только на содержании твердых веществ и показателях вязкости на этикетке продукта, игнорируя другие вспомогательные показатели, и сталкиваются с подводными камнями во время массового производства:

Хотя паста имеет низкую вязкость, она содержит множество микро-агломератов, что приводит к частому засорению фильтров на заводе по производству аккумуляторов и частым остановкам производственной линии из-за замены сеток.

Недостаточный контроль примесей магнитных металлов: система с высоким содержанием-твердых частиц вносит больше примесей, увеличивая риск саморазряда элемента-.

Плохая совместимость с кремниевыми анодами на водной-основе: при добавлении в смесительный бак происходит загустение и флокуляция.

Высокое содержание сухого остатка и низкая вязкость являются комплексными показателями. При оценке должны учитываться фильтруемость, наличие примесей, электрохимическая совместимость и стабильность при хранении. Отдавайте предпочтение мелкомасштабным-пилотным проверкам перед закупками крупных-объемов.

6. Полное описание статьи

Четыре основные технические трудности, связанные с проводящей пастой УНТ с высоким-содержанием твердых-твердых веществ и низкой-вязкостью: присущие материалу сильные взаимодействия, вызывающие естественное увеличение вязкости; состав диспергатора должен сбалансировать снижение вязкости и электрохимические побочные эффекты; процесс дисперсии, требующий баланса разделения-и защиты соотношения сторон CNT; и коллоидная система чувствительна, склонна к восстановлению вязкости и гелеобразованию во время хранения. Достижение только высокого содержания твердых веществ и низкой вязкости далеко не достаточно; стабильность при хранении, наличие примесей и электрохимическая совместимость – все это обязательно.

Преимущества проводящей пасты из УНТ с высоким-твёрдым телом и низкой{1}}вязкостью очевидны-она может помочь заводам по производству литиевых батарей сократить затраты на логистику, расход растворителей и сушку. Однако технический порог высок, и это многомерная, взаимоограничивающая техническая система, которую невозможно достичь путем простой корректировки соотношения. Некоторые продукты на рынке жертвуют проводимостью и стабильностью цикла ради привлекательных параметров содержания твердых веществ и вязкости. Во время выбора клиентам необходимо проводить многомерную комплексную оценку, а не только смотреть на параметры этикетки.

Как профессиональный производитель проводящей пасты CNT, компания Shandong Tanfeng вложила средства в разработку пастообразных продуктов с высоким-твёрдым телом и низкой-вязкостью, обладающих полными возможностями в области сортировки сырья, смешанной дисперсии и проверки стабильности. Он может предоставлять образцы паст на основе масла NMP-на основе масла-с высоким-твёрдым телом и низкой-вязкостью, поддерживать мелкомасштабные-оценки клиентов и одновременно предоставлять рекомендации по процессам хранения и подачи, помогая производителям аккумуляторов оценить пригодность продукции для массового производства.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Всегда ли проводящая паста УНТ с высоким-содержанием твердых-твердых веществ и низкой-вязкостью имеет более высокую проводимость?

О: Не обязательно. Если низкая вязкость достигается за счет разрезания нанотрубок или использования чрезмерного диспергатора, соотношение сторон уменьшается и проводящая способность фактически ухудшается. Ключевым моментом является сосредоточение внимания на эффективном соотношении сторон УНТ и состоянии дисперсии.

Вопрос: Требует ли паста с высоким-твердым телом и низкой-вязкостью храниться в холодильнике?

О: Рекомендуется поддерживать температуру окружающей среды хранения 10-30 градусов и избегать воздействия высоких-температур. По сравнению с обычной пастой, пасты с высоким-твёрдым телом и низкой-вязкостью более чувствительны к колебаниям температуры. Постарайтесь сократить период хранения и внедрить управление запасами по принципу FIFO (первым-поступило — первым отправлено).

Вопрос: Могут ли системы-на основе воды получить проводящую пасту из УНТ с высоким-содержанием твердых-твердых веществ и низкой-вязкостью?

Ответ: Системы на основе воды-имеют более сильные коллоидные ограничения. В коммерческих условиях очень сложно добиться такого же высокого содержания твердых веществ, как в системах на основе NMP-на основе масла-. Принудительное повышение содержания твердого вещества приведет к быстрому ухудшению вязкости и стабильности при хранении. В отрасли доля систем на основе воды-по-прежнему находится в диапазоне 2–5 %.