V kontekstu zmanjševanja stroškov in izboljšanja učinkovitosti pri proizvodnji litijevih baterij je prevodna pasta iz ogljikovih nanocevk z visoko-vsebnostjo-trdne-z nizko-viskoznostjo postala izbirna smer za številna podjetja, ki se ukvarjajo z baterijami. Visoka vsebnost trdnih snovi pomeni večji delež učinkovitih ogljikovih nanocevk na posodo, kar zmanjša transport topil in porabo energije za sušenje. Nizka viskoznost zagotavlja dobro pretočnost paste, kar olajša transport po cevovodu in dovajanje gnojevke brez ustvarjanja viskoznega pritiska na celotno elektrodno brozgo. Vendar pa številni kupci poročajo, da ima komercialno dostopna CNT prevodna pasta z visoko-trdno-vsebnostjo stalno visoko viskoznost, zaradi česar je praznjenje težko, ali pa dosega nizko viskoznost, vendar za ceno poslabšane prevodnosti in stabilnosti pri shranjevanju. Visoka vsebnost trdnih snovi in nizka viskoznost sta sama po sebi konkurenčna indikatorja. Razumevanje tehničnih težav, ki stojijo za njimi, pomaga pri izogibanju pastem pri izbiri.
1. Intrinzične materialne lastnosti ogljikovih nanocevk so največja osnovna ovira za visoko trdnost in nizko viskoznost
Izjemno-visoka specifična površina in močne van der Waalsove sile ogljikovih nanocevk povzročajo, da se medmolekularne interakcije eksponentno povečujejo, ko se vsebnost trdne snovi povečuje, kar naravno teži k povečanju viskoznosti gnojevke. To je glavni konflikt, ki je neločljivo povezan z materialom in ga ni mogoče preprosto zaobiti.
Specifična površina več{0}}ogljikovih nanocevk običajno doseže 180-260 m²/g. Nanocevke so odvisne od van der Waalsovih sil, da se med seboj zapletajo. Za vsakih 1-2 odstotnih točk povečanja vsebnosti trdne snovi se razdalja med nanocevkami skrajša, verjetnost fizičnega prepletanja znatno naraste in splošna reološka odpornost gnojevke se hitro poveča. V običajnih procesnih pogojih, ko efektivna vsebnost CNT preseže 6 %, viskoznost zlahka preseže 15.000 mPa·s, pretočnost se poslabša in lahko se celo pojavi gelasto stanje.
Če si slepo prizadevamo za nizko viskoznost s preprostim dodajanjem velikih količin dispergenta, se pojavijo nove težave: odvečni ostanki dispergenta v plošči elektrode lahko poslabšajo kroženje celic in učinkovitost prvega-cikla. Če nanocevke skrajšamo, da zmanjšamo viskoznost, se razmerje stranic zmanjša, zmožnost gradnje prevodne mreže neposredno oslabi in notranji upor se poveča pri enaki dodani količini.
| Primerjava različnih pogojev paste CNT (sistem NMP, 25 stopinj) | Učinkovita vsebina CNT | Viskoznost mPa·s (25 stopinj) | Glavne bolečine | Referenčni vir industrije |
|---|---|---|---|---|
| Konvencionalna komercialna pasta | 4-5% | 2000-6000 | Uravnoteženi kazalniki, dobra splošna stabilnost | GB/T 33818-2017 CNT prevodna pasta nacionalni standard |
| Navadna pasta z visoko-trdno-vsebnostjo (brez nizke-optimizacije viskoznosti) | 6-8% | 8000-18000 | Visoka viskoznost, težaven transport in filtracija, nagnjenost k geliranju pri skladiščenju | Industrijski izmerjeni podatki prevodnega aditiva za litijeve baterije |
| Optimizirana visoko-trdna pasta z nizko-viskoznostjo | 6-8% | 3000-6000 | Visok procesni prag, težko uravnotežiti prevodnost, shranjevanje in disperzijo | Javna poročila o preskusih vodilnih proizvajalcev materialov |
Shandong Tanfeng izvaja ciljno presejanje premera in dolžine CNT na stopnji surovine, s čimer se izogne slepi izbiri cevi z ultra-visokim--razmerjem stranic za visoko-trdne izdelke z nizko-viskoznostjo. To ublaži močno povečanje viskoznosti pri izvoru, hkrati pa ohrani zadostno prevodnost, s čimer se izognemo žrtvovanju elektrokemične zmogljivosti s preprostim skrajšanjem cevi.
2. Težave pri načrtovanju formulacije disperzijskega sredstva: Zmanjšanje viskoznosti brez škode za elektrokemično zmogljivost baterije
Razvijanje specializiranih formulacij disperzij, primernih za visoko-trdno, nizko-viskoznost, je zelo težko. Dodajanje premajhne količine dispergenta povzroči aglomeracijo in geliranje; dodajanje preveč kontaminira celico. Običajni-razpršilci za splošno uporabo težko izpolnjujejo obe zahtevi.
Disperzijska sredstva se adsorbirajo na površino CNT z uporabo steričnih ovir, da preprečijo, da bi se nanocevke zapletle med seboj, s čimer zmanjšajo viskoznost. Vendar je v pogojih visoke-vsebnosti-trdne snovi skupna specifična površina CNT velika, kar zahteva sorazmerno večjo skupno količino dispergenta.
Nezadosten dodatek dispergenta:Nepopolna površinska pokritost nanocevk povzroči hitro sekundarno aglomeracijo v okolju z visoko-trdno snovjo, kar povzroči geliranje in strjevanje.
Prekomerni dodatek dispergenta:Odvečno disperzijsko sredstvo ostane prosto v topilu, kar povzroča neželene reakcije med polnjenjem in praznjenjem litijeve baterije, zmanjšuje kulonsko učinkovitost prvega-cikla, povečuje nastajanje plinov in vpliva na življenjsko dobo cikla.
Veliko nizko{0}}cenovnih past-trdne-vsebnosti na trgu se opira na velike odmerke običajnih disperzij za zmanjšanje viskoznosti. Medtem ko je lahko pretočnost kratkoročno videti dobra, upad cikla postane očiten po izdelavi baterije - glavni vzrok je neuravnoteženo disperzijsko razmerje. Hkrati mora biti disperzijsko sredstvo združljivo s sistemi na osnovi NMP in-vode ter ne sme biti v nasprotju s kasnejšimi vezivi PVDF in CMC-SBR.
Shandong Tanfeng uporablja lastniški mešani sistem disperzij, ki natančno nadzoruje razmerje prevleke disperznega sredstva. Medtem ko zagotavlja zadostno površinsko pokritost nanocevk, nadzoruje delež prostega dispergenta, uravnava pretočnost paste in elektrokemično delovanje baterije. Vsaka serija je podvržena nadzoru ostankov ogljika in nečistoč, da bi se izognili tveganjem za celice, ki jih povzroča prekomerno disperzijsko sredstvo.
3. Težave pri procesu fizične disperzije: Popolna raz-združevanje brez pretiranega striženja, ki poškoduje strukturo CNT
V pogojih z visoko-vsebnostjo-trdne snovi se težave pri ločevanju-ogljikovih nanocevk močno povečajo. Nezadostna disperzija povzroči aglomeracijo; pretirano striženje prereže nanocevke, zmanjša njihovo razmerje stranic in neposredno žrtvuje prevodnost. To postavlja izjemno visoke zahteve glede proizvodne opreme in krmiljenja procesnih parametrov.
Običajna oprema za mletje biserov lahko obdeluje paste z nizko-vsebnostjo-trdne snovi, toda ko se soočimo s 6-8% materiali z visoko-vsebnostjo-trdne snovi, visoka viskoznost in lepljivost gošče povzročita neenakomerno porazdelitev strižnega polja, kar lahko vodi do lokaliziranega prekomernega-mletja in lokalizirane premajhne disperzije.
Nezadostna sila brušenja:Snopi CNT niso odprti, gošča pa vsebuje veliko količino mikro-aglomeratov, zaradi česar velikost delcev D90 presega standarde, kar kasneje povzroči zamašitev filtra in črne lise na plošči elektrode.
Prevelika sila mletja/homogenizacije:CNT so mehansko rezani, kar povzroči znaten padec razmerja stranic in dvig prevodnega perkolacijskega praga. Da bi dosegli enak prevodni učinek, je treba količino dodatka CNT povečati, s čimer se prepreči stroškovna prednost visoke vsebnosti trdnih snovi.
Doseganje visoke trdnosti in nizke viskoznosti običajno zahteva več{0}}stopenjsko-homogenizacijo visokega tlaka v kombinaciji z nadzorovanimi postopki mletja, ki natančno nadzorujejo čase ciklov in parametre tlaka. To je kapitalsko- in tehnološko-intenziven proces, ki ga običajne majhne tovarne le s težavo zagotavljajo stabilno množično-proizvodnjo.
Shandong Tanfeng je konfiguriral več{0}}stopenjske visokotlačne-proizvodne linije za homogenizacijo z ločeno umerjenimi procesnimi parametri za visoko-trdne paste z nizko-viskoznostjo. Spletno spremljanje velikosti delcev D50/D90 zagotavlja temeljito raz-združevanje, hkrati pa ščiti razmerje stranic CNT, s čimer se izogne pogostemu industrijskemu problemu "uničevanja cevi v iskanju disperzije."
4. Težave s stabilnostjo pri shranjevanju in uporabi: opravili so tovarniške teste, vendar se je po shranjevanju pojavil povratni viskoznost in geliranje
Koloidni sistem z visoko-vsebnostjo-trdne snovi, nizko{2}}viskoznostjo CNT prevodne paste je bolj občutljiv. Med skladiščenjem je nagnjen k ponovni viskoznosti, mehki sedimentaciji in geliranju, z veliko strožjimi zahtevami glede pogojev skladiščenja in transporta kot običajna pasta.
Tudi če vsi indikatorji prestanejo pregled v tovarni, so med shranjevanjem v skladišču delci CNT v visoko{0}}sistemu trdne snovi bližje skupaj in van der Waalsove sile lahko lažje začnejo delovati. Nekateri izdelki imajo zelo nizko viskoznost takoj po proizvodnji, vendar se po 30-60 dneh skladiščenja viskoznost nenehno povečuje, celo preide v gelasto stanje in izgubi pretočnost. Glavne točke tveganja:
Temperaturna nihanja vplivajo na adsorpcijsko ravnovesje disperznega sredstva; visoko{0}}temperaturna okolja pospešijo povratno viskoznost.
Vibracije-pri transportu na dolge razdalje motijo koloidno strukturo in povzročijo sedimentacijo ob prihodu.
Ko pride do geliranja, tudi s ponovnim-mešanjem nekaterih sekundarnih aglomeracij ni mogoče v celoti obnoviti.
Študija primera tovarne:Podjetje za shranjevanje energije je kupilo serijo CNT prevodne paste s 7 %-vsebnostjo trdne snovi, nizke-viskoznosti. Ob prihodu je bila izmerjena viskoznost 4200 mPa·s, kar je bilo videti dobro. Po 2 mesecih skladiščenja v skladišču se je viskoznost povečala na 13.000 mPa·s, v posodah pa se je pojavilo geliranje, zaradi česar je bila celotna serija neuporabna za proizvodnjo.
| Točka tveganja | Fenomen | Vpliv proizvodnje |
|---|---|---|
| Povratna viskoznost | Viskoznost se po stanju nenehno povečuje | Težave pri cevovodnem transportu; viskoznost celotnega sistema gnojevke po mešanju presega standarde |
| Sekundarno geliranje | Pasta postane gel-podobna, izgubi tekočnost | Ni ga mogoče hraniti; celoten kontejner razrezan |
| Pospešena sedimentacija | Debela usedlina na dnu; težava re-razpršitve se poveča | Povečana variabilnost notranjega upora v ploščah elektrod po dovajanju |
Shandong Tanfeng izvaja teste pospešenega staranja in sedimentacije visoko-trdnih, nizko-viskoznih stopenj, pri čemer simulira dolgoročno-skladiščenje in visoka-temperaturna okolja za preverjanje formulacij z boljšo koloidno stabilnostjo. Tehnični list izdelka vključuje priporočila za temperaturo shranjevanja in rok uporabnosti, skupaj s smernicami za ponovno-delovanje mešanja za stranke, kar zmanjšuje tveganje za-neuspešno shranjevanje na mestu.
5. Težave pri prilagajanju nadaljnjih procesov: Izbira paste z visoko-trdno, nizko{2}}viskoznostjo ne more temeljiti samo na dveh indikatorjih
Pri izbiri CNT prevodne paste z visoko-vsebnostjo-trdne snovi in nizko{2}}viskoznostjo ni mogoče gledati le na vsebnost trdne snovi in viskoznosti. Upoštevati je treba tudi filtrirnost, ravni nečistoč in združljivost s sistemom gnojevke anoda/katoda; sicer se bodo med množično proizvodnjo pojavile različne težave.
Številni raziskovalci in razvojni delavci se osredotočajo samo na vsebnost trdnih snovi in viskoznost na etiketi izdelka, zanemarjajo druge podporne kazalnike in naletijo na pasti med masovno proizvodnjo:
Čeprav ima pasta nizko viskoznost, vsebuje veliko mikro-aglomeratov, kar povzroča pogosto zamašitev filtrov v tovarni baterij in ponavljajoče se zaustavitve proizvodne linije zaradi zamenjave zaslona.
Neustrezen nadzor magnetnih kovinskih nečistoč: visoko{0}}trdni sistem vnaša več nečistoč, kar povečuje tveganje samo{1}}praznjenja celic.
Slaba združljivost s-sistemi silicijevih anod na vodni osnovi: po dodajanju v mešalno posodo pride do zgostitve in flokulacije.
Visoka trdnost in nizka viskoznost sta celovita indikatorja. V oceno je treba vključiti filtrirnost, nečistoče, elektrokemično združljivost in stabilnost pri shranjevanju. Dajte prednost majhnemu-in pilotnemu preverjanju pred-velikim obsegom javnih naročil.
6. Celoten povzetek članka
Štiri glavne tehnične težave CNT prevodne paste z visoko-trdno-vsebnostjo-nizke{2}}viskoznosti so: inherentne močne interakcije materiala, ki povzročajo naravno povečanje viskoznosti; formulacija disperznega sredstva, ki mora uravnotežiti zmanjšanje viskoznosti in elektrokemične stranske učinke; disperzijski proces, ki mora uravnotežiti raz-združevanje in zaščito razmerja stranic CNT; koloidni sistem pa je občutljiv, nagnjen k viskoznemu odboju in geliranju med shranjevanjem. Doseganje samo visoke vsebnosti trdnih snovi in nizke viskoznosti še zdaleč ni dovolj; stabilnost pri shranjevanju, nečistoče in elektrokemična združljivost so nepogrešljivi.
Prednosti CNT prevodne paste z visoko-trdnostjo in nizko{1}}viskoznostjo so zelo jasne-lahko pomaga tovarnam litijevih baterij zmanjšati stroške logistike, topil in sušenja. Vendar je tehnični prag visok in gre za več-dimenzionalen, medsebojno omejujoč tehnični sistem, ki ga ni mogoče doseči s preprostim prilagajanjem razmerja. Nekateri izdelki na trgu žrtvujejo prevodnost in stabilnost cikla za privlačno vsebnost trdnih snovi in parametre viskoznosti. Stranke morajo med izbiro opraviti več-dimenzionalne celovite ocene in ne gledati samo na parametre etikete.
Kot profesionalni proizvajalec CNT prevodne paste je Shandong Tanfeng vlagal v razvoj visoko{0}}trdnih pastoznih izdelkov z nizko-viskoznostjo, s popolnimi zmogljivostmi pri presejanju surovin, mešani disperziji in preverjanju stabilnosti. Zagotavlja lahko vzorce paste z visoko-trdno, nizko{6}}viskoznostjo-na osnovi olja-na osnovi NMP, podpira ocene strank v majhnem-razsegu in hkrati nudi priporočila glede postopka shranjevanja in dovajanja, kar podjetjem za baterije pomaga oceniti primernost izdelka za množično proizvodnjo.
pogosta vprašanja
V: Ali ima prevodna pasta CNT z visoko-vsebnostjo-trdne snovi, nizko{2}}viskoznostjo vedno večjo prevodnost?
A: Ni nujno. Če nizko viskoznost dosežemo z rezanjem nanocevk ali uporabo prekomernega dispergenta, se razmerje stranic zmanjša in prevodna sposobnost dejansko postane slabša. Ključno je, da se osredotočite na učinkovito razmerje stranic CNT in stanje disperzije.
V: Ali pasta z visoko-trdnostjo in nizko{1}}viskoznostjo zahteva shranjevanje v hladilniku?
O: Priporočljivo je nadzorovati okolje shranjevanja pri 10-30 stopinjah in se izogibati izpostavljenosti visokim-temperaturam. V primerjavi z običajno pasto so visoko-trdni in nizko{6}}viskoznostni razredi bolj občutljivi na temperaturna nihanja. Poskusite skrajšati obdobje shranjevanja in implementirati upravljanje zalog FIFO (first-in, first-out).
V: Ali lahko vodni-sistemi dosežejo visoko{1}}vsebnost-trdne snovi, nizko-viskoznost CNT prevodne paste?
O: Vodni{0}}sistemi imajo močnejše koloidne omejitve. V komercialnih pogojih je zelo težko doseči enako visoko vsebnost trdnih snovi kot sistemi na osnovi NMP-olja-. Prisilno zvišanje vsebnosti trdnih snovi bo povzročilo hitro poslabšanje viskoznosti in stabilnosti pri shranjevanju. Sistemi, ki temeljijo na vodi-v industriji, ostajajo v razponu 2-5 %.