锂電池极片湿涂层干燥基本过程

锂電網訊:锂電池電極是一種顆粒組成的塗層,電極制備過程中,均勻的濕漿料塗敷在金屬集流體上,然後通過幹燥去除濕塗層中的溶劑。電極漿料往往需要加入聚合物粘結劑或者分散劑,以及炭黑等導電劑。盡管固含量一般大于30%,但是幹燥過程中,溶劑蒸發時,塗層總會經曆一定的收縮,固體物質在濕塗層中彼此接近,最後形成多孔的幹燥電極結構。

锂離子電池極片的幹燥過程和塗布過程各自獨立,又相互聯系;塗層的性質,影響到幹燥工藝的設計和操作;塗布速度、塗層的厚度決定幹燥長度;幹燥過程中塗層有流平過程,影響塗層的均勻性。因此,塗布在設計過程中能否准確地運用最佳的塗布、幹燥工藝,平衡兩者的關系,最終影響到塗布的綜合技術性能。

極片幹燥方式?

(1)遠紅外輻射幹燥。用遠紅外發射元件將熱能輻射到幹燥物體表面,使液體蒸發汽化進行幹燥。特點:其幹燥速度主要取決于輻射溫度,溫度高,幹燥速度快。其優點是設備比較簡單,因此都在比較低擋的塗布機中應用。其缺點是幹燥效率低,幹燥不均勻,容易産生幹燥弊病。?

(2)雙面送風飄浮幹燥。漂浮幹燥是在幹燥箔材雙面設置特殊設計的風嘴,送高速噴射的氣流,在空氣流動附壁效應的作用下,垂直作用到幹燥箔材上,在氣流的作用下,幹燥片材呈漂浮狀態進行幹燥。

(3)常規對流熱風幹燥。對流幹燥是比較傳統的幹燥技術。加熱的幹燥空氣送入烘道,幹燥空氣中的熱能通過空氣的對流傳導到被幹燥物體,使液體蒸發汽化進行幹燥。其優點是設備簡單,其缺點是幹燥效率低,在現代幹燥設備中逐漸被高效熱風沖擊幹燥所取代。

(4)循环热风冲击干燥。利用空气喷射流体力学原理发展起来的高效干燥技术。干燥空气通过特殊设计的风嘴,以高速喷射到被干燥物体表面,在干燥物体表面阻碍干燥静止空气层在冲击作用下被破坏,从而加快了干燥过程,使干燥效率大大提高。 循环热风冲击干燥的特点是:干燥速度和温度有关,而且和干燥风量有关。可以通过部分循环干燥空气送风加大风量提高干燥速度,大大提高干燥空气的热量的利用,因此循环热风冲击干燥具有高效节能的特点。另外用增大送风量来提高干燥速度,可以避免采用高温干燥可能产生的龟裂干燥弊病。

(5)過熱水蒸氣幹燥。過熱蒸氣是將液體加熱到使其全部蒸發的飽和蒸氣後,再繼續加熱而獲得的蒸氣。過熱蒸汽幹燥是幹燥介質直接與濕塗層接觸,其熱量主要以對流方式傳入物料,幹燥析出的溶劑被幹燥介質帶走的一種新興的幹燥方式。在幹燥過程中,過熱蒸汽作爲幹燥介經過物料表面,熱量傳給濕塗層,塗層表面的自由溶劑受熱汽化,從而造成物料表面與內部濕分濃度的差異。在這一差異下,內部濕分就由液態或氣態的形式向表面擴散,氣化的水蒸汽由過熱蒸汽氣流帶走。其優點是可以利用蒸汽的潛熱,熱效率高,可達到節約能源的效果,過熱蒸汽幹燥要比熱風幹燥的傳熱系數大。

(6)微波幹燥。微波幹燥是利用頻率爲915-2450MHZ的微波能量使物料發熱升溫,從而蒸發水分進行幹燥的方法。微波幹燥不同于傳統的幹燥方式,其熱傳導的方向與水分擴散的方向相同。與傳統幹燥方法相比,微波幹燥具有幹燥速率快、節能環保、生産效率高、清潔生産、幹燥效果優良、易于實現自動化操作及控制以及可以提高産品質量等優點。

目前有的厂家生产的塗布機用的热风干燥,也用风嘴送风,从形式上看和冲击干燥类似,但是其风嘴的结构设计和风量及风速都起不到冲击效果,干燥过程仍属对流干燥,干燥效率不高。

物料中的水分分類

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图1 物料的水分分类

物料的總水分、平衡水分、自由水分、結合水分、非結合水分之間的關系見圖1。

平衡水分:可以通過幹燥方法去除的水分。自由水分:無法通過幹燥去除的水分。

結合水分包括物料細胞壁內的水分、物料內毛細管中的水分、及以結晶水的形態存在于固體物料之中的水分等。

非結合水分包括機械地附著于固體表面的水分,如物料表面的吸附水分、較大孔隙中的水分等。

幹燥的基本原理

幹燥:用加熱的方法使水分或其它溶劑汽化,並將産生的蒸氣排除,藉此來除去固體物料中濕分的操作。

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图2 干燥过程示意图

如圖2所示,水分在物料表面氣化,在表面附近存在一層氣膜,在氣膜內水蒸氣分壓等于物料中水分的蒸氣壓,水分在氣相中的傳質驅動力爲此氣膜蒸氣壓與氣相主體中水蒸氣分壓之差。同時,熱空氣對物料加熱升溫,將熱量傳遞給濕物料,驅動力是熱空氣與物料的溫度梯度;對對流幹燥,由于介質的不斷流動,帶走氣化的水分,從而形成分壓差。

幹燥過程得以進行的必要條件:是被幹燥物料中的水分所産生的水蒸氣分壓大于熱空氣中水蒸氣分壓。若二者相等,表示蒸發達到平衡,幹燥停止;若熱空氣中水蒸氣分壓大,物料反而吸水。

物料的幹燥過程是屬于傳熱和傳質相結合的過程:

(1)熱空氣對物料加熱升溫;

(2)物料表面液體的蒸發汽化過程;

(3)內部液體通過孔隙擴散到表面的過程。

幹燥的動力學過程

干燥曲线:干燥过程中物料含水量x与干燥时间t、物料表面温度T 的关系曲线,如图3所示。

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图3 干燥曲线

幹燥速率曲線:物料幹燥速率u與物料含水量X的關系曲線,如圖4。

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图4 干燥速率曲线

水分的內部擴散和表面汽化是同時進行的,但在幹燥過程的不同階段其速率不同,從而控制幹燥速率的機理也不相同。幹燥過程分爲預熱升溫段AB、恒速幹燥段BC和降速幹燥段CDE。

(1)預熱升溫段AB:物料被加熱升溫

(2)恒速幹燥階段BC:被幹燥物料表面始終保持著濕潤水分進行蒸發,蒸汽中的熱量被物料吸收,這些熱量全部用來蒸發物料表面的水分,物料表面水分的蒸發速度與物料內部水分的擴散速度幾乎相等,此時幹燥速率保持穩定,呈現恒速幹燥狀態。

(3)第一降速階段(CD段):物料內部水分擴散速率小于表面水分在濕球溫度下的汽化速率,這時物料表面不能維持全面濕潤而形成“幹區”,導致幹燥速率下降。

(4)第二降速階段(DE段):水分的汽化面逐漸向物料內部移動,從而使熱、質傳遞途徑加長,阻力增大,造成幹燥速率下降。

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图5 极片干燥过程示意图

電池電極漿料成分均勻分布,隨後,溶劑蒸發誘導濕塗層厚度減少,石墨顆粒逐漸彼此接近,直到形成最密集的堆積態,塗層收縮終止(圖5c),隨後進一步的溶劑蒸發迫使氣液界面推進到孔結構內部,最終形成多孔結構幹電極塗層(圖5e)。大孔傾向于優先排空液相,塗層收縮過程中,表面細小孔隙內充滿液相,知道塗層收縮停止(圖5c),孔隙內填滿溶劑。然後溶劑進一步去除,塗層中産生第一個較大尺寸的孔洞(圖5d),而細小孔洞由于毛細管力作用,液相更難排空。

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