攪拌槳的製作方法

2023-10-11 06:28:04

專利名稱：攪拌槳的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種攪拌槳，尤其是一種適用於鋰離子電池漿料製備的高效攪拌槳。
背景技術：
鋰離子電池作為一種高能量密度的化學電源，在現代移動通信設備等消費領域發揮著不可替代的作用。通常，鋰離子電池的生產過程包括製漿、塗布、冷壓、分條、卷繞、封裝、注液、化成等工序，其中，製漿作為鋰離子電池生產的第一道工序，其目的是將活性物質粉末、導電劑粉末、分散劑/粘結劑粉末或溶液等分散於溶劑中，形成均勻、穩定的懸濁液，而懸濁液中各組分分散的均勻程度對於後續塗布工藝、烘乾過程、冷壓分條等工序具有直接的影響。
目前主流的攪拌分散設備為採用自轉+公轉運動方式的攪拌槳，攪拌槳在整個攪拌罐空間內驅動流體，從而對固-液混合物進行長時間的機械攪拌。請參閱圖1，目前常用的雙行星攪拌槳11的攪拌臂12為扭曲型結構，對於粘度較高的漿料需要增加轉速較大的自轉分散盤的運動，對漿料產生高速剪切來達到均勻分散的效果。請參閱圖2，扭曲型攪拌槳11運動時在流體中產生的流場主要分為平行於攪拌槳11的對稱軸23的流場21和垂直於攪拌槳11的對稱軸23的流場22。對於不同粘度的漿料而言，相同的攪拌作用所產生的流場21、22的分布不同；在同一攪拌罐中，攪拌槳11所產生的剪切作用隨著漿料與攪拌槳11距離的增加而減小。因此，在攪拌過程中，某一攪拌罐內會同時分布有層流、湍流和渦流等流體運動狀態，不同流體狀態的影響區域都與攪拌槳11的尺寸和攪拌罐的尺度有關，一般在釐米甚至更高量級。但是，對於典型的鋰離子電池漿料而言，由於活性物質顆粒大多在數十微米量級，未來可能會向著小顆粒方向發展，達到亞微米甚至納米量級，由釐米尺度的流體運動對亞微米尺度的顆粒產生作用、進行分散，最終形成微米、納米尺度的懸濁液，效率比較低，需要通過增加攪拌時間、攪拌強度、升高溫度等來實現。目前，鋰離子電池電極漿料的平均混合製漿時間約為8 10小時。另外，由於攪拌分散過程是利用流體的剪切作用來分開團聚的顆粒，所以團聚分散的效果與流體剪切作用的強度密切相關，流體的剪切作用強度則由攪拌槳尺度和流體的特性如黏度等因素決定，而且上述相互作用關係在不同的攪拌槳尺度下表現不同，不是簡單的等比例線性關係，這導致了研發實驗與中試、量產規模的粉料分散和漿料製備之間存在著攪拌效果的尺寸效應現象，以致於研發規模的良好分散效果難以在中試、量產規模下順利、快速地實現。有鑑於此，確有必要提供一種能夠提高製漿效率、弱化尺寸效應的攪拌槳。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠提高製漿效率、弱化尺寸效應的攪拌槳，以縮短新工藝流程的量產時間，並提高漿料品質的一致性。為了實現上述發明目的，本發明提供了一種攪拌槳，其包括攪拌臂，所述攪拌臂表面分布有微結構陣列。作為本發明攪拌槳的一種改進，所述微結構為凹坑或凸起，或是凹坑與凸起的組合結構。作為本發明攪拌槳的一種改進，所述微結構為對稱結構或非對稱結構，為對稱結構時，其對稱軸垂直於攪拌臂的基準面。作為本發明攪拌槳的一種改進，為了起到更好的微觀混合效果，所述微結構的特徵尺寸為2 200微米，相鄰微結構之間的間距在2 4000微米之間。作為本發明攪拌槳的一種改進，為了便於加工，所述凹坑或凸起的形狀優選為稜柱體、稜台、圓柱體、圓臺等相對規則的形狀，或是前述兩種或多種形狀的組合。作為本發明攪拌槳的一種改進，為防止漿料顆粒在所述凹坑或凸起的死角部位沉積，凹坑或者凸起的界面交接處均採用圓角結構，以便於清潔。 作為本發明攪拌槳的一種改進，所述微結構採用機械加工、雷射加工或電化學加工方式形成。作為本發明攪拌槳的一種改進，所述微結構採用雷射刻蝕或化學腐蝕方式形成。作為本發明攪拌槳的一種改進，所述攪拌臂為扭曲型結構，其數目為2 6個，且為對稱或旋轉對稱方式分布。採用多個攪拌臂，能夠減少漿料顆粒與攪拌臂的距離，從而改善宏觀分散性能；將攪拌臂設計成對稱或旋轉對稱，可以使整個攪拌槳的重心落在中軸線上，從而提高攪拌槳旋轉時的機械穩定性。相對於現有技術，本發明攪拌槳通過分布於攪拌臂表面的微結構陣列在漿料中形成微觀尺度的流場，縮小了現有攪拌流場的低效率剪切區和無效作用區，使得待分散的固-液/液-液混合物能夠迅速達到宏觀分布均勻與微觀分散一致的狀態，達到提高攪拌效率、改善漿料一致性，同時減小漿料製備過程由於規模不同而產生的差異、縮短新工藝開發流程。


下面結合附圖和具體實施方式
，對本發明攪拌槳及其有益技術效果進行詳細說明。圖I為現有攪拌槳的結構示意圖。圖2為現有攪拌槳工作時在流體中產生的流場分布示意圖。圖3為本發明攪拌槳第一實施方式的攪拌臂結構示意圖。圖4為本發明攪拌槳第二實施方式的攪拌臂結構示意圖。圖5為本發明攪拌槳第三實施方式的攪拌臂結構示意圖。圖6為本發明攪拌槳第二實施方式的攪拌臂的微凹坑陣列結構示意圖。圖7為本發明攪拌槳第一實施方式的攪拌臂的微結構在流體中產生的局部流場分布示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的發明目的、技術方案和有益技術效果更加清晰，以下結合附圖和具體實施方式
，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解的是，本說明書中描述的具體實施方式
僅僅是為了解釋本發明，並不是為了限定本發明。本發明攪拌槳的主體結構採用雙行星、三行星或多行星扭曲型結構設計，攪拌臂的數目為2飛個，以對稱或旋轉對稱的方式分布。為了使攪拌槳工作時能產生對亞微米尺度的顆粒起作用的流場，本發明在每一攪拌臂的整個或絕大部分表面上設置凹坑或凸起或是二者結合的微結構陣列，這些微結構可以是稜柱體、稜台、圓柱體、圓臺或是幾者的組合，特徵尺寸在2 200微米之間，相鄰微結構之間的間距在2 4000微米之間。微結構可以為對稱結構或非對稱結構，為對稱結構時，其對稱軸垂直於攪拌臂的基準面。請參閱圖3，本發明攪拌槳第一實施方式的主體結構採用對稱的雙行星結構，其攪拌臂31表面採用機械加工方式形成微凸起結構陣列。這些微凸起32為自攪拌臂31的基準面Al凸出的梯形結構，微凸起32的高為50微米，頂部的長、寬也為50微米，微凸起32的側壁與底面的夾角為75°，微凹坑32之間的間距LI (即相鄰微凸起32的對稱軸33之間的距離)為500微米。 請參閱圖4和圖6，本發明攪拌槳第二實施方式的主體結構為對稱的三行星結構，其攪拌臂41表面採用電化學加工方式形成微凹坑結構陣列。這些微凹坑42為自攪拌臂41的基準面A2凹入的倒梯形結構，微凹坑42底部的長、寬為20微米，坑深也為20微米，微凹坑42的側壁與底面夾角為60°，微凹坑42之間的間距L2 (即相鄰微凹坑42的對稱軸43之間的距離)為200微米。請參閱圖5，本發明攪拌槳第三實施方式的主體結構採用對稱的四行星結構，其攪拌臂51表面採用雷射加工方式形成微凹坑-凸起組合結構陣列。這些微凹坑-凸起組合結構52的凹坑部分為自攪拌臂的基準面A3凹入的倒圓臺結構、凸起部分為自攪拌臂51的基準面A3凸出的圓臺結構，微凹坑和微凸起的圓臺頂部直徑和高都為200微米，側壁與底面的夾角都為45°，微凹坑-凸起組合結構52之間的間距L3 (即相鄰微凹坑-凸起組合結構52的對稱軸53之間的距離)為1000微米。請參閱圖7，本發明攪拌槳第一實施方式工作時，其攪拌臂31的微凸起32將在流體中產生局部流場，包括平行於攪拌臂31的基準面Al的平行流場73和垂直於攪拌臂31的基準面Al的垂直流場74。在使用本發明攪拌槳對漿料進行攪拌分散時，攪拌臂帶動攪拌罐中的固-液/液-液混合物產生宏觀的機械攪拌與混合作用，形成宏觀上的流場；另一方面，伴隨著攪拌臂的宏觀轉動，會在攪拌臂表面的微結構處產生微觀尺度的流場，從而對與其接觸的漿料施加碰撞、剪切等作用。由於該微觀剪切過程是直接作用於漿料的，與目前使用的攪拌槳通過宏觀攪拌產生流場傳遞到微觀尺度的剪切作用方式相比，其作用距離短、剪切強度大，而且不易形成宏觀攪拌下極易形成的流場死區和流場短路情況，因此能夠使漿料在短時間內可以達到宏觀和微觀尺度上的分散均勻性，不僅縮短了攪拌時間、提高了攪拌效率，還提高了漿料品質的一致性。需要說明的是，雖然上述實施方式中的微結構都為對稱結構，但在其他實施方式中，微結構也可以是非對稱結構。當微結構為非對稱結構時，相鄰微結構之間的間距是指相鄰微結構對應點之間的間距。另外，為防止漿料顆粒在微結構陣列的凹坑或凸起的死角部位沉積，凹坑或者凸起的界面交接處均採用圓角結構，以便於清潔。為了驗證本發明攪拌槳的有益效果，進行以下實驗
將本發明攪拌槳第二實施方式應用於5L的攪拌罐中製備鋰離子電池陰極漿料，所選活性物質為鈷酸鋰、分散劑為PVDF、導電添加劑為乙炔黑、溶劑為NMP，漿料固含量設計為70%。經試驗，製備漿料所需的時間由原攪拌槳結構(指結構與本發明相同但無微結構的攪拌槳)的8小時減少至5小時，且靜置漿料發生沉降的時間由原攪拌槳結構的5天增加至10天。可見，本發明能夠增加攪拌分散效率、提高漿料品質的一致性和穩定性。將本發明攪拌槳第二實施方式分別應用於5L和500L攪拌罐中製備鋰離子電池陽極漿料，所選活性物質為天然石墨、分散劑為CMC、粘接劑為SBR、導電添加劑為乙炔黑、溶劑為去離子水，漿料固含量設計為50%。製備漿料時，除原料用量不同外，兩種攪拌罐使用相同的原料、相同的混合及分散工藝參數，結果所製備的漿料黏度分別為4000mPa · S和4020mPa · S，固含量分別為49. 6%和49. 7%，漿料的顆粒度D50分別為16. 2 μ m和16. Oym,與來料粉末的顆粒度D5tl值16. 4μπι相比幾乎沒有變化。可見，採用本發明攪拌槳時，在不同的攪拌規模下，採用相同的製漿工藝所獲得的漿料性能幾乎相同，而且不會對顆粒造成破壞作用，本發明的攪拌槳確實能夠起到弱化攪拌分散尺寸效應的作用。綜上所述，本發明的攪拌槳通過微結構陣列建立了宏觀尺度均勻混合與微觀尺度·分散之間的有效關聯，因此可以在攪拌過程中實現宏觀混合與微觀分散同時進行，有助於提高漿料宏觀與微觀尺度上各種組分分布和性能的一致性，既縮短漿料攪拌時間、提高漿料分散效率而節省能源，又弱化攪拌分散的尺寸效應而縮短新工藝流程的量產時間，所以能夠廣泛應用於需要對粉料與液體進行混合、分散以形成穩定、均勻混合物的行業，如食品、醫藥、建築、工業陶瓷、塗料、電池等行業中漿料的製備。根據上述原理，本發明還可以對上述實施方式進行適當的變更和修改。因此，本發明並不局限於上面揭示和描述的具體實施方式
，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護範圍內。此外，儘管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，並不對本發明構成任何限制。
權利要求
1.ー種攪拌槳，包括攪拌臂，其特徵在於所述攪拌臂表面分布有微結構陣列。
2.根據權利要求I所述的攪拌槳，其特徵在於所述微結構為凹坑或凸起，或是凹坑與凸起的組合結構。
3.根據權利要求2所述的攪拌槳，其特徵在於所述微結構為對稱結構或非対稱結構，為對稱結構時，其對稱軸垂直於攪拌臂的基準面。
4.根據權利要求1、2或3所述的攪拌槳，其特徵在於所述微結構的特徵尺寸為2 200微米。
5.根據權利要求1、2或3所述的攪拌槳，其特徵在於所述相鄰微結構之間的間距在2 4000微米之間。
6.根據權利要求2所述的攪拌槳，其特徵在於所述凹坑或凸起的形狀優選為稜柱體、稜台、圓柱體、圓臺，或是前述兩種或多種形狀的組合。
7.根據權利要求2所述的攪拌槳，其特徵在於所述凹坑或者凸起的界面交接處均採用圓角結構。
8.根據權利要求I所述的攪拌槳，其特徵在於所述微結構採用機械加工、雷射加工或電化學加工方式形成。
9.根據權利要求I所述的攪拌槳，其特徵在於所述微結構採用雷射刻蝕或化學腐蝕方式形成。
10.根據權利要求I所述的攪拌槳，其特徵在於所述攪拌臂為扭曲型結構，其數目為2 6個,且為對稱或旋轉對稱方式分布。
全文摘要
本發明公開了一種攪拌槳，其包括攪拌臂，所述攪拌臂表面分布有微結構陣列。相對於現有技術，本發明攪拌槳通過分布於攪拌臂表面的微結構陣列在漿料中形成微觀尺度的流場，縮小了現有攪拌流場的低效率剪切區和無效作用區，使得待分散的固-液/液-液混合物能夠迅速達到宏觀分布均勻與微觀分散一致的狀態，達到提高攪拌效率、改善漿料一致性，同時減小漿料製備過程由於規模不同而產生的差異、縮短新工藝開發流程。
文檔編號B01F15/00GK102836669SQ20121033966
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者張寧欣 申請人:寧德新能源科技有限公司, 東莞新能源科技有限公司