電池制備前半段工藝對電池性能好壞的影響占到60%。其中，漿料是否分散好直接影響電池的循環(huán)和倍率性能，甚至是安全性。不少做納米材料的朋友總是發(fā)現(xiàn)不管怎么改粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑或者集流體等對電性能的改善都不明顯。除了電池材料本身外，其漿料的分散性是否夠好，也相當(dāng)程度的會(huì)影響其性能的發(fā)揮，尤其是對一些導(dǎo)電性本身不佳的材料。

分散顆粒團(tuán)聚體的漿料制備工藝與固體顆粒粉碎工藝類似，因?yàn)閮烧叨家┘酉嗤愋偷膽?yīng)力。顆粒團(tuán)聚體內(nèi)靠范德華力結(jié)合，二次顆粒靠靜電力結(jié)合，這些力都小于固體顆粒晶體之間的用途力，因此攪拌分散時(shí)所需應(yīng)力強(qiáng)度更小些，也就是說用于固體顆粒粉碎的設(shè)備和工藝完全足夠用于漿料制備。剪切流體流動(dòng)和超聲波攪拌常常用于漿料制備。

一、流體剪切攪拌

此類攪拌機(jī)重要有低能量磁力攪拌器/溶解器，轉(zhuǎn)筒式攪拌機(jī)，高能均質(zhì)機(jī)，渦輪攪拌機(jī)，靜態(tài)攪拌機(jī)等，漿料制備往往利用流體力學(xué)所出現(xiàn)的剪切力，由流動(dòng)剪切速率、團(tuán)簇截面面積、流體動(dòng)力學(xué)粘度控制。漿料制備一般包含兩個(gè)過程：團(tuán)簇的破碎和懸浮團(tuán)聚體的重組。

團(tuán)簇破碎是一個(gè)復(fù)雜的過程，包含三種途徑：磨蝕、斷裂、打碎，如圖7所示。團(tuán)簇破碎具體依靠顆粒-顆粒相互用途，漿料溶劑-顆粒相互用途，以及最重要的剪切力，而剪切力又取決于溶劑的粘度和運(yùn)動(dòng)速度。磨蝕通常在能量較低時(shí)發(fā)生，小碎片依靠磨蝕用途漸漸從大團(tuán)聚體剪切下來。當(dāng)攪拌能量高時(shí)，團(tuán)簇發(fā)生斷裂分割成幾個(gè)部分。打碎是斷裂的一種特殊變化形式，這種情況下團(tuán)簇同時(shí)分割成大量的小碎片。團(tuán)聚體的重組相關(guān)的參數(shù)有顆粒-顆粒相互用途，漿料溶劑-顆粒相互用途，以及漿料固含量。

團(tuán)簇的重組和分散速度的平衡主導(dǎo)漿料中團(tuán)簇的平衡尺寸，存在一個(gè)臨界尺寸，在這尺寸之下團(tuán)簇分散速度很小。現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，合適處理時(shí)間和攪拌能量下，通過流體力學(xué)剪切攪拌所制備的漿料，團(tuán)聚體的尺寸不可能小于100納米，因此只有當(dāng)一次顆粒尺寸不小于100納米時(shí)，這種攪拌才有可能完全分散粉體直至一次顆粒尺寸。納米顆粒的完全分散不可能實(shí)現(xiàn)。雖然使用Ramond高速攪拌機(jī)時(shí)，中等尺度團(tuán)簇分散至40-60納米也是可能的。因此，此種方法不太適用于納米材料的分散。另外，表面活性劑能改變團(tuán)聚體組合和分散的平衡，可能使?jié){料團(tuán)簇尺寸更小。

圖1.(a)團(tuán)簇破碎過程示意圖，包含三種途徑：磨蝕、斷裂、打碎;(b)混合物的粒度分布;分散對象：將一次顆粒平均尺寸為12nm的氣相二氧化硅粉末(AerosilR816)分散在水溶液中。

對鋰離子電池極片形貌而言，最重要的是漿料重新組合的團(tuán)聚體往往比原始活物質(zhì)和導(dǎo)電劑團(tuán)簇更致密，孔隙率更低。而電極性能又與涂層孔隙率密切相關(guān)，一方面高強(qiáng)度攪拌能夠更加充分分散活物質(zhì)和導(dǎo)電劑團(tuán)簇，但另一方面高強(qiáng)度攪拌又會(huì)降低粘結(jié)劑分子量而改變其初始的粘結(jié)特性，使之無法維持漿料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此，攪拌強(qiáng)度的優(yōu)化選擇也要平衡顆粒分散特性和維持漿料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定特性之間的相互影響。

目前市售的正負(fù)極材料尺寸一般為微米級別，或者雖然一次顆粒是納米級別的，但原料粉體本身也是由納米一次顆粒組成微米級二次顆粒，因此，基于流體力學(xué)的剪切分散攪拌技術(shù)是最廣泛使用的。但是，這種分散技術(shù)不能完全分散納米顆粒，強(qiáng)度太高又會(huì)打斷粘結(jié)劑分子鏈，因此，實(shí)際生產(chǎn)中是否選擇這種攪拌方式要根據(jù)活物質(zhì)和導(dǎo)電劑的細(xì)度以及粘結(jié)劑性質(zhì)決定。

二、球磨攪拌

球磨攪拌也常常用于鋰離子電池漿料的制備，和基于流體力學(xué)的攪拌方式相同，球磨工藝的分散能力由團(tuán)簇破碎和團(tuán)聚體重組的速度平衡決定，這種平衡與粉體顆粒的性質(zhì)有關(guān)，也會(huì)受到表面活性劑添加而改變。

在球磨工藝中，粉末顆粒經(jīng)歷大量的表面上和體積上變化，這種變化可能導(dǎo)致材料的機(jī)械化學(xué)轉(zhuǎn)變(如碳納米管可能破裂，它的長寬比和結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化)。而且顆粒之間，粉體與分散介質(zhì)(溶劑和粘結(jié)劑)之間，甚至粉體和磨球之間都可能發(fā)生反應(yīng)，磨球碰撞以及局部流體高剪切湍流也會(huì)造成粘結(jié)劑分子的斷裂。

所有的機(jī)械化學(xué)變化在漿料球磨工藝中都觀察到并有相關(guān)研究。研究表明球磨引起的活物質(zhì)和導(dǎo)電劑變化可能對鋰離子電池極片性能有益，但是這也會(huì)損害活物質(zhì)和導(dǎo)電劑初始特性。當(dāng)活物質(zhì)和導(dǎo)電劑顆粒本身形貌對電極性能有益時(shí)，球磨工藝并不好。

三、超聲波攪拌

目前，基于瞬時(shí)的聲空化效應(yīng)，超聲波被人們用于微觀尺寸的攪拌。這種效應(yīng)要在相當(dāng)高的超聲強(qiáng)度下出現(xiàn)，伴隨著微觀氣泡大量形成和生長。當(dāng)氣泡尺寸達(dá)到某一臨界值，氣泡生長速率快速新增，然后瞬間破裂，形成沖擊波對團(tuán)聚體進(jìn)行分散，同時(shí)造成局部的高溫高壓(局部壓力可達(dá)上千個(gè)大氣壓)。

超聲攪拌發(fā)生的另外一個(gè)過程是液體的宏觀流動(dòng)。空化氣泡濃度以發(fā)生器為中心沿軸線逐步降低，氣泡向低濃度區(qū)域擴(kuò)散帶動(dòng)液體流動(dòng)，流動(dòng)速度高達(dá)2m/s。這種流體流動(dòng)足以供應(yīng)充分的攪拌效果，無需新增額外的設(shè)備。

相對較低的超聲波頻率有利于漿料制備。通常在更低的輸入能量條件下，超聲波攪拌能夠達(dá)到與基于流體力學(xué)技術(shù)的攪拌相同的效果。超聲波技術(shù)和球磨結(jié)合，以及添加表面活性劑的超聲波攪拌特別有利漿料制備。

超聲波攪拌技術(shù)的特點(diǎn)表明有可能在低溶劑含量條件下實(shí)現(xiàn)漿料顆粒均勻分散，這種高固含量技術(shù)也更加節(jié)能。就鋰離子電池漿料而言，高固含量也是有利的，因?yàn)楣毯康蜐{料更容易發(fā)生沉降，導(dǎo)致活物質(zhì)、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的不均勻分布，在極片干燥過程中也會(huì)導(dǎo)致沿極片厚度方向孔分布不均勻。漿料固體沉降到底部，集中在集流體的附近，這也會(huì)限制鋰離子在此區(qū)域的傳輸。

實(shí)驗(yàn)室常見的超聲分散方式有三種：

1.普通超聲清洗機(jī)分散

2.細(xì)胞粉碎超聲分散

3.管道超聲分散

超聲效果比較好，但有效超聲面積小，時(shí)間長。

整個(gè)管道內(nèi)的液體可同時(shí)得到超聲，超聲效果好，分散速度非常快，一般5分鐘即可得到比較好的分散效果。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：管道超聲儀分散效果(功率1KW，頻率20KHz)

1、電池漿料分散

電池材料體系：LMO/Graphite;LMOTapdensity:1.88;ParticlesizeD10-6.2,D50-10.5,D90-15.7;Specificsurfacearea:0.23

結(jié)果分析：

圖3.漿料經(jīng)過和不經(jīng)過超聲分散正極的斷面(a,b)、表面(c,d)SEM圖;經(jīng)過超聲后的電極表面更均勻。

圖4.漿料經(jīng)過和不經(jīng)過超聲分散負(fù)極的斷面(a,b)、表面(c,d)SEM圖;很明顯的可以看到經(jīng)過超聲的電極表面更加平整。

2、納米材料的分散

圖5.納米材料導(dǎo)入超聲波取得的效果(a)團(tuán)聚狀態(tài)，(b)均勻分散狀態(tài)。

超聲波攪拌技術(shù)應(yīng)用較少，還處于研發(fā)階段。要注意的問題就是高強(qiáng)度超聲波用途下可能出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。尤其在水基漿料中，超聲波用途是否會(huì)出現(xiàn)H，OH，O和HO2等自由基，鋰離子電池漿料超聲波分散時(shí)，聚合物粘合劑分子鏈?zhǔn)欠駭嗔眩澈蟿┦欠衽c活物質(zhì)和導(dǎo)電劑顆粒反應(yīng)。常用的鋰離子電池漿料粘結(jié)劑甲基纖維素鈉，聚丙烯酸和聚乙烯醇等超聲用途下容易發(fā)生聚合反應(yīng)，而聚合物粘結(jié)劑分子鏈長度是控制電極形貌特點(diǎn)的重要參數(shù)，它們能夠保持極片結(jié)合強(qiáng)度，消除電化學(xué)過程中的活性物質(zhì)體積變化的影響。另外，超聲分散相比較于其他兩種方式，所需分散時(shí)間非常短。實(shí)驗(yàn)室分散Latex顆粒結(jié)果表明，5min之后顆粒度就可以降低到6um左右，非常適用于實(shí)驗(yàn)室涂布前的超聲工序。

除了新增電池漿料的均勻化、細(xì)化和分散性之外，超聲還在以下領(lǐng)域有所應(yīng)用：

1.用于塑料擠出機(jī)或者注塑機(jī)，具有良好的效果;

2.用于制備生物柴油，能促進(jìn)脂交換反應(yīng)，可明顯減少副產(chǎn)物，減少下游物料加工分離，氣化等工序的壓力，提升材料使用效率;

3.超聲陳化酒類，加速高效達(dá)標(biāo);

4.加速提取動(dòng)植物機(jī)體內(nèi)有效的醫(yī)用保健成分，比清洗槽式的超聲提取方法具有更好的提取效應(yīng)(此也是超聲提取中藥方法));

5.在木塑行業(yè)中，對去除木粉、竹粉粉粒中的蛋白質(zhì)、果膠、低聚糖類和脂類等有機(jī)物效果很好。