電動(dòng)攪拌器在鋰電池正極材料漿料混合過程中的工藝優(yōu)化

更新時(shí)間：2025-09-24 點(diǎn)擊次數(shù)：199

摘要

鋰電池正極材料漿料的混合均勻性、分散穩(wěn)定性直接決定極片涂覆質(zhì)量與電池電化學(xué)性能。本文以電動(dòng)攪拌器為核心設(shè)備，針對(duì)三元材料（NCM）與磷酸鐵鋰（LFP）兩種主流正極體系，系統(tǒng)研究攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌時(shí)間、槳葉結(jié)構(gòu)及固液混合順序?qū){料黏度、顆粒分散度、極片面密度均勻性的影響，通過單因素變量法與正交實(shí)驗(yàn)確定工藝參數(shù)。結(jié)果表明：適配特定正極材料的攪拌工藝可使?jié){料分散度提升 25% 以上，極片面密度波動(dòng)控制在 ±3% 以內(nèi)，為鋰電池正極漿料規(guī)模化生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 引言

正極材料作為鋰電池能量密度的核心載體，其漿料混合過程需實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)（如 NCM811、LFP）、導(dǎo)電劑（炭黑、碳納米管）、粘結(jié)劑（PVDF、PAA）在溶劑（NMP、去離子水）中的均勻分散。傳統(tǒng)電動(dòng)攪拌工藝易因參數(shù)匹配不當(dāng)導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚、粘結(jié)劑包裹不均，進(jìn)而引發(fā)極片開裂、容量衰減等問題。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，約 15% 的鋰電池性能失效源于漿料混合工藝缺陷。因此，基于電動(dòng)攪拌器的工藝優(yōu)化，對(duì)提升鋰電池一致性與循環(huán)壽命具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

正極材料：NCM811（粒徑 D50=8μm）、LFP（粒徑 D50=12μm）；

輔助材料：炭黑（Super P）、碳納米管（CNT，直徑 10-15nm）、PVDF（分子量 120 萬）、NMP（分析純）；

核心設(shè)備：數(shù)顯式電動(dòng)攪拌器（轉(zhuǎn)速范圍 0-3000r/min，可更換槳葉類型：推進(jìn)式、錨式、渦輪式）、激光粒度儀（ Mastersizer 3000）、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（NDJ-5S）、極片面密度測試儀（XY-100）。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用 “單因素變量法 + 正交實(shí)驗(yàn)" 組合方案，以漿料分散度（顆粒團(tuán)聚率≤5%）、黏度穩(wěn)定性（24h 黏度變化率≤10%）、極片面密度均勻性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，重點(diǎn)研究以下變量：

攪拌轉(zhuǎn)速：500-2500r/min（梯度 500r/min）；

攪拌時(shí)間：30-180min（梯度 30min）；

槳葉類型：推進(jìn)式（軸向流）、錨式（徑向流）、渦輪式（復(fù)合流）；

混合順序：先固后液（活性物質(zhì) + 導(dǎo)電劑預(yù)混合后加溶劑）、先液后固（溶劑 + 粘結(jié)劑溶解后加固體顆粒）。

3 工藝優(yōu)化結(jié)果與分析

3.1 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)混合效果的影響

不同正極材料因密度、粒徑差異，對(duì)攪拌轉(zhuǎn)速的需求存在顯著差異：

NCM811 體系：當(dāng)轉(zhuǎn)速低于 1000r/min 時(shí)，漿料中炭黑團(tuán)聚率超過 15%，黏度波動(dòng)達(dá) 25%；轉(zhuǎn)速提升至 1500-2000r/min 時(shí)，顆粒分散度（團(tuán)聚率 3.2%），但轉(zhuǎn)速超過 2000r/min 后，攪拌產(chǎn)生的剪切力過強(qiáng)，導(dǎo)致 PVDF 分子鏈斷裂，24h 黏度下降 18%，影響后續(xù)涂覆；

LFP 體系：因 LFP 密度更高（2.6g/cm3 vs NCM2.0g/cm3），需更高轉(zhuǎn)速突破顆粒沉降阻力，轉(zhuǎn)速范圍為 1800-2200r/min，此時(shí)漿料分散度達(dá) 94.5%，面密度波動(dòng)控制在 ±2.8%。

3.2 攪拌時(shí)間與槳葉類型的協(xié)同優(yōu)化

攪拌時(shí)間：NCM 體系在 120min 時(shí)達(dá)到最佳混合狀態(tài)，繼續(xù)延長時(shí)間，漿料黏度無明顯提升但能耗增加 30%；LFP 體系因顆粒分散難度大，攪拌時(shí)間為 150min，此時(shí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建最完整，極片電阻率降至 8.5mΩ?cm；

槳葉類型：渦輪式槳葉憑借軸向 + 徑向復(fù)合流場，對(duì)兩種體系均表現(xiàn)出適配性 —— 相較于推進(jìn)式槳葉，NCM 漿料分散度提升 18%，LFP 體系黏度穩(wěn)定性提升 22%；錨式槳葉因攪拌死角大，僅適用于低固含量（≤40%）漿料混合。

3.3 混合順序的優(yōu)化驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)表明 “先液后固" 混合順序更優(yōu)：先將 PVDF 在 NMP 中攪拌 60min 至溶解（轉(zhuǎn)速 800r/min），再加入 NCM/LFP 與導(dǎo)電劑混合，可避免固體顆粒包裹未溶解的粘結(jié)劑形成 “硬團(tuán)聚"。對(duì)比 “先固后液" 順序，NCM 漿料團(tuán)聚率降低 21%，LFP 體系極片面密度均勻性提升 15%。

4 工業(yè)應(yīng)用建議

參數(shù)適配：NCM 體系推薦攪拌參數(shù)為 “渦輪式槳葉 + 1800r/min 轉(zhuǎn)速 + 120min 時(shí)間 + 先液后固"；LFP 體系推薦 “渦輪式槳葉 + 2000r/min 轉(zhuǎn)速 + 150min 時(shí)間 + 先液后固"；

設(shè)備改進(jìn)：工業(yè)級(jí)攪拌器可增設(shè)槳葉高度調(diào)節(jié)裝置（建議槳葉距罐底距離為罐徑 1/3），減少底部沉淀；同時(shí)加裝溫度控制系統(tǒng)，避免攪拌剪切熱導(dǎo)致溶劑揮發(fā)（控制混合溫度 25-30℃）；

質(zhì)量監(jiān)控：每批次漿料需檢測黏度（NCM 體系控制 3000-5000mPa?s，LFP 體系 4000-6000mPa?s）與顆粒分散度，確保滿足極片涂覆要求。

5 結(jié)論

通過優(yōu)化電動(dòng)攪拌器的轉(zhuǎn)速、時(shí)間、槳葉類型及混合順序，可有效解決鋰電池正極材料漿料混合過程中的分散不均問題。針對(duì) NCM 與 LFP 體系的差異化工藝參數(shù)，能顯著提升漿料穩(wěn)定性與極片質(zhì)量，為鋰電池工業(yè)化生產(chǎn)提供可落地的技術(shù)方案。后續(xù)研究可結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬，進(jìn)一步優(yōu)化攪拌流場分布，降低能耗并提升混合效率。