So sánh quy trình trộn từng bước và quy trình trộn một lần

Liên quan đến phương pháp điều chế bùn pin lithium, các nhà nghiên cứu đã thử các quy trình nghiền bột khác nhau. Các thử nghiệm đã chứng minh rằng quá trình nghiền bột của cấp liệu từng bước vượt trội hơn nhiều so với quy trình nghiền bột một lần. Bài báo này so sánh chi tiết giữa quy trình nghiền nhỏ từng bước và quy trình nghiền một lần. Hai quá trình nghiền được thể hiện trong Hình 1. (a) là quá trình nghiền một lần; (b) là quá trình nghiền bột từng bước.

Hình 1. Hai quy trình trộn khác nhau

Quá trình trộn một lần là trộn chất kết dính và NMP và khuấy trong nửa giờ, sau đó thêm vật liệu hoạt tính và carbon đen dẫn điện vào dung môi cùng một lúc để trộn. Đặc điểm của trộn nhiều bước là lượng dung môi được thêm vào theo từng mẻ. Quá trình trộn một lần và quá trình trộn nhiều bước không chỉ có tác động lớn đến các đặc tính của bùn, chẳng hạn như độ nhớt, môđun nhớt động và đặc tính dòng chảy ổn định, mà còn ảnh hưởng đến trở kháng, hiệu suất chu trình và hiệu suất tốc độ của ắc quy.

1. Mối quan hệ giữa độ nhớt của bùn, tốc độ cắt và tính lưu động

Hình 2 cho thấy đường cong quan hệ giữa độ nhớt và tốc độ cắt. Có thể thấy rằng dù áp dụng phương pháp một bước hay từng bước thì độ nhớt của bùn sẽ giảm khi tốc độ cắt tăng lên (pha loãng do cắt). Độ nhớt của bùn dưới lực cắt thấp là thước đo đặc tính lắng cặn của các hạt rắn và độ nhớt dưới lực cắt cao là thước đo khả năng xử lý của bùn. Dưới lực cắt thấp, độ nhớt cao hơn của hai loại bùn sẽ tốt hơn, vì các hạt rắn không lắng xuống đáng kể. Dưới lực cắt cao, độ nhớt thấp của bùn cũng là một tính năng tốt, vì nó có nghĩa là bùn được trộn đồng nhất.

Tất nhiên, mặc dù hai quá trình chuẩn bị có cắt mỏng, phương pháp trộn nhiều bước vẫn tốt hơn phương pháp tổng hợp một bước. Độ nhớt của hai loại bùn thay đổi theo tần số góc được thể hiện trong Hình 3.

Hình 3. Mối quan hệ giữa tốc độ góc và mô đun lưu trữ và mô đun tổn thất

Từ hình vẽ, chúng ta có thể thấy rằng độ nhớt của vữa được chế biến theo phương pháp một bước không liên quan đến tần số góc, trong khi mô đun đàn hồi của bùn được chế biến theo phương pháp nhiều bước liên quan đến tần số góc. Thứ hai, trong hình, G' là mô-đun lưu trữ và G' là mô-đun tổn thất. Có thể thấy rằng mô đun lưu trữ trong phương pháp một bước luôn cao hơn mô đun tổn thất, trong khi bùn nhiều bước thì ngược lại. Có thể thấy rằng bùn được điều chế theo phương pháp một bước chủ yếu ở trạng thái gel, các hạt kết tụ với nhau tạo thành cấu trúc mạng đầy thể tích. Các cụm hạt không bị phá hủy hoặc vỡ ra, và luôn được trộn với tốc độ cắt thấp, và không đạt được hiệu quả trộn. Bùn được điều chế theo phương pháp nhiều bước thực chất là sol có độ nhớt thấp, các đơn vị hạt phân tán đồng đều, cấu trúc mạng lưới bị phá hủy và phân tán hoàn toàn. Bùn theo từng bước ở trạng thái phân tán tốt và thể hiện độ trễ dòng tốt, có thể được biểu diễn bằng đường cong dòng chảy trễ (độ lưu động) được thể hiện trong biểu đồ. Hình 4 cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ cắt và lực cắt khi tốc độ cắt đầu tiên tăng và sau đó giảm. Có thể thấy rằng bùn nhiều bước có một vòng lặp trễ.

Hình 4. Tốc độ cắt và lực cắt

So với quá trình trộn một bước, trong quá trình trộn nhiều bước, cấu trúc mạng không thể đảo ngược của các cụm hạt bị phá vỡ thường xuyên hơn. Điều này là do dung môi NMP được thêm vào nhiều lần, và dung môi ít hơn ở trạng thái ban đầu, và các hạt có nhiều khả năng bị vỡ dưới tốc độ cắt cao. Vì trộn một bước là đổ dung môi vào cùng một lúc, độ nhớt tổng thể giảm nhanh chóng và ma sát giữa các hạt rất nhỏ, do đó không thể đạt được trạng thái phân tán tốt.

2. Ảnh hưởng của hai quá trình trộn khác nhau lên miếng cực

Các bùn được điều chế bởi hai quá trình này được chuẩn bị thành các điện cực, và sự khác biệt bắt đầu có thể được nhìn thấy từ các hình ảnh mặt cắt của hai miếng cực, như trong Hình 5.

Hình 5. Phân tích SEM và EDS của mảnh cực

(a) Mặt cắt một bước (e) Mặt cắt nhiều bước, có thể thấy rằng sau khi bùn nhiều bước chuẩn bị mảnh cực, hạt tiếp xúc gần hơn và trạng thái hỗn hợp tốt hơn.

Hình (b) và (f) là sơ đồ ánh xạ phần tử EDS Co của các mảnh cực của hai loại quy trình nghiền. Nguyên tố Co có nguồn gốc từ oxit côban liti, có thể xác minh hiệu quả trộn và phân tán tốt hơn của phương pháp nhiều bước.

Hình (c) và (g) là ánh xạ của phần tử C của mảnh cực của hai loại quy trình định cỡ tương ứng. Nguyên tố C chủ yếu đến từ PVDF và carbon đen dẫn điện;

Hình (d) và (h) là ánh xạ của nguyên tố flo trong mảnh cực của hai loại quy trình định cỡ. Phần tử F đến từ PVDF

Kết quả của nhiều bộ ảnh cũng chứng minh rằng chất dẫn điện và chất hoạt động trong bùn một bước có rất nhiều chất kết tụ và phân tán không đồng đều.

Thứ ba, ảnh hưởng của quá trình trộn đến hiệu suất của pin

1. Hiệu suất chu kỳ

Hiệu suất chu kỳ của pin được điều chế bởi hai hỗn hợp được thể hiện trên Hình 6. Sau 70 chu kỳ, công suất của quá trình trộn một bước và một bước lần lượt là 60% và 70% công suất ban đầu. Công suất giảm nhanh hơn. Nguyên nhân có thể là do nội trở của pin' thay đổi theo phương pháp một bước.

Hình 6. So sánh hiệu suất chu kỳ pin

2. Điện trở bên trong của pin thay đổi theo DOD

Thí nghiệm sử dụng HPPC để kiểm tra điện trở bên trong của pin, kết quả như hình 7. Có thể rút ra các kết luận sau: a. Điện trở trong của pin trong quá trình phóng điện lớn hơn điện trở trong của điện tích. Điều này là do tốc độ chèn các ion liti vào mạng rắn chậm hơn tốc độ tách các ion liti. b. Điện trở bên trong của pin sử dụng phương pháp nhiều bước và quá trình bùn sẽ thấp hơn so với phương pháp một bước trong từng giai đoạn và trong từng điều kiện DOD. c. Điện trở bên trong của pin và độ sâu phóng điện (D0D) có quan hệ mật thiết với nhau. Khi độ sâu phóng điện tăng lên, không gian cho các ion lithium được nhúng vào ngày càng ít hơn, điều này làm cho trở kháng của pin cũng tăng theo.

Hình 7. Mối quan hệ giữa điện tích và phóng điện của hai pin và điện trở trong

3. Ảnh hưởng của hai quá trình trộn đến hiệu suất tốc độ pin

Để so sánh điện trở trong của hai cực pin, các pin tương ứng được phóng điện với tốc độ khác nhau. Đường cong phóng điện được thể hiện trong Hình 8.

Hình 8. So sánh hiệu suất tốc độ pin và phân cực

Trong số đó, a là pin một bước và b là pin nhiều bước. Cả hai pin đều được sạc với dòng điện không đổi ở 0,2C. Hình a cho thấy khi dòng phóng điện tăng lên, độ phân cực của pin tiếp tục tăng. Ngược lại với đường cong phóng điện nhiều bậc của pin, mặc dù độ phân cực của pin cũng tăng đến một mức độ nhất định, nhưng độ phân cực tương đối nhỏ so với Hình a. Lý do của hiện tượng này phải bắt nguồn từ quá trình chuẩn bị của bùn. Như đã đề cập trước đây, quá trình trộn nhiều bước có thể đảm bảo sự phân tán đồng đều của chất dẫn điện và hoạt chất, tạo thành một mạng lưới dẫn điện ổn định và đồng nhất. Kết quả là, điện trở tiếp xúc giữa vật liệu hoạt động và chất dẫn điện được giảm đáng kể để đảm bảo hiệu suất chu kỳ tuyệt vời của pin.

Phần kết luận:

Ngay cả khi hàm lượng chất rắn cuối cùng của hai quá trình trộn khác nhau là như nhau, các đặc tính lưu biến của bùn vẫn khác nhau. Sản phẩm của quá trình trộn một bước có dạng gel, và các đơn vị bột được kết nối bên trong cấu trúc mạng chứa đầy thể tích, do đó sẽ có các đặc tính giống như chất rắn và kèm theo độ nhớt cao hơn. Sản phẩm được điều chế bằng quá trình trộn nhiều bước là sol có độ nhớt thấp và các đơn vị hạt được phân tán với nhau. Điều này là do trong giai đoạn đầu, hỗn hợp có hàm lượng dung môi thấp hơn, các hạt tiếp xúc chặt chẽ, và xác suất va chạm cao hơn nhiều so với phương pháp bùn một bước. Do đó, hàm lượng chất lỏng thấp hơn giúp phá vỡ và phân tán các hạt kết tụ. Sự phân tán đồng đều của vật liệu hoạt động của chất dẫn điện cho thấy pin có độ phân cực thấp hơn và hiệu suất chu kỳ và hiệu suất tốc độ tốt hơn.